CRISPR-Cas - nauwkeurige aanpassing van DNA

Dossier

CRISPR-Cas - nauwkeurige aanpassing van DNA

CRISPR-Cas is een nieuwe technologie die het mogelijk maakt om erfelijk materiaal van virussen, bacteriën, cellen, planten en dieren op relatief eenvoudige wijze, zeer nauwkeurig en efficiënt te veranderen. Dit kan door het aanbrengen van genetische veranderingen die leiden tot veranderde eigenschappen, of het toevoegen van geheel nieuwe genetische informatie.

De CRISPR-Cas-techniek staat momenteel in de politieke belangstelling vanwege de vele mogelijke toepassingen voor plant, mens en dier.

Vragen en antwoorden over CRISPR-Cas

CRISPR-Cas, waar staat het voor?

  • CRISPR - Clustered Regularly Interspaced Palindromic Repeats
  • Cas – CRISPR-associated genes & proteins

CRISPR-Cas is een antivirus systeem van bacteriën en archaea en er is een enorme diversiteit aan CRISPR-Cas systemen.

CRISPR-Cas is een anti-virus systeem van bacteriën en archaea, dat bestaat in een aantal varianten. Uit analyse van vele verschillende bacteriën bleek dat bij de helft van de soorten kleine stukjes repeterende DNA (‘repeats”) in hun chromosoom voorkomt, gescheiden door variabele stukjes (“spacers”). Tesamen worden deze CRISPRs genoemd. Naast deze CRISPRs liggen Cas genen, die DNA kunnen knippen. Lang bleef onbekend waar deze voor dienden, maar zo’n tien jaar geleden werd ontdekt dat dit geheel een uniek soort afweer tegen virussen is. De bacterie neemt een beetje genetisch materiaal van een binnendringend virus over in zijn eigen DNA. Zodra hetzelfde virus nog een keer binnendringt, leidt een stukje RNA, afgelezen van CRISPR, het Cas enzym naar het virus DNA toe, wat dan in stukjes wordt geknipt. Hierdoor is de bacterie resistent voor het binnendringende virus. WUR hoogleraar John van der Oost was een van de onderzoekers die dit afweersysteem in kaart wist te brengen.

De CRISPR-Cas technologie

Het CRISPR-Cas systeem van de bacteriën is de inspiratie van de ‘onderzoekstool’ CRISPR/Cas. Prof. John van der Oost van Wageningen University & Research was vervolgens de eerste die met deze ontdekking, DNA bewerking toepaste. Met CRISPR/Cas kun je op een gewenste plek in het DNA van bacteriën te knippen en of plakken om zo ongewenste mutaties te vervangen of juist een gewenste mutatie te creëren. Later bleek dat dit systeem ook in dieren en planten kan worden ingebracht om een knip op een gewenste plek in het DNA aan te brengen. De gewenste plek wordt bepaald door een stukje RNA dat ook wordt ingebracht.

Onderzoeker Ruud de Maagd vertelt over de enorme voordelen die deze kennis heeft gebracht in verder onderzoek: "‘Vroeger moest je voor elke genetische aanpassing een ander eiwit ontwerpen, je moest als het ware voor elke reis een nieuw Tomtom-systeem maken. Met CRISPR/Cas kun je steeds dezelfde Tomtom gebruiken en hoef je alleen maar een ander adres in te kloppen.”

CRISPR-Cas is een mooie toevoeging aan de toolbox met onderzoeksmiddelen. Hoe meer ‘tools’ we beschikbaar hebben in het onderzoek, hoe beter we in staat zijn om duurzame systemen voor landbouw en voedselproductie in te richten.

De mogelijkheden van CRISPR-Cas in plantonderzoek

Gen editing met CRISPR-Cas maakt het mogelijk om het DNA op een of meer plekken te veranderen, zodat daar een eigenschap kan worden veranderd. In het onderzoek is dit zeer waardevol, omdat hiermee de functie van elk gen kan worden bestudeerd, en vermoedens over de werking van kandidaatgenen kunnen worden getest.

De reactie van een cel op een knip in het DNA is om dit zo snel mogelijk te repareren. Daarbij kan het zijn dat er een fout wordt gemaakt. Dan is er een verandering in het DNA, een mutatie, ontstaan op de plek van de knip. Veredelaars selecteren de nakomeling waarin de verandering aanwezig is, en gebruiken deze nieuwe genetische variatie in hun veredelingsprogramma. CRISPR-Cas is daardoor geschikt om in een gewas een variant te maken in een gen waarvan we de werking kennen, zonder die variant op te hoeven sporen in bijvoorbeeld een wilde verwant en van daaruit in te moeten kruisen. Dat is veel sneller dan inkruisen, en het voorkomt dat we allerlei wilde eigenschappen mee inkruisen die ongewenst zijn. Dit kan bij voorbeeld worden gebruikt om een plant ziekteresistent te maken.

Door gebruik te maken van CRISPR/Cas kunnen gewenste veranderingen in elite variëteiten al na een of twee generaties worden geïntroduceerd, wat een groot tijdsvoordeel oplevert ten opzichte van traditionele veredelingsmethode waar het, naar gelang het product, 5-10 jaar kan duren voor je deze variëteiten kunt introduceren.

Met CRISPR-Cas zijn we ook in staat om ziekte-veroorzakende onderdelen te verwijderen uit planten, denk aan allergenen uit pinda’s of gluten uit tarwe (voor mensen met coeliakie). Dit is te complex om met klassieke veredeling te bereiken, omdat deze eiwitten worden gecodeerd door veel genen, en niet voor elk gen kennen we een veilige variant.

Wanneer we bij een knip in het DNA een ander stukje aanleveren voor reparatie, kun je een gen laten inbouwen op de plek van de knip, of een defect gen repareren. Genen invoegen valt onder genetische modificatie.

Hoe veilig is het gebruik van CRISPR-Cas in de veredeling van gewassen?

Klassieke plantenveredeling combineert veel genetische variatie door te kruisen. Als er niet voldoende variatie voorhanden of bekend is, kan deze worden vergroot door ongerichte mutagenese op allerlie plaatsen in het DNA. Sommige planten hebben dan de gewenste verandering. De producten worden vervolgens streng geselecteerd. Wanneer CRISPR/Cas wordt gebruikt voor het induceren van mutaties op specifieke plaatsen in het DNA, en de planten vervolgens op dezelfde manier worden geselecteerd, is het gebruik van de techniek net zo veilig dan wel veiliger dan traditionele veredeling, waarin willekeurige mutagenese wordt gebruikt.

Planten met nieuwe genen die door CRISPR-Cas zijn geïntroduceerd, vallen onder de GM regulering.

Meer informatie over toepassingen in de plantenveredeling:

Is Crispr-Cas een techniek die ook bij dieren kan worden gebruikt?

Ja, dat kan. Met gene editing kun je snel en efficiënt bepaalde gewenste eigenschappen inbrengen in een populatie. Het gaat dan om eigenschappen die van nature ook al voorkomen of die ook spontaan zouden kunnen ontstaan. Denk bijvoorbeeld aan hoornloosheid bij koeien. Dat komt bij bepaalde rassen van nature voor. Met behulp van gene editing zou je het gen voor hoornloosheid in een populatie kunnen inbrengen. Daarmee zou je bijdragen aan meer dierenwelzijn. Nu worden de hoorns bij kalfjes nog weggebrand, omdat de dieren elkaar anders kunnen verwonden.

Andere mogelijkheden zijn:

  • Het uitbannen van de zogeheten ‘berengeur’, zodat mannetjesbiggen niet meer gecastreerd hoeven te worden.
  • Het voorkomen van bepaalde ziekten bij dieren. Denk bijvoorbeeld aan de Afrikaanse varkenspest. Er zijn bepaalde soorten zwijnen die nauwelijks symptomen hebben, terwijl het virus vaak dodelijk is bij gedomesticeerde varkens en wild zwijn. Het Roslin Instituut in Edinburgh heeft met behulp van gene editing een gedomesticeerd varken ontwikkeld dat bestand is tegen de Afrikaanse Varkenspest.

Toch zijn voor de fokkerij de mogelijkheden nog relatief beperkt. Vrijwel alle kenmerken die van belang zijn bij fokkerij - zoals gezondheid, productiviteit en efficiëntie - zijn kwantitatief. Dat wil zeggen dat er niet één of maar een paar genen in het spel, maar een heleboel die stuk voor stuk maar een klein effect hebben.

’Op den duur kan CRISPR-Cas ook bijdragen aan de fokkerij’, verwacht Martien Groenen, hoogleraar Animal Breeding & Genomics, al plaatst hij er direct een kanttekening bij. ‘In de fokkerij gaat het erom de balans te vinden tussen verschillende eigenschappen, zoals melkgift, groei of ziekteresistentie. Focussen op één verandering betekent vaak dat je inlevert op andere punten. Om een nieuwe eigenschap binnen een redelijke termijn in te bouwen zonder inteelt te veroorzaken, moet je duizenden dieren veranderen om geen andere eigenschappen te verliezen. Dat is heel erg bewerkelijk en duur. En zal daarom niet snel op heel grote schaal toegepast worden.’

Is Crispr-Cas bij dieren toepassen ethisch verantwoord?

Voorstanders wijzen erop dat Crispr-Cas niets doet wat in de natuur ook niet ‘vanzelf’ langs de weg van natuurlijke selectie gebeurt of kan gebeuren. Gene editing technieken zoals Crisp-Cas verschillen daarin fundamenteel van genetische modificatie.

Hoewel de mogelijkheden bij dieren op dit moment nog vrij beperkt zijn, vindt Wageningen University & Research het belangrijk dat er nu al een maatschappelijke dialoog plaatsvindt over het gebruik van nieuwe gene editing technieken bij dieren. De technologische mogelijkheden zullen steeds groter worden. Daar moeten we niet op wachten, maar vooruitlopend op wetgeving nu al de discussie voeren over de mogelijkheden en de grenzen die we willen stellen aan deze technologieën.

Bij Wageningen University & Research onderzoeken sociale wetenschappers en fokkerijonderzoekers daarom samen of en, zo ja, onder welke voorwaarden nieuwe gene editing technieken op een maatschappelijk en ethisch verantwoorde manier bij dieren gebruikt kunnen worden. Onderdeel van het onderzoek zijn een dialoog en een ethische reflectie op gene editing bij dieren: hoe verloopt de meningsvorming bij het publiek en hoe ziet een passend ethisch kader er uit?

Longread over CRISPR-Cas

  • Snel en simpel genen repareren: Met CRISPR-Cas9 zijn snel en goedkoop veranderingen in het DNA aan te brengen. 'Het biedt hopelijk op zeer korte termijn de mogelijkheid om mensen beter te maken. Dat is toch fantastisch.'

Nieuws:

Voorbeelden van projecten:

- Helaas, uw cookie-instellingen zijn zodanig dat de Video niet getoond kan worden - pas uw permissie voor cookies aan

- Helaas, uw cookie-instellingen zijn zodanig dat de Video niet getoond kan worden - pas uw permissie voor cookies aan

Gerelateerde dossiers: