Een eenvoudige gids voor CRISPR, een van de grootste wetenschappelijke verhalen van het decennium

Een van de grootste en belangrijkste wetenschappelijke verhalen van de afgelopen paar jaar zal waarschijnlijk ook een van de grootste wetenschappelijke verhalen van de komende paar jaar zijn. Dit is dus een goed moment om kennis te maken met de krachtige nieuwe genbewerkingstechnologie die bekend staat als CRISPR.

Als je nog niet van CRISPR hebt gehoord, gaat de korte uitleg als volgt: In de afgelopen negen jaar hebben wetenschappers ontdekt hoe ze een eigenaardigheid in het immuunsysteem van bacteriën kunnen gebruiken om genen in andere organismen te bewerken – planten, muizen, zelfs mensen. Met CRISPR kunnen zij deze bewerkingen nu snel en goedkoop uitvoeren, in dagen in plaats van weken of maanden. (De technologie staat vaak bekend als CRISPR/Cas9, maar wij houden het bij CRISPR, uitgesproken als “knapper”.)

Het gaat om een krachtig nieuw instrument om te bepalen welke genen tot expressie komen in planten, dieren en zelfs mensen; de mogelijkheid om ongewenste eigenschappen te verwijderen en, mogelijk, gewenste eigenschappen toe te voegen met een grotere precisie dan ooit tevoren.

Wetenschappers hebben het tot nu toe gebruikt om de ernst van genetische doofheid bij muizen te verminderen, wat suggereert dat het op een dag kan worden gebruikt om hetzelfde type gehoorverlies bij mensen te behandelen. Ze hebben paddestoelen gemaakt die niet snel bruin worden en beenmergcellen bij muizen bewerkt om sikkelcelanemie te behandelen. In de toekomst zou CRISPR ons kunnen helpen droogtetolerante gewassen te ontwikkelen en krachtige nieuwe antibiotica te ontwikkelen. Op een dag zou CRISPR ons zelfs in staat kunnen stellen om hele populaties malaria-spreidende muggen uit te roeien of ooit uitgestorven soorten zoals de passagiersduif weer tot leven te wekken.

Een groot punt van zorg is dat CRISPR weliswaar relatief eenvoudig en krachtig is, maar niet perfect. Wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat de benadering van genbewerking onbedoeld grote stukken DNA kan wegvagen en herschikken op manieren die de menselijke gezondheid in gevaar kunnen brengen. Dat volgt op recente studies die aantonen dat CRISPR-bewerkte cellen onbedoeld kanker kunnen veroorzaken. Daarom zijn veel wetenschappers van mening dat experimenten met mensen voorbarig zijn: De risico’s en onzekerheden rond CRISPR-modificatie zijn extreem groot.

Op dit front bracht 2018 schokkend nieuws: in november meldde een wetenschapper in China, He Jiankui, dat hij ’s werelds eerste menselijke baby’s had gemaakt met CRISPR-bewerkte genen: een paar tweelingmeisjes resistent tegen HIV.

De aankondiging verbijsterde wetenschappers over de hele wereld. De directeur van het National Institutes of Health, Francis Collins, zei dat het experiment “zeer verontrustend was en ethische normen met voeten trad.”

Het riep ook meer vragen op dan het beantwoordde: Heeft Jiankui het echt voor elkaar gekregen? Verdient hij lof of veroordeling? Moeten we het CRISPR-onderzoek afremmen?

Ofschoon onafhankelijke onderzoekers nog niet hebben bevestigd dat Jiankui succesvol was, zijn er andere CRISPR-toepassingen die op het punt staan te worden gerealiseerd, van nieuwe ziektetherapieën tot nieuwe tactieken voor de bestrijding van malaria. Hier volgt een overzicht van wat CRISPR is en wat het kan doen.

Wat is CRISPR eigenlijk?

