Darmbacterie Escherichia coli (E. coli)

Als je wilt weten welke genen actief zijn in een cel dan moet je het RNA daarvan verzamelen en uitzoeken welke RNA-molecuul overeenkomt met welk gen. Daarmee doodt je de cel. Nu lijkt het er op dat die genexpressie ook gemeten kan worden met een door onderzoekers van bacteriën geleende ‘recorder’, zonder dat je daarvoor de cellen hoeft te vernietigen. Voorlopig werkt dat alleen nog maar met bacteriecellen, maar het is de bedoeling die techniek ook geschikt te maken voor zoogdiercellen.
De CRISPR-methode die bacteriën gebruiken om zich ziekteverwekkers van het lijf te houden hebben ‘wij’ inmiddels al ingepalmt om te gebruiken voor het veranderen van ziekteverwekkende mutaties in genen. Nu hebben onderzoekers rond Seth Shipman van de universiteit van Californië in San Francisco andere afweertechnieken van bacteriën gebruikt om een ‘expressierecorder’ te maken. “We hebben een stel bacterionderdelen genomen en die wat aangepast voor biotechnologie waar ze niet voor bedoeld waren.”
Dat heeft de Retro-CAScorder opgeleverd. Dat systeem legt dan vast welke genen actief zijn in bacteriën, maar het is uiteindelijk de bedoeling dat voor ander celtypen te kunnen doen. Dan kun je zien hoe die genexpressie verandert tijdens een ziekte of tijdens de ontwikkeling van een foetus. Nu moet je een cel vernielen om daar achter te komen, stelt medeonderzoeker Santi Bhattarai-Kline.
De onderzoekers gingen op zoek naar een manier om molecuulgegevens op te slaan zonder de celactiviteiten te storen. Daarmee zou je ook aan de weet komen wat er in de loop der tijden met die expressie is gebeurd. Ze maakten voor hun ‘expressierecorder’ gebruik van twee bacterieonderdelen: retrons en het al bekende CRISPR/Cas-genoombewerkingssysteem.
Wat die retrons, stukjes DNA, precies doen in bacteriën is niet precies bekend. Recent onderzoek wijst op een functie in de afweer van vreemde indringers. Ze hebben wel een andere, bekende (en voor de onderzoekers nuttige) functie. Ze coderen voor eiwitten die RNA kunnen omzetten in DNA. Dat DNA kan dan als ‘recept’ van een genactiviteit worden opgeslagen in het genoom van de bacterie. DNA is een prima opslagmedium, want veel stabieler dan RNA.

‘Streepcode’

Daarnaast produceren retrons ook RNA-moleculen die niet bedoeld zijn als ‘mal’ voor de aanmaak als eiwitten, zo ontdekten, onder meer, Shipman en collega’s. Dat bracht hen op het idee die RNA’s te voorzien van een extra ‘streepcode’ waarmee duidelijk wordt welk gen actief is (geweest). Dat kun je voor elk gen doen waarvan je de genexpressie wil volgen.
Om ervoor te zorgen dat de code en het gen juist ‘gepaard’ worden zorgden ze ervoor dat het retron onder beheer van de promotor van het daarbij behorend gen wordt geplaatst. Die genpromotor regelt de activiteit van een gen. Als het gen actief werd door die retron/promotorkoppeling dan werd het retron geactiveerd om dat niet-coderende RNA te produceren met die ‘streepcode’. Daarvan werd dan weer een DNA-kopie gemaakt, hierboven het ‘recept’ genoemd.

Die ‘recepten’ moesten op zo’n manier in het bacteriegenoom worden opgeslagen dat die later ook uitgelezen konden worden. Daarvoor gebruikten Shipman c.s. de CRISPR-sequenties waar de virusinformatie is opgeslagen van een bacterie. Die sequenties worden gemaakt door Cas-eiwitten of eigenlijk worden die gekopieerd of gehaald uit het virusgenoom zodat dat virus later weer makkelijk herkend kan worden als dreiging. Die CAS-eiwitten doen dat niet lukraak maar netjes in chronologische volgorde. Daarmee krijg je dus een soort logboek.
Om ervoor te zorgen dat die Cas-eiwitten geen virusinformatie opslaan maar de DNA-recepten (met code), veranderden de onderzoekers die niet-coderende RNA’s die de retrons produceren zo dat ze een bepaalde sequentie bevatten die door de Cas-eiwitten wordt herkend, waardoor ze die informatie als ware het virus-DNA opsloegen in het bacteriegenoom en wel in chronologische volgorde. Door die zo gevormde CRISPR-sequenties nu uit te lezen konden de onderzoekers ook de expressiegeschiedenis zien. Daarvoor (denk ik dan; as) moet je die cel wel weer kapotmaken.

Om te kijken of hun expressierecorder werkte volgden ze de activiteit van twee genen van E. coli-bacteriën die zouden worden geactiveerd door de aanwezigheid van bepaalde stoffen, voor het gemak A en B genoemd. Hoe mooi. Het werkte ook nog.

Zoogdiercellen

Zoals gezegd is dat mooi, maar het zou nog mooier zijn als het ook in zoogdiercellen de genexpressie zou kunnen vastleggen. Dat is inderdaad wat Shipman en zijn collega’s voor ogen hebben. Voor de nabije toekomst willen de onderzoekers hun expressierecorder gebruiken om bacteriën om te vormen tot biosensoren. Bepaalde stoffen zorgen voor expressieveranderingen en op die manier zou je de aanwezigheid van die stoffen in de tijd kunnen traceren, is het idee.

Bron: Wired