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.*

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

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.

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.