De wonderworm gekraakt; MICROBIOLOOG RONALD PLASTERK OVER HET GENOOM VAN C. ELEGANS

Voor het eerst is het erfelijk materiaal van een dier in kaart gebracht. De rondworm C. elegans telt 19.099 genen. Maar met deze informatie maak je nog geen beest, zegt bioloog Ronald Plasterk. Want in het DNA staat nergens: 'neus' of 'staart'.

DAT HET kan. Dat je de totale erfelijke code van een complex organisme in kaart kunt brengen. Een code van 97 miljoen A's, C's, G's en T's. Dat ziet prof.dr. Ronald Plasterk, hoofd van de sectie Moleculaire Biologie van het Nederlands Kanker Instituut (NKI) in Amsterdam, als het belangrijkste wapenfeit van het onlangs voltooide C. elegans-project. De DNA-volgorde van de nematode Caenorhabditis elegans is op een fractie na opgehelderd. En daarmee is het eerste genoom van een dier in kaart gebracht. De rondworm is bovendien de eerste meercellige waarvan de complete DNA-volgorde bekend is. Reden voor Science om het dier vorige week in de schijnwerpers te zetten. Het blad wijdde 34 pagina's aan de millimeter grote worm. Via het DNA van C. elegans hopen onderzoekers meer te leren over groei en werking van een complex organisme. Hoe vormt zich zo'n etend en zich voortplantend organisme? Hoe communiceren de cellen met elkaar? Hoe verwerkt een zenuwcel alle informatie die hij uit zijn omgeving opvangt?

'Het lijkt nu alweer evident dat zoiets kan' aldus Plasterk. 'Maar vijftien jaar geleden wezen mensen op hun voorhoofd. Het ophelderen en lezen van erfelijke informatie, het zogeheten sequencen ging toen nog erg moeizaam.'

Plasterk was er twaalf jaar geleden bij toen in een cafe werd besloten om de worm te gaan sequencen. Plasterk: 'Ik werkte als post-doc in Cambridge, bij de groep van John Sulston die het hele project heeft geleid. Op een late vrijdagmiddag gingen we naar de Frank Lee Pub. Natuurlijk werd er veel over de worm gesproken. Op een gegeven moment riep iemand: I say, we can sequence the whole thing. Het was uit de hand gelopen dronkemanspraat. Overmoedig in alle opzichten.'

Inmiddels begint het sequencen van genomen routine te worden. De volledige DNA-sequentie van een aantal virussen en bacterien staat al op papier. Een betrekkelijk makkelijk karwei, want deze eencelligen redden het met enkele tientallen tot honderden genen. Twee jaar geleden kwam het genoom van bakkersgist erbij. Dat was al iets forser. In totaal ruim 6.000 genen. De DNA-sequentie van de rondworm is weer een stuk omvangrijker dan die van gist. C. elegans heeft 19.099 genen.

Binnen enkele jaren zullen nog grotere genomen volgen, onder andere dat van tomaat fruitvlieg, muis, rat, aardappel, varken. En rond 2003 moet het humaan genoom project worden voltooid en is de erfelijke informatie van de mens bekend.

Plasterk was de eerste in Nederland die aan C. elegans begon te werken. Na een succesvolle promotie werkte hij twee jaar als post-doc een jaar in Californie en een jaar in Cambridge. Daarna kreeg hij aan het NKI een eigen groep. 'Een oudere hoogleraar uit het vak was erg verbaasd over mijn keuze voor de worm. Hij zei: waarom zou je daaraan werken? Dat doet niemand in Nederland. Maar dat leek me nou juist een groot voordeel. Helaas sluit je in het traditionele Europese model meestal aan bij het onderzoek van je hoogleraar. Je wacht tot hij met pensioen gaat om daarna de boel over te nemen. Gelukkig verandert dat. Het is steeds meer de trend om jonge mensen op hun eigen onderwerpen aan te stellen. We hebben te lang een systeem gehad waarbij mensen pas na hun vijftigste wetenschappelijk onafhankelijk werden. Ik wil niet zeggen dat ze dan intrinsiek minder slim zijn, maar ze worden tegen die tijd opgeslokt door andere dingen.

'Mijn keuze viel op C. elegans omdat het een goed modeldier is om bijvoorbeeld de ontwikkelingsbiologie of de werking van het zenuwstelsel van een complex organisme te bestuderen.

