We weten nog niet waar crispr knipt

Gentechnologie Crispr-cas knipt DNA nog lang niet zo nauwkeurig als genetici zouden willen. Ongewenste mutaties lijken voorlopig onvermijdelijk.

Achtcellig menselijk embryo. Op zo’n embryo kan de crispr-cas-techniek worden losgelaten om, liefst in alle cellen, het DNA te veranderen. Foto Science Photo Library

De Chinese biofysicus Jiankui He sloeg veel ethische en technische stappen over bij het genetisch ‘verbeteren’ van baby’s Lulu en Nana. Vorige week liet hij, vanuit het niets, de wereld weten dat hij gesleuteld had aan het DNA van een tweeling tijdens hun embryonale fase, waardoor ze resistent zouden zijn tegen hiv. De ethische aspecten van zijn werk zijn afgelopen week in de media al veelvuldig besproken, maar hoe betrouwbaar is de techniek die hij gebruikte?

He is niet transparant geweest over zijn werkwijze. Hij lijkt zijn onderzoek in het geheim buiten de universiteit te hebben gedaan en publiceerde zijn experimenten niet in een wetenschappelijk tijdschrift. We kunnen alleen afgaan op wat hij presenteerde op de conferentie waarop hij het bestaan van de cirspr-baby’s bekend maakte.

De DNA-bewerkingstechniek die He zegt te hebben gebruikt, crispr-cas9, is nog volop in ontwikkeling. De afgelopen jaren tonen studies aan dat de techniek naast gewenste, ook ongewenste veranderingen in genen kan veroorzaken. Ook is het controversieel dat hij crispr-cas9 klinisch toepaste op menselijke embryo’s die hij terugplaatste in hun moeder, terwijl er nog nauwelijks studies naar de gevolgen van genenveranderingen bij menselijke embryo’s gedaan zijn.

Vijf vragen over genetisch gemanipuleerde baby’s

He maakte de baby’s resistent tegen hiv door een stukje van het CCR5-gen weg te halen. Dit gen maakt normaalgesproken een eiwit aan dat aan de buitenkant van witte bloedcellen zit. Dat eiwit werkt als entreepunt voor hiv-virussen, die zich daaraan hechten en vervolgens de cel infecteren. Doordat dit stukje CCR5-gen weg is, mist ook een deel van dit eiwit, en zijn de kinderen dus resistent voor hiv-besmetting, is het idee.

Crispr-cas9 is een relatief nieuwe techniek om DNA te manipuleren. Het bestaat pas een jaar of vijf. Crispr-cas bestaat uit twee delen: een enzym, cas9, dat DNA-strengen kan doorknippen en een stuk gids-RNA dat in het DNA van een celkern kan zoeken naar een gen. Het gids-RNA bestaat uit een streng nucleotiden (met de basen A, U, C of G) dat als een puzzelstuk op het gen past. Zodra het RNA binnenin een celkern is, bindt het als het goed is alleen aan het stuk DNA dat er precies op past. Cas9 knipt het DNA vervolgens door.

De cel ziet deze knip als schade en zal die meteen herstellen. Bij die reparatie verdwijnen of veranderen er vaak net wat willekeurige nucleotiden, waardoor de functie van genen aan te passen is. Ook is het mogelijk om genen heel specifiek te veranderen door een stukje DNA te voegen tussen de knip.

Hoe goed werkt Crispr-cas9 op dit moment?

Hoe crispr-cas9 precies knipt, en welke schade daarbij kan ontstaan, is nog niet goed bekend. Op dezelfde conferentie waar He zijn werk presenteerde was ook Kathy Niakan aanwezig. Zij is ontwikkelingsbioloog aan het Francis Crick Instituut in Londen en mag als enige in Engeland genetische aanpassingen doen in menselijke embryo’s. In haar presentatie zegt ze dat er soms wel 29 miljoenen basenparen verdwijnen of bijkomen na het zetten van een crispr-cas9 knip in het DNA. „We vinden dit een belangrijke waarschuwing”, zegt ze. „Crispr-cas9 kan dus complexer werken dan we denken. Hou daar rekening mee bij onderzoek in het lab, en bij klinische toepassingen.” Haar data zijn nog niet gepubliceerd.

Crispr-cas9 kan fouten maken. Cas9 maakt dan een genbewerking op een verkeerde plaats. „Bij een embryo heeft Jiankui He een ongewenste mutatie gevonden”, vertelt stamcelbioloog Niels Geijsen van de Universiteit Utrecht. „Dat is natuurlijk een enorme rode vlag!” Toch besloot He het embryo terug te plaatsen, want de mutatie lag op een stuk DNA, tussen twee genen in. „Hij nam aan dat dat stuk DNA geen functie had, dus dat de mutatie geen kwaad kon. Maar we weten nog niet goed wat de functie is van het DNA tussen genen in. Ook toont het aan dat we crispr-cas9 nog niet helemaal onder controle hebben.”

Ook kan crispr-cas9 ongewenste genetische veranderingen veroorzaken die nog nooit eerder gezien zijn, en dus gemist worden bij standaard controles. Biotechnologen van de TU Delft ontdekten zo’n nieuw mutatiemechanisme na het inzetten van crispr-cas9 in gistcellen, Saccharomyces cerevisiae. De publicatie verscheen deze week in wetenschappelijk tijdschrift Nucleic Acids Research.

In gistcellen is DNA aanwezig in twee kopieën, net als bij mensen, die van ieder chromosoom een kopie van hun moeder en een kopie hun vader hebben. Wanneer de onderzoekers met crispr-cas9 het DNA wilden aanpassen op slechts een van de twee kopieën, lukte dat niet goed. Na de knip ging de cel het DNA wel repareren, maar bleek daarbij de ongeknipte kopie te gebruiken voor reparatie, waardoor verschillen tussen beide kopieën verdwenen. „Dan is de genmodificatie dus niet succesvol en kan genvariatie verloren gaan.” zegt biotechnoloog Arthur Gorter de Vries. Een dubbele set chromosomen werkt als een back-up: als een van de twee genen het niet doet, kan de andere versie dat opvangen. Maar als chromosomen elkaar kopiëren gaat de variatie verloren. De onderzoekers verwachten dat deze mutatie ook zou kunnen voorkomen bij gemodificeerde embryo’s en dat is risicovol, want een gebrek aan genvariatie kan bij mensen het kankerrisico verhogen.

De crispr-cas9-techniek zelf wordt steeds verder geoptimaliseerd. Maandelijks komen er publicaties over nieuwe Crispr technieken bij. „Er is inmiddels Cas12, een enzym dat DNA op een andere manier doorknipt”, legt Stan Brouns van de TU Delft uit. „Dit enzym is mogelijk iets preciezer dan cas9, waardoor de kans kleiner is dat er op de verkeerde plaats geknipt wordt.” Ook noemt hij een nieuwe ‘base-editing-techniek’ waarbij het cas9 eiwit het DNA niet doorknipt, maar losse basen kan verwisselen.

Wat gebeurt bij mensen

Het is onduidelijk welke gevolgen het wegknippen van stukken genen bij mensen heeft. „Mogelijk heeft het CCR5 gen ook te maken met het immuunsysteem en de vatbaarheid voor andere infectieziekten, zoals het westnijlvirus. Dit werk van He kan dus veel ernstige bijwerkingen als gevolg hebben”, vertelt Iris Jonkers, geneticus bij het UMC Groningen. „Per genbewerking zou je moeten onderzoeken welk effect een mutatie heeft op de ontwikkeling, maar dat is praktisch en ethisch niet te doen in menselijke embryo’s.”

Jiankui He deed een gering aantal dierproeven voordat hij de mutatie maakte in de embryo’s van Lulu en Nana. Op de conferentie van vorige week vertelde hij dat hij tests deed op 14 embryo’s van muizen, 27 embryo’s van primaten en 31 van mensen. Bij de teruggeplaatste muizenembryo’s keek hij tot in de derde generatie of de nakomelingen hinder ondervonden van het verwijderde gen. Hij vergeleek long, hart, lever en maagweefsels en keek hij naar het gedrag. Maar zag niets opvallends, zei hij.

„Er is altijd veel discussie over de tijd tussen een toepassing in het onderzoekslab en een toepassing bij patiënten”, zegt Sjoerd Repping, klinisch embryoloog bij het Amsterdam UMC. „Nergens is vastgesteld hoeveel keer je iets moet testen. Het gaat om het gevoel dat het veilig genoeg is.” En daar schort het aan bij He. „Als hij vond dat zijn preklinische gegevens voldoende waren om het klinisch toe te passen, dan had hij er verstandig aan gedaan deze data te publiceren en te zien of de academische consensus, die nu nog zegt ‘vooral nog niet toepassen’, zou verschuiven.”

Maar de overstap van testen op dieren naar de toepassing bij mensen is vaak een dilemma. Daar worstelen ze bij het Amsterdam UMC ook mee. „Wat zegt een proef op 500 muizen over een veilige toepassing bij mensen?” zegt Repping. Hij vertelt dat er al 25 jaar gewerkt wordt aan onderzoek naar het herstellen van de vruchtbaarheid van mannen die als jonge jongen kanker kregen. Om hun vruchtbaarheid veilig te stellen kunnen ze vóór de kankerbehandeling een klein stukje testikel weghalen en invriezen. Als het kind volwassen is geworden, en onvruchtbaar blijkt, kunnen de stamcellen uit het weefsel worden opgekweekt en in de testikel teruggeplaatst, in de hoop dat de mannen weer vruchtbaar worden. „Bij muizen, ratten, honden, stieren en apen, werkt het allemaal….”, vertelt hij. „We hebben gekeken hoe het nageslacht van proefdieren zicht ontwikkelt. Maar wanneer zeg ik tegen een man: ‘Onderga die transplantatie maar, ga naar huis en maak je vrouw zwanger’? Dat is lastig.”

Het is dus nog veel te vroeg om crispr-cas9 toe te passen op mensen, vinden alle gesproken onderzoekers van de universiteiten in Utrecht en Delft en de universitair medische centra van Amsterdam, Groningen en Leiden. Over de mogelijkheden van crispr-cas9 zijn ze enthousiast, maar ze vrezen voor imagoschade van de techniek na de presentatie van Jiankui He.

Luister ook naar deze aflevering van onze podcastserie Onbehaarde Apen, over crispr-cas: Wie zijn de helden van de genrevolutie?
U kunt zich ook abonneren via iTunes, Stitcher, Spotify of RSS.
    • Anne Martens