Met ‘genetic engineering’ worden één of meerdere genen toegevoegd, of veranderd, aan het genetische repertoire van een organisme. Met de huidige CRISPR-technologie betreden we nu ook de fase van ‘chromosome engineering’. Wetenschappers slaagden erin om alle chromosomen van gist te fuseren tot één superchromosoom, en creëerden daarmee een nieuwe, synthetische gistsoort.
Mensen bezitten 23 paren chromosomen. Paarden hebben 32 paren. Honden 78. Een karper 104. En bakkersgist, het micro-organisme waarmee mensen al duizenden jaren brood bakken en bierbrouwen, heeft 16 chromosomen. Het is niet duidelijk waarom de aantallen chromosomen tussen organismen zo verschillen, en waarom organismen überhaupt meerdere chromosomen hebben.
Afgelopen maand publiceerden twee onderzoeksgroepen onafhankelijk van elkaar resultaten van experimenten waarin ze het aantal chromosomen in bakkersgist dramatisch terugbrachten. De Amerikaanse groep, onder leiding van Jeff Boeke, maakte een bakkersgist-stam met maar twee chromosomen, waarin ze alle 16 chromosomen aan elkaar puzzelden tot twee reuzenchromosomen. Een Chinese groep, onder leiding van Zhongjun Qin, ging nog één stap verder en fuseerde alle chromosomen aan elkaar tot er een bakkersgist over was met nog maar één super-chromosoom. Beide groepen knutselden de chromosomen aan elkaar met de CRISPR-Cas9 techniek, waarmee ze heel gericht de telomeren (de repetitieve uiteinden van chromosomen) en centromeren (het stuk DNA waar chromosomen na de replicatie tijdelijk aan elkaar blijven plakken) verwijderden. De Chinese groep verwijderde daarnaast nóg een repetitief stuk DNA, wat misschien de verklaring is waarom zij de laatste fusie tot één chromosoom wel voor elkaar kregen.
Zo groot als de genetische ingreep was in de fundamentele genetica van bakkersgist, zo gering was het effect. “That was the biggest shocker — that you can just get away with this and yeast seem to shrug its shoulders,” aldus Jeff Boeke.
De brede bruikbaarheid van CRISPR-Cas9 wordt wederom bevestigd: niet alleen zijn we in staat specifieke genetische veranderingen teweeg te brengen in de genomen van organismen complexer dan bacteriën, maar ook blijkt het mogelijk grote ‘architecturale’ genetische veranderingen te bewerkstelligen.
De gemodificeerde bakkersgisten zijn wel iets minder fit dan hun 16-chromosomale soortgenoten; ze groeiden iets minder goed, en ze hadden wat problemen met hun voortplantingscyclus. Toch waren deze defecten niet zo kolossaal. Wat misschien nog het meest opmerkelijk was, was dat de gist met maar twee chromosomen zich niet meer kon voortplanten met de natuurlijke 16-chromosoom-gist, waardoor het technisch gezien een nieuwe, synthetische, soort was geworden.
Reflectie
Deze studies tonen aan dat genetische modificaties met de nieuwe CRISPR-technieken zich niet beperken tot het maken van varianten op gen niveau (genome editing): een gen er bij, een gen er uit, een gen veranderen of de expressie van een gen wijzigen. Ook genetische ingrepen op genoomniveau zoals het fuseren van chromosomen blijken dus goed mogelijk te zijn.
Enerzijds is het nu mogelijk meer kennis te verkrijgen over het functioneren van chromosomen: waarom heeft het ene organisme meer en de ander minder chromosomen, is er een bepaalde volgorde in chromosoomsegmenten van belang? Anderzijds geven de onderzoekers ook aan dat de giststam met maar 1 of 2 chromosomen in combinatie met de natuurlijke stam met 16 chromosomen snel in de minderheid raakt in een groei-experiment. Een dergelijke verminderde overleving kan een voordeel zijn voor het ontwikkelen van genetisch gemodificeerde giststammen met een toepassing in de industriële biotechnologie.