Het beest is eenvoudig van bouw, maar heeft wel kop en kont. Hij telt maar 959 cellen, waarvan 302 zenuwcellen. De worm laat zich makkelijk kweken en plant zich snel voort. In twee weken tijd legt hij 200 eieren.'

Hoe belangrijk is het succes van het C. elegans-project?

'Het heeft een leidende rol gespeeld bij de beslissing om het humane genoom in kaart te gaan brengen. Het sequencen van de worm is voor 99 procent gedaan door twee groepen in St. Louis en in Cambridge. Ze hebben in het begin een doorslaggevende keuze gemaakt. Ze besloten geen nieuwe technologie te ontwikkelen voor het grote-schaal-sequencen, maar ze gingen uit van de klassieke Sanger-methode, ontwikkeld door de Britse geneticus Sanger. Dat stuitte op veel weerstand. Ik heb menig Nobelprijswinnaar keurig horen voorrekenen dat het met deze techniek minimaal 350 jaar zou duren om het humane genoom te sequencen. Maar de mensen in St. Louis en Cambridge hebben de lessen van autofabrikant Ford ter harte genomen. Je laat niet iedereen een auto maken, maar de een maakt een voordeur en de ander maakt het stuur. Zo kun je gigantische schaalvoordelen behalen. Je robotiseert, parallelliseert specialiseert. Die les was nieuw voor de genetica. Door verbeteringen namen de verkregen DNA-sequenties exponentieel toe. Toen dat duidelijk werd durfde men de stap naar het veel grotere menselijke genoom te zetten.'

De keuze voor C. elegans als modeldier hangt samen met zijn uitgebreide zenuwstelsel. Is het een goed model om leren en geheugen te bestuderen?

'Met dat idee zijn we ons een aantal jaren geleden op dat onderwerp gaan richten. Maar de resultaten vallen tegen. Er zijn wel geheugeneffecten, maar het is dubieus of de worm associatief kan leren zoals de hond van Pavlov begint te kwijlen als hij een bel hoort.

Er zijn publicaties waaruit dat zou blijken. Maar wij hebben moeite om die de reproduceren, en we denken dat het niet aan ons ligt. Anderen hebben er ook moeite mee. Je kunt je ook afvragen of het voor de worm evolutionair nuttig was om leervermogen te hebben. Het beest leeft maar twee weken.

'Het zenuwstelsel dient dus ergens anders voor. Ruiken bijvoorbeeld. C. elegans bezit een fenomenaal reukvermogen. De wormen leven met zijn miljoenen in de bodem. Ze kunnen van enkele meters afstand ruiken of er een dood vogeltje op de grond gevallen is. Daar kruipen ze vervolgens massaal naartoe. Zijn ze bij het vogeltje dan beginnen ze eraan te proeven, ook een functie van het zenuwstelsel. Ze voeden zich daar onder andere met de bacterien die zich aan de vogel te goed doen. Er zijn trouwens smaken die ze vies vinden. Knoflook bijvoorbeeld, of een hoge concentratie zout of suiker. Ook zware metalen en zeep stoot hen af. De wormen hebben twee zenuwcellen in de kop die betrokken zijn bij aversie. Als je die cellen met een laser uitschakelt, dan verliezen de wormen die eigenschap. Dat kun je experimenteel aantonen. Je zet een groepje normale wormen aan de ene kant in een petrischaaltje, aan de andere kant druppel je een geurstof die ze lekker vinden. Op weg naar die stof moeten ze een lijntje kopersulfaat passeren. Als ze bij dat lijntje komen deinzen ze terug, want kopersulfaat vinden ze afschuwelijk. Na een tijdje ruiken ze toch die lekkere geurstof weer en ze zetten zich opnieuw in beweging. Maar bij het kopersulfaat stoppen ze weer. Resultaat: een rij wormen die voor dat lijntje kopersulfaat heen en weer jojoot. Maar de mutanten waarbij je die twee neuronen hebt uitgeschakeld proeven het kopersulfaat niet en kruipen over de lijn.

Inmiddels hebben we tientallen mutanten die het vermogen om iets vies te vinden hebben verloren. We proberen nu de betrokken genen op te sporen.

'Seks gaat ook via het smaakorgaan. Bij C. elegans heb je mannetjes en hermafrodieten. De hermafrodieten kunnen zichzelf bevruchten, maar dat doen ze alleen als er weinig mannetjes zijn. Het is een noodoplossing, als je geen man tegenkomt kun je het altijd nog met jezelf doen. Mannetjes vinden een hermafrodiet via hun smaakorgaan, een knobbeltje aan hun staart. Op zoek naar de vulva van het vrouwtje wrijven ze werkelijk tegen alles aan. Ze wriemelen bijvoorbeeld aan elke kleine oneffenheid in de kweekbodem.'

