Terugkeer van junk DNA

Carl Zimmer heeft met zijn artikel in de New York Times over junk DNA weer veel stof op doen waaien. Er ontstaan daarom opnieuw interessante discussies over of het zogenaamde junk DNA, dat niet codeert voor eiwitten, toch een functie zou kunnen hebben. Deze discussies laaien zo af en toe op, en waren erg fel ten tijde van de publicatie van ENCODE (waarover ik eerder blogde 1, 2, 3, 4, 5).

Er werd, voordat het ENCODE project nu bijna 3 jaar geleden haar resultaten publiceerde, vanuit gegaan dat het genoom voor 2 procent functioneel is. 98 procent zou gevormd worden door junk DNA. Nu toonde het ENCODE project aan dat met de bestudering van affiniteit van transcriptiefactoren voor het DNA, wel zo’n 80 procent van het genoom functioneel zou zijn. Er laaide enorm veel verontwaardiging op – niet alleen omdat alle schoolboeken veranderd zouden moeten worden, maar ook omdat de methodes die gebruikt werden om dit resultaat te verkrijgen niet adequaat waren, zowel de methode zelf als de interpretatie ervan (zie ook een voorgaand blog). Het ging in veel gevallen om aspecifieke binding van transcriptiefactoren, kortom het ging volgens Mike White om ruis. Omdat ik zelf van mening ben dat in de intracellulaire biochemie en biologie een overdreven idee gegeven wordt van perfecte afstemming op elkaar van de verschillende macromoleculen en de verschillende chemische processen kon ik me goed vinden in het idee van ruis. ENCODE was een enorme mediahype. Het project werd uitgevoerd in een groot samenwerkingsverband met enorm veel wetenschappers en moet handen vol geld gekost hebben.

Een ander argument, behalve dat van ruis in het ENCODE-experiment, is de onion test van T. Ryan Gregory, die stelt dat het genoom van een simpele ui zo enorm groot is tegenover het genoom van een mens dat het wel heel veel junk moet bevatten.

Het idee dat het hele genoom vol zou zitten met ‘knoppen’ die de expressie van de genen regelt, en dat het dus in zijn geheel functioneel is, is een argument dat door creationisten gebruikt wordt en dat zou moeten bevestigen dat de schepping perfect is, waarin alles een functie heeft. Het is eigenaardig dat het hoofd van het N.I.H, Francis Collins, beweert dat het junk DNA zeer waarschijnlijk veel functies heeft, die we nog moeten ontdekken. Hij wil af van de term ‘junk DNA’.

Een interessant gegeven is wel dat er sinds kort RNA’s in cellen gevonden zijn die een belangrijke rol lijken te spelen in het onderdrukken van de expressie van bepaalde genen. Maar T. Ryan Gregory blijft sceptisch. Behalve deze specifieke RNA-moleculen, verwacht hij dat er veel andere RNA’s gevonden zullen worden die niets anders zijn dan aspecifieke transcriptie van het junk DNA. Het zou dus ook in deze gevallen gaan om ruis.

Uit: Carl Zimmer, Is most of our DNA garbage?, New York Times

Evenwichtige koralen

Koralen vormen een vierde van de biodiversiteit in de oceanen. De riffen, met hun structuren, spleten en gaten, vormen een schuilplaats voor veel andere organismen, die op hun beurt weer gegeten worden door andere dieren. Het rif vormt zo een zeer complex ecosysteem, het grootste en meest gediversifieerde dat we op Aarde kennen. Microben en algen regelen de gezondheid van de koralen, net als bij vele andere dieren. Microben helpen de koralen overleven, maar kunnen ook een bron van ziekte vormen.

 

Het jaar van de biodiversiteit loopt alweer bijna ten einde. Eerder wijdde ik een serie berichten aan de biodiversiteit en de koralen (deel 1, deel 2, deel 3, epiloog). Hier volgt een samenvatting van een interview van Carl Zimmer met Forest Rohwer over de koralen en hun evenwicht dat voor een belangrijk deel bepaald wordt door de algen en microben waar ze mee leven.

 

Een koraalrif is grotendeels de structuur die door de koraaldiertjes gemaakt wordt van

van internet: koraal

calciumcarbonaat (CaCO3) en bestaat verder uit alles wat er in het rif leeft zoals vissen en algen. Een rif groeit over geologische tijdschalen tot honderden kilometerslange structuren en tot wel duizend meter diep.

Koralen zijn één van de oudste dieren op Aarde. Ze zijn een halve tot een centimeter groot. Met hun tentakels halen ze het voedsel uit het water. De zoöxanthellen, de algen waarmee ze in symbiose leven, produceren met fotosynthese de energie die de koralen nodig hebben om hun skelet te bouwen. Deze algen worden opgenomen uit het water, maar kunnen soms ook doorgegeven worden van moeder op dochter.

 

De koralen dragen specifieke bacteriën bij zich die stikstof uit de atmosfeer kunnen fixeren en omzetten in organisch stikstof, een belangrijke voedingsstof voor de koralen. Het koraal met zijn symbiotische algen en bacteriën wordt een holobiont genoemd. De bacteriën produceren aan het oppervlak van het koraal ook stoffen tegen microben en beschermen zo het koraal tegen andere schadelijke bacteriën. Elk soort koraal herbergt duizenden soorten bacteriën.

 

Forest Rohwer bestudeert ook de virussen van het koraal. Sommige vallen de bacteriën aan, de bacteriofagen. Andere virussen zijn herpes-virussen die waarschijnlijk het koraal zelf aantasten. Dit laatste gebeurt vooral wanneer het koraal onder stress staat doordat het bijvoorbeeld blootstaat aan een te hoge of te lage temperatuur. Dit is dus eigenlijk wat ook bij de mens gebeurt. Alles bij elkaar lijkt het koraal behoorlijk op het menselijk lichaam waar ‘goede’ bacteriën ons tegen slechte bestand maken. Dat is dan ook precies wat Forest Rohwer doet: hij gebruikt de koralen om al deze interacties te bestuderen om vervolgens te kijken of het ook bij de mens zo werkt.

 

van internet: vissen voeden zich met algen

Het blijkt nu dat overbevissing een enorm probleem vormt voor de koralen. Koralen leven niet alleen in symbiose met specifieke algen, maar worden ook door gewone macroscopische zee-algen bedekt. Nu zorgen normaal gesproken de vissen ervoor dat deze algen weggegraasd worden. In het geval van overbevissing raken de koralen verstikt door de ongelimiteerde groei van de algen. Het lijkt erop dat deze macroscopische algen met hun fotosynthese zoveel suikers produceren dat de microben uitbundig groeien en ziekten veroorzaken bij de koralen. De koralen sterven af, de algen groeien nog meer en deze ziekte en de microben breiden zich uit. Het water wordt troebel en er schijnt geen weg meer terug te zijn. Op het moment is het grootste gedeelte van de koraalriffen zwaar getroffen, zo’n dertig procent van de koraalriffen is verdwenen, en 50 procent is zwaar bedreigd en zal het komende decennium waarschijnlijk verdwijnen.

 

Behalve overbevissing onderkent men al langer het probleem van de opwarming van de Aarde en haar oceanen. De koralen leven binnen nauwe temperatuurgrenzen. Zodra de temperatuur licht stijgt verliezen ze hun symbiotische algen en verbleken. Dit is de hoofdoorzaak van de dood van koralen. Toch kunnen ze zich van het verbleken herstellen en opnieuw zoöxanthellen opnemen. Het lijkt erop dat de koralen zelfs een ander soort algen kunnen opnemen die beter bestand zijn tegen hogere temperaturen; een echte aanpassing dus aan het veranderende klimaat. We zijn gewend deze ecosystemen te zien als zeer gevoelig voor iedere verandering, maar ze zijn al honderden miljoenen jaren oud, en het is waarschijnlijk dat ze zich kunnen aanpassen als we ze de tijd geven. Wat we moeten hopen is dat ze zich veel makkelijker blijken te kunnen aanpassen dan we tot nu toe konden waarnemen.

 

Jason de Caires Taylor maakte in Cancun, Mexico, een prachtige installatie onder water om de aandacht van toeristen te vestigen op de koralen en om de koralen te laten groeien op zijn beelden.

 

 

Het kleinste genoom

Nancy Moran onderzoekt de symbiose tussen bacteriën en de cicaden (snavelinsecten). Deze cicaden zuigen plantensappen die voornamelijk uit water bestaan. Zouden ze niet in symbiose leven met de bacteriën dan zouden ze niet kunnen overleven. Hetzelfde geldt voor de bacteriën. Hun genoom is zo gereduceerd dat ze niet buiten hun gastheer kunnen leven. Hier volgt een kort verslag van het interview van Carl Zimmer met Nancy Morgan.

Zowel bladluizen als cicaden bevatten endosymbiotische bacteriën. Deze bevinden zich in

Uit wikipedia: sharpshooter

zogenaamde bacteriocyten, speciale organen aan weerszijde van het abdomen waarvan de cellen de bacterie bevatten. De sharpshooter (een cicade) voedt zich met de plantensappen, die vooral uit water en slechts een paar aminozuren en wat mineralen bestaan. De symbiotische bacteriën maken aminozuren en vitaminen aan en verrijken het dieet van de cicade.
De bacteriën worden ‘verticaal’ overgeërfd: ze worden via de eicellen doorgegeven aan de volgende generatie.
Het zijn zogenaamde primaire symbionten; ze kunnen niet buiten de gast leven en worden als zodanig in het laboratorium bestudeerd. Er zijn fylogenetische stambomen gereconstrueerd van zowel de cicade als de bacteriën waaruit blijkt dat de vertakkingen exact overeenkomen. Er heeft zich duidelijk co-evolutie voorgedaan. De sharpshooter heeft twee symbionten. De oudste heeft een stamboom die teruggaat naar 270 miljoen jaar geleden en is symbiont van vele verwante insecten. De tweede is jonger, slechts zo’n 40 miljoen jaar oud en is specifiek voor de sharpshooter.
Deze symbionten hebben enorm veel genen verloren. Terwijl een bacterie als E. coli 5000 genen heeft die allemaal nodig zijn voor de celdeling en het metabolisme, heeft een symbiont er veel minder nodig. Door mutaties en deleties worden gedeelten van het genoom verloren. Veel van deze mutaties worden voornamelijk veroorzaakt door genetische drift omdat de populaties erg klein zijn.

De kleinste van de twee symbionten heeft een genoom van slechts 145 kb (ongeveer 160 genen) tegen een genoom van 5000 kb in E. coli en is daarmee het kleinste genoom dat er bestaat.
De twee symbionten maken samen precies de 10 essentiële aminozuren aan en zijn daarin exact complementair.

Carl Zimmer vraagt uiteindelijk of er een parallel getrokken kan worden tussen de mitochondriën en deze bacteriën. Er is immers een vergelijkbaar verlies van genen, een snelle evolutie van het genoom en genetische drift. Maar de mitochondriën zijn veel ouder en maakten deel uit van de eerste eucaryotische cel. In het geval van de cicaden gaat het om meercellige organismen waar de symbiont alleen in enkele gespecialiseerde cellen te vinden is.
Bovendien was er sprake van overdracht van genen van de eerste mitochondriën naar het genoom van de gastcel. De producten van de gastcel gaan weer terug naar het mitochondrium. In het geval van de cicaden is dat niet zo.

De onderzoekers zijn nog niet zeker of deze symbionten het kleinste genoom hebben dat er bestaat. Het kan zijn dat mettertijd nieuwe soorten nog kleinere symbionten ontdekt worden.

Het interview van Carl Zimmer met Nancy Moran waarin nog meer fantastische details ter sprake komen kan hier beluisterd worden.

Uit: PNAS, Plosgenetics, wikipedia.

Nieuwe zoektocht naar genen

De evolutietheorie leert ons dat homologie tussen organen in verschillende diersoorten gebaseerd is op een gemeenschappelijke voorouder. Er zijn talrijke voorbeelden van: de vleugels van de vleermuis en de hand van de mens hebben vijf vingers omdat wij een gemeenschappelijke voorouder delen met de vleermuis. Dit geldt ook voor de spuitgaten van walvissen en dolfijnen die homoloog zijn met onze neusgaten. Het fossielebestand

Van internet: spuitgat van walvis

laat zien dat in de voorouders van de walvissen de neusgaten zich op de punt van de neus bevonden en dat dit gat zich verplaatste naar de bovenkant van de kop.

Met de ontwikkeling van de moleculaire biologie werden dergelijke homologen ook gevonden voor proteïnen zoals hemoglobine bijvoorbeeld. Dit eiwit varieert in de verschillende diersoorten naar gelang de leefstijl van het dier, maar elk soort hemoglobine stamt van een gemeenschappelijk voorouderlijk eiwit af. Ditzelfde geldt ook voor DNA. Gedurende de evolutie worden genen doorgegeven, met kleine mutaties, waardoor er variatie optreedt. Genen zullen daarom verschillen tonen tussen de verschillende soorten, maar hun overeenkomsten laten zien dat ze homologen van elkaar zijn en afstammen van een gemeenschappelijk voorouderlijk gen.

Een eigenschap wordt vaak bepaald door een groep genen die samenwerken. De groei van een arm of andere ledematen bijvoorbeeld, wordt bepaald door vele genen die samenwerken. Genen moeten bijvoorbeeld aan- en uitgezet worden waarbij transcriptiefactoren een rol spelen. Deze groepen genen, ook wel modulen genoemd, blijken nu sinds miljoenen jaren samen te werken waarbij ze vaak wel nieuwe onderlinge verhoudingen krijgen. Ze reageren dan op andere signalen en maken daarbij nieuwe eigenschappen. Deze homologie wordt ook wel diepe homologie genoemd. Een voorbeeld: de lichtgevoelige organen van kwallen zijn heel anders dan onze ogen maar ook zij gebruiken dezelfde genmodulen om lichtgevoelige moleculen te maken.

Dr. Marcotte, die onderzoek doet op tumors, was op zoek naar genen die de groei van

Van internet: onderstebovengroeiende tomatenplant

bloedvaten regelen. Bloedvaten geven een tumor de kans te groeien door deze van zuurstof en voedsel te voorzien. Op zijn zoektocht kwam hij heel wat diepe homologen tegen: hij ontdekte dat een cluster van vijf genen dat de groei van bloedvaten regelt, sterk verwant is aan een cluster in gist, waar deze genen de celwand repareren. Ze gingen op zoek naar homologe modulen tussen mensen en planten en vonden een cluster dat bij de mens verantwoordelijk is voor het Waardenburg syndroom, waarbij tijdens de embryonale groei van de neurale top een abnormale verspreiding van de zenuwcellen plaatsvindt. Ditzelfde module is bij planten verantwoordelijk voor gevoeligheid voor zwaartekracht. Muteren deze genen dan kan de plant niet rechtop groeien.

Behalve dat het interessante informatie verschaft over waar onze genenclusters vandaan komen en wat hun rollen zijn in zulke uiteenlopende soorten, versnelt het onderzoek naar diepe homologie in genmodulen het onderzoek naar genen die verantwoordelijk zijn voor ziekten bij de mens enorm. Welicht een nieuwe tak van wetenschappelijk onderzoek?

Dit bericht is een samenvatting van een artikel van Carl Zimmer in The New York Times.