In de discussies die plaatshebben rond de evolutietheorie en haar mechanismen blijft het moeilijk concrete voorbeelden te vinden voor de evolutie van een orgaan of fenotype. De ‘moderne evolutionaire synthese’ verenigt Charles Darwins’ geleidelijkheid (evolutie vindt plaats door geleidelijke veranderingen) en Gregor Mendels’ concept van gen als afzonderlijke eenheid. Voor velen blijft het lastig aan te tonen of te begrijpen hoe de geleidelijke opeenhoping van mutaties tot het ontstaan van fenotypische vernieuwingen kan leiden. Wat zijn de veranderingen die vooraf gaan aan de vorming van een complex orgaan als het oog bijvoorbeeld.
Onderzoekers uit het laboratorium van Richard Lenski en Lenski zelf waren er eerder al in geslaagd Escherichia coli bacteriën te kweken die in staat waren te groeien op citraat in plaats van op glucose. Het is een kenmerk van deze bacteriën, E. coli, dat ze niet op citraat kunnen groeien behalve in afwezigheid van zuurstof. Het is dan ook een zeer uitzonderlijke mutatie die deze bacteriën hebben ondergaan. Het citraat zit overigens niet als voedingstof in het medium, maar als chelatie-stof.
Nu heeft Lenski en medewerkers gedurende 40.000 generaties de bacteriën om de zoveel generaties ingevroren. Hij was daardoor niet alleen in staat de resulterende gemuteerde citraat-consumerende bacteriën te bestuderen, maar ook alle voorafgaande generaties. Zo kon hij de generaties eruit halen die makkelijker dan eerdere generaties de mutanten voortbrachten. Er moest zich in die bepaalde generaties dus iets afgespeeld hebben waardoor het uiteindelijke fenotype zich makkelijker manifesteerde. Ze hadden blijkbaar een mutatie ondergaan die de ‘potentie’ in zich hield om tot consumptie van citraat over te gaan. Dit noemt hij dan ook het stadium van potentiatie; een zekere mutatie waarvan hij niet weet waaruit die bestaat en die nodig is om het volgende stadium van actualisatie binnen te gaan. Hier betreft het een mutatie waarbij er een herorganisatie plaatsvindt van genen die met de stofwisseling van citraat te maken hebben. Een promotor, die in bijzijn van zuurstof actief is, wordt vooraf geplaatst aan een transport-eiwit van citraat, dat normaal niet tot uitdrukking komt, en brengt deze laatste aan de praat. Een bescheiden groei op citraat wordt zo mogelijk. Uiteindelijk wordt het gemuteerde fenotype Cit+ verkregen door tandem duplicaties van bovengenoemde genen en promotors die een stevige groei op citraat mogelijk maakt
Dit plaatje is een met Paint-gemaakte kopie uit het News en Views artikel van Nature. Uit een enkele kloon (identieke cellen) heeft Lenski 12 parallele kweken opgezet die hier schematisch weergegeven worden. De verschillende kleuren geven potentiatie aan. Veel kweken sterven uit terwijl er twee overblijven waarvan er één Cit+ is (rood). De volledige mutatie speelt zich dus af na drie evolutionaire stappen. De eerste is ‘potentiatie’ waarbij zich onbekende mutaties voordoen. De tweede is ‘actualisatie’ waarin zich herschikking voordoet van promotors en genen (zie tekst) en die een bescheiden groei op citraat mogelijk maakt. Tot slot de ‘verfijning’ waarbij er duplicaties zijn van de betreffende promotors en genen die een robuuste groei op citraat mogelijk maken.
Dit is een prachtig voorbeeld van exaptatie waarbij twee componenten (de promotor en het transport-eiwit voor citraat) van het genoom opnieuw gebruikt worden om een nieuwe functie te creëren.
Hopelijk wordt de aard van de mysterieuze potentiatie-mutatie ooit achterhaald. Het is wel duidelijk dat genetische veranderingen geleidelijk zijn, en dat het fenotype grote sprongen kan maken.
Uit Nature en Nature News and Views.
Update 19:00 Ik was Carl Zimmer net voor…
Marleen
Je bent weer lekker bezig! en ik heb nog niet eens je laatste blog gelezen. Komt nog.
Potentiation mutaties, interessante term, is die nieuw voor dit onderzoek? (Zimmer noemt hem niet overigens).
Doet me denken aan het onderzoek van Pani et al, Nature 483,289–294 (15 March 2012)doi:10.1038/nature10838: “In a brainless marine worm, researchers find the developmental ‘scaffold’ for the vertebrate brain.” Nou ja die beestjes blijken wel wat ‘bedrading’ in hun huid te hebben, maar ze hebben geen echte neuronen, dus ook geen echte prikkeloverdracht, terwijl ze daar al wel de infrasturctuur voor hebben, zeg maar.
Dat genetische veranderingen geleidelijk zijn, maar dat het fenotype niettemin grote sprongen kan maken, snel kan ontwikkelen, wisten we bijvoorbeeld ook al van het FOX2P gen, toch? (wij hebben daarin maar twee nucleotiden anders dan muizen).
Overigens, voorzover ik weet is het kleinste verschil met grote gevolgen – misschien nog wel groter dan we nu denken te weten- één enkel zuurstofatoom in een of ander eiwit of enzym dat een belangrijke rol speelt in de stofwisseling van onze neuroen (en ons immuunsysteem). Als buitenstaander denk je dan onmiddellijk: ha!, context, combinatoriek, netwerk, of ‘ Lego!’ voor mijn part, want wat is nou een enkel zuurstofatoompje? Nothing in evolution makes sense except in the light of biochemics! ;-)zoiets dus.
fout, ik bedoelde biochemistry natuurlijk!
Harry, ik weet niet of het een algemene term is voor wie zich bezighoudt met mutaties, maar de auteurs gebruiken de termen ‘potentiation’, ‘actualisation’ en ‘refinement’ wel voor de drie stappen uit hun experiment. Carl doet dat waarschijnlijk niet om het leesbaar te houden. Hij spreekt bijvoorbeeld van: ‘Chapter One: Setting the Stage’ voor ‘potentiation’.
Dat er meer voorbeelden van dit soort geleidelijke veranderingen zijn met sprongen in het fenotype is waar, maar dat het zich binnen de duur van één experiment afspeelt is nieuw. Wat er precies gebeurde tussen de muis en de mens in blijft gissen, terwijl er hier, tenminste voor een deel, erg duidelijk is wat de mutaties en hun gevolgen waren. Het enige giswerk blijft wat er precies gebeurt gedurende de ‘potentiatie’ fase. Dat wil de groep dan ook gaan uitzoeken.
Ook hier gaat het weer eens niet om puntmutaties maar het herschikken van genen en om duplicaties.
Ik zou nu niet de chemie bij evolutie halen. Het is al ingewikkeld genoeg zeg. Chemie beantwoordt bovendien aan strikte wetten in tegenstelling tot evolutie. Dat was vast een zeker een lichte provocatie van je 😉
Marleen, gefeliciteerd met je primeur! Ik zie het artikel net in de Nature van vandaag staan. Heb even geen tijd voor verder commentaar…