Project MinE ontcijfert het ALS-genoom

Neuroloog en neurogeneticus Jan Veldink leidt Project MinE, een internationaal genetisch onderzoek naar ALS. Bij deze dodelijke spierziekte blijkt zeldzame genetische variatie het meest belangrijk. Meer genen spelen een rol en dankzij het onderzoek wordt steeds sneller duidelijk welke dat zijn. Deze kennis biedt aanknopingspunten voor gentherapie, waarmee al geëxperimenteerd wordt. Op 17 april krijgt Jan de ‘Sheila Essey Award 2021’ van de American Academy of Neurology en de ALS Association, vooral vanwege Project MinE.

Het begon met een rondleiding van ALS-patiënten in het lab. Een van de patiënten, Bernard Muller, zag een vrieskist staan. Wat erin zat, vroeg hij. Het antwoord: DNA-samples van ALS-patiënten. En wat doen jullie met die samples, wilde hij weten. Zo ontstond een gesprek over het genetisch onderzoek naar ALS en het tekort aan fondsen om dit serieus van de grond te krijgen. Bernard, een bemiddeld ondernemer, wilde graag helpen.

Het bleef niet bij woorden. Op 21 juni 2013 zag Project MinE het levenslicht, een wereldwijde genetische studie naar de spierziekte ALS. Initiatiefnemers waren Bernard en een andere ondernemer met ALS: Robbert Jan Stuit. Samen met de Stichting ALS Nederland en soortgelijke stichtingen in andere landen werven zij sindsdien de benodigde fondsen. Kort na de start kreeg Project MinE ook een flinke zet in de rug via de Ice Bucket Challenge: alleen al in augustus 2014 kreeg de Amerikaanse ALS Association een kleine 80 miljoen dollar aan donaties binnen.

Tip van de genetische sluier

Doel van het project is om de DNA-profielen van minstens 15.000 ALS-patiënten te analyseren en te vergelijken met die van 7.500 mensen die geen ALS hebben. De verschillen tussen de twee groepen moeten inzicht geven in de genetische oorzaken van ALS. In Nederland krijgen elk jaar zo’n 500 mensen de diagnose ALS, wereldwijd zijn er meer dan 200.000 ALS-patiënten. Hun gemiddelde levensverwachting is drie jaar. Tot voor kort was er weinig bekend over de oorzaken van de ziekte, maar de laatste jaren slagen onderzoekers erin om een tip van de genetische sluier op te lichten; dankzij Project MinE gaat dat nu steeds sneller. Voor twee genetische afwijkingen, die ALS veroorzaken, is zelfs al een gentherapie ontwikkeld, zij het nog in de vroege testfasen.

Twintig landen, zestig onderzoeken

“Het is een enorme legpuzzel”, vertelt Jan Veldink, hoogleraar neurologie en neurogenetica bij het UMC Utrecht. Naast zijn werk in de kliniek leidt Jan het onderzoek in Project MinE, dat hij samen met collega en hoogleraar experimentele neurologie Leonard van den Berg opstartte en waaraan nu in twintig landen gewerkt wordt. De onderzoekers gebruiken whole genome sequencing, een techniek waarmee de complete DNA-sequentie van iemand in kaart kan worden gebracht – een lange reeks van zo’n 3 miljard basen, elk weergegeven met de letters A, C, T of G, onderverdeeld in 46 chromosomen. Inmiddels is zo de complete genetische samenstelling – het genoom – van meer dan 10.500 mensen in kaart gebracht (dit betreft zowel sequentiebepaling als DNA-methylering).

Jan: “Dat we dit de afgelopen drie jaar voor elkaar gekregen hebben, is werkelijk fantastisch. Zoiets kan alleen maar als je het groot en dus internationaal aanpakt, want door de enorme opgave is het onmogelijk voor iemand om alles te onderzoeken.” Project MinE kent een franchise-achtige opzet met twintig landen, waarbij de hoofdonderzoeker in elk land verantwoordelijk is voor de eigen DNA-samples. Op basis van de DNA-profielen zijn inmiddels zo’n zestig onderzoeken uitgewisseld. “Ik coördineer het hele project”, vertelt Jan. “Ik houd overzicht en zorg ervoor dat er synergie ontstaat en dingen niet onnodig dubbel gedaan worden.”

Open access

In de aanvangsfase heeft Jan gezorgd voor de opbouw van een robuuste projectinfrastructuur. “We hebben een biobank-register en patiëntendatabase opgezet”, vertelt hij, “speciaal voor ALS én voor internationaal gebruik. Daarnaast hebben we met ICT-coöperatie SURFsara een data-infrastructuur gebouwd, die het mogelijk maakt om alle genoom-data op te slaan en te verwerken.” Het gaat inmiddels om meer dan 1,5 petabyte – volgens Wikipedia vergelijkbaar met een toren gestapelde cd-romschijven (zonder doosje) van 2,7 kilometer hoog.

Alle data zijn toegankelijk voor de onderzoekers die deel uitmaken van Project MinE. Tegelijk is het project een voorbeeld van ‘open access’ – wetenschapsbeoefening waarbij de actuele onderzoeksgegevens zoveel mogelijk vrij toegankelijk zijn, met inachtneming van de EU-regels op het gebied van prinacy. Jan: “De opzet met SURFsara maakt het mogelijk om onze gegevens ook gecontroleerd te delen met andere onderzoekers, die bezig zijn met ALS, neurodegeneratie of vergelijkbare ziekten. Dit vergroot de waarde van de gegevensbron enorm. We hebben de gegevens al gedeeld met onderzoekers in de VS, Australië en Europa. En met onze databrowser kan iedereen snel kijken of een bepaald gen een rol speelt bij ALS.”

