Voorbeelden van onvoorspelbare bijwerkingen

Gentechnologen kunnen tegenwoordig vrij snel een gensequentie ontrafelen, en van steeds meer genen is bekend wat ze kunnen maken. Maar de kennis over interacties binnen het genoom, dus hoe genen en samenwerken, is nog in het beginstadium. Wel is bekend dat één en hetzelfde gen verschillende karakteristieken en effecten kan hebben (het zogenaamde pleiotrope effect). Verder hangt de expressie van een gen af van de plaats waarop het in het chromosoom terecht komt, afhankelijk van de omringende genen (het positie effect). Dat betekent dat één gen in verschillende organismen en verschillende context, andere karakteristieken kan hebben.
Oftewel het is simpel om te zeggen dat er 'een gen' is voor bijvoorbeeld bruine ogen; wat een gen doet hangt ten eerste af van het organisme, en ten tweede kan het gen binnen een organisme ook meerdere zaken beïnvloeden.

Pleiotropen en positie effecten worden niet systematisch beschreven in de wetenschappelijke literatuur. Volgens CALAGENE Inc. (1990) treedt bij een derde van de transgene planten een pleiotroop effect op dat geen verband houdt met de eigenschappen van het ingebrachte gen of genproduct.
Als er bij het ontwikkelen van een GMO een individu optreeedt met waarneembare pleiotrope of positie effecten wordt deze uitgeselecteerd, en men gaat door met de individuen waar men deze effecten niet direct kan zien. Voor de voorbeelden zijn we dus doorgaans aangewezen op voorbeelden waarbij het effect pas in het veld zichtbaar is geworden.

Pleiotrope effecten
Pleiotropie betekent dat één gen betrokken kan zijn bij meerdere eigenschappen en karakteristieken. Een pleiotroop effect beschrijft een meestal onverwachte wijziging van meerdere karakteristieken in transgene en niet-transgene organismen, terwijl de bedoeling was om maar 1 eigenschap te veranderen. Pleiotrope effecten kunnen verschillende fenomenen en processen in organismen veroorzaken. Dat zijn voornamelijk veranderingen in het metabolisme van de cel, die kunnen leiden tot een ander fenotype (fenotype: hoe een organisme tot uiting komt als resultaat van de combinatie van het genotype en het milieu).

Gene silencing
Soms wordt het fenomeen 'gene silencing' onder pleiotrope effecten gerekend. Bij gene silencing komt een gen niet tot expressie, of veel minder dan verwacht. Er wordt om nog niet goed uitgezochte redenen geen of weinig mRNA gemaakt.

Positie effect
De positie van een gen heeft invloed op zijn activiteit. Het kan zijn dat een gen meer of minder tot expressie komt, en het kan zijn dat de effecten op andere genen kan ook afhankelijk zijn van de positie van het gen.

Pleiotropische en positie-effecten komen voort uit de methode van genetische manipulatie. Ze komen relatief vaak voor, maar er is geen plaats of tijdschrift waar het systematisch wordt bijgehouden. De gevolgen ervan worden niet altijd even nauwkeurig waargenomen, dit hangt af van hoe intensief de GMO's worden bestudeerd. Als de effecten optreden tijdens de ontwikkeling van een GMO worden ze doorgaans weggeselecteerd.
Pleiotropische en positie-effecten zijn een risico als ze nieuwe mogelijkheden scheppen voor de verspreiding van transgenen, of als ze zorgen voor de productie van gifstoffen of stoffen die allergische reacties veroorzaken (Lips 1998).

Risico's in dit verband zijn:

• het inbrengen van niet soorteigen eiwitten/enzymen kan leiden tot onvoorspelbare veranderingen in het metabolisme en daarbij leiden tot nieuwe, potentieel toxische of allergene producten,
• bij het inbrengen van DNA-sequenties kunnen andere genen beinvloed worden of zelfs vernietigd, waardoor het genoom wordt verstoord en dit kan leiden tot toxische of allergene metabolieten,
• organismen kunnen de expressie van ingebrachte genen beinvloeden of zelfs stoppen en daarom kan het tot expressie komen van genen niet blijvend worden gegarandeerd (Lips 1988).
• er kunnen effecten voorkomen op de secundaire plantbestanddelen.