Als we CRISPR willen begrijpen, moeten we teruggaan naar 1987, toen Japanse wetenschappers die E. coli bacteriën bestudeerden voor het eerst een aantal ongebruikelijke herhalende sequenties in het DNA van het organisme aantroffen. “De biologische betekenis van deze sequenties,” schreven ze, “is onbekend.” Na verloop van tijd vonden andere onderzoekers soortgelijke clusters in het DNA van andere bacteriën (en archaea). Zij gaven deze sequenties een naam: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats – of CRISPR.

De functie van deze CRISPR-sequenties was echter grotendeels een mysterie tot 2007, toen voedingswetenschappers die de Streptococcus-bacterie bestudeerden die wordt gebruikt om yoghurt te maken, aantoonden dat deze vreemde clusters eigenlijk een vitale functie hadden: Ze maken deel uit van het immuunsysteem van de bacterie.

Bacteriën worden voortdurend aangevallen door virussen, dus produceren ze enzymen om virale infecties af te weren. Wanneer de enzymen van een bacterie erin slagen een binnengedrongen virus te doden, komen er andere kleine enzymen die de restanten van de genetische code van het virus opvangen en in kleine stukjes knippen. De enzymen slaan deze fragmenten vervolgens op in CRISPR-ruimtes in het genoom van de bacterie zelf.

Nu komt het slimme gedeelte: CRISPR-ruimtes fungeren als een schurkengalerij voor virussen, en bacteriën gebruiken de genetische informatie die in deze ruimtes is opgeslagen om toekomstige aanvallen af te weren. Wanneer zich een nieuwe virusinfectie voordoet, produceren de bacteriën speciale aanvalsenzymen, Cas9 genaamd, die de opgeslagen stukjes genetische code van het virus als een soort politiefoto met zich meedragen. Wanneer deze Cas9-enzymen een virus tegenkomen, kijken ze of het RNA van het virus overeenkomt met wat er op de foto staat. Als dat zo is, hakt het Cas9-enzym het DNA van het virus in stukken om de bedreiging te neutraliseren. Het ziet er een beetje zo uit:

Dat is dus wat CRISPR/Cas9 doet. Een tijd lang waren deze ontdekkingen voor niemand interessant, behalve voor microbiologen – totdat er een reeks doorbraken kwam.

Hoe heeft CRISPR een revolutie teweeggebracht op het gebied van genbewerking?

In 2011 waren Jennifer Doudna van de University of California Berkeley en Emmanuelle Charpentier van de Umeå University in Zweden zich aan het afvragen hoe het CRISPR/Cas9-systeem eigenlijk werkte. Hoe matchte het Cas9-enzym het RNA in de mug shots met dat in de virussen? Hoe wisten de enzymen wanneer ze moesten beginnen met hakken?

De wetenschappers ontdekten al snel dat ze het Cas9-eiwit voor de gek konden houden door het kunstmatig RNA te geven – een namaak mug shot. Als ze dat deden, ging het enzym op zoek naar alles met diezelfde code, niet alleen virussen, en begon het te hakken. In een baanbrekend artikel uit 2012 toonden Doudna, Charpentier en Martin Jinek aan dat ze dit CRISPR/Cas9-systeem konden gebruiken om elk genoom op elke gewenste plaats in stukken te snijden.

Hoewel de techniek op dat moment alleen was gedemonstreerd op moleculen in reageerbuisjes, waren de implicaties adembenemend.

Volgende ontwikkelingen volgden. Feng Zhang, wetenschapper aan het Broad Institute in Boston, was in februari 2013 medeauteur van een artikel in Science waaruit bleek dat CRISPR/Cas9 kon worden gebruikt om het genoom van gekweekte muiscellen of menselijke cellen te bewerken. In hetzelfde nummer van Science toonden Harvard’s George Church en zijn team aan hoe een andere CRISPR-techniek kon worden gebruikt om menselijke cellen te bewerken.

Sindsdien hebben onderzoekers ontdekt dat CRISPR/Cas9 verbazingwekkend veelzijdig is. Niet alleen kunnen wetenschappers CRISPR gebruiken om genen het zwijgen op te leggen door ze weg te knippen, ze kunnen ook reparatie-enzymen inzetten om gewenste genen te vervangen door het “gat” dat door de knippers is achtergelaten (hoewel deze laatste techniek lastiger is om uit te voeren). Wetenschappers kunnen bijvoorbeeld het Cas9-enzym opdracht geven een gen weg te knippen dat de ziekte van Huntington veroorzaakt en er een “goed” gen voor in de plaats te zetten.

Gene editing op zich is niet nieuw. Er bestaan al jaren verschillende technieken om genen uit te schakelen. Wat CRISPR zo revolutionair maakt, is dat het zo precies is: Het Cas9-enzym gaat meestal overal naartoe waar jij het zegt. En het is ongelooflijk goedkoop en gemakkelijk: in het verleden kostte het misschien duizenden dollars en weken of maanden prutsen om een gen te veranderen. Nu kost het misschien maar 75 dollar en duurt het maar een paar uur. En deze techniek heeft gewerkt op elk organisme waarop hij is uitgeprobeerd.

Het is nu een van de populairste vakgebieden die er zijn. In 2011 waren er minder dan 100 gepubliceerde artikelen over CRISPR. In 2018 waren dat er al meer dan 17.000, met verfijningen van CRISPR, nieuwe technieken om genen te manipuleren, verbeteringen in precisie, en meer. “Dit is zo’n snel bewegend veld geworden dat ik nu zelfs moeite heb om het bij te houden,” zegt Doudna. “

We komen op het punt dat de efficiëntie van genbewerking op een niveau komt dat duidelijk therapeutisch nuttig zal zijn, evenals een groot aantal andere toepassingen.

Er is ook een intense juridische strijd geweest over wie er nu precies met de eer van deze CRISPR-technologie mag strijken en wie de potentieel lucratieve rechten bezit. Was Doudna’s artikel uit 2012 aan de University of California Berkeley de doorbraak, of was Zhangs onderzoek uit 2013 aan het Broad Institute de belangrijkste vooruitgang? In september verwierp een federaal hof van beroep de argumenten van de University of California Berkeley dat de school exclusieve rechten heeft op CRISPR-patenten, en handhaafde het de patenten van het Broad Institute op sommige CRISPR-toepassingen.

Maar het belangrijkste is dat CRISPR is gearriveerd.

Waarvoor kunnen we CRISPR gebruiken?

Zo. Veel. Dingen.

Paul Knoepfler, universitair hoofddocent aan de UC Davis School of Medicine, vertelde Vox dat hij zich door CRISPR voelt als een “kind in een snoepwinkel.”

Op het meest basale niveau kan CRISPR het voor onderzoekers veel makkelijker maken om uit te zoeken wat verschillende genen in verschillende organismen eigenlijk doen – door bijvoorbeeld afzonderlijke genen uit te schakelen en te zien welke eigenschappen worden beïnvloed. Dit is belangrijk: hoewel we sinds 2003 een volledige “kaart” van het menselijke genoom hebben, weten we niet echt welke functie al die genen hebben. CRISPR kan het onderzoek van het genoom versnellen, en het genetisch onderzoek kan daardoor enorm vooruitgaan.

Onderzoekers hebben ook ontdekt dat er talloze CRISPR’s zijn. CRISPR is dus eigenlijk een vrij brede term. “Het is net als de term ‘fruit’ – het beschrijft een hele categorie,” zei Zhang van de Broad. Als mensen het over CRISPR hebben, bedoelen ze meestal het CRISPR/Cas9-systeem waar we het hier over hebben gehad. Maar in de afgelopen jaren hebben onderzoekers zoals Zhang andere typen CRISPR-eiwitten gevonden die ook werken als gen-editors. Cas13, bijvoorbeeld, kan het zusje van DNA, RNA, bewerken. “Cas9 en Cas13 zijn als appels en bananen,” voegde Zhang eraan toe.

Het echte plezier – en, mogelijk, de echte risico’s – zou kunnen komen van het gebruik van CRISPRs om verschillende planten en dieren te bewerken. Een artikel uit 2016 in Nature Biotechnology van Rodolphe Barrangou en Doudna bevat een lijst van mogelijke toekomstige toepassingen:

1) Gewassen bewerken om ze voedzamer te maken: gewaswetenschappers proberen CRISPR al te gebruiken om de genen van verschillende gewassen te bewerken, zodat ze lekkerder worden, meer voedingsstoffen bevatten of beter bestand zijn tegen hitte en stress. Ze zouden CRISPR kunnen gebruiken om de allergenen in pinda’s weg te snijden. Koreaanse onderzoekers kijken of CRISPR bananen kan helpen een dodelijke schimmelziekte te overleven. Sommige wetenschappers hebben aangetoond dat CRISPR hoornloze melkkoeien kan maken – een enorme vooruitgang voor het dierenwelzijn.

De laatste tijd zijn grote bedrijven als Monsanto en DuPont begonnen met het verlenen van licenties voor CRISPR-technologie, in de hoop waardevolle nieuwe gewasvariëteiten te kunnen ontwikkelen. Hoewel deze techniek de traditionele GMO-technieken, waarbij genen van het ene organisme op het andere kunnen worden overgebracht, niet volledig zal vervangen, is CRISPR een veelzijdig nieuw instrument waarmee genen die verband houden met gewenste gewaseigenschappen veel sneller kunnen worden geïdentificeerd. Het kan wetenschappers ook in staat stellen om gewenste eigenschappen nauwkeuriger in gewassen in te bouwen dan bij traditionele veredeling, waarbij genen veel rommeliger worden uitgewisseld.

“Met genoombewerking kunnen we absoluut dingen doen die we voorheen niet konden doen,” zegt Pamela Ronald, een plantgeneticus aan de University of California Davis. Toch waarschuwt ze dat het slechts een van de vele middelen is om gewassen te modificeren – en het succesvol kweken van nieuwe variëteiten kan nog jaren van testen vergen.

Het is ook mogelijk dat deze nieuwe middelen controverse oproepen. Voor voedingsmiddelen die een paar genen hebben verloren via CRISPR gelden momenteel minder strenge regels dan voor traditionele GGO’s. Beleidsmakers in Washington DC bespreken momenteel of het zin heeft de regelgeving op dit gebied te heroverwegen. Dit stuk voor Ensia van Maywa Montenegro gaat in op enkele van de debatten die CRISPR in de landbouw oproept.

2) Nieuwe instrumenten om genetische ziekten een halt toe te roepen: Wetenschappers gebruiken CRISPR/Cas9 nu om het menselijk genoom te bewerken en genetische ziekten zoals hypertrofische cardiomyopathie uit te roeien. Ze kijken ook of ze CRISPR kunnen gebruiken voor mutaties die de ziekte van Huntington of taaislijmziekte (cystic fibrosis) veroorzaken, en praten erover om het te gebruiken voor de BRCA-1- en BRCA-2-mutaties die in verband worden gebracht met borst- en eierstokkanker. Wetenschappers hebben zelfs aangetoond dat CRISPR HIV-infecties uit T-cellen kan halen.

Tot nu toe hebben wetenschappers dit echter alleen op cellen in het lab getest. Er zijn nog een paar hindernissen te nemen voordat iemand begint met klinische proeven op echte mensen. Zo kunnen de Cas9-enzymen soms “miskippen” en DNA op onverwachte plaatsen bewerken, wat in menselijke cellen tot kanker kan leiden of zelfs nieuwe ziekten kan doen ontstaan. Zoals geneticus Allan Bradley van het Wellcome Sanger Institute in Engeland STAT vertelde, is het vermogen van CRISPR om het DNA te verwoesten “ernstig onderschat.”

En hoewel er ook grote vooruitgang is geboekt bij het verbeteren van de precisie van CRISPR en het verminderen van deze effecten buiten het doelwit, dringen wetenschappers aan op voorzichtigheid bij het testen op mensen. Dat is een belangrijke reden waarom Jiankui’s experimenten met het produceren van menselijke baby’s met CRISPR-bewerkte genomen zo controversieel en alarmerend zijn. Onderzoekers die de weinige bevindingen die Jiankui openbaar heeft gemaakt hebben onderzocht, zeiden dat de resultaten aantonen dat de genen van de baby’s niet nauwkeurig zijn bewerkt. Er moet ook nog veel werk worden verricht om de moleculen daadwerkelijk in bepaalde cellen te brengen – een grote uitdaging voor de toekomst.

3) Krachtige nieuwe antibiotica en antivirale middelen: Een van de meest beangstigende feiten op het gebied van de volksgezondheid is dat we bijna geen effectieve antibiotica meer hebben omdat bacteriën er steeds resistenter tegen worden. Momenteel is het moeilijk en duur om nieuwe antibiotica te ontwikkelen voor dodelijke infecties. Maar CRISPR/Cas9-systemen zouden in theorie kunnen worden ontwikkeld om bepaalde bacteriën preciezer dan ooit uit te roeien (hoewel, nogmaals, het vinden van afleveringsmechanismen een uitdaging zal zijn). Andere onderzoekers werken aan CRISPR-systemen die zich richten op virussen zoals HIV en herpes.

4) Gen-drives die hele soorten kunnen veranderen: Wetenschappers hebben ook aangetoond dat CRISPR in theorie kan worden gebruikt om niet slechts één organisme te veranderen, maar een hele soort. Het is een verontrustend concept dat “gene drive” wordt genoemd.

Het werkt als volgt: Wanneer een organisme als een fruitvlieg paart, is de kans 50 procent dat het een bepaald gen doorgeeft aan zijn nakomelingen. Maar met CRISPR kunnen wetenschappers deze kansen veranderen, zodat er een kans van bijna 100% is dat een bepaald gen wordt doorgegeven. Met deze genaandrijving kunnen wetenschappers ervoor zorgen dat een veranderd gen zich in korte tijd door een hele populatie verspreidt:

Door deze techniek te gebruiken, kunnen wetenschappers bijvoorbeeld muggen genetisch zo veranderen dat ze alleen mannelijke nakomelingen voortbrengen – en dan een gen-drive gebruiken om die eigenschap in een hele populatie door te voeren. Na verloop van tijd zou de populatie uitsterven. “Of je voegt een gen toe dat hen resistent maakt tegen de malariaparasiet, waardoor de overdracht op mensen wordt voorkomen”, legt Vox Dylan Matthews uit in zijn verhaal over CRISPR-genaandrijving voor malaria.

Hoeveel het ook zegt, er zijn ook hindernissen te overwinnen voordat deze technologie massaal wordt uitgerold – en niet per se de hindernissen die je zou verwachten. “Het probleem van malaria gene drives wordt snel meer een probleem van politiek en bestuur dan een probleem van biologie,” schrijft Matthews. Regelgevers zullen moeten uitzoeken hoe ze met deze technologie moeten omgaan, en ethici zullen moeten worstelen met lastige vragen over de rechtvaardigheid ervan.

5) Het creëren van “designer baby’s”: Dit is degene die de meeste aandacht krijgt, en terecht. Het is niet vergezocht om te denken dat we op een dag genoeg vertrouwen hebben in de veiligheid van CRISPR om het menselijk genoom te bewerken – om ziekten uit te roeien, of om te selecteren op atletisch vermogen of superieure intelligentie.

Maar Jiankui’s recente poging om embryo’s bestemd voor zwangerschap te beschermen tegen HIV, waarbij weinig toezicht werd gehouden, is niet hoe de meeste wetenschappers willen dat het veld verder gaat.

De zorg is dat er nog niet genoeg waarborgen zijn om schade te voorkomen, noch genoeg kennis om echt iets goeds te doen. In het geval van Jiankui heeft hij ook zijn universiteit niet van tevoren over zijn experiment ingelicht, heeft hij de ouders van de gemodificeerde baby’s waarschijnlijk niet volledig over de risico’s geïnformeerd en heeft hij mogelijk een financiële prikkel gekregen van zijn twee gelieerde biotech-bedrijven.

We zijn nog niet eens zo ver dat wetenschappers veilig de complexe veranderingen kunnen aanbrengen die nodig zijn om bijvoorbeeld de intelligentie te verbeteren, deels omdat daar zoveel genen bij betrokken zijn. Dus ga nog maar niet dromen van Gattaca.

“Ik denk dat de realiteit is dat we nog niet genoeg begrijpen van het menselijk genoom, hoe genen op elkaar inwerken, welke genen aanleiding geven tot bepaalde eigenschappen, in de meeste gevallen, om het bewerken voor verbetering vandaag mogelijk te maken,” zei Doudna in 2015. Toch, voegde ze eraan toe: “Dat zal in de loop van de tijd veranderen.”

Wacht, moeten we echt designer baby’s maken?

Gezien alle beladen kwesties die geassocieerd worden met genbewerking, pleiten veel wetenschappers voor een langzame aanpak hier. Zij proberen ook het gesprek over deze technologie open en transparant te houden, vertrouwen bij het publiek op te bouwen en sommige fouten te vermijden die met GGO’s werden gemaakt. Maar met CRISPR’s gebruiksgemak en lage kosten, is het een uitdaging om malafide experimenten in toom te houden.

In februari 2017 zei een rapport van de National Academy of Sciences dat klinische proeven in de toekomst groen licht zouden kunnen krijgen “voor ernstige aandoeningen onder streng toezicht.” Maar het maakte ook duidelijk dat “genome editing voor verbetering op dit moment niet moet worden toegestaan.”

De samenleving moet nog steeds worstelen met alle ethische overwegingen die hier spelen. Als we bijvoorbeeld een kiembaan zouden bewerken, zouden toekomstige generaties zich daar niet tegen kunnen verzetten. Genetische veranderingen zouden moeilijk ongedaan te maken kunnen zijn. Zelfs dit standpunt baart sommige onderzoekers zorgen, zoals Francis Collins van het National Institutes of Health, die heeft gezegd dat de Amerikaanse regering geen geld zal uittrekken voor het bewerken van menselijke embryo’s.

In de tussentijd gaan onderzoekers in de VS die hun eigen financiering rond kunnen krijgen, samen met anderen in het Verenigd Koninkrijk, Zweden en China, verder met hun eigen experimenten.

Verder lezen

• Julia Belluz besprak de implicaties He Jiankui’s opzienbarende aankondiging van menselijke baby’s met bewerkte genomen en de vooruitzichten CRISPR klinieken in de VS.
• We hebben ook verslag gedaan van twee CRISPR-tools die de engste delen van genbewerking overwinnen.
• Ezra Klein interviewde UC Berkeley’s Jennifer Doudna, een van de toonaangevende CRISPR-onderzoekers, op zijn podcast in oktober.
• Michael Specter’s “Rewriting the Code of Life” in de New Yorker.
• Carl Zimmer zit al lange tijd op de CRISPR-beat. Zijn stuk uit 2015 in Quanta is de moeite waard om te lezen.
• Sharon Begley is ook op de CRISPR beat geweest, en pakte onlangs uit met de nieuwste studies over potentiële schade van genbewerking.
• In 2016 onderzocht Nature enkele van de subtiele beperkingen van CRISPR – en de zoektocht naar aanvullende tools voor gen-editing. En dit eerdere Nature stuk van Heidi Ledford is een heerlijk eigenzinnige duik in de manieren waarop onderzoekers CRISPR zouden kunnen gebruiken om het genoom te verkennen. Het is ook de moeite waard om dit artikel te lezen waarin alle toekomstige toepassingen van CRISPR worden opgesomd.