Hoe CRISPR/Cas9 vroege familiaire Alzheimer kan verslaan

Vakinhoudelijk onderzoek: Vertaling naar het onderwijs

Inleiding

Intro

De ziekte van Alzheimer is de meest voorkomende vorm van dementie. Maar liefst 70% van de mensen met dementie heeft Alzheimer. In het begin van de ziekte zijn de verschijnselen vaak niet duidelijk aanwezig. De verschijnselen worden duidelijker naarmate de dementie erger wordt. Sommige mensen met Alzheimer gaan snel achteruit. Anderen hebben nog lang een redelijk gewoon leven. Door de ziekte wordt iemand steeds afhankelijker van de hulp van anderen. Het wordt steeds moeilijker om te functioneren in het dagelijkse leven. Uiteindelijk raakt iemand met Alzheimer erg verzwakt. Hij overlijdt door algemene verzwakking, door evenwichtsproblemen waardoor hij ernstig ten val komt, of door luchtwegontstekingen die het gevolg zijn van slikproblemen .

Kenmerkend voor Alzheimer is de blokkering van de celcommunicatie tussen hersencellen of neuronen door eiwitophopingen (plaques) en binnen hersencellen door vezelknopen (tangles), wat uiteindelijk tot celdood leidt. Het is nog niet zeker of deze plaques en tangles de ziekte veroorzaken of dat ze er een gevolg van zijn. Naar deze theorieën wordt verder wetenschappelijk onderzoek gedaan .

Alzheimer kent een vroege en een late variant. Ongeveer 1-6% van de mensen met deze ziekte heeft de vroege variant. Dit houdt in dat de ziekte vóór het 60e – 65e levensjaar is gediagnosticeerd. De late variant wordt na deze leeftijd gediagnosticeerd. Daarnaast is Alzheimer onder te verdelen in een familiaire en een sporadische variant. 60% van de mensen met de vroege vorm van Alzheimer heeft de familiaire variant. Dit betekent dat ten minste één ander familielid ook deze ziekte heeft. Van 13% uit deze populatie is met zekerheid vastgesteld dat het hier om een autosomaal dominante overerving gaat. Bij deze autosomaal dominante vorm zit er een mutatie op één van drie mogelijke genen. Deze genen zijn het amyloïd precursor protein (APP-gen), presenelin 1 (PSEN1-gen) of presenelin 2 gen (PSEN2-gen). De overige patiënten met de vroege familiaire variant zijn nog niet gelinkt aan een chromosomale oorzaak. Genezing voor deze ziekte bestaat nog niet. Behandeling geschiedt d.m.v. medicijnen waarbij men probeert plaques en vezelknopen te voorkomen en/ of sneller af te breken.

Toch lijkt de mogelijkheid tot genezing een kwestie te zijn van tijd. Althans voor de patiënten met een bekende mutatie. Sinds 2012 is er namelijk een nieuwe genetische modificatietechniek ontwikkeld, genaamd CRISPR/Cas9. Met deze techniek is het mogelijk om te sleutelen aan genen. Genen kunnen hiermee `uit´ of juist `aan´ worden gezet. Bovendien kan het DNA veranderd worden en/ of nieuwe stukken DNA uit andere soorten ingespoten worden in cellen die goed te bereiken zijn. Neuronen zijn niet goed te bereiken voor grote eiwitten die betrokken zijn bij de CRISPR/Cas9 techniek, omdat de bloed-hersenbarrière alleen kleine moleculen doorlaat. Aangepaste virussen zijn wel klein genoeg om door deze bloed-hersenbarrière te gaan. Het DNA dat deze aangepaste virussen bevat kan in neuronen worden ingebouwd. Hierdoor kan de mutatie die tot de ziekte leidt worden hersteld en daarmee kan de ziekte van Alzheimer mogelijk worden voorkomen.

Het sleutelen aan genen is niet nieuw. Genetische modificatie gebeurt al op grote schaal bij verschillende soorten organismen. Echter, deze CRISPR-techniek stelt ons in staat om nog sneller, beter, goedkoper en nauwkeuriger genetisch te modificeren.

Ondanks de ethische debatten omtrent designer baby´s, het ingrijpen in de natuur en de mogelijke voor- en nadelen die genetische modificatie met zich mee kan brengen, is het in theorie mogelijk om in de toekomst verscheidene ziektes voorgoed uit te roeien, mogelijk ook Alzheimer.

Vooraf

Eindproduct-Beoordeling

Eindproduct

Als afsluiting van deze lessenserie zal er een klassendebat plaatsvinden omtrent genetische modificatie. De bedoeling is dat de argumenten tijdens dit debat zijn basis vinden in de informatie die je hebt opgedaan tijdens het maken van deze opdracht. Er wordt gekozen voor een Amerikaans Parlementair debat. Hierbij gaan zes leerlingen in twee teams van drie met elkaar de strijd aan rondom de stelling:

`Genetische modificatie moet toegepast worden op mensen´.

Iedereen bereid zich voor op dit debat. Echter, de leerlingen krijgen pas tijdens de les te horen of ze vóór of tegen de stelling zijn.

Doelen-Concepten

Aan het eind van deze module kun je:

  • op basis van de relatie tussen tripletcode en aminozuur toelichten hoe eiwitten gevormd worden.
  • het proces van transcriptie en translatie beschrijven.
  • uitleggen hoe de aminozuurvolgorde (primaire structuur) van een eiwit de bouw en werking van het eiwit bepaalt.
  • uitleggen hoe eiwitten de bouw en werking van biologische eenheden bepalen.
  • je kan met behulp van de concepten DNA en eiwitsynthese ten minste in contexten op het gebied van gezondheid (Alzheimer) verklaren op welke wijze zelfregulatie op moleculair niveau plaatsvindt.
  • uitleggen hoe door de mens gewenste genencombinaties verkregen worden door genetische modificatie (CRISPR/Cas9).
  • een mening vormen over de toepassingen van de biotechnologie.
  • je mening verwerken in een debat.

