CRISPR-RNA (groen) en viraal RNA (rood) met verschillende Cas-proteïnen (cyaan). Boghog/Wikimedia Commons

Menselijke cellen verdedigen zich tegen genetische manipulatie, verdediging uitschakelen houdt risico's in

Menselijke cellen verdedigen zich tegen gene editing - het bewerken van het genoom - door verdedigingsmechanismen tegen kanker in te schakelen, zich niet meer te vermenigvuldigen, en soms zelfs door te sterven. Dat hebben twee teams van onderzoekers ontdekt. De bevindingen leken eerst de leefbaarheid van de meest gebruikte techniek voor genetische manipulatie, CRISPR-Cas9, in twijfel te trekken, maar volgens de onderzoekers blijft het een veelbelovende techniek.   

Het nieuws veroorzaakte zelfs een daling op de beurs van de aandelen van een aantal biotech-bedrijven die medische behandelingen ontwikkelen op basis van CRISPR. De aandelen van Crispr Therapeutics verloren zelfs 13 procent, meteen na de aankondiging van de onderzoekers. 

Maar de geleerden die de twee studies gepubliceerd hebben, zeggen dat CRISPR een veelbelovende technologie blijft, zij het dan een beetje moeilijker dan tot nu gedacht. 

"De reacties waren overdreven", zei Jussi Taipale aan "The New York Times". Taipale is een biochemicus aan de University of Cambridge, en een van de auteurs van een van de studies. De bevindingen maken duidelijk dat er meer onderzoek nodig is naar de veiligheid van CRISPR, zei hij, maar ze luiden er niet de ondergang van in. 

"Dit is niet iets dat het onderzoek naar CRISPR-therapieën zou moeten stilleggen", zei Taipale. "Ik denk dat het bijna omgekeerd is, dat we er net meer inspanningen moeten insteken." 

CRISPR-Cas9 is in feite een verdedigingsmechanisme van bacteriën tegen bacteriofagen, (de vreemde oranje-gele "maanlanders" bovenaan) virussen die bacteriën aanvallen. De bacteriën knippen het DNA stuk dat de virussen in hen injecteren, en bewaren er een deel van om later makkelijker het DNA te herkennen en te vernietigen bij een nieuwe infectie. Guido4/Wikimedia Commons/CC BY-SA 4.0

CRISPR

CRISPR heeft sterke gevoelens losgeweekt sinds het vijf jaar geleden aan het licht kwam als een technologie om genen te bewerken, en momenteel is het al een vaste waarde in de wetenschappelijke gereedschapskist. 

De mogelijkheden die de techniek biedt, hebben geleid tot speculaties over het aanpassen van het menselijk ras, en het opnieuw tot leven wekken van uitgestorven soorten. De pioniers van CRISPR hebben talloze prijzen gewonnen, en er woeden verschillende gerechtelijke veldslagen over de patentrechten van de technologie. 

Om genen te bewerken met CRISPR,  maken de geleerden moleculen die in de kern van een cel binnengebracht worden. Daar omsluit het mechanisme een bepaald stuk DNA, en snijdt dat uit het genoom. De cel herstelt dan de twee losse einden, en als de geleerden een ander stuk DNA toevoegen, kan de cel dat inbrengen op de plaats waar het weggesneden gen gezeten heeft. 

Gen p53 werkt tegen

Onlangs wilde het team van Taipale een bepaald aspect van kanker bestuderen, en het gebruikte CRISPR om genen uit kankercellen te knippen, en zo te zien welke genen essentieel waren voor de aggressieve groei van de kanker. 

Ter vergelijking probeerden ze ook genen uit normale cellen te verwijderen, in dit geval, een cellijn die oorspronkelijk van een menselijk netvlies kwam. Maar terwijl het makkelijk was om de cellen uit de kankercellen te knippen, hadden de geleerden geen succes met de netvliescellen. Een dergelijke mislukking is niet ongewoon bij het bewerken van genen, maar toch besloot het team wat tijd te besteden om uit te zoeken waarom ze precies geen succes hadden. 

Ze ontdekten al snel dat één gen, p53, grotendeels verantwoordelijk was voor het verhinderen dat CRISPR zijn werk kon doen. p53 beschermt ons normaal tegen kanker, doordat het verhindert dat mutaties zich kunnen opstapelen in het DNA van de cel. Mutaties kunnen opduiken als een cel probeert een breuk in haar DNA-streng te herstellen. Dat proces is immers niet perfect, en de herstelling kan verkeerd gebeuren, wat tot een mutatie leidt.

Als cellen voelen dat de DNA-streng gebroken is, kan het p53-gen in actie komen. Het gen kan een cel beletten een nieuwe kopie te maken van haar genen, en dan kan de cel gewoonweg stoppen met zich te vermenigvuldigen, of ze kan sterven. Dat helpt om ons lichaam te beschermen tegen kanker.

Als een cel echter een mutatie in het p53-gen zelf krijgt, verliest die cel het vermogen om zichzelf te controleren op gebrekkig DNA. Het is dan ook geen toeval dat veel kankercellen drager zijn van niet werkende p53-genen. 

Doctor Taipale en zijn collega's bewerkten netvliescellen vervolgens zodanig, dat de cellen stopten met het inzetten van het p53-gen. Net zoals de onderzoekers voorspeld hadden, werkte CRISPR nu veel effectiever in die cellen.

Een voorstelling van een complex tussen de proteïne p53, waarvoor het gen p53 codeert, en DNA, de geelbruine helix onderaan.  (Illustratie: Thomas Spletstoesser/Wikimedia Commons/CC BY-CA 3.0)

Van stamcellen naar zenuwcellen

Een ander team onderzoekers, aan de Novartis Institutes for Biomedical Research in Cambridge in Massachussetts, kwam in zijn studie tot gelijkaardige resultaten met een ander soort cellen. 

Dit team wilde nieuwe versies van CRISPR ontwikkelen om het DNA in stamcellen te bewerken. De onderzoekers waren van zin om de stamcellen in neuronen - zenuwcellen - om te vormen, wat hen moest toelaten om hersenaandoeningen te bestuderen in Petrischaaltjes in hun labo. En in de toekomst, zo hopen de onderzoekers, kan het misschien mogelijk worden om CRISPR te gebruiken om cellijnen te creëren, die ingeplant kunnen worden in het lichaam om ziekten te behandelen. 

Toen het Novartis-team echter CRISPR losliet op de stamcellen, stierven de meeste van die cellen. De onderzoekers vonden aanwijzingen dat CRISPR ervoor gezorgd had dat p53 ingeschakeld werd, en dus schakelden ze het p53-gen uit in de stamcellen. Dat maakte dat veel van de stamcellen het nu wel overleefden dat hun DNA bewerkt werd.

Bezorgdheid

De auteurs van de beide studies zeggen dat hun resultaten leiden tot bezorgdheid over het gebruik van CRISPR om menselijke ziekten te behandelen. 

Ten eerste zouden de verdedingsmechanismen tegen kanker in de menselijke cellen CRISPR minder efficiënt kunnen maken dan de onderzoekers gehoopt hadden. Een manier om die hindernis te overwinnen, zou kunnen zijn van een "tijdelijke rem" te plaatsen op p53. Maar dan zouden er extra mutaties in ons DNA kunnen sluipen, en dat zou misschien tot kanker kunnen leiden.

Een tweede zorg is dat cellen soms spontaan een mutatie verwerven die het p53-gen onklaar maakt. Als onderzoekers CRISPR gebruiken op een mengeling van cellen, maken de cellen met het kapotte p53 het meeste kans om met succes bewerkt te worden, en zullen dat de cellen zijn waarmee verder gewerkt wordt in het onderzoek. Maar zonder p53 lopen die bewerkte cellen ook meer kans om gevaarlijke mutaties te krijgen.

Een manier om dit risico uit te schakelen, zou kunnen zijn om de bewerkte cellen te screenen voor gemuteerde p53-genen. Het is echter best mogelijk dat CRISPR ook zou kunnen selecteren voor andere gevaarlijke mutaties, zo waarschuwde Steven A. McCarroll, een geneticus aan de Harvard University.  

DNA bewerken zonder het te breken

"Dit zijn belangrijke studies, omdat ze iedereen eraan herinneren dat het bewerken van het genoom geen magie is", zei Jacob E. Corn aan "The New York Times". Corn is de wetenschappelijke directeur van het Innovative Genomics Institute in Berkeley, Californië. 

CRISPR herschrijft niet enkel DNA zoals een tekstverwerker, zei doctor Corn. In de plaats daarvan breekt het het DNA in tweeën, en haalt het de cellen over om het opnieuw in elkaar te zetten.

En het is mogelijk dat sommige cellen dergelijke veranderingen niet tolereren, zo zei hij. Het zou kunnen dat de soorten cellen die bestudeerd werden in de twee nieuwe studies, net ongewoon gevoelig zijn voor het bewerken van genen. Corn zei dat hij en zijn collega's geen soortgelijke problemen hebben ondervonden in hun eigen onderzoek op beenmergcellen. 

En hoewel Corn zei dat strenge testen in verband met de veiligheid essentieel zijn, betwijfelde hij dat de nieuwe studies wijzen op een risico op kanker voor CRISPR. "We hebben allemaal uitgekeken voor de mogelijkheid op kanker", zei hij aan de Times. "Ik denk niet dat dit een waarschuwing inhoudt voor therapieën." 

"We moeten absoluut op onze hoede zijn", zei George Church, een geneticus aan Harvard, en wetenschappelijk adviseur van het farmaceutisch bedrijf Editas dat met CRISPR werkt en zijn aandeel eveneens zag dalen op de beurs. Church denkt dat het gedrag van p53 zich niet zal vertalen in een daadwerkelijk risico op kanker, maar hij geeft toe dat het "een terechte zorg" is.

Maar die bezorgdheden zouden binnen een paar jaar niet meer aan de orde kunnen zijn. Het probleem met CRISPR is dat het de DNA-strengen breekt, en Church en andere geleerden onderzoeken nu manieren om het DNA te bewerken zonder het te breken. 

"We gaan een hele nieuwe generatie van moleculen hebben, die niets te maken hebben met CRISPR", zei Church in "The New York Times". "De verliezen op de beurs vormen geen weerspiegeling van de toekomst." 

De studie over de netvliescellen is verschenen in "Nature Medecine", de studie over de menselijke stamcellen eveneens