CRISPR, een manier om DNA te bewerken, heeft een revolutie teweeggebracht in de biologie. Toch lijkt een nog krachtigere methode, genaamd bridge editing, beter geschikt te zijn om ons genoom aan te passen.
Een krachtige techniek om DNA te bewerken, ontdekt in bacteriën, kan nog geschikter zijn dan CRISPR om ons genoom aan te passen. Al is het nog niet duidelijk of deze nieuwe techniek ook in menselijke cellen werkt.
Een brug slaan
Bio-ingenieur Patrick Hsu van het Arc-instituut in Californië noemt de nieuwe techniek bridge editing, omdat het fysiek twee stukken DNA met elkaar verbindt of overbrugt. Bridge editing kan gebruikt worden om grote delen van een genoom te veranderen, zegt Hsu.
Zullen we ooit zelf een optimaal microbioom kunnen ontwerpen?
Je microbioom optimaliseren is zo eenvoudig nog niet.
Zijn team heeft uitgezocht hoe stukjes ‘parasitair’ DNA in bacteriën het systeem van nature gebruiken om te repliceren. Hsu wilde weten of ze deze techniek konden aanpassen voor genoombewerking. Ze publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature.
‘We zijn enthousiast over de mogelijkheid om veel bredere genoomveranderingen uit te voeren dan wat we momenteel kunnen doen met CRISPR’, zegt hij. ‘We denken dat dit een belangrijke stap is in de richting van een bredere visie op genoomontwerp.’
Knippen met CRISPR
CRISPR heeft een revolutie teweeggebracht in de biologie sinds het in 2012 werd onthuld. Het wordt voor veel verschillende doeleinden gebruikt en de eerste op CRISPR gebaseerde behandelingen zijn vorig jaar goedgekeurd. Maar de basisvorm van CRISPR, die gebruik maakt van het Cas9-eiwit, is meer een ‘genvernietiger’ dan een genbewerker.
Het standaard CRISPR-Cas9-eiwit bestaat uit twee delen. Het ene deel verbindt zich met een RNA-molecuul dat dienst doet als gids en Cas9 leidt naar DNA dat overeenkomt met een bepaald deel van het RNA-molecuul. Omdat het eenvoudig is om aangepaste gids-RNA’s te maken, betekent dit dat CRISPR-Cas9 ‘geprogrammeerd’ kan worden om elk deel van het genoom op te zoeken.
Het tweede deel van CRISPR-Cas9 knipt het DNA door, zodra het Cas9-eiwit zich aan zijn doel heeft gebonden. De cel herstelt de schade, waarna Cas9 opnieuw knipt. Dit blijft gebeuren totdat er fouten worden gemaakt tijdens de reparaties. Zo kan de doellocatie op gerichte wijze aangepast worden, wat ook wel muteren heet.
Hoewel het nuttig is om specifieke plaatsen te laten muteren, zouden biologen liever preciezere veranderingen aanbrengen. Daarom hebben ze CRISPR-eiwitten aangepast om DNA direct te bewerken in plaats van te vertrouwen op celreparatiemechanismen. Zo kunnen zogeheten base editors bijvoorbeeld een enkele DNA-letter in een andere veranderen zonder in het DNA te knippen. De zogeheten prime editors kunnen daarentegen een extra deel van het gids-RNA omzetten in DNA en dit toevoegen aan de doellocatie.
Deze aangepaste vormen van CRISPR kunnen helpen bij de behandeling van een enorm scala aan aandoeningen. Zo zijn er al verschillende proeven op mensen aan de gang.
Maar voor de aanpak van sommige ziekten zijn geavanceerdere genoomveranderingen nodig. Veel teams over de hele wereld werken aan manieren om dit te doen.
Inspirerende parasiet
Genetische parasieten, zogeheten IS110-elementen, gebruiken een mechanisme om zichzelf van het ene deel van een genoom naar het andere te knippen en te plakken. Dit systeem is net als CRISPR RNA-gestuurd. Het team van Hsu is het eerste dat nu een volledig beeld heeft gevormd van hoe het werkt, en welke beloftes dit biedt.
Het bridge editing-systeem bestaat uit een zogenaamd recombinase-eiwit dat zich verbindt met een gids-RNA, net als het CRISPR-Cas9-eiwit. Wat het uniek maakt, is dat het gids-RNA hier twee DNA-stukjes specificeert om te zoeken in plaats van slechts één.
Het ene stukje specificeert de plaats in het genoom die gewijzigd moet worden, net als bij CRISPR. Het andere stukje duidt het DNA aan dat gewijzigd moet worden. Het systeem is daarom geschikt om DNA-stukjes van vrijwel elke lengte toe te voegen, te verwijderen of aan te passen.
Littekenvrij
Er bestaan al andere technieken die kunnen doen wat bridge editing doet, maar die gaan vaak gepaard met meerdere stappen en laten extra stukjes DNA, littekens genoemd, achter. Bridge editing is in feite littekenloos, zegt Hsu. ‘Het biedt een ongekend niveau van controle om het genoom te manipuleren.’
Onderzoekers zouden het daarom kunnen gebruiken om veel meer te doen dan alleen defecte genen vervangen, zegt hij. Het zou ook kunnen helpen om het genoom van planten en dieren volledig opnieuw vorm te geven. ‘Wat we zouden willen, is verder gaan dan het invoegen van individuele genen. In plaats daarvan hopen we op chromosoomschaal, waarop het DNA zichzelf in rafelige structuren organiseert, aan genoombewerking te doen’, zegt Hsu.
‘De ontdekkingen zijn opwindend en de onderliggende biologie is echt opmerkelijk’, zegt bioloog Stephen Tang van de Columbia-universiteit in New York. Wel is tot nu toe alleen aangetoond dat bridge editing werkt in bacteriële cellen of in reageerbuisjes. Het valt nog te bezien of en hoe goed het zal werken in complexe cellen zoals die van mensen, zegt Tang. Maar zelfs als bridge editing in eerste instantie niet werkt in menselijke cellen, is het waarschijnlijk dat het systeem op den duur aangepast kan worden zodat het wel werkt.
