Jennifer Doudna en Emmanuelle Charpentier delen de 2020 Nobelprijs voor de scheikunde voor hun ontdekking van een game-changing gene-editing techniek.Credit: Alexander Heinel/Picture Alliance/DPA
Het is CRISPR. Twee wetenschappers die baanbrekend werk hebben verricht met deze revolutionaire technologie voor het wijzigen van genen, zijn dit jaar de winnaars van de Nobelprijs voor de scheikunde.
De keuze van het Nobelcomité voor Emmanuelle Charpentier, nu verbonden aan de Max Planck-eenheid voor de wetenschap van ziekteverwekkers in Berlijn, en Jennifer Doudna, aan de Universiteit van Californië, Berkeley, maakt een einde aan jaren van speculatie over wie zou worden erkend voor hun werk bij de ontwikkeling van de CRISPR-Cas9-gentechniek. De technologie maakt precieze bewerkingen aan het genoom mogelijk en heeft sinds haar ontstaan in de jaren 2010 laboratoria over de hele wereld overspoeld. Het heeft talloze toepassingen: onderzoekers hopen het te gebruiken om menselijke genen te veranderen om ziekten te elimineren; hardere planten te creëren; ziekteverwekkers uit te roeien en meer.
“De mogelijkheid om DNA te knippen waar je wilt, heeft een revolutie teweeggebracht in de biowetenschappen,” zei Pernilla Wittung Stafshede, een biofysisch scheikundige en lid van het Nobelcomité voor scheikunde, bij de aankondiging van de prijs. “De ‘genetische schaar’ werd pas acht jaar geleden ontdekt, maar heeft de mensheid nu al veel voordeel gebracht.”
Doudna en Charpentier en hun collega’s hebben kritisch vroeg werk gedaan om het systeem te karakteriseren, maar verschillende andere onderzoekers zijn geciteerd – en erkend in andere high-profile prijzen – als belangrijke bijdragers aan de ontwikkeling van CRISPR. Zij omvatten Feng Zhang aan het Broad Institute van MIT en Harvard in Cambridge, George Church aan de Harvard Medical School in Boston, Massachusetts, en biochemicus Virginijus Siksnys aan de Vilnius Universiteit in Litouwen (zie ‘CRISPR’s vele pioniers’).
Doudna was “echt in een diepe slaap” toen haar zoemende telefoon haar wakker maakte en ze een telefoontje aannam van een Nature-verslaggever, die het nieuws bekendmaakte. “Ik ben opgegroeid in een klein stadje in Hawaï en ik had nooit in een 100 miljoen jaar kunnen denken dat dit zou gebeuren,” zegt Doudna. “Ik ben echt stomverbaasd, ik ben gewoon helemaal in shock.”
“Ik ken zoveel geweldige wetenschappers die dit nooit zullen ontvangen, om redenen die niets te maken hebben met het feit dat ze geweldige wetenschappers zijn,” zegt Doudna. “Ik ben echt een beetje nederig.”
Geboren uit bacteriën
CRISPR, kort voor clustered regularly interspaced short palindromic repeats, is een microbieel ‘immuunsysteem’ dat prokaryoten – bacteriën en archaea – gebruiken om infectie door virussen, fagen genaamd, te voorkomen. De kern van het CRISPR-systeem is dat prokaryoten precieze genetische sequenties kunnen herkennen die overeenkomen met een faag of andere indringers, en deze sequenties met behulp van gespecialiseerde enzymen kunnen vernietigen.
Eerder werk had deze enzymen, bekend als CRISPR-geassocieerde proteïnen (Cas), geïdentificeerd, waaronder één met de naam Cas9. Maar Charpentier, die eerst aan de Universiteit van Wenen en later aan het Umeå Centrum voor Microbieel Onderzoek in Zweden werkte, identificeerde een ander belangrijk onderdeel van het CRISPR-systeem, een RNA-molecuul dat betrokken is bij het herkennen van faagsequenties, in de bacterie Streptococcus pyogenes, die ziekten bij de mens kan veroorzaken.
Charpentier meldde de ontdekking in 2011 en ging dat jaar een samenwerking aan met Doudna. In een baanbrekend artikel uit 2012 in Science1 isoleerde het duo de componenten van het CRISPR-Cas9-systeem, paste ze aan om in de reageerbuis te functioneren en toonde aan dat het systeem kon worden geprogrammeerd om specifieke plaatsen in geïsoleerd DNA door te knippen. Hun programmeerbaar gen-editing systeem heeft een goudkoorts van talloze toepassingen in de geneeskunde, landbouw en basiswetenschappen geïnspireerd – en het werk gaat door om CRISPR te tweaken en te verbeteren en om andere gen-editing tools te identificeren.
“We hoopten dat we dit echt konden vertalen in een technologie voor het herschrijven van de genetische code van cellen en organismen,” zegt Martin Jinek, een biochemicus aan de Universiteit van Zürich die een postdoc was in Doudna’s lab en een co-first auteur van het cruciale Science artikel. “Wat we niet goed beseften, was hoe snel de technologie door anderen in het veld zou worden overgenomen en vervolgens doorgevoerd.”
CRISPR’s vele pioniers
Er zou geen CRISPR zijn zonder Francisco Mojica. De microbioloog, verbonden aan de Universiteit van Alicante in Spanje, gaf het systeem mede zijn naam. In 1993 identificeerde Mojica eigenaardige repetitieve DNA-sequenties in het genoom van het archaeon Haloferax. Later toonde hij aan dat soortgelijke sequenties wijdverbreid waren in prokaryoten en overeenkwamen met genetisch materiaal in fagen, virussen die bacteriën infecteren.
