Fruitvliegen in een kikkerlab

Nederlandse immunoloog ontrafelt darmkankermechanisme

De onderzoekslijn van immunoloog prof. dr. Hans Clevers is erg breed. Hoewel de immunologie zijn specialisatie is, heeft hij internationale bekendheid gekregen door de opheldering van het moleculaire mechanisme van darmkanker. Een veelvoorkomende aandoening: de kans om het te krijgen is 5 procent, en deze kans neemt sterk toe naarmate men ouder wordt.1 Voor de ontdekking van het moleculaire mechanisme krijgt Clevers op 7 februari de Spinozapremie en de bijbehorende anderhalf miljoen euro.
Zijn onderzoek richt zich vooral op de genetische programma’s die de ontwikkeling van stamcel tot immuuncellen reguleren. Toch heeft hij het mechanisme waarmee darmkanker ontstaat, weten op te helderen. Clevers maakte hiervoor gebruik van onorthodoxe methoden. Onder zijn leiding is het laboratorium van de afdeling Klinische Immunologie van het Universitair Medisch Centrum (UMC) in Utrecht al een keer omgetoverd tot kikkerlab en ook van fruitvliegen is hij niet vies.

Brede blik

De brede interesse van Clevers (1957) is al vroeg waarneembaar. Hij begint in 1975 de studie biologie met als specialisatie biochemie, maar wordt in zijn vierde jaar ingeloot voor geneeskunde. Hij besluit beide studies te doen. In 1982 doet hij zijn doctoraal biologie, een jaar later zijn doctoraal geneeskunde, nog een jaar later zijn artsexamen. Clevers: ‘Als ik de twee opleidingen vergelijk, denk ik dat ik meer heb gehad aan de geneeskundeopleiding. Het is een hele complete opleiding. Naast hard werken leer je van alle kanten naar gezondheid, ziekte en veroudering te kijken. Het is een brede blik op één zoogdier, terwijl bij biologie een beetje van allerlei organismen aan bod komt.’

Tijdens zijn promotie bij de afdeling Immunologie in Utrecht begint zijn werk aan de T-lymfocyt. Het promotieonderzoek verloopt erg voorspoedig waardoor hij een jaar na het behalen van zijn artsexamen al promoveert. Na zijn promotie vertrekt hij naar het gerenommeerde Dana Farber Cancer Institute van de Harvard Medical School in Boston. Clevers: ‘Ik ging zonder enige kennis van recombinant-DNA-technieken naar Amerika. In Amerika heb ik naast veel technieken vooral geleerd hoe het werkt in de wetenschap; hoe je een artikel moet schrijven en hoe je een plaats in de wetenschappelijke wereld verwerft.’

In 1989 keert Clevers terug in Utrecht waar hij het onderzoek aan de T-cel voortzet. Hier richt het onderzoek zich op de vraag welke genen verantwoordelijk zijn voor de differentiatie van de T-cel. Clevers: ‘In Nederland was toen nog nauwelijks sprake van DNA-onderzoek. Toen ik begon in het net geopende gebouw van het Academisch Ziekenhuis Utrecht (AZU), was ons lab nog helemaal leeg en ik was dan ook best zenuwachtig of het wel zou lukken om er een succesvol lab van te maken. Gelukkig was het toen nog niet heel erg duur om een lab in te richten, vooral in vergelijking met de apparatuur die nu nodig is. Met honderdduizend gulden was je in die tijd klaar.’

Voorbedachte rade

Al redelijk snel na zijn aanstelling als hoogleraar Klinische Immunologie aan het UMC ontdekt hij het ‘T-cell factor’-gen (TCF). Inmiddels is bekend dat het TCF-1-eiwit een rol speelt bij de rijping van stamcel tot T-cel. Op de vraag hoe het mogelijk is dat een immunoloog de moleculaire basis van kanker ontdekt, antwoordt Clevers dat hij met voorbedachte rade onderzoek deed naar de ontwikkeling van stamcel tot lymfocyt omdat hiermee ook meer algemene principes zijn op te helderen. Clevers: ‘Wat we deden was eigenlijk fundamenteel onderzoek omdat het ging over hoe een stamcel zich ontwikkelt tot een lymfocyt. Dit zijn hele basale vragen, omdat elk weefsel wordt gevormd uit stamcellen. Je kunt ook onderzoek doen dat heel precies antwoord geeft op een vraag, maar dat verder weinig implicaties heeft. Het onderzoek dat wij deden, kon ook antwoord geven op algemene vragen zoals hoe de menselijke ontwikkeling in zijn werk gaat.’

Clevers sloot dan ook de mogelijkheid niet uit dat hij met deze onderzoekslijn stuitte op een mechanisme dat een rol speelt bij kanker. ‘Je weet dat als je hele basale proliferatie- en differentiatievragen stelt - dus vragen naar wat het lot van een cel bepaalt - je aan processen werkt die belangrijk zijn in het ontstaan van kankercellen. De bij kanker betrokken oncogenen zijn eigenlijk normale genen die een functie hebben in de regulatie van celdeling en celrijping.’

Primitieve organismen

Met de ontdekking van TCF was nog niet meteen duidelijk wat de precieze functie van dit eiwit was. Hoewel het in de immunologie niet gebruikelijk is, heeft de Utrechtse immunoloog voor het onderzoek naar de functie van TCF veelvuldig gebruikgemaakt van proefdieronderzoek. Clevers: ‘Ik heb vroeger geleerd dat de genetica van zogenaamde primitieve organismen goed bruikbaar kan zijn om basale mechanismen in hogere organismen op te helderen. Bij de worm komt ook een TCF-eiwit voor, maar wormen hebben geen immuunsysteem. Dit geeft aan dat het immuunsysteem heel laat in de evolutie is ontstaan; alleen gewervelde dieren hebben het. Het immuunsysteem is eigenlijk bij elkaar gesprokkeld uit allerlei andere, oudere systemen. TCF’s bestonden allang, T-cellen hebben deze eiwitten gebruikt om hun ontwikkeling te reguleren.’

Clevers: ‘DNA is DNA, of het nou in een fruitvlieg zit of in een mens. Nadat we het TCF-gen hadden gekloneerd, was ik in Portugal waar ze onderzoek deden naar de fruitvlieg. Ik heb toen gewoon gevraagd of ze me fruitvliegen konden meegeven, zodat ik er DNA uit kon halen om te kijken of het TCF-gen erin zat. Dit bleek inderdaad het geval te zijn.’

‘Toen we het verband vonden tussen TCF en een eiwit dat voorkomt in fruitvliegen, lazen we dat zulke eiwitten ook in andere dieren zoals de kikker voorkwamen. We hebben toen het lab tijdelijk omgedoopt tot kikkerlab, en voordat we begonnen met onderzoek naar TCF in de fruitvlieg, ben ik een maand naar een Amerikaans instituut geweest om bekend te worden met de onderzoeksmethoden bij fruitvliegen. Ook hebben we gebruikgemaakt van de worm. Voor dit deel van het onderzoek hebben we een medewerker aangenomen die is opgeleid in het lab van de geneticus Ronald Plasterk. De meeste mensen in het AZU keken wel vreemd dat we met kikkers en fruitvliegen bezig waren, maar toen we eenmaal publiceerden in bekende bladen als Nature en Cell had niemand meer commentaar.’

Sleutel

Op zich zegt het vinden van een eiwit in andere soorten nog niets over de functie ervan. Inzicht hierin kwam met de ontdekking van het partnereiwit van TCF: b-catenine. Daarvan was bekend dat het de eindschakel in een signaaltransductie-cascade was. Dit is de route die een signaal van buiten de cel moet afleggen om een verandering in de expressie van de genen teweeg te brengen. Er was echter een probleem. Om de genexpressie te veranderen moet een eiwit de kern ingaan om via binding met het DNA de genen te beïnvloeden. Nu is

b-catenine is een cytoplasmatisch eiwit dat niet de kern in kan. Clevers: ‘Toen we wisten dat b-catenine aan ons eiwit (TCF) kon binden, was het voor ons duidelijk dat we de sleutel in handen hadden. Want TCF is een kerneiwit en kan binden aan genen. We hebben toen vrij snel aangetoond dat de combinatie van b-catenine/TCF wel de kernmembraan kan passeren (zie figuur blz. 20). Sindsdien is bekend dat als je de zogenoemde WNT-signaaltransductie-cascade activeert, het eindstation het b-catenine/TCF is, dat in de celkern een genomisch programma aanzet.‘

Ongebreidelde groei

De kennis uit het dieronderzoek heeft Clevers toegepast op het darmkankeronderzoek. Het was al bekend dat het missen van beide allelen van het adenomateus polyposis coli-gen (APC) leidt tot darmkanker. Patiënten met familiaire adenomateuze polyposis hebben vanaf de geboorte maar één allel. Deze mensen zijn erg kwetsbaar en ontwikkelen al snel duizenden poliepen in de darm die later vaak ontaarden in darmkanker. De opheldering van het precieze mechanisme is de verdienste van Clevers. De immunoloog: ‘Nadat wij hadden ontdekt dat b-catenine aan TCF bond, lazen we dat b-catenine ook aan APC bond.

Gecombineerd met de wetenschap dat darmkankercellen die geen functioneel APC meer hebben, heel veel b-catenine hebben, namen we aan dat APC een soort regulator van b-catenine is. Wij dachten toen: als die darmkankercellen heel veel b-catenine hebben, dan zal dat wel een TCF activeren. We wisten inmiddels dat er verschillende TCF’s waren en we zijn toen gaan onderzoeken of in de darm ook een TCF voorkwam. Dat bleek zo te zijn.’

Dit was TCF-4, de darm-TCF. Onderzoek hiernaar leverde op dat dit eiwit in darmkankercellen altijd aan b-catenine gebonden zit. In normale darmcellen komt deze combinatie alleen voor tijdens de vroege ontwikkeling van een darmcel uit een stamcel. Clevers: ‘We konden hiermee aangeven dat het verlies van APC, dat leidt tot een teveel aan

b-catenine, eigenlijk cellen tot ongebreidelde groei aanzet, doordat het b-catenine kan binden aan TCF waardoor de kern van een darmcel de boodschap krijgt dat hij voortdurend moet delen. Een voortdurend delende darmcel kan uiteindelijk ontaarden in kanker. We hebben dit hierna aangetoond door een ‘TCF-4-knock-out’-muis (een muis die het TCF-4-gen mist) te maken. Het blijkt dat deze muizen geen stamcellen in de darm hebben; ze worden dan ook dood geboren.’

Jubelverhalen

Op het moment zijn meer dan honderd genen bekend die betrokken zijn bij kanker. Met kennis van de moleculaire eigenschappen van kankercellen kunnen medicijnen worden ontwikkeld die specifiek cellen met afwijkende moleculen aanpakken. Heel langzaam komen hier therapeutische mogelijkheden uit voort, het bekendste voorbeeld is een medicijn tegen chronische myeloïde leukemie: imatinib mesylaat oftewel Glivec. Clevers hoopt dat de specifieke laagmoleculaire medicijnen succesvol worden, maar is voorzichtig met uitspraken hierover. ‘Over antistoffen hoorde je ook veel jubelverhalen, maar hiervan is nog niets gebleken. Wel denk ik dat deze medicijnen op de lange termijn succesvol zullen zijn. Met de toenemende kennis over kanker komen er steeds meer aanknopingspunten om medicijnen te ontwikkelen.’

De Utrechtse professor is zoals veel professoren in het kankeronderzoek ook zelf betrokken bij het ontwikkelen van medicijnen. Naast het met Ton Logtenberg opgezette U-BiSys, inmiddels opgegaan in Crucell, heeft Clevers recentelijk een nieuw biotechbedrijf opgericht: Semaia. Dit bedrijf ontwikkelt laagmoleculaire organische medicijnen die specifiek ingrijpen op de ontregelde signaaltransductie-cascade. Semaia heeft onder andere een b-catenineremmer geproduceerd die nu wordt getest bij muizen.

Tijdelijke kaalheid

Een groot probleem bij kanker is dat het eigenlijk een ontsporing is van normale cellen. Een kankercel is nauwelijks anders dan een normale cel, wat betekent dat het aantal aanknopingspunten voor therapeutisch ingrijpen beperkt is. Bij het toedienen van remmers voor een bij kanker betrokken eiwit, treden dan ook bijna altijd effecten op in normale cellen. Clevers: ‘Nu blijkt dat onze cascade vooral actief is in het embryo; op het moment dat de orgaanontwikkeling klaar is, speelt de WNT-cascade (een signaaltransductie-cascade, TvV) nauwelijks een rol meer. Wel maken de haarfollikels nog gebruik van de WNT-cascade. Gebruik van de b-catenineremmers leidt dus waarschijnlijk tot tijdelijke kaalheid. Ook darmcellen maken nog gebruik van de WNT-cascade, waardoor schade aan het darmepitheel ook aannemelijk is.’

Toch zijn de bijwerkingen waarschijnlijk veel minder dan bij veel van de huidige behandelingen. Clevers: ‘Het grote verschil met chemotherapie en bestraling is dat b-catenineremmers niet schadelijk zijn voor de meeste cellen. Vooral kankercellen worden aangepakt door deze medicijnen. Dus als je stopt met het geneesmiddel, is de patiënt niet beschadigd in tegenstelling tot chemotherapie en bestraling.’

Op de vraag wat Clevers gaat doen met het Spinozageld, antwoordt hij: ‘Doorgaan met ons onderzoek. Als je eenmaal aan een onderwerp werkt, is er om de hoek altijd weer iets anders interessants. We doen veel werk aan stamcellen in de darm. Ook ons oorspronkelijke onderzoek aan TCF-1 in de lymfocyt loopt door. Eigenlijk kun je elke dag wel wat bedenken waar je graag aan zou willen werken.’ n

Referenties

1. Fodde R, Smits R, Clevers H. APC,

signal transduction and genetic instability in colorectal cancer

. Nature reviews cancer, Vol. 1, october 2001: 55-67.

Foto:  Herbert Wiggerman