Knock-out muizen

Van heel veel genen van de muis en de mens is de DNA-volgorde bekend, maar heeft men geen idee wat hun functie is. Daarom is de knock-out techniek ontwikkelend. Door, bij de muis, de genen stuk voor stuk uit te schakelen, krijgen onderzoekers een idee waar ze voor dienen.

'Proefdiermodellen'

Kortom: schakel de functie uit en je kunt de rol van het gen en het eiwit aflezen aan de problemen die ontstaan. Op die manier biedt een knock-out muis zicht op de relatie tussen genotype en fenotype. Deze technologie maakt het mogelijk om muizen te gebruiken als 'proefdiermodellen' voor verschillende menselijke ziekten. Daarnaast heeft de vinding geleid tot grote nieuwe inzichten in de ontwikkelingsbiologie. De ontdekkers Mario Cappechi, Olivier Smithies en Martin Evans hebben vanwege alle nieuwe inzichten die de techniek heeft opgeleverd in 2007 de Nobelprijs gekregen. De knock-out techniek wordt ook veel gebruikt in het onderzoek aan kanker.

Darmkanker

Zo is de onderzoeksgroep van prof. Hans Clevers, directeur van het Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek, erin geslaagd om knock-out muizen te maken die veel informatie geven over het ontstaan en de behandeling van darmkanker. Dat ging als volgt. In de jaren negentig ontdekte hij een stofje dat een essentiële rol speelt bij de aanmaak van witte bloedcellen. Deze stof, T cel factor (Tcf) genoemd, zet niet alleen witte bloedcellen aan tot delen, maar doet dat ook bij prostaat-, darm- en andere lichaamscellen. Onderzoek in de fruitvlieg leerde Clevers dat Tcf alléén niks uitvoert. Pas als een ander stofje, beta-catenine, contact maakt met Tcf ontstaat het signaal dat de cel moet delen.

APC-eiwit

Normaal zit dat beta-catenine vastgeketend aan het APC eiwit. Maar als de cel moet delen maakt het zich los voor een tijdelijke verbintenis met Tcf. Daarmee werd in een klap duidelijk hoe belangrijk dit APC-eiwit is. Als APC bijvoorbeeld door een mutatie het beta-catenine niet kan binden, dan blijft beta-catenine continu aan Tcf plakken. Het gevolg is dat de cel dan continu het commando van Tcf krijgt om te delen. Zo’n commando leidt vroeg of laat tot ongeremde celdeling en kanker. Inderdaad was al bekend dat het, APC-gen (adenomateuze polyposis coli-gen), in verreweg de meeste darmkankerpatiënten gemuteerd is en Clevers had dus ontdekt hoe door een mutatie in APC de celdeling op hol slaat en darmkanker kan ontstaan.

In de muis

De volgende stap was om knock-out muizen te maken waarbij in elk één van de verschillende genen, Tcf, beta-catenine en APC zijn uitgeschakeld om beter te begrijpen hoe de celdeling in de gezonde darm en in darmkanker nou precies is geregeld. Inderdaad bleek dat door het APC uit te schakelen muizen al snel darmkanker kregen. Via ingewikkelde genetische trucs is Clevers er vervolgens in geslaagd om zo’n kwaadaardige tumor in de muis tot staan te brengen. De cel pakt dan zijn normale ontwikkelingsritme weer op: hij verandert in een darmcel en sterft na enkele dagen, precies zoals gezonde darmcellen dat doen. De tumor wordt vernietigd door het ontspoorde Tcf/beta-catenine bij te sturen. De truc om de tumor tot staan te brengen is helaas te ingewikkeld om bij patiënten te gebruiken. Clevers en zijn groep werken nu hard aan een geneesmiddel met hetzelfde effect. En bij dat onderzoek zijn de knock-out muizen van essentieel belang.

Sperma met een foutje

Knock-out muizen worden meestal gemaakt uit embryonale stamcellen, geïsoleerd uit een muizenembryo. Die methode werkt echter niet bij andere dieren dan de muis. Daar hebben onderzoekers een andere truc voor verzonnen. Zo’n truc die met succes wordt toegepast, is het gebruik van ENU, een stof die veel mutaties in spermacellen veroorzaakt. Die mutaties kunnen op elk punt in het DNA van het dier ontstaan, waardoor de nakomelingen van het behandelde dier genetisch gezien steeds iets van elkaar verschillen.

Wormpjes en zebravissen

Met deze techniek zijn door prof. Edwin Cuppen in het Hubrecht Instituut inmiddels 6.000 verschillende wormpjes gemaakt waarbij steeds een ander gen is uitgeschakeld. De onderzoekers hopen over enkelen jaren voor elk van de 20.000 genen van het wormpje C. elegans een knock-out te maken. Op dezelfde manier zijn 150 verschillende knock-out zebravissen en zes knock-out ratten gemaakt. Omdat de mutaties die door ENU veroorzaakt worden op willekeurige plaatsen in het genoom kunnen ontstaan, is het wel zaak om van al die knock-out dieren te bepalen welk gen nu precies gemuteerd is en welk effect die mutatie heeft op het functioneren van het dier. Met zoveel duizenden knock-outs is dat een hele klus. Maar gelukkig wordt heel veel van de DNA-analyses tegenwoordig uitgevoerd door laboratorium robots die dag en nacht door kunnen gaan. En door gebruik te maken van snelle computers en slimme software programma’s kan die enorme hoeveelheid informatie goed verwerkt en geïnterpreteerd worden.

Depressieve rat

Dat deze aanpak waardevol is blijkt uit de vondst van een knock-out rat met een storing in de hersenen. De storing werd veroorzaakt door uitschakeling van een gen, waarvan het eiwit verantwoordelijk is voor het transport van de stof serotonine. Dat is een neurotransmitter, een belangrijke signaalstof in de hersenen. Zonder transport stokt het serotonine vervoer in de hersenen. Bij de mens leidt dat onder andere tot depressies. Nu is er dus een rattenlijn waarmee depressies op moleculair niveau kunnen worden ontrafeld. Tegelijkertijd maakt deze knock-out ook medicijnenonderzoek mogelijk, omdat serotonine een direct aangrijpingspunt is voor Prozac en stoffen zoals XTC en cocaïne.

Door het maken van knock-outs bij proefdieren kunnen de onderzoeksmogelijkheden op verschillende terreinen aanzienlijk verbeterd worden, bijvoorbeeld de hogere hersenfuncties bij de mens, maar ook het ontstaan van ziekten zoals kanker en de behandeling daarvan.

Aangepast uit: De Wil om te Weten, een uitgave van het Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek (met toestemming).

Tip-a-friend