Een muis is absoluut geen klein soort rat

Transcriptie

1 11 door Marian Tjaden Winnaar European Young Investigators Award Edwin Cuppen Een muis is absoluut geen klein soort rat Ratten zijn de aangewezen proefdieren voor wie meer wil begrijpen van menselijke kwalen als verslavingen of depressies. Maar rattengenen zijn veel lastiger te onderzoeken dan die van de relatief domme muis. Moleculair bioloog dr. Edwin Cuppen van het Utrechtse Hubrecht Laboratorium voor ontwikkelingsbiologie heeft er een paar listen op verzonnen, en ziet zich daarvoor beloond. Hij is een van de drie jonge Nederlandse onderzoekers die dit jaar 1,2 miljoen Europese euro s onderzoeksgeld toegekend kregen. Cuppen weet precies wat hij met dat geld gaat doen: rattengenen onderzoeken. Soms is een mens net een rat. En dan niet in overdrachtelijke zin als manager die zich met scherpe ellebogen zo snel mogelijk naar de top weet te werken maar in biologische zin. Vooral voor onderzoek naar hersenfuncties als geheugen en leren, maar ook als het gaat om gevoeligheid voor depressies of andere hersenziekten, zijn ratten heel geschikte modellen. Sinds een jaar of twee is zowel van de mens als de rat het hele genoom bekend. Dat betekent dat bekend is hoeveel genen mensen en ratten ongeveer hebben, op welke plaats ze liggen op de chromosomen en zelfs wat de volgorde is van de bouwstenen van de genen. Maar dat is nog maar het begin, nu moet onderzocht worden wat de functie is van al die genen. Van een aantal weten biologen dat natuurlijk al lang, maar voor veel genen is het nog niet duidelijk. Hoogstens weten onderzoekers dat ze iets doen bij het ontstaan van verslaving. Of dat ze iets te maken hebben met de kans dat iemand een keer in zijn leven een depressie zal meemaken. Het is hetzelfde wat bloemenkwekers doen als ze een nieuwe tulp zoeken Het lijkt simpel om erachter te komen wat de functie is van een gen: schakel het uit en kijk wat er vervolgens misgaat in het proefdier. Hoe schakel je een rattengen uit? Dat is de vraag waar dr. Edwin Cuppen, hoofd van de afdeling Functional Genomics van het Hubrecht Laboratorium van de KNAW, zich mee bezighoudt. En om die vraag te beantwoorden krijgt hij 1,2 miljoen euro van de European Science Foundation. De EURYI-award is bedoeld voor jonge onderzoekers, maar de in 1970 geboren Cuppen is zelf niet vaak in het lab te vinden. Mijn werk bestaat de laatste tijd vooral uit bureauwerk. Ik ben net terug van vakantie en had vanochtend vierhonderd s. Ik kom er helaas niet meer aan toe om nog zelf onderzoek te doen. Jarig Toch hij is hij niet het standaardtype drukke manager geworden, die honderd uur per week werkt. Vandaag wil hij bijvoorbeeld wel graag voor zessen thuis zijn, want zijn zoon is jarig. Vader van twee kinderen, valt dat echt te combineren met het runnen van een lab? Ja hoor, ik breng elke ochtend de kinderen naar het kinderdagverblijf en ben ook s avonds op tijd thuis. Als ze in bed liggen, zit ik nog wel eens achter de computer natuurlijk. Maar ik geloof niet in het adagium dat je honderd uur per week moet werken om een goede onderzoeker te zijn, volgens mij doe je dan juist iets verkeerd. Terug naar de ratten. Hoe schakel je op een handige manier een rattengen uit? Bij muizen kunnen we dat al een tijdje. Er zijn duizenden speciale muizenstam-

2 12 men waarbij één enkel gen is uitgeschakeld, dat noemen we knock-outmuizenstammen. Het probleem is dat de methode die bij muizen wordt gebruikt, niet werkt bij ratten. Tja, waarom moet het dan zo nodig in ratten, als het in muizen ook kan. Dan neem je toch een muis, dat is toch eigenlijk een klein soort rat? Absoluut niet! Cuppen, een vriendelijke, rossige man met een licht zuidelijke tongval, wordt er soms wel eens moe van. Zelfs veel onderzoekers denken dat muizen en ratten op één hoop gegooid kunnen worden. Ach, zeggen de muizenmensen dan, dat is toch niet zo belangrijk, hoe het bij ratten zit, we weten het toch al precies voor muizen? Anticonceptiepil Maar het verschil tussen muizen en ratten is groter dan het verschil tussen mensen en chimpansees. De laatste gemeenschappelijke voorouder van mensen en chimpansees leefde ongeveer zes miljoen jaar geleden. Hun DNA komt voor bijna 98 procent overeen. Toch zou niemand willen beweren dat mensen een soort kleine chimpansees zijn. Daarvoor zijn de verschillen toch net iets te groot. Voor muizen en ratten geldt dat hun laatste gemeenschappelijke voorouder dertig tot veertig miljoen jaar geleden leefde. Bij muizen en ratten valt te verwachten dat de verschillen dus nog veel groter zijn dan tussen mensen en chimps, want het is langer geleden dat ze elk hun weg gingen in de evolutie. En dat maakt ratten in sommige gevallen geschiktere proefdieren dan muizen, aldus Cuppen. Muizen zijn prima geschikt voor kankeronderzoek, maar minder voor allerlei onderzoek naar hogere hersenfuncties: muizen zijn relatief dom. Ook wat betreft de fysiologie van de voortplanting zijn ratten geschikter als model dan muizen. Eén van de mogelijke bijwerkingen van de anticonceptiepil is botontkalking. Maar hoeveel hormonen je een muis ook geeft, haar botten blijven in orde. Terwijl je bij een rat dat effect wel terugziet, net als bij mensen. De labrat is een van de meest bestudeerde modelorganismen. Als je in de databank voor medische onderzoeksliteratuur PubMed Rattus norvegicus intypt, dan krijg je anderhalf keer meer hits dan wanneer je Mus musculus Latijn voor muis intypt. Maar als je dat vervolgens opnieuw doet en combineert met de zoekterm genetic, dan wint de muis ruimschoots. Als het aan Cuppen ligt, gaat dat de komende jaren veranderen. Hersenziektes Om dat te bereiken wil Cuppen op grote schaal knockoutratten maken, rattenstammen waarbij een specifiek gen is uitgeschakeld. Bijvoorbeeld genen die te maken hebben met verslaving, leerstoornissen, depressie of andere hersenziekten. Dan kunnen onderzoekers die knockout-ratten vervolgens bestellen en gebruiken om nader uit te zoeken wat genetische aanleg voor depressie precies betekent. En of er verschillende soorten depressiegevoeligheid zijn, en of er medicijnen zijn die voor de ene soort depressie beter helpen dan voor de andere, et cetera. Nu zijn er verschillende middelen op de markt die bij sommige mensen heel goed werken, maar bij anderen minder effectief zijn, of ernstige bijwerkingen veroorzaken. Maar ratten zijn dus geen muizen, en knock-outratten maken is veel moeilijker dan knock-outmuizen. Muizenonderzoekers hebben geluk. Er is toevallig een

3 13 bepaalde muizenstam, stam 129, die een afwijking heeft en daardoor veel zogeheten pluripotente embryonale stamcellen produceert. Dat zijn cellen die nog kunnen uitgroeien tot een volledige muis. Het handige is dat je deze cellen in een klein soort petrischaaltjes genetisch kunt manipuleren. Het is tegenwoordig tamelijk eenvoudig om gericht veranderingen in het muizengenoom te introduceren. Ondanks tientallen jaren van onderzoek, is men er niet in geslaagd dergelijke pluripotente stamcellen voor de rat te identificeren. Cuppen moest dus anders te werk gaan om het DNA van ratten te muteren. Hij gebruikte een chemische stof die mutaties in het DNA van de zaadcellen veroorzaakt. Als die mannetjes paren met vrouwtjes ontstaat een eerste generatie gemuteerde ratten. Die worden de mutantenbank genoemd. Aan die mutanten is meestal qua uiterlijk of gedrag niks te zien, want ze hebben zowel een kopie van het gen van hun vader als van hun moeder gekregen. En meestal is één goede kopie genoeg, dus ook al is het gen van de vader gemuteerd, je merkt er niks van. Natte labwerk De truc is nu om in de mutantenbank juist die dieren terug te vinden, waarbij het gen dat je verder wilt onderzoeken, niet meer werkt door een mutatie. Dit kan door het betreffende gen in alle ratten van de mutantenbank opnieuw af te lezen door middel van DNA-sequencing. Cuppen: Het gaat om experimenten waar ontzettend veel gegevens uit komen. Er komt daarom naast het natte labwerk een hoop bioinformatica bij kijken. Dat hebben we de afgelopen jaren succesvol opgezet. Mutante ratten moeten daarna verder gekruist worden, om een rat met twee uitgeschakelde kopieën te krijgen. Dat lukte Cuppen voor het eerst op kleine schaal in Dan moet je nog checken of er echt geen eiwit

4 14 meer wordt geproduceerd, maar daarna kun je beginnen die knock-outratten uitgebreid te onderzoeken. Dat gebeurt onder andere in samenwerking met Bart Ellenbroek van de Universiteit Nijmegen. Wat Cuppen bij de ratten doet is in feite hetzelfde als bloemenkwekers doen als ze een nieuwe tulp zoeken. Gewoon zoveel mogelijk mutaties laten ontstaan door chemische stoffen en dan kijken wat er uitkomt. Prozac Het verschil tussen muizen en ratten is groter dan het verschil tussen mensen en chimpansees Cuppen heeft nu zes knock-outratten modellen. Vijf ratten waarbij een gen is uitgeschakeld dat vooral in de hersenen actief is, en een met een gen dat met het ontstaan van kanker te maken heeft. Eén van de genen die hij wist uit te schakelen is het serotonine-transportergen. Serotonine is een signaalstof in de hersenen die een rol speelt bij veel complexe hersenfuncties, waaronder het ontstaan van depressies. Het komt vrij in de ruimte tussen twee zenuwuiteinden. Als de serotoninetransporter niet werkt, hoopt de serotonine zich op in die ruimte. Cuppen: Daarmee ontstaan ratten die eigenlijk continu onder de prozac zitten. Want prozac werkt op dezelfde manier. Het zorgt ervoor dat de concentratie serotonine tussen de zenuwuiteinden omhoog gaat, doordat serotonine niet meer wordt opgenomen door de omliggende cel. Een prozacrat klinkt mooi, maar wat heb je eraan? Je kunt bijvoorbeeld denken aan onderzoek naar veranderingen die optreden als gevolg van chronisch gebruik van antidepressiva. De mutantenbank is nu geanalyseerd voor honderd rattengenen. Daarvan heeft Cuppen er dus zes met succes kunnen uitschakelen. Op die manier gaat het lang duren om van alle dertigduizend rattengenen knock-outstammen te produceren. Om meer mutaties te verkrijgen wil Cuppen een slimme truc gaan gebruiken. Ratten hebben, net als mensen en de meeste andere dieren, een mechanisme dat foutjes in het DNA repareert. Want de hele dag door ontstaan er mutaties, bijvoorbeeld door zonlicht, of door zuurstof in de cel. Zonder een mutatiereparatiemechanisme zouden we het niet lang volhouden. De genen die daar een rol bij spelen zijn bekend, en voor één daarvan heeft Cuppen inmiddels een knockoutrat gevonden. Op die manier kan het aantal mutaties worden vergroot. Stilgelegd gen Een andere list zou het mogelijk kunnen maken om alleen die mutaties te isoleren die er echt toe doen. Dat zijn mutaties waarbij het gen daadwerkelijk wordt stilgelegd. Genen bestaan uit slechts vier soorten bouwstenen, de nucleotiden A, T, G en C. Drie bepaalde bouwstenen achter elkaar vormen een zogeheten triplet. Alle tripletten achter elkaar vormen een soort code die de opeenvolgende onderdelen van een eiwit beschrijft in het DNA. De specifieke volgorde van de drie letters in een triplet zorgt ervoor dat het juiste onderdeel voor het eiwit op de juiste plaats komt. Zonder een mutatiereparatiemechanisme zouden we het niet lang volhouden Aan het eind van elk gen zit een zogeheten stopcodon. Ook weer een combinatie van drie letters. Dan is duidelijk dat het eiwit klaar is. Die codes voor het einde van een eiwit zijn bekend: TGA, TAG en TAA. Daar maakt Cuppen gebruik van. Een relevante mutatie is een mutatie waarbij één van de letters van zo n triplet toevallig zodanig verandert dat de code van een stopcodon ontstaat. Want dan wordt de productie van het eiwit bijvoorbeeld halverwege al afgebroken. Het totale DNA van een rat bestaat uit zo n drie miljard bouwstenen. Maar bij veel van die bouwstenen maakt het niet veel uit of een T toevallig in een A verandert, of een G. Pas als er daardoor een stopcodon ontstaat, werkt het gen niet meer. En dat geldt voor ongeveer anderhalf miljoen van die bouwstenen. Door alleen daarnaar te kijken, hoef je dus niet de veranderingen in het hele genoom te analyseren, maar slechts op hele specifieke plekken. Zo n tweeduizend keer efficiënter dus, aldus Cuppen. Hij voegt er wel aan toe dat de technologische ontwikkelingen die dit mogelijk moeten maken nog in de kinderschoenen staan. Maar uiteindelijk hoopt hij de truc

5 15 met het stilleggen van het reparatiemechanisme te kunnen combineren met het gericht zoeken naar stopcodons. Dan wordt het mogelijk in korte tijd een groot aantal knock-outrattenstammen te produceren. Op de terugweg lopen we nog even door het lab. De afdeling met de knock-outratten kunnen we niet zomaar bezoeken. Dan zouden we eerst speciale kleding aan moeten en door een aantal luchtsluizen gaan. Niet om ons te beschermen tegen de ratten, maar om de ratten te beschermen tegen onze ziektekiemen. In de labruimte laat Cuppen een apparaat zien dat automatisch grote hoeveelheden ratten-dna tegelijk kan aflezen. Dat ding kost een half miljoen. Dus met het geld dat ik nu krijg zou ik er twee bij kunnen kopen. Maar ik kan er ook drie medewerkers vijf jaar van betalen. Hoe dan ook, die 1,2 miljoen euro raakt dus wel op.