Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: erfelijkheid

Epigenetica wordt sexy

Van de tong (vis; Cynoglossus semilaevis) is de sequentie van het genoom bestudeerd en vastgesteld. De studie concentreerde zich vervolgens op de geslachtschromosomen. Deze zijn relatief recent ontstaan in deze soort vis. De sekse van het dier wordt bepaald door Z en W chromosomen waarbij de vrouwtjes ZW zijn en de mannetjes ZZ, net als bij de vogels. Deze chromosomen bij de tong lijken bijzonder veel op die van de kip. Ze komen voort uit een protochromosoom dat in andere vissen een autosomaal (niet geslachts) chromosoom gebleven is.

Vrouwtje (boven) en mannetje (onder)

Vrouwtje (boven) en mannetje (onder)

De onderzoekers hebben aangetoond dat er ook pseudomannetjes geboren kunnen worden. Dit gebeurt in de natuur wel vaker onder invloed van voornamelijk temperatuur. Deze pseudomannetjes zijn genetisch mannetjes, maar zijn fenotypisch vruchtbare vrouwtjes. In dit geval konden ze vaststellen dat het gen dmrt1 (een transcriptiefactor) reguleert welke sekse het dier zal hebben. Het gen bevindt zich op het Z chromosoom. De promotor van dit gen is normaal in vrouwtjes (ZW) sterk gemethyleerd waardoor het gen niet of nauwelijks tot expressie komt. In mannetjes (ZZ) daarentegen is de promotor nauwelijks gemethyleerd en komt het gen ruim tot expressie. In de pseudomannetjes (ZW) komt het gen ook tot expressie omdat ook hier dmrt1 nauwelijks gemethyleerd is. De ommekeer van sekse gebeurt wanneer de embryo’s geïncubeerd worden bij hogere temperaturen (28°C i.p.v. 22°C). Dit blijkt allemaal mogelijk dankzij de graad van methylatie van de promotor van het gen dmrt1. Het is belangrijk te onderstrepen hoe direct de invloed van de omgeving kan zijn op een zo fundamenteel fenotype bij deze gewerveleden.

Het meest interessante deel is dat de pseudomannetjes nakomelingen voortbrengen die ook een ommekeer van geslacht laten zien bij een lage temperatuur (22°C). Dit zou betekenen dat de methylatie doorgegeven wordt aan de volgende generatie.

Er zijn meerdere voorgaande blogs die epigenetica behandelen waarin de overerving van methylatie bediscussieerd wordt (1, 2). Deze studie is wel een erg overtuigend voorbeeld van hoe epigenetische markering als methylatie doorgegeven kan worden aan de volgende generatie. Het blijft natuurlijk ook mogelijk dat er hormonen in het spel zijn die via de eicel doorgegeven worden aan het nageslacht.

h/t to Mauro Mandrioli

Uit: Nature Genetics; Pikaia

Lang leven

Er is aangetoond dat de eigenschap van een lang leven erfelijk kan zijn. Daarbij gaat het om het overerven van de manier waarop genen tot uitdrukking komen en niet zozeer om veranderingen in het DNA zelf. Deze erfelijkheid duurt overigens maar enkele generaties en daarom spreekt men ook wel van een ‘geheugen van lang leven’. De studie waarin dit aangetoond werd maakte gebruik van Nematoden (een soort kleine gladde wormen). De onderzoekers kijken er naar uit deze experimenten ook uit te voeren op dieren die dichter bij de mens staan zoals vissen en muizen.

Histonen

Histonen

Het onderwerp epigenetica is nog steeds controversieel. Bij epigenetica wordt er bepaald welke genen meer of minder tot uitdrukking komen. Het gaat daarbij hoofdzakelijk om twee mechanismen: methylatie en veranderingen in de histonen. Het eerste mechanisme voegt een methylgroep toe aan Cytosine (een van de vier basen van het DNA) en onderdrukt daarmee de expressie van een gen. De histonen zijn complexen van eiwitten die het DNA oprollen en samenpakken. Het DNA is daardoor meer of minder ‘los’ en wordt zodoende makkelijker of moeilijker tot expressie gebracht.

Dit zijn de epigenetische mechanismen die aan de basis staan van de differentiatie van onze weefsels tijdens de embryogenese. In elk type cel worden andere genen ‘aangezet’ waardoor we bijvoorbeeld over spiercellen of levercellen beschikken die toch allebei hetzelfde genoom bevatten.

De tweede vorm van epigenetica is de controversiele vorm. De moleculaire mechanismen zijn hetzelfde maar er wordt nu beweerd dat deze verantwoordelijk kunnen zijn voor ogenschijnlijk erfelijke eigenschappen. De kritieken van veel vooraanstaande biologen is vaak dat deze ‘overerving’ slechts enkele generaties duurt en dat men dus niet van erfelijkheid kan spreken. Bovendien worden de epigenetische kenmerken in elke eicel gewist (als ze daar ooit aanwezig waren). Er zou dus geen sprake kunnen zijn van overerving.

De studie op de Nematoden maakt gebruik van mutanten die een mutatie in een eiwit van de histonen hebben. Deze mutatie leidt tot een langer leven. Wordt deze mutant gekruist met een ‘gewone’ worm dan worden er onder andere wormen geboren die dit gen niet hebben (recessief homozygoot), maar die toch een langer leven hebben. Dit kenmerk wordt tot in de derde generatie meegevoerd. Dit experiment toont aan dat er echt sprake is van epigenetische erfelijkheid. De overerving van het langer-leven-kenmerk duurt slechts drie generaties. Het is al eerder aangetoond dat er in sommige gevallen epigenetische moleculaire veranderingen zijn die in de eicel bewaard worden. Dit zou dan zo’n geval zijn. De mutant heeft kennelijk een mutatie waarbij er ook in de eicellen epigenetische veranderingen plaatsvinden, die geërfd worden door zijn nakomelingen. Deze veranderingen worden tenminste tot in de derde generatie niet gewist.

Uit Nature: News and Views, Article

De vergissing van Darwin

Net zoals andere primaten, kunnen wij mensen niet anders dan autoriteiten vormen die we erkennen en, tegelijkertijd, autoriteiten vernielen die ideeën of waarden vertegenwoordigen die we niet begrijpen of waaraan we ons ergeren. Vaak door een simpele impuls te volgen, verdedigen of vallen we sociaal erkende autoriteiten aan. En deze dynamiek van de menselijke ethologie is niet alleen van toepassing op politieke leiders, maar ook op wetenschappelijke autoriteiten. De arme Charles Darwin is een schijnbeeld geworden waarnaar een soort cult is gegroeid die soms een effect “Darwin leeft en strijdt aan onze zijde” produceert, zowel als een onstuitbare wens er de doordringende wetenschappelijke geloofwaardigheid van te ondermijnen. Het is niet verrassend dat creationisten, religieuze fanatici, politici en mislukte wetenschappers Darwin verkeerd begrijpen in de hoop de invloed van de wetenschappelijke vooruitgang en de verbetering van de seculaire cultuur die voortkwamen uit zijn impuls te wissen. Het wordt veel interessanter wanneer geloofwaardige wetenschappers zoals hijzelf dit doen.

In de laatste decennia heeft men ontdekt dat, naast de traditionele genetische erfelijkheid, betreffende de genen die vastliggen in de lineaire sequentie van nucleotiden waaruit het genoom opgebouwd is, er een zogenaamde epigenetische erfelijkheid bestaat. Door de omgeving veroorzaakte veranderingen op het niveau van de structuren van het genoom, die de expressie van de genen controleren, kunnen voor enkele generaties doorgegeven worden. Dit nieuws heeft enkele wetenschappers ertoe aangezet te schrijven dat er een herwaardering van Lamarck en van zijn theorie over erfelijkheid gaande is, waardoor de onderzoeken op epigenetische erfelijkheid het darwinisme zouden reduceren.

In werkelijkheid is het omgekeerde waar. In feite, als men het spel speelt deze recente ontdekkingen te beschouwen in het licht van de voor de hand liggende schimprede Darwin vs Lamarck, dan tonen deze aan dat Darwin gelijk heeft…ook daar waar hij zich vergist. En zo wordt bevestigd dat de Nobelprijswinnaar Sydney Brenner, het absolute genie van de moleculaire biologie, gelijk heeft wanneer hij de onwetendheid stigmatiseert van de wetenschappers, die door de huidige laboratorium en aula’s lopen, ten aanzien van de geschiedenis van de onderwerpen die zij bestuderen. Want deze onwetendheid brengt schade toe!

De kwestie van de verhouding tussen Darwin, Lamarck en het probleem van de erfelijkheid van verworven kenmerken is duidelijk voor eenieder die de inhoud kent van The variation of animals and plants under domestication, door Darwin gepubliceerd in 1868. In dit werk begaat Darwin een blunder. De Engelse naturalist behandelt het onderwerp dat hij het belangrijkst acht voor zijn theorie over de oorsprong van de soorten. Niet de natuurlijke selectie, maar de variatie. Darwin weet dat hij de manier van denken in de biologie revolutioneert door de nadruk te leggen op individuele variaties. Na Darwin worden deze variaties inderdaad niet meer beschouwd als imperfecties die voortkomen uit de materialisatie van onveranderlijke platonische vormen. Ze worden de echte biologische realiteit. En natuurlijke selectie is een onvermijdelijkeid, dat wil zeggen een natuurwet, die automatisch opereert gegeven het bestaan van individuele variaties die elk diverse voordelen produceren. Het probleem waar Darwin dus met de grootste toewijding aan gewerkt heeft is dat van de natuur, van de oorsprong en van de doorgave van de ene generatie op de andere van de variaties die een landbouwer of de natuurlijke selectie gebruiken om nieuwe rassen of soorten met specifieke kenmerken voort te brengen.

In The Variation stelt hij een complexe theorie van erfelijkheid voor, waarin hij met uiterste voorzichtigheid een “provisorische hypothese van de pangenesis” definieert. Erfelijkheid zou voortkomen uit de overdracht van ‘gemmules‘, materiële deeltjes die de eigenschappen van de variatie doorgeven aan de volgende generatie. Deze deeltjes, die direct geproduceerd worden door de organen, die op hun beurt gemodificeerd worden door de interactie van het organisme met de omgeving – de interactie met de omgeving is voor Darwin fundamenteel en veroorzaakt op mechanische wijze de individuele variaties – zouden het mogelijk maken zowel de spontane als de verworven variaties door te geven, door het gebruik van de organen zelf gedurende het leven. De deeltjes concentreren zich vervolgens in de mannelijke en vrouwelijke gameten die zich mengen op het moment van de bevruchting en een organisme voortbrengen dat een amalgaam is van de kenmerken van de ouders.

Beide veronderstellingen van de pangenesis, dat wil zeggen de specifieke variabiliteit van de erfelijkheidsfactoren door interactie met de omgeving en de menging van de erfelijke kenmerken op het moment van de bevruchting, zouden binnen enkele jaren worden weerlegd. De ontdekking dat chromosomen een materieel continuüm creëren tussen de generaties maakt het mogelijk een contra-intuitieve hypothese te bouwen, die correct bleek te zijn en waarin erfelijkheid bestaat uit het doorgeven van een substantie (na Watson en Crick, het DNA), die informatie bevat om het organisme te bouwen. Maar deze is fysiek ondoordringbaar voor de verwerving van specifieke informatie op basis van modificaties van de omgeving. Bovendien toont de herontdekking van de wetten van Mendel aan dat erfelijke factoren zich niet mengen.

De theorie van pangenesis is onjuist. Maar het is ook de theorie die wetenschappelijk gezien het meest plausibel is op het moment dat Darwin schrijft over hoe verworven kenmerken geërfd zouden kunnen worden. En de recente ontdekkingen geven Darwin eventueel gelijk. Omdat de erfelijkheid van verworven eigenschappen geen Lamarckiaanse theorie is. Lamarck ging er gewoonweg van uit en het idee bestond sinds Hippocrates. Hetgeen Lamarck (die net zo evolutionist en mechanistisch als Darwin was) beweerde is dat de omgeving die continu verandert nieuwe ‘behoeftes’ creëert, waarop de organismen reageren door bepaalde eigenschappen meer of minder te gebruiken gedurende hun leven waardoor zich individuele verschillen voordoen in de toename of afname van deze eigenschappen, die vervolgens geërfd worden. Denk daarbij aan het klassiek voorbeeld van de giraffennek.

