CRISPR

CRISPR is een afkorting van het Engelstalige begrip Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Het beschrijft een belangrijk onderdeel van het bacteriële verdedigingsmechanisme tegen virussen. CRISPR’s zijn korte segmenten van herhaalde codes in het bacteriële DNA, die de bacterie gebruikt om een virusinfectie te herkennen en af te weren.^[1] Samen met het enzym Cas9 vormen ze de basis voor de populaire CRISPR-Cas technologie,^[2] die gebruikt kan worden voor het gericht bewerken van het genoom van een organisme.^[3]

CRISPR is te herkennen aan de korte herhalingen van telkens dezelfde reeks basen. Elke herhaling wordt gevolgd door korte stukjes spacer DNA, afkomstig van vorige blootstellingen aan virussen. Het CRISPR associated system, afgekort Cas, gebruikt CRISPR spacers op een vergelijkbare manier als RNA-interferentie bij eukaryoten. CRISPR’s komen voor bij – naar schatting – ongeveer 40% van de bacteriële genomen en bij 90% van de Archaea.^[4]

Ontdekking en naamgeving[bewerken | brontekst bewerken]

Francisco Mojica was de eerste onderzoeker die in 1993 karakteriseerde wat nu een CRISPR-plaats wordt genoemd.^[5] Een deel van de volgorde werd eerder al gerapporteerd door Yoshizumi Ishino bij zijn onderzoek aan E-coli in 1987. Mojica beschreef de volledige gen-volgorde-herhalingen in de archaeale organismen Haloferax en Haloarcula-soorten, en onderzocht hun functie. Hij zette het onderzoek naar deze volgorden gedurende de jaren negentig voort, en in 2000 herkende Mojica dat wat was gerapporteerd als ongelijksoortige herhalingsvolgorden, in feite een gemeenschappelijke reeks kenmerken deelden, nu bekend zijn als de kenmerken van CRISPR-volgorden. Hij bedacht de term CRISPR in correspondentie met Ruud Jansen van de Universiteit Utrecht en stelde de afkorting Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) voor.^[6][7]

CRISPR-cas9[bewerken | brontekst bewerken]

Werking en mogelijkheden[bewerken | brontekst bewerken]

CRISPR en cas9 werken samen en spelen beide een aparte rol. CRISPR kan gezien worden als een enorme DNA-bibliotheek met steeds dezelfde korte stukjes van eigen DNA en ingebouwde stukjes DNA van een agressief virus, dat spacer DNA wordt genoemd. Het fungeert als een bacterieel immuunsysteem. Cas9 is een soort schaar die virus-DNA herkent en direct optreedt tegen dit gevaar door het virus-DNA kapot te knippen. Bacteriofagen zijn deze gevaarlijke virussen die bacteriën aanvallen door het plaatsen van hun eigen DNA in de bacteriën en zo de DNA- en eiwitsynthese overnemen. Als bacteriën de aanval overleven kunnen ze dit virus-DNA opbergen in de CRISPR-bibliotheek.

Telkens nadat de bacterie door een bacteriofaag is aangevallen maar de aanval overleeft, bewaart de bacterie een stukje van het virus-DNA in zijn bibliotheek. Cas9 gebruikt RNA-sequenties, overgeschreven uit de bibliotheek, om al het DNA in de bacterie te vergelijken. Cas9 scant al het DNA in de bacterie totdat het een match vindt tussen het nieuwe virus-DNA dat de bacterie is binnengedrongen en het DNA van die bacterie dat was opgeslagen in CRISPR. Als hetzelfde soort virus opnieuw aanvalt en er een 100%-match gevonden wordt, kan cas9 het DNA van het binnengedrongen virus kapot knippen en daarmee onschadelijk maken. Zo wordt de bacterie genetisch beschermd tegen het ooit eerder binnengedrongen virus.

Dit mechanisme zou toegepast kunnen worden in mensen door cas9 te laten zoeken naar bijvoorbeeld mutaties die een ziekte veroorzaken, waarna cas9 de mutatie weg kan knippen. Als de cel vervolgens een voorbeeld-DNA-streng gegeven wordt met de goede DNA-sequentie kan de cel deze zelf namaken waarna de mutatie dus is vervangen door een juiste DNA-sequentie. Zo kunnen precieze stukken DNA worden bewerkt op precieze locaties waardoor genen in levende cellen permanent kunnen worden aangepast. Hierdoor zouden mutaties in het menselijk genoom hersteld kunnen worden en zo ziektes genezen. In 2023 was de eerste behandeling een feit. De Britse geneesmiddelenautoriteit MHRA gaf toestemming voor een behandeling tegen twee ziekten van het bloed: sikkelcelanemie en bèta-thalassemie.^[8]

Ontdekking en toepassingen[bewerken | brontekst bewerken]

De herhaalde DNA-codes van CRISPR werden voor het eerst gezien in de jaren 1980 in E. coli.^[9] Wetenschappers probeerden toen een specifiek gen van E. coli te onderzoeken, waarbij het opviel dat eenzelfde stukje DNA zich steeds herhaalde. In 2007 werd de functie van CRISPR-cas9 bevestigd toen duidelijk werd dat de bacterie S. thermophilus resistentie kan ontwikkelen tegen een bacteriofaag nadat er een fragment van het genoom van het virus was toegevoegd aan het CRISPR-systeem.^[10]

De wetenschappers Jennifer Doudna (Universiteit van Californië) en Emmanuelle Charpentier (Max Planck Institut Berlijn) ontdekten in het laboratorium dat ze dit afweermechanisme zelf konden modificeren.^[11] Ze konden heel precies op een door hen gewenste plek in het DNA knippen en plakken. In januari 2013 publiceerde de wetenschapper Feng Zhang de eerste methode om CRISPR in het genoom van mensen en muizen te bewerken.^[12]

Wetenschappers ontdekten dat cas9 programmeerbaar is en in elk soort cel werkt. Zo kunnen stukken DNA makkelijk, snel, goedkoop en precies worden bewerkt in allerlei soorten cellen. CRISPR-cas9 kan genen aan- of uitzetten en bewerken in planten, dieren en mensen.^[13][14] In 2015 werd CRISPR-cas9 in het laboratorium gebruikt om het hiv-virus uit levende cellen van patiënten te knippen, om te laten zien dat het mogelijk is. De verwachting was dat CRISPR-cas9 niet alleen hiv maar ook andere retrovirussen die zich verstoppen in DNA zou kunnen bestrijden. Mogelijk zou CRISPR in de toekomst kanker kunnen bestrijden door immuuncellen kanker te laten opsporen.

Een onderzoeker van Harvard David Liu en collega's publiceerden in 2017 de techniek van 'base editing'. Hierbij kan een coderende 'A' gericht in het gen worden opgespoord en omgezet in een 'G', Omgekeerd lukt ook en dit alles zonder de DNA-streng te hoeven openknippen.^[15] Dit deden ze door een tRNA deaminase los te laten op een 'A' in het genetisch materiaal, die zo werd omgezet in een 'G' zonder het gen open te knippen.^[16][17]

Werking van het Cas9[bewerken | brontekst bewerken]

DNA van binnendringende virussen wordt in korte fragmenten geknipt en vervolgens geplaatst op een CRISPR-locus tussen een reeks van korte segmenten met herhaalde codes. De loci met het virus-DNA ondergaan transcriptie waardoor ze worden overgeschreven in korte RNA-fragmenten die vervolgens worden afgelezen door het enzym cas9. Cas9 is een endonuclease, wat inhoudt dat het bepaalde nucleotiden uit het DNA kan knippen, in dit geval de sequenties die overeenkomen met het overgeschreven RNA uit CRISPR.

Toekomstige toepassingen[bewerken | brontekst bewerken]

Meer dan 3000 erfelijke aandoeningen, zoals kleurenblindheid of ziekte van Huntington, worden veroorzaakt door één verkeerd geplaatste nucleotide in het DNA. Met behulp van CRISPR-cas9-technologie zouden dergelijke genetisch aangelegde ziektes genezen kunnen worden.^[18] De technologie is gelimiteerd tot een enkel individu en wordt niet overgedragen. Op het moment dat de techniek wordt toegepast in kiembaancellen wordt de wijziging van het DNA overgedragen op volgende generaties.

CRISPR-cas9 kan genetische veranderingen aan de menselijke genenpool maken wanneer veranderingen in kiembaancellen wordt toegepast. In 2016 hebben Japanse wetenschappers geëxperimenteerd met menselijke embryo’s en waren daarin gedeeltelijk succesvol, maar liepen ook tegen een heleboel problemen aan die nog moeten worden opgelost.

In theorie is CRISPR goedkoop en snel en extreem nauwkeurig. De praktijk gaat nog moeizaam. Er werden tijdens de eerste experimenten onbedoeld ook andere genen uitgeschakeld, of nieuwe genen werden op onbedoelde plaatsen in het DNA geplaatst. In hoog tempo worden de CRISPR-cas9-systemen nu bijgevijld en preciezer gemaakt. In China, het Verenigd Koninkrijk en Zweden heeft de overheid toestemming gegeven voor CRISPR-ingrepen op menselijke embryo’s. In Nederland verbiedt de embryowet voorlopig zulke experimenten.

Gene drive[bewerken | brontekst bewerken]

Een bijzondere vorm van de toepassing van CRISPR bij zich geslachtelijk voortplantende organismen, is de gene drive. Bij deze techniek wordt CRISPR tezamen met andere werktuigen in het doel-DNA ingebouwd, zodat theoretisch op den duur alle alternatieve allelen in een populatie kunnen verdwijnen.

Zie Gene drive voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Morele discussie[bewerken | brontekst bewerken]

Er is discussie over of het ethisch verantwoord is om baby’s en embryo's met genetisch aangelegde ziektes te behandelen met CRISPR-cas9. Als genetische modificatie sociaal geaccepteerd wordt en de kennis over modificatie toeneemt, zal de verleiding groeien.

Een van de filosofen die zich hier mee bezig heeft gehouden is Nick Bostrom. Nick Bostrom was ervan overtuigd dat menselijke verbetering via modificatie moet worden voortgezet. Hij had een zogenaamd transhumanistisch perspectief, waarin mensen zonder modificatie zouden worden gelimiteerd door hun mentale en psychische capaciteit en van daaruit verbeterd zouden moeten worden om een beter mens te vormen. Dit zou uiteindelijk kunnen leiden tot post-menselijkheid, een verbeterde versie van de huidige mensheid. Transhumanisten zoals Nick Bostrom vinden dat er niks mis is met het genetisch veranderen van de menselijke kiembaan. Potentiële gevaren, zoals een enorme kloof tussen arme mensen die modificatie niet kunnen betalen en rijke mensen die er vol van kunnen profiteren, worden wel opgemerkt maar niet gezien als een reden om te stoppen met het modificeren van mensen.

BioArtists[bewerken | brontekst bewerken]

Rondom het thema van menselijke modificatie zijn Bioartists actief. Bioart is een vorm van kunst waarin wordt gewerkt met levende weefsels en organismen. Door het gebruik van biotechnologie, zoals genetische modificatie, het groeien van levende weefsels buiten organismen om en klonen, wordt kunst tentoongesteld in laboratoria, galerijen en studio’s.

Een voorbeeld van een bioartist is Stephen Wilson. Hij gebruikte biotechnologie voor een interactieve installatie genaamd Protozoa games^[19]. Een belangrijk thema van Protozoa games was om na te denken over de ethiek rondom het experimenteren met mensen en dieren en de intelligentie, bewustheid en reflectie op de essentie van het leven. Het concept van Protozoa games was een installatie waarin protozoa, eencellige organismen die hier het beeld waren van leven in het algemeen, een interactie aangingen met mensen en vice versa. Mensen moesten het gedrag van de protozoa proberen te voorspellen. Dit kon alleen door de protozoa lange tijd aandachtig te bestuderen. Daarnaast konden de mensen de protozoa beïnvloeden met stimuli als licht en geluid.

Wettelijke regeling[bewerken | brontekst bewerken]

Op 25 juli 2018 oordeelde het Europese Hof van Justitie dat organismes die verkregen zijn via mutagenese genetisch gemodificeerde organismen zijn, en dus in principe onderworpen zijn aan de verplichtingen die de ggo-richtlijn voorschrijft.^[20] De uitspraak leidde tot tevredenheid bij milieugroepen,^[21] en tot teleurstelling bij de bio-industrie.^[22] In Nederland wordt de techniek echter als onmisbaar gezien, zo stelde voormalig minister van Landbouw Carola Schouten.^[23] De techniek werd ook in het regeerakkoord van 2017 opgenomen.^[24]