De onderzoekers knipten succesvol het pigmentgen weg, waardoor de inktvisjes kleur in de ogen en huidcellen verloren.
Inktvissen zijn om meerdere redenen erg bijzondere dieren. Zo hebben koppotigen het grootste brein van alle ongewervelde dieren en een zeer complex zenuwstelsel. Het betekent dat ze zich goed kunnen camoufleren – ondanks dat ze kleurenblind zijn – goed kunnen jagen en kunnen communiceren met dynamische kleurveranderingen. Bovendien kunnen ze aan hun eigen RNA sleutelen. Niet zo gek dus, dat wetenschappers deze dieren graag onder de loep nemen. Onderzoekers hebben nu in een nieuwe studie voor het eerst de CRISPR-techniek op inktvissen toegepast. “Dit is een cruciale stap op weg naar het vermogen om genen in koppotigen in- en uit te schakelen om zo een groot aantal biologische vragen op te lossen,” aldus onderzoeker Joshua Rosenthal.
CRISPR staat voor Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats en maakt onderdeel uit van een bijzonder efficiënt verdedigingsmechanisme dat bacteriën inzetten in de strijd tegen piepkleine virusdeeltjes (ook wel bacteriofagen genoemd). Deze virusdeeltjes kunnen een bacterie letterlijk kapot maken. Dat doen ze als volgt: ze klampen zich vast aan de bacteriële cel en pompen hun genetisch materiaal (DNA of RNA) naar binnen, waarna ze de bacterie gebruiken om zichzelf duizenden keren te kopiëren. Zodra dat gelukt is, laten de virusdeeltjes de bacterie uiteenspatten en gaan de duizenden kopieën op zoek naar andere bacteriën waarin ze dat trucje nog eens kunnen herhalen. Gelukkig voor de bacterie is deze in dit hele scenario niet weerloos; hij beschikt over een verdedigingsmechanisme dat CRISPR-Cas wordt genoemd en uit twee onderdelen bestaat. Het ene deel jaagt op vijandelijk DNA of RNA en het andere knipt dat DNA kapot. Jaren geleden kwamen onderzoekers tot de briljante conclusie dat dit bacteriële verdedigingsmechanisme ook gebruikt kan worden om specifieke genen in levende cellen – inclusief die van planten en dieren – uit te schakelen. Of ‘foute’ stukjes DNA op te sporen, weg te knippen en te vervangen door een alternatief stukje DNA. Kortom: CRISPR-systemen bieden ons een relatief gemakkelijke, snelle en bijzonder precieze manier om DNA te bewerken. En niet alleen DNA van virussen, maar ook in planten, dieren en mensen.
“Het aanpassen van het genoom met behulp van CRISPR-Cas9 hebben verstrekkende gevolgen op veel gebieden, van geneeskunde tot aan de landbouw,” vertelt Rosenthal aan Scientias.nl. “Maar wij willen voornamelijk nieuwe organismen in meer detail bestuderen.” Daarom namen de onderzoekers de reuze interessante, maar nog altijd mysterieuze inktvis onder de loep; een uitzonderlijk belangrijk onderzoeksorganisme in de biologie vanwege zijn opmerkelijke eigenschappen. “Een volwassen octopus heeft bijvoorbeeld zes keer zoveel zenuwcellen als een muis,” benadrukt Rosenthal. “Bovendien is hun zenuwstelsel anders georganiseerd; meer dan de helft van de zenuwcellen bevindt zich buiten de ‘hersenen’.” Om nog niet te spreken over het uitzonderlijke vermogen van inktvissen om zich te camoufleren, zodat ze vrijwel onzichtbaar worden, of hun flexibele tentakels met zuignapjes die niet alleen worden gebruikt voor beweging en dingen vast te grijpen, maar ook sensorische doeleinden heeft. De onderzoekers kozen in hun studie specifiek voor embryo’s van de pijlinktvis Doryteuthis pealeii (een ondersoort) en zetten de schaar in het genoom. “Dit is een belangrijke stap om de biologie van koppotigen naar een nieuw niveau te tillen,” aldus Rosenthal.
Doryteuthis pealeii
De keuze voor deze specifieke pijlinktvis was snel gemaakt. “We werken al vele jaren met deze embryo’s en we snappen de details van hun ontwikkeling,” legt Rosenthal uit. “Bovendien is het een hele representatieve koppotige. We zijn van mening dat deze groep organismen enorme biologische nieuwigheden bezit.” Studies naar Doryteuthis pealeii hebben al geleid tot fundamentele vorderingen in de neurobiologie, om te beginnen met een beschrijving van zenuwimpulsen in de jaren vijftig waar Alan Hodgkin en Andrew Huxley in 1963 de Nobelprijs voor mochten ophalen.
Pigment
Met behulp van CRISPR-Cas9 ‘knipten’ de onderzoekers in de huidige studie het pigmentgen in de inktvisembryo’s door. Door dit gen uit te schakelen, verdwijnt het pigment in de ogen en de huidcellen. “We hebben ons gericht op de pigmentgenen, omdat het gemakkelijk te zien is wanneer je het verstoort,” vertelt Rosenthal. En dus valt al gauw op te maken of de ingreep heeft gewerkt.
Geslaagd
Zoals op bovenstaande foto te zien is blijken de met CRISPR gemodificeerde inktvisjes inderdaad van hun pigment te zijn ontdaan. Kijk maar naar de bruine vlekjes die met name op de rug van het rechter inktvisje ontbreken. Tevens zijn de stipjes in de ogen een stuk minder donker. “CRISPR-Cas9 werkte heel goed in deze pijlinktvis; het was verrassend efficiënt,” concludeert Rosenthal. Veel uitdagender was het inbrengen van het CRISPR-Cas-systeem in het eencellige inktvisembryo. Deze is namelijk omgeven door een buitengewoon taaie buitenlaag. “Het was erg moeilijk om een naald in een ei van een inktvis te krijgen,” herinnert Rosenthal zich. “Ze zijn zo ongelofelijk sterk.” Om dit toch voor elkaar te krijgen, ontwikkelde het team een microschaar om de schaal van het eitje open te knippen. Vervolgens injecteerden ze met een hele fijne naald het CRISPR-CAS9-mengseltje in het eitje.
Vermogen
Het vermogen om een gen uit te schakelen om zijn functie te testen, is een hele belangrijke stap. Het betekent dat de handvol soorten die momenteel voor genetische studies worden gebruikt – zoals fruitvliegjes, zebravissen en muizen – verder uitgebreid wordt. “Door slechts enkele organismen te bestuderen, lopen we diverse oplossingen voor problemen in het leven mis,” legt Rosenthal uit. “Dieren hebben verschillende gedragingen en gespecialiseerde oplossingen bedacht voor problemen waarmee ze worden geconfronteerd. De details in deze verschillen zijn heel interessant en belangrijk, ook voor de mens. De hersenen van koppotigen kunnen ons bijvoorbeeld inspireren voor verbeterde kunstmatige intelligentie. En hun vermogen om genetische informatie in RNA-moleculen te bewerken, zou ons in staat kunnen stellen om nauwkeurigere geneeskundige therapieën te ontwikkelen.”
Niet ideaal
Hoewel de onderzoekers dankzij Doryteuthis pealeii een stuk wijzer zijn geworden, is het de vraag of het genoom van deze soort vaker zal worden bewerkt. “In feite zijn deze dieren geen ideaal model, omdat je ze niet gemakkelijk in het laboratorium kunt houden,” stelt Rosenthal. “We zijn momenteel bezig om onze technieken over te brengen op andere soorten die we wel kunnen kweken, zodat we genetische lijnen kunnen bewerkstelligen.” De onderzoekers hebben al een andere soort op het oog, namelijk de kleurrijke Euprymna berryi.
CRISPR is dus een hele veelbelovende techniek die op een grote verscheidenheid aan dieren kan worden toegepast. Het geeft ons kort gezegd de mogelijkheid om om de evolutie van alle levensvormen op aarde aan te passen en te bestuderen. Eerder al slaagden onderzoekers er bijvoorbeeld in om met behulp van CRISPR albino hagedissen te creëren; de eerste genetisch gemodificeerde reptielen ter wereld. Naar verwachting kan CRISPR in de toekomst worden ingezet om een tal van ziekten – van HIV tot kanker en sikkelcelziekte – te bestrijden.
