CRISPR breekt door. Kort geleden is de eerste medische therapie met behulp van CRISPR goedgekeurd. CRISPR-Cas systemen blijken voor te komen in complexe cellen. En er gaat veel om in het veld van genoombewerking. Amber Dance schreef er een interessant artikel over in Knowable Magazine.
Bij toeval
CRISPR-Cas werd net als veel andere systemen ontdekt bij toeval. Microbiologen bij de firma Danisco in de VS ontdekten dat bacteriën waarmee ze yoghurt en kaas maakten, besmet waren met virussen. Maar toen ze er dieper in doken, ontdekten ze dat sommige bacteriën een verdedigingssysteem hebben om zulke binnendringers te bestrijden. Bestaand uit stukjes DNA, lijkend op dit van het virus, die de bacterie had ‘bewaard’ in zijn eigen genoom. Zij noemden dit immuunsysteem CRISPR-Cas. Hierin zit het genoom van het virus; als de bacterie dezelfde soort virus nog eens tegenkomt, rijt hij hem aan stukken.
Met een paar aanpassingen bleek het CRISPR systeem een perfect systeem om elke willekeurige genetische volgorde te maken. Dit vergemakkelijkte enorm het systeem van genbewerking. De ontdekking bleek zo waardevol dat deze leidde tot een Nobelprijs. En deze bleek een heel nieuw tijdperk van gentherapie mogelijk te maken. Niet alleen in bacteriën maar ook bij mensen. In december 2023 keurde de Food and Drug Administration in de VS de eerste behandeling goed, waarin op basis van CRISPR genetische veranderingen werden toegepast. Een nieuwe gentherapie voor de uiterst pijnlijke bloedziekte sikkelcelanemie.
Een precies instrument
Maar de ontwikkeling ging verder. Onderzoekers vroegen zich af of er niet net zulke genveranderende systemen zijn in dieren, planten en schimmels. Levensvormen met een celkern, net als bij de mens. We weten nu dat het antwoord op deze vraag ja is. In juni 2023 publiceerde een groep onderzoekers van MIT en Harvard een artikel waarin ze lieten zien dat CRISPR-achtige stukjes DNA (die zij Fanzors noemden) voorkomen in levende wezens als schimmels, algen, amoeben en een soort mossel, de Noordelijke quahog. Direct roept deze ontdekking nieuwe vragen op. Zoals: kunnen Fanzors hetzelfde als CRISPR? En is dit misschien het topje van een ijsberg van DNA-knippende systemen?
De speciale truc van CRISPR is dat deze ervoor zorgt dat er alleen wordt geknipt op precies bepaalde plekken. Hiervoor is nodig: ten eerste een gids naar die plek, en een enzym dat als ‘schaar’ werkt. Microben hebben een aantal schaar-enzymen ontwikkeld, et namen als Cas-9 en Cas-12. Als microben worden geïnfecteerd met virussen, slaan ze kleine stukjes viraal DNA op in een onderdeel van hun genoom dat we CRISPR herhalingen noemen. Als dat virus nog eens langs komt, kan de microbe die volgorde gebruiken als gids; de enzymatische schaar knipt het genetisch materiaal van het virus op om zich te verdedigen. Ongeveer de helft van alle bekende bacteriën, en ook andere micro-organismen en archaea, hebben zo’n CRISPR-Cas systeem. Maar CRISPR-Cas kan ook worden gebruikt om gebroken DNA-strengen te repareren. Hetzij imperfect (mogelijk leidend tot nieuwe fouten), of perfect.
Een universeel systeem
Elk levend organisme gebruikt dezelfde DNA-codes en eiwitten. Daardoor kan het CRISPR-Cas systeem theoretisch in elk organisme werken – hoewel in werkelijkheid vaak aanpassingen nodig zijn. Met een paar moleculaire kunstgrepen kunnen onderzoekers CRISPR ook gebruiken om een nieuwe volgorde toe te voegen, of een gebroken gen te repareren. Zo kunnen wetenschapsmensen diabetes behandelen; een vorm van amyloidosis; infecties, waaronder HIV; en een aantal kankersoorten. En dat is niet alles. Onderzoekers gebruiken CRISPR om varkens geschikt te maken als orgaandonoren voor mensen, betere fruitsoorten te maken die bestand zijn tegen ziektes, en muggen uit te roeien die malaria overbrengen.
Maar er zijn nadelen. Het openbreken van een DNA-streng bij mensen is riskant: als Cas op de verkeerde plaats knipt, of als de reparatie fout gaat, zou de therapie het genoom zo kunnen veranderen dat er kanker ontstaat. Daarom gebruiken veel moderne CRISPR technieken gemodificeerde varianten van het Cas eiwit, dat het DNA niet geheel doorsnijdt maar dit subtieler en veiliger doet.
Fanzor
En nu over Famzor. Dit is lang ‘onzichtbaar gebleven doordat het overal is,’ aldus David J. Segal, geneticus aan UC Davis, die in 2013 schreef over het nieuwe tijdperk van genoombewerking voor de Annual Review of Genomics and Human Genetics. De Fanzor genen werden in dat jaar voor het eerst beschreven, maar niemand wist nog dat ze codeerden voor een enzym dat leek op Cas.
De ontdekking van Fanzor was een gevolg van een onderzoek naar ‘springende genen’ – DNA-volgordes die kunnen springen van een plek in het genoom en zich dan ergens anders vestigen. Weidong Bao, een onderzoeker aan het Genetic Information Research Institute in Cupertino, California, wist dat bacteriele springende genen vaak een gen met onbekende werking bevatten, die hij TripB noemde. Hij ging zoeken naar vergelijkbare genen, en vond ze in meer dan twintig eukaryoten, waaronder een vlieg, gisten en schimmels, amoebes en een aantal algen. De onderzoekers noemden de eukaryotische versie van dit geheimzinnige gen Fanzor in plaats van TripB. Bij later onderzoek naar dit verschijnsel werd ontdekt dat Fanzor een neefje is van Cas genen van bacteriën; beide genfamilies waren afkomstig van TripB.
Niet heel specifiek
Zhang en medewerkers hebben aangetoond dat Fanzor genes instructies bij zich hebben voor het opknippen van DNA. Maar de kennis hiervan wil nog niet zeggen day we Fanzor kunnen gebruiken voor het knippen van DNA op bepaalde plaatsen. Tot nu toe is dit slechts gelukt in 18,4% van de gevallen. En dan hebben ze nog niet eens geprobeerd een verkeerd gen te repareren. CRISPR-Cas is veel beter – maar dat is dan ook in de loop van de jaren ontwikkeld.
Fanzor heeft wat voor-en nadelen vergeleken met CISPR-Cas. Het is kleiner, en kan daardoor beter worden afgeleverd bij het betreffende DNA. Anderzijds hebben onderzoekers al kleinere versies van Cas 12 en Cas 13 enzymen ontwikkeld die in virussen kunnen passen. Dat is dus zo’n beetje gelijkspel. Er is ook het probleem dat Fanzor korter is dan CRISPR-Cas: 15 DNA basen tegenover 18 tot 20. Misschien betekent dit dat Fanzor op verkeerde plaatsen kan knippen. Als dat het geval blijkt te zijn, kan het fataal zijn voor gentherapie gebaseerd op Fanzor.
Kortom: waarom veranderen?
Dus, waarom zouden we veranderen? CRISPR werkt ‘goed in de meeste organismen,’ zegt Sophien Kamoun, een plantenpatholoog aan het Sainsbury Laboratory in Norwich, VK, die het gebruik van CRISPR heeft onderzocht bij het veranderen van nuttige gewassen. Wel kan Fanzor nuttig zijn voor onderzoekers die werken met een soort bacteriën waarvoor Cas enzymen giftig zijn, zo suggereert Kamoun. Maar toch is Fanzor een belangrijke biologische ontdekking.
We weten wat CRISPR-Cas doet voor microben; maar het is niet helemaal duidelijk wat Fanzor eiwitten in de natuur doen. Onderzoekers denken dat ze op een of andere manier verbonden zijn met springende genen – misschien helpen zij hen, misschien liften de genen mee.
Maar een organisme dat niet van zichzelf Fanzors heeft, zegt Zhang, is de mens. Maar misschien hebben mensen een ander, soortgelijk DNA-knippend systeem in de Fanzor-Cas familie? Zhang’s groep zoekt actief naar nieuwe systemen. Hij zegt dat ze zullen proberen, zoveel mogelijk DNA-knippende systemen te ontdekken.
Interessant? Lees dan ook:
CRISPR-Cas: prijswinnende technologie?
Ziekte van Duchenne CRISPR behandeling: alleen voor mensen met geld of goede connecties?
Bacteriële resistentie tegen antibiotica? CRISPR komt te hulp