Nieuw licht op CRISPR-Cas Bacterie, darmcellen exploderen door bacterie

Campylobacter jejuni is een bacterie die in de darmen actief is

We hebben bijna allemaal weleens diarree gehad van de bacterie Campylobacter jejuni. Een kleine naarling die actief is in onze darmen. Dr. Rogier Louwen, onderzoeker en universitair docent op de afdeling medische microbiologie van Erasmus MC heeft gevonden hoe de bacterie zo’n darminfectie veroorzaakt. Het onderzoek werpt belangrijk nieuw licht op de veiligheid van CRISPR-Cas, de techniek die wordt gebruikt om DNA aan te passen.

Campylobacter jejuni is een bacterie die in de darmen actief is. Ze veroorzaakt niet alleen (bloederige) diarree maar kan ook serieuzere aandoeningen veroorzaken die zenuwstelsel en gewrichten aantasten. In zeldzame gevallen kan een infectie tot de dood leiden. Rogier Louwen wilde weten hoe de bacterie zo’n infectie veroorzaakt. Aanvankelijk waren er ongeveer 180 eiwitten op de ‘longlist’ die een rol zouden kunnen spelen bij het infectieproces. Er was een eiwit bij waarvan ten tijde van het onderzoek nog niet bekend was welke functie het had. Het werd later bekend als Cas9 en speelt de hoofdrol in de techniek die gebruikt wordt om erfelijke eigenschappen aan te passen, CRISPR-Cas9.

Toen Rogier in een opstelling met darmcellen de Campylobacter jejuni bacterie toevoegde waarin hij dat eiwit had uitgeschakeld bleken de darmcellen niet te worden aangetast door de bacterie. ‘Dat was een hele rare gewaarwording’, zegt Louwen. ‘Je bent zo gewend dat de bacterie zijn verwoestende werk doet en ineens gebeurt er niets. Dus je probeert het nog eens, en nog eens. Maar er was geen enkele reactie. De darmcellen bleven intact. Dus ik wist dat ik iets bijzonders had gevonden.’ Deze ontdekking leidde tot een publicatie in een belangrijk wetenschappelijk tijdschrift.

Kapot geknipt
Er was echter nog geen inzicht in de manier waarop Cas9 van de Campylobacter bacterie in staat is de darmcellen aan te vallen en te vernietigen. Dat inzicht is er nu. De darm is maar één cellaag dik, de cellen hebben een onderkant die direct in verbinding staat met de bloedbaan en een bovenkant die beschermd wordt door een slijmlaag. Wanneer de Campylobacter bacterie in de darm terecht is gekomen door bijvoorbeeld het eten van een slecht doorbakken stukje vlees, kan het met zijn zweepstaart de slijmlaag in zwemmen. Daar scheidt de bacterie Cas9 uit in kleine bolletjes (extra cellulaire vesicles). Wanneer zo’n bolletje in een cel wordt opgenomen weet Cas9 zijn weg te vinden naar de celkern waar hij met behulp van metaalionen als een wilde het erfelijk materiaal van de cel kapot knipt en de cel vernietigt. De weg naar de bloedbaan ligt dan open. Dan wordt de patiënt pas écht ziek.

Betekenis voor CRISPR-Cas9
Ondertussen is de wetenschap in de ban van de techniek CRISPR-Cas9 geraakt. Met deze techniek wordt het Cas9 eiwit op pad gestuurd met een ‘woordzoeker’ (ons DNA is gecodeerd in letters), beter bekend als het gids RNAtje, die het eiwit in staat stelt om een bepaalde plaats in het DNA te vinden en weg te knippen. Het doel van de techniek is om uiteindelijk fouten te herstellen in het menselijk DNA die tot ziekten leiden. ‘Maar wat als Cas9 ongebonden vrijkomt in de cel,’ dacht Louwen gebaseerd op zijn eerdere werk, ‘leidt dit dan niet tot onherstelbare beschadiging van die cel en mogelijk tot celdood?’

Vanuit het onderzoeksveld komen er inmiddels steeds meer berichten dat bij het manipuleren van het menselijke DNA er collateral damage ontstaat zelfs door Cas9 alleen. Louwen: ‘Wij hebben nu laten zien hoe dit komt. Eerst was ik geschokt omdat ik het gevoel had dat dit de bodem onder het onderzoeksveld zou wegslaan.’ In samenwerking met de universiteit van Wageningen werd gezocht naar een mogelijke oplossing. ‘We moesten het wilde paard temmen. Wat we hebben bedacht is Cas9 te koppelen aan het gids RNAtje door middel van een specifieke chemische binding zodat het gids RNAtje niet meer loskomt van Cas9. Als dit lukt zullen we testen of CRISPR-Cas9 door middel van deze methode inderdaad veiliger is geworden.’

Conclusie
De belangrijkste conclusie van het artikel in Science Advances is dat Cas9 van Campylobacter jejuni menselijke cellen doodt door het DNA aan gort te knippen met behulp van metaalionen. Een aantal weken terug verscheen er in het gerenommeerde tijdschrift Nature een stuk waarin wordt betoogd dat Cas9 van Streptococcus pyogenes zonder gids RNAtje mogelijk DNA-schade in menselijke cellen veroorzaakt. Eerder was al aangetoond in een reageerbuisje dat deze Cas9-variant met behulp van alleen metaalionen DNA-schade kon veroorzaken, dus zonder gids RNAtje.

Louwen: ‘Er zijn inmiddels ook belangrijke aanwijzingen dat Cas9-eiwitten mogelijk een rol spelen in het ontstaan van kanker na bacteriële infecties door de introductie van DNA-schade. Dit verdient nader onderzoek.’

Het artikel in Science Advances is hier te lezen. Het kwam tot stand uit de samenwerking tussen de afdelingen Pathologie (Prof.dr. Peter van der Spek) en Medische Microbiologie en Infectieziekten van het Erasmus MC (Dr. Rogier Louwen). De Rotterdamse onderzoekers hebben nauw samengewerkt met teams in Berlijn, Norwich, Amsterdam en Wageningen.

Tags bij dit artikel:

• DNA
• techniek
• bacterie
• Erasmus MC
• Conclusie
• Bacteriële
• infectie
• bloedbaan
• wetenschap
• darmen