Ontwikkeling van genome editing constructen voor de creatie van laminopathie modelcellijnen.

Ontrafeling en genezing van vroegtijdige veroudering: genetisch gewijzigde cellen

De vroegtijdige verouderingsziekte HGPS (Hutchinson-Gilford Progeria Syndroom) of simpelweg progeria zorgt ervoor dat je lichaam acht keer sneller oud wordt dan normaal. De ziekte wordt veroorzaakt door een kleine verandering in het DNA, een mutatie. Waarom dit leidt tot vroegtijdige veroudering is nog grotendeels onduidelijk. Om dit beter te kunnen onderzoeken wordt de ziekte nagebootst in dieren en cellen. In deze masterproef werden genetische veranderingen aangebracht in cellen met zeer moderne technieken. Zo ontstaan cellen die de ziektesymptomen vertonen, een celmodel.

Stel je voor, je bent nog geen 14 jaar maar zit gevangen in een lichaam van 100 jaar oud. Elke dag krijg je te maken met verouderingssymptomen zoals pijnlijke gewrichten, hartproblemen en zelfs haarverlies. Je bent één van de ongelukkigen. Die ene op acht miljoen personen die werd getroffen door progeria en er is helemaal niets dat hieraan gedaan kan worden.

Progeria is de best gekende ziekte die leidt tot vroegtijdige veroudering en wordt veroorzaakt door één kleine mutatie. De basisprincipes van deze ziekte zijn nog grotendeels onbekend waardoor ook een goede behandeling ontbreekt. Over de hele wereld zijn 45 patiënten gekend waarvan vier in België. Michiel Vandeweert is één van hen en heeft progeria in de media gebracht in België (figuur 1).

Michiel: “Als het klopt wat de dokters zeggen is mijn lichaam nu als dat van een 120-jarige. En voor een 120-jarige zie ik er toch nog goed uit, vind je niet?”

Om kinderen zoals Michiel te kunnen helpen, moet er meer geweten zijn over de basis van deze ziekte. Wetenschappers zijn het erover eens dat lamines hierbij een rol spelen. Lamines zijn eiwitten die zorgen voor het ondersteunen van de celkern zodat deze een mooie ronde vorm behoudt. Bij kinderen met progeria komen vervormde celkernen voor, wat een rol kan spelen in de veroudering. Dit wordt veroorzaakt door een fout in het genoom en meer specifiek in het gen dat instaat voor de vorming van lamines. Eén foutje in het DNA is genoeg om het hele lichaam te ontregelen. Waarom deze mutatie zo’n groot effect heeft op het hele lichaam is nog grotendeels onduidelijk. Daarom is verder onderzoek naar deze ziekte noodzakelijk.

Nieuwe onderzoeksmodellen

Om de ziekte te kunnen onderzoeken wordt deze nagebootst in verschillende modellen zoals dierenmodellen. Hoewel deze waardevol kunnen zijn, verschillen ze veel van mensen. In deze masterproef werd een model gemaakt op basis van menselijke cellen. De cellen werden in het laboratorium gekweekt om ze te onderzoeken. Het speciale aan deze cellen is dat het gen waarin de progeria mutatie zich bevindt, werd uitgeschakeld. Op deze manier worden geen lamines meer gevormd waardoor progeria wordt nagebootst in de cellen. Deze modelcellen kunnen worden gebruikt om experimenten te doen waardoor ook minder dieren nodig zijn. Op deze manier kan men meer te weten komen over de ziekte. Hoe meer men weet, hoe beter men op zoek kan gaan naar een geneesmiddel.

Genetische wijziging

Om het gen waarin de progeria mutatie zich bevindt te kunnen uitschakelen, moet een genetische verandering worden aangebracht. Er zijn verschillende technieken beschikbaar die gebaseerd zijn op eenzelfde principe. Men kan het omschrijven als een soort van DNA-schaar die enkel op een specifieke positie in het DNA kan knippen (figuur 2). Hierdoor ontstaat een breuk in het DNA die de cellen zelf kunnen herstellen. De cellen zijn echter niet zo goed in het herstellen en maken hierbij veel fouten. Ten gevolge van deze fouten werkt het gen niet meer. Twee van deze technieken, TALEN en CRISPR/Cas9 systemen, werden tijdens de masterproef gebruikt om het gen, verantwoordelijk voor progeria, uit te schakelen. Het meeste succes werd behaald met het CRISPR/Cas9 systeem dat hieronder kort wordt toegelicht.

CRIPSR/Cas9 systeem

De CRISPR/Cas9 techniek is gebaseerd op een verdedigingsmechanisme dat wordt teruggevonden in bacteriën. De bacteriën kunnen het DNA van een indringend virus herkennen en afbreken. Een specifiek DNA stuk wordt herkend door een RNA molecule (gids RNA). Het gids RNA bindt op dit DNA en gaat een interactie aan met een eiwit (Cas9). Dit Cas9 eiwit zal het DNA doorknippen (figuur 3). Door het gebruik van een ander gids RNA, dat zorgt voor de herkenning, kunnen andere delen in het genoom gewijzigd worden.

Ziekte nabootsen en genezen

De cellen met het uitgeschakelde gen vormen reeds een goed model voor onderzoek. Nog beter is het aanbrengen van de exacte mutatie die aanwezig is bij de ziekte. Dit is een volgende stap in het onderzoek die kan leiden tot nog meer kennis over progeria.

Indien specifieke mutaties kunnen worden aangebracht, kan men ook het omgekeerde bekomen. Namelijk het specifiek verwijderen van een mutatie. Dit kan in de toekomst leiden tot de genezing van genetische ziekten. Het corrigeren van een hele persoon zijn DNA is moeilijk haalbaar. Wat echter wel haalbaar is, is het genezen van geïsoleerde cellen. Men kan starten met huidcellen van een patiënt en deze herprogrammeren. De herprogrammering zorgt ervoor dat de cellen zich kunnen omvormen tot alle celtypes zoals spiercellen en beendercellen (pluripotent). De pluripotente cellen kunnen genetisch gecorrigeerd worden zodat de mutatie niet meer aanwezig is.

Men beschikt zo over gezonde cellen die oorspronkelijk van de patiënt afkomstig zijn. Deze kunnen worden omgevormd in alle soorten weefsels van het lichaam en terug aan de patiënt worden toegediend (figuur 4). Zo zou het mogelijk zijn om in het labo bijvoorbeeld een hart te creëren bestaande uit patiënt-eigen cellen die de mutatie niet meer bevatten. Het grootste voordeel is dat er geen afstotingsverschijnselen zullen optreden bij organen gemaakt uit eigen cellen. Dit geeft de mogelijkheid voor afstotingsvrije orgaantransplantatie en is niet enkel toepasbaar bij progeria maar bij alle ziekten veroorzaakt door een genetische verandering. 

Kortom

Tijdens deze masterproef werden waardevolle modellen ontwikkeld om progeria beter te begrijpen. Door het gebruik van deze cellen kunnen de ziekteprincipes verder ontrafeld worden en mogelijk medicijnen ontwikkeld worden. De toegepaste en geoptimaliseerde technieken kunnen in de toekomst leiden tot nog betere modellen en een vooruitstrevende genezingstechniek voor alle genetische ziekten.