Onderzoek gaat door tijdens COVID-19
Stichting Terre, het GKC en de vakgroep Biochemie van de onderzoekschool CARIM van de Universiteit van Maastricht hebben de handen in elkaar geslagen om het Rett syndroom fundamenteel te onderzoeken. Fundamenteel wil zeggen dat de moleculen in cellen bestudeerd worden om antwoord te krijgen op vragen zoals hoe komt het dat één gemuteerd gen de cellen zo verandert dat Rett ontstaat, en kunnen we innovatieve doelgerichte medicijnen ontwikkelen die de cellen met de mutatie weer op het gezonde spoor zetten.
Toen de universiteiten in Nederland werden gesloten vanwege COVID-19, kon dit repercussies hebben voor het fundamenteel Rett onderzoek van het GKC in samenwerking met de vakgroep Biochemie van de onderzoeksschool Carim van de Universiteit Maastricht. l Immers veel onderzoekscentra moesten hun deuren tijdelijk sluiten maar tot onze grote vreugde werd er, binnen de COVID-19 richtlijnen, voor dit onderzoek een uitzondering gemaakt. De onderzoeksters Nasim Sangani en Ana-Rita Gomes mochten onder begeleiding van prof. Chris Reutelingsperger en prof. Leopold Curfs van CARIM en GKC doorgaan met hun onderzoek.
Achtergrond
Het is algemeen bekend dat een spontane mutatie van het MECP2-gen de oorzaak is van Rett syndroom. Het MECP2 gen is een zogenaamd regulerend gen. Dit wil zeggen dat het bepalend is voor de activiteit van andere genen, die een rol spelen in de ontwikkeling van het centrale zenuwstelsel. Deze genen bepalen de productie van eiwitten die nodig zijn voor een normale ontwikkeling en bij Rett zijn deze zogenoemde moleculaire mechanismen ontregeld.
Het menselijk genoom bestaat uit DNA, een lang, wokkelvormig molecuul dat de instructies bevat die nodig zijn om cellen op te bouwen en gezond te houden. Om de instructies te kunnen uitvoeren, moet DNA worden “gelezen” en getranscribeerd – met andere woorden, gekopieerd – in RNA. Er zijn verschillende soorten RNA. Het belangrijkste type, messenger-RNA (mRNA) genoemd, speelt een vitale rol bij het maken van eiwitten. De afgelezen genen worden transcripten genoemd, en een transcriptoom is een verzameling van alle afgelezen genen die in een cel aanwezig zijn.
Processen in een cel worden aangestuurd via een signaalnetwerk van eiwitten. Omdat cellen verschillen in functie, zullen verschillende typen cellen ook een ander pakket aan eiwitten maken. Cellen ontvangen vaak veel signalen tegelijkertijd en integreren vervolgens de informatie die ze ontvangen in een algeheel actieplan. Cellen zijn niet alleen ontvangers van signalen, ze sturen zelf ook berichten naar andere cellen, zowel dichtbij als veraf.
Een verstoring, bijvoorbeeld bij een ziekte zoals Rett, kan dus resulteren in veranderingen in het eiwitprofiel en dus in het signaalnetwerk die de processen in de eigen cel en ook van andere cellen regelen. Niet alleen de hoeveelheid van een eiwit is van belang. De functie van een eiwit wordt ook vaak ook bepaald door kleine veranderingen aan eiwitten.
Het onderzoek
De exacte moleculaire mechanismen die aan de basis liggen van de kenmerkende Rett symptomen en complicaties zijn nog grotendeels onbekend. Het identificeren van deze moleculaire mechanismen en het begrijpen van hun rol in het stapsgewijze ontstaan en het verloop van Rett zijn essentieel voor de ontdekking van precisiegeneesmiddelen.
Ons onderzoek is gericht op het leveren van een bijdrage aan het vergroten van het fundamentele begrip van de moleculaire mechanismen met in het verlengde hiervan het zoeken naar nieuwe therapeutische strategieën, die de symptomen bij Rett kunnen verlichten of de normale ontwikkeling van de hersenen kunnen herstellen.
Onderzoek doen aan menselijke hersencellen is een grote uitdaging al was het vanwege hun zeer beperkte beschikbaarheid voor onderzoek. Wetenschappelijke en technische ontwikkelingen bieden sinds kort een gelijkwaardig alternatief. Het is mogelijk om in het laboratorium (in vitro) geïsoleerde witte bloedcellen te herprogrammeren tot stamcellen die lijken op de eerste cellen die gevormd worden na een aantal delingen van een bevruchte eicel. We noemen deze stamcellen humane geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSC’s). Deze hiPSC’s kunnen vervolgens in het laboratorium aangezet worden tot vorming van hersencellen.
Vervolgens kunnen deze hersencellen verder opgekweekt worden tot een miniscuul stukje 3D hersenweefsel, een “brain-organoid”. De groei en de ontwikkeling in dit stukje 3D hersenweefsel hebben veel overeenkomsten met hersenweefsel van mensen. Door de moleculaire mechanismen in de “brain-organoids”, van zowel gezonde mensen als Rett-patienten, in verschillende stadia van ontwikkeling te analyseren en met elkaar te vergelijken, krijgen we informatie over hoe en waarom hersencellen met MECP2 mutaties een andere groei en ontwikkeling doormaken dan gezonde hersencellen.
Met behulp van deze in vitroziektemodellen wordt gezocht naar nieuwe interacties tussen eiwitten en signaalnetwerken die worden aangestuurd door het mRNA. Na het bestuderen van oorzaak-gevolgrelaties worden nieuwe signaalnetwerken geïdentificeerd die gebruikt kunnen worden voor behandelmogelijkheden en met behulp van CRISPR-Cas kunnen de genen aanpast worden om de nieuwe relaties te bevestigen.
Er wordt nog niet veel Rett-onderzoek gedaan met behulp van “brain organoids”. Dit onderzoek is ook uniek omdat de moleculaire processen met behulp van geavanceerde analysemethoden in verschillende fasen van de ontwikkeling in kaart worden gebracht.
Tijdens het onderzoek wordt “Proteomics” gebruikt om alle aanwezige eiwitten en hun modificaties in cellen en weefsels te identificeren en kwantificeren. Met behulp van “Transcriptonics” worden de transcriptomen (RNA instructies) verzameld en vergeleken. Hierdoor wordt een dieper inzicht verkregen in hoe cellen normaal functioneren en hoe veranderingen in genen kunnen bijdragen tot het behandelen van symptomen bij Rett.
Internationale samenwerking en kennisuitwisseling voor dit fundamentele Rett onderzoek van het GKC en de afdeling Biochemie is essentieel. Zo is er binnen Nederland afstemming met de hoogleraar en onderzoeker Joost Gribnau van de afdeling ontwikkelingsbiologie van het Erasmus MC. In het kader van een internationaal uitwisselingsprogramma werkte afgelopen jaar de onderzoeker Ana Rita Gomes van het Biological Engineering Instituto Superior Technico van de Universiteit Lissabon samen met Nasim Sangani op het gebied van mini-hersenen, die uit hiPSC’s zijn gegroeid.
(IN EEN APART KADER?)
CRISPR-Cas, DNA modificeren met ongekende precisie
Zoals al aangegeven is DNA is een soort uitgebreide catalogus waarin alle instructies te vinden zijn die de eigenschappen van een organisme bepalen. Of het nu gaat om de kleur van ogen bij een mens of het soort antibioticum waartegen een bacterie resistent is, het zijn allemaal kenmerken die vastliggen in de code van het DNA. Deze code bestaat uit een opeenvolging van 4 bouwstenen of basen, die aangeduid worden met de letters A, T, G en C. Het menselijk genoom is opgebouwd uit ongeveer 6 miljard baseparen. Een fout op slechts één van deze posities, ook wel een mutatie genoemd, kan zorgen voor een ingrijpende verandering in het organisme. Zo zijn verschillende menselijke ziektes een gevolg van mutaties van een gen, in geval van Rett dus het MECP2-gen.
CRISPR-Cas9 is een revolutionaire ontdekking die je kunt zien als een eiwit dat het DNA op een heel specifieke plaats kan ‘knippen’. Oorspronkelijk is dit schaartje in een bacterie gevonden die zich op deze manier kan beschermen tegen een aanval van een virus. Als het virus de bacterie binnenkomt, knipt het schaartje van de bacterie in het virale DNA. Het virus raakt onwerkzaam en kan de bacterie niet doden.
De onderzoekers Emmanuelle Charpentier, Jennifer Doudna en Feng Zhang kwamen op het idee om de CRISPR/Cas moleculaire schaar van de bacteriën te gebruiken om DNA te knippen in andere organismen zoals planten, dieren en mensen.
Inmiddels kunnen onderzoekers het schaartje eenvoudig aanpassen en specifiek maken voor elke gewenste knipplaats en kunnen ze een mutatie uit het DNA knippen en vervangen door de correcte code. De mogelijkheden van CRISPR-Cas9 zijn oneindig en Emmanuelle Charpentier en Jennifer Doudna kregen in 2020 voor deze ontdekking de Nobelprijs Chemie.
Vele menselijke ziektes worden veroorzaakt door mutaties. Met CRISPR zouden deze fouten in het DNA gecorrigeerd kunnen worden. Gezien de enorme kracht van CRISPR is het van groot belang dat de techniek enkel kan ingezet worden voor ethisch verantwoorde doeleinden.
Als je meer over CRISPR-Cas wilt weten dan kunnen we je aanraden om de documentaire “Human Nature van Adam Bolt” te kijken die op dit moment op Netflix te zien is.
