RNAi - UMCG

Nummer 6, 15 december 2006
RNAi legt genen stil
Spin-off Nobelprijzen in het UMCG
Met RNA-interferentie (RNAi) kan men afzonderlijke genen het zwijgen opleggen. Op die manier is de
functie van het uitgeschakelde gen te achterhalen. De ontdekkers ervan, de Amerikaanse biologen Craig
Mello en Andrew Fire, krijgen er dit jaar de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde voor. Dr. Ellen
Nollen van de afdeling Genetica werkt al enkele jaren met RNAi bij haar onderzoek naar de eiwitklonten
die kenmerkend zijn voor de ziekten van Parkinson en Huntington.
Onze erfelijke informatie zit in de genen, die bestaan uit DNA. DNA bevat het recept voor de aanmaak van eiwitten.
Om een eiwit te kunnen maken wordt van het DNA eerst een kopie gemaakt: het messenger RNA (mRNA). Dat is
nodig omdat het DNA in de celkern zit en de eiwitsynthese daarbuiten plaatsvindt. Met RNAi kan men van
afzonderlijke genen de mRNA-kopie in stukken knippen, zodat de vorming van het bijbehorende eiwit onmogelijk
wordt. Met deze techniek kan men in principe de vorming van eiwitten die betrokken zijn bij ziekteprocessen,
voorkomen.
Plakkende eiwitten
Ellen Nollen werkte voor het eerst met RNAi toen ze in 2000, twee jaar na de ontdekking ervan, als postdoc in de
Verenigde Staten werkte. Ze ging er nog intensiever mee door toen zij na terugkeer in Utrecht bij Ronald Plasterk
ging werken. Sinds het voorjaar leidt zij een eigen onderzoeksgroep bij de afdeling Genetica als Rosalind Franklin
fellow (zie kader). Zij werkt er aan de genetische basis van zogeheten eiwitvouwingsziekten. Voorbeelden daarvan
zijn de ziekten van Alzheimer, Huntington en Parkinson.
Voor het goed functioneren van eiwitten is het essentieel dat zij ook de juiste ruimtelijke structuur hebben. Bij deze
aandoeningen gaat dat mis. Zo is bij de ziekte van Huntington door een mutatie het eiwit huntingtine sterk vergroot.
Het bevat lange slierten van het aminozuur glutamine. Als gevolg daarvan gaan de eiwitten massaal aan elkaar
plakken, waarbij ze ook nog andere eiwitten meenemen in een soort sneeuwbaleffect. Zo ontstaan eiwitklonten
(aggregaties) die de cellen waarin dit gebeurt te gronde richten. Bij Alzheimer en Parkinson ontstaan soortgelijke
afwijkingen in andere eiwitten.
Genen screenen
“Ik probeer te achterhalen welke genen betrokken zijn bij de vorming van aggregaties”, legt Nollen uit. Zij doet dat
bij de rondworm Caenorhabditis elegans. Dit minuscule wormpje is één van de huisdieren van de moleculaire
biologie. RNAi is ook bij dit diertje ontdekt. “In de worm kunnen we de fouten in de Parkinson- en
Huntingtoneiwitten nabootsen. Dan voeren we ze genetisch gemanipuleerde bacteriën die dubbelstrengs RNA
kunnen maken tegen één bepaald gen. Dat kan omdat van alle circa 20.000 wormengenen de basenvolgorde bekend
is en veel van die genen ook bij mensen voorkomen. Zo kan elk gen worden uitgeschakeld en kunnen we zien of dat
effect heeft op de eiwitafwijkingen. We hebben ze allemaal één voor één uitgeprobeerd. Bij deze genome wide
screen werden bijna 200 genen gevonden die op de een of andere manier de vorming van de aggregaties
beïnvloeden.”
Wie was Rosalind Franklin?
Ellen Nollen is de eerste Rosalind Franklin fellow binnen het UMCG. Het fellowship is onderdeel van een
programma van de RuG om excellente vrouwelijke onderzoekers aan te trekken en ze een eigen
onderzoeksgroep te laten starten. Als zij goed presteren, kunnen de fellows na vijf jaar hoogleraar worden.
Uiteindelijk zullen er binnen het UMCG nog drie benoemd fellows worden.
De fellowships zijn vernoemd naar Rosalind Franklin, die een essentiële bijdrage leverde aan de opheldering van
de DNA-structuur. Ze had daarvoor wellicht een Nobelprijs gekregen als zij niet betrekkelijk jong was
overleden. Franklin werkte vanaf 1951 met Maurice Wilkins aan King's College in Londen aan de structuur van
DNA. Zij deden dat door röntgenopnamen te maken van DNA-kristallen, een techniek die Franklin als weinig
anderen beheerste.
In die tijd was er een ware wedloop gaande om de DNA-structuur. Franklin zorgde voor een doorbraak toen zij
ontdekte dat er twee vormen van DNA-kristallen bestaan en zij erin slaagde die zeer zuiver te scheiden.
Voordien mislukten de röntgenanalyses steeds doordat beide vormen door elkaar voorkwamen. Een tweede
belangrijke ontdekking op haar conto is dat de suiker-fosfaatketens die de bekende helixstructuur van DNA
bepalen aan de buitenkant van het molecuul liggen en niet in het midden, zoals sommigen toen dachten.
Franklin wist echter niet te achterhalen hoe het met de basen tussen de suikerketens zat. Dat zouden James
Watson en Francis Crick, die bij de concurrentie in Cambridge zaten, in 1953 doen. Daarbij gebruikten zij onder
andere röntgenopnamen van Franklin die zij, buiten haar medeweten, van Wilkins hadden gekregen. De laatste
drie kregen in 1962 de Nobelprijs. Franklin was toen al dood. In 1956 kreeg ze eierstokkanker waaraan ze twee
jaar later, 37 jaar oud, overleed.
Spastische rondwormen
Nollen heeft grote bewondering voor het werk van beide Nobelprijswinnaars. Vooral omdat zij zich niet lieten
ontmoedigen toen een serie experimenten onverklaarbare resultaten opleverde. Ze werkten bij de rondworm aan
een gen dat, als het niet werkt, de wormen in een stuip brengt en probeerden dit gen uit te schakelen door aan het
mRNA een complementair stukje ‘antisense’ RNA te plakken. “Wat ze verwachtten gebeurde: het antisense RNA
voorkwam dat er een volledig eiwit ontstond. Ze dachten dat dit kwam omdat het aangeplakte antisense RNA het
aflezen van het mRNA belemmerde. Maar toen zij ter controle hun experiment herhaalden met een stukje sense
RNA, dat identiek is aan het mRNA en er niet aan plakt, lukte het ook. Dat klopte niet met de verwachtingen. Op
zoek naar een verklaring onderzochten ze de gebruikte RNA-monsters en vonden behalve sense of antisense ook
dubbelstrengs RNA. Ze hebben toen de experimenten herhaald met heel zuiver sense, antisense of dubbelstrengs
RNA. Toen bleek dat alleen het dubbelstrengs RNA het gewenste effect, het spastisch samentrekken van spieren,
opleverde.”
Vrij snel daarna vonden Mello en Fire ook een verklaring voor dit verschijnsel (zie schema). Een enzym (Dicer) knipt
de dubbele streng in nog kleinere stukjes. Die fragmenten worden door het eiwitcomplex RISC gebonden dat de
strengetjes van elkaar scheidt. Dit complex zoekt vervolgens de cel af op complementaire stukken op mRNAmoleculen. Als die er zijn, knipt het eiwit dáár het mRNA door.
Huup Dassen