Tot zwijgen gebracht

Inbrengen van RNA kan genen uitschakelen

Voor zijn onderzoek naar gene silencing heeft Andrew Fire de Dr. H.P. Heinekenprijs voor Biochemie en Biofysica, groot 150.000 dollar, ontvangen.

Soms is het nuttig om het DNA even het zwijgen op te leggen. Om fundamentele processen in een cel te onderzoeken. Of om te bestuderen wélk gen nu eigenlijk betrokken is bij tumorvorming.

‘Soms, als je je net uitgooit in de vijver van de wetenschap, vang je een grote vis. Dat gebeurde mij in 1998.’ Zondagmiddag 1 juni 1997 was het exacte moment waarop dr. Andrew Fire (45) zijn baanbrekende idee kreeg tijdens een discussie over RNA en gene silencing. Sindsdien staat het artikel dat hij met collega’s een jaar later voor Nature schreef bijna standaard als eerste referentie genoemd bij haast elke wetenschappelijke publicatie over het onderwerp. En dat zijn er maandelijks inmiddels vele tientallen, want het uitschakelen van genen door het inbrengen van stukjes RNA is een booming business geworden.

Toeval, zegt Fire, die bij de Stanford University School of Medicine het minuscule laboratoriumwormpje C. elegans bestudeert. ‘We waren niet bezig met het vangen van een grote vis, maar met het uitvinden waarom het ene experiment wel werkte en het andere niet. Ik wil ons wetenschappelijke werk niet bagatelliseren, want dat was gedegen en creatief onderzoek, maar de ontdekking hing gewoon in de lucht.’ Die ontdekking is de drijvende kracht achter gene silencing en de afweer van het organisme tegen binnendringend ongewenste stukjes erfelijk materiaal, zoals virussen. Het fenomeen werd begin jaren ‘90 gezien door onderzoekers die met genetische manipulatie de eigenschappen van planten en dieren wilden veranderen. Het was de tijd van optimisme in de biomedische wetenschap toen onderzoekers steeds meer middelen ontwikkelden om DNA te manipuleren, genenvorsers het ene na het andere gen ontdekten en men voorzag dat nog voor de millenniumwisseling gen-therapie bij erfelijke aandoeningen een hoge vlucht zou nemen. Realisten probeerden het enthousiasme wat te temperen, want er bleef immers nog veel onbegrepen. Wat zich in cellen, laat staan het hele (menselijk) lichaam afspeelt, zou wel eens veel ingewikkelder kunnen zijn dan op het eerste gezicht leek.

De geschiedenis met minder geslaagde experimenten met gentherapie heeft dat inmiddels bewezen. Gentherapie is nu nog steeds een veelbelovende techniek, waarvan een aantal fundamentele vragen nog niet is opgelost. Zoals de afweerreactie van het lichaam tegen de ingebrachte stukjes erfelijk materiaal met daarop de gerepareerde genen. Iets dat onderzoekers al in 1990 ontdekten toen ze de kleur van petunia’s wilden verdiepen door het toevoegen van extra genen voor de kleur paars. Tot hun verrassing werden de bloemen niet paarser, maar vervaagde hun kleur juist; een teken dat het verantwoordelijke gen werd uitgeschakeld. Het fenomeen werd vervolgens ook beschreven in fruitvliegjes, platwormen en een heel scala van organismen, inclusief zoogdieren.

Hulpje

In de loop der tijd werden steeds grotere tipjes van de sluier opgelicht, maar wat de afweerreactie van het organisme op gang bracht, bleef onduidelijk. Tot Fire op die gedenkwaardige junimiddag bedacht dat stukjes dubbelstrengs-RNA de boosdoener moesten zijn. RNA, nauw verwant aan het DNA, heeft altijd wat op het tweede plan gestaan. Het is een hulpje, een boodschapper die noodzakelijk is voor het vertalen van de erfelijke informatie uit het DNA in concrete eiwit-moleculen. DNA en RNA verhouden zich tot elkaar als de architect die de creativiteit en bouwtekeningen levert, tot de aannemer die het werkvolk aanstuurt bij het in elkaar zetten van het bouwwerk. DNA kent de befaamde dubbele wenteltrap, RNA heeft in het algemeen slechts één streng. Soms vormt het echter kleine wenteltrapjes en heeft dan een cruciale rol bij het uitschakelen van genen en het opruimen van virussen.

‘We hebben al langer het gevoel dat RNA toch bijzonder is’, zegt Fire. ‘Het heeft ook een enzymatische activiteit, een rol die lang was voorbehouden aan de eiwitten. Maar RNA is in staat zichzelf in stukjes te knippen. We denken dat onder de eerste biologische moleculen in de ‘oersoep’ RNA-achtige structuren geweest moeten zijn en dat die de basis van het leven zijn geweest. Fascinerend.’ Voor de uitwerking van die gedachte heeft een andere winnaar van de Heinekenprijs, Thomas Cech, in 1989 de Nobelprijs gekregen. ‘Het systeem van gene silencing is complex, maar het principe is eenvoudig. Ergens in het proces ontstaat een stukje dubbelstrengs-RNA. Dat heeft een ongewenste eigenschap, dus daar wil de cel van af. Dat doen cellen op verschillende manieren. Wat ertoe kan leiden dat ook de activiteit van de eigen genen wordt verminderd of uitgeschakeld.’

Onmiddellijk zagen onderzoekers het nut van een dergelijk instrument. Als genen op deze manier kunnen worden uitgeschakeld, of op een laag pitje kunnen worden gezet, is dat een krachtig hulpmiddel in het wetenschappelijk onderzoek naar de functie van genen. Daaraan is enorm veel behoefte, nu weliswaar de genetische code van de mens en veel andere organismen is opgehelderd, maar nog niet de functie van de meeste in kaart gebrachte genen. Het aantal wetenschappelijke publicaties dat betrekking heeft op dit zogeheten RNAi - waarbij de i staat voor interference - is enorm.

Knock-out

‘Ik probeer de wetenschappelijke literatuur bij te benen, maar dat valt niet mee. Zeker niet omdat ik ook wil volgen wat het bedrijfsleven ermee doet’, erkent Fire. ‘Dat deze vinding zo snel is doorgedrongen, komt vooral door de grote voordelen die het heeft om een gen het zwijgen op te leggen. Bovendien heeft gene silencing te maken met een fundamenteel proces in de cel, wat het bestuderen waard is. De techniek is nu standaard in het onderzoek van cellen, nematoden en planten.’ Onderzoekers gebruiken vaak zogeheten knock-outorganismen waarbij een gen volledig is uitgeschakeld. Dat levert informatie over diens functie.

Het maken van zulke knock-outs is tijdrovend. En bij voor het leven essentiële genen, komt het beestje niet tot wasdom, wordt het soms zelfs niet eens geboren. Met RNAi kan een gen na de geboorte of op latere leeftijd het zwijgen worden opgelegd. Daarbij kunnen onderzoekers kiezen voor het volledig monddood maken van het gen of toestaan dat het toch een beetje wordt gehoord, zodat de bij het gen behorende eigenschap nog licht tot uiting komt.

Risico’s

Fire: ‘In het kankeronderzoek neemt de techniek nu een hoge vlucht. Onder-zoekers bestuderen of er een positief effect is van het selectief uitschakelen van een of meer genen die betrokken zijn bij de tumorvorming. De volgend stap is dan het vinden van medicijnen die de expressie of het genproduct specifiek kunnen blokkeren. Of het rechtstreeks met RNAi tot zwijgen brengen van genen als middel tegen ziekten zal kunnen worden gebruikt, vraag ik mij af. RNAi is een redelijk groot molecuul dat je in het lichaam moet inbrengen en wat er dan allemaal gebeurt ... Het is een aanpak met grote (financiële) risico’s. Bedrijven richten zich eerst op organen die, om nog onbegrepen redenen, gemakkelijk RNAi opnemen, zoals de lever, het oog en - in mindere mate - bloedcellen.’

Opvallend is dat het ontdekte mechanisme niet in alle cellen even goed werkt. En tumorcellen gebruiken het wellicht om ‘goede’ genen uit te schakelen. Fire: ‘Wellicht kunnen ook andere moleculen dan RNAi genen tot zwijgen brengen. We denken zelfs dat er een verband is met de aanwezigheid van diverse kopieën van eenzelfde gen in het DNA. Maar hoe weet een cel dat er meer van dezelfde stukjes DNA aanwezig zijn?’

Fire begon ooit als wiskundige, maar wilde liever iets doen wat meer impact heeft op het dagelijks leven en waarover je gemakkelijker met anderen kunt praten. Toevallig belandde hij in 1977 op een cursus moleculaire biologie. ‘Ik vond het geweldig te zien hoe men daar een idee had, er een experiment bij bedacht en dan op basis van de uitkomsten een volgend experiment in elkaar zette. Slechts een handvol labs werkte aan RNA, nu is het een enorme hype. Ik denk dat het uiteindelijk een goed instrument zal zijn voor een subset van toepassingen. Het heeft in elk geval wel onze kennis over verdedigingsmechanismen in cellen enorm vergroot.’

Maarten Evenblij,

journalist

Gerelateerde artikelen: