Streven. Jaargang 17

[p. 372]

Overdracht van erfelijke eigenschappen door nucleïnezuren
A. Thiadens S.J.

HET is reeds lang bekend, dat ieder levend organisme uit cellen is opgebouwd. De cel wordt dan ook beschouwd als de kleinst gestructureerde eenheid van leven en bevat een groot aantal celorganellen. Eén van de belangrijkste hiervan wordt ‘nucleus’, of celkern genoemd. Tijdens de celdeling worden hierin een aantal draadvormige structuren zichtbaar: de chromosomen. De erfelijke aanleg nu van mens, dier en plant is in deze chromosomen vastgelegd.

Sinds er werd vastgesteld in 1871, dat de celkernen een organisch zuur bevatten, waarin phosforzuur voorkwam, noemde men dit zuur een kernzuur, oftewel nucleïnezuur. Het bleek, dat de chromosomen voor een groot deel bestaan uit nucleïnezuur.

De nucleïnezuren zijn lange ketens, die ontstaan door een aaneenrijgen van phosforzuur - suiker - phosforzuur - suiker, etc. Men onderscheidt een tweetal kernzuren op grond van de suiker die erin voorkomt, namelijk: het ribonucleïnezuur (RNZ), dat de suiker ribose bevat en voornamelijk in het cytoplasma van de cel voorkomt, en het desoxyribonucleïnezuur (DNZ), dat desoxyribose als suikercomponent bevat en bijna alleen in de celkernen aanwezig is. (Meestal spreekt men van RNA, resp. DNA naar hun engelse afkorting). Deze lange ‘phosforzuur - suiker’ ketens dragen aan iedere suikermolecuul één bepaalde basische stof. In de volgorde nu en het aantal van deze basen is de genetische aanleg bepaald.

Hieruit volgt, dat de erfelijke aanleg van ieder levend organisme op moleculair niveau gecodeerd is en wel in het nucleïnezuur van het DNA-type in de celkern.

Is het nu mogelijk bij levende organismen door middel van nucleïnezuren erfelijke eigenschappen van het ene dier bijvoorbeeld over te dragen op het andere dier en wel zodanig, dat ook diens nakomelingen deze eigenschap behouden? Om op deze vraag een antwoord te kunnen geven is het noodzakelijk eerst na te gaan op welke wijze binnen iedere cel informatieoverdracht vanuit de kern naar het cytoplasma plaatsvindt, om zo ook een indruk te krijgen welke rol het tweede nucleïnezuur, het RNA, in deze overdracht van erfelijke eigenschappen speelt.

Hoe komt de erfelijke aanleg van een cel c.q. individu tot uiting? Hiervoor is het noodzakelijk dat de genetische code vanuit de celkern overgebracht wordt naar het cytoplasma van de cel. Men neemt aan dat de DNA-moleculen in de celkern dienst doen als een soort matrijs, waarop het RNA gevormd wordt en als ‘messenger’ RNA de celkern verlaat. In het cytoplasma wordt de code opgenomen in kleine korrels, zgn. ribosomen. Deze celorganellen fungeren op hun beurt als template, als matrijs, bij de vorming van de eiwitten, zodat de volgorde van de aminozuren - de bouwstenen van het eiwit - uiteindelijk bepaald wordt door de volgorde en het aantal basen in het DNA-molecuul.

[p. 373]

Welnu de volgorde van de aminozuren in het eiwit bepaalt welk eiwit er gevormd wordt.

Is het gevormde eiwit een structuurproteine, dan bepaalt het mede de vorm van de cel. Bezit het eiwitmolecuul enzymatische activiteit, d.w.z. werkt het als katalysator in chemische reacties binnen de cel, dan ontstaan door zijn werking stoffen, die mede de verschijningsvorm bepalen.

Het RNA speelt dus een grote rol bij de synthese van de eiwitten en draagt de genetische aanleg binnen de cel vanuit de celkern naar het cytoplasma.

Niet alleen binnen één cel treedt overdracht van erfelijke eigenschappen op, maar ook tussen cellen, c.q. individuen onderling. Bij hogere organismen is de gametenversmelting na de bevruchting hier een duidelijk voorbeeld van. Lederberg constateerde in 1946 dat ook bij bacteriën een uitwisseling van genetisch materiaal voorkomt, dat gelijkt op de sexuele processen bij hogere organismen, de zgn. conjugatie. Een tweede vorm van overdracht van erfelijke informatie is het verschijnsel van de transductie, waarbij een klein gedeelte van het genetisch materiaal van de donor bacterie door middel van een virus overgedragen wordt naar een andere bacteriecel. En tenslotte bestaat als derde mogelijkheid de transformatie: als overdracht van genetische informatie door DNA.

Deze drie vormen van overdracht tussen twee individuen: conjugatie, transductie en transformatie, komen hierin overeen, dat door DNA erfelijke eigenschappen overgedragen worden. In de laatste jaren is echter gebleken, dat ook het RNA deze rol kan spelen. Bovendien heeft men kunnen aantonen, dat transformatie ook bij hogere organismen mogelijk is.

Vijf en dertig jaar geleden constateerde de engelse bacterioloog Griffith bij pneumococcen het transformatie-phenomeen en Avery en zijn medewerkers waren in 1944 in staat het DNA te identificeren als de chemische substantie, die verantwoordelijk was voor de geïnduceerde genetische transformatie. Is het nu ook mogelijk bij hogere organismen door middel van nucleïnezuren erfelijke eigenschappen over te dragen van het ene individu op het andere?

In 1957 verschijnen de eerste publicaties over pogingen om bij hogere - meercellige - organismen transformatie te bewerken. Benoît en Leroy slaagden erin bij eenden modificaties te verwekken, door DNA van de variëteit ‘Khaki’ (bruine kleur en zwarte bek) in te spuiten in een aantal eenden van de variëteit ‘Pékin’ (ivoorkleurig, oranje bek). De opgroeiende ‘Pékin’ eenden werden niet ivoorkleurig, maar sneeuwwit en de oranjebek werd rose. De invloed van deze verandering bleef eveneens doorwerken in de nakomelingen. Deze onderzoekers zijn er echter niet in geslaagd hun experimenten te kunnen herhalen. In ieder geval hebben hun onderzoekingen vele laboratoria gestimuleerd, transformatieverschijnselen bij hogere organismen te gaan bestuderen. Bearn en Perry hebben in 1959 getracht met behulp van DNA uit gepigmenteerde ratten albinoratten te transformeren. Zij konden echter geen pigmentveranderingen constateren. Veranderingen in de celmorfologie konden Leuchtenberger in 1958 en Smith in 1961 bij muizen induceren met behulp van DNA uit kankercellen geëxtraheerd. Bij Drosophila melanogaster - het fruitvliegje - was Fahmy in 1962 slechts in staat om chromosoomverwoestingen (deletions) op te roepen.

Hess constateerde, dat het mogelijk was met behulp van RNA, dat uit de hypophyse van een rat geëxtraheerd was, het gehalte aan adreno-corticotroophormoon in de hypohyse van de geïnjicieerde ratten te doen toenemen, terwijl RNA

[p. 374]

uit de rattenlever geen toename van dit hormoon bewerkte. Het is tot nu toe de enige bekende aanduiding van transformatie bij hogere organismen, hoewel ook hier nog geen nieuwe eigenschap werd overgedragen.

De mogelijkheid bestaat, dat het geïnjicieerde nucleïnezuur er niet in kan slagen de cellen binnen te dringen. Het moet meerdere membranen passeren i.t.t. de bacteriën. Bovendien wordt het ten spoedigste door de bloedbaan meegevoerd, verdund en afgebroken.

Daar deze eerste experimenten in vivo geen resultaat opleverden, is men overgegaan naar weefselculturen van zoogdiercellen. (In deze techniek is het mogelijk cellen op een geschikte voedingsbodem buiten het lichaam verder te kweken en in stand te houden.)

Tot ongeveer 1961 bleef het onderzoek beperkt tot het speuren naar mogelijkheden of zoogdiercellen en menselijke cellen in vitro in staat waren nucleïnezuur te incorporeren. Toen eenmaal vaststond, dat zoogdiercellen deze capaciteit bezaten, volgden al spoedig de eerste waarnemingen, waarbij zoogdiercellen in vitro (op glas!), zowel door DNA als door RNA getransformeerd werden. Nieuwe erfelijke eigenschappen konden in de cultures aangetoond worden, die vóór de invoering van het nucleïnezuur niet aanwezig waren, maar kenmerkend waren voor de organen waaruit het nucleïnezuur geïsoleerd was. Met andere woorden: overdracht van genetische informatie, zowel door DNA als door RNA.

In vivo kent men tot nu toe tussen twee individuen alleen overdracht van genetische informatie, zoals die plaats vindt door de gameten bij de bevruchting. In vitro is duidelijk transformatie aangetoond, volkomen vergelijkbaar met het fenomeen transformatie, zoals dat bij bacteriën zich voordoet.

In december 1961 verschijnt de eerste publicatie over een transformatie in vitro door middel van DNA. Kraus is in staat geweest om aan te tonen dat een nieuwe eiwitketen in de voorlopers van de rode bloedlichaampjes van de mens ontstond, als direct gevolg van het geïncorporeerde DNA. Het was reeds langer bekend, dat in het menselijk haemoglobine iedere polypeptide (eiwit)keten gesynthetiseerd werd onder directe controle van een bepaald gen, of DNA-molecuul in de chromosomen aanwezig van de voorlopers van de rode bloedlichaampjes. Welnu cellen, die genetisch gedetermineerd waren om α^A, β en γ polypeptidetekens te maken konden na tien dagen incubatie met DNA van cellen, die alleen α^A, β^A en γ polypeptideketens synthetiseren, de oorspronkelijke aanwezige α^A, β^S en γ maken, maar bovendien β^A!

Pas dit jaar is definitief door het werk van Niu komen vast te staan, dat ook transformatie door middel van RNA mogelijk is. In 1960 was al geconstateerd, dat het RNA in staat was tumorgroei te remmen. Kankercellen van de nelson muis, werden behandeld met RNA uit de lever van een kalf. Het eerste gevolg was een reductie van de tumorformatie van 97% tot 15%. Deze reductie was gecorreleerd met cellulaire veranderingen, die niet te wijten waren aan het afsterven van de cellen. Deze veranderingen manifesteerden zich in de synthese van specifieke eiwitten. Serum albumine, een specifiek eiwit uit de lever, dat onder experimentele omstandigheden niet geproduceerd wordt in de kankercellen van de nelsonmuis, kon na behandeling en incubatie met RNA uit de lever van kalveren aangetoond worden. Hij was bovendien in staat om de opname van het RNA in de behandelde cellen aan te tonen.

In drie verschillende carcinome celstammen kon Niu na behandeling met

[p. 375]

RNA uit de lever van kalveren, constateren, dat deze stammen de biochemische specifieke eigenschap verworven hadden om specifieke levereiwitten te produceren. Het eiwittype dat door de cellen, die het RNA ontvingen, gesynthetiseerd werd, verraadt onmiddellijk het orgaan, waaruit het RNA geïsoleerd werd.

Het meest opmerkelijke zijn wel zijn laatste experimenten, waarbij het hem gelukt is leverstructuren op te roepen in een embryonaal kippenmembraan, met behulp van lever RNA. Ja zelfs in deze structuren specifieke levereiwitten te kunnen aantonen.

Nu het mogelijk gebleken is, in vitro menselijke cellen en zoogdiercellen te transformeren door middel van het DNA en het RNA, de nucleïnezuren, die de erfelijke eigenschappen van een organisme dragen, is het te hopen, dat spoedig die condities gevonden mogen worden, die het mogelijk maken ook in vivo transformaties te bewerken. Op deze wijze immers zou het eens mogelijk kunnen zijn erfelijke ziekten in radice te genezen en zo preventief het nageslacht tevens.