Reverse transcriptase: hoe RNA wordt teruggeschreven naar DNA

Stel je een bibliotheek voor met kostbare, unieke archiefdocumenten die nooit de deur uit mogen. Om er toch mee te kunnen werken, maakt de bibliotheek werkkopieën die overal mee naartoe mogen. Normaal gesproken gaat informatie in een cel dezelfde kant op: van het archief (DNA) naar de werkkopie (RNA). Reverse transcriptase doet het tegenovergestelde. Dit is een enzym — een eiwit dat een chemische reactie versnelt — dat een werkkopie (RNA) weer terugschrijft naar een archiefversie (DNA). Het zet dus de normale leesrichting van het leven om.

Dat klinkt misschien als een obscuur detail uit een biologieboek, maar reverse transcriptase is een van de belangrijkste enzymen in de moderne biotechnologie en geneeskunde. Het speelt een sleutelrol bij virussen zoals hiv, het is de basis van vrijwel elke coronatest die tijdens de pandemie is afgenomen, en het vormt tegenwoordig zelfs een bouwsteen van nieuwe technieken om DNA gericht te repareren. In dit artikel leggen we uit wat het precies is, wat onderzoekers ermee willen bereiken, en hoe ver de wetenschap inmiddels is.

Wat is het precies?

Om reverse transcriptase te begrijpen, moet je eerst het verschil tussen DNA en RNA kennen. DNA is het permanente, dubbelstrengs erfelijk materiaal in de kern van een cel: het bevat alle bouwtekeningen van een organisme. RNA is een enkelstrengs, tijdelijke kopie van een stukje van die bouwtekening, die de cel gebruikt om bijvoorbeeld eiwitten te maken. De normale stroom van informatie loopt van DNA naar RNA; dit proces heet transcriptie.

Reverse transcriptase keert dat proces om: het leest een RNA-molecuul en bouwt daar een bijpassende DNA-streng bij, een proces dat reverse transcriptie heet. Het resulterende DNA wordt vaak cDNA genoemd (complementair DNA), omdat de basenvolgorde complementair is aan die van het oorspronkelijke RNA.

Dit enzym komt van nature voor in retrovirussen, een virusfamilie waar ook hiv toe behoort. Deze virussen slaan hun erfelijke informatie op als RNA, maar moeten die eerst omzetten in DNA voordat ze die kunnen inbouwen in het DNA van de gastheercel. Reverse transcriptase is precies het gereedschap waarmee ze dat doen. Ook in het menselijk genoom zelf komt reverse transcriptase-achtige activiteit voor: zogeheten retrotransposons, zoals de LINE-1-elementen, zijn stukjes DNA die zichzelf via een RNA-tussenstap kunnen kopiëren en elders in het genoom opnieuw invoegen. Daarnaast gebruikt het enzym telomerase — dat de uiteinden van chromosomen (telomeren) beschermt en verlengt — een vergelijkbaar reverse-transcriptase-mechanisme.

Een belangrijk kenmerk van de meeste reverse transcriptases is dat ze, in tegenstelling tot de DNA-kopieerenzymen van cellen zelf, doorgaans geen ingebouwde foutcontrole hebben (in vaktaal: proofreading). Daardoor maakt het enzym relatief vaak kopieerfouten. Bij virussen zoals hiv draagt dit bij aan hun snelle mutatiesnelheid, wat verklaart waarom deze virussen zich zo makkelijk aanpassen en resistentie tegen medicijnen kunnen ontwikkelen.

Wat wil men ermee bereiken?

Onderzoekers en artsen hebben om drie hoofdredenen grote belangstelling voor reverse transcriptase. Ten eerste is het een aantrekkelijk doelwit voor medicijnen: omdat mensen zelf dit enzym niet gebruiken om hun DNA te maken, kan een geneesmiddel dat reverse transcriptase blokkeert een virus als hiv remmen zonder de eigen cellen al te veel te schaden.

Ten tweede is het enzym onmisbaar geworden als laboratoriumgereedschap. Omdat RNA lastig te bewerken en te vermenigvuldigen is, zetten wetenschappers het eerst om in stabieler cDNA met behulp van reverse transcriptase. Dat cDNA vormt de basis voor talloze technieken waarmee onderzoekers nagaan welke genen actief zijn in een cel, hoe virussen zich gedragen, of welke ziekteverwekkers in een monster aanwezig zijn.

Ten derde wordt reverse transcriptase de laatste jaren ingezet als onderdeel van nieuwe geneditie-technologie, waarbij het enzym helpt om gerichte, kleine veranderingen in DNA aan te brengen — met als belofte preciezere en veiligere gentherapie dan eerdere generaties gen-editing.

Voorbeelden uit de praktijk

Het enzym werd in 1970 onafhankelijk van elkaar ontdekt door de Amerikaanse virologen Howard Temin en David Baltimore, die het aantroffen bij retrovirussen zoals het Rous-sarcomavirus en het muizenleukemievirus. Deze ontdekking doorbrak het toenmalige dogma dat genetische informatie alleen van DNA naar RNA kon stromen, en leverde hen in 1975 samen met Renato Dulbecco de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde op.

In 1987 keurde de Amerikaanse geneesmiddelenautoriteit FDA AZT (zidovudine) goed als eerste antiretroviraal medicijn tegen hiv. AZT is een zogeheten nucleoside reverse transcriptase inhibitor (NRTI): het lijkt op een bouwsteen van DNA, wordt door het virale enzym ingebouwd, en blokkeert vervolgens de verdere DNA-synthese. Sindsdien zijn er ook non-nucleoside RT-remmers (NNRTI’s) bijgekomen, en samen vormen RT-remmers nog altijd een kernonderdeel van moderne hiv-combinatietherapie.

Tijdens de coronapandemie vanaf 2020 werd reverse transcriptase wereldwijd bekend bij het grote publiek, zonder dat de meeste mensen het beseften: de gangbare PCR-coronatest is eigenlijk een RT-PCR (of RT-qPCR) test. Omdat SARS-CoV-2 een RNA-virus is, moet het virale RNA uit een neus- of keelmonster eerst met reverse transcriptase worden omgezet in cDNA, voordat het met PCR kan worden vermenigvuldigd en aangetoond.

Een recentere toepassing is prime editing, een gen-editing-techniek die in 2019 werd beschreven door Andrew Anzalone, David Liu en collega’s van het Broad Institute of MIT and Harvard, gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Prime editing combineert een aangepaste, inactieve versie van het bekende gen-editing-eiwit Cas9 (een zogeheten Cas9-nickase, die maar één DNA-streng doorknipt in plaats van twee) met een reverse transcriptase, samen met een speciaal ontworpen gids-RNA (pegRNA). Deze combinatie kan gericht kleine stukjes DNA herschrijven zonder de dubbelstrengs DNA-breuken die bij klassieke CRISPR-Cas9-technieken nodig zijn, wat mogelijk veiliger en preciezer is.

Tot slot draait vrijwel elk moleculair-biologisch laboratorium ter wereld op commercieel geproduceerde reverse transcriptases, zoals de SuperScript-reeks van Thermo Fisher Scientific of ProtoScript en Induro van New England Biolabs (NEB). Deze enzymen zijn onmisbaar voor cDNA-synthese en RNA-sequencing, technieken waarmee onderzoekers in kaart brengen welke genen in een cel actief zijn.

Hoe ver is de techniek?

Reverse transcriptase zelf is, als basistechniek, allerminst nieuw: het wordt al meer dan vijftig jaar bestudeerd en al decennialang routinematig gebruikt in laboratoria en de kliniek. Wat wel nog volop in ontwikkeling is, zijn verbeterde varianten van het enzym: laboratoria en biotechbedrijven werken voortdurend aan thermostabielere versies (die beter bestand zijn tegen hitte) en varianten met hogere nauwkeurigheid, om betrouwbaardere cDNA-synthese en RNA-onderzoek mogelijk te maken.

De meest actieve ontwikkeling vindt momenteel plaats rond prime editing. Sinds de introductie in 2019 zijn er verbeterde versies van het systeem gepubliceerd die efficiënter zouden zijn en minder ongewenste bijwerkingen zouden geven. Toch bevindt deze technologie zich, voor zover bekend op basis van publiek beschikbare informatie tot en met 2024-2025, nog vooral in de preklinische fase en in vroege, kleinschalige klinische studies. Belangrijke obstakels zijn onder meer de beperkte efficiëntie waarmee de gewenste DNA-verandering daadwerkelijk wordt aangebracht, en de vraag hoe je het benodigde editing-systeem betrouwbaar in de juiste cellen en weefsels van het lichaam krijgt (het zogeheten deliveryprobleem). Grootschalige klinische toepassing van prime editing is dan ook nog niet gerealiseerd; wie recente updates zoekt, doet er goed aan de laatste stand van zaken bij gespecialiseerde bronnen te checken, aangezien dit veld snel beweegt.

Wie werken eraan?

Op het gebied van hiv-onderzoek en RT-remmers spelen de Amerikaanse gezondheidsinstituten NIH en het daaronder vallende NIAID (National Institute of Allergy and Infectious Diseases) van oudsher een leidende rol, samen met farmaceutische bedrijven als Gilead Sciences, ViiV Healthcare (een joint venture gericht op hiv-behandelingen) en Merck, die diverse antiretrovirale middelen ontwikkelen en op de markt brengen.

Op het gebied van prime editing is het onderzoek sterk verbonden met het Broad Institute of MIT and Harvard in de Verenigde Staten en het laboratorium van bioloog David Liu, waar de techniek is ontwikkeld en verder wordt verfijnd, vaak in samenwerking met academische partners wereldwijd.

Daarnaast leveren gespecialiseerde biotechbedrijven de reverse-transcriptase-enzymen waarmee laboratoria overal ter wereld dagelijks werken. Bekende namen zijn Thermo Fisher Scientific, New England Biolabs (NEB) en Takara Bio, die elk eigen varianten van het enzym produceren en verkopen voor onderzoek naar RNA en gen-expressie.

Verder lezen

• NCBI (National Center for Biotechnology Information) — Amerikaanse databank met wetenschappelijke literatuur en genetische informatie.
• Nature — wetenschappelijk tijdschrift waarin onder meer de oorspronkelijke publicatie over prime editing verscheen.
• New England Biolabs (NEB) — biotechbedrijf met achtergrondinformatie en producten rond reverse transcriptase.
• UniProt — internationale databank met gedetailleerde eiwitinformatie, waaronder reverse transcriptase.
• Nobelprize.org — achtergrond over de Nobelprijs van 1975 voor Temin, Baltimore en Dulbecco.