De overeenkomsten op genniveau blijken iedere keer weer verbazingwekkend. Veel genen van de rondworm zijn terug te vinden in de mens. Wat leren we hiervan?

'Alzheimer-genen, oncogenen, genen voor diabetes, je spoort ze op in de mens en je vindt soortgelijke genen terug in de worm. De conservering van genen is veel groter dan we ooit gedacht hadden. Tegenwoordig is het eigenlijk meer nieuws als je een menselijk gen niet terugvindt in de worm. Dat wil natuurlijk niet zeggen dat de mens eigenlijk een wormpje is. De nematode is geen gewervelde, heeft geen bloedsomloop, zijn hersenen zien er totaal anders uit, hij vervelt, legt eieren. Van alleen de DNA-sequentie wordt je niet veel wijzer. Je kunt geen worm maken op basis van zijn DNA, zoals sommige Amerikanen vorige week beweerden. Wat doen al die 19.099 genen van C. elegans? Van de helft kennen we het coderende eiwit niet, laat staan dat we iets over de functie van die eiwitten weten. Je hebt nu weliswaar het genotype in handen, maar daarmee ken je nog niet het fenotype, de uiterlijke verschijningsvorm.

In het DNA staat namelijk nergens: 'neus' of 'staart'. Er staat: 'groeifactor', of 'hormoon'. We zullen proeven moeten doen om te begrijpen hoe dit wordt vertaald naar iets wat uiteindelijk tot een neus of een staart uitgroeit.

'De soortspecificiteit zit 'm niet in het hebben van een bepaald gen. We denken bijvoorbeeld dat de muis genetisch amper verschilt van de mens. Wat is dan het verschil? Wat maakt een Bach-cantate zoveel anders dan een liedje van de Beatles? Dat zit 'm niet in de afzonderlijke noten, dat zit 'm in hoe je ze aan elkaar rijgt. Het gaat erom hoe ze samenspelen.'

Als al die genoom-projecten achter rug zijn, krijgt de genetica dan een ander aanzicht?

'Ja, de genetica gaat veranderen. We gaan richting fysiologie. Genen ontlenen hun functie maar aan een ding, hun selectief voordeel. Maar wat is dat voordeel precies, hoe functioneert dat gunstige gen in het organisme? Dat kunnen we alleen begrijpen in relatie tot de fysiologie, de neurobiologie, de ontwikkelingsbiologie en uiteindelijk populatiebiologie en ecologie, dus de interactie met de omgeving die uiteindelijk bepaalt of je het in dat milieu redt ja of nee.

'De genetica zoals we die nu kennen zal een set van technieken worden, net zoals de microscopie. Iedereen kan op elk gewenst moment pakken wat hij wil. Het is geen apart vak meer. Dus als we dadelijk al die genen in handen hebben en alle sequenties liggen op tafel, dan moeten al die mensen die tijdens hun opleiding alleen geleerd hebben om een gen te isoleren, toch wat nieuws leren.'

Volgens de laatste plannen van minister Hermans krijgen biologiestudenten daar nog maar vier jaar voor. Wat vindt u van die ontwikkeling?

'Ik hoop echt dat de Tweede Kamer op die beslissing terugkomt. Het is een blunder om voor die studie maar vier jaar te geven. Volgens mij heerst het ouderwetse vooroordeel dat echte wetenschap iets met fysica te maken heeft. Biologie is maar een soft vak. Ik geef toe dat de eerste helft van deze eeuw de periode van de fysica is geweest. Maar we zitten nu in het tijdperk van de biologie. Daar zijn nu de doorbraken. Het heeft zijn effect op de biomedische wetenschappen, de farmacie, de biotechnologie, de landbouwwetenschappen. Vorige week bekeek ik nog een overzicht van het budget van Wetenschap & Onderwijspen. Weet je wat we in Europa bijdragen aan CERN, aan de deeltjesfysica dus, en aan het ruimteprogramma van de ESA? CERN krijgt 53 miljoen, ESA 57,7 miljoen. En er gaat 4,6 miljoen naar het EMBL, de Europese moleculaire biologie. Het vreemde is, als je kijkt wat er onlangs aan topinstituten in Nederland is erkend, daar komt die hele ruimtevaart niet in voor. De deeltjesfysica trouwens ook niet. Maar de moleculaire genetica wel.'