door Liesbeth Koenen ©
02-1998, nr. 46
Akademie Nieuws

Dr. Fred van Leeuwen van het Herseninstituut over Alzheimer en het GAGAG-motief

“Het zit niet in de genen”

Alle media zijn erop gesprongen, maar nu het complete verhaal achter de Science-publicatie over het ontstaan van Alzheimer. Dr. Fred van Leeuwen over streepjescodes, Radio-gaga van Queen, en het topje van de ijsberg.

Vier jaar lang heeft dr. Fred van Leeuwen stijf zijn mond dicht moeten houden, en nu golft de publiciteit in volle heftigheid over hem heen.

De neurobioloog die al sinds 1974 bij het Nederlands Instituut voor Hersenonderzoek (NIH) van de KNAW werkt, lijkt er een tikje beduusd van, maar de trots overheerst toch voorlopig. Niet zo gek. Het gebeurt niet vaak dat Nederlands onderzoek de cover haalt van Science, waarschijnlijk het prestigieuste wetenschappelijk tijdschrift ter wereld. Een groep onderzoekers onder Van Leeuwens leiding kreeg dat vorige maand voor elkaar.

En het ging ook nog over een onderwerp waarvan iedereen kan zien dat het belangrijk is: het ontstaan van de ziekte van Alzheimer, de belangrijkste veroorzaker van dementie.

Alle media sprongen er dus op, voor Van Leeuwen (48) een soort snelcursus ‘onderzoek uitleggen aan leken’. “Toen ik in de TROS-nieuwsshow zei dat je het erfelijk materiaal van mensen kunt zien als een streepjescode die bestaat uit drie miljard streepjes, en dat er iets fout ging bij het aflezen konden ze zich er iets bij voorstellen,” vertelt hij.

De krantenkoppen spraken onder meer van DNA dat een leesbril nodig heeft, over vertaalfouten en over boodschappers die de schuld kregen. “‘Vertaalfout’, zoals de NRC schreef, is niet goed,” zegt Van Leeuwen, “Trouw had ‘klein leesfoutje met grote gevolgen’. ‘Leesfout’ drukt inderdaad het beste uit waar het om gaat.”

Koffie en borrels

Waar gaat het om? Om dat te begrijpen moeten we allereerst terug in de geschiedenis. Naar het begin van de jaren zestig, Amerika, Vermont, het plaatsje Brattleboro. Van Leeuwen: “In 1961 ontdekte een gepensioneerde wetenschapper daar wat we nu de Brattleboro-rat noemen. Het is een rattenstam met een genetische afwijking, die tot gevolg heeft dat de hersenen van die ratjes geen vasopressine kunnen maken.”

En dat heeft vergaande consequenties. Vasopressine is een neuropeptide, een soort hormoon, dat onder meer zorgt dat water in het lichaam niet rechtstreeks van de nieren doorstroomt naar de blaas.

Bij de Brattleboro-ratten gebeurt dat wel. Daarom drinken ze aan een stuk door, en elke dag plassen ze maar liefst zeventig procent van hun lichaamsgewicht uit.

Overigens maken ook mensenhersens vasopressine aan, zoals iedereen na een paar koppen koffie of een paar borrels kan constateren: cafeïne en alcohol remmen de werking van vasopressine, met als gevolg een snellere doorstroming dan anders.

Hoewel het gen dat verantwoordelijk is voor de vasopressineaanmaak defect is bij Brattleboro-ratten, trof Van Leeuwen in de jaren tachtig toch hele kleine beetjes van het bewuste stofje in hun hersenen aan.

De hoeveelheid bleek te groeien naarmate de ratten ouder waren, al werd het nooit zoveel dat hun waterhuishouding er zichtbaar beter door ging functioneren.

“Dat was heel opmerkelijk,” zegt Van Leeuwen, “bij hun geboorte is er geen spoor van te vinden, maar tijdens hun leven blijken die ratten alsnog in staat vasopressine te maken.”

Hoe kon dat? “Eerst dachten we dat het het gevolg was van spontane veranderingen (mutaties) in het DNA. Maar die ontstaan hoofdzakelijk bij het delen van cellen, en hersencellen (of neuronen) kunnen nu eenmaal niet delen.”

Bouwstenen

Wat hersencellen wel kunnen, en ook aldoor doen, is grote hoeveelheden eiwitten produceren. Dat is van immens belang voor het goed functioneren van zenuwcellen. Neuropeptiden als vasopressine zijn kleine eiwitten.

Voor het maken van een eiwit moeten er instructies gegeven worden aan de celonderdelen waar het in elkaar gezet wordt. Die ‘assemblage’ vindt plaats op de ribosomen, waarvan er in elke cel een hele hoop zitten. De instructies voor de volgorde van de  bouwstenen (de aminozuren) die samen het eiwit gaan vormen, ontvangen die ribosomen van het zogeheten ‘boodschapper-RNA’, dat zelf wordt afgelezen van het DNA.

Dat boodschapper-RNA moet de juiste ‘tekst’ bevatten, die uit slechts vier verschillende letters is opgebouwd: A, C, G  en U. Die letters zijn in werkelijkheid de afkorting van vier verschillende zogeheten ‘basen’ (bepaalde organische verbindingen) die als ketens (de ‘tekst’) in het DNA liggen, en samen de genetische code vormen.

Het boodschapper-RNA geeft dus de juiste lettercombinaties door aan de ribosomen, die op basis daarvan hun eiwitten maken.

Het vervolgonderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met Peter Burbach van het Rudolf Magnus-instituut in Utrecht. Van Leeuwen: “Wat er bij die Brattleboro-ratten gebeurde was wel een mutatie, maar dan in het RNA.. De resultaten konden we alleen maar verklaren door een ‘leesfout’ van het boodschapper-RNA. Een fout die zorgde dat weer goed kwam. Puur toeval.”

Radio-gaga

Verkeerd afgelezen instructies leidden dus per ongeluk tot correcte instructies, waardoor er toch vasopressine gemaakt kon worden.

Men ging op zoek naar waar de fout precies zat, welke letters werden verkeerd afgelezen? “Het bleek hem te zitten in het GAGAG-motief,” vertelt Van Leeuwen, “uit een stukje code dat oorspronkelijk die repeterende volgorde had, viel geregeld een ‘GA’ weg. Met als gevolg dus die toevallige correctie. Toen zijn we verder gaan denken.”

“Als via deze weg op zichzelf correct erfelijk materiaal veranderd kan worden, dan kan dat natuurlijk ook fout uitpakken. Een verandering ten kwade, in plaats van ten goede. Maar dat GAGAG-motief  – we hebben hier vaak gedacht aan dat liedje van Queen, All you hear is Radio-gaga – zit ook in andere genen.”

De brainwave kwam tijdens een middag praten met Peter Burbach. Zouden RNA-mutaties misschien ook voorkomen in genen die betrokken zijn bij de ziekte van Alzheimer?

De oorzaak van Alzheimer is grotendeels een raadsel. Dat oplossen zou kunnen helpen een medicijn te ontwikkelen, en daar komt steeds meer behoefte aan. Nu al zijn er waarschijnlijk twintig miljoen mensen op de wereld die er aan lijden, waarvan 130.000 in Nederland, en meestal lijdt hun hele omgeving mee.

En naarmate er meer en oudere bejaarden komen, komen er ook meer demente bejaarden. Voorzichtige schatting van de kosten op dit moment voor Nederland: dertien miljard gulden per jaar.

Verschrompelen

Nu wordt er natuurlijk al heel veel jaar intensief onderzoek naar Alzheimer gedaan, en dat heeft een aantal interessante gegevens  opgeleverd.

Maar nog steeds kan Alzheimer alleen na iemands dood met zekerheid vastgesteld worden: pas dan kun je in de hersenen (vooral in frontale hersenschors waarmee je ‘plant’, en in de hippocampus die van cruciaal belang is voor het geheugen) de karakteristieke plaques en tangles zien.

Dat zijn eiwitophopingen in de hersencellen, die het functioneren van die cellen bemoeilijken. De meeste gaan niet dood, maar ze ‘verschrompelen’, worden inactief en verliezen hun verbindingen met andere cellen.

Des te meer een ramp omdat er in de hersenen, anders dan elders, nooit nieuwe cellen aangemaakt kunnen worden. Neuronen kunnen immers niet delen.

Alzheimerpatiënten worden door die aangetaste hersencellen soms totaal andere mensen. Niet alleen vergeten ze de vreemdste dingen (ze kennen vaak hun kinderen niet meer, maar kunnen zich ook niet meer aankleden), ze krijgen dikwijls ook een heel ander karakter. De ernst van de dementie kan erg verschillen, en er is aangetoond dat die samenhangt met de hoeveelheid tangles.

Van Leeuwen: “De afgelopen tijd is het meeste Alzheimer-onderzoek gericht geweest op de erfelijke vormen. Dat is overigens maar bij tien procent van de gevallen zo, zo’n zeventig procent zijn wat we, nogal verwarrend ‘sporadische gevallen’ noemen. Maar in die families kun je rond je dertigste al kans lopen te dementeren.”

“Men zoekt de oorzaak van Alzheimer in mutaties van het DNA, van de genen. Tien jaar geleden is uitgezocht dat in de plaques een eiwit voorkomt dat afgekort β-APP heet.”

“De Baptisten, zoals we ze dus noemen, geloven heilig dat daar het hele probleem zit: ze stellen dat eiwit centraal, denken dat het toxisch is en dat daardoor de plaques en tangles ontstaan, waarna de hersencellen doodgaan.”

“Er zijn in sommige families ook mutaties voor gevonden, maar men is in die jaren niet zoveel verder gekomen. En er zijn een paar problemen: dat eiwit vind je soms ook bij niet-dementen, en soms was iemand wel dement, maar wordt er geen β-APP aangetroffen, bovendien gaan de neuronen meestal niet dood. Naast de Baptisten heb je trouwens ook nog de Tauïsten, voor wie de sleutel ligt in een eiwit dat τ, de Griekse letter ‘tau’ heet.”

Meteen raak

“Wij zijn gaan kijken naar dat β-APP, en nog een eiwit waarvan we wisten dat het geassocieerd was met Alzheimer: ubiquitine. In alle twee bleek het GAGAG-motief voor te komen.”

“Maar zouden die soms ook diezelfde leesfout opleveren? Daar kom je achter met behulp van antilichamen. Hoe dat gaat? Nou, je laat een firma het ‘verkeerde’, dus door de mutatie voorspelde, eiwit maken, dat spuit je in in konijnen, en die maken dan antilichamen. Die kun je eruit halen, en dan heb je een serum dat je op de dunne coupes van Alzheimer-patiënten kunt druppelen. Dan kun je zo zien of de plaques en tangles dat verkeerde eiwit bevatten. Nou, het was meteen raak.”

De afwijkende eiwitten zaten er. En toen kwamen het grote zwijgen en de noeste arbeid. Van Leeuwen: “We concludeerden: het moet een leesfout zijn. Want het DNA van de twee genen die coderen voor die eiwitten is goed. Dus moet er in de tussenliggende stap iets verkeerd zijn gegaan. Maar om de boodschap ‘het zit niet in de genen’ met overtuiging te kunnen brengen, moesten we heel zorgvuldig tewerk gaan.”

“Vier jaar lang zijn we bezig geweest. Duizenden coupes heb ik drie keer bekeken, om helemaal zeker te zijn. We hebben ook  een hele grote groep onderzocht. Meestal kijk je naar vier, vijf patiënten, wij hebben de hersenen van uiteindelijk veertig mensen bekeken: Alzheimer-patiënten die in een vroeg stadium en anderen die in een laat stadium van de ziekte waren, niet-demente bejaarde ‘controles’, en een aantal Downsyndroom-patiënten, van wie bekend is dat ze veertig jaar eerder Alzheimer ontwikkelen.”

“Bij allemaal hadden de afwijkende eiwitten zich opgehoopt in de zenuwcellen van de hippocampus en een aantal andere hersengebieden. Een score van honderd procent! Alleen bij jonge hersenen, en in één van Downpatiënten vonden we ze niet, maar die patiënt was volgens de verpleeghuisarts ook niet dement geweest.”

Behalve bij het Herseninstituut is het onderzoek uitgevoerd aan de universiteiten van Nijmegen, in samenwerking met Gerard Martens, en in Rotterdam samen met Frank Grosveld. “Dat had als voordeel dat er korte lijnen waren, waardoor er veel interactie was,” zegt Van Leeuwen. “Maar het was ook met het oog op belangen die op de langere termijn spelen. En er gaat een boel geld om in die wereld, de belangen zijn echt groot. Je moet dus uitkijken.”

“Soms ben je je gegevens al kwijt als je ze ter beoordeling opstuurt. En je kunt bepaalde dingen wel patenteren, maar vaak gaat het om een idee dat iedereen met de snelle technieken van tegenwoordig kan uitvoeren.”

Andersom

De eerste contacten met de industrie zijn inmiddels gelegd, maar ondertussen loopt ook het onderzoek verder naar de beantwoording van een belangrijke vraag. Wanneer je consequent verkeerde eiwitten vindt, juist in de afwijkingen van de hersenen waarvan je zeker weet dat ze alles met Alzheimer te maken hebt, dan ben je geneigd te denken: hier ligt een causaal verband.

Het boodschapper-RNA heeft leesfouten gemaakt, met als gevolg die plaques en tangles, met als gevolg daar weer van Alzheimer. Maar het kan natuurlijk ook andersom zijn: dat de leesfouten een gevolg zijn van Alzheimer, niet de oorzaak. V

an Leeuwen: “We gaan dat hele proces nu nabootsen in transgene muizen, waarin een menselijk gen is aangebracht. Ze zijn al geboren. En daarnaast kun je ook ‘in vitro’ experimenteren, met behulp van een cellijn waarin het afwijkende gen is aangebracht. Dat gebeurt in Nijmegen.”

Maar Van Leeuwen is optimistisch over de uitkomst. Bijvoorbeeld omdat de ‘GA-deletie’ ook in de hersenen van niet-demente bejaarden voorkomt. Daar zou ook een eerste toepassing kunnen liggen: de foute eiwitten zouden heel goed een vroege ‘markeerder’ kunnen blijken te zijn. “Al kun je er maar mee vaststellen dat iemand géén Alzheimer aan het ontwikkelen is,” zegt Van Leeuwen. Maar weten wat er fout gaat is natuurlijk de eerste stap richting ‘voorkomen dat het fout gaat’.

Nog meer aanwijzingen in de goede richting komen van andere patiëntengroepen: die met Multiple Sclerose en Parkinson. Allebei ziektes die wel het zenuwstelsel aantasten, maar waar je meestal niet van dementeert. Er werd geen afwijkend β-APP of ubiquitine aangetroffen.

Proofreading

Dat sluit overigens niet uit dat MS of Parkinson zou kunnen samenhangen met leesfouten in andere boodschapper-RNA’s. Er zijn immers heel veel meer genen dan β-APP en ubiquitine.

Dat op die manier überhaupt genen ineens ‘fout’ tot expressie kunnen komen, is buitengewoon interessant. Misschien wel het interessantste resultaat van al Van Leeuwens onderzoek. “Het mechanisme waardoor dat GA eruitvalt kennen we niet,” zegt hij, “maar daar willen we wel naar gaan kijken. We weten inmiddels dat naarmate de code vaker en sneller wordt afgelezen, het aantal fouten toeneemt.”

“Voor het DNA  heb je wat we ‘proofreading’ noemen, een soort kwaliteitscontrole die ook in de loop van een leven afneemt. Misschien is er ook een dergelijk mechanisme bij het RNA. En het lijkt erop dat het RNA zich een beetje verslikt in die repeterende patronen.”

En daar wordt nu ook al verder naar gezocht. Het GAGAG-motief kan zo ongeveer overal zitten. Het is inmiddels ook aangetroffen in een gen dat betrokken is bij het onderdrukken van kanker (een tumorsurpressorgen). En ubiquitine bevat naast GAGAG- ook CTCT-motieven, weer zo’n zichzelf herhalend patroon. “Daar zie je dezelfde fout: soms valt er een CT uit,” vertelt Van Leeuwen.

“Dat ubiquitine is een heel interessant molecuul,” gaat hij verder. “Het heeft te maken met het opruimen van afvalproducten. In het begin blijft dat wel goed gaan, maar als de cel te veel opgevuld raakt met verkeerde eiwitten dan gaat hij waarschijnlijk minder functioneren.”

“En dat klopt met het ziekteverloop tijdens Alzheimer: dat duurt vijf à tien jaar. Enfin, er is ongelooflijk veel te onderzoeken, zelfs zoveel dat we het niet allemaal zelf kunnen behappen. Alhoewel er in samenwerking met anderen veel valt uit te voeren. Die motieven zouden inderdaad wel eens het topje van de ijsberg kunnen zijn.”