Gentherapie: knockout, knockdown en knockin genen

Mario Capecchi, Oliver Smithies en Martin Evans maakten de genmodificatie, gentherapie en vooral de zogenaamde knock out muis wereldberoemd. Vele nieuwe behandelingen en specifieke genmodificaties en klonen werden mogelijk. Anno 2020 wordt gebruik gemaakt van gen knockout, gen knockdown en gen knockin. Uitgelegd wordt om wat voor soort onderzoek het gaat.

Gentherapie, genen en eiwitten

De eiwitten in ons lichaam zijn van vitaal belang. Ze zorgen er niet alleen voor dat chemische reacties correct verlopen en dat bindweefsel en bot stevig zijn. Ze vervoeren essentiële stoffen, communiceren tussen cellen en zo verder. De truc is nu dat alle genen samen onze lichamelijke eigenschappen bepalen en elke individuele cel de informatie oppikt die hij echt nodig heeft. Wat het nodig heeft schakelt de cel als het ware aan, de rest niet. Zo komt het hemoglobine bijvoorbeeld alleen in rode bloedcellen voor, ook al kunnen alle cellen in ons menselijk lichaam in beginsel beschikken over dit hemoglobine-gen.

Knockout

Hier komen we aan bij de essentiële karakterisering van wat in de gentherapie knockout heet. Geen buiten bewustzijn van een cel, maar juist een bewust uitschakelen van eigenschappen om zo beter te begrijpen wat de eigenschappen van een gen zijn. Bij een gen knockout wordt een gen uit het DNA verwijderd.

Gen knockdown

Bij een gen knockdown wordt het expressieniveau van een gen of genen verlaagd, het is minder actief maar niet verwijderd of volledig uitgeschakeld. Het gen wordt onderdrukt of (tijdelijk) stilgezet. Bij een knockout is de kans aanwezig dat ook de cel wordt gedood en dan ben je niet veel opgeschoten. Bij een knockdown kan vaak de werking van de cel nog goed worden bestudeerd, zij het met een minder actief aanwezig gen.

Gen knockin

De gen knockin houdt in dat er een nieuw gen in het DNA van het lichaam wordt ingebracht. Dit is een ingewikkelde techniek van knippen, plakken en repareren waar in 2020 veel onderzoek naar wordt gedaan.

Genetische code

Bij de mens is ongeveer de gehele genetische code bekend, maar kennen we nog niet alle eigenschappen in het lichaam. Alle cellen in het lichaam hebben dezelfde genetische informatie, maar omdat niet elke cel dezelfde functies heeft, staan niet alle genen aangeschakeld en is daarom de werking van een cel verschillend. Dit aan- en uitschakelen en het aanbrengen van wijzigingen leert ons veel over de werking van de genen. Het lichaam weet waarom een gen aan of uit staat, de mens is bezig dit proefondervindelijk in kaart te brengen.

Transgenese

We weten nog niet zo goed wat er allemaal aan en uit geschakeld wordt in ons lichaam en waarom. Om achter de functie van een gen te komen, kunnen we proberen om in het lichaam wijzigingen aan te brengen en zo nauwgezet bestuderen wat er daardoor verandert en wat het effect van deze verandering is. Dit noemen we genmodificatie via trangenese. Als proefdier wordt vaak een muis gebruikt.

De promotor van een gen

De promotor speelt een belangrijke rol. De promotor van een gen is stukje DNA dat zich vóór het gen bevindt die bepaalt of, wanneer en in welke mate een gen aan staat of uit staat. Het is ook mogelijk dat een promotor niet werkt, onvoldoende werkt en kan worden verbeterd. Om hier meer duidelijkheid over te krijgen, wordt de bewuste promotor gekoppeld aan een gen dat een groen fluorescerend eiwit aanmaakt. Door de kleuring is de aanmaak goed te volgen en kun je zien of de promotor wel of niet juist werkt.

Het laboratorium en knockout genen

Erfelijke ziekten worden veroorzaakt door gemuteerde of uitgeschakelde genen. Graag willen wetenschappers ook kunnen aantonen aan welke knoppen je precies moet draaien om een ziekte terug te draaien. In het laboratorium worden daartoe foute knockout genen geïsoleerd om ze vervolgens in te brengen in een zeer jong muizenembryo. Zo ontstaat in de draagmoedermuis een zogenaamde chimere muis. Dat wil zeggen een muis die gedeeltelijk bestaat uit cellen met het knockout gen en gedeeltelijk uit normale cellen. Door muizen verder te kruisen ontstaat vervolgens een muis met alleen bepaalde knockout genen.

Nobelprijzen

De Nobelprijs voor de Geneeskunde ging in 2007 naar de Amerikaanse biologen Mario Capecchi en Oliver Smithies en de Brit Martin J. Evans. Zij nu ontwikkelden de techniek om individuele genen in een proefdier aan en uit te schakelen. Door deze techniek werd klonen en genetische modificatie mogelijk, de weg naar succesvolle gentherapie werd door hen verder open gezet. Nadat een medicijn is ontwikkeld moet die nog worden goedgekeurd, vaak is dit een lang proces. In 2020 kreeg Spinraza een voorwaardelijke goedkeuring en de verwachting is dat nog vele medicijnen zullen volgen.

Knockdown in 2020

Het gaat om ingewikkelde technieken, het begon allemaal met het uitschakelen van een gen (knockout) en dat lijkt nog relatief eenvoudig. De ogen van de wetenschap zijn in 2020 meer gericht op knockdown en knockin. Er is wel nog een hele weg te gaan.