Als je erbij nadenkt, dan is de erfelijkheid van verworven eigenschappen een typisch intuïtieve uitleg die gegeven wordt met een ‘gezond verstand‘ (senso comune), een pre-wetenschappelijk verstand. Net zoals de hypothese van een ongedefinieerde ‘behoefte’ die het gebruik of ongebruik van de delen zou stimuleren, of het idee dat de complexiteit van het leven een Intelligente Ontwerper zou benodigen. Het lukt Darwin tegen het ‘gezonde verstand’ in te denken wat betreft het evolutionair mechanisme, en hij ontwikkelt de theorie van natuurlijke selectie (ontsprongen aan het bestaan van individuele variatie), die wetenschappelijk gecontroleerd en gevalideerd is. Maar hij blijft vastzitten aan het ‘gezond verstand’ – met weinig overtuiging moet er gezegd worden – ten aanzien van het probleem van de erfelijkheid. In conclusie, wanneer men Darwin en Lamarck tegenover elkaar zet met betrekking tot de kwestie van erfelijkheid van verworven eigenschappen heeft men het over een gemeenplaats. Die, zoals de meeste gemeenplaatsen, fout is.

Dit is een vertaling van het uitstekende artikel l’errore di Darwin door Gilberto Corbellini verschenen in ilSole24ore 18-09-2011.

Jumping genes, epigenetica enzomeer…

Erfelijkheid werd traditioneel toegeschreven aan de sequentie van het DNA, ofwel aan het genotype (het wel of niet bezitten van bepaalde genen). Erfelijkheid werd uitgebreid bestudeerd door Mendel die, zonder iets van DNA te weten, het concept van gen introduceerde. Naar aanleiding van De Brief aan Darwin van Nico van Straalen, hoogleraar biologie aan de Vrije Universiteit van Amsterdam, waarin hij stelt dat: ‘men ontdekt [heeft] dat in een aantal gevallen eigenschappen die tijdens het leven worden verworven, overgedragen kunnen worden op de nakomelingen. en dat: Het blijkt dat het milieu in sommige gevallen een invloed heeft op het dna die blijkt over te erven naar de nakomelingen.’ en waarin hij zelfs spreekt over: ‘voorbeelden van ‘lamarckiaanse’ overerving‘, bleef er een zekere perplexiteit bestaan.

Lamarck beweerde volgens het klassieke voorbeeld dat bijvoorbeeld een giraffe een langere nek ontwikkelde omdat hij de lange nek intensief gebruikte of rekte. Daarom ontwikkelde hij zijn nek meer en gaf deze eigenschap door aan zijn nakomelingen. Darwin, daarentegen, zou beweren dat een giraffe die toevallig een langere nek had dan zijn soortgenoten, een voordeel had, waardoor hij beter overleefde en voor meer nakomelingen met de erfelijke eigenschap van een langere nek zorgde. Lamarck gaat er dus van uit dat het intensieve of juist verminderde gebruik van een orgaan/zintuig tot gevolg heeft dat dit orgaan/zintuig respectievelijk ontwikkelt of juist verdwijnt in de opeenvolgende generaties.

De laatste twintig jaar is er veel bekend geworden over eigenschappen die als gevolg

methylatie

methylatie

Van internet: DNA-methylation

van blootstelling aan bepaalde aspecten van de omgeving overgeërfd worden. Het kan bijvoorbeeld gaan om blootstelling aan chemicaliën of een gebrek aan goede voeding, die een verminderde vruchtbaarheid of een aanleg voor bepaalde ziekten kunnen bevorderen vanaf de tweede tot in de tiende generatie. Dit zouden inderdaad voorbeelden zijn van het milieu dat invloed heeft op de nakomelingen. Het gaat in deze gevallen vaak om methylatie van DNA. Gemethyleerd DNA bepaalt of genen wel of niet tot expressie komen. De methylatie van een gen kan ook overgeërfd worden, bijvoorbeeld gedurende de deling van een cel. Een delende levercel brengt twee dochtercellen voort die dezelfde genen als de moedercel moeten uitdrukken. Methylatie bepaalt in de opeenvolgende generaties levercellen welke genexpressie bij een levercel hoort en geeft deze weefselspecifieke genexpressie door aan de dochtercellen. Maar in de context van de brief gaat het om erfelijkheid in geslachtscellen, dus van generatie op generatie. Ook hier is methylatie erfelijk al moet die in een aantal gevallen opnieuw geprogrammeerd worden al naar gelang de sexe van de nakomeling. DNA-methylatie is een vorm van epigenetische mechanisme; het wordt niet gereguleerd door de DNA-sequentie. Ook histonen, grote eiwitcomplexen die het DNA meer of minder strak inpakken, regelen de expressie van genen. Samen met DNA-methylatie gaan ze onder de naam imprinting. Imprinting betekent dat bepaalde genen alleen in de nakomeling uitgedrukt worden al naar gelang ze van de moeder of juist van de vader zijn.

In dezelfde periode zijn er ook veel ontdekkingen gedaan betreffende RNA-interferentie. Ook RNA-interferentie maakt deel uit van de epigenetica. Normaal gesproken wordt DNA

jumping genes
Van Internet: Jumping genes

getranscribeerd naar mRNA en vervolgens wordt het mRNA vertaald in proteinen (eiwitten). Een vorm van regulering van DNA-expressie bestaat uit vorming van RNAi (i van interferentie) dat zich bindt aan het mRNA en het daardoor inactiveert of afbreekt, waardoor het niet meer kan coderen voor eiwitten. Het is namelijk belangrijk dat bepaalde enzymen (catalyserende eiwitten), nadat ze hun taak verricht hebben, geïnactiveerd worden. Dit fenomeen is in deze context erg belangrijk voor de inactivering van transposonen, ook wel ‘jumping genes’ (springende genen) genoemd. Het DNA van een retrotransposon wordt in RNA omgezet en vervolgens, met behulp van het enzym reverse-trascriptase weer teruggeschreven in een DNA, dat daarna ergens geplaatst wordt in het genoom en daar wellicht een gen blokkeert. Dit soort knip- en plakwerk is de oorzaak van veel erfelijke ziekten als diabetes en kanker. Het is dus van belang dat deze RNA’s van transposonen afgebroken worden. Om dit soort RNA’s te blokkeren zijn er verschillende RNAi’s zoals piRNA’s en siRNA’s. piRNA’s bevinden zich voornamelijk in het cytoplasma van eicellen (ongewervelden) en spermacellen (zoogdieren). Deze moleculen worden dus geërfd en kunnen tenminste gedurende de eerste celdelingen van de bevruchte eicel de ‘jumping genes’ tegenhouden.

Erfelijkheid van een eigenschap of kenmerk bij mensen wordt ook wel bepaald door te kijken naar de overeenkomsten of verschillen tussen twee eeneiige tweelingen ten opzichte van twee twee-eiige tweelingen. Een recente studie liet zien dat eeneiige tweelingen meer epigenetische factoren in gemeen hebben dan twee-eiige tweelingen.

Er bestaan nog vele andere epigenetische factoren die erfelijk zijn en die dus buiten de genetische code om functioneren. Toch blijft het (voor mij) moeilijk om Lamarck weer tevoorschijn te halen vanwege deze invloed van buitenaf. Lamarck’s theorie handelde namelijk niet alleen over invloed van buitenaf, maar ging uit van een specifiek mechanisme, het wel of niet gebruiken van organen, ledematen, zintuigen, functies enz. Vooralsnog kon ik daar in de mij beschikbare literatuur niets over vinden.
Een andere conclusie van de brief was dat: Veel moleculaire experimenten worden natuurlijk afgestraft, bijvoorbeeld misvormingen of monsters, maar bij het ontstaan van nieuwe bouwplannen van planten en dieren speelt de turbulentie in het genoom volgens mij de hoofdrol.
 Het principe van natuurlijke selectie is dus niet de oorzaak, maar het gevolg van evolutie. Als we willen verklaren waarom nieuwe soorten een bepaald bouwplan hebben, moeten we primair naar het dna kijken en hoe daarin de ontwikkeling van ei tot volwassene is vastgelegd.



De onderstreepte zin lijkt mij een te grote sprong.

Meer over jumping genes:


ScienceDaily: Jumping genes during development.
Jumping genes and gene loss.
Update 15 oktober: Epigenome mapped
Update 17 oktober: Nico van Straalen in Opinie van de volkskrant.
Update 22 oktober: DNA-methylation and autism
Update 29 januari 2010: Kennislink: Geboren om te veranderen

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 liken dit: