De erfelijke eigenschappen van ieder mens liggen verankerd in zijn DNA, een lange dunne keten die opgevouwen ligt in de kern van iedere cel. Stelt u voor dat we een menselijk lichaam nemen en uit alle cellen de kernen halen. Uit al die celkernen isoleren we het DNA en rollen dat helemaal uit. Vervolgens plakken we al die microscopische sliertjes aan elkaar tot één lange, dunne draad. We lopen van begin tot eind langs de draad om te kijken of er geen foutjes in zitten. Hoe lang zou dat duren? Langer dan u leeft. Heel wat langer zelfs: met een gangetje van vijf kilometer per uur zou zo’n tocht ongeveer zevenduizend jaar duren, en dan lopen we natuurlijk nog veel te snel om te zien op welke plaatsen er iets mis is – ook al omdat DNA veel te dun is om met het blote oog te kunnen zien.
Controle wel degelijk nodig
Gelukkig hoeft niemand zijn eigen genetische materiaal langs te lopen om het na te kijken. Toch is controle wel degelijk nodig. Voortdurend ontstaan er onder invloed van chemische reacties, ioniserende straling en ultraviolet licht kleine foutjes in het DNA. Die moeten opgespoord en gerepareerd worden. Hoe? Met die vraag houden sommige wetenschappers zich hun hele carrière bezig. Eens in de vier jaar komen ze van over de hele wereld naar Noordwijkerhout om over hun vak te praten. Een maand geleden was het weer zover. De organisatie van deze zesdaagse ‘workshop’ met ruim driehonderd deelnemers lag voor een groot deel in Leidse handen.
“Het blijkt toch telkens weer ingewikkelder dan we dachten”, zegt prof. dr. Paul Lohman, hoofd van de LUMC-afdeling Stralengenetica en Chemische Mutagenese, over zijn vakgebied. “In het begin hadden we het idee dat er maar een paar enzymen betrokken zouden zijn bij het herstellen van beschadigd DNA, maar al in de jaren zeventig ontdekten we dat er bij gist tientallen van zulke reparatie-enzymen actief zijn. We schatten het aantal voor de mens nu op ongeveer 150. Veel daarvan zijn wel bekend, maar wat ze allemaal precies doen en hoe ze met elkaar samenwerken is nog lang niet duidelijk.”
Als het goed gaat merk je niets
Schade aan het DNA kan op verschillende manieren ontstaan. Belangrijke bedreigingen voor het genetische materiaal zijn ultraviolette straling, ioniserende straling en bepaalde chemische stoffen, waaronder bestanddelen van tabaksrook. In een goed functionerende cel wordt al die schade direct gerepareerd.
De reparatie van DNA-fouten staat niet op zichzelf, zegt de hoogleraar, maar is nauw verbonden met andere processen in de cel, zoals het kopiëren van DNA en allerlei voorbereidingen voor een celdeling. Lohman: “Zo weten we bijvoorbeeld dat de bekende ‘borstkankergenen’ BRCA 1 en -2 eiwitten maken die betrokken zijn bij het DNA-herstel. Dat is op zichzelf niet verrassend, want kanker ontstaat doordat het genetische materiaal in een cel uit de pas gaat lopen.”
Voor het DNA-herstel geldt: als alles goed gaat, merk je er niets van. En iets waar niemand wat van merkt is moeilijk te onderzoeken. Zoals zo vaak in de wetenschap zijn het juist de uitzonderingen die het onderzoek vooruit helpen. In dit geval gaat het om ziekten met exotische namen als ataxia telangiectasia, trichothiodystrofie, Cockayne syndroom en xeroderma pigmentosum. Bij al deze aandoeningen is er iets mis met een van de vele hersteleiwitten. Vooral de laatste aandoening (zie intermezzo) levert de Leidse onderzoekers veel nieuwe inzichten op.
Herstel DNA-schade gaat razendsnel
Universitair hoofddocent dr. Leon Mullenders vertelt er met verve over. “Het herstel van DNA-schade gaat razendsnel. Binnen een paar minuten tot enkele uren – dat is afhankelijk van het soort schade – kan het hele genoom gecontroleerd en hersteld worden. Wij vroegen ons af: zijn de eiwitten die dat werk doen van tevoren al in de buurt en kunnen ze onmiddellijk aan de slag, of is het een soort oproepsysteem waarbij een beschadiging het sein vormt voor die eiwitten om zich te verzamelen?”
Om dit te onderzoeken kwamen cellen van XP-patiënten goed van pas. De ziekte kent verschillende typen, waarbij telkens een ander eiwit van het herstelmechanisme niet of niet goed werkt. Mullenders: “De laatste jaren zijn van XP en vergelijkbare ziekten de bijbehorende genen gevonden. Onderzoekers bouwen zo’n gen dan in het erfelijke materiaal van een bacterie in, zodat die het desbetreffende eiwit gaat maken. Dat kun je dan bestuderen in een reageerbuis. Dat is prima om een beschrijving van het chemische proces te maken, maar in een echte cel gaat het er veel ingewikkelder aan toe, bijvoorbeeld omdat het DNA om allerlei ander materiaal heen gewikkeld zit. Met een techniek die we hier ontwikkeld hebben kunnen we wél kijken wat er in de celkern gebeurt en waar de verschillende reparatie-eiwitten vandaan komen.”
Lichtpuntje duidt op eiwit
Een serie kleurenplaatjes komt tevoorschijn, een soort foto’s van celkernen onder een microscoop. “Ik moet eerst even iets uitleggen”, begint Mullenders. “De cellen waar je hier de kernen van ziet, hebben we heel kort met een UV-lamp bestraald om het DNA te beschadigen. Tussen de lamp en de cel lag een rooster met piepkleine gaatjes, zodat het licht maar op een paar punten in de kern terechtkwam. Het DNA wordt alleen op die plekken stukgemaakt. Hier zie je telkens een opname van een onbelichte celkern en één die we vlak na de belichting hebben gemaakt.”
De onbelichte kernen laten zich op ieder plaatje zien als een vage vlek. Bij de meeste celkernen die met de UV-lamp zijn bestraald, zijn er een paar felle vlekken te zien en is de rest donker. Wat zien we nu precies? “Deze opnamen zijn gemaakt met antistoffen waaraan een lichtgevende stof vastzit. Die antistoffen hebben we gemaakt om telkens één van de reparatie-eiwitten te herkennen. Dus je weet: waar je een lichtpuntje ziet, is zo’n eiwit aanwezig. Uit deze proef bleek dus dat de reparatie-eiwitten gewoonlijk overal in de celkern verspreid zitten, en dat ze bij schade samenkomen op de plaatsen waar het DNA stuk is.”
Uit de proeven bleek ook dat één van de eiwitten de rol van ‘antenne’ heeft: het reageert als eerste. Is er met dit zogenaamde XPC-eiwit iets mis, dan komen ook de andere eiwitten niet naar de plaats van de beschadiging. Dat is het geval bij patiënten met de C-variant van xeroderma pigmentosum, legt Mullenders uit. Binnenkort hoopt hij nog betere beelden te gaan maken door het lichtgevende kwalleneiwit GFP aan de reparatie-eiwitten te koppelen. “Daarmee kunnen we levende cellen in de tijd volgen. Bij de manier die ik net liet zien kan dat niet.”
xeroderma pigmentosum: Ultraviolet licht is voor patiënten met xeroderma pigmentosum (XP, oftewel de ziekte van Kaposi) levensgevaarlijk. Lijders aan deze erfelijke ziekte hebben bij de geboorte een normale huid, maar al in hun eerste jaar krijgen ze huidproblemen als roodheid en pigmentvlekken. Vooral in het gezicht, want dat krijgt het meeste licht te verduren. Later volgen meer pigmentvlekken, maar ook lichte vlekken zonder pigment en ‘wijnvlekken’. De huid wordt perkamentachtig en er verschijnen tal van moedervlekken die grote kans maken te ontaarden in huidkanker. Daarnaast krijgen vier van de vijf patiënten oogproblemen. De aandoening kent verschillende vormen, die afhankelijk zijn van de DNA-reparatie-enzymen waaraan iets mankeert. Er zijn ten minste zeven genen die betrokken kunnen zijn bij XP. De ziekte is erg zeldzaam: in Europa lijden er vier mensen per miljoen inwoners aan.
Overgevoeligheid vooraf aantonen
Bij XP-patiënten is het heel duidelijk dat er iets schort aan het herstelsysteem van het DNA, terwijl de overgrote meerderheid van de bevolking nergens last van lijkt te hebben. Zo zwart-wit ligt het echter niet, denken de onderzoekers. Lohman: “Vermoedelijk zijn er heel veel mensen met licht afwijkende vormen van één of meer hersteleiwitten, die net iets minder goed werken. Een aanwijzing daarvoor is het feit dat ongeveer vier procent van de patiënten overgevoelig reageert op radiotherapie. Dat heeft met de hersteleiwitten te maken. Ik kan me voorstellen dat er in de nabije toekomst een genetische test komt, waarmee je de overgevoeligheid vooraf kunt aantonen.”
Het zou hem niets verbazen als Nederlandse wetenschappers een grote rol gaan spelen bij het ontwikkelen van zo’n test, want volgens Lohman behoort ons land tot de wereldtop als het gaat om onderzoek naar DNA-herstel. Het Interuniversitair Onderzoekinstituut voor Radiopathologie en Stralenbescherming (J.A. Cohen Instituut) is de belangrijkste financier. Nationaal werken de onderzoekers van vooral het LUMC, het Rijksinstituut voor Volksgezondheid en Milieu (RIVM) en de Erasmus Universiteit Rotterdam nauw samen, in Europees verband zijn de relaties ook goed.
Voor Lohman was de ‘workshop’ van vorige maand de laatste, althans in de rol van hoogleraar. Hij gaat begin volgend jaar met emeritaat. Met hem namen ook enkele andere onderzoekers van het eerste uur afscheid van hun collega’s bij de workshop, die ‘ook qua sfeer tot de wereldtop behoort’. Gelukkig staan er ook veel jonge gezichten op de foto van de congresgangers die hij laat zien, want er is nog veel te onderzoeken aan de hersteltroepen in de celkern. Fundamenteel onderzoek, maar wel met grote potentiële gevolgen in de kliniek.