Ik grijp de stoel vast terwijl de Ferrari abrupt op een kruising stopt en dan ongeduldig spint totdat het licht verandert. Wanneer het opstijgt, voelt het gebrul vreemd extravagant voor de rustige straten van de buitenwijken van Columbus, Ohio.
gerelateerde inhoud
- Een triomf in de oorlog tegen kanker
- Gentherapie in een nieuw licht
- De 'geheime joden' van San Luis Valley
De bestuurder is Carlo Croce, een 64-jarige Italiaanse wetenschapper met een grote stem, warrig krullend haar en expressieve donkere ogen. Hij leidt het Human Cancer Genetics Program aan de Ohio State University, en zijn zilveren Scaglietti Ferrari is een passend symbool van zijn benadering van de wetenschap: groots, krachtig en tegenwoordig vooral knetterend heet.
Croce, die opgroeide in Rome als het enige kind van een vader van een werktuigbouwkundig ingenieur en een moeder van een huisvrouw, ging naar de medische school aan de Universiteit van Rome en kwam in 1970 naar de Verenigde Staten om kanker te studeren. "Ik dacht dat dit de plek was om in de wetenschap te werken", zegt hij. Croce was een van de eerste wetenschappers die vaststelde dat kanker - de weggelopen groei van cellen die normaal onder controle worden gehouden - kan worden veroorzaakt door genetische veranderingen. Hij heeft specifieke genveranderingen geïdentificeerd die verband houden met long- en slokdarmkanker en met verschillende soorten lymfoom en leukemie.
Collega's zeggen dat Croce opmerkelijke wetenschappelijke instincten heeft. "Als je vijf dingen voor hem uitspreidt, kan hij bijna feilloos degene kiezen die gaat werken", zegt Webster Cavenee, directeur van het Ludwig Institute for Cancer Research in San Diego. "Hij kan iets interessants ruiken, en hij heeft bijna nooit ongelijk."
Het was een paar jaar geleden dat Croce een van de meest verrassende en meest veelbelovende ontdekkingen in het kankeronderzoek begon te snuiven. De ontdekking plaatste hem en zijn medewerkers in de voorhoede van een snelgroeiend veld dat verbeterde technieken belooft voor het diagnosticeren van ziekten en, naar zij hopen, effectievere nieuwe behandelingen. Croce's nieuwste werk maakt inderdaad deel uit van een geheel nieuwe manier van kijken naar genen en hoe het leven zichzelf reguleert. Dat maakt des te opmerkelijker het feit dat zijn inzicht pas kwam nadat hij en zijn collega's op topsnelheid een doodlopende weg waren ingeslagen.
Een van de glorie van de 20e-eeuwse wetenschap was de ontdekking in 1953 van de structuur van het genetische materiaal DNA; het is een lang ladderachtig polymeer dat in een dubbele helix is gedraaid. Elke sport is een keten van chemische verbindingen, basen genoemd, en hun exacte volgorde codeert de instructies van een gen, net als de letters in een woord. In de loop van de decennia, hebben bergen van laboratoriumonderzoek wetenschappers ertoe gebracht om twee basisaannames over genen te maken.
Ten eerste is een gen relatief groot, meestal bestaande uit tienduizenden chemische basen op een rij.
Ten tweede is de belangrijkste taak van een bepaald gen om cellen te instrueren het bijbehorende eiwit te maken. Een eiwit is een groot, gecompliceerd molecuul dat een specifieke functie vervult, afhankelijk van hoe het is gemaakt: het kan onderdeel zijn van een spiervezel of een enzym dat voedsel verteert of een hormoon dat fysiologie regelt, onder vele andere dingen.
Zeker Croce hield deze veronderstellingen vast toen hij in het begin van de jaren negentig op zoek ging naar een gen dat betrokken was bij chronische lymfatische leukemie of CLL. De bloedkanker vult het beenmerg en de lymfeklieren met kankercellen die gezonde cellen van het immuunsysteem verdringen, waardoor het lichaam minder goed in staat is om infecties te bestrijden. Croce had kankercellen van mensen met CLL geanalyseerd en ontdekte dat velen hetzelfde lange segment van DNA misten. Ergens in dat segment, zo redeneerde hij, was een gen cruciaal om te voorkomen dat witte bloedcellen kanker worden.
Gedurende bijna zeven jaar bleven Croce en zijn collega's verschillende delen van die lang verdachte DNA-streng in de gaten houden, nauwgezet de genetische volgorde bepalen, basis voor basis. Ze deden ook talloze experimenten om te testen of de genen CLL konden veroorzaken.
Ze hebben geslagen. "We karakteriseerden elk bloederig gen dat in dat DNA aanwezig was en niets daarvan was het gen" geassocieerd met CLL, herinnert Croce zich. "Ik was erg gefrustreerd." Dat gold ook voor zijn studenten en medewerkers. "Oh, ik heb de levens van een paar mensen verbrand, " voegt Croce eraan toe. Eén onderzoeker stopte helemaal met wetenschap om een graad in bedrijfskunde te behalen.
In 2001 huurde Croce George Calin, een Roemeense gastro-enteroloog, in om het project aan te nemen dat iedereen was gaan haten. "Hij had niets erger in het lab, " grapt Calin.
"Kijk, " zei Croce tegen Calin, "het gen moet daar zijn."
Rond dezelfde tijd begon een nieuw begrip van genetica te circuleren. Vreemd genoeg werd het vergemakkelijkt door een mutante worm die geen eieren kon leggen. Het dier ontmoette een gruwelijk lot: honderden eieren kwamen in zijn lichaam uit, waardoor het openbarstte. Victor Ambros, een ontwikkelingsbioloog toen aan Harvard (nu aan de University of Massachusetts Medical School), bestudeerde de mutatie die verantwoordelijk is voor het genetische defect van de worm. De worm, Caenorhabditis elegans, is een microscopisch wezen dat genetici graag bestuderen omdat het gemakkelijk is om te groeien - het eet gewone bacteriën - en transparant is, zodat alle 900 cellen kunnen worden waargenomen terwijl ze zich ontwikkelen. Vreemd genoeg, terwijl Ambros naar het gemuteerde gen zocht, werd het gedeelte waar het leek te moeten zijn te klein om een normaal gen te bevatten. "Het werd steeds minder duidelijk dat dit stukje DNA voor een eiwit kon coderen", zegt hij. "Het was behoorlijk verbazingwekkend."
Aan de andere kant van de Charles River, in het Massachusetts General Hospital, bestudeerde een moleculair bioloog Gary Ruvkun een andere mutant van C. elegans . Ambros en Ruvkun vermoedden allebei dat het gen waar Ambros naar op zoek was, het gen dat in de wormen van Ruvkun mis was gegaan op een of andere manier beheerste. Ze probeerden de twee genen met elkaar te vergelijken om te zien of ze op elkaar leken.
"We hebben elkaar onze reeksen gemaild en we hebben afgesproken om later te bellen als we iets zagen", herinnert Ambros zich. "Een van ons belde de andere en ik zei: 'Gary, zie je het? En hij zei:' Ja, ik zie het! '" Ze hadden een perfecte match gevonden - een stuk DNA van Ambros' korte genetische sequentie identiek naar een deel van Ruvkun's gen met normale grootte.
Het gen van Ambros was echt klein, slechts 70 basen lang, niet 10.000 basen zoals andere genen. Nog vreemder, het gen maakte geen eiwit, zoals andere genen. In plaats daarvan maakte het een ander soort genetisch materiaal, dat nu microRNA wordt genoemd. Traditionele genen maken ook RNA, een molecuul dat chemisch vergelijkbaar is met DNA, maar dat RNA van korte duur is en dient als louter boodschapper of intermediair bij de constructie van eiwitten. Maar dit microRNA was het eindproduct van het gen en het was niet alleen een boodschapper.
MicroRNA, Ambros en Ruvkun realiseerden zich, werkten met een intrigerend mechanisme: het gedroeg zich als een miniatuurstrook klittenband. Omdat het microRNA-gen overeenkwam met een deel van een traditioneel gen, hield het microRNA vast aan RNA dat door het traditionele gen werd geproduceerd. Door dit te doen, blokkeerde het het andere gen om eiwit te produceren.
Het was een fascinerende vondst, maar de twee wetenschappers vonden het gewoon een eigenaardigheid totdat zeven jaar later in 2000 een onderzoeker in het laboratorium van Ruvkun, Brenda Reinhart, een tweede microRNA-gen in de worm vond. "Dat vertelde me dat kleine RNA's vaker zouden voorkomen dan we hadden verwacht", zegt ontwikkelingsbioloog Frank Slack, die hielp met de ontdekking in het laboratorium van Ruvkun en nu in Yale is.
Het Ruvkun-lab ging op zoek naar microRNA-genen bij andere dieren. Het was namelijk een goed moment om genetische afwijkingen te zoeken. In 2001 voltooiden wetenschappers een schets van de hele reeks menselijk DNA, bekend als het menselijk genoom, en ze volgden snel andere genomen op, waaronder die van de muis, mosterdplant, fruitvlieg en malariaparasiet. Sommige genomen werden beschikbaar op internetdatabases en Ruvkun vond hetzelfde microRNA-gen van de worm van C. elegans in fruitvliegen en mensen. Toen vond hij het gen in weekdieren, zebravissen en andere soorten. Ondertussen vonden de groep van Ambros en anderen nog tientallen extra microRNA-genen.
De resultaten waren verleidelijk - het is tenslotte niet elke dag dat een nieuwe klasse genen wordt ontdekt - maar het was niet duidelijk welke rol deze miniatuurgenen zouden kunnen spelen in het leven van mensen.
Dat is het moment waarop Carlo Croce en George Calin besloten om het mysterieuze geval van het ontbrekende leukemie-gen opnieuw te bekijken. Calin, nu moleculair bioloog aan het MD Anderson Cancer Center van de Universiteit van Texas, typte de bekende microRNA-gensequenties in zijn computer en vergeleek ze met het stuk DNA dat de kankercellen van veel CLL-patiënten missen. "Ze waren er precies, " herinnert hij zich: twee microRNA-genen zaten precies daar waar het CLL-onderdrukkende gen werd verondersteld te zijn.
Calin riep Croce meteen het laboratorium in: "Dr. Croce, dit zijn de genen!"
Croce keek naar Calin en knipperde met zijn ogen. "S --- !, " herinnert Calin zich dat hij zei. "Dit zijn de genen! '"
Calin en Croce testten bloedmonsters van leukemiepatiënten en ontdekten dat 68 procent weinig of geen van de twee microRNA's bevatte, terwijl bloedcellen van mensen zonder kanker veel van de moleculen hadden. Calin en Croce waren ervan overtuigd: deze twee kleine genen maakten microRNA's die kanker onderdrukten.
"Ik was verbluft", zegt Croce. "We hadden het dogma dat alle kankergenen eiwitcoderende genen waren", zegt Croce. MicroRNA "verklaarde veel dat we eerder niet konden verklaren. Het veranderde de manier waarop we naar het probleem keken."
Calin en Croce publiceerden hun bevindingen in 2002 - de eerste keer dat iemand microRNA's bij menselijke ziekten had betrokken.
Sindsdien vinden we "elke kanker waar we naar kijken een verandering in microRNA", zegt Croce. "In waarschijnlijk elke menselijke tumor zijn er veranderingen in microRNA."
Croce woont in een statig herenhuis in de buitenwijk Arlington, Columbus. Hopen post liggen op de keukentafel als we aankomen. Croce is al weken weg van huis, woont conferenties bij en geeft lezingen op de National Institutes of Health in Bethesda, Maryland, de National Academy of Sciences in Washington, DC, een kankerbijeenkomst in San Diego, Johns Hopkins University in Baltimore en drie vergaderingen in Italië. Het huis voelt leeg en ongebruikt.
"In wezen is het alleen om te slapen, " zegt Croce's zoon, Roberto, 29, later over het huis van zijn vader. 'Hij parkeert daar meestal gewoon zijn bezittingen. Als hij in de stad is, is hij aan het werk of hangt hij met me rond.' Roberto werkt aan een doctoraat in de economie in de staat Ohio. (Carlo, die nooit is getrouwd, heeft ook een 12-jarige dochter die in Buenos Aires woont.)
Binnen het huis staat kunst, niet wetenschap, centraal. Croce bezit meer dan 400 schilderijen van Italiaanse meesters uit de 16e tot 18e eeuw. Hij bouwde een holle vleugel van 5.000 vierkante voet - 21 voet plafonds en zo - om enkele van de grootste schilderijen te tonen.
Croce zegt dat hij zijn eerste schilderij kocht toen hij 12 jaar oud was, voor $ 100. Hij koopt graag schilderijen wanneer hij een vermoeden heeft over wie de kunstenaar is, maar weet het niet zeker. "Ik vraag het nooit iemand", zegt hij. "Ik koop het gewoon en dan kan ik me vergissen of heb ik gelijk." Hij kocht een schilderij voor $ 11.500 van een galerij in Napels. Hij dacht dat het mogelijk was door een barokschilder genaamd Bartolomeo Schedoni. "Ik maakte een foto nadat het was gerestaureerd en stuurde het naar de expert op Schedoni. Hij zei: 'Oh ja, dat is de Schedoni.'" Het schilderij, zegt Croce, is waarschijnlijk 100 keer de moeite waard wat hij ervoor heeft betaald.
"Zijn kunstverzameling heeft dezelfde experimentele inslag als zijn wetenschap", zegt Peter Vogt, een kankeronderzoeker aan het Scripps Research Institute in La Jolla en een vriend van Croce.
Door de jaren heen heeft Croce verschillende ontdekkingen gepatenteerd en drie bedrijven mede opgericht. Zijn laboratorium in de staat Ohio bevindt zich op de bovenste twee verdiepingen van een gebouw van tien verdiepingen. Met ongeveer 50 medewerkers heeft het lab een budget van ongeveer $ 5 miljoen per jaar, wat vergelijkbaar is met een klein biotechnologiebedrijf. Zijn financiering komt van federale en particuliere subsidies.
"Er zijn veel mensen die zouden zeggen dat hij volledig succesvol is omdat hij een enorme hoeveelheid middelen heeft. Ik denk eigenlijk dat het andersom is; ik denk dat hij enorme hoeveelheden middelen heeft omdat hij succesvol is", zegt Cavenee.
Zodra Croce een verband vermoedde tussen microRNA's en kanker, begon hij vragen te stellen: zouden kankercellen andere hoeveelheden microRNA's hebben dan normale cellen? Zouden sommige microRNA's vaker voorkomen dan andere bij bepaalde soorten kanker? "Hij was echt de eerste persoon die die sprong maakte", zegt Slack over Croce's vroege weddenschap op microRNA's. "Er was iemand met Carlos 'visie en geld voor nodig om het veld echt vooruit te helpen."
In 2003 rekruteerde Croce Chang-Gong Liu, toen een microchipontwikkelaar bij Motorola, om een tool te ontwerpen die kan testen op de aanwezigheid van microRNA's in een monster van cellen of weefsels. Met behulp van de tool, een microarray genaamd, heeft het laboratorium van Croce microRNA's gevonden die uniek lijken te zijn voor bepaalde soorten kanker. Voor de 3 tot 5 procent van de patiënten bij wie kanker is uitgezaaid of verspreid vanuit een onbekende bron in het lichaam, zijn de implicaties van deze bevinding enorm. Omdat weten waar de kanker begon, een sleutel is tot optimale behandeling - tumoren die in verschillende weefsels ontstaan, reageren op verschillende benaderingen - kunnen microRNA's oncologen misschien helpen de beste behandelingen voor te schrijven voor dergelijke patiënten.
MicroRNA's kunnen ook de ernst van een kanker inschatten. Croce en zijn medewerkers ontdekten dat de niveaus van twee microRNA's - Let-7 en mir-155 genoemd - de overleving voorspelden bij patiënten met longkanker. De groep van Croce heeft ook microRNA's gevonden die voorspellen of de CLL van een patiënt agressief wordt of mild blijft. In de toekomst kan het microRNA-profiel van een patiënt aangeven of hij of zij een agressieve en risicovolle behandeling moet ondergaan of een mildere, veiligere behandeling.
Tegenwoordig hebben onderzoekers ongeveer 40 microRNA-genen geïdentificeerd die verband houden met kanker, waaronder die van de borst, long, pancreas en dikke darm. Net als conventionele genen die eiwitten produceren, kunnen microRNA-genen ook kankerpromotors zijn, die de ziekte veroorzaken als ze te veel microRNA's produceren. Of ze kunnen kankeronderdrukkers zijn; als ze beschadigd of verloren zijn, ontstaat kanker. Bovendien zijn wetenschappers begonnen te begrijpen hoe microRNA's interageren met traditionele kankergenen, waardoor een complex schakelbord wordt onthuld van verbindingen die lijken te gebeuren in cellen wanneer de ziekte overneemt.
De grootste hoop van Croce is dat microRNA's ooit als therapie kunnen worden gebruikt. "Ik ben ervan overtuigd, absoluut overtuigd, " zegt hij, "dat microRNA's drugs zullen worden." In enkele recente experimenten hebben hij en een collega microRNA's geïnjecteerd in muizen met leukemie of longkanker. De injecties, zegt hij, stopten de groei van kanker.
"Het bewijs is op dit moment extreem sterk" dat microRNA's een fundamentele rol spelen bij kanker, "zegt Slack, " en het wordt elke dag sterker en sterker. "
Kanker is niet de enige ziekte waarbij microRNA's opkomen als belangrijke spelers. Studies suggereren nu dat deze miniatuurgenen betrokken zijn bij de functie van het immuunsysteem, hartaandoeningen, schizofrenie, de ziekte van Alzheimer en het syndroom van Tourette. Verder is er een lange lijst van ziekten die een genetische basis lijken te hebben, maar waarvoor geen conventioneel gen is geïdentificeerd. Thomas Gingeras, een genoomonderzoeker bij Cold Spring Harbor Laboratory in New York, gelooft dat sommige van deze ziekten uiteindelijk zullen worden gekoppeld aan microRNA's. "Ik denk dat dit ongetwijfeld het geval zal zijn", zegt hij.
Misschien is dat omdat de kleine moleculen zoveel invloed uitoefenen op de rest van het lichaam. Wetenschappers schatten dat mensen ongeveer 1.000 microRNA-genen hebben, die de activiteit van ten minste een kwart van onze 25.000 eiwitcoderende genen lijken te regelen. "We zijn verbaasd over dat aantal en geloven dat het een minimum is", zegt Nobelprijswinnaar Phillip Sharp van MIT, in wiens laboratorium microRNA's worden bestudeerd.
Geen wonder dus dat sommige wetenschappers verlegenheid uiten en spijt hebben dat ze er niet in zijn geslaagd om microRNA-genen eerder te vinden - vooral omdat ze de basisaannames over genen niet betwisten.
"Het was geen technologisch probleem", zegt Joshua Mendell, een microRNA-onderzoeker bij Johns Hopkins. "De technologie die nodig is om microRNA's te bestuderen, verschilt niet van de technologie die de afgelopen decennia is gebruikt", zegt hij. "Het was meer een intellectuele barrière."
Zelfs Croce betreurt, ondanks al zijn succes, dat hij microRNA's niet eerder heeft herkend. Eind jaren tachtig streefde zijn team naar een kankergen in een stuk DNA dat niet codeerde voor eiwitten. "Dus we hebben het project vernield", zegt Croce. Nu weet hij dat het gen een microRNA was. "Bias, " zegt hij, "is een slechte, slechte zaak."
Sylvia Pagán Westphal is een in Boston wonende schrijfster die gespecialiseerd is in genetica, biologie en geneeskunde.
"We veranderen het dogma" met betrekking tot wat wetenschappers geloven over menselijk DNA, zegt onderzoeker George Calin (aan zijn University of Texas Lab). Maar zijn baanbrekende werk met Croce begon slecht. Er was "niets ergers", grapt hij. (Robert Seale) 
Conventionele wijsheid hield in dat alleen een enorme hoeveelheid DNA als een gen kon functioneren. De ontdekking van een genegeerde genetische entiteit ondermijnt dat beeld. Croce "was verbluft." (Greg Ruffing / Redux) 
Moleculair bioloog Gary Ruvkun. (Jared Leeds) 
Ontwikkelingsbioloog Victor Ambros. (Jared Leeds) 
Tijdens het bestuderen van mutanten van een microscopische worm, identificeerden Gary Ruvkun en Victor Ambros een gen dat onmogelijk klein was. "We waren verheugd iets nieuws te hebben gevonden", zegt Ambros, "en toen waren we verbaasd." (Photo Researchers, Inc.) 
Dankzij recente studies is het duidelijk dat microRNA's helpen sommige cellen kwaadaardig te maken (leukemiecellen in roze te midden van gezonde rode bloedcellen). Nu hopen onderzoekers het genetische materiaal te gebruiken om de diagnose en behandelingen van kanker te verbeteren. (© 2009 Rector en bezoekers van de Universiteit van Virginia) 
Croce (thuis in Ohio) koopt graag doeken nog voordat hij weet wie ze heeft geschilderd. "Zijn kunstverzameling heeft dezelfde experimentele neiging als zijn wetenschap", zegt een collega. (Greg Ruffing / Redux) 
MicroRNA at Work : Een typisch gen is een lang stuk DNA, met chemische basen als de sporten in de dubbele helix; een gen codeert voor een messenger-RNS dat de opbouw van een aangewezen eiwit aanstuurt. Een microRNA-gen codeert voor een groot deel van RNA dat aan een deel van een messenger-RNA kan blijven plakken, waardoor de eiwitassemblage wordt uitgeschakeld. (5W infographics)
