De mens als muis

Ondanks meer dan 100 miljoen jaar afzonderlijke evolutie lijken de genen van muis en mens veel op elkaar.

`Tja, wat is af?' Biochemicus prof.dr. Anton Berns glimlacht, nadat hij hoort dat de BBC de afgelopen twee jaar al driemaal heeft gemeld dat de volgordebepaling van het muizen-DNA bijna af is. Berns is onderzoeksdirecteur van het Nederlands Kanker Instituut (NKI) in Amsterdam, waar tientallen onderzoekers het DNA van de muis bestuderen, op zoek naar de oorzaken van kanker. Het in kaart brengen van het muizengenoom is een race tussen twee concurrerende groepen, zegt Berns. ``Dat houdt het nieuws op gang.''

Ruim een jaar geleden verklaarde het Amerikaanse bedrijf Celera dat het met behulp van de snelle `whole genome shotgun'-methode het complete DNA van de muis in kaart had gebracht. Dit voorjaar volgde het publieke Mouse Genome Sequencing Consortium met de mededeling dat het de basenvolgorde van de muis tot op 96% had bepaald. En begin deze week publiceerde het publieke project online in Nature een zogeheten fysieke kaart van het muizengenoom. Die kaart vormt een onmisbaar handvat om de eerdere stukjes muizen-DNA waarvan de volgorde al eerder is bepaald op de juiste plaats in het genoom te leggen. De echte finish, een betrouwbare volledige sequentie van het muizengenoom, wordt pas in 2005 bereikt.

Voor Berns zijn dat de puntjes op de i waarop het genenonderzoek niet hoeft te wachten: ``Het NKI heeft samen met andere instellingen in Nederland een abonnement genomen op de Celera-database en beschikt daarmee al ruim een jaar over de sequentie van het muizengenoom. Dat was aanvankelijk de enige mogelijkheid, maar sinds kort is ook een publieke versie van het muizengenoom beschikbaar. Aan het gebruik daarvan zitten minder voorwaarden. We kunnen nu de voor ons interessante delen van het muizengenoom downloaden en samen met door ons gegenereerde gegevens op onze eigen server zetten zodat iedereen die informatie kan gebruiken.''

Het commerciële bedrijf Celera heeft volgens Berns handig munt weten te slaan uit zijn aanvankelijke voorsprong. ``Geloof maar dat hun klanten het eerste jaar goed gedokt hebben voor toegang tot hun database. Ook in dat opzicht is het publieke project meer dan welkom. Het is de vraag of wij ons Celera-abonnement straks moeten verlengen. Maar zij beseffen ook wel dat zij over unieke informatie moeten beschikken. Daarom zijn zij begonnen met het aanleggen van een databank van SNP's, kleine varianten in genen die van nut kunnen zijn bij het opsporen van ziektes.''

Overigens verschillen de muizengegevens van Celera en het publieke project hier en daar flink. Kinderziektes, meent Berns. ``Soms vind je een bepaald gen wel bij de een, maar niet bij de ander. En het komt zelfs voor dat beide een bepaald gen op een ander chromosoom plaatsen. Het zijn foutjes die er in de komende tijd nog uit gehaald moeten worden.''

Ondertussen herhalen Celera en het publieke project rond het muizengenoom de strijd die ze eerder om het mensengenoom voerden. Die onvriendelijke wedstrijd eindigde in februari 2001 in een geforceerde hand-in-hand finish. Ook nu beschuldigden academici Celera er weer van informatie uit het publieke domein te hebben gebruikt voor het opstellen van hun kaart, terwijl het bedrijf zelf geen vrije toegang bood tot eigen gegevens.

overeenkomstig

De belangen zijn groot, omdat de laatste jaren steeds duidelijker werd dat muis en mens genetisch veel op elkaar lijken. Beide zoogdiersoorten hebben ongeveer evenveel genen. Hoewel het genoom van de mens 23 chromosomenparen telt en dat van de muis 20, zijn de genen opvallend overeenkomstig. Wel zijn ze anders gerangschikt.

Amerikaanse genetici van het Joint Genome Institute vergeleken het 19e menselijk chromosoom met DNA-volgordes in het muizengenoom (Science, 6 juli 2001). Het menselijk chromosoom 19 is kort (65 tot 70 miljoen baseparen), maar bevat relatief veel genen (1100). De onderzoekers concentreerden zich op 892 genen. De overeenkomst met de muis bleek erg groot. Op drie uitzonderingen na konden zij van al deze humane genen een homoloog (overeenkomstig) gen in de muis vinden. Wel bleken de muizengenen over het algemeen korter dan de menselijke genen. Dit komt doordat het menselijk genoom veel meer junk-DNA bevat, zowel middenin de genen (in de introns) als tussen de genen.

Verschillen waren er ook. Bijna eenderde van de menselijke genen op chromosoom 19 is met meerdere kopieën in het mensen- en muizengenoom vertegenwoordigd. Die kopieën variëren onderling en er is meer variatie tussen muis en mens. De Amerikanen keken speciaal naar een zogeheten zinkvinger-genenfamilie, waarbij zij 160 menselijke genen vergeleken met 101 verwante muizengenen. Zinkvingergenen coderen onder meer voor transcriptiefactoren, geurreceptoren en feromoonreceptoren. Bij de muis troffen de onderzoekers diverse feromoonreceptorgenen aan, terwijl er bij de mens maar één zo'n gen werd gevonden. Bij de mens zijn in de loop der evolutie feromoongenen verloren gegaan, maar bij de muis zijn ze juist gedupliceerd en is hun variëteit toegenomen.

Onderzoekers van Celera keken omgekeerd. Ze keken niet welke mensengenen ze bij de muis aantroffen, maar welke muizengenen (van chromosoom 16) zij konden terugvinden in het menselijk genoom (Science, 31 mei). Veel genen bleken overeenkomstig, maar de volgorde ervan is in de loop der evolutie flink door elkaar gehusseld. Delen van het muizenchromosoom 16 zijn bij de mens terug te vinden in de chromosomen 3, 8, 12, 16, 21 en 22. Van de 731 genen op het muizenchromosoom is van 14 (2%) geen menselijke equivalent gevonden.

``Oncogenen, genen die betrokken zijn bij kanker, zijn heel vaak goed geconserveerd. De oncogenen die we hebben vergeleken tussen muis en mens laten in hun eiwitproducten een overeenkomst in aminozuursequentie zien van 95 procent'', zegt Berns. ``Veel afwijkingen die bij de mens voorkomen hebben hun equivalent in de muis. Op genetisch niveau blijken vooral de regulatiecascades goed geconserveerd. Het gaat daarbij vaak om genen die coderen voor eiwitten die een interactie aangaan met heel veel andere eiwitten. Daardoor is de ruimte voor evolutie beperkt, want zo'n eiwit kan alleen ingrijpend veranderen als alle andere eiwitten waarmee het samenhangt ook mee evolueren. Genen die betrokken zijn bij bijvoorbeeld de celdeling of de stofwisseling hebben daarom gedurende de evolutie voor bijna 100 procent hun functie behouden.''

Maar de vraag is of de muis voldoende op de mens lijkt om aan de hand van het onderzoek aan muizen iets te zeggen over de oorzaken van kanker bij mensen. Berns: ``Critici hebben altijd aangevoerd dat de tumoren die zich bij muizen ontwikkelen er heel anders uitzien dan die bij de mens. Zo blijken tumoren bij de muis niet goed uit te zaaien, terwijl dat bij de mens nou juist het grootste probleem is in het ziektebeeld van kanker. Maar als je bij muizen exact dezelfde set mutaties in het DNA aanbrengt, dan zaaien muizentumoren ook uit. Het zijn misschien genetische laesies die bij de muis niet zo makkelijk spontaan ontstaan.''

Als voorbeeld noemt Berns het onderzoek van de NKI-groep van Peter Demant. Die heeft op basis van het feit dat ene muizenstam gevoeliger is voor het ontwikkelen van allerlei soorten tumoren dan een andere, uitgezocht welke genen daarin ten grondslag liggen. Berns: ``Door die vergelijking zijn ze onder andere op het spoor gekomen van een gen dat samenhangt met dikke-darmkanker.''

Met de gedetailleerde kennis van het muizengenoom zou in principe elk van de 30.000 genen van de muis met behulp van moleculaire technieken uitgeschakeld kunnen worden. Deze muizen worden knockout-muizen genoemd omdat er één of meer genen uitgeschakeld zijn. Via deze dieren kunnen onderzoekers het effect van een genetische deletie bestuderen. Het NKI heeft een paar honderd muizenknockouts, waarmee het instituut in Nederland verreweg de grootste is op dit gebied. Berns: ``Wij zijn in Nederland begonnen met knockouts. We maken ze zelf en sturen er veel weg naar andere onderzoeksgroepen. De verschillende knockouts kunnen als embryonale stamcellen ingevroren worden opgeslagen en daaruit kan een muizenlijn worden opgekweekt wanneer die nodig is voor onderzoek. Het bedrijf Lexicon Genetics in de VS bijvoorbeeld heeft zo een bibliotheek van duizenden knockouts gemaakt. Berns: ``Bij het NKI willen wij binnenkort knockouts gaan opslaan in de vorm van ingevroren sperma of embryo's.''

retrovirus

In een ander project zoeken onderzoekers van het NKI naar oncogenen en tumorsupressorgenen. ``Dat doen we met behulp van zogeheten retrovirale inserties'', legt Berns uit, ``Daarbij injecteren we een pasgeboren muis met een retrovirus. Dat retrovirus heeft zelf geen oncogene eigenschappen maar incorporeert zich op willekeurige plaatsen in het DNA van de muis. Omdat zo'n pasgeboren muis nog nauwelijks een immuunsysteem heeft opgebouwd, kan het virus zich ongebreideld vermeerderen.

``In het DNA van sneldelende weefsels accumuleert het virus zo tot rond tien kopieën per cel, op willekeurige plaatsen geïntegreerd in het muizengenoom. Soms komt het virus toevallig in de buurt van een proto-oncogen terecht en daardoor kan het dit gen aanschakelen. De cel waarin dit gebeurt heeft een groeivoordeel ten opzichte van de andere cellen en zal zich snel gaan delen. Na een aantal maanden wordt een tumor zichtbaar.

``Vervolgens bepalen we de sequentie naast het virus en proberen die specifieke volgorde terug te vinden in de database van het muizengenoom. In het resultaat zit veel redundantie; vaak wordt hetzelfde proto-oncogen geactiveerd. Maar toch zijn we erin geslaagd om op deze wijze vijftig tot honderd oncogenen te identificeren. Met de nieuwe fysieke kaart kun je zo'n oncogen van de muis rechtstreeks naar de mens proberen te linken.''