Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Wanneer twee genomen elkaar mislopen

Bijna alle levensvormen bezitten twee genomen. Wanneer deze niet goed op elkaar afgestemd zijn kunnen er nare gevolgen zijn zoals snelle veroudering, ziekten als Alzheimer en kanker. Deze twee genomen bestaan uit het nucleair en het mitochondriale genoom. Het nucleair genoom verwijst naar het DNA waar we het doorgaans over hebben als we spreken van ‘de genen’. Maar een minstens zo belangrijk onderdeel van onze cellen zijn de mitochondriën. Ook zij bevatten een weliswaar klein genoom wat exact moet samenwerken met dat van de nucleus.

Hoewel de oceanen op Aarde zuurstofatomen in hun watermoleculen bevatten, was er in eerste instantie nog geen spoor van moleculair zuurstof (O2) te bekennen. De eerste bacteriën waren dan ook verplicht anaeroob. Enkele van deze bacteriën ontwikkelden de mogelijkheid de energie van het zonlicht te gebruiken door middel van fotosynthese. Zij produceerden zuurstof dat voor de anaerobe bacteriën giftig was. Enkele van deze bacteriën die zuurstof schuwden evolueerden de mogelijkheid om deze zuurstof te ademen. Deze laatste bacteriën vormen de voorouders van de mitochondriën. Een aantal werd door cellen verzwolgen en dit revolutioneerde het leven op Aarde; de eerste eukaryoten ofwel de eerste meercelligen konden zodoende ontstaan.*

menselijke cel

De eucaryotische cel

Mitochondriën zijn organellen in de cel die verantwoordelijk zijn voor de ademhaling van de cel en het organisme. Alle biologen zijn het er inmiddels over eens dat deze mitochondriën afstammen van endosymbiontische bacteriën. Ze bezitten net als de aerobe bacteriën een elektronentransportketen in hun membraan die uiteindelijk zuurstof reduceert tot water.

Het mitochondrion heeft een eigen genoom. Dit genoom is gereduceerd vergeleken met dat van een bacterie en bevat de meest essentiële genen voor de interne functies van het mitochondrion. Het genoom van de mitochondriën is helemaal afgestemd op dat van de celkern. Beide genomen produceren de eiwitten die in de mitochondriën zorg dragen voor het elektronentransport. Deze eiwitten moeten perfect samenwerken. Is er een kleine discrepantie, veroorzaakt door een puntmutatie bijvoorbeeld, dan lekt het elektronentransport elektronen en worden er vrije radicalen gevormd.

Mitochondriën worden via de moeder doorgegeven in plaats van door beide ouders zoals het geval is met het nucleair genoom. Het mitochondriale genoom of mtDNA kan daarom gebruikt worden om stambomen te herleiden. Het zijn de eicellen die de mitochondriën van het toekomstige organisme bevatten. Deze zijn perfect afgestemd op het DNA van de nucleus. Nick Lane, een expert op het gebied van mitochondriën, beweert dat dit de reden is waarom er bijna uitsluitend twee geslachten bestaan in de planten- en dierenwereld. Eén geslacht, meestal de moeder, draagt behalve de (nucleaire) genen bij aan de mitochondriën en het andere geslacht voegt uitsluitend het vaderlijke deel van de genen toe.

Een groot probleem bij kloneren is het feit dat de mitochondriën van de ontvangende cel helemaal niets te maken hebben met het DNA

Gemuteerd mtDNA

Gemuteerd mtDNA

van de nucleus. De celkern wordt immers geïnjecteerd in de eicel. Het is dan te verwachten dat een gekloneerd dier niet oud zal worden. De keten van het elektronentransport lekt natuurlijk en zorgt voor het ontstaan van vele vrije radicalen.

Nu is het mitochondriale genoom onderhevig aan een hoge mutatiesnelheid (3 tot 2,7 x 10-5 per generatie van 20 jaar) vergeleken met dat van de nucleus (2,5 x 10-8 per generatie van 20 jaar). Het mitochondriale DNA heeft nauwelijks reparatiesystemen van schade of andere mutaties en de mutatiesnelheid ligt dus hoger vergeleken met dat van de nucleus waar er een uitgebreid arsenaal aan reparatie-enzymen bestaat. Bovendien worden in de mitochondriën de ‘fouten’ makkelijker gefixeerd. Er zijn per cel immers meer mitochondriën en sommige ontbrekende functies in één mitochondrion worden eenvoudigweg getolereerd door de aanwezigheid van andere mitochondriën in dezelfde cel.

Dit betekent dat het mitochondriale genoom behoorlijk uit de pas kan lopen als deze ‘fouten’ accumuleren. Het elektronentransport, waaraan zowel het nucleaire als het mitochondriale genoom bijdragen, kan daardoor vrije radicalen produceren en de veroudering in gang zetten. Raakt een cel teveel beschadigd door al deze vrije radicalen dan wordt het proces van apoptose ingezet, ofwel een zelfmoordprogramma waarbij de cel zichzelf elimineert.

Het verschil in mitochondriën maakt het onmogelijk voor verschillende soorten om tussen elkaar te paren. Het ontstaan van hybriden is daardoor uitgesloten. Het was al lang duidelijk dat mitochondriën verantwoordelijk zijn voor de energiehuishouding van de cel. Sinds een aantal jaren is het duidelijk geworden, dankzij Nick Lane, dat deze organellen ook en vooral van essentieel belang zijn bij soortvorming en veroudering.

*Recent onderzoek wijst uit dat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder (LUCA) wel eens complexer zou hebben kunnen zijn dan tot nu toe werd aangenomen en dat deze reeds mitochondriën bezat die in een tweede moment verloren werden door de toekomstige bacteriën.

Uit: NotRocketScience (Ed Yong), Critics on Nick Lane’s: Power, Sex and Suicide, DecodedScience (met dank aan ingStHawk), W.M. Brown et al.

14 Reacties op “Wanneer twee genomen elkaar mislopen

  1. Wllm Kalb oktober 24, 2011 om 19:27

    Vandaag had ik toch zo’n last van mijn genomen …

  2. Aad Verbaast oktober 24, 2011 om 19:27

    Boeiend!
    Hier moet ik eens rustig voor gaan zitten.
    Om het te begrijpen moet ik mijn genomen toch echt even tot de orde roepen!😉

  3. Glaswerk oktober 24, 2011 om 22:44

    Wederom een interessante bijdrage Marleen.

    Als geïnteresseerde stel ik me overigens wel als “consument” op, er zijn namelijk anderen die inhoudelijk kunnen reageren.

    Ik moest overigens even de wenkbrauwen fronsen toen ik de titel van deze bijdrage in mijn Net op het net widget zag verschijnen, maar ik zie dat enkele reageerders voor mij er ook al bepaalde associaties mee hebben😉

    • Marleen oktober 24, 2011 om 23:07

      Dankjewel Glaswerk, de titel is inderdaad wat vreemd al begrijp ik de associaties niet helemaal. Hij trekt dan misschien tenminste de aandacht dus ik laat het maar zo.

  4. gert korthof oktober 26, 2011 om 10:35

    Marleen, het blijft toch een onwennige gedacht: 1000x hogere mutatiefrequentie in mitochondrieën dan in het nucleair genoom en toch bestaan er nog steeds mitochondrieën met een intact genoom? In de figuur bevatten alle mature egg cells tenminste 20% gemuteerde mitochondrieën. Dat is dus een ongezonde start voor de volgende generatie.
    Waarom hebben niet veel meer mensen een mitochondriale ziekte? Of: draagt dit bij tot de frequentie van spontane abortussen?
    Waar komt de 2e illustratie vandaan?

    Sperm cells hebben wel degelijk mitochondriën nodig om zich voort te bewegen! ook al worden ze niet overgedragen

    • Marleen oktober 26, 2011 om 11:45

      @Gert Korthof, ik hoopte al dat iemand deze vraag zou stellen, want ik had er zelf ook mijn twijfels over.
      Allereerst het plaatje: dat komt hier vandaan (het is een site over mitochondrial myopathies): http://www.mda.org/publications/mitochondrial_myopathies.html. Ik heb het er expres bijgezet om deze vraag onder de loep te kunnen nemen.

      Mijn idee is dat de eicellen zich relatief minder vaak delen dan de somatische cellen. Deze geslachtscellen worden reeds vanaf de eerste embryonale stadia aangelegd en delen zich daarna niet meer. De mitochondrien van deze cellen hoeven zich dus ook niet voortdurend te delen en zijn relatief minder onderhevig aan mutaties. Zou dit zo kunnen zijn? Ik hoop het maar want anders hebben we inderdaad veel muaties in het DNA van de mitochondrien in de eicellen en is het moeilijk te veronderstellen dat mito’s en celkernen van eicellen goed op elkaar afgestemd zijn, zoals in de geciteerde artikelen beweerd wordt.
      (Dit blog is gebaseerd op een blog van Ed Yong, die twee artikelen van Nick Lane behandelt.)

    • radagast oktober 26, 2011 om 12:24

      De ene (punt)mutatie is de andere niet en een mens is geen fruitvlieg, sommige mutaties lijken veel vaker op te treden dan andere en krijgen bijna het karakter van een veiligheidsklep.

      http://www.plosbiology.org/article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pbio.0060204

      Elk genoom heeft zo zijn eigen dynamiek, de samenwerking gaat goed zolang het goed gaat.

    • gert korthof oktober 27, 2011 om 09:29

      Marleen, in:
      THE ORIGINS, PATTERNS AND IMPLICATIONS OF HUMAN SPONTANEOUS MUTATION
      James F. Crow
      wordt uitgelegd dat voor het aanmaken van sperm veel meer delingen nodig zijn dan voor egg cells, zie mooie illustratie in het artikel. Het document is als pdf te vinden via google op de title.
      Volwassen sperm heeft 36 delingen achter de rug tegen 24 delingen voor the egg cell.

      Het toeval wil dat ik een serie aan het bloggen ben over mutatie accumulatie in de mens. Ik had mutaties in mito nog niet gedaan, dus jouw blog vormt een goede aanvulling.
      Mutaties in mito zijn betrokken bij bipolar disorder, soms autism, en nog een hele serie andere ziektes:
      http://en.wikipedia.org/wiki/Mitochondrial_disease

      Misschien ga ik er nog over bloggen als ik tijd heb.

    • Marleen oktober 27, 2011 om 11:43

      @Gert, hartelijk dank voor de aanvullingen en links. Ik zal ze bekijken en ben erg benieuwd naar je eventuele blogs over mitochondriale ziekten.
      Ik wilde ook toevoegen dat een jaarabonnement op Nature nu verkrijgbaar is voor slechts 36 Euro (Zo’n 40 euro met belastingen). Je krijgt dan toegang tot het ‘current issue’ en alle archieven online. Bovendien ontvang je de geprinte versie thuis. http://www.nature.com/content/npg/High_Impact/index.html?WT.mc_id=TWT_NatureNews

  5. Rob oktober 26, 2011 om 12:26

    PS. waarom hierboven in één keer radagast staat is me weer een raadsel.

    • Marleen oktober 26, 2011 om 12:59

      @Rob, de waarden van de mutatiesnelheden heb ik overgenomen uit Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Mutation_rate
      Het ging bij de mutatiesnelheid van mtDNA die ik aangeef om menselijke mitochondrien.

      Ik moet je artikel nog lezen en weet dus niet echt wat je met veiligheidsklep bedoelt. Later meer…

      Wie weet waar Radagast net vandaan komt ?

    • Marleen oktober 27, 2011 om 12:18

      @Rob, misschien bedoel je met veiligheidsklep dat er meer G-C’s muteren dan A-T’s? Of dat mitochondrien mutaties opvangen die anders het nucleaire DNA beschadigen?

      De mutatiesnelheid van mtDNA ligt bij de fruitvliegjes duidelijk lager dan die bij de mens. Er bestaan inderdaad grote verschillen in mutatiesnelheid tussen soorten wat volgens Lane (zie blog Yong) te maken heeft met de grootte van het nest. Weinig jongen betekent een lage mutatiesnelheid (en de mens dan?). Ook dieren die een snel en efficient metabolisme (nodig) hebben, zoals vogels en wellicht ook fruitvliegjes hebben een lage mutatiesnelheid van het mtDNA.

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: