Een muis is absoluut geen klein soort rat

Akademie Nieuws oktober 2005
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
e-mails. 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-
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 chimpan-
sees 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
foto Maarten Hartman
Om dat te bereiken wil Cuppen op grote schaal knock­
outratten 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
Akademie Nieuws oktober 2005
13
foto Maarten Hartman
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 2003. ‘Dan moet je nog checken of er echt geen eiwit
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
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 suc-
Het verschil tussen muizen en ratten is groter
dan het verschil tussen mensen en chimpansees
ces 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 mutatie-
reparatiemechanisme 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
Akademie Nieuws oktober 2005
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
foto Maarten Hartman
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.