Vlugge blik op de lablek-hypothesen over SARS CoV-2

Het is alweer meer dan een week aan de gang – de lablek-hypothese ten aanzien van SARS CoV-2 ofwel het virus dat Covid veroorzaakt. Deze hypothese werd vorige week door de FBI als “zeer waarschijnlijk” bestempeld en dit zou enorme gevolgen kunnen hebben. De verhoudingen tussen Amerika en China zouden nog meer op scherp gesteld kunnen worden en virologen zouden wel eens beschuldigd of vervolgd kunnen worden. 

In plaats van de hypothese (1) waarbij het virus op de markt van Wuhan oversprong van dier naar mens, de zogenaamde ‘spillover’, lijkt nu de hypothese (2) waarbij het virus uit het laboratorium ‘ontsnapt’ zou zijn het meest waarschijnlijk volgens de FBI.

Deze laatste hypothese kan nog ontleed worden in:

2a. een scenario waarbij een mens door een dier in het laboratorium besmet raakte (ook een spillover dus) of 2b. een scenario waarbij een mens door een virus, dat met de techniek van gain-of-function gemanipuleerd was, besmet raakte. 

Analyse van het virus laat zien dat er, in tegenstelling tot andere natuurlijke virussen, een Furin Cleavage Site in zit die er uitsluitend in het lab aan toegevoegd zou kunnen zijn. Dit is voor velen een argument om aan te nemen dat SARS2 een virus is dat in het laboratorium tot stand kwam.

Compilatie van SARS-CoV-2-spikemutaties die voorkomen bij mensen en dieren. Rode bollen: Verenigd Koninkrijk (VK) variant, Blauwe bollen: Zuid-Afrikaanse (ZA) variant, Magenta: zowel UK/ZA varianten, Gele bollen: dieren zoals aangegeven in de inzet. NTD: Amino-terminaal domein. RBD: Receptor Bindend domein. Zichtbaar is ook de Furin Cleavage Site.
Uit: R.F. Garry,  Mutations arising in SARS-CoV-2 spike on sustained human-to-human transmission and human-to-animal passage Januari 2021. Virological.org

Gain-of-function is een manier om bestaande virussen nieuwe mutaties te laten ondergaan. Deze gemuteerde virussen zouden de mens ziek kunnen maken. Dit kan zowel dienen voor het bestuderen en voorspellen van het mutatie-gedrag van een virus als voor het vervaardigen van vaccins. Voor virologen is dit een tamelijk gebruikelijke manier om virussen te manipuleren en het is niet moeilijk in te zien dat als hier iets fout gaat dat er pandemieën uit kunnen voortkomen. De veiligheidsmaatregelen moeten daarom heel streng gerespecteerd worden en dat worden ze over het algemeen waarschijnlijk ook wel, hoewel er ook in Nederland wel eens ongelukken gebeuren.

Er kan ontzettend veel gezegd worden over de waarschijnlijkheid van de ene of de andere hypothese, of over de drie verschillende manieren (1, 2a, 2b) waarop de evenementen tot de besmetting geleid hebben. Het is zeker dat er in Wuhan besmette mensen rondgelopen hebben die of direct, besmet en wel, uit het laboratorium gestapt zijn, of zoals de gangbare hypothese wilde, op de markt van Wuhan besmet zijn geraakt.

Laten we als voorbeeld een onderzoeker volgen van het WCDC (Wuhan Center for Disease Control and Prevention). Jun-Hua Tian deed in 2013 en daarvoor onderzoek op een Hantavirus dat ook bij vleermuizen voorkomt en waar bij besmetting zich heftige symptomen voordoen bij de mens. Dit is geen coronavirus, maar hij ging er waarschijnlijk wel grotten voor in, ook al lijkt het erop dat voor deze studie de vleermuizen gevangen zijn in verschillende steden. Een film op YouTube, een documentaire over zijn veldonderzoek, waarbij verschillende wilde dieren als vleermuizen en teken in grotten gevangen worden, laat zien onder wat voor bijzondere, maar gevaarlijke omstandigheden hij werkte en we horen hem vertellen hoe bang hij soms was besmet te raken.

In Februari 2020, net na het begin van de pandemie, vinden we hem weer als een van de auteurs van een publicatie over het coronavirus SARS2.

Nu weten we niet of deze onderzoeker de techniek van ‘gain-of-function’ toepaste. Waarschijnlijk niet, want dat zou uitsluitend in het WIV (Wuhan Institute of Virology) gedaan zijn. Dit neemt echter niet weg dat het onderzoek van Jun-Hua Tian, ook al gaat het ‘slechts’ om het vangen en ontleden van vleermuizen, extreem riskant is en heus niet alleen voor hemzelf, maar ook voor zijn omgeving.

Zowel Amerika als Europa betaalden mee aan het ‘gain-of-function’ onderzoek aan het WIV in Wuhan. Er kunnen dus eigenlijk geen beschuldigingen over en weer plaatsvinden. Het onderzoek naar de oorsprong van het virus mag echter niet belemmerd worden.

Mutatiesnelheid, substitutie snelheid en evolutