Dagelijks opinie, nieuws en achtergronden

Inloggen
naar overzicht
interview

Ontdekker CRISPR-Cas krijgt Heinekenprijs

Jennifer Doudna geëerd voor haar werk aan ribozymenstructuur

Plaats een reactie
Jussi Puikkonen/KNAW
Jussi Puikkonen/KNAW

Jennifer Doudna spreken lijkt een beetje op een filmster interviewen: ze komt net uit Taipei, heeft een beetje een jetlag, en journalisten en fotografen komen volgens een strak schema binnen. En tegen het einde van het interview wordt ze weggeroepen voor het volgende telefoontje.

Niet zo verwonderlijk al die belangstelling, want de Amerikaanse structuurbiologe is een grondlegger van een van de spannendste wetenschappelijke ontwikkelingen van de laatste jaren: CRISPR-Cas9. De techniek met de onmogelijke naam, gebaseerd op een bacterieel afweersysteem. Dat er iets bijzonders in dat bacteriële DNA huisde, was eind jaren tachtig beschreven door Japanse onderzoekers. Bij toeval viel hen op dat zich daarin stukjes palindromisch DNA bevonden, met daartussen DNA dat aan indringers zoals virussen is ontleend. Jaren later krijgt het de naam CRISPR: clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Samen met bijbehorende eiwitten vormen ze het CRISPR-associated system (Cas). Het hele complex is een soort afweersysteem tegen onbekende indringers. Een kopie van het virale DNA wordt tussen de CRISPR’s in gebouwd. Een RNA-afschrift van dat DNA bindt aan een Cas-eiwit en circuleert in de cel. Als het virus opnieuw aanvalt, herkent het CRISPR-Cas-complex het DNA, en de eiwitten knippen het DNA kapot. Doudna toonde samen met onder meer Emmanuelle Charpentier aan dat zij één specifiek eiwit, Cas9, vrij eenvoudig konden herprogrammeren om een specifiek stukje DNA te herkennen en weg te knippen. Het kan daarna worden vervangen. Na hun eerste publicatie daarover, in 2012 in Science, verscheen al binnen een jaar een hausse aan andere artikelen over CRISPR. De opwinding duurt voort, net zo goed bij plantenveredelaars, producenten van industriële micro-organismen en dierenfokkers als bij iedereen die genetische ziekten bij mensen als sneeuw voor de zon wil zien verdwijnen.

Wetenschappelijke liefde

Het moet gek lopen wil Doudna (52) – samen met anderen zoals Emmanuelle Charpentier – niet vroeg of laat een Nobelprijs in ontvangst nemen voor haar werk aan CRISPR-Cas. Maar ze was in Nederland vanwege de Heinekenprijs die ze kreeg voor haar werk aan de structuur van ribozymen, RNA-moleculen met katalytische activiteit. RNA is ook nu nog Doudna’s grootste wetenschappelijke liefde.

‘Tot die ontdekking van ribozymen in de jaren tachtig, wisten we eigenlijk heel weinig van RNA. We kenden ribosomaal, messenger- en transport-RNA. En toen bleek dat het veel meer functies had, het doet veel meer dan DNA. Dat is juist gemaakt om veranderingen te weerstaan. RNA is kneedbaar, het kan allerlei vormen aannemen, en lijkt veel meer veranderingen te kunnen hebben dan DNA. Het idee ontstond dat RNA in de vroege evolutie misschien van groot belang is geweest. Misschien waren er ooit organismen die alleen uit RNA bestonden. Dat RNA het genetische materiaal en de kopieermachine was. Ik dacht: zou het niet geweldig zijn als we dat konden aantonen? Door hun driedimensionale structuur te ontrafelen, zouden we beter kunnen begrijpen wat hun precieze rol was. Die fascinatie voor evolutie heb ik van Jack Szostak (een Heineken- en Nobelprijswinnaar, voor zijn werk aan telomeren en telomerase, red.), toen ik in zijn lab werkte. Hij bracht mij het besef bij dat om biologie echt te begrijpen, je de evolutionaire verbindingen tussen organismen moet begrijpen, op een moleculair niveau. Dat idee is er bij mij in gebleven, dat is altijd een onderstroom in mijn werk geweest, ook later bij mijn werk aan CRISPR.’

Je kunt er in één keer vanaf zijn, van een vervelend gen

Toeval

Doudna ging met ribozymen aan de slag. Ze liet RNA-moleculen kristalliseren om ze daarna onder meer onder de microscoop en met röntgendiffractie (het meten van verstrooiing van röntgenstralen) in kaart te brengen. Door haar werk aan de structuur van ribozymen kon hun werking als katalysator beter worden begrepen. Ze wilde verder.

‘Het structureel biologische werk aan ribozymen deed ik altijd op gezuiverde moleculen. Dat is een geweldige manier om vorm en chemie tot in detail te begrijpen. Maar ik wil geen postzegelverzamelaar zijn, maar dan van molecuulstructuren. Ik wil weten hoe ze in levende organismen werken. Daarvoor ben ik gaan experimenteren in cellen, en in hele organismen. Door toeval, zoals dat gaat in de wetenschap, zette iemand mij op het spoor van RNA-interferentie. Zo ben ik die heel kleine stukjes RNA gaan bestuderen, die genexpressie beïnvloeden in menselijke cellen. Daar was veel opwinding over, en wij gingen werken aan de onderliggende moleculaire mechanismen, en aan de enzymen die ze maken. Toevallig zocht een microbiologe aan de universiteit waar ik werk naar mensen die verstand hadden van RNA. Zij was bezig met CRISPR’s, die vreemde stukjes DNA in het bacterieel genoom, die op een heel vergelijkbare manier als RNA-i werkten. Zo kwam ze bij ons terecht.’

Was dat meteen de link die u zocht?

‘Nou, het was eigenlijk een gek project, ik was niet met bacteriën bezig. Maar toen ik haar data zag, zag ik wel meteen een mogelijke, evolutionaire verbinding met het RNA-interferentiesysteem. Dat was mijn excuus om een heel nieuwe onderzoekslijn te verantwoorden.’

Wat is de rol van RNA in CRISPR?

‘Bacteriën gebruiken het CRISPR-systeem om stukjes viraal DNA op te slaan en daar kleine RNA-kopieën van te maken. Die worden gebruikt om CRISPR-eiwitten te rekruteren die bepaalde stukjes DNA knippen. In een bacterie zou dat waarschijnlijk viraal DNA zijn. Zonder het RNA doen die eiwitten niets, de RNA’s zijn als het ware de postcode die zeggen waar ze naartoe moeten.’

Wanneer begreep u dat u met iets bijzonders bezig was?

‘Toen ik eraan begon, met Emmanuelle Charpentier, hadden wij natuurlijk geen idee wat het teweeg zou brengen. We hadden wel door dat er verschillende eiwitten bestonden die voor biotechnologische doeleinden interessant waren. Bijvoorbeeld om virussen te detecteren met CRISPR-enzymen die bepaalde RNA- of DNA-sequenties kunnen opsporen. Denk aan kleine toolkits waarmee je hiv zou kunnen detecteren, zonder dat polymerasekettingreactie nodig was. Dus we dachten wel na over hoe we ze konden gebruiken. Ook dat heb ik meegekregen van Jack Szostak. Hij dacht als een engineer, en spoorde zijn assistenten aan om na te denken over hoe je de kennis over hoe iets in de natuur werkt, voor iets anders kunt gebruiken. En toen kwam Cas9 langs. Toen we doorhadden hoe dat werkte, begrepen we dat het een programmeerbaar enzym was dat we naar verschillende stukjes DNA konden sturen, door alleen maar een klein stukje RNA te wijzigen. Dat is vrij simpel voor een moleculair bioloog. Op dat moment veranderde het CRISPR-project van basale wetenschap “jeetje, hoe zouden die bacteriën dit doen?” naar “wow, dit is een supercool eiwit, en het gaat zeer goed van pas komen”. ’

Dat is gebleken. Toch heeft u zich voorzichtig uitgelaten over toepassing bij de mens, het idee om genetische afwijkingen te repareren met CRISPR. Maakt het wat u betreft verschil of we het hebben over embryo’s of over somatische cellen?

‘O, in somatische cellen moeten we zo snel mogelijk gaan, vind ik. Ik zie geen reden om dat niet te doen. Er komen zoveel mensen op mij af, persoonlijk, of via mail, met hun verhalen over een genetische aandoening, die hebben een urgent probleem. Die therapieën moeten we snel proberen van de grond te krijgen. Er lopen nu ook al vier trials, vergelijkbaar, voor toepassingen bij kanker.’

En in embryo’s?

‘Er zijn researchprojecten naar CRISPR in embryo’s goedgekeurd. Hoe verder we daarmee komen, als ingrijpen veilig en effectief is, hoe groter de druk zal worden om die te gebruiken. Dat gaat gebeuren. Daar twijfel ik absoluut niet aan. Mensen gaan daar ook steeds anders over denken, naarmate er meer over bekend wordt. Als we het twee jaar geleden hadden over de mogelijkheid om gen editing bij embryo’s toe te passen, dan waren de meeste mensen het er toch wel over eens: nee, niet doen, dat is een hellend vlak. Ook redelijk liberale wetenschappers. Maar pas was ik op een feestje, waar een ondernemer vertelde over zijn bedrijf dat zich stort op cryopreservatie van eicellen. Zodat vrouwen op hogere leeftijd kinderen kunnen krijgen. Maar wat zo fascinerend was, was dat mensen heel terloops opmerkten dat tegen die tijd de CRISPR-technologie wel zover zou zijn dat je de gewenste aanpassingen zou kunnen doen aan het embryo.’

Hoe reageerde u?

‘Ik stond perplex. Het toont maar weer eens aan dat zodra er een technologie opkomt die heel veel mogelijk maakt, die ook wordt gebruikt. Het zal waarschijnlijk wel zo zijn dat we CRISPR-Cas binnen afzienbare tijd relatief veilig kunnen toepassen bij embryo’s. Dan hebben we het niet meer over of we het kunnen, maar of we het moeten doen, en wie moet dit doen? Daarom vond ik het zo belangrijk om daar een publieke discussie over aan te gaan, voordat we bij dat punt zijn aangekomen. Want dat kan wel eens heel snel zijn.’

U was kritisch over het eerste experiment dat op embryo’s plaatsvond, in China, dat gericht was op het gen verantwoordelijk voor beta-thalassemie.

‘Ze gebruikten niet-levensvatbare embryo’s. Waarschijnlijk hadden ze daar een goede reden voor, maar dat waren dus afwijkende embryo’s, en het is de vraag of je bevindingen daarin kunt extrapoleren naar levensvatbare embryo’s. En de techniek die ze gebruikten was zodanig dat de concentratie van de enzymen heel hoog was, hetgeen op zichzelf al off-target-effecten (bijeffecten, bijvoorbeeld doordat DNA op een ongewenste plek wordt doorgeknipt, red.) kan geven.’

Het zat technisch dus niet goed in elkaar.

(Met lichte aarzeling) ‘Ja, dat vind ik. It had issues, technically. De motivatie achter dat experiment was ook niet zozeer wetenschappelijk als wel: de eerste zijn. Misschien is het wel goed, dan hebben we dat maar gehad, die vlag is geplant. Dan kunnen we nu weer rustig ademhalen en bedenken wat we allemaal écht willen doen. Ik ben wel gelukkig met wat overkomt als goed gereguleerde experimenten met embryo’s die nu gaan plaatsvinden, onder meer in Zweden en het Verenigd Koninkrijk. Die zullen veel goede gegevens gaan opleveren, over werkzaamheid en off-target-effecten. Overigens is een van de grote uitdagingen in somatische cellen bezorging: hoe krijg je het in de weefsels? De ironie is dat dat waarschijnlijk in kiemcellen, dus in embryo’s of zaad- of eicellen, veel makkelijker is. En: je kunt er in één keer vanaf zijn, van een vervelend gen. Er zijn ivf-mensen die dat idee – embryo’s genetisch repareren, als dat veilig is – ook veel aantrekkelijker vinden dan om ze te screenen en er veel weg te moeten gooien.’

Het is een cool eiwit

Heeft u nog tijd voor het lab?

‘Daar leef ik voor. Gelukkig heb ik een geweldige groep mensen in het lab werken die nu vrij onafhankelijk kunnen werken. Ik land zaterdagochtend, en in de middag hop ik even binnen, even kijken wat er speelt en wat er die week is gebeurd. We zijn nog druk bezig met de fundamentele biologie achter CRISPR, en het precieze mechanisme van Cas9. Het is een cool eiwit, dat een grote structurele verandering ondergaat als het bindt aan DNA, die mogelijk bijdraagt aan het uit elkaar draaien van de dubbele DNA-helix. Dat is echt leuk, om te bedenken hoe die machine werkt. Ik heb een 3D-geprint model van Cas9, zo groot als een voetbal. Dat gebruik ik elke dag, als ik nadenk over experimenten, als we praten over wat er zou gebeuren als we hier iets veranderen, of daar iets doen.

En we gaan werken aan die uitdaging van het afleveren van CRISPR-Cas in de weefsels, in een muismodel voor Huntington. In het lab kunnen we met Cas9 al heel goed het stuk DNA wegknippen dat verantwoordelijk is voor die ziekte, nu gaan we kijken of dat in de muis zelf ook zo is. We beginnen met direct injecteren in de hersenen, en we zien dat we het DNA kunnen aanpassen. Maar niet in alle neuronen even goed, in astrocyten gebeurt vrijwel niets. Interessant, toch?’



JENNIFER DOUDNA

1985 bachelor scheikunde, Pomona College, Claremont VS

1989 promotie biochemie Harvard (laboratorium Jack Szostak)

1991 postdoctoraal onderzoeker in biomedische wetenschap, University of Colorado (laboratorium Thomas Cech)

1994 hoogleraar moleculaire biofysica en biochemie, Yale University

2002 hoogleraar biochemie en moleculaire biologie, University of California, Berkeley

2012 publicatie ‘A programmable dual-RNA-guided DNA endonuclease in adaptive bacterial immunity’, met Emmanuelle Charpentier e.a., in Science

lees ook

interview
  • Sophie Broersen

    Journalist en arts niet-praktiserend Sophie Broersen schrijft over geneeskunde en zorg in de volle breedte: van wetenschap tot werkvloer, van arts-patiëntrelatie tot zorg over de grens. Samen met de juristen van de KNMG becommentarieert zij tuchtzaken.  

Dit artikel delen
Op dit artikel reageren inloggen

Reacties

  • Er zijn nog geen reacties
 

Cookies op Medisch Contact

Medisch Contact vraagt u om cookies te accepteren voor optimale werking van de site, kwaliteitsverbetering door geanonimiseerde analyse van het gebruik van de site en het tonen van relevante advertenties, video’s en andere multimediale inhoud. Meer informatie vindt u in onze privacy- en cookieverklaring.