LIPS J (1998) Pleiotrope Effekte und genetische Stabilitaet transgener Pflanzen. In: Schuette G, Heidenreich B, Beusmann V (1998) Nutzung der Gentechnik im Agrarsektor der USA - Die Diskussion von Versuchsergebnissen und Szenarien zur Biosicherheit. UBA-Texte 47/98: 121-156.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6, waar ook veel van de voorbeelden vandaan komen. De originele nieuwsbrief is te vinden via http://www.biogene.org/e/e-indexx.html. Institute for Applied Ecology, Alexandra Baier, Genetic Engineering Division, Postbus 6226, D-79038 Freiburg, Duitsland.
Tel +49-761-4 52 95-52, fax : +49-761-47 54 37, www.oeko.de)
CALAGENE INCORPORATED (1990) KanR Gene: Safety and Use in the Production of Genetically Engineered Plants. Request for Advisory. Calagene Incorporated
Vol 1 of 2: 233, 1920 Fith Street, Davis California 95616 (Geciteerd in Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6, uit : LIPS J (1998) Pleiotrope Effekte und genetische Stabilitaet transgener Pflanzen. In: SCHUETTE G, HEIDENREICH B, BEUSMANN V (1998) Nutzung der Gentechnik im Agrarsektor der USA - Die Diskussion von Versuchsergebnissen und Szenarien zur Biosicherheit, UBA-Texte 47/98: 121-156.)

Voorbeelden

Vitamine A rijst
Het menselijk lichaam kan beta-caroteen omzetten in vitamine A. Dat wordt dan ook ingebouwd in de 'gouden rijst' waarmee men hoopt blindheid te voorkomen in ontwikkelingslanden waar mensen alleen maar rijst eten (zie folder en reader!).
In rijst zit de stof GGPP (geranylgranyldifosfaat) waaruit bèta-caroteen gemaakt kan worden door 4 enzymen in te bouwen: enzym 1 zet GGPP om in phytoeen, enzym 2 (phytoeen desaturase) en enzym 3 (z-caroteen desaturase) zetten dat om in het rode lycopeen, en enzym 4 (lycopeen b-cyclase) zet dat om in beta-caroteen.
Dat men de techniek nog maar aan het leren is blijkt uit de niet voorspelde resultaten:

• ook als alleen enzym 1 t/m 3 (zonder enzym 4) werden ingebouwd werd het beta caroteen gemaakt. Enzym 4 was kennelijk al aanwezig.
  
• er werden chemische stoffen gevonden in de rijst, die niet in natuurlijke rijst voorkomen. Herkend werden luteine en zeaxanthine, stoffen die afgeleid worden van lycopeen. Er werden ook niet nader geidentificeerde stoffen gemaakt die per lijn verschillen. Dat betekent dat de techniek slecht voorspelbaar is.
  Daarom vragen wij om zeer grondige voedselveiligheidstesten voor genetisch gemodificeerde voedselgewassen.
  
• Het is gebruikelijk dat slechts een klein deel van de pogingen om te modificeren lukt. Ook bij rijst bleek dit. Bij inbouw van 1 genconstruct slaagden 50 van de 800 pogingen, bij inbouw van 2 genconstructen slaagen 12 van de 500 pogingen. Elke keer komt het gen op een andere plek terecht en is te verwachten dat er een ander gen beschadigd is geraakt. Dat wordt alleen ontdekt als het zichtbare gevolgen heeft of dodelijk is voor de plant.

Gist maakt veel meer gif
Er is een gist ontwikkeld voor brouwerijen die beter fermenteerden. Deze gist produceerde toxische hoeveelheden methyl glyoxal, een stof die in normale gist hooguit in zeer kleine hoeveelheden voorkomt. Er is dus een andere chemische reactie mogelijk gemaakt naast de gebruikelijke.
(Inose, T. & Muruta, K. 1995. Enhanced accumulation of toxic compound in yeast cells having high glycolytic activity: a case study on the safety of genetically engineered yeast. Int. J. Food Science Tech. 30:141-146)
(mede met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

E. coli maakt onverwacht indigo verfstof
Een van de eerste voorbeelden van pleiotropie van transgene microorganismen is beschreven voor een GMO Escherichia coli bacterie. IN 9833 publiceerden wetenschappers hierover. De bedoeling was dat de ingebrachte genen naphthaleen zouden omzetten in salicyl zuur.
Maar de bacterie zette nu ook het in de bacterie aanwezige indol om in de kleurstof indigo. De bacterie wordt nu voor dit specifieke doel ingezet.
AMATO G (1991) Species hybridization and protection of endangered animals, Science, 253: 250.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

Onderzoeksplant Arabidopsis thaliana
De Arabidopsis (zandraket) is een belangrijke modelplant door genetici. Bij deze plant zijn voorbeelden gevonden van ongewenste bijeffecten van genetische manipulatie. BERGELSON ET AL. (1996) hebben gekeken naar de gevolgen van herbicide resistentie (een van fde meest voorkomende manipulaties in de landbouw) op de algemene 'fitheid' van de plant. De prodiuctie van zaad was een van de manieren om de fitheid te meten. Transgene (gemanipuleerde) planten werden vergeleken met niet-transgene planten die zelf door een mutatie resistent waren geworden voor een herbicide, en de niet transgene planten die geebruikt waren om de transgene planten te maken.
Uit het onderzoek bleek dat de transgene planten een verminderde fitheid hadden die zonder twijfel toe te rekenen was aan pleitotrope effecten van het herbicide resistente gen.
De Arabidopsis is normaalgesproken strikt zelfbestuivend. Maar sommige van de genetisch gemanipuleerde planten toonden een neiging tot kruisbestuiving. Dit verschijnsel bleek zowel door pleitrope als door positie effecten veroorzaakt te worden.
Spevciaal voor kruisbloemigen houdt deze kruisbestuiving direct verband met een hoger risico voor uitkruisen can (transgene) eigenschappen.

BERGELSON J, PURRINGTON CB, PALM CJ, LOPEZ-GUTIERREZ JC (1996) Costs of resistance: a test using transgenic Arabidopsis thaliana. Proceedings of of
the Royal Society of London, B, 263: 1659-1663.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

Petunia: zalmkleur in de kas, gevlekt in het veld
De eerste veldproeven met GMO planten in Duitsland werden voornamelijk bekend omdat het een duidelijk voorbeeld was van positie- en pleitotrope effecten. Transgene petunias moesten zalmkleurige bloembladen krijgen na het inbrengen van genen uit mais. In de kas reageerden de planten zoals verwacht, maar in het veld toonden ze verscheidene onverwachte effecten. De belangrijkste was dat de bloemen wit waren, of gevlekt. Verder hadden de planten meer bladeren en uitlopers (?shoots), terwijl ze een verminderde vruchtbaarheid hadden.
Ze waren resistenter tegen schimmelziekten. Bij vervolg-experimenten bleken deze effecten te komen door gene-silencing, die op zijn beurt weer afhankleijk was van omgevingsfactoren.

MEYER P, LINN F, HEIDANN I, MEYER H, NIEDENHOF I, SAEDLER H (1992) Endogenous and environmental factors influence 35S promoter methylation of a maize A1 gene construct in transgenic petunia and its colour phenotype. Mol Gen Genet 231: 345-352.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

Herbicide-tolerante soja wordt hittegevoelig
Bij een lijn sojabonen met een nieuw enzym waardoor het herbicide resistent werd, werd 20% meer lignine aangemaakt. Lignine, of houtstof, verleent stevigheid aan planten en bomen, maar de opslag ervan vermindert de voorraad water en voedingsstoffen en vermindert de elasticiteit (Gertz e.a. 1999).
Onder moeilijke omstandigheden is dit effect ongunstig voor de plant; bij proeven waarbij te weinig water werd toegediend nam het gewicht van de planten af met 48%, terwijl niet gemanipuleerde planten maar 24% lichter werden.
Hittestress leidde ook tot verminderde oogsten bij transgene soja (Vencill 1999).
Er werden ook tot 14% minder plantehormonen gevonden in de transgene soja (Lappe e.e. 1999).

GERTZ JM (JR.), VENCILL WK, HILL NS (1999) Tolerance of transgenic soybean (Glycine max) to heat stress. British Crop Protection Conference, 15-18 November 1999 - Weeds, Proceedings of an International Conference, Brighton, 3: 835-840.
LAPPE MA, BAILEY EB, CHILDRESS C, SETCHELL KDR (1999) Alterations in Clinically important phytoestrogens in genetically modified, herbicide-tolerant soybeans. Journal of Medicinal Food, 1(4).
VENCILL WK (1999) Increased susceptibility of glyphosate-resistant soybean to stress (abstract). In: British Crop protection Council 8eds.) The 1999 Brighton Conference - Weeds.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

Roundup Ready katoen - stress gevoelig
In 1997 werd glyfosaat (Roundup) resistente katoen verbouwd in Mississippi (VS). Ze hadden misvormde katoenbolletjes of de katoenbolletjes vielen af. Meer dan 200 boeren hadden een enorme economische tegenslag. (HAGEDORN, 1997). Alhoewel er geen grondige analyse van dit fenomeen beschikbaar is, kan je je voorstellen dat deze katoen op een zelfde wijze stress gevoelig is als de soja in het voorbeeld hierboven, door pleiotrope effecten.

HAGEDORN C (1997) Boll drop problems in roundup-resistant cotton. Crop and Soil Environmental News, 12/1997.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

In andere gevallen werkte de ingebouwde herbicidetolerantie niet en gingen de katoenplanten dood door het glyfosaat.
(Fox, J.L. 1997. Farmers say Monsanto's engineered cotton drops bolls. Nature Biotechnology, 15: 1233.)

Transgeen koolzaad langer in zaadbank: superonkruid?
Bij experimenten met transgene koolzaad met verhoogd gehalte aan stearaat en met verhoogd gehalte aan lauraat werden pleiotrope effecten gevonden die belangrijk zijn bij de risico beoordeling van GMO gewassen. Beide transgene lijnen vertoonden namelijk een verhoogde induceerbare dormancy. Met andere woorden, het zaad dat in de grond terecht komt blijft langer vruchtbaar. Dit is van belang omdat het risico op verwildering van deze planten groter is.
LINDER CR (1998) Potential persistance of transgenes: Seed performance of transgenic canola and wild x canola hybrids. Ecological Applications 8: 1180-1195.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

Aardappels met andere morfologie en fenotype
Veranderingen in het basismetabolisme van planten door genetische manipulatie kan pleiotrope effecten veroorzaken, die gedetecteerd kunnen worden door veranderingen in de bestanddelen van het planteweefsel, of door een andere morfologie of fenotypische kenmerken.
Gemanipuleerde aardappels die fructaan aan konden maken zijn onderzocht door Becker e.a. (2000) ; deze hadden een ander bloeigedrag en een andere scheutlengte. Er was ook een significante vermindering van de oogst.

Eerder werden soortgelijke waarnemingen gedaan bij aardappelen waarbij wijzigingen waren aangebracht in hun fosfaat- en koolwaterstof-metabolisme (Becker e.a. 1998).

BECKER R, AUGUSTIN J, BEHRENDT U, GRANSEE A, HEDTKE C, LUETTSCHWANGER D, MUELLER M, ULRICH A (2000) OEkologische Begleitforschung zum Anbau von
transgenen Kartoffeln mit Veraenderung im Grundstoffwechsel. Landesumweltamt Brandenburg, Muencheberg.
BECKER R, MARTY B, ULRICH A (1998) Experimentelle Verifizierung von Veraenderungen risikorelevanter oekologischer Parameter bei transgenen Kartoffeln mit Veraenderungen im Phosphat- und Kohlenhydratmetabolismus. Landesumweltamt Brandenburg, Muencheberg.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

Vroeger bloeiende transgene bomen
Transgene bomen vertoonden bij veldproeven regelmatig pleiotrope en/of positie effecten.
Al bij kasproeven bloeiden populieren met een bepaalde ingebouwde promotor eerder dan de niet-transgene bomen. (Fladung e.a., 1999).
Het vermoeden is dat dit veroorzaakt wordt door het significant hogere niveau aan plantenhormonen die in transgene populieren is gevonden (Fladung e.a., 1997).
De hoeveelheid plantenhormoon hangt over het algemeen samen met het bloeigedrag van okanten. Sommige transgene populieren die in het veld werden beproefd, die geplant werden in 1996, hadden al na 3 jaar bloemknoppen, terwijl populieren van nature pas na 8 jaar bloeien.

Als er vrouwelijke bloemen gevormd zouden worden, is het gevaar voor verspreiding van transgeen stuifmeel zeer groot, te meer omdat populieren sterke neiging tot hybridiseren hebben. Met name de geslachten Populus, Eucalyptus en Pinus, geslachten die juist veel worden gebruikt door de genetici, staan bekend om hun sterke potentieel om te hybridiseren (Diafozio e.a., 1999).
DIFAZIO SP, LEONARDI S, CHENG S, STRAUSS SH (1999) Gene flow and agriculture; relevance for transgenic crops. Proceedings of a symposium held at Keele, UK on 12-14 April 1999, BCPC Symposium Proceedings No 72:171-176.
FLADUNG M, GROSSMANN K, AHUJA MR (1997) Alterations in hormonal and developmental characteristics in transgenic Populus. Journal of Plant Physiology, Germany, 150: 420-427.
FLADUNG M, NOWITZKI O, EBBINGHAUS D, SCHELLHORN A, BENTIEN G, AHUKA MR, MUHS HJ (1999) Field relase of ROLC-transgenic Aspen-Populus. Online: http://users.ox.ac.uk/~dops0022/conference/forest_biotech99_home.html Poster 47, 3.12.1999.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

Hormoonwijzigingen bij vissen
Bij verschillende GMO vissen zijn ernstige pleiotrope effecten gevonden. Vaak worden genen ingebracht die coderen voor groeihormoon, waardoor de hormoonbalans van groeihormonen verstoord wordt. Een enorm sterke groei bij een GMO zalm bijvcoorbeeld, werd gevolgd door een ernstige misvorming van de kop en andere lichaamsdelen, en een gewijzigde vetafzetting (Dunham 1999).

Een samenvatting van lichaamsmisvormingen bij transgene vissen wordt gegeven door Panian e.a. (1999), waaronder de volgende veranderingen werden opgesomd: tumoren, gewijzigde vorm van vinnen en botten, vervormingen van de kop. abnormale groei van de kieuwen, afwezige lichaamssegmenten, in de groei belemmerde nek en staart.
Naast de pleiotrope effecten staan transgene vissen bekend om problemen met de stabiliteit van de expressie (het tot uiting komen) van genen. Ook treedt regelmatig mozaiekisme op, dat wil zeggen dat in een GMO individu cellen soms wel en soms niet de transgene genen tot expressie komen. Het aantal gemodificeerde gensequenties verschilt van cel tot cel, van orgaan tot orgaan, en van individu tot individu. In het bijzonder voor groeihormonen zijn er meerdere voorbeelden hievan, onder andere bij catfish, zebrafish en karpers.
PANDIAN TJ, VENUGOPAL T, KOTEESWARAN R (1999) Problems and prospects of hormone, chromosome and gene manipulation in fish. Current Science 76:369-386.
(met dank aan Genetic Engineering Newsletter -Special Issue Nr. 6)

GM katoen gevoeliger voor aaltjes
Verschillende katoenrassen hebben een verschillende gevoeligheid voor nematoden (aaltjes). Bij een vergelijking bleek dat een katoen die resistent was gemaakt voor een herbicide, weer gevoeliger was geworden voor schade door aaltjes (abstract), door de toediening van het herbicide glyphosaat.

Transgene plant ingewikkelder dan gedacht
Er is geen peil te trekken op de productie van eiwitten door genetisch veranderde planten. De productie verschilt van uur tot uur en van blad tot blad. Dat blijkt uit promotie-onderzoek van Wessel van Leeuwen.[bron: Wb, weekblad voor Wageningen UR]