Meerdere ziektemechanismen

Uit tweelingenstudies is bekend dat ALS voor ruwweg twee derde verklaard kan worden met genetische factoren. ALS is dan ook een zogeheten multifactoriële ziekte oftewel een ziekte die ontstaat door een combinatie van genetische én omgevingsfactoren. Van alle mensen met een genetische aanleg voor ALS zal slechts een deel de ziekte daadwerkelijk ontwikkelen.

Doorslaggevend daarvoor is het samenspel tussen genetische afwijkingen en bepaalde risicofactoren, waardoor meerdere ziektemechanismen in werking treden: zuurstoftekort in het lichaam, celdood, ontstekingsverschijnselen in het zenuwstelsel, ophoping van eiwitten in de zenuwen, aantasting van het afweerproces en verstoring van prikkels naar de spieren door de zenuwbanen. Risicofactoren zijn bijvoorbeeld blootstelling aan een virus of aan giftige stoffen, of een bepaald voedingspatroon of een bepaalde medicatie of leefstijl. Daarom heeft Jan in Project MinE ook gezorgd voor een opgeschoonde dataset met klinische, leefstijl- en milieu-informatie bij alle DNA-samples. “Erg belangrijk, maar een hele uitdaging, want de data zijn afkomstig uit verschillende landen met verschillende talen en klinische scoresystemen. En je moet natuurlijk rekening houden met de beperkingen die de Europese wetgeving oplegt aan het verzamelen, opslaan en delen van privacygevoelige data.”

 

Zeldzame genetische variatie

Over de externe risicofactoren is nog weinig bekend, maar het inzicht in de genetische opbouw van ALS groeit. Jan: “ALS kenmerkt zich door een zeldzame genetische variatie. Dat is bijzonder, want bij veel complexe ziektes, zoals Alzheimer en Multiple Sclerose, gaat het juist om genetische variaties die veel voorkomen. Het verschil is belangrijk voor de manier waarop je studies opzet, zodat je gericht kunt zoeken. Voor een zeldzame variatie moet je bijvoorbeeld whole genome sequencing toepassen en kun je in grote families kijken. Bij veel voorkomende genetische variaties kun je gebruik maken van goedkopere DNA-chips en is onderzoek binnen families veel minder geschikt.”

Sinds de start van Project MinE wordt steeds sneller duidelijk welke genen een rol spelen bij ALS. Jan: “We denken nu dat de verschillende genetische profielen voor ALS zich uitsplitsen in zeker vijftig verschillende patiëntgroepen. Elk van die groepen is goed voor zo’n twee procent van het totaal. We weten dat ongeveer tien tot vijftien procent van alle ALS-gevallen wordt veroorzaakt door vier genen. Het is zeer denkbaar dat de rest zich ook zo uitsplitst over dat soort groepen, door variatie in andere genen.”

ALS-genen en antisense-therapie

Nadat 11.000 van de 22.500 DNA-profielen in kaart zijn gebracht, heeft Project MinE al geleid tot de ontdekking van acht nieuwe ALS-genen: TUBA4A, TBK1, NEK1, C21orf2, NIPA1, ATXN1, KIF5a en C9orf72. Samen zijn zij goed voor zo’n derde van het totaal aantal bekende ALS-genen. Jan: “Uiteindelijk moet al dit onderzoek leiden tot aanknopingspunten voor een behandeling met gentherapie. Daarin is de laatste jaren veel meer mogelijk geworden, zoals we gezien hebben bij SMA.” Voor die eveneens ongeneeslijke spierziekte kwamen recent een aantal therapieën beschikbaar om in de kliniek te testen. Jan verwacht dat dit op afzienbare termijn ook bij ALS gaat gebeuren: gerichte genetische therapie voor specifieke groepen ALS-patiënten.

Momenteel lopen er twee internationale fase 1-trials naar zogeheten antisense-therapie voor twee genetische afwijkingen die ALS veroorzaken: SOD1 en C9orf72. Het doel van fase 1-onderzoek is om te kijken hoe veilig de therapie is, het is nog niet gericht op de effectiviteit ervan. Antisense-therapie blokkeert de werking van het ziekmakende gen, zodat er geen afwijkend eiwit meer wordt aangemaakt. Een afwijking op het ALS-gen C9orf72, dat dankzij Project MinE is ontdekt, komt bij zo’n acht procent van de ALS-patiënten in Nederland voor en die fase 1-trial loopt ook in het UMC Utrecht. De fase 1-trial voor het ALS-gen SOD1 loopt niet in Nederland omdat afwijkingen in het SOD1-gen hier nagenoeg niet voorkomen.

Crowd funding

In theorie kan er voor elk gen antisense-therapie ontwikkeld worden. Het vooruitzicht op een werkzame therapie voor ALS noemt Jan fantastisch. “Als neuroloog ben je vooral gewend om te zien hoe mensen achteruitgaan, maar ik heb nu goede hoop dat dit gaat veranderen. Hoe snel dat zal zijn, hangt af van het onderzoek dat we kunnen doen en dat staat of valt met de bijdragen. Door Covid-19 is crowd funding ingestort en dat levert vertraging op. Specialisten, computers en gemotiveerde patiënten hebben we genoeg, het gaat puur om fondsen. De 50.000 dollar die ik met de Sheila Essey Award krijg, zijn dan ook meer dan welkom!”

Jan Veldink ontvangt de Sheila Essey Award 2021 tijdens een virtuele uitreiking op 17 april als erkenning voor zijn buitengewone prestaties in het ALS-onderzoek. Aan de award zijn een oorkonde en een geldbedrag van 50.000 dollar verbonden.