In 2005 veronderstelde Mojica dat deze sequenties deel uitmaakten van een microbieel immuunsysteem. Samen met Ruud Jansen van de Universiteit Utrecht bedacht Mojica het nu met een Nobelprijs bekroonde acroniem: CRISPR, kort voor clustered regularly interspaced short palindromic repeats. Voor zijn werk aan CRISPR deelde Mojica in 2017 de US$ 500.000 Albany Medical Center-medicijnprijs met Charpentier, Doudna, Feng Zhang en Luciano Marraffini aan de Rockefeller University in New York City.
Doudna en Charpentier waren niet de enige wetenschappers die zich realiseerden dat het CRISPR-systeem kon worden geprogrammeerd om andere stukken DNA te knippen. In 2012 – rond de tijd dat het duo hun experimenten publiceerden waaruit bleek dat het CRISPR-Cas9-systeem geïsoleerd DNA kon knippen – liet een team onder leiding van biochemicus Virginijus Šikšnys van de Vilnius Universiteit in Litouwen zien hoe het Cas9-enzym kon worden geïnstrueerd om vooraf gedefinieerde DNA-sequenties te knippen. In 2018 deelde Šikšnys de Kavli Prize in Nanoscience met Doudna en Charpentier.
De beslissing van het Nobelcomité om Zhang niet op te nemen was een van de grootste verrassingen. De geneticus is algemeen genoemd, met Charpentier en Doudna, als het trio dat de meeste kans maakt om een Nobelprijs te winnen voor CRISPR. Zhangs team heeft begin 2013 in een artikel in Science het CRISPR-Cas9 systeem gemodificeerd om het genoom in menselijke en muiscellen nauwkeurig te kunnen doorsnijden. Church’s team beschreef rond dezelfde tijd werk het snijden van DNA menselijke cellen.
Jin-Soo Kim, een genoom-ingenieur aan het Institute for Basic Science in Daejeon, Zuid-Korea, en een van de eersten die CRISPR aanpaste voor genoombewerking in een verscheidenheid van verschillende cellen, zegt dat hoewel hij enthousiast is over de Nobelprijsaankondiging, hij verrast was dat biochemicus Dana Carroll aan de Universiteit van Utah in Salt Lake City over het hoofd werd gezien. Carroll ontwikkelde manieren om andere enzymen, zinkvingernucleasen genaamd, in te zetten om genomen te bewerken, lang voor de tijd van CRISPR.
Hoewel CRISPR gemakkelijker te gebruiken is dan zinkvingernucleasen, zegt Kim dat hij Carroll beschouwt als de grondlegger van het genome-editing veld. “Geen twijfel dat Doudna en Charpentier de erkenning verdienen,” zegt hij. “Maar zonder de demonstratie van genoombewerking via zinkvingernucleasen, hadden niet veel mensen zich het gebruik van CRISPR-Cas9 voor genoombewerking kunnen voorstellen.”
Race to commercialise
In minder dan een decennium hebben onderzoekers CRISPR-Cas9 gebruikt om genetisch gemodificeerde gewassen, insecten, genetische modellen en experimentele menselijke therapieën te ontwikkelen. Er zijn klinische proeven aan de gang om de techniek te gebruiken voor de behandeling van sikkelcel-anemie, erfelijke blindheid en kanker. Doudna, Charpentier en anderen in het veld, hebben een generatie van biotechnologiebedrijven gelanceerd die gericht zijn op het ontwikkelen van de techniek om deze doelen te bereiken.
Maar de technologie heeft ook controverse gegenereerd – met name voor zijn ontluikende toepassingen in menselijke cellen. In november 2018 kondigde de Chinese biofysicus He Jiankui aan dat er tweelingmeisjes waren geboren uit embryo’s die hij en zijn collega’s hadden bewerkt met CRISPR-Cas9. Het nieuws leidde tot ophef: het bewerken van embryo’s roept tal van ethische, sociale en veiligheidsproblemen op, en veel onderzoekers wereldwijd veroordeelden al snel het werk van He.
In september concludeerde een internationaal panel, bijeengeroepen door toonaangevende Amerikaanse en Britse wetenschappelijke genootschappen, opnieuw dat de technologie niet klaar is voor gebruik in menselijke embryo’s die bestemd zijn voor implantatie.
Het werk leidde ook tot een felle octrooistrijd – vooral tussen het Broad Institute en de University of California, Berkeley – die tot op de dag van vandaag voortwoedt over de vraag wie de lucratieve intellectuele eigendomsrechten op CRISPR-Cas9-genoombewerking bezit.
Toch is Church het eens met de manier waarop de prijs is verdeeld. Hoewel hij trots is op het werk in zijn lab en het lab van Zhang – die het systeem aanpasten om in zoogdiercellen te werken, waardoor de deur wordt geopend naar het modelleren en mogelijk behandelen van menselijke ziekten – zegt Church dat dit werk eerder kan worden geclassificeerd als engineering en uitvinding dan als wetenschappelijke ontdekking. “Ik denk dat het een geweldige keuze is,” zegt hij.
Het is altijd moeilijk om een ontdekking voor een prijs uit te kiezen, zegt Francis Collins, een geneticus en hoofd van de Amerikaanse National Institutes of Health in Bethesda, Maryland. “Vrijwel niets komt uit het niets,” zegt hij. “
Maar één uniek aspect van CRISPR-Cas9 genoombewerking is het gemak en de veelzijdigheid van de techniek geweest, voegt hij eraan toe. “CRISPR-Cas heeft dit zo veel gemakkelijker aanvaardbaar gemaakt,” zegt Collins. “Er is geen enkel laboratorium voor moleculaire biologie dat ik ken dat niet met CRISPR-Cas is gaan werken.”