Over jonge dinosaurussen en vogels

Voor wie zich interesseert in dinosaurussen en hun afstammelingen, de vogels, zijn er onlangs weer mooie ontdekkingen gedaan. De classificatie van deze uitgestorven dieren is erg ingewikkeld en ik heb me er nooit in verdiept, maar nu hebben onderzoekers in Nature aangetoond dat de schedel van de huidige vogels bijzonder veel overeenkomsten vertoont met de schedel van de jongen van dinosaurussen. Dat gegeven verdient wel enige aandacht. Het zou daarbij gaan om pedomorfisme, een vorm van neotenie, waarbij juveniele eigenschappen tot in het volwassen stadium blijven bestaan.

Ook de mens wordt beschouwd als onderhevig aan neotenie. Het gaat dan om een aantal eigenschappen zoals het grote brein, een plat gezicht, een onbehaard lichaam en gezicht, korte ledematen en grote ogen. Wij zouden lijken op de jongen van de chimpansee.

Confuciusornis: een uitgestorven vogel waarvan de schedel wordt vergeleken met die van een alligator (zie tweede figuur).

In het geval van de vogels gaat het om een versnelling van het bereiken van de reproductieve leeftijd. In plaats van jaren, zoals bij dinosaurussen, lukt het veel vogels in 3 tot 4 maanden seksueel te rijpen. Dit fenomeen, dat een gevolg is van neotenie, wordt ook wel pedogenese genoemd. Het is mooi om te zien hoe het mogelijk is, door veranderingen in de ontwikkeling van voorouderlijke dieren, een heel nieuwe groep dieren te krijgen. De vogels zijn met hun 10.000 soorten de meest succesvolle gewervelden die op het land leven. Als we naar vogels kijken en luisteren zien en horen we eigenlijk jonge dinosaurussen.

Het is duidelijk dat dinosaurussen en vogels verschillend zijn. Dinosaurussen hebben een lange snuit en tanden, terwijl vogels in verhouding grotere ogen en hersens hebben. De schedels van jonge dinosaurussen en vogels komen daarentegen wel overeen. Maar dat niet alleen. Bij de moderne vogels is er ook nauwelijks verschil in de vorm van de schedel tussen jonge en volwassen vogels. Terwijl de jongen van dinosaurussen een grote verandering ondergaan gedurende het volwassen worden.

De veranderingen in de tijdlijn van de ontwikkeling van dinosaurussen naar vogels is volgens de auteurs een prachtig staaltje van evolutionaire strategie. Deze minimale verandering heeft een enorme succesvolle groep voortgebracht. Het is ongelooflijk dat je zo een groot verschil kunt krijgen door een kleine verandering in de timing. Dit laat ook zien dat evolutie weinig verandering (mutatie) nodig heeft om iets heel nieuws voort te brengen.

Vergelijking van de schedels van een embryo van alligator en een volwassen uitgestorven Confuciusornis, een ‘vroege’ vogel. Links de embryonale (groen) en volwassen (rood) schedel van de alligator. Rechts de volwassen schedel van Confuciusornis. Uit het artikel van Nature.

In een eerder blog wordt beschreven hoe Jack Horner van plan is een dinokip te kweken door oude genen weer tot uitdrukking te laten komen. Het zou met kippen mogelijk kunnen zijn atavistische eigenschappen te doen herleven.

Mimicry en hybridisatie in Heliconius

Een nieuw onderzoek op het vlindergeslacht Heliconius laat zien dat verwante soorten in staat zijn genen uit te wisselen door hybridisatie. Vooral bij dieren leidt hybridisatie vaak tot steriele nakomelingen, oftewel nakomelingen met een fitness van nul. De verwante vlindersoorten bezitten genen die beslissend zijn voor het vleugelpatroon. Zowel de vleugelpatronen als de genen zijn in al de bestudeerde soorten hetzelfde. Deze vlinders zien er dan ook hetzelfde uit. Ze concluderen daaruit dat er hybridisatie heeft plaatsgevonden.

Heliconius melpomene (van Wikipedia)

Vlinders of eigenlijk dagvlinders stammen af van nachtvlinders of motten. Dat wil zeggen dat ze hun gedrag veranderd hebben en overdag actief geworden zijn. De nachtvlinders hebben ogen die gevoelig zijn voor UV-licht en blauw licht. De dagvlinders zijn nog gevoeliger voor UV-licht omdat ze in bezit zijn van een duplicaat van het gen opsine. Men verwachtte daarom dat de dagvlinders minder chemosensitief zouden zijn aangezien hun ogen gevoeliger waren. Het tegendeel blijkt waar. Na de complete sequentie van het genoom van Heliconius te hebben vastgesteld zag men dat deze vlinders de meeste genen hebben voor smaak en geur van alle insecten. De organen voor de geur bevinden zich in de antennes en de organen voor smaak in de voetjes.

