Tandem-herhaling: de stotterende stukjes in ons DNA
Stel je een boek voor waarin een zin per ongeluk een paar keer achter elkaar wordt afgedrukt: "de-de-de-de kat zat op de mat". Zoiets gebeurt ook in ons DNA. Een tandem-herhaling is een stukje erfelijk materiaal dat, zonder duidelijke reden, meerdere keren achter elkaar wordt gekopieerd. Het woord "tandem" verwijst naar het feit dat de kopieën direct na elkaar staan, net als de zadels op een tandem-fiets.
Dit soort herhalingen komt overal in het menselijk genoom voor en is meestal onschuldig: het is een van de redenen waarom ieder mens een uniek DNA-profiel heeft, wat forensisch onderzoekers gebruiken om daders te identificeren. Maar soms groeit zo'n herhaling ongecontroleerd door, en dat kan ernstige erfelijke ziekten veroorzaken, zoals de ziekte van Huntington. Juist die combinatie van onschadig en gevaarlijk maakt tandem-herhalingen een belangrijk onderwerp in genetisch onderzoek, diagnostiek en, steeds vaker, in nieuwe gentherapieën.
Wat is het precies?
Het DNA in onze cellen bestaat uit een lange reeks van vier soorten "letters": A, C, G en T. Normaal gesproken lijkt die volgorde op een lopende tekst zonder veel herhaling. Op sommige plekken in het genoom staat echter een kort stukje tekst, bijvoorbeeld "CAG", dat meerdere keren achter elkaar wordt herhaald: CAG-CAG-CAG-CAG. Dat hele blokje noemen wetenschappers een tandem-herhaling.
Er zijn verschillende soorten, ingedeeld naar de lengte van het herhaalde stukje. Bij microsatellieten (ook wel short tandem repeats of STR's genoemd) is het herhaalde motief maar één tot zes letters lang. Bij minisatellieten is het motief langer, tot enkele tientallen letters. Beide typen kunnen tientallen tot honderden keren worden herhaald.
Hoe ontstaan deze herhalingen? Tijdens het kopiëren van DNA, vlak voordat een cel zich deelt, kan het kopieer-apparaat van de cel (een enzym genaamd DNA-polymerase) even "uitglijden" op zo'n repeterend stukje. Dat heet replication slippage (verglijding tijdens replicatie). Het gevolg is dat er per ongeluk een paar extra kopieën worden toegevoegd, of juist een paar worden overgeslagen. Bij de meeste tandem-herhalingen blijft dit binnen onschuldige marges. Maar bij een klein aantal specifieke plekken in het genoom kan het aantal herhalingen van generatie op generatie steeds verder oplopen, tot het een kritieke drempel overschrijdt en een gen niet meer goed functioneert. Dat mechanisme ligt aan de basis van meer dan vijftig bekende erfelijke aandoeningen, waaronder de ziekte van Huntington, fragiele X-syndroom en myotone dystrofie.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers en artsen hebben om drie hoofdredenen belangstelling voor tandem-herhalingen. Ten eerste diagnostiek: door precies te meten hoeveel keer een riskant stukje DNA is herhaald, kun je vaststellen of iemand een repeat-expansieziekte heeft of zal ontwikkelen, soms al voordat er symptomen zijn.
Ten tweede identificatie: omdat het aantal herhalingen op bepaalde STR-plekken van persoon tot persoon sterk verschilt, maar niet ziekmakend is, vormen deze plekken de basis van forensisch DNA-onderzoek en vaderschapstests. Elk mens heeft een min of meer unieke combinatie van herhalingslengtes op een set van quasi twintig standaardlocaties.
Ten derde, en dat is het meest toekomstgerichte doel: therapie. Als een te lange herhaling de oorzaak is van een ziekte, kun je in theorie proberen die herhaling in te korten, uit te schakelen of te compenseren met gentherapie. Dat is precies waar veel actueel onderzoek zich op richt, gedreven door de opkomst van precieze gen-editing technieken zoals CRISPR.
Voorbeelden uit de praktijk
CODIS en forensisch DNA-onderzoek (sinds jaren negentig, VS): De FBI gebruikt al sinds 1998 een database genaamd CODIS, gebaseerd op de lengte van dertien tot twintig STR-tandem-herhalingen, om DNA-sporen van plaatsen delict te vergelijken met verdachten. Vrijwel elk forensisch laboratorium ter wereld gebruikt inmiddels een vergelijkbare methode.
Diagnostiek van de ziekte van Huntington: Sinds de ontdekking van het HTT-gen in 1993 kunnen laboratoria met een eenvoudige test het aantal CAG-herhalingen in dit gen tellen. Bij gezonde mensen zijn dat er doorgaans minder dan 36; bij patiënten met Huntington vaak 40 of meer. Deze test wordt wereldwijd gebruikt, ook voor prenatale en presymptomatische diagnostiek.
Lange-lees-sequencing door Oxford Nanopore en PacBio (2019-heden): Klassieke DNA-sequencers hadden moeite om lange, sterk herhalende stukken DNA nauwkeurig te lezen. Nieuwere "long-read"-technologieën van bedrijven als Oxford Nanopore Technologies en Pacific Biosciences (PacBio) kunnen inmiddels tienduizenden letters in één stuk aflezen, waardoor artsen en onderzoekers voor het eerst betrouwbaar zeer lange repeat-expansies in kaart kunnen brengen, iets dat eerder vaak werd gemist.
Onderzoek naar CRISPR-gebaseerde therapie voor Friedreich's ataxie (2020-2023): Onderzoeksgroepen, onder andere aan de University of Texas Southwestern Medical Center onder leiding van moleculair bioloog David Corey, hebben in celkweek en diermodellen geëxperimenteerd met CRISPR-technieken om de GAA-tandem-herhaling die deze zeldzame zenuwaandoening veroorzaakt, in te korten. Dit werk bevindt zich nog in een pre-klinische fase.
Ontdekking van nieuwe repeat-expansieziekten via genoombrede scans (2020-2024): Met behulp van grote biobanken, zoals de Britse UK Biobank, en verbeterde computeranalyse hebben onderzoeksteams de afgelopen jaren meerdere nieuwe tandem-herhalingen geïdentificeerd die gekoppeld zijn aan zeldzame neurologische aandoeningen, iets dat met oudere technieken niet mogelijk was.
Hoe ver is de techniek?
Op het gebied van diagnostiek is de techniek volwassen. Het meten van bekende tandem-herhalingen voor forensisch werk of voor de diagnose van aandoeningen als Huntington gebeurt al decennia in reguliere laboratoria en is goed gestandaardiseerd.
Het opsporen van nieuwe of zeer lange herhalingen met long-read sequencing is jonger en volop in ontwikkeling. Deze apparatuur wordt sinds ongeveer 2020 steeds vaker in onderzoeks- en referentiecentra gebruikt, maar is nog niet overal in de reguliere kliniek de standaard, vooral vanwege kosten en de nog beperkte hoeveelheid gevalideerde software om de resultaten te interpreteren.
Therapeutisch gezien staat het veld nog in een vroeg stadium. Er lopen enkele klinische studies met gentherapieën voor repeat-expansieziekten, zoals experimentele behandelingen voor myotone dystrofie en Huntington, maar een goedgekeurde CRISPR-gebaseerde therapie die specifiek een tandem-herhaling inkort, bestaat op dit moment niet. De grootste obstakels zijn het veilig en precies bereiken van de juiste cellen (met name hersencellen, die lastig toegankelijk zijn), het risico op ongewenste DNA-veranderingen elders in het genoom, en de vraag hoe lang een eventuele correctie stand houdt.
Wie werken eraan?
Op diagnostisch vlak zijn sequencingbedrijven als Illumina, Oxford Nanopore Technologies en Pacific Biosciences (PacBio) toonaangevend, naast forensische instanties zoals de Amerikaanse FBI (beheerder van CODIS) en Europese equivalenten zoals het Nederlands Forensisch Instituut.
Op onderzoeksgebied lopen academische centra voorop, waaronder Baylor College of Medicine (bekend om ontdekkingen van nieuwe repeat-ziekten), het Broad Institute (VS), University of Texas Southwestern, en diverse Europese universiteiten die aangesloten zijn bij internationale Huntington- en ataxie-onderzoeksnetwerken.
Op het gebied van gentherapie zijn bedrijven als Intellia Therapeutics, CRISPR Therapeutics en Sangamo Therapeutics actief met CRISPR- en zink-vinger-gebaseerde technieken, al richten hun meest gevorderde programma's zich vooralsnog vaker op andere typen erfelijke ziekten dan op tandem-herhalingen specifiek. Overheidsfinanciering, onder meer via de Amerikaanse National Institutes of Health (NIH) en Europese onderzoeksprogramma's, blijft een belangrijke motor achter het fundamentele onderzoek.