Deelconcepten
Aminozuur, primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur, proteïne, peptidebinding, enzymen, nucleïnezuren, helixstructuur, basenparing, nucleotide, enkelstrengs en dubbelstrengs DNA, chromosomen, nucleosomen, histonen, kernDNA, mtDNA, RNA, genetische code, primer, transcriptie, translatie, mRNA, tRNA, rRNA, cytoplasma, ribosoom, golgi-systeem, (ruw) endoplasmatisch reticulum, tripletcode, codon, anticodon, coderende streng, afleesrichting, template/matrijsstreng, DNA-polymerase, startcodon, stopcodon, plasmide, chromosoom, gen, DNA, RNA, eiwit, fenotype, genetische code, startcodon, stopcodon, transcriptiefactor, activator, RNA-polymerase, splicing, introns, exons, nucleosomen, niet-coderend DNA, knock-out-gen, genoom, structuurgenen, regulatorgenen, recombinant DNA, proto-oncogenen, virus, iRNA, promotor, operator, repressor, suppressor, epigenetisch.

mutatie, recombinatie, fenotype, genotype, genenpool, genetische modificatie, chromosoom, mutagene stof, mutagene straling puntmutatie, deletie, insertie, genoommutatie, gen, allel, genetische modificatie, DNA-repairsysteem.

Kennisbank

Werkwijze

De module 'Hoe CRISPR/Cas9 vroege familiaire Alzheimer kan verslaan' bestaat uit een groot aantal opdrachten verdeeld over 4 lessen.

In les 1 staat transcriptie en translatie van eiwitten centraal en dient als activering van de voorkennis.

In les 2 staat de neurodegeneratieve ziekte van Alzheimer centraal.

In les 3 staat de genetische modificatietechniek CRISPR centraal.

Les 4 is een voorbereiding op een debat omtrent genetische modificatie.


Werkvorm
Je werkt individueel of in tweetallen aan een aantal stappen.
Bij deze stappen verzamel je informatie die je kunt gebruiken voor de laatste stap: het debateren over genetische modificatie.
Leg de gevonden informatie dus goed vast. Vraag uitleg als bepaalde informatie niet duidelijk is.

Docentenhandleiding

Op welke eindtermen van de havo/vwo heeft het vakgericht onderzoek betrekking?

Subdomein A14: Systeemdenken Eindterm De kandidaat kan in contexten een onderscheid maken tussen verschillende organisatieniveaus, relaties binnen en tussen organisatieniveaus uitwerken en uiteenzetten hoe biologische eenheden op verschillende organisatieniveaus zichzelf in stand houden en ontwikkelen.

Subdomein A16: Contexten Eindterm De kandidaat kan de in domein A genoemde vaardigheden en de in domeinen B tot en met F genoemde concepten ten minste gebruiken in wetenschappelijke contexten, in beroepscontexten waarvoor een wetenschappelijke opleiding is vereist en in leefwereldcontexten.

Subdomein B1. Eiwitsynthese Eindterm De kandidaat kan met behulp van de concepten DNA en eiwitsynthese ten minste in contexten op het gebied van gezondheid en voedselproductie verklaren op welke wijze zelfregulatie op moleculair niveau plaatsvindt.

Subdomein F1. Selectie Eindterm De kandidaat kan met behulp van de concepten DNA, mutatie, genetische variatie, recombinatie en populatie ten minste in contexten op het gebied van gezondheid en voedselproductie verklaren op welke wijze variatie in populaties tot stand komt.

Subdomein E3. Reproductie van het organisme Eindterm De kandidaat kan met behulp van de concepten voortplanting en erfelijke eigenschap ten minste in contexten op het gebied van energie, gezondheid en voedselproductie verklaren op welke wijze eigenschappen worden overgedragen en benoemen op welke wijze de reproductie van eukaryoten en prokaryoten verloopt.

 

Welke meerwaarde heeft het voor de leerlingen ten opzichte van een les uit een reguliere lesmethode?

De meerwaarde van deze lessenserie is dat het via zelfsturing door middel van ICT over wordt gebracht. Leerlingen kunnen zelfstandig of in tweetallen met deze opdracht aan de slag. De tekst en filmpjes die gegeven worden zouden voldoende moeten zijn om de opdrachten te kunnen maken. Ook kunnen leerlingen de antwoorden die ze hebben gegeven zelf controleren. Het voordeel van een ICT-les is dat ze met behulp van internet zelfstandig onduidelijkheden op kunnen zoeken. De docent heeft in deze lessenserie een begeleidende rol en kan, naar eigen inschatting, ervoor kiezen om de stof docerend of via een onderwijs-leergesprek aan te bieden.

Een tweede meerwaarde van deze les is dat er een meerdere contexten worden aangeboden. Door middel van de context Alzheimer wordt de leerstof over transcriptie en translatie uitgelegd. Daarnaast bevat deze leerstof een zeer actuele context doordat de genetische modificatie techniek CRISPR een centrale rol speelt. Deze context is zeer relevant in de huidige moderne biotechnologie. Echter, in schoolboeken wordt deze informatie nog niet verwerkt.

 

Zijn er voorbeelden van jojo-denken en systeem-denken te zien?

In de les over Alzheimer gaan leerlingen expliciet met een opdracht aan de slag waarin ze zich op verschillende organisatieniveau´s verdiepen in de ziekte. Ook in de overige vragen wordt er steeds op verschillende organisatieniveaus vragen gesteld.

Meerdere systemen passeren in deze lessenserie de revu. Zo staan onderdelen van zelfregulatie, reproductie en evolutie centraal in deze lessenserie. Met name de verwerkingsvragen doen een beroep op het systeemdenken van de leerlingen.

 

Behoren de verwerkingsvragen tot de hogere taxonomie van Bloom?

De lessenserie bouwt zich op d.m.v. de taxonomie van Bloom. Daar waar de eerste les begrijpen en toepassen van de kennis over transcriptie en translatie centraal staat. Gaat les 2 over het verband leggen naar een nieuwe context (Alzheimer). In les 3 (CRISPR) staat analyseren ook centraal doordat er door middel van een concept-map verbanden en relaties moeten worden gemaakt over de genetische modificatie techniek. In les 4 gaan de leerlingen debateren, waarbij de motivatie en rechtvaardiging van besluiten omtrent genetische modificatie wordt bediscussieerd. In de taxonomie van Bloom zitten spreekt men dan over `Evalueren´. Evalueren en analyseren wordt gezien als hogere orde denken.

 

Doen de verwerkingsvragen een beroep op onderzoeksvaardigheden van de leerlingen?

Het voorbereiden op het debat geschied op zelfstandigheid waarbij leerlingen op hun onderzoeksvaardigheden worden aangesproken. Gedurende de rest van de lessenserie kunnen de leerlingen naar eigen inzicht zich verdiepen in het onderwerp. In principe is de tekst in combinatie met de filmpjes die worden aangeboden voldoende om tot een juist antwoord te komen.

 

Verwerking

1. Voorkennis activeren: Van DNA naar Eiwit (theorie)

In deze eerste stap wordt uitgelegd hoe er vanuit DNA eiwitten worden gevormd. Herhaal daarvoor eerst enkele delen uit de Kennisbank:

KB: Bouw en functie van nucleïnezuren
KB: Transcriptie in detail
KB: Translatie in detail
KB: Reguleren van genexpressie

DNA: code voor eiwitten

Je cellen gebruiken de DNA-code voor het maken van eiwitten. Eiwitten zijn zeer grote moleculen. Ze bestaan uit ketens van soms duizenden aminozuurmoleculen. Er zijn twintig verschillende aminozuren beschikbaar om eiwitten op te bouwen (Binas tabel 67H). Hiermee kunnen cellen net zo oneindig veel verschillende eiwitten maken als je boeken kunt schrijven met de letters van het alfabet. De variatie bij eiwitten hangt af van het aantal aminozuren dat gebruikt is. Eiwitten verschillen ook door de keuze van de aminozuren en de volgorde waarin de aminozuren aan elkaar gekoppeld zijn. Onderzoekers  hebben ontdekt dan één DNA-triplet (drie opeenvolgende stikstofbasen) de code vormt voor één amonozuur in een eiwitmolecuul. Tripletten zijn de codewoorden in de DNA-taal. Voor de meeste van de twintig aminozuren bestaan er meerdere tripletcodes. Op elke plaats in een triplet kan een van de vier basen A, C, T of G voorkomen. Dat betekent dat er 43 = 64 verschillende tripletten mogelijk zijn, meer dan genoeg voor twintig aminozuren. Het aantal tripletten in de DNA-codezin bepaalt de lengte van de te vormen aminozuurketen: de polypeptideketen. De tripletcode geeft aan welk aminozuur op een bepaalde plaats komt.

Drie DNA -tripletten ATT, ATC en ACT, coderen voor geen enkel aminozuur. Komt zo´n triplet in een stuk DNA voor, dan geeft dat het einde van de codezin aan. Zo´n triplet heet een stopcodon.

Elke zin uit de DNA-taal begint altijd met het startcodon (er is er maar één: de combinatie TAC) en eindigt met een stopcoden. Een compete codezin met de informatie om een eiwit te maken heet een gen.

 

Ribosomen: code lezen en vertalen

Jouw DNA bevat onder andere een gen voor het maken van insuline. Wanneer insuline nodig is, krijgen de insulineproducerende cellen in de alvleesklier een signaal uit het lichaam. DNA kan de kern niet verlaten. Er is een tussenstap nodig om de boodschap te krijgen op de plaats waar de synthesestappen plaatsvinden: de ribosomen in het grondplasma.

- Enzymen in de celkern maken een afschrijft van het gen voor insuline. Dat start altijd aan die zijde van het DNA die begint met TAC. Dit afschrift is een aan DNA verwante stof: RNA (ribonucleic acid). Bij RNA-productie koppelen nucleotiden die complementair zijn aan het DNA tijdelijk vast aan het DNA en vormen een RNA-keten. Tegenover C komt in het RNA G en tegenover A komt U. RNA heeft in plaats van thymine (T), de stikstofbase urail (U). Ook de suiker in de RNA-keten is anders: ribose in plaats van deoxyribose (Binas tabel 71E).

- Het RNA-molecuul laat los en gaat via de kernporiën naar het grondplasma.

Ribosomen komen los in het grondplasma voor en gekoppeld aan het ER.  Deze organellen lezen de RNA-code en vertalen deze naar een amonozuurvolgorde. De ribosomen koppelen de amonozuren aan elkaar tot een polypeptide. Na afwerking verlaat het molecuul als eiwit de cel.

Opdrachten bij voorkennis activeren

2. Genetische oorzaken leiden tot vroege familiaire Alzheimer

De ziekte van Alzheimer (AD) is een neurodegeneratieve ziekte. Dit betekent dat zenuwcellen (neuronen) afbreken. De neuronen breken zich in de hersenen af, wat leidt tot het verlies van hersenfuncties en dit kan op zijn beurt weer leiden tot dementie. Alhoewel de oorzaak hiervan niet volledig begrepen wordt, wordt de oorzaak ervan gevonden in het ontstaan van eiwitophopingen en vezelknopen.

In een gezond neuron bevindt zich in het celmembraan een eiwit genaamd amyloïd precursor proteïne (APP). Dit lange eiwit steekt deels uit aan de binnen- en buitenkant van de celmembraan. De precieze functie van APP is nog onbekend. Echter, studies waarbij een overexpressie van APP waar te nemen was, lieten zien dat APP betrokken is bij groei en gezondheid van de neuronen.

Wanneer dit eiwit gebruikt is, wordt het afgebroken en hergebruikt. Het afbreken van het eiwit gebeurt door twee enzymen: α-secretase en γ-secretase. Wanneer α- en γ-secretase APP losknippen uit het membraan, komt het restant van APP buiten de cel terecht. Het losgeknipte APP heet amyloïd. Aangezien dit eiwit oplosbaar is, zal het vanzelf weggaan en zijn er geen negatieve gevolgen.

Echter, wanneer het enzym β-secretase in plaats van α-secretase APP losknipt uit het celmembraan, dan knipt het op een andere plaats in het APP eiwit. Het gevolg hiervan is dat er een eiwit ontstaat, genaamd amyloïd-beta (Aβ). Dit eiwit is niet oplosbaar en zal samen met andere Aβ-eiwitten gaan aggregeren tot een grote oligomeer. Zo´n eiwitophoping wordt ook wel een plaque genoemd. Deze Aβ-plaques vormen zich buiten het neuron. Deze plaques worden niet afgebroken of opgeruimd, waardoor ze tussen neuronen komen te liggen. Hier binden ze aan axonen en synapsen, zie figuur 1 en 2.

Figuur 1: In dit figuur is in het blauwe gedeelte te zien hoe APP wordt afgebroken door α-secretase waardoor een normaal amoloïd ontstaat. In het rode gedeelte is te zien hoe APP door β-secretase en varianten van γ-secretase ertoe kan leiden dat er een opstapeling (plaques) van amylïod-beta ontstaat.

Figuur 2: Microscopische foto van een stukje van de hersenen van iemand met AD. De plaques ontstaan tussen de neuronen. De tangles ontstaat in de neuronen.

 

Vroege familiare ziekte van Alzheimer (EOFAD) wordt veroorzaakt door een enkele basemutatie in één van de drie genen: APP (10-15%), PSEN1 (30-70%) of PSEN2 (<5%).

Door een mutatie in PSEN1 of PSEN2 ontstaat er een alternatieve γ-secretase. Dit enzym knipt het APP eiwit op een alternatieve manier. Hierdoor ontstaat er geen amyloïd eiwit, maar een variant hiervan: amyloïd-beta (Aβ). Dit Aβ is niet oplosbaar. Hierdoor zal het gaan aggregeren met andere Aβ, waardoor er een eiwitophoping (plaque) ontstaat. Deze plaque verhindert celcommunicatie tussen neuronen. Dit heeft tot gevolg dat er ontstekingsreacties optreden en verzwakking van hersenfuncties. Bovendien leiden deze plaques buiten de cel tot een kinasereactie binnen de cel. Wanneer Tau eiwitten binnen de cel gefosforileerd worden door deze kinasereactie, raken zij los van microtubuli. Dit leidt tot vezelknopen (tangles). De microtubuli vallen uit elkaar en kunnen hun transportfunctie van voedingsstoffen niet meer uitvoeren. Uiteindelijk zal dit leiden tot geprogrammeerde celdood (apoptose).

Een mutatie in het APP gen leidt tot een net iets langere (alternatieve) APP eiwit. β-secretase heeft meer affiniteit voor dit gemuteerde APP substraat dan α-secretase, waardoor β-secretase het APP eiwit zal knippen. De klieving die ontstaat door β-secretase leidt tot een verhoogde productie van Aβ en/ of tot een langere en kleverige variant van de peptide. Het verschil met de mutatie in PSEN1 of PSEN2 is dat deze mutaties leiden tot een andere γ-secretase waardoor het APP eiwit alternatief wordt geknipt. De drie mutatie hebben alle als resultaat dat er een Aβ eiwit ontstaat. De meest voorkomende APP mutatie verandert één aminozuur in de amyloïd precursor proteïne. Deze mutatie leidt tot het vervangen van valine in icoleucine op positie 717 (Val717Ile). Dit kan leiden tot een verhoogde hoeveelheid amyloïd-beta of tot de productie van een langere en kleverigere variant van de peptide. Deze grotere variant is Aβ-42 in plaats van Aβ-40. Wanneer deze eiwitfragmenten van de cel worden losgeknipt door β- en γ-secretase leidt dit tot dit plaques.

In een gezond persoon zal α-secretase het APP molecuul knippen op een manier waarop er bijna geen amyloid-beta ontstaat. Toch ontstaan er ook in gezonde mensen een kleine hoeveelheid Aβ. In gezonde mensen zijn verwijderingsmechanismen voor Aβ aanwezig, zodat deze peptide zich niet kan accumuleren. Een van deze verwijderingsmechanisme is het Ubiquitin Proteasome Systeem (UPS), zie figuur 3. Bij mensen met AD werkt dit mechanisme niet (goed) meer .

Figuur 3: Schematische weergave van het ubiquitin proteasome systeem. In gezonde mensen wordt d.m.v. het UPS in vijf stappen abnormale eiwitten afgebroken. Bij mensen met AD werkt dit systeem niet (goed) meer, waardoor er een opstapeling van Aβ ontstaat. Dit leidt tot een verhoging van de neurotoxiciteit.

Het degradatieproces van een abnormaal eiwit zoals Aβ bestaat uit de volgende vijf stappen:

  1. Het E1 enzym (ubiquitin-activating enzym) activeert ubiquitin d.m.v. ATP.
  2. Het ubiquitin wordt vervolgens op een E2 enzym gezet. Het E2 enzym heeft samen met het E3 enzym al een complex gevormd.
  3. Vervolgens plakt het E3 enzym een ubiquitin op het abnormale eiwit (Aβ). Dit gaat in meerdere rondes waarbij steeds één ubiquitin per keer op het abnormale eiwit wordt geplakt.
  4. Het abnormale eiwit wordt nu door een proteasome afgebroken tot kleine peptide fragmenten. Hierbij wordt ATP verbruikt.
  5. De ketting van poly-ubiquitin wordt gesplist in losse ubiquitines, die opnieuw gebruikt kunnen worden.

Het gevolg van het ontstaan van plaques is dat de celcommunicatie tussen neuronen verstoort raakt. Hierdoor raken hersenfuncties verzwakt. Bovendien kunnen deze plaques ontstekingsreacties in de hersenen veroorzaken waardoor meer neuronen beschadigen. Tevens kunnen deze plaques zich binden aan bloedvaten in de hersenen waardoor er een verhoogde kans is op hersenbloedingen.

 

Een andere oorzaak van Alzheimer is het ontstaan van vezelknopen (tangles). Deze tangles ontstaan in tegenstelling tot de plaques, in de neuronen. Zoals in elke cel zitten ook in neuronen microtubuli. Deze strengen in de cel zijn onderdeel van het cytoskelet. Ze zorgen voor de vorm van de cel en voor het vervoer van voedingsstoffen en andere moleculen in de cel. Tau is een eiwit wat voor ondersteuning van de microtubuli zorgt. 

De plaques buiten het neuron zorgen ervoor dat een kinase met een fosfaatgroep gaat hechten aan een microtubule. Hierdoor verandert de vorm van een tau-eiwit, wat leidt tot het niet meer binden met de microtubule. Wanneer het tau-eiwit loslaat gaat dit samenklonteren met andere tau-eiwitten. Dit leidt tot neurofibrilaire tangles. Het gevolg van deze afname in microtubuli is dat voedingsstoffen en andere moleculen in het neuron niet meer kunnen worden vervoerd. Deze neuronen met verminderde celsignalen leiden tot apoptose (geprogrammeerde celdood), zie figuur 4 en 5.

Figuur 4: Een microtubule wordt bij elkaar gehouden door het tau eiwit. Wanneer tau aan een kinase bindt, laat deze los van microtubule. Het gevolg is een tangle en het depolymerisatie van de microtubule.

 

Figuur 5: Bovenste plaatje laat de dwarsdoorsnede van de hersenen van een gezond persoon zien. Het onderste deel laat een dwarsdoorsnede van iemand met AD zien. Het kleinere brein en de grotere ventrikels zijn gevolg van apoptose.

 

Extra informatie Alzheimer:

 

Opdrachten bij genetische oorzaken Alzheimer

3. Wat is CRISPR-Cas en waarom is het revolutionair?

CRISPR-Cas, een methode waarmee DNA gemodificeerd kan worden met ongekende precisie, heeft de wetenschap flink op zijn kop gezet. Van de mogelijkheid tot het bestrijden van malaria tot het creëren van varkens zo klein als een chihuahua. Maar waarom is deze techniek zo revolutionair en hoe werkt het precies?

Tot voor kort was het aanpassen van DNA een moeilijk proces met weinig nauwkeurigheid. Dat veranderde met de ontdekking en ontwikkeling van Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, afgekort CRISPR. CRISPR’s zijn korte segmenten van herhaalde codes in het DNA van bacteriën die oorspronkelijk ontdekt werden in 1987 door Japanse wetenschappers. Zij probeerden indertijd een specifiek gen van E. coli te onderzoeken, waarbij het hen opviel dat hetzelfde stukje DNA zich steeds herhaalde.

 

Geavanceerd immuunsysteem van bacteriën

Vele onderzoeken later zagen wetenschappers dat deze herhalende DNA-patronen een rol spelen in het immuunsysteem van bacteriën en ontstond de afkorting CRISPR. Dat doen deze patronen samen met de zogeheten Cas9-enzymen en gespecialiseerde RNA-moleculen. Hierbij dienen de enzymen als een soort schaar en de RNA-moleculen als een soort biologische TomTom.

Net als mensen en dieren hebben ook bacteriën last van virussen en kunnen zij zelfs daardoor besmet worden en zo doodgaan. Om deze tragedie te voorkomen, hebben bacteriën een techniek ontwikkeld waardoor zij relatief simpel een stukje van het agressieve virus kunnen inbouwen in hun eigen DNA. Hierdoor kunnen zij bij volgende aanvallen het virus herkennen en gelijk optreden tegen het gevaar. Met gebruik van de RNA-moleculen sporen bacteriën het vijandelijke DNA op, waarna de speciale Cas9-enzymen het virus-DNA kapot knippen.

De twee wetenschappers Jennifer Doudna (Universiteit van Californië) en Emmanuelle Charpentier (Umea Universiteit) ontdekten in het laboratorium dat ze dit afweermechanisme zelf konden modificeren.  Sterker nog, ze konden hiermee heel precies op een gewenste plek in het DNA knippen en plakken. Hoe dit precies werkt? Wanneer een cel deelt, moet onder meer het DNA heel zorgvuldig worden gekopieerd. Meestal gaat dit goed, maar wanneer er een mutatie ontstaat dan komen zogeheten reparatie-eiwitten in actie om dit te verbeteren. CRISPR breidt deze hulp uit met een soort knip- en plakfunctie om het DNA te vervangen.

Een bijzondere techniek die wij relatief gemakkelijk over kunnen nemen en waardoor wij gemakkelijker dan ooit tevoren genen kunnen wegknippen of toevoegen. Inmiddels is er geen genwetenschapper meer die de techniek niet kent en heeft CRISPR-Cas al tot heel wat grote doorbraken geleid. Van het verhelpen van mutaties die ziekten veroorzaken tot het bouwen van gewassen zonder gluten. De toepassingen lijken oneindig, al duurde het wel even voordat wetenschappers de volle potentie van de techniek begrepen.

Waarom is dit een revolutie?

‘Het ging eigenlijk zoals het altijd gaat binnen de wetenschap’, vertelt hoogleraar moleculaire epigenetica aan Universitair Medisch Centrum Groningen Marianne Rots. ‘Wetenschappers werken toch vaak binnen hun eigen hokjes. Wanneer een aantal microbiologen dan met iets nieuws komt, is de eerste reactie eigenlijk vrij simpel: lekker belangrijk, zo’n fundamentele biologische ontdekking.’ Totdat duidelijk werd dat CRISPR-Cas wel eens een ware revolutie binnen de genetische wetenschap kon zijn.

‘Eind vorige eeuw hadden we zinkvingers (een soort eiwitsensoren) als moleculair-biologisch gereedschap. Alleen snapten we niet goed hoe we die het DNA konden laten binden waar ze moeten binden’, vertelt Rots. ‘Het was eigenlijk nattevingerwerk: trial en error. Toen kwam CRISPR-Cas en dat veranderde alles. Je bestelt nu gewoon RNA en dan twintig voor het gen van interesse, waarna je gaat kijken welke het goed doen.’ De techniek is relatief goedkoop en in sommige gevallen al heel precies gebleken. Dankzij het RNA-navigatiesysteem kun je echt aan hele specifieke DNA-stukken sleutelen. Of je het nu op een bacteriële, plantaardige, dierlijke of menselijke cel inzet. Daarnaast werkt de techniek ontzettend snel. ‘Als je vandaag een CRISPR-Cas-kit bestelt, dan heb je een paar weken later al resultaat.’

‘We kunnen nu eindelijk het geneesbare genoom realiseren’, stelt Rots vol hoop en overtuiging. ‘Als arts kun je op dit moment maar op twee procent van de eiwitcoderende genen ingrijpen ter behandeling. Dankzij CRISPR-Cas is nu ineens alles mogelijk.’ Al zijn de wonderlijke resultaten tot dusver in het lab gebleven en is het de vraag wanneer een ziekenhuis de techniek voor het eerst daadwerkelijk gaat toepassen: ‘Minstens drie bedrijven proberen CRISPR-Cas al snel in de kliniek te krijgen. Het is dus een kwestie van tijd.’

Rots onderstreept wel dat we nog niet alles weten van deze revolutionaire techniek: ‘Spannend is om te zien in hoeverre het bacteriële CRISPR-Cas afweerreacties gaat oproepen bij patiënten.’ Daarnaast is de methode niet perfect voor alles. De grootte van CRISPR’s is bijvoorbeeld een probleem om genen te bereiken die niet tot expressie komen en die zo weer aan te zetten. Zinkvingers daarentegen zijn een stuk kleiner, waardoor dit wel mogelijk is. De uitvinding van CRISPR-Cas is volgens de hoogleraar dan ook zeker niet de eindhalte: ‘Er komt geheid nog een verbetering.’

Bron: http://dekennisvannu.nl/site/artikel/Wat-is-CRISPR-Cas-en-waarom-is-het-revolutionair/8016

Extra informatie:

 

http://www.dekennisvannu.nl/site/special/Revolutie-in-de-gentechnologie/42#!/media/Revolutie-in-de-gentechnologie/5950

Opdrachten bij CRISPR-Cas9

4. Debat genetische modificatie

Als afsluiting van deze lessenserie zal er een klassendebat plaatsvinden omtrent genetische modificatie. De bedoeling is dat de argumenten tijdens dit debat zijn basis vinden in de informatie die je hebt opgedaan tijdens het maken van deze opdracht. Er wordt gekozen voor een Amerikaans Parlementair debat. Hierbij gaan zes leerlingen in twee teams van drie met elkaar de strijd aan rondom de stelling:

`Genetische modificatie moet toegepast worden op mensen´.

Iedereen bereid zich voor op dit debat. Echter, de leerlingen krijgen pas tijdens de les te horen of ze vóór of tegen de stelling zijn.

Ga zelf op zoek naar achtergrond informatie.

Tip: https://www.npo.nl/de-kennis-van-nu/31-03-2016/VPWON_1251913

 

Nakijkmodel/ Rubric

 

Team 1:

 

 

Team 2:

 

 

 

Debat `Genetische modificatie moet toegepast worden op mensen´

Argumentatie

1

2

Feedback:

Beste argumenten

 

 

 

 

 

 

 

Beste onderbouwing

 

 

 

 

 

 

Meest originele argumenten

 

 

 

 

 

Weerleggen van tegenargumenten

 

 

 

 

 

Presentatie

1

2

Feedback:

 

Wie kan het beste spreken en heeft het meeste humor

 

 

 

 

 

Wie heeft de beste houding en stem

 

 

 

 

 

Winst                                    Belangrijkste reden:

 

 

 

 

 

 

 

Bronnen

Bronnen voor deze website

Literatuurlijst​

 

  • Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., Walter, P. (2008). Molecular Biology of THE CELL. New York: Garland Science Taylor & Frabscis Group.
  • Bain, L.J. (2014). Alzheimer´s Disease Summit. The path to 2025. The New York Academy of Sciences. http://www.nyas.org/Publications/Ebriefings/Detail.aspx?cid=e7aa2db6-e559-44c9-b50e-18f31055ca26 geraadpleegd op 21 januari 2017.
  • Bird, T.D. (2008). Genetic aspects of Alzheimer disease. Genetics in medicine 10, 231-239. DOI:10.1097/GIM.0b013e31816b64dc.
  • Bird, T.D. (2012). Early-Onset Familial Alzheimer Disease. GeneReviews. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1236/ geraadpleegd op 11 januari 2017.
  • Campbell, N.A., Reece, J.B., Urry, L.A., Cain, M.L., Wasserman, S.A., Minorsky, P.V., Jackson, R.B. (2008). Biology. Boston: Benjamin Cummings / Pearson.
  • Chow, V.W., Mattson, M.P., Wong, P.C., Gleichmann, M. (2010). An Overview of APP Processing Enzymes and Products. NeuroMolecular Medicine, 12(1), 1-12. DOI:  10.1007/s12017-009-8104-z.
  • Cong, L., Rann, F.A., Cox, D., Lin, S., Baretto, R., Habib, N., Hsu, P.D., Wu, X., Jiang, W., Marraffini, L.A., Zhang, F. (2013). Multiplex Genome Engeineering Using CRISPR/Cas Systems. Science, 339 (6121), 819-823. DOI: 10.1126/science.1231143
  • Cyranoski, D. (2016). CRISPR gene-editing tested in a person for the first time. Nature, 539,479, DOI:10.1038/nature.2016.20988.
  • Dulhaime-Ross, A. (2016). Breaktrough method means CRISPR just got a lot more relevant to human health. `The most clever CRISPR gadget to date´. The Verge. http://www.theverge.com/2016/4/20/11450262/crispr-base-editing-single-nucleotides-dna-gene-liu-harvard geraadpleegd op 18 maart 2017.
  • Gentier, R.J., Leeuwen, van F.W. (2015). Misframed ubiquitin and impaired protein quality control: an early event in Alzheimer´s disease. Frontiers in Molecular Neuroscience. DOI: https://doi.org/10.3389/fnmol.2015.00047.
  • Gong, C.X., Iqbal, K. (2008). Hyperphosphorylation of Microtubule-Associated Protein Tau: A Promising Therapeutic Target for Alzheimer Disease. Current Medicinal Chemistry, 15 (23), 2321-2328.
  • Harada, B. (2015). Can Gene Editing Eliminate Alzheimer´s Disease? Physics Forums Insights. https://www.physicsforums.com/insights/can-gene-editing-eliminate-alzheimers-disease/ geraadpleegd op 19 januari 2017.
  • Hendel, A., Fine, E.J., Bao, G., Porteus, M.H. (2015). Quantifying On and Off-Target Genome Editing. Trends Biotechnology, 33(2). DOI: 10.1016/j.tibtech.2014.12.001.
  • Horvath, P., Barrangou, R. (2010). CRISPR/Cas, the immune system of bacteria and archaea. Science, 327 (5962), 167-70. DOI: 10.1126/science.1179555.
  • Huang, H., Jiang, Z. (2009). Accumulated Amyloid-β Peptide and Hyperphosphorylated Tau Protein: Relationship and Links in Alzheimer’s Disease. Journal of Alzheimer’s Disease 16 (2009) 15–27. DOI: 10.3233/JAD-2009-0960
  • Jinek, M., Chylinski, K., Fonfara, I., Hauer, M., Doudna, J.A., Charpentier, E. (2012). A Programmable Dual-RNA–Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity. Science, 337(6096), 816-821. DOI: 10.1126/science.1225829.
  • Jonsson, T., Atwal, J.K.,  Steinberg, S., Snaedal, J., Jonsson, P.V., Bjornsson, S., Stefansson, H., Sulem, P., Gudbjartsson, D., Maloney, J., Hoyte, K., Gustafson, A., Liu, Y., Lu, Y., Bhangale, T., Graham, R.R., Huttenlocher, J., Bjornsdottir, G., Andreassen, O.A., Jönsson, E.G., Palotie, A., Behrens, T.W., Magnusson, O.T., Kong, A., Thorsteinsdottir, U., Watts R.J., Stefansson, K. (2012). A mutation in APP protects against Alzheimer’s disease and age-related cognitive decline. Nature, 488, 96–9. DOI: doi:10.1038/nature11283.
  • Komor, A.C., Kim, Y.B., Packer, M.S., Zuris, J.A. & Liu, D.R. (2016). Programmable editing of target base in genomic DNA without double-stranded DNA cleavage. Nature, 533, 420-424. DOI: 10.1038/nature17946.
  • Liang, P., Xu, Y., Zhang, X., Ding, C., Huang, R., Zhang, Z., Lv, J., Xie, X., Chen, Y., Li, Y., Sun, Y., Bai, Y., Songyang, Z., Ma, W., Zhou, C., Huang, J. (2015). CRISPR/Cas9-mediated gene editing in human tripronuclear zygotes. Protein & Cell, 6 (5), 363-372. DOI: 10.1007/s13238-015-0153-5
  • Miller, G. (2012). Gene Mutation Protects Against Alzheimer's. http://www.sciencemag.org/news/2012/07/gene-mutation-protects-against-alzheimers geraadpleegd op 21 januari 2017.
  • Moreno, A.M., Mali, P. (2017). Therapeutic genome engeneering via CRISPR-Cas systems. WIREs Systems biology and Medicine, 1380. DOI: 10.1002/wsbm.1380.
  • O´Brien, R.J., Wong, P.C. (2011). Amyloid Precursor Protein Processing and Alzheimer´s Disease. Annual Review of Neuroscience, 34, 185-204. DOI: 10.1146/annurev-neuro-061010-113613
  • Paquet, D., Kwart, D., Chen, A., Sproul, A., Jacob, S., Teo, S., Olsen, K.M., Gregg, A., Noggle, S., Tessier-Lavigne, M. (2016). Efficient introduction of specific homozygous and heterozygous mutations using CRISPR/Cas9. Nature, 533, 125–129. DOI:10.1038/nature17664.
  • Poudel, B. (2015). Sustainable Agriculture. What is CRISPR Cas9 system? https://agristudentbikash.wordpress.com/2015/09/10/what-is-crispr-cas9-system/ geraadpleegd op 21 januari 2017.
  • Reitz, C., Mayeux, R. (2014). Alzheimer disease: Epidemiology, diagnostic criteria, risk factors and biomarkers. Biochemical Pharmacology, 88 (4), 640-651. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.bcp.2013.12.024
  • Sander, J.D., Joung, J.K. (2014). CRISPR-Cas systems for editing, regulating and targeting genomes. Nature Biotechnology 32, 347–355. DOI: 10.1038/nbt.2842.
  • Senís, E., Fatouros, C., Große, S., Wiedtke, E., Niopek, D., Mueller, A.K., Börner, K., Grimm, D. (2014). CRISPR/Cas9-mediated genome engineering: an adeno-associated viral (AAV) vector toolbox. Biotechnology Journal, 9(11):1402-12. DOI: 10.1002/biot.201400046. Epub 2014 Oct 6.
  • Shugart, J. (z.d.). Neuroscientists Probe CRISPR Transgenics and Treatment Paradigms. Biomedical Research Forum, LLC. http://www.alzforum.org/news/research-news/neuroscientists-probe-crispr-transgenics-and-treatment-paradigms geraadpleegd op 24 april 2017.
  • The Doudna Lab. (2012). CRISPR systems in prokaryotic immunity. http://rna.berkeley.edu/crispr.html geraadpleegd op 18 januari 2017.
  • Tschaharganeh, D.F., Lowe, S.W., Garippa, R.J., Livshits, G. (2016). Using CRISPR/Cas to study gene function and model disease in vivo. The Febs Journal, 283(17), 3194-3203. DOI: 10.1111/febs.13750.
  • Ullah, N., Khan, N.M., Ullah, W. (2015). Alzheimer’s disease, Epidemiology, causes, diagnosis and novel treatments: A review. International Journal of Basic Medical Sciences and Pharmacy, 5(2), 2049-4963.
  • U.S. National Library of Medicine (2017). APP Gene. Amyloid Precursor Protein. Genetic home reference. https://ghr.nlm.nih.gov/gene/APP#conditions geraadpleegd op 18 januari 2018.
  • Weggen, S., Beher, D. (2012). Molecular consequences of amyloid precursor protein and presenilin mutations causing autosomal-dominant Alzheimer's disease. Alzheimer's Research & Therapy, 4(9). DOI: 10.1186/alzrt107.

Mogelijk antwoordmodel bij debat

  • Het arrangement Vakinhoudelijk onderzoek: Vertaling naar het onderwijs is gemaakt met Wikiwijs van Kennisnet. Wikiwijs is hét onderwijsplatform waar je leermiddelen zoekt, maakt en deelt.

    Auteur
    Bart Stoop
    Laatst gewijzigd
    2017-06-26 13:56:34
    Licentie

    Dit lesmateriaal is gepubliceerd onder de Creative Commons Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie. Dit houdt in dat je onder de voorwaarde van naamsvermelding en publicatie onder dezelfde licentie vrij bent om:

    • het werk te delen - te kopiëren, te verspreiden en door te geven via elk medium of bestandsformaat
    • het werk te bewerken - te remixen, te veranderen en afgeleide werken te maken
    • voor alle doeleinden, inclusief commerciële doeleinden.

    Meer informatie over de CC Naamsvermelding-GelijkDelen 3.0 Nederland licentie.

    Aanvullende informatie over dit lesmateriaal

    Van dit lesmateriaal is de volgende aanvullende informatie beschikbaar:

    Leerniveau
    VWO 4;
    Leerinhoud en doelen
    Eiwitsynthese; Biologische eenheid; Biologie; Instandhouding; Transcriptie en translatie; DNA; DNA als universele drager van genetische informatie;
    Eindgebruiker
    leerling/student
    Moeilijkheidsgraad
    gemiddeld
    Studiebelasting
    5 uur 0 minuten
    Trefwoorden
    leerlijn, rearrangeerbare, rearrangeerbare leerlijn

    Gebruikte Wikiwijs Arrangementen

    VO-content Biologie. (2021).

    Module: DNA technologie - v456

    https://maken.wikiwijs.nl/63291/Module__DNA_technologie___v456

  • Downloaden

    Het volledige arrangement is in de onderstaande formaten te downloaden.

    Metadata

    LTI

    Leeromgevingen die gebruik maken van LTI kunnen Wikiwijs arrangementen en toetsen afspelen en resultaten terugkoppelen. Hiervoor moet de leeromgeving wel bij Wikiwijs aangemeld zijn. Wil je gebruik maken van de LTI koppeling? Meld je aan via info@wikiwijs.nl met het verzoek om een LTI koppeling aan te gaan.

    Maak je al gebruik van LTI? Gebruik dan de onderstaande Launch URL’s.

    Arrangement

    IMSCC package

    Wil je de Launch URL’s niet los kopiëren, maar in één keer downloaden? Download dan de IMSCC package.

    Voor developers

    Wikiwijs lesmateriaal kan worden gebruikt in een externe leeromgeving. Er kunnen koppelingen worden gemaakt en het lesmateriaal kan op verschillende manieren worden geëxporteerd. Meer informatie hierover kun je vinden op onze Developers Wiki.

  • Gebruik
    Weergave
  • Wikiwijs is een dienst van