In een eerder blogbericht wordt beschreven hoe het gen optix, dat verantwoordelijk is voor de rode schakeringen in de vleugels hetzelfde is in de verschillende Heliconius soorten. In dat geval kwam men tot de conclusie dat het moest gaan om convergentie of homologie.

Het huidige onderzoek werd gedaan op verschillende soorten van Heliconius: H. melpomene, H. timareta en H. elevatus en men keek daarentegen naar meerdere genen die betrokken zijn bij het vleugelpatroon. Dat het vleugelpatroon en de kleurschakeringen hetzelfde zijn in de drie soorten die bestudeerd werden betekent dat de vlinders er hetzelfde uitzien. Dit heeft te maken met Mulleriaanse mimicry. De vlinders ‘doen elkaar na’ om zich te beschermen tegen mogelijke roofdieren. Het visuele aspect van de vlinders die allemaal slecht smaken schrikt in het vervolg de roofdieren af, die leren deze vlinders met rust te laten. Maar in plaats van steeds opnieuw de juiste genen uit te vinden voor deze patronen in de drie verschillende soorten is het blijkbaar mogelijk door hybridisatie de juiste genen in één keer te verkrijgen. Hybriden paren zo nu en dan met voorouderlijke soorten en verspreiden op die manier nieuwe genen in oudere populaties die zich daardoor beter aanpassen aan een veranderde omgeving.

Uit Nature (open access): zie ook de mooie illustraties daar.

De eerste bestuivers

In een stukje amber van 105 tot 110 miljoen jaar geleden zijn insecten gevonden die een van de eerste bestuivers geweest moeten zijn. Onderzoekers vonden zes tripsen in het amber. Deze minuscule vliegjes worden ook wel onweersbeestjes genoemd. De gevonden tripsen zijn uitgestorven en behoren tot een nieuw geslacht Gymnopollisthrips, waarvan er twee soorten bestaan: G. major en G. minor.

Reconstructie van Gymnospollisthrips met stuifmeel op het lichaam bovenop de Ginkgo CREDIT: Enrique Peñalver, IGME.

Synchrotron X-ray tomography maakt het mogelijk de tripsen virtueel uit het amber te halen

Met een speciale techniek die gebaseerd is op CT-scan (synchroton X-ray tomography) konden ze zien dat de beestjes, alle zes vrouwtjes, vol zaten met stuifmeel, dat waarschijnlijk tot een Ginkgo behoort. Deze vondst is het vroegste bewijs dat er bestuiving door insecten plaatsvond. De bloemplanten (Angiospermae of bedektzadigen) bestonden al. Hoe lang deze laatste er al waren is nog niet duidelijk en schattingen gebaseerd op fossielen liggen rond de 125 miljoen jaar geleden.

De pijnbomen en coniferen (Gymnospermae of naaktzadigen) bestonden eerder: zo’n 320 miljoen jaar geleden. Men ging er van uit dat ze door de wind bestoven werden, maar er bestaat een insect, een soort schorpioenvlieg (Mecoptera), dat waarschijnlijk bijgedragen heeft aan de bestuiving van deze bomen. Door pollen op het lichaam en kop te vervoeren terwijl de vlieg met sifon de nectar van Gymnospermae kwam drinken werden de bomen bevrucht. Ook deze vliegen zijn in amber gevonden, maar zonder stuifmeel op hun lichaam. Ze stonden aan de oorsprong van alle vlinders, motten en vliegen.

Uit: LiveScience

Een geothermale of hydrothermale oorsprong van leven

Er bestaat een verschil van mening tussen wetenschappers over waar zich de eerste cellen op Aarde hebben gevormd. De vraag is namelijk of ze zich eerst ontwikkelden in geothermale plassen of in zout water. Deze vraag heeft te maken met het feit dat de eerste cellen waarschijnlijk niet in staat waren hun osmose te regelen. In de huidige organismen zijn daar vrij complexe moleculen voor nodig die Natrium en Kalium in en uit de cel pompen en de eerste cellen moeten zo simpel zijn geweest dat ze nog geen beschikking hadden over deze complexe pompen.

De natrium/kalium pomp. De binnekant van de cel is negatief geladen vergeleken met de buitenkant van de cel.

Alle tegenwoordige een- of meercellige organismen beschikken over pompen die zich in het membraan van de cel bevinden. Deze pompen zijn opgebouwd uit verschillende subuniteiten van eiwitten. Ze pompen Kalium (K+) de cel in, en Natrium (Na+) de cel uit. Eiwitkanalen laten vervolgens sommige ionen passief het membraan door waarbij zich het membraanpotentiaal vormt: de binnenkant van de cel is negatief geladen ten opzichte van de buitenkant van het membraan. Het potentiaal bedraagt -60 tot -80 millivolt. Dit potentiaal staat aan de basis van transport door het membraan van andere ionen of moleculen, maar vormt ook de basis voor het actiepotentiaal in neuronen.

Het zoutgehalte (NaCl) van het milieu waarin cellen zich bevinden is gelijk aan dat van zeewater (9 promille). Ons bloed heeft dus een fysiologische waarde van 0.9 %. Maar de hoeveelheid Natrium in de cel ligt veel lager. Het omgekeerde geldt voor Kalium. Dit verschil wordt in stand gehouden door de ionenpompen.
Al de verschillende pompen (want er zijn er meer), dragen bij aan de osmose van de cel. Dat betekent dat de cel mooi rond blijft en niet ‘verschrompelt’ of uitzet en knapt.

geothermale bron

E.V. Koonin beschrijft onlangs in een artikel dat de membranen van de eerste cellen zeker nog geen ionenpompen bezaten en ze waren waarschijnlijk erg doorlatend. Om te kunnen vaststellen waar de eerste cel geboren werd keek hij naar de inhoud aan ionen in de hedendaagse cel. Om meer precies te zijn keek hij naar de eiwitten die bacteriën produceren en welke organische ionen nodig zijn voor hun functioneren. Het blijkt dat de benodigde ionen overeenkomen met welke te vinden zijn in de stagnerende plassen bij geothermische bronnen. Het gaat dan onder andere om kalium, fosfaat, zink en mangaan en een kleine hoeveelheid natrium, wat volgens hem betekent dat de cellen daar ontstaan zijn.

hydrothermale bron

Nu bestaat er al sinds zo’n 20 jaar het idee dat de eerste cellen ontstonden in of bij Hydrothermal vents, black smokers of hydrothermale bronnen. Deze onderwaterbronnen bevinden zich op grote diepte in de oceaan. Er is geen daglicht en de bacteriën die men daar tegenkomt ademen H2S in plaats van O2. Nu heeft men de interessante hypothese ontwikkeld dat de poriën in de schoorstenen van deze bronnen heel goed mini-compartementjes konden vormen voor de opeenhoping van de eerste moleculen die belangrijk zijn voor het leven (zie ook een voorgaande blog) zoals nucleotiden, waaronder ATP en vervolgens de polymeren daarvan als RNA en DNA. De wanden van deze schoorstenen bevatten ook een gradiënt aan protonen waardoor er energie beschikbaar is voor de vorming van macromoleculen. Kortom, deze compartementjes zouden fungeren als cellen. Pas daarna vormde zich het lipiden-membraan zoals alle levende cellen dat bezitten en konden de eerste cellen zich losmaken van de schoorsteen. Deze hypothese is erg belangrijk en wordt door velen omarmd. Het is mogelijk dat de eerste cellen functioneerden met het zoutgehalte van het zeewater. De ionenpompen fungeren nu als generatoren van het membraanpotentiaal, maar hun primaire functie was wellicht die van osmose. Voor de harde wand van de compartimenten is er geen regulering van de osmose nodig en konden deze ‘vaste’ cellen heel goed leven zonder osmose en ionenpompen.

Het zal vast een nieuwe discussie in gang zetten. Deze is eigenlijk al gestart tussen Koonin, voorstander van de geothermale oorsprong, en Nick Lane, voorstander van een begin in hydrothermale bronnen. Nick Lane beweert dat het verschil in concentraties in en rond de cel nu juist kenmerkend zijn van dynamisme, van leven. Een cel die in evenwicht is met zijn omgeving leeft volgens hem niet.

Uit ScienceNews.org, NatureNews. PNAS (Koonin)

 Met dank aan Rob van der Vlugt

Duplicatie van genen en de ontwikkeling van het menselijk brein

Drie dagen geleden is er in Cell een studie gepubliceerd die laat zien hoe in de mens een gemuteerde duplicatie van een gen de expressie van het oorspronkelijke gen onderdrukt. Als gevolg daarvan heeft er in het ontwikkelend brein een versnelling van de migratie van neuronen plaats. Bovendien is de groei van het aantal dendrieten (vertakte uitlopers van de zenuwcel die connecties vormen met andere zenuwcellen) vertraagd waardoor er van deze laatste uiteindelijk meer gevormd worden en er een groter brein ontstaat.

Neuronen en glia in de hippocampus van de muis

Het oorspronkelijke gen (SRGAP) is verantwoordelijk voor de rijping van de neuronen in het primatenbrein, in het bijzonder voor het leggen van connecties tussen deze hersencellen. Nu gebeurt het door fouten tijdens het kopiëren van het DNA of gedurende crossing-over dat genen gedupliceerd raken. Zo’n 5% van ons genoom bestaat uit duplicaties. Het onderzoek laat zien dat er in het menselijk brein meerdere duplicaties van dit gen zijn. De eerste duplicatie had zo’n 3,4 miljoen jaar geleden plaats en produceerde een inactief gen (SRGAP2B). De tweede duplicatie is een kopie van de eerste duplicatie en vormde het gen SRGAP2C dat een verkort eiwit produceert. Deze laatste duplicatie had 2,4 miljoen jaar geleden plaats ongeveer ten tijde van de overgang van Australopithecus naar Homo. Alle duplicaties bevinden zich op het chromosoom 1.

Dit verkorte eiwit blijkt de expressie van het oorspronkelijke gen (SRGAP) te onderdrukken en maakt de mens tot een ‘knock-out’ voor SRGAP. Door dit gen en de duplicaten in muizen te plaatsen kon men constateren dat tijdens de ontwikkeling van de hersenen de neuronen sneller migreerden en er langer over deden hun dendrieten te vormen, net zoals in het menselijk brein. Er is daarom meer tijd om connecties te vormen tussen de neuronen waardoor de hersenen wellicht een grotere potentie hebben gekregen in de mens. Dit is een belangrijk verschil tussen de verschillende primaten. Het mensenbrein rijpt veel langzamer dan dat van andere primaten en dit resultaat geeft wellicht aan wat de genetische achtergrond daarvan is. Een ander proces wat van belang is voor de rijping van de hersenen is de ‘pruning’ ofwel het snoeien van de vele synapsen en de leeftijd van het organisme waarop deze plaatsheeft.

Het is de eerste keer dat aangetoond wordt dat een duplicaat een effect heeft op de expressie van het origineel. Er zijn nog 30 andere eiwit-coderende genen die gedupliceerd raakten met de evolutie van het menselijk brein. De onderzoekers zullen deze genen nu beter bekijken om te zien of ook deze van invloed zijn op de ontwikkeling daarvan.

Uit Cell 1 en 2 en NatureNews

Mutatie, Variatie en Natuurlijke Selectie

Mutatie, variatie en natuurlijke selectie zijn zeer belangrijke begrippen binnen de evolutietheorie. Het is voor de meesten wel duidelijk wat een mutatie is. Waar ik wat beter bij wil stilstaan is het begrip variatie. Variatie is namelijk het gevolg van mutatie en is het niveau waarop natuurlijke selectie haar werk doet. Tussen mutatie en natuurlijke selectie speelt zich erg veel af.

Er wordt nog steeds aangenomen dat mutatie random (toevallig of willekeurig) is. Dit toeval heeft betrekking op de kans dat een willekeurige van de miljarden letters van het DNA verandert in een van de andere drie letters (puntmutatie), een kans die voor alle nucleotiden (letters) hetzelfde is. Deze mutatiekans wordt ook wel weergegeven door de mutation rate die voor een gegeven organisme constant is en uitgedrukt wordt in basenparen per generatie. Een recent artikel in Nature toont aan dat de mutation rate van een heel genoom niet helemaal hetzelfde is naar gelang de genen die men bestudeert. Er is momenteel een groot debat over die publicatie. (Zie voorgaand blog). Ook inserties en deleties zijn willekeurig in de zin dat ze op elk punt binnen het genoom kunnen voorkomen. Dit toeval of deze willekeur betreft ook het feit dat een mutatie niet gebonden is aan het eventuele voordeel of nadeel dat een organisme ermee zou doen. Dat wil zeggen dat een mutatie voorkomt onafhankelijk van wat voor schadelijke of minder schadelijke gevolgen deze heeft.

Variatie daarentegen is moeilijker te definiëren. Variatie wordt bepaald zowel door mutaties als door omgevingsfactoren. Sommigen beschouwen variatie als veranderingen in het fenotype van een organisme waarin het fenotype een verzameling is van alle kenmerken. Door de evolutiebiologen, die veel naar organismen en soorten kijken, wordt het fenotype beschouwd als het totaal aan kenmerken binnen de fysionomie en fysiologie van het organisme. Maar moleculair biologen zijn geneigd een fenotype te zien in de kenmerken van een eiwit bijvoorbeeld. Volgens velen heeft natuurlijke selectie geen grip op een eiwit, het zou geen selecteerbaar kenmerk van het organisme zijn. De verschillen en overeenkomsten tussen deze twee zienswijzen kunnen geïllustreerd worden aan de hand van sikkelcelanemie. Zie onderaan de pagina.

Sikkelcel

Natuurlijke selectie is een geleidelijk non-random proces waarbij de kenmerken binnen de populatie verspreid worden al naar gelang deze bijdragen aan de fitness van het individu. Er wordt over het algemeen beweerd dat natuurlijke selectie inwerkt op het fenotype en daarbij wordt vermeld dat het fenotype de verzameling van alle waarneembare kenmerken is. De grenzen van het waarneembare worden steeds meer verlegd. Bovendien zijn er goed geteste modellen van de werkelijkheid die de kenmerken uitstekend beschrijven.

Het voorbeeld van sikkelcelanemie wend ik aan om te laten zien waar mutatie, variatie en natuurlijke selectie van belang zijn binnen deze erfelijke ziekte. In sikkelcelanemie bestaat er een mutatie van het gen voor hemoglobine. Dit is in alle gevallen dezelfde mutatie (dezelfde substitutie van nucleotide, op hetzelfde codon). Deze mutatie heeft tot gevolg dat er een eiwit aangemaakt wordt waarin een aminozuur veranderd is. Het eiwit hemoglobine verandert zodanig dat het (in geval van lage zuurstofniveaus) fibers gaat vormen waardoor de rode bloedlichaampjes hun ronde vorm verliezen en de karakteristieke sikkelvorm aannemen. De variatie is in dit geval het eiwit en de rode bloedlichaampjes. Omdat deze ziekte in recessieve vorm beschermt tegen malaria raakt het gen door natuurlijke selectie van de mensen met de sikkelvormige bloedcellen verspreid in de gebieden waar malaria endemisch is. De variatie in eiwit en vorm van bloedlichaampjes vormen de kenmerken ofwel het fenotype van een mens met sikkelcelanemie.

Selectie van evolutie

Evolutie is de geleidelijke verandering in organismen als gevolg van natuurlijke selectie van variatie. Variatie wordt mogelijk door het ontstaan van mutaties. Mutaties doen zich voor op niveau van het DNA. In een sequentie of gen kan een van de letters van het DNA veranderen of muteren. Er kunnen zich ook inserties of deleties voordoen van stukken DNA. Vooralsnog beschouwt men mutatie als een random proces, willekeurig ofwel toevallig. Er is nu een artikel verschenen in Nature dat laat zien dat mutatie meer of minder frequent kan zijn naar gelang de regio van het genoom dat men bekijkt.

Mutatie

Het artikel laat zien dat er in het DNA van de bacterie E. coli genen zijn die minder mutaties ondergaan dan andere regio’s van het genoom. Het gaat om genen die een belangrijke rol hebben in het overleven van de cel, die essentieel zijn voor het basismetabolisme en die voluit tot expressie komen. De auteurs verbinden hier de logica aan dat zulke belangrijke genen zich geen mutaties kunnen permitteren. Zij vermoeden dus dat er een mechanisme bestaat dat de mutation rate in deze genen onderdrukt en zodoende de integriteit van deze genen zoveel mogelijk beschermt.

Als er aan de basis van dit fenomeen inderdaad een mechanisme bestaat dat mutatie in essentiële genen kan onderdrukken (of misschien juist kan stimuleren in minder essentiële genen) dan is ook dat mechanisme geëvolueerd. Dit zou betekenen dat het proces van evolutie van organismen zelf ook onderhevig is aan evolutie.

Volgens de auteurs gaat het niet om de gebruikelijke reparatiemechanismen van de DNA-polymerasen of van transcription-coupled repair. Er is volgens hen meer aan de hand. Hoewel men van mening is dat het onderzoek erg degelijk is uitgevoerd zijn veel biologen (zie ook commentaar onder de link) behoorlijk sceptisch ten aanzien van de claim van de onderzoekers. Deze laatsten beweren immers dat er een non-random mutation rate bestaat, maar vooral dat daar een mechanisme voor bestaat, en dat is een heel nieuw gegeven in de biologie. De sceptici verwachten dat er eenvoudigweg andere factoren zijn waarvan we nog niet op de hoogte zijn. Er wordt vaker gesproken van hot-spots in bepaalde regio’s van het genoom, die vaak lijken voor te komen in de buurt van inserties en deleties van stukken DNA. Maar daarbij is nog nooit het vermoeden uitgesproken dat er een mechanisme aan te grondslag lag.

Uit Nature en ScienceDaily

Met dank aan Harry Pinxteren voor het artikel in Nature en aan de reageerders voor de levendige discussie op voorgaande blogs.

Retrotransposons in het embryo

In een onlangs verschenen onderzoek in Nature wordt beschreven hoe de methylatie van het DNA verloopt rondom de vorming van de bevruchte eicel of zygote. Methylatie van DNA is een mechanisme om genen te onderdrukken of juist tot expressie te laten komen wanneer methylatie ontbreekt. Dit wordt ook wel epigenetische silencing genoemd. Het heeft een belangrijke rol in de differentiatie van cellen. Elke cel in ons lichaam bevat het complete genoom, maar in een spiercel en een zenuwcel komen geheel andere genen tot uitdrukking. Dit hangt voor een belangrijk deel af van de mate waarin de genen gemethyleerd zijn.

Het blijkt nu dat er tijdens de vorming van het embryo verschillen zijn in de graad van methylatie. Deze is bijzonder laag rond de vorming van de blastocyst, het tweede meercellige stadium van het organisme (in dit geval van de muis), waarin de cellen pluripotent zijn oftewel differentieerbaar zijn in alle verschillende weefsels. Het DNA is een sequentie bestaand uit vier letters of basen: adenine, thymine, cytosine en guanine. De volgorde van deze letters vormen de code van het DNA. Bij methylatie wordt op een van de vier basen (op cytosine) een methylgroep aangebracht wanneer er een guanine op volgt ofwel op een CpG site.

Uit Wikipedia: van ei- en zaadcel tot blastocyst

Bij de vorming van het embryo zijn de eerste cellen niet gedifferentieerd; het eerste stadium van de morula bestaat uit totipotente stamcellen en in de blastocyst zijn de cellen pluripotent. In dat laatste stadium is de methylatie erg laag. De studie laat ook zien dat het vooral bepaalde retrotransposons of Transposable Elements (TE’s) zijn die een minimum aan methylatie bereiken in dit stadium. Deze genetische silencing onderdrukt normaal ook het verspringen van de retrotransposons. Het voorgaande blog bespreekt uitgebreid wat retrotransposons precies zijn. Ze springen door het genoom en kunnen midden in een gen belanden en het daardoor verstoren of zelfs kapot maken. Het is goed voorstelbaar dat de retrotransposons makkelijker zullen verspringen in deze ongemethyleerde vorm. Of dit ook werkelijk het geval is is niet onderzocht. Dit zou betekenen dat er een grote kans is op schadelijke mutaties in het genoom. Bijna 50 % van het genoom bestaat uit retrotransposons, dus eventuele inserties zullen daar weinig schade aanrichten, maar in ongeveer 25 % van het genoom, dat coderend is, zullen er problemen kunnen ontstaan. De vraag is dan hoe het mogelijk is dat deze retrotransposons zo slecht gemethyleerd zijn. Het gaat hier om specifieke retrotransposons namelijk L1′s. In het artikel wordt hier geen conclusie aan verbonden. Zou het kunnen dat hun gespring een specifieke en zelfs positieve rol heeft ?
In de reacties op het blog van Gert Korthof over de Alu retrotransposons wordt door Gert zelf geopperd dat sommige transcripten van transposons wel degelijk een (positieve) functie kunnen hebben en dat dat de rede is dat ons genoom er zo vol mee zit.

Mozaicisme

De lage methylatie en het verspringen betekent niet alleen een toename van de kopieën, maar ook een toegenomen transcriptie. In het menselijk genoom betekent een verhoogde expressie van L1 een toename in inserties van Alu. Dit soort inserties hebben voornamelijk plaats in de blastocyst ofwel in de pluripotente cellen en niet in de geslachtscellen. Er vormt zich daardoor een groter mozaïek in de somatische cellen en er ontstaat mozaïcisme.

Wetenschappers vragen zich nu af of TE’s niet zelf een rol hebben in epigenetische silencing. Er wordt ook gedacht dat TE’s een drijvende kracht kunnen vormen achter evolutie omdat ze zorgen voor translocatie van seqeunties en omdat ze exons door elkaar kunnen schudden en de reparatie van dubbelstrengse breuken in het DNA kunnen bevorderen. Inserties en transposities kunnen regulerende genen beïnvloeden en zo het fenotype veranderen.

De capaciteit van transposons om genetische diversiteit te doen toenemen, samen met de mogelijkheid van het genoom om het grootste deel van de TE activiteit te onderdrukken, resulteert in een evenwicht dat transposons een rol toebedeelt in de evolutie en genoom regulatie in alle organismen die deze sequenties bezitten.

Uit Nature, Mol. Cell Biology, Scitable.

Met dank voor het artikel uit Nature aan Gert Korthof en voor de discussie aan alle reageerders op mijn voorgaande blogbericht.

Retrotransposons en de evolutie van het menselijk genoom

Na de voltooiing van het HGP (Human Genome Project) werd duidelijk dat bijna de helft van ons genoom bestaat uit jumping genes of transposable elements (TE’s). Dit zijn stukjes DNA die, zoals de naam al aangeeft, binnen het genoom kunnen verspringen. Dit kan gebeuren door eenvoudigweg een ‘cut and paste’ zoals in het geval van DNA-transposons of door ‘copy and paste’ zoals in het geval van retrotransposons. Vooralsnog zijn deze elementen geen functie toebedeeld en werden ze tot voor kort beschouwd als junk-DNA. Daar komt nu langzamerhand verandering in, want deze elementen hebben een grote invloed gehad op de evolutie van het menselijk genoom.

Een transposon verplaatst zich in het genoom

Retrotransposons verplaatsen zich door een RNA-kopie van het eigen DNA te maken. Deze RNA-kopie wordt vervolgens weer in DNA omgezet, net zoals bij retrovirussen waaronder HIV, waarna dit stukje op een andere plek in het genoom teruggeplaatst wordt. Er zijn drie verschillende soorten retrotransposons: de LINE-1′s, de SVE’s en de Alu’s. Dit blogbericht concentreert zich vooral op de LINE-1′s of L1′s.

Dat het genoom voor bijna 50% uit retrotransposons bestaat is waarschijnlijk een onderschatting aangezien veel oude TE’s enorm veranderd zijn en daarmee onherkenbaar zijn geworden. Om een idee te krijgen van de omvang van dit springende DNA, moet men bedenken dat het coderende deel van het DNA dat wij doorgaans als genen beschouwen, slechts 1,5 % vormt van het hele genoom. Het genoom zit dus vol met TE’s. Van de L1′s bestaan er wel 500.000 in ons genoom, maar slechts 100 kopien zijn functioneel. Daarvan zijn er 6 die ‘hot L1′s’ worden genoemd aangezien ze verantwoordelijk zijn voor de meerderheid van de retrotransposities van L1′s. De L1 worden ingedeeld in families naar gelang de overeenkomsten in hun sequenties. Het is daarbij aangetoond dat ze een afstammingslijn hebben die teruggaat naar 40 miljoen jaar geleden.

De verhoudingen van de verschillende retrotransposons binnen het hele genoom

Als de TE’s verspringen kunnen ze veel schade aanrichten in het coderende en regulerende genoom. Ze kunnen midden in een gen belanden en het daarmee ontwrichten. Ook regulerende sequenties kunnen kapot gaan waardoor een gen meer of minder eiwit produceert. De TE kan ook de functie van een regulerend gen bepalen of deleties veroorzaken. Zo bestaat er een hele waslijst aan mutaties die door TE’s veroorzaakt worden. Als gevolg van deze mutaties kunnen er ziekten ontstaan zoals hemofilie, taaislijmziekte, de ziekte van Duchenne en vele andere ziekten. Zo op het eerste gezicht lijkt het er dus op dat TE’s ziekten veroorzaken. Omdat TE’s toch zo overvloedig aanwezig zijn in het genoom kunnen ze niet alleen maar schadelijk zijn, ze zouden immers het organisme waar ze deel van uit maken doen sterven.

De frequentie van het springen van de genen ligt rond 1 insertie per 20 geboortes voor de Alu sequenties. Voor L1 ligt deze frequentie ook rond 1 per 20 geboortes wanneer deze schatting gebaseerd is op ziekteverwekkende inserties, maar is 1 op de 200 wanneer er een vergelijking wordt gemaakt met het chimpansee. Dit laatste gegeven wordt wel verklaard met een sterke selectie tegen L1-inserties. De TE’s worden het best getolereerd wanneer ze een lage frequentie van insertie bezitten. Er bestaan mechanismen die het springen van de genen onderdrukt. Ze zijn daardoor minder schadelijk en worden doorgegeven van generatie op generatie. De TE’s hebben een grote rol in de evolutie van de mens. De inserties van TE’s, in het bijzonder van de Alu Yb sequenties, zijn de laatste paar miljoen jaar enorm toegenomen. Voor die tijd waren ze heimelijk in het genoom aanwezig en hadden een zeer lage activiteit. Deze activiteit is bij de mens dus erg toegenomen sinds de scheiding van de chimpansee zo’n 6 miljoen jaar geleden. Hoewel de TE’s erg beslissend zijn geweest voor de evolutie van het menselijk genoom kan niet gesteld worden dat ze een voordeel inhouden voor het organisme waar ze deel van uitmaken.

Uit: Nature Reviews Genetics

Dit bericht kwam tot stand naar aanleiding van een blog van Gert Korthof over een artikel in Scientific American betreffende toegenomen activiteit van jumping genes in de hippocampus van rennende muizen. De hypothese werd naar voren gebracht dat jumping genes een varieteit aan neuronen zou kunnen voortbrengen die de mogelijkheid tot leren zou doen toenemen.

Hoe evolutie zich herhaalt

Driedoornige stekelbaars

Een klein visje, de driedoornige stekelbaars of Gasterosteus aculeatus , leeft zowel in zoet als in zout water. Om in zoet water te kunnen leven heeft het visje verschillende aanpassingen moeten ondergaan. Hij is wat kleiner geworden om de snelle roofvissen in zoet water te kunnen ontwijken. Ook de nieren zijn veranderd en het aantal beenplaten is afgenomen. Deze kenmerken zijn zo duidelijk en typerend dat de leefstijl en zijn habitat er aan afgelezen kunnen worden.

De wereld van de stekelbaars. De zoet en zout water paren uit dit onderzoek.

De decodering van het DNA van 21 driedoornige stekelbaarzen (inset) laat het belang zien van regulatie veranderingen in de evolutionaire transitie van de zoutwatervorm, met beenplaten (onderin) naar de zoetwatervorm (bovenaan).
Tekeningen Felicity Jones Stanford U. Foto inset Howes Stanford U.

Het diertje is op verschillende plaatsen in meren en rivieren over de wereld te vinden en heeft zich verschillende keren vanuit een zoutwatervis aangepast. Nu zijn voor het eerst de onderliggende mutaties onderzocht die verantwoordelijk zijn voor deze morfologische en fysiologische adaptaties. Daarbij hebben de onderzoekers paren opgesteld van zoetwatervissen en zoutwatervissen die bij elkaar in de buurt te vinden waren. Van deze 10 paren is de sequentie van het DNA bepaald en vergeleken.

Na een uitgebreid onderzoek blijkt nu dat er 147 plekken in het genoom bestaan die grote verschillen tonen tussen de stekelbaarzen in zoet water en hun neven in zoutwater. Deze gemuteerde regio’s tonen daarentegen grote overeenkomsten binnen al de verschillende zoetwatervisjes van over de hele wereld. Terwijl in al deze over de wereld verspreide gebieden verschillende stekelbaarzen onafhankelijk naar zoet water migreerden muteerden steeds deze zelfde plekken in het genoom.

Er zijn onder deze sequenties in het genoom een aantal genen die verantwoordelijk zijn voor de morfologische en fysiologische adaptaties zoals het gen EDA dat bepaalt hoeveel beenplaten het visje heeft en het gen WNT dat bepaalt hoe de nieren zich ontwikkelen en hoe de zoutwatertolerantie van de vis zal zijn. Slechts 17 procent van de bovengenoemde 147 sequenties betreft werkelijke genen. 41 procent blijken regulerende sequenties (regulatory genes) te zijn die bepalen wanneer, hoeveel en waar genen tot uitdrukking komen. Het is al langer de vraag of adaptaties zich voordoen op niveau van de genen of van de regulerende sequenties. Deze studie toont aan dat er meer aandacht uit zou moeten gaan naar onderzoek van regulerende sequenties en hun rol in adaptaties binnen de evolutie.

Uit Nature.