de keuze van een minuscule worm voor fundamenteel genetisch onderzoek bleek een voltreffer: zij leidde tot de ontrafeling van een hele reeks biologische en biochemische processen. het nobelcomité honoreerde daarvoor drie onderzoekers, maar even belangrijk was wellicht dat die ook de grondleggers waren van een gedragscode, waarbij ongepubliceerde gegevens vrij ter beschikking worden gesteld van iedereen.
Een worm geeft zich bloot (#2)
De drie onderzoekers waren vanaf 1974 voor lange tijd verenigd aan een instituut in Cambridge (UK) voor risicovol, moeilijk en langdurig fundamenteel onderzoek. Het belang van hun onderzoek, en van de visionaire keuze van C. elegans als modelorganisme, staat buiten kijf. Maar het verhaal van de kleine, transparante worm is niet los te denken van de merkwaardige traditie in de onderzoeksgemeenschap die haar bestudeert, om alle resultaten onmiddellijk vrij te geven en ze niet angstvallig te bewaken tot ze gepubliceerd zijn.
Sydney Brenner is vooral bekend als één van de pioniers in de moleculaire biologie. In de jaren zestig had hij een belangrijke inbreng in de ontdekking van mRNA, de tussenstap in de vertaling van DNA naar eiwitten. Hij toonde ook hoe de code voor één eiwitbouwsteen vervat ligt in een ‘woord’ van drie DNA-bouwstenen. Hij nam dus effectief deel aan de ontrafeling van de meest elementaire moleculaire mechanismen in de cel, maar dat was voor hem geenszins een eindpunt. Brenner besefte immers dat moleculaire biologie een zeer competitief onderzoeksdomein werd, vooral door de massale Amerikaanse inbreng, en dat het eigen onderzoek in die competitieve omgeving niet meer zo zwaar zou blijven doorwegen.
De tijd was dus rijp om de snel opkomende technieken van de moleculaire biologie toe te passen om complexere biologische problemen te ontrafelen, zoals de ontwikkeling van één bevruchte eicel tot een volwassen dier met al zijn celtypes, of het ontstaan van het zenuwstelsel. Nu dankzij het werk van Jacob en Monod stilaan duidelijk werd dat genen konden worden aan- of uitgezet door externe factoren, zag Brenner het onderzoek naar de genetische controle van ontwikkeling, van het ontstaan van verschillende celtypes en organen bij de groei van een meercellig dier, en zelfs de studie van het gedrag van dieren, als de grote uitdagingen voor de toekomst.
Vandaar kwam het idee om een klein en eenvoudig dier te selecteren als model voor de ontwikkelingsbiologie, om mechanismen te ontdekken die wellicht ook gelden voor de embryonale ontwikkeling in complexere dieren en in mensen. De keuze viel op de worm C. elegans, een nematode die gemakkelijk in het laboratorium kan worden opgekweekt in grote aantallen. De worm heeft een korte levenscyclus en kan, omdat hij transparant is, in elke stap van zijn ontwikkeling worden bestudeerd onder de lichtmicroscoop. Deze worm is hermafrodiet en bevrucht meestal zichzelf, maar er zijn ook mannelijke wormen waarmee kan worden gekruist, zodat genetische studies mogelijk zijn.
Brenner rekruteerde Sulston in 1969 en Horvitz volgde in 1974. Sulston omschreef zijn werk in het team ooit als volgt: ‘Ik moest leren de delende cellen, en soms enkele stervende cellen, te observeren onder de microscoop. Wij konden geprogrammeerde celdood in actie zien, en de reproduceerbaarheid ervan, zodat we het moment van de dood van een bepaalde cel perfect konden voorspellen. Uiteraard zochten we meteen mutanten van deze worm om dit beter te begrijpen.’
De keuze van C. elegans als modelorganisme bleek een meesterzet
De keuze van C. elegans als modelorganisme bleek een meesterzet. Zoals gezegd is de levenscyclus van de worm kort en overzichtelijk: op drie dagen tijd ontstaat uit één cel een volwassen worm van een flinke millimeter lang, die uit precies 959 cellen bestaat. Tegen het einde van de jaren zeventig hadden Sulston en Horvitz, dankzij onvoorstelbaar veel uren turen in de lichtmicroscoop, alle stappen van de ontstaansgeschiedenis van elke lichaamscel van de worm exact beschreven. Ze speelden het klaar om een kaart op te stellen met de afkomst van alle 556 cellen van het twaalf uur oude embryo, en van de 959 lichaamscellen van de volwassen worm, enkele cellen van het voortplantingsstelsel uitgezonderd.
Sulston stelde ook vast dat er tijdens de ontwikkeling altijd precies 131 cellen afsterven, niet per ongeluk, maar als een essentieel onderdeel van de ontwikkeling. Celdood is noodzakelijk voor de correcte groei van een embryo, zoals ondertussen ook beschreven is voor hogere dieren. Celdood speelt bijvoorbeeld een belangrijke rol bij de metamorfose van dikkopjes tot kikkers. In de menselijke foetus wordt weefsel tussen de vingers en de tenen door geprogrammeerde celdood verwijderd. Het is een proces dat conceptueel verschilt van celnecrose, het normale afsterven van versleten of aangetaste cellen.
De hardnekkigheid waarmee Sulston voor zijn microscoop postvatte tot hij de hele puzzel voor elkaar had, leidde uiteindelijk in 1983 tot een publicatie die voor het eerst de volledige celafstamming beschreef van een dier, en dat blijft tot vandaag ook voor het laatst. Maar ook de beschrijving van de celafstamming was geen doel op zich. Sulston en Horvitz realiseerden zich dat ze een instrument in handen hadden voor vernieuwend onderzoek. Ondertussen hadden andere onderzoekers immers de complete anatomie beschreven van de verschillende orgaansystemen in het volwassen dier, en die gegevens konden worden geconfronteerd met de afkomst van elke cel.
Als genetici en moleculair biologen een bepaald biologisch mechanisme willen bestuderen, dan doen ze er alles aan om het te verstoren. Ze zoeken naar mutanten, individuen die in een bepaalde eigenschap verschillen van de andere. De studie van mutanten, het zoeken naar het verband tussen genetische verschillen en hun effecten in zichtbare of meetbare eigenschappen, zijn vaak de aangewezen weg om biologische mechanismen op het spoor te komen.
Ook ontwikkelingsmechanismen kunnen door kunstmatige mutaties worden verstoord. Brenner publiceerde in 1974 in het tijdschrift Genetics, tien jaar na de start van zijn onderzoek, zijn eerste artikel over C. elegans, met de beschrijving van zijn procedures om puntmutaties (mutaties waarbij één DNA-bouwsteen gewijzigd wordt, in dit geval een G→A mutatie) op te wekken met EMS, en met de analyse van de mutanten, waar mutaties zich bevinden op de chromosomen en hoe de effecten van de mutaties konden worden hersteld door stukjes niet-gemuteerd DNA.
Sulston en Horvitz (deze laatste zette het werk voort na zijn aanstelling aan het MIT in Boston) konden met de procedure van Brenner mutanten isoleren met afwijkingen in de celafstamming. Grote aantallen wormembryo’s die de mutagenese hadden overleefd, werden alweer nauwgezet gevolgd onder de microscoop om exemplaren te vinden met afwijkingen in celafstamming van bepaalde organen, zoals de vulva. Dergelijke mutanten noemden de beide onderzoekers lin-mutanten (voor lineage: afstamming). Het was ook belangrijk om dit onderzoek tot saturatie uit te voeren: Sulston en Horvitz wilden niet enkele toevallige voltreffers vinden, maar alle mogelijke mutanten, om er zeker van te zijn dat ze alle stappen in het mechanisme zouden traceren, behalve dan die stappen die, als ze verstoord worden, niet meer tot een leefbare worm leiden. Van enkele genen werd een identieke puntmutatie trouwens meer dan één keer onafhankelijk gegenereerd. Dat wijst op een goede saturatie.
Tegen die tijd waren er ook technieken om met lasertechnologie gericht cellen uit een embryo te amputeren, wat nuttig is om de interacties tussen naburige cellen te bestuderen. Door zulke technieken toe te passen, zowel in de wilde als in mutante embryo’s, werd het duidelijk dat sommige cellen in het embryo van C. elegans onafhankelijk verder ontwikkelen, maar dat het lot van de meeste cellen bepaald wordt door naburige cellen. Iets gelijkaardigs was vroeger ― onder meer in werk van de Nobelprijslaureaten Hans Spemann en Hilde Mangold ― ook al in embryo’s van amfibieën getoond. Nu konden dergelijke vragen op genetisch en moleculair vlak worden bestudeerd voor late fasen van de embryonale ontwikkeling, zoals het ontstaan van organen. Voor de vroege fasen van de embryonale ontwikkeling was in die periode een ander modelorganisme meer toegankelijk voor een experimentele benadering via mutagenese, met name de fruitvlieg Drosophila.
Sulston isoleerde de eerste mutant met een afwijking in geprogrammeerde celdood. Hij identificeerde het gen dat in deze mutant was geraakt: het gen nuc-1 dat de code draagt voor een eiwit dat DNA afbreekt in de stervende cel. Vervolgens werden vrij snel een aantal andere cell death (of ced) genen ontdekt. Het team van Horvitz identificeerde onder andere twee genen die geprogrammeerde celdood actief veroorzaken (ced-3 en ced-4), en het ced-9-gen dat geprogrammeerde celdood belet in cellen waar die niet hoort te gebeuren. Het onderzoek naar die drie genen is grensverleggend gebleken. Zij zijn cruciaal voor een goed begrip van de controle op geprogrammeerde celdood, en bovendien blijken bij de mens genen voor te komen die gelijkenis vertonen met deze drie. Eén van die menselijke genen draagt de code voor een protease, een eiwit dat bepaalde andere eiwitten kan aantasten zodat het de activiteit ervan controleert. Bij de mens zijn proteasen vooral bestudeerd in ontstekingsreacties. Het tweede menselijke gen heeft een regelfunctie voor de activiteit van dat protease. Het derde is het menselijke gen BCL2. Mutaties in BCL2 kunnen tot lymfoom leiden (dat is een kanker van de witte bloedcellen), omdat ze het normale proces van celdood in een specifieke soort witte bloedcellen beletten.
Intussen is de C. elegans van Brenner wereldwijd voor vele onderzoekers één van de favoriete modelorganismen geworden. Van alle meercellige dieren is deze worm het beste beschreven. De DNA-volgorde van het volledige genoom is bekend. Door systematische uitschakeling van het ene gen na het andere zijn bovendien recent heel wat biologische en biochemische processen ontrafeld of toegankelijk gemaakt voor modern onderzoek, van gerichte celmigratie over morfogenese en spiercontractie tot de groei, functie en degeneratie van verschillende klassen van zenuwcellen.
Maar vooral de manier waarop de C. elegans onderzoeksgroepen collegiaal hebben samengewerkt om een aantal doorbraken te forceren, baart opzien. Deze onderzoeksgemeenschap heeft een bijzondere eigen traditie ontwikkeld: de onderzoekers ervan hebben altijd, lang vóór de publicatie van hun resultaten, onderling zeer open en intensief gecommuniceerd. De lezers van de toenmalige Wormbreeders’ Gazette zullen dit zonder meer bevestigen. Die openheid, meer dan ongewoon bij onderzoekers in competitieve domeinen van de wetenschap, is zeer effectief gebleken voor een snelle en efficiënte vooruitgang van het onderzoek, met name voor de ontrafeling van de fysische kaart en de volledige DNA-volgorde van het genoom van de worm.
