Darwin Day 2014 in Venetië

Darwin Day 2014; de dia met de genoomgrootte van de ui

Voor deze dag was mooi weer voorspeld en laag water. Het was daardoor een aanlokkelijk vooruitzicht om weer eens naar Venetië te gaan. De lezingen van de Darwin Day werden georganiseerd door de ‘Unione degli Atei e degli Agnostici Razionalisti’ en zouden om kwart over tien beginnen dus dat was rennen richting La Fenice alwaar de Aula Magna van het ‘Ateneo Veneto’ zich tegenover bevindt. De inleiding heb ik gemist, maar begreep later dat de zaal voornamelijk gevuld was met scholieren van de middelbare school.

De volgende overdenkingen betreffen de eerste lezing over het menselijk genoom en het junk DNA. Wat opviel was dat er allereerst gesproken werd over het enorme genoom van de ui. Dit als inleiding naar de geschiedenis van het project ENCODE dat de functionaliteit van het junk DNA onder de loep genomen heeft. De hele lezing was vervolgens gegrond op de bevindingen van ENCODE welk project aangetoond zou hebben dat junk DNA wel degelijk een functie heeft. Ongeveer 80 % van het genoom zou volgens die bevindingen een functie hebben in tegenstelling tot de veronderstelde 1,5 % die gevormd worden door genen, het zogenoemde codificerende deel.

Het project ENCODE bekeek de aanwezigheid van proteïnen op het DNA (transcriptiefactoren), de afgeschreven RNA’s en gemethyleerd DNA. De overvloedige binding van transcriptiefactoren aan het DNA van het zogenaamde junk DNA zou betekenen dat daar transcriptie plaatsvindt. Er werd ook een myriade aan RNA van verschillende lengten gevonden in de cellen. De lezing baseerde zich helemaal op de vondst van deze RNA’s en ging uit van het feit dat deze ook een functie hebben. Zo werd er bijvoorbeeld gesproken over het feit dat lange transcripten (lncRNA’s) de kortere (miRNA’s, siRNA’s, piRNA’s en snoRNA’s) die allemaal een eigen specifieke functie hebben, kan sekwestreren en daarmee een belangrijke regulerende werking kan hebben op de expressie van DNA. Er werd aangegeven hoe belangrijk RNA wel niet is en dat men eigenlijk tegenwoordig niet meer zomaar kan stellen dat onze kenmerken bepaald worden door DNA alleen. De uitdrukking ‘het zit in mijn genen’ zou daarom niet meer gebruikt moeten worden.

Een punt dat niet behandeld werd daarentegen was de binding van transcriptiefactoren. Transcriptiefactoren binden zich aan het DNA daar waar transcriptie gestart moet worden. Als er inderdaad zo’n grote hoeveelheid aan RNA’s afgeschreven wordt dan wordt dit veroorzaakt door deze transcriptiefactoren. Direct na de publicatie van ENCODE waren er bijzonder veel sceptici die niet konden accepteren dat bijna al het junk ineens geen junk meer was. Een argument was dat transcriptiefactoren ook aspecifiek kunnen binden en dat er een soort ruis bestaat omdat deze eiwitten ‘plakkerig’ zijn. Over dit onderwerp verscheen hier een eerder blog. Daarin legt Mike White haarfijn uit dat het er in cellen wellicht heel rommelig aan toe gaat.

De vraag bleef hangen: hoe kan het genoom van de ui zoveel junk bevatten en dat van de mens die zoveel complexer is zoveel minder. Hoe kan het dan toch een functie hebben? Omdat de hele lezing er van uitging dat de bevindingen van ENCODE correct waren heb ik deze vraag niet gesteld. Er waren geen vragen na afloop.

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.

Een splinternieuwe bacterie

Na 10 jaar is Craig Venter erin geslaagd een synthetisch genoom in een bacteriecel te plaatsen. De sequentie is een in het lab gesynthetiseerde copie van het chromosoom van een andere bacterie. De ontvangende bacterie was ontdaan van zijn oorspronkelijke chromosoom waarna het nieuwe erin geplaatst werd. Deze nieuwe bacterie gebruikte in eerste instantie al de eiwitten, de vertaal- en copieercomplexen die reeds aanwezig waren, maar na zo’n 30 generaties is al deze machinerie vervangen door eiwitten die gecodeerd werden door het nieuwe DNA. Deze doorbraak roept veel commentaar op. Dit is allemaal te lezen in de onderstaande links naar verschillende artikelen en blogs.

Dit plaatje gaat sinds gisteren de wereld rond. Hier zijn twee kolonies te zien van de nieuwe bacterie Mycoplasma Mycoides. Het gen lacZ kleurt deze kolonies blauw en toont aan dat het DNA met succes in de cel is geplaats en dat het functioneel is.

De bacterie is geen bewijs dat leven in het lab gecreëerd kan worden en vertelt niets over de oorsprong van het leven op Aarde. Wat dat betreft, zegt David Deamer, zou het boeiend kunnen zijn een zelfreplicerend en zelfcatalyserend synthetisch RNA-molecuul in een dergelijke bacterie te plaatsen om te zien of dit RNA in staat is een dode cel te doen leven. In dit geval zou er meer bewijs gevormd kunnen worden voor de RNA-wereld hypothese: een wereld die in eerste instantie bestond uit zelfreplicerend en -catalyserend RNA in plaats van eiwitten en/of DNA.

Er wordt gesproken over toepassingen waarbij bacteriën gecreëerd kunnen worden die bijvoorbeeld vervuilende stoffen als olie kunnen afbreken of nieuwe medicijnen kunnen aanmaken. Daarmee wordt er natuurlijk ook gesproken over de gevaren van het loslaten van een nieuwe bacterie in het milieu, wat een extra vervuiling zou kunnen betekenen. PZMeyers verwacht daarentegen dat deze breekbare bacterie bijzonder kleine overlevingskansen zal hebben ten opzichte van de in de natuur voorkomende door miljarden jaren evolutie geselecteerde bacteriën.
In de Volkskrant komt dit weekend de wetenschapsbijlage uit met een uitgebreid artikel hierover. Ik kan het helaas niet lezen van hieruit en heb zoveel mogelijk artikelen verzameld die hieronder te lezen zijn.

Het oorspronkelijke artikel (Pdf) is vrij toegankelijk.
Hier kan commentaar van verschillende wetenschappers gelezen worden.
Een artikel uit ScienceNews en vervolgens zijn er boeiende blogs van PZMeyers en Jerry Coyne.

Update:  Interview met Craig Venter. (youtube)
               TEDtalk by Craig Venter.
               Edge
               Nabeschouwing PZMeyers
               Craig Venter on the implications of the synthetic cell
               Special report NewScientist

Voor de helft mens

Toen in 2001 het menselijk genoom voor het eerst in kaart gebracht werd, bleek dat deze overvloed aan DNA slechts voor 1,5 % uit genen bestond. In plaats van de 100.000 genen die men er verwachtte te vinden waren er slechts 20.000. Daarna bleek dat 9% van ons DNA bestaat uit DNA dat van virussen afkomstig is. Het grootste deel, 34%, bestaat uit retrotransposons, ofwel zelfzuchtig DNA dat er alleen maar op uit is zichzelf te repliceren. Alles bij elkaar, bestaat bijna de helft van ons DNA uit virus-achtige deeltjes. In eerste instantie werd dit DNA wel als ‘junk-DNA’ bestempeld, maar het blijkt nu wel degelijk belangrijke functies te hebben.

In New Scientist staat een artikel van Frank Ryan die uitlegt hoe virussen, die wij normaal associëren met pandemieën waarbij de gastheer steft, ook symbiotische aspecten kunnen krijgen. Dit was het geval bijvoorbeeld met het myxomatose-virus bij konijnen in Austalië. In eerste instantie, toen dit virus geïntroduceerd werd om de overlast van konijnen tegen te gaan, stierf 99.8% van de konijnen. Resistente konijnen overleefden, en leven nu in symbiose met het virus, d.w.z. ze dragen het bij zich, oftewel het bevindt zich in hun DNA, maar het maakt ze niet ziek. Op dezelfde wijze kan een virus onze vroege voorouders in Afrika geïnfecteerd hebben waardoor bepaalde virussequenties nu onderdeel uitmaken van ons genoom. Als een virus wil overleven moet het gastheren kunnen blijven infecteren, dus mag het niet te virulent zijn. De hele populatie zou sterven en zo zou ook het virus aan zijn einde komen. Op deze wijze ontwikkelt zich symbiose tussen virussen en organismen.

Retrovirussen zetten hun RNA om in DNA en plaatsen het in het genoom van de gastheer. Deze ‘endogenisatie’ kan zich ook afspelen op niveau van de gameten (zaad- en eicellen), zodat het virus-genoom doorgegeven wordt aan de volgende generaties. Bij de mens is dit meerdere keren voorgekomen en dit vormt de bron van al het virale DNA in ons genoom (bijna 50%). We kunnen er zeker van zijn dat we afstammen van de overlevenden van vele schrijnende epidemieën.

Van internet: de Triomf van de Dood door Pieter Breugel 1562

Virale genen zouden wel eens nuttig kunnen zijn. Ze brengen ook vaak regulerende sequenties met zich mee die vervolgens ook de genen van de gastheer kunnen reguleren. Uiteindelijk worden de sequenties die de overleving bedreigen uit de populatie verloren en de weinige nuttige geselecteerd door natuurlijke selectie.

Van internet: HIV infecteert cel (foto by Jeff Johnson)

Sommige hebben geen effect en de vele retrotransposons in ons genoom zijn daar waarschijnlijk de overblijfselen van.

Het eerts ontdekte retrovirus, dat zich 40 miljoen jaar geleden in het genoom van de primaten plaatste, is een gen dat nu syncytin-1 heet. Dit gen codeerde oorspronkelijk voor de eiwitmantel van het virus maar heeft nu een belangrijke rol in de placenta en staat onder controle van twee virale LTR’s (Long Terminal Repeats). Een ander voorbeel is het gen voor beta-hemoglobine dat onder controle staat van een LTR dat van een retrovirus komt. Zo zijn er nog vele voorbeelden.
Onderzoekers zijn nu van plan een groots onderzoek op te zetten naar de exacte rol van de verschillende retrovirussen in ons genoom. Hij concludeert dat het in ieder geval wel duidelijk is dat het menselijke genoom geëvolueerd is uit een symbiose tussen virussen en gewervelden.

Bron: New Scientist