arbitrium

Virussen communiceren met elkaar en met hun nakomelingen door middel van een korte proteïne. De hoeveelheid van dit eiwit bepaalt of de gastheercel lyse ondergaat of dat het virus de cel spaart. Dit eiwit, dat kort geleden ontdekt is, wordt arbitrium genoemd.

bacteriofagen (groen) op een bacteriecel (oranje)

Wanneer virussen hun gastheer infecteren, gaat dit een veel gevallen gepaard met de kaping door het virus van de replicatie- en translatieprocessen van de gastheercel. Er worden dan opnieuw alle bestanddelen van het virus aangemaakt die zich samenstellen tot nieuwe virussen. Wanneer deze vrijkomen barst de cel open; er vindt lyse plaats en de cel gaat dood. Maar het genetisch materiaal van het virus kan ook deel uit gaan maken van dat van de gastheer. Het plaatst zich in het DNA van de gastheer en blijft slapende. Het virus veroorzaakt dan geen dood van de geïnfecteerde cellen, maar wordt na iedere celdeling doorgegeven aan de dochtercellen. Het virus lift zo mee op het DNA van de gastheercel. Dit is de lysogene cyclus, niet te verwarren dus met de eerder beschreven lyse cyclus.

lytische cyclus en lysogene cyclus

Jaren heeft men onderzoek gedaan naar hoe deze keuze gemaakt werd. Men zocht vooral naar intracellulaire signaalwegen en genetische circuits in de gastheercel. Ook de onderzoekers van deze studie zochten naar moleculaire signalen tussen bacteriecellen en ontdekten zo het relatief korte eiwit verantwoordelijk voor de keuze (“arbitrium”) tussen lyse en lysogeen. Zij werkten niet zoals gewoonlijk met het bacteriofaag lambda, het meest bekende bacterievirus, en het bacterie E. Coli, maar met Bacillus subtilis en vier verschillende fagen. Ze infecteerden de bacteriën met de fagen en screenden het medium op zoek naar molecuulsignalen geproduceerd door de bacteriën. In plaats daarvan vonden ze een molecuul dat geproduceerd werd door een van de vier fagen: phi3T. Ze noemden het arbitrium.

Arbitrium wordt vrijgegeven na digestie met enzymen van een proteïne die door de faag gecodeerd is. Het korte eiwit arbitrium verspreidt door het medium en wordt vervolgens door specifieke kanalen in het membraan doorgelaten tot het plasma van een nabijgelegen bacteriecel. Arbitrium inhibeert een faagfactor die op haar beurt een gen activeert dat het lyse-proces stimuleert via een onbekend mechanisme. Het lyse-proces wordt door arbitrium dus verminderd of stilgelegd.

De onderzoekers zagen dat er vergelijkbare arbitrium systemen zijn in wel 100 bestudeerde fagen, waarbij elke faag alleen door zijn eigen geproduceerde arbitrium geregeld werd. De verschillende arbitrium-peptiden verschillen immers in hun samenstelling van aminozuren. Het is dus duidelijk dat een bepaalde faag in eerste instantie zich door lyse snel vermenigvuldigt, maar naarmate de concentratie van arbitrium toeneemt zal de lysogene cyclus de overhand krijgen. Dit overlevingsmechanisme is gebaseerd op het feit dat de faag zich alleen blijvend kan handhaven mits er genoeg gastheercellen overblijven. De lyse doodt de cellen en het tijdig stopzetten daarvan verzekert het virus van overleving omdat zijn gastheer blijft doorleven.

Vooralsnog is dit mechanisme van betekenis in bacteriofagen en bacteriën, maar het is waarschijnlijk dat er ook voor virussen en eukaryoten een dergelijk mechanisme bestaat.

Dit feedbacksysteem waarin elke faag zich vermenigvuldigt door productie van een eigen eiwit waaraan alleen hijzelf en zijn eigen nakomelingen gehoorzamen, geeft aan dat fagen uiterst bepalend zijn voor de biosfeer. Zij hebben hun evolutie onder eigen controle. Daarbij is het interessant te bedenken dat virussen zich samen met de eerste preprokaryoten ontwikkelden, zoals de hypothesen van Patrick Forterre stellen. Kunnen we, nu we weten dat ze communiceren met hun nakomelingen, ook spreken van levende virussen? Zou de kennis over het arbitrium systeem kunnen helpen in de strijd tegen resistente bacteriën?

Ref:

Erez, Zohar; Steinberger-Levy, Ida; Shamir, Maya; Doron, Shany; Stokar-Avihail, Avigail; Peleg, Yoav; Melamed, Sarah; Leavitt, Azita; Savidor, Alon (2017-01-18). “Communication between viruses guides lysis–lysogeny decisions”. Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21049. ISSN 1476-4687.

Davidson, Alan R. (2017-01-18). “Virology: Phages make a group decision”. Nature. advance online publication. doi:10.1038/nature21118. ISSN 1476-4687.

Astronomische gevolgen

Binnen een paar weken tijd waren er artikelen te lezen over drie verschillende vrouwen die belangrijke doorbraken teweeg hebben gebracht in de wetenschap. Geen van de drie ontving daar de erkenning voor die ze verdienden. Voor alle drie werd er na enige tijd een Nobel prijs geopperd, maar deze kan niet post-mortum toegekend worden. De drie vrouwen zijn Hilde Proescholdt, Henrietta Leavitt en Rosalind Franklin. Omdat hun geschiedenissen toevallig voorbij kwamen de afgelopen weken, is het waarschijnlijk dat er nog veel meer van dergelijke miskenningen zijn.

Hilde Mangold Proescholdt ontdekte het weefsel dat verantwoordelijk is voor embryonale inductie bij de salamander. Nadat zij van de gastrula de dorsale lip transplanteerde naar een tweede gastrula, observeerde ze dat beide dorsale lippen vormgaven aan een Siamese tweeling die via de buik verbonden waren. Een helft van de Siamese tweeling ofwel een van de twee diertjes was gepigmenteerd omdat de dorsale lip van een gepigmenteerde gastrula vandaan kwam.

 

Wanneer een het embryo van een salamander twee controle centra ontvangt, of “organizers”, dan zal het uitgroeien tot een Siamese tweeling verenigd via de buik. Edward DeRobertis

 

Zo ontdekte zij “the organizer”. Gedurende extra twee jaar van onderzoek en vele pogingen, slaagde zij erin het experiment nog vier keer te herhalen. De resultaten konden uiteindelijk in 1924 gepubliceerd worden. Net voor publicatie kwam Proescholdt om gedurende een explosie in haar huis als gevolg van een gaslek (sommigen beweren als gevolg van zelfmoord).

Zij deed haar Ph.D bij de embryoloog Hans Spemann. Hij plaatste zichzelf als eerste auteur, ook al was Proescholdt degene die al het werk verricht had. Spemann had haar dit onderzoek toegewezen en wellicht verteld hoe zij het experiment moest uitvoeren. Dus had hij een zeer belangrijke rol. Maar Proescholdt had volgens de huidige ‘regels’ eigenlijk eerste auteur moeten zijn. Spemann ontving later de Nobel prijs voor dit onderzoek. Pas zo’n 60 jaar later herinnerde men zich Proescholdt en haar werk. In 1990 ondekte men de onderliggende chemische signalen, die, na injectie in de gastrula tegenover de dorsale lip, vorm gaven aan een Siamese tweeling in een kikkervisje.

Tijdens een discussie op het blog van Gert Korthof, kwam Rosalind Franklin ter sprake*. Het blogbericht ging over de ontdekking in 1953 van de structuur van het DNA door Watson en Crick die daar vergeleken werd met het werk van Darwin. Rosalind Franklin speelde daarin een zeer belangrijke rol. Zij maakte een X-ray foto van gekristalliseerd DNA en hield daar een lezing over. Uit de foto kon afgeleid worden dat de fosfaten aan de buitenkant van de helix zaten.

 

Photo 51 X-ray diffraction van DNA. Wikipedia

 

Watson gaf niet veel aandacht aan wat hij daar hoorde en de gegevens werden hem later opnieuw door Wilkins, een medewerker van Franklin, buiten haar weten om gepresenteerd. Deze foto’s bevestigden de door Watson en Crick veronderstelde driedimensionale structuur van het DNA. Zowel de driedimensionale structuur van Watson en Crick als de foto’s van Franklin werden in hetzelfde nummer van Nature in 1953 gepubliceerd. Rosalind Franklin overleed op 37-jarige leeftijd aan eierstokkanker. Haar bijdrage aan de ontdekking van de structuur van het DNA was essentieel, maar alleen Wilkins, Watson en Crick ontvingen de Nobel prijs.

Henrietta Leavitt **werkte voor weinig geld aan het Harvard College observatory. Om de afstand van sterren te bepalen, is het niet genoeg naar hun helderheid te kijken, want het is niet duidelijk of een minder heldere ster gewoon weinig licht geeft of ver weg staat. Zij werkte als “computer” en vergeleek foto’s van de ruimte die binnen korte tijd van hetzelfde stukje heelal genomen waren. Ze gebruikte daarvoor een “blink comparator” die twee

the distance key van Leavitt

beelden snel achtereenvolgens met elkaar afwisselden. Zo kon ze ‘knipperende’ sterren onderscheiden. Ze vroeg zich af of er een relatie bestond tussen de helderheid van een ster en de frequentie waarop deze knipperde (eigenlijk de periode waarmee deze knipperde). Omdat het niet mogelijk is de intrinsieke helderheid van een ster te bepalen, concentreerde zij zich op de sterren uit de Kleine Magelhaense Wolk, die ongeveer dezelfde afstand tot de Aarde hebben. Zij kon inderdaad de relatie ontdekken tussen de helderheid van een ster en haar periode. Zo ontdekte zij de “distance key” die Hubble vervolgens in staat stelde te bepalen dat het universum uitdijt wat hem een Nobel prijs opleverde. Ook zij kreeg weinig erkenning voor haar werk en stierf op 53-jarige leeftijd. Haar werk gaf diepte aan het universum.

De ontdekkingen van deze vrouwen waren doorbraken. Ze werkten vaak onder moeilijke omstandigheden in een omgeving die, hoewel intellectueel hoogstaand, toch bevooroordeeld was ten aanzien van vrouwen. Ze hebben dan ook geen officiële erkenning voor hun werk gekregen. Alles wat ze met hun werk bereikten is, behalve het wetenschappelijke resultaat, een posthuum verworven bekendheid. Ook werden de mannen waarmee ze werkten uiteindelijk eigenlijk in hun hemd gezet. Dit is misschien het topje van een ijsberg van vrouwen in de wetenschap die in belangrijke mate bijgedragen hebben aan doorbraken en waarvan men nooit iets vernomen heeft.

 

De Harvard “computers” van astronoom Pickering, ook wel de harem van Pickering genoemd waar Leavitt ook deel van uitmaakte. Wikipedia

*Van het verhaal rondom Foto 51  is een toneelstuk geschreven door Anna Ziegler dat “Photograph 51” heet. Het werd in september jl. in Engeland opgevoerd met Nicole Kidman als Rosalind Franklin.

**Over de ontdekking van Henriette Leavitt werd onlangs een toneelstuk opgevoerd met de  naam “Silent Sky”

Uit: – Every Day Cosmology (Henrietta Leavitt)

– DNA from the beginning (Rosalind Franklin)

– Nautilus (Hilde Proescholdt)

DNA en vulkanische rotsen

Al sinds de jaren zestig proberen onderzoekers Darwiniaanse evolutie te simuleren met replicerende DNA-strengen. Het is echter in veel experimenten gebleken dat replicatie van DNA in vitro voor een probleem zorgt. Bij deze kunstmatige replicatie blijken de fragmenten van DNA steeds korter te worden naarmate de replicatiecyclussen elkaar opvolgen. Kortere fragmenten repliceren namelijk sneller dan langere en zullen daardoor vlugger in aantal toenemen, waardoor de langere DNA-strengen uiteindelijk verminderen of ‘uitsterven’. Dit wordt wel het dilemma van Spiegelman genoemd, naar een pionier op het gebied van dit soort onderzoeken.

Nu is recent het nieuws verschenen dat dit dilemma vermeden kan worden. Er is door een groep onderzoekers van het Max Planck Instituut en Ludwig Maximilians Universiteit in Duitsland in eerste instantie aangetoond dat het mogelijk is de langere filamenten van kortere te scheiden. Door gebruik van capillaire buisjes, waardoor een vloeistof met DNA strengen stroomt en waarin een temperatuurgradiënt bestaat, laten ze zien dat de langere DNA strengen als gevolg van convectie en thermodiffusie aan de basis van dit buisje accumuleren.

Vervolgens werd er een experiment opgezet met Polymerase Chain Reaction (PCR). Dit enzym wordt doorgaans in laboratoria gebruikt om kleine hoeveelheden DNA te amplificeren met cycli van temperatuurwisselingen. Er werden DNA- strengen van verschillende lengte plus polymerase en primers in bufferoplossing door het buisje heen gestuurd. Er vindt zodoende replicatie van de verschillende DNA strengen plaats. Ook in dit geval accumuleerde de langere DNA-strengen. Het langere DNA wordt als het ware gevangen in het buisje, de kortere filamenten stromen met de vloeistof mee het buisje uit. Op de figuur kan gezien worden hoe de opgevangen fracties van de inhoud van het buisje kortere en langere DNA-strengen bevatten. Dit wordt aangetoond door middel van elektroforese van de verschillende fracties.

Een scala van dubbelstrengs DNA wordt geïnjecteerd in het capillaire buisje met lengtes variërend tussen 20 en 200 bp met stappen van 20. Het doorspoelen met buffer op de aangegeven snelheid (Vs) spoelt de lengtes tot en met 80 bp weg terwijl de langere strengen gevangen blijven zoals het resultaat op elektroforese rechts laat zien.

 

Deze resultaten zijn van bijzondere betekenis, niet alleen voor het onderzoek over het mogelijke ontstaan van DNA zelf, maar ook voor het onderzoek naar de oorsprong van leven in het algemeen. Er wordt in de publicatie gerefereerd aan vulkanisch gesteente op de zeebodem waarin een temperatuurgradiënt zou bestaan. Daarin kunnen kleine barsten of poriën zitten waarin zich macromoleculen als DNA kunnen ophopen en waarbij met replicatie van en mutaties in dit DNA er in principe Darwiniaanse evolutie mogelijk is.

Dit laatste zal altijd speculatief blijven, maar langzaamaan hopen de experimenten op waaruit blijkt dat dergelijke scenario’s mogelijk geweest zijn. Nu is dit experiment uitgevoerd met dubbelstrengs DNA. Doorgaans gaat men er echter van uit dat de eerste macromoleculen uit enkelstrengs RNA bestonden. Het is daarom niet duidelijk hoe dit experiment in deze hypothese past.

Nu hebben Nick Lane en Bill Martin veel geschreven over de mogelijke oorsprong van leven in de poriën van de schoorsteenwanden in hydrothermale bronnen. Het is enigszins opmerkelijk dat deze studie helemaal niet refereert aan deze wetenschappers.

 

h/t Rob van der Vlugt

Uit: Kreysing, M., Keil, L., Lanzmich, S. & Braun, D. Heat flux across an open pore enables the continuous replication and selection of oligonucleotides towards increasing length. Nature Chemistry 0, (2015). (Free access in ReadCube)

Heeft de slang nu wel of niet gesproken

Een gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

Leonardo speelt nog een liedje

Heeft de slang nu wel of niet gesproken

Door enig geruis in de samenleving, ik bedoel in dat deel van de samenleving waarin ik mij nu weer even beweeg, werd ik attent gemaakt op een artikel in NATURE: Does evolutionary theory need a rethinking? Een vraag in de kop, waarna het artikel zich onmiddellijk opsplitst, qua indeling en qua bijdragende auteurs in een Yes, urgently deel en een No, all is well deel. En ik moet U zeggen: ik ben van een paar kleine verbazinkjes in een paar grote gevallen.
Het geruis kwam vooral vanuit de blogosphere (1, 2), maar wie de moeite neemt om het artikel zelf te lezen, en daarna de reacties – vooral de reacties! – ziet dat het water bij Nature al gaat rimpelen.

Het heeft mijn gedachten bijna onmiddellijk naar de affaire Geelkerken verplaatst. Nu zal in het evolutiebiologenwereldje, en vooral daar waar het ongeloof een grote vlucht heeft genomen, de affaire Geelkerken geen bellen doen rinkelen, dus ik zal U even bijpraten.
Geelkerken was een dominee, één van een groepje dwarse dominees in de Gereformeerde Kerken die zich, nu zo’n honderd jaar geleden, bij het verhaal over de zondeval – we zitten dan qua tijdperk nog heel erg dicht bij de schepping – afvroeg of de slang daadwerkelijk gesproken had. Slangen missen nu eenmaal the faculty of speech, die is van dominees en linguïsten en dat soort mensen. En hij deed dat openlijk, op de preekstoel. Daar is een hoop gedonder van gekomen, dat uiteindelijk leidde tot disciplinaire maatregelen, waarna aan het einde – het zal U niets verbazen – NL weer een denominatie meer telde.

Zij die het rechte pad bewaken

 

Wat is voor mij de evolutietheorie.
Laat ik daar onmiddellijk duidelijk over zijn: de associatie met het geloof is er voor mij ook in dit opzicht. Maar ik zal het minder verdacht, positiever neerzetten.
Ik vergelijk het met een prachtige ronde kaas, zoals die uit de kaasvorm komt, eertijds van de boer, heden ten dage van de fabriek. En daar ligt die kaas op de plank van de kaasboer. Mooie ronde vorm, compact in aanzien en gewicht (en dat kan behoorlijk zwaar zijn, hoog soortelijk gewicht; ik weet niet of U zich een voorstelling kunt maken van een Italiaanse commessa die een nieuwe parmigiano aan moet gaan snijden – wel, ik ben een keer als klant naar de andere kant van de balie gegaan om het lieve kind te helpen).
En dan komt er een klant en die wil daar een stukje van. En de kaashandelaar moet de nieuwe kaas aansnijden, halveert de kaas, en de klant die toekijkt zegt: maar, daar zitten gaten in. Ja zegt het kaasboertje, dat klopt, dat hoort bij deze kaas, maar dat weegt niks dus daar betaalt U niet voor.
Ik bedoel hier gatenkaas dus te gebruiken in een veel positievere zin dan gewoonlijk gebruikt. Eigenlijk heel positief.

De evolutietheorie is de theorie van de hypotheses en de open einden.
De evolutietheorie is de theorie van het door de elektronische microscoop via beeldscherm waarneembare DNA – met beeldjes die de programmeur vertaald heeft op basis van de concepten in het hoofd van de gebruikersdeskundige evolutiebioloog – en de gevonden fossielen.
De evolutietheorie is ook de theorie van de lacunes en van het gemis aan experimenteerbaarheid.
Maar wel een mooie ronde kaas, goudgeel gekleurde korst en voorzien van keurmerk.
Een prima verhaal om te verklaren hoe we vanuit de big bang geworden zijn wat we nu zijn.

En als zodanig een veel beter verhaal dan het scheppingsverhaal.
Voor mij!
Het scheppingsverhaal vind ik als metafoor wel een prachtig verhaal, mits je voor ogen blijft houden dat er sprake is van twee metaforen: de volheid van de zevendaagse week als metafoor voor een enorme tijdspanne, en de schepper God als metafoor voor een heel ingewikkeld, niet overal en altijd navolgbaar verhaal.
Het is als zodanig ook een universeel verhaal. Het zijn niet alleen de joods-christelijke worteltjes die verantwoordelijk zijn voor de verspreiding van deze “goede boodschap” noch kunnen ze er het auteursrecht  van claimen. Het is alleen jammer dat voor een heleboel mensen de metafoor God veranderd is in een werkelijke, levende God. Ik denk dat de evolutietheorie daarover ook wel iets kan zeggen, maar dat is hier van een andere orde.

En nu blijkt dus ook de evolutie verschillende denominaties op te kunnen leveren. Zoals je de RK hebt en de PKN, zo heb je in evolutieland nu de SET en de EES.
Well, what’s in a name?
Heel wat. Mutation en natural selection, én genetic drift, en ook nog gene flow die tegenover developmental bias en plasticity, én niche construction, en ook nog inclusive inheritance dreigen te komen staan. Een positief punt: waar niet gelovigen vaak de draad en de kluwen niet kunnen onderscheiden bij kerkelijke haarkloverijen, is hier goed te volgen waarover het gaat.

Ik begrijp dat we de evolutie zien als een aanpassingsverhaal: het levende wezen past zich aan aan de omgeving. Okay, wat is die omgeving, waarom is die veranderd? Hebben we het dan alleen over de materialistische omgeving, of ook over de biosfeer. Volgens mij het laatste, want het woord biotoop lijkt me niet voor niks uitgevonden. Zoals de eikenboom een element is in de biotoop van de mens, zo is de mens een element in de biotoop van de eikenboom. En het lijkt me een typisch geval van gesneden koek, dat wanneer de mens zich aanpast de eikenbomen zich gaan aanpassen, en wanneer de eikenbomen zich aanpassen dat dan de mens zich gaat aanpassen.
Als die biotoop als zodanig wijzigt, waarom wijzigt die dan. Is daar dan sprake van een hiërarchie: “lagere” soorten wijzigen eerder, of vaker?

Voor zover ik het begrijp, zijn die wijzigingen traceerbaar als spoor van gewijzigd DNA. (Ik neem nu even aan dat wijzigingen zichtbaar in de verzameling fossielen het gevolg zijn van de DNA-mutatie – of ik daarmee meer SET dan EES ben laat ik graag aan de gelovigen over.)
Dus, de kernvraag lijkt mij: waarom doen zich mutaties voor in het DNA?
En ik denk dat dat een filosofische vraag is. Zelfs als wij vandaag de dag DNA-mutaties kunnen provoceren, zullen wij dan ooit weten waarom en hoe miljoenen jaren geleden een wijziging in het DNA tot stand kwam die ons mens zijn een stapje dichterbij bracht?

Hier zijn we bij een paar grote vraagtekens van mij beland, waarvan ik me nog eens bewust werd via het artikel in Nature.

Kevin Laland c.s. schrijft: “We hold that organisms are constructed in development, not simply ‘programmed’ to develop by genes. Living things do not evolve to fit into pre-existing environments …”. Ik sta er verbaasd van dat dit opgeschreven moest worden.
Mij is toch duidelijk gemaakt dat mutaties in genen aan de orde van de dag zijn, dat levert gedurig uiterlijke, functionele kenmerken op die verschillen, en evolutie wil dus zeggen dat die kenmerken die het meest fitten bij de omgeving, overleven. Er is toch niemand die beweert, of beweerd heeft, dat er geprogrammeerd is?
Elders schrijft hij: “The (EES) insights derive from different fields […] They show that variation is not random.” Well, who’s in charge, zou ik zeggen.
Er lijkt warempel sprake te zijn van cryptocreationism, of cryptodesignationism.

En dan is daar het gebruik van het woord aanpassing.
Ik gebruik het hierboven in de actieve zin: iets past zich aan. Ik heb Wiki er maar bijgehaald – dat mag in dit geval, want evolutiebiologen verwijzen graag naar Wiki, er is zelfs een groepje activistische evolutionaire biologen dat ketterijen in Wiki bestrijdt – en dat zegt: Adaptation refers to both the current state of being adapted and to the dynamic evolutionary process that leads to the adaptation. Adaptations contribute to the fitness and survival of individuals. Daar zit dus een passief deel in, being adapted, en een actief deel, dynamic evolutionary process.

IJsberen zijn niet wit omdat het zo wit was op de Noordpool. Er lopen daar witte beren rond en nu, na miljoenen jaren, geen bruine beren meer, omdat de witte beer in die omgeving fitter was voor overleving, hetzij als voedselverzamelaar, hetzij tegen andere voedselverzamelaars. Dus de bruine beer is er begonnen, zo gaat het verhaal, maar het is nu de “mutatie” witte beer die de klok slaat.
Dat verhaal kun je ook heel anders vertellen, een andere manier om die ronde kaas te halveren en te laten zien dat het gatenkaas is, want …
Een bruine beer krijgt een jong, en dat ziet er heel anders uit dan de rest van haar jongen. Wit, of witachtig. Laten we aannemen dat de moeder op dat moment nog vertederd is. Kijk nou toch vader beer, wat schattig, een wit berinnetje. Vader bruine beer bromt een beetje misnoegd. Het beestje wordt door moeder beer nog wel extra vertroeteld. Maar al gauw wordt het beestje een blok aan het been. Want als de groep voorttrekt, en het beestje blijft wat achter, ook jonge beertjes zijn nieuwsgierig, dan moeten de oudere beren goed kijken waar het witte beestje uithangt, zeker als je tegen de laagstaande zon in kijkt. En al snel wordt duidelijk dat het beestje eerder een gevaar is voor het voortbestaan van de groep, dan een leuke versiering. En we weten maar al te goed wat alle samenlevingsvormen doen met dat wat de boel weliswaar opleukt, maar toch afwijkt van de norm: op z’n zachtst wordt het verstoten, op z’n ergst gaat het op de brandstapel.
En zo mag het eigenlijk een Godswonder heten dat er überhaupt witte beren op de Noordpool rondlopen.

En of die slang nu wel of niet gesproken heeft … ach, ik denk dat dat wel voor altijd een raadsel zal blijven.
Persoonlijk ben ik van mening dat ook slangen kunnen praten, en beren ook; vooral witte ijsbeertjes, die als eerste van hun moeder te horen krijgen dat mama echt wel van haar houdt, ook al ziet ze er dan een beetje anders uit. Alleen, wij mensen kunnen het met onze beperkte kennis niet herkennen als faculty of speech.
Het is niet onmogelijk dat de primitievere Adam en Eva, naamgevers aan de diersoorten, dat nog wel konden.

Zie ook: een ijsbeer beerde zoveel ijs

Zie ook: seks met eikenbomen

Oorsprong van mitose en meiose, een theorie over de evolutie van de eukaryoot en seks

Na in het voorgaand blog de evolutie van geslachtsverschillen in Volvox bekeken te hebben, botste ik in Wikipedia tegen een verwijzing naar artikelen van Philip John Livingstone Bell aan. Zijn werk is puur theoretisch en behandelt de oorsprong van de eukaryotische cel, van mitose, meiose en dus het ontstaan van seks. Eukaryoten zijn alle cellen en organismen die wij gewoonlijk waarnemen, ze hebben een celkern. Prokaryoten zijn voornamelijk bacteriën. Virussen vormen een apart hoofdstuk, maar lijken een enorm belangrijke zo niet fundamentele rol te hebben gespeeld in het ontstaan van de eukaryotische cel zoals Bell in zijn theorie laat zien.

Een blog biedt eigenlijk niet genoeg ruimte voor een uitgebreide verhandeling van mitose en meiose. Kort gezegd is mitose de celdeling in de eukaryotische cel waarbij de lineaire chromosomen (DNA) eerst verdubbeld en vervolgens eerlijk verdeeld worden over de dochtercellen. De meiose daarentegen bestaat uit twee delingen: een die de chromosomen verdubbelt (waarna er het essentiële fenomeen van crossing –over plaatsvindt waarbij de genen van vaders en moeders kant uitgewisseld worden), en een tweede die zonder verdubbeling van de chromosomen plaatsheeft, waardoor er een zogenaamd gehalveerd genoom ontstaan ofwel haploïde cellen, de geslachtscellen.

Mitose van geïnfecteerde cellen en ‘binary fission’ van niet geïnfecteerde cellen.

Dit ingewikkelde maar vrijwel universele mechanisme (althans voor wat betreft de eukaryoten) is volgens Bell ontstaan uit drie organismen: een virus, een Archaea (een soort oerbacteriën zonder dubbel membraan) en bacteriën. De Archaea, of de voorloper ervan, bood het cytoplasma dat het virus kon infecteren en waar het zijn genetisch materiaal kon deponeren en repliceren met behulp van eigen polymerasen en/of reverse transcriptase en ribosomen of met die van de gastheer. Een bacterie, waarschijnlijk de alfa-proteobacterie, vormde de eerste mitochondriën.

De theorie van Bell stelt dat het virus met zijn RNA of DNA de gastcel infecteerde, waarna het lineaire chromosoom (met centromeer) van dit virus repliceerde en, zodra deze cel fuseerde met een niet geïnfecteerde cel, zich deelde zodat de twee chromosomen zich over de twee dochtercellen verdeelden. Door meerdere infecties met verschillende maar verwante virussen zou het aantal chromosomen toegenomen zijn. Deze proto-eukaryotische, of eigenlijk reeds volwaardige eukaryotische cellen konden daardoor licht verschillen in genetische opmaak (we noemen ze + en – cellen met elk n chromosomen). Hun cellen konden fuseren (lees ‘bevruchten’) en zo een cel voortbrengen met 2n chromosomen. Zodra daar wederom twee celdelingen op volgden hebben we opnieuw twee haploïde cellen + en twee haploïde cellen -. Dit is exact hetzelfde als meiose.

Meiose in geïnfecteerde cellen. a en alfa corresponderen met + en – in de tekst

Dit is een pure theorie die zich echter wel baseert op wat men nu nog terugziet in de tegenwoordige wereld tijdens infectie met het pox-virus. De theorie stelt dus niet alleen dat zowel mitose als meiose een ‘uitvinding’ zou zijn die dankzij de virussen heeft kunnen voorvallen, maar ook dat de celkern van oorsprong vrijwel uitsluitend viraal RNA of DNA bevatte. Op het blog van Gert Korthof is er een levendige discussie over of virussen nu wel of niet als levende organismen moeten worden beschouwd. Patrick Forterre, een gevierd viroloog, is daar een voorstander van en gezien hun mogelijke belang in het ontstaan van mitose en meiose, hebben de virussen wel een speciaal ereplaatsje verdiend.

Uit: Sex and the eukaryotic cell cycle is consistent with a viral ancestry for the eukaryotic nucleus. Philip John Livingstone Bell. Journal of Theoretical Biology 243 (2006) 54–63.

 

Lag de oorsprong van leven bij virussen?

Foto door Chantal Abergel en Jean-Michel Claverie Drie recent ontdekte reuzevirussen — mimivirus (boven), pandoravirus (midden) and pithovirus (onder)

De theorieën over de oorsprong van het leven lopen uiteen, maar over één ding is men het eens. Er bestond ooit een RNA-wereld waarin er zowel polymeren als ribozymen bestonden, beide opgebouwd uit RNA. De laatste katalyseerde de replicatie van de eerste en zo ontstonden er de eerste replicatoren. Nu bevatten onze cellen DNA (deoxyribonucleic acid) als opslag voor informatie, terwijl veel verschillende soorten RNA (ribonucleic acid) bijvoorbeeld als boodschapper (RNAm) of drager van aminozuren (RNAt) dient. Er is blijkbaar een moment geweest waarop het RNA omgezet is in DNA. Nu geldt het dogma in de biologie dat DNA omgeschreven wordt in RNA dat op haar beurt weer afgelezen wordt voor de vorming van eiwitten. Er bestaat slechts één uitzondering, en dat is het enzym reverse transcriptase dat alleen door retrovirussen gecodeerd wordt. (Er is een andere reverse transcriptase die telomeren synthetiseert, zie de reactie van Gert Korthof).

Al een tijdje bestudeert de viroloog Patrick Forterre de mogelijkheid dat retrovirussen aan de oorsprong van de eerste cellen heeft bijgedragen. Ik schreef al eerder over zijn werk en theorie en de details kun je in dit eerdere blog lezen. Hij stelt dat de retrovirussen DNA maakten en daarmee cellen infecteerden die vervolgens dit stabielere DNA gebruikten als informatieopslag.

Nu is er recent een enorm virus ontdekt, het pithovirus, dat nog groter is dan veel bacteriën. De afmeting is meer dan 1,5 micron en het draagt zo’n 500 genen waarvan vele niet gerelateerd zijn aan de ons reeds bekende genen. Voordat dit virus werd gevonden, wist men al van andere grote virussen zoals het mimivirus en pandoravirus die ook veel niet gerelateerde genen bevatten. Zo langzaamaan begon zich een andere theorie te vormen.

Men dacht vroeger dat virussen zich later hebben ontwikkeld dan cellen, omdat alle toen bekende virussen voor hun replicatie of vermenigvuldiging afhankelijk waren van cellen. Het zou dus wel eens omgekeerd kunnen zijn, namelijk, dat virussen eerder ontstonden dan cellen. Ze zouden in eerste instantie in de RNA-wereld geleefd hebben die bestond uit zelfzuchtige RNA’s die de boventoon gingen voeren. Deze werden omsloten door capsiden, bestaande uit proteïnen.

Een argument voor de The Virus World Theory stelt dat virussen genetisch gezien een grotere diversiteit hebben dan cellen. Waren ze afgeleid van cellen, dan zou er een kleinere diversiteit zijn dan die we aantreffen bij cellen. Eugene Koonin is voorstander van The Virus World Theory, terwijl Patrick Forterre denkt dat virussen hun opmars maakten nadat er voorlopers van bacteriën, Archaea en Eukaryoten, die hij protoeucaryoten noemt, hun intrede deden. Hij onderstreept daarbij dat virussen op het toneel verschenen voordat LUCA (Last Universal Common Ancestor) bestond. Abergel en Claverie, een echtpaar van virologen, beweren daarentegen dat virussen afstammen van uitgestorven cellijnen. Er was geen unieke cellijn volgens hen, maar een waren een heleboel verschillende cellijnen die allemaal uitgestorven zijn. De virussen bevatten nog steeds de antieke genen van deze uitgestorven cellen.

Kortom, er is in Frankrijk een flinke discussie gaande rond dit onderwerp. Daar wordt heel wat ge-e-maild over virussen. Het zou leuk zijn als deze discussie wat meer open was, zodat wij hem konden volgen. Misschien hebben ze allemaal gelijk en verschenen virussen tegelijk met cellen, met het daarop volgende uitsterven van bepaalde cellen waar antieke infecterende virussen nog steeds een overblijfsel van zijn. Het zou zomaar kunnen.

Uit: Hints of Life’s Start Found in a Giant Virus. QuantaMagazine

 

 

 

Epigenetica en RNA

DNA methylatie in planten. De bloem staat op de plaats van een methylgroep in Cytosine

Epigenetica is een vrij nieuwe tak van de genetica en bestudeert veranderingen van het DNA die geen invloed hebben op de sequentie daarvan. Er wordt veel over gediscussieerd om verschillende redenen. Het gaat in de discussies voornamelijk over de mogelijkheid dat de veranderingen erfelijk zouden zijn. Vaak worden er dan studies geciteerd waarin gebleken is dat blootstelling in utero aan chemicaliën of een slechte voeding bijvoorbeeld een (negatief) effect hebben op de volgende generatie. Behalve dat dit uitsluitend een generatie betreft, is er ook geen sprake van ware erfelijkheid want die zou moeten verlopen via de gameten ofwel geslachtscellen.

Naar aanleiding van een discussie met een bioloog kwam er een artikel uit Nature naar voren. In dat artikel wordt netjes ingedeeld wat de moleculaire kandidaten zijn voor epigenetische erfelijkheid. Een belangrijke kandidaat is de methylatie van het DNA. Het DNA bestaat uit vier letters: A, C, T en G die staan voor de nucleotiden Adenine, Cytosine, Tymine en Guanine resp. Methylatie van het DNA is de methylatie ofwel de toevoeging van een methyl-groep aan het residu Cytosine. Methylatie is een essentieel onderdeel van het DNA en bepaalt welk gen en hoeveel van elk gen er afgeschreven wordt. Dit is van fundamenteel belang voor de differentiatie van de verschillende weefsels. Al onze cellen bezitten immers hetzelfde genoom, maar ze zijn allemaal gedifferentieerd in de verschillende cellen zoals in de levercellen, de neuronen of de spiercellen bijvoorbeeld. In al deze cellen staan er verschillende genen ‘aan’ of ‘uit’. Het is recent aangetoond dat deze markering niet overgeërfd wordt. De methylatie wordt door het enzym demethylase verwijderd. Dit kan gebeuren in de geslachtscellen, maar doet zich zeker voor in het eerste stadium van het embryo.

Andere kandidaten zijn verschillende groepen RNA’s. RNA wordt van het DNA afgeschreven, heeft net als DNA een sequentie van nucleotiden A, C, en G, maar in plaats van T bevat het een U (Uracil). Het meest belichte RNA is het mRNA dat codificeert voor de proteïnen. Maar van de totale RNA’s zijn de lncRNA’s (long non-coding RNA’s) het meest voorkomend en vormen vier vijfde van het totale RNA. Ze zijn voor methylatie wellicht van belang omdat ze de methylase (het enzym dat DNA methyleert) sekwestreren. Een gevolg daarvan zou kunnen zijn dat er minder DNA gemethyleerd wordt en er dientengevolge meer DNA tot expressie komt en getranscribeerd wordt in RNA. Ook de small RNA’s spelen een rol in de regulatie van genexpressie. Het is hoe dan ook een kwestie van definieren of je RNA’s ook zou moeten rekenen tot epigenetische markers. Ze zijn overvloedig aanwezig in de eicel waar ze voorzien in alle benodigdheden van deze cel tot aan de tweede celdeling en worden via de moeder geërfd. Het zouden daarom goede kandidaten zijn. Toch wordt RNA soms gerekend tot het fenotype van de cel; het is immers de expressie van het DNA. Bovendien hebben ook eiwitten en steroïde hormonen invloed op de transcriptie van het DNA en worden hoogstwaarschijnlijk doorgegeven via de eicel. Zouden die ook gerekend moeten worden tot epigenetische markering ? Waarom zou je RNA tot epigenetische markering rekenen en eiwitten en hormonen niet ?

Een belangrijke conclusie in de review in Nature is dat epigentische overerfing tot nu bijzonder onduidelijk en zeldzaam is gebleken. Het is van belang dat een embryo dat zich moet differentiëren van een totipotente cel tot een gedifferentieerd en compleet ontwikkeld organisme dit moet kunnen doen vanuit een situatie dat alle markering uitgeschakeld is. Bij planten is recentelijk aangetoond op Arabidopsis dat epigenetische markering doorgegeven wordt tot tenminste de 20^ste generatie. Vaak wordt in het nieuws verwezen naar de mogelijkheid dat Lamarck toch gelijk had met de bedoeling een hype te veroorzaken. Mochten de resultaten op Arabidopsis bevestigd worden en wellicht uitgebreid worden naar de wilde planten, dan zou dat wel bijzonder groot nieuws zijn.

Uit: Nature, Cell, The Scientist.

Hoe kleiner hoe vager

Het bepalen van de sequentie van een genoom (het totaal aan genen en niet-coderend DNA van een organisme) is steeds makkelijker geworden. Het gaat sneller en is minder duur. Daardoor is het tegenwoordig mogelijk meerdere genomen of zelfs hele microbiomen tegelijk te analyseren. Onderzoekers toonden aan dat in de meiofauna, het totaal aan micro-organismen* tussen 20 µm en 1 mm groot, op de bodem van zoet en zout water, er eigenlijk geen onderscheid meer gemaakt kan worden tussen soorten.

meiofauna taxa: a/ Nematoda, b/ Harpacticoida, c/ Rotaliina, d/ Ostracoda, e/ Nonionella, f/ Reophax, g/ Allogromiina, and h/ Tanaidacea.
Uit: J. Fredrik Lindgren et al. 2013

 

De auteurs gebruiken het concept van genetische soort, en ecosoort. De genetische soorten zijn afzonderlijke genotypische clusters terwijl de ecosoort een afstammingslijn is die een bepaalde ecologische niche bewoont. De ecologische niche bestaat niet alleen uit de omgeving maar ook uit de andere soorten die daar leven.

Er zijn eerder studies gedaan naar de soorten micro-organismen die de waterbodems bewonen. Daarin worden homologe sequenties verkregen na toepassing van PCR met een universele primer. De genetische afstand tussen de micro-organismen wordt bepaald door het aantal mutaties ten opzichte van de lengte van de geanalyseerde sequentie van het DNA. Neemt de genetische afstand toe dan neemt de biodiversiteit af. Dat wil zeggen dat het aantal mutaties tussen de verschillende genotypische clusters toeneemt (de drempel ligt hoger) en dan kun je minder soorten registreren. Dit soort technieken geven een inzicht in de biodiversiteit van een ecologische niche of gebied.

De grafiek laat zien dat je een continue neerlopende lijn krijgt. Er bestaat blijkbaar geen drempelwaarde die duidelijk laat zien hoeveel soorten er zijn.

Kleine organismen zijn aanwezig in grote aantallen. Dit betekent, vooral wanneer men uitgaat van genetische drift, dat er een enorm gamma aan mogelijke mutaties in de groepen bestaat waardoor het lastig wordt grenzen te stellen en soorten te onderscheiden.

Het model dat de auteurs gebruiken is wellicht geen correcte weerspiegeling van de werkelijkheid. De grootste tekortkoming is dat er uitgegaan wordt van aseksuele reproductie. Ze stellen dat een model met seksuele reproductie niet veel aan de essentie van hun bevindingen zal veranderen. Dit zou betekenen dat de definitie van ecologische niches als die van zeebodems en microbiomen lastiger wordt. Er kan geen benoeming van soorten plaatsvinden.

 

*Micro-organismen zijn zowel bacteriën als meercellige eukaryoten.

Uit: Proceedings of the Royal Society

Paleontologie dicht bij huis

Het doet zich soms voor dat bepaalde vondsten van fossielen of botten ergens in een museum of schuur verstoffen. Twee vondsten van enige tijd geleden blijken nu daarentegen heel wat stof te doen opwaaien. Het gaat om een vondst in Winterswijk en een in Verona. Het gebeurt niet vaak dat dit soort ontdekkingen zo dicht bij huis plaatsvinden. Dat is ook de reden waarom ze in één blog terecht zijn gekomen.

Palatodonta Bleekeri

In beide gevallen gaat het om materiaal dat al langere tijd in bewaring was. Men ontdekte pas kort geleden wat de specimen eigenlijk voor verrassingen inhielden. In Winterswijk gaat het om een fossiele schedel van een uitgestorven zeereptiel dat als een ‘missing link’ beschouwd wordt. In Italië gaat het om een kaak, de Mezzena kaak, die in 1957 in de grotten van de Monti Lessini gevonden werden. Uit dit bot heeft men nu DNA kunnen isoleren, dat laat zien dat de kaak toebehoorde aan een hybride tussen Homo Sapiens en een Neanderthaler.

Mitochondriaal DNA wordt via de moeder doorgegeven. Dit DNA blijkt nu van de Neanderthalerlijn te zijn. De moeder zou dus een Neanderthaler geweest zijn. De morfologie van de kaak is niet terugwijkend zoals die van de Neanderthaler en behoort tot Homo Sapiens. Maar ook hier blijkt dat een uitvoeriger analyse aantoont dat de kin toch licht terugwijkend is. Dit doet de onderzoekers concluderen dat het inderdaad om een hybride individu gaat.

Het schedeltje uit Winterswijk werd pas een half jaar na de vondst door de vinder afgestoft en bleek tandjes te bezitten. Na bestudering blijkt het nu een voorouder van de uitgestorven Placodonten te zijn die 245 miljoen jaar geleden – nog voor de dinosauriërs – leefde. De amateurpaleontoloog Remco Bleeker naar wie de soort Palatodonta Bleekeri is vernoemd kwam er bij Pauw & Witteman over vertellen. Hier is het fragment terug te zien.

Over Winterswijk: de Volkskrant.

Over Verona: PLOS, Corriere della Sera.

Junk DNA en de uientest

Dit blogbericht werd voorafgegaan door vier (1, 2, 3, 4) blogberichten over ENCODE: de encyclopedie van DNA-elementen, waarin aan zeker 80% van het DNA een functie toebedeeld werd. Er ontstond veel ophef over dit hoge percentage en het bleek dat ‘functioneel’ een erg ruim begrip was. De belangrijkste groep functionele elementen zijn natuurlijk allereerst de genen die als RNA afgelezen worden en vervolgens vertaald worden in proteïnen. Een andere groep was het DNA dat als RNA afgelezen werd maar dat niet voor proteïnen codeerde. Een derde groep waren de DNA sequenties die min of meer specifiek gebonden werden door transcriptiefactoren. Ook in het geval van een zwakke en aspecifieke binding werd er gesproken van functionele elementen. De rest, 20%, bestond uit junk DNA, dat voornamelijk gevormd werd door transposons en pseudogenen ofwel inactieve overblijfselen van virussen.

Dit is de situatie zoals die door ENCODE voorgesteld werd met de publicatie van de resultaten op 5 september van dit jaar. Voor die tijd wist men dat het functionele DNA bestond uit coderende genen en genen die RNA produceerden dat een mogelijke rol had in de regulering van de transcriptie zelf en in andere regulerende processen. In de tijd die voorafging aan ENCODE besloeg het functionele DNA iets meer dan de hoeveelheid coderende genen. Zonder dat daar ooit precies onderzoek naar gedaan was ging men er van uit dat veel DNA, tenminste zo’n 90 % junk was in plaats van de 20% die er met ENCODE overbleven.

Genoomgrootte. Let op de enorme afmetingen bij planten en amfibien.

Er werd door veel wetenschappers geprotesteerd tegen dit hoge percentage functioneel DNA maar vooral tegen dit lage percentage junk DNA. Ewan Birney, een van de leiders van het project ENCODE, werd aangeraden de ‘onion test‘ te heroverwegen. In de ‘onion test’ wordt er herinnerd aan het feit dat er organismen zijn die een genoom bezitten dat veel groter is dan het onze, zoals de ui of de salamander die een genoom hebben dat wel 10 tot 20 keer groter is. Dit zijn niet bijzonder complexe organismen waardoor het onduidelijk is wat deze met zo’n groot genoom doen. Dit verschil wordt des te moeilijker te verklaren wanneer het grootste deel van dit DNA functioneel zou zijn. Alleen met het uitgangspunt dat het grootste deel van het genoom hoe dan ook junk is, wordt het functionele gedeelte van het DNA vergelijkbaar tussen de verschillende soorten organismen. Het genoom moet dus wel voornamelijk uit junk bestaan. Alleen in dat geval is het functionele deel ongeveer van dezelfde afmeting in alle soorten organismen.

Dit is eigenlijk een ander argument dan dat van de uitvinder van de ‘onion test’ Ryan Gregory zelf die het probleem als volgt stelde: “Can I explain why an onion needs about five times more non-coding DNA for this function than a human?” als vraag aan degene die dacht een functie gevonden te hebben voor junk DNA. Een erg goede vraag omdat je zoiets zeker nooit verklaren kunt hetgeen betekent dat het grootste deel van het genoom wel junk moet zijn.

Uit: The Curious Wavefunction

Vandaag werd bekend dat de Nobelprijs geneeskunde gegaan is naar John Gurdon en Shinya Yamanaka voor hun onderzoek op stamcellen. Er staan twee uitgebreide artikelen in de Volkskrant en in de NRC. Wie nog meer wil weten over details van het onderzoek van Yamanaka kan mijn blog over de problemen met zijn methode in verband met epigenetische factoren hier lezen en er een mooi filmpje bekijken over het belang van deze methode.