Wageningse CRISPR-variant knipt selectief tumor-DNA

Kankercellen zijn meesters in zichzelf verstoppen, maar verraden zich soms door subtiele chemische verschillen met gezonde cellen. Wageningse onderzoekers hebben nu, samen met Amerikaanse collega’s, een manier gevonden om dat verschil uit te buiten. Met een variant van CRISPR – een moderne techniek om DNA te knippen – lukte het om tumor-DNA te onderscheiden van gezond DNA, en alleen dat eerste door te knippen om het zo onschadelijk te maken. Het onderzoek verscheen in Nature en markeert een eerste, maar veelbelovende stap richting een kankertherapie die kankercellen selectief doodt.

De nieuwe methode draait om methylgroepen, kleine chemische markeringen op het DNA die genen aan- of uitzetten. Deze zogenoemde DNA-methylatie zorgt er normaal gesproken voor dat per celtype de juiste genen aan staan, door overbodige genen uit te schakelen. In kankercellen raken die methylatiepatronen verstoord. Precies die onderscheidende moleculaire ‘vingerafdruk’ willen de onderzoekers benutten om tumorcellen van gezonde cellen te onderscheiden en aan te vallen.

De onderzoekers gebruikten ThermoCas9, een CRISPR-variant die ze een aantal jaar geleden in bacteriën ontdekten. Net als andere CRISPR-systemen kunnen onderzoekers ThermoCas9 programmeren om specifieke stukjes DNA in een cel op te zoeken en door te knippen. In het lab voegden de onderzoekers dit systeem toe aan menselijke cellen in kweekschaaltjes: gezonde cellen in het ene schaaltje, tumorcellen in het andere. Ze programmeerden het systeem om genen te detecteren die in gezonde cellen ‘gemethyleerd’ zijn, maar in tumorcellen niet.

Die aanpak werkte zoals gehoopt: ThermoCas9 knipte het DNA in de tumorcellen, maar liet het DNA in gezonde cellen ongemoeid. Het systeem bleek dus in staat om dat kleine chemische verschil tussen gezonde cellen en tumorcellen daadwerkelijk te detecteren en ernaar te handelen. “Daarmee is deze CRISPR-variant de eerste die reageert op methylatieverschillen”, zegt John van der Oost, een van de auteurs van de publicatie. “Dat betekent dat we een systeem in handen hebben dat we gericht naar tumorcellen kunnen sturen.”

Dit onderzoek is het eerste waarin een op CRISPR gebaseerde methode gebruikmaakt van methylatieverschillen om menselijke kankercellen aan te vallen. “ThermoCas9 gebruikt methylatie als een soort adres om kankercellen nauwkeurig aan te vallen, terwijl gezonde cellen onaangetast blijven”, zegt Hong Li van het Van Andel Institute (Michigan, VS). “Deze bevindingen zouden weleens een gamechanger kunnen zijn.”

De verklaring voor dat selectieve gedrag van ThermoCas9 ligt in de manier waarop het zich aan DNA bindt. Voordat een CRISPR-systeem DNA knipt, moet het zich eerst hechten aan een korte herkenningscode naast het doelwit, de zogeheten PAM (Protospacer Adjacent Motif). Bij ThermoCas9 bevat die code een methyleringsplaats, wat betekent dat deze een methylgroep kan bevatten.

Van der Oost: “Het CRISPR-systeem bindt heel nauwkeurig aan die herkenningscode.” Vergelijk het met een schroevendraaier die precies in een schroef past. Zit er in die gleuf een flinke verdikking, dan past de schroevendraaier niet meer en kan hij zijn werk niet uitvoeren. Op diezelfde manier werkt een methylgroep op het DNA bij ThermoCas9. Die verstoort de moleculaire pasvorm waardoor het CRISPR-systeem niet kan binden en dat specifieke DNA met rust laat.

“ThermoCas9 is een perfect voorbeeld van de waarde van fundamenteel onderzoek; je moet weten hoe deze afzonderlijke onderdelen samenwerken,” zegt Li. “We hebben met behulp van biochemie en structuurbiologie een mechanisme ontdekt waarvan we hopen dat het op een dag zal leiden tot een nauwkeurigere en effectievere behandeling van kanker.”

Toch is de weg naar een kankerbehandeling nog lang. De huidige studie laat zien dát het systeem selectief kan knippen, maar nog niet dat dit ook voldoende is om tumorcellen te doden. De volgende stap is om het DNA in tumoren zodanig te beschadigen dat de cel afsterft. “Dat is een kwestie van essentiële genen verstoren, waardoor de tumorcel niet meer kan functioneren en overleven”, aldus de microbioloog. Voor dat vervolgonderzoek ontvingen Van der Oost en postdoc Christian Südfeld eind januari de ERC Proof of Concept-beurs. Daarna moet de therapie nog verder worden getest. “Het zal waarschijnlijk nog minstens tien jaar duren voordat een dergelijke therapie voor patiënten beschikbaar komt”, zegt Van der Oost. 

Intussen kijken de onderzoekers wel al verder dan deze ene toepassing. Ook bij andere ziekten, waaronder kinderkanker (neuroblastoom) en auto-immuunziekten, spelen afwijkende methylatiepatronen een rol. In de toekomst maakt dat ThermoCas9 – of een vergelijkbaar CRISPR-instrument – potentieel breder inzetbaar: een moleculair gereedschap dat zieke cellen herkent aan hun chemische ‘handtekening’ en ze vervolgens gericht uitschakelt. “Met die therapie zouden we dan CRISPR gericht naar zieke cellen kunnen sturen om patiënten te behandelen”, speculeert de microbioloog.