Brenner, Horvitz en Sulston hebben dus ook daarin een pioniersrol gehad. Uit de debatten met de Nobelprijswinnaars op televisie (jammer genoeg dit jaar alleen maar uitgezonden door BBC World) bleek vooral de hardnekkigheid van Sulston over deze kwestie. Hij blijft wijzen op de grote verschillen in mentaliteit tussen de C. elegans onderzoeksgemeenschap en die van mens en muis, en op de gevaren die gepaard gaan met een toenemende commercialisering van vooral het functioneel onderzoek van genomen.
Voor Sulston was het duidelijk dat het menselijke genoom tot het gemeenschappelijke erfgoed van de mensheid behoort
Sulston weet waarover hij spreekt. Hij was immers ook één van de voortrekkers van het Human Genome Project, de wereldwijde inspanning die tot de volledige DNA-volgorde van het menselijke genoom heeft geleid. Voor Sulston was het duidelijk dat het menselijke genoom tot het gemeenschappelijke erfgoed van de mensheid behoort, en dat een stukje DNA-volgorde trouwens nooit een uitvinding is, maar een ontdekking: een beschrijving van iets wat sinds generaties bestaat. Daarom, zo meent hij, kunnen DNA-volgordes niet worden gepatenteerd. Sulston lag mee aan de basis van de Human Genome filosofie: alle nieuwe data over de lettervolgorde van lange stukken DNA moeten automatisch publiek beschikbaar worden gemaakt, en uiteindelijk moet de volledige DNA-volgorde zonder restricties beschikbaar zijn voor onderzoek en ontwikkeling, zodat de gegevens hun maximale nut kunnen krijgen voor de hele gemeenschap.
Dit blijft intussen een kwestieuze zaak. In 1998 verliet Craig Venter het Human Genome Project, met de bedoeling de DNA-volgorde van het menselijke genoom op een commerciële basis te exploiteren. Die gegevens dragen inderdaad enorme mogelijkheden in zich voor de ontwikkeling van diagnostische en therapeutische toepassingen. De onderzoekers die hun resultaten vrijgeven, bieden aan industriële groepen de gelegenheid om grote winsten te maken op basis van hun werk. Venter was van mening dat die potentiële winsten de onderzoekers zelf toekomen. Dat is een begrijpelijke houding, maar anathema voor Sulston en de wereldwijde onderzoeksgemeenschap die zich sindsdien inzet om het menselijke genoom in het publieke domein te behouden.
Uit verdere interviews met de drie laureaten blijkt ook hun bekommernis over de manier waarop momenteel onderzoek wordt bedreven, met de dwang van snelle resultaten. Ze benadrukken hoe moeilijk en complex het is om als jonge onderzoeker in zo’n wereld een plaats te veroveren. Ze wijzen er ook graag op dat een succes zoals het hunne van vele factoren afhangt. Dat zovele Nobelprijzen in de levenswetenschappen werden toegekend aan vorsers van instituten uit Cambridge, is uiteraard te danken aan het talent en de persoonlijkheid van de mensen in kwestie, maar ook aan de manier waarop het onderzoek aan individuele Britse onderzoeksinstituten is gestructureerd.
Dergelijke bekommernissen, de harde strijd van de PhD-student, de mogelijke alternatieve beleidsopties voor het structureren van onderzoek, het zijn allemaal thema’s voor de stukjes (Loose ends) die Brenner schreef voor elk nummer van het tijdschrift Current Biology. Hij laat daarin geen gelegenheid voorbijgaan om zijn eigen opleiding, functies en roem te relativeren. Ook de ietwat oudere stukjes, steeds met een humoristische ondertoon en vooral veel zelfspot, blijven absolute aanraders voor iedereen die de wetenschap, en de wetenschapspolitiek, wil begrijpen.
Nobelprijs voor Geneeskunde 2002, toegekend aan Sydney Brenner, Robert Horvitz en John Sulston.
Danny Huylebroeck is als moleculair bioloog verbonden aan de KU Leuven.
Siska Waelkens is als wetenschapsvoorlichter verbonden aan de KU Leuven.
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Unported License