Wat is CRISPR/Cas9 en waarom heeft iedereen het er opeens over?

CRISPR/Cas9, een methode waarmee DNA gemodificeerd kan worden met nooit eerder vertoonde nauwkeurigheid, is zowel het nieuwste lievelingetje als de grootste schurk binnen genetisch onderzoek.

In 2012 ontwikkelden onderzoekers van Berkeley in Californië de CRISPR/Cas9-methode, die dit jaar bijzonder veel aandacht krijgt. Niet alleen schrijven wetenschappers met lichtsnelheid over deze techniek (er is dit jaar al 370 keer naar de methode verwezen. Dat zijn gemiddeld 20 papers per week), maar de nieuwtjes over CRISPR/Cas9 lijkt ook steeds sappiger en grootser te worden.

Alleen al in de laatste twee weken hebben wetenschappers bekend gemaakt dat ze de techniek hebben gebruikt om hepatitis C te bestrijden en om de wetten van Mendel te ontkrachten. De erfelijkheidsleer van Mendel was eeuwenlang onbetwist binnen de genetica.

En dan zijn er ook nog de recente pogingen om CRISPR/Cas9 te gebruiken voor het verwijderen van ziekteverwekkende genen uit menselijke embryo's. Al waren deze experimenten beperkt succesvol, hebben ze toch erg veel aandacht van de media gekregen; vooral omdat het de eerste keer was dat wetenschappers publiceerden over experimenten met genetische modificatie op mensen. Er kwam scherpe kritiek op deze experimenten van wetenschappers en ethici van over de hele wereld. (Protein & Cell, het tijdschift waarin het verlag verscheen, publiceerde een paar dagen geleden een persbericht waarin ze hun beslissing verdedigen. Het was de bedoeling dat het paper als een waarschuwing zou dienen.)

De Amerikaanse National Institutes of Health heeft gisteren definitief besloten om geen financiering te geven aan experimenten met genetische modificatie van menselijke embryo's. Zij stellen dat het om ethische en veiligheidsredenen niet te verdedigen is. Bovendien zouden er te weinig klinische toepassingen zijn voor CRISPR/Cas9.

Maar het punt is dat CRISPR/Cas9 geen recente uitvinding is. Het bestaat al drie jaar als techniek voor genetische modificatie en wetenschappers doen al veel langer onderzoek naar CRISPR in bacteriën. Het onderzoek begon ergens in de jaren 80. En een beetje zoals de acteur die eerst alleen gastrollen in comedies had en opeens allerlei rollen in grote films krijgt, is de bekendheid van CRISPR in korte tijd explosief gestegen.

Het aantal onderzoeken naar CRISPR/Cas9 stijgt al sinds 2012, maar toen leek de techniek niet echt een doel te hebben. Nu lijkt de wetenschap echter een punt te hebben bereikt waar het moet gaan bepalen hoe de techniek in de toekomst van de mensheid gaat passen.

In 1987 ondekten Japanese wetenschappers CRISPR in het DNA van bacteriën. Terwijl ze probeerden een specifiek gen van E.coli te bestuderen, viel het ze op dat hetzelfde stukje palindromisch DNA zich steeds herhaalde, afgewisseld door steeds andere stukjes "spacer" DNA.

In de vijf jaar na de ontdekking vonden onderzoekers hetzelfde herhalende DNA in veel andere bacteriën en eencelligen. In 2012 ontstond de afkorting CRISPR, die staat voor "clustered regularly interspaced short palindromic repeats," om het fenomeen te beschrijven.

Het duurde nog een decennium voordat wetenschappers alle details van CRISPR ontrafelden. Ze kwamen erachter dat de herhalende DNA-patronen, samen met de "Cas" eiwitten en gespecialiseerde RNA-moleculen, een rol spelen in het immuunsysteem van bacteriën. Ze noemden deze verzameling het CRISPR/Cas-systeem.

Zo werkt CRISPR/Cas in bacteriën: wanneer bacteriën vreemd DNA tegenkomen, zoals dat van een virus, kunnen ze daarvan delen kopiëren en in hun eigen DNA verwerken als "spacers."

Deze spacers maken het immuunsysteem van bacteriën sterker, omdat hierdoor RNA-moleculen makkelijker vreemd DNA kunnen herkennen in het geval van een toekomstige virusinfectie. Zodra een RNA-molecuul vijandig DNA herkent, leidt het het CRISPR-complex er naartoe. Vervolgens maken de Cas-eiwitten, die gespecialiseerd zijn in het opknippen van DNA, het vreemde DNA onschadelijk.

In de herfst van 2012 maakte een team van onderzoekers, onder leiding van Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier van UC Berkeley, bekend dat zij het CRISPR/Cas-systeem hebben kunnen gebruiken als gereedschap voor genetische modificatie. Het door hun ontwikkelde CRISPR/Cas9 maakt gebruik van CRISPR, een Cas-eiwit dat Cas9 heet en hybride RNA dat geprogrammeerd kan worden om een bepaalde genenreeks te identificeren, af te knippen en zelfs te vervangen met iets anders. Begin 2013 begon onderzoek om CRISPR/Cas9 toe te passen op genetische modificatie.

Het grootste voordeel van CRISPR ten opzichte van zijn voorgangers, zinkvingernuclease en TALENS, is dat het veel makkelijker in het gebruik is. Bij zinkvingernuclease en TALENS moeten de wetenschappers eerst zelf eiwitten ontwerpen die op de DNA-doelen passen. Dit proces kost veel meer moeite dan het programmeren van RNA bij CRISPR en bovendien lijkt het erop dat CRISPR op iedere soort cel gebruikt kan worden. Er zijn al verslagen van onderzoekers die CRISPR/Cas9 succesvol hebben toegepast op zowel dierlijke embryo's, zoals die van muizen, kikkers en apen, als op menselijke stam- en imuuncellen.

Gedurende de afgelopen twee jaar hebben onderzoekers veel verschillende toepassingen voor CRISPR/Cas9 bedacht, waaronder genetisch gemodificeerde gewassen, het uitroeien van virussen, het zoeken naar genen die kanker veroorzaken, en een omstreden methode waarbij genomen ontworpen worden. Ook hebben ze een aantal technieken geïntroduceerd om te voorkomen dat cellen op de verkeerde plekken gaan muteren.

Deze successen moeten ons aan het denken zetten over een mogelijke volgende stap van CRISPR/Cas9: het ontwerpen van menselijke genen. Vorige maand circuleerden er roddels dat er binnenkort een paper zou worden uitgebracht over CRISPR/Cas9-techniek die ingezet werd bij embryo's. De roddels bleken waar en vorige week kwam er een controversiële publicatie uit in het tijdschrift Protein & Cell door onderzoekers van de Sun Yat-sen University in China.

In de discussie's die volgden op dit paper zijn wetenschappers het oneens over één cruciaal punt: of onderzoekers moeten gaan kijken of ze CRISPR/Cas9-technieken kunnen gaan toepassen op de menselijke voortplanting. Deze vraag ligt nu centraal in het mediadebat rondom de technologie.

Experts zijn om een aantal redenen bezorgd over toepassingen van CRISPR/Cas9 bij menselijke cellen (dus ook bij eicellen, sperma en embryos). Velen hebben het idee dat er nog te weinig bekend is over CRISPR/Cas9. Onderzoekers kunnen bijvoorbeeld niet goed voorspellen wat er gebeurt als de techniek zijn doel mist. Naast de effectiviteit van de techniek, zijn er andere ethische overwegingen. Hoe moet je bijvoorbeeld omgaan met genetisch materiaal van toekomstige generaties, als zij geen enkele toestemming hebben gegeven om daar aan te sleutelen?

Andere wetenschappers hebben het gevoel dat het nu tijd is om de veiligheid en de werkzaamheid van de technologie te gaan onderzoeken. Als wetenschappers al in staat zijn om CRISPR/Cas9 toe te passen op menselijke cellen dan is er geen vraag over mogelijk dat het grote voordelen met zich mee kan gaan brengen. De technologie kan erfelijke ziektes bijvoorbeeld gaan bestrijden, en ziektes als de ziekte van Huntington uit de familielijn verwijderen.

Het is ook belangrijk om goed na te denken over een andere optie die mogelijkheid kan worden: mensen zullen hun genen willen gaan aanpassen om super mensen te creëren die supersterk zijn of hyperintelligent. Dit vooruitzicht produceert logische angsten over eugenetica en designerbaby's, waaraan grote implicaties verbonden zijn. De strijd om de patenten over de technologie is bijvoorbeeld een belangrijk vraagstuk. Hoe dan ook zal de conversatie over CRISPR/Cas9 voortgezet blijven worden, en er zijn het komende jaar al een aantal conferenties over het onderwerp gepland.

Voor nu: de antwoorden over grote wetenschappelijke en filosofische vragen rond CRISPR/Cas9 kunnen onbekend blijven, maar wat wel duidelijk is dat we op weg zijn naar een toekomst waarin CRISPR/Cas9 vrijwel zeker een enorme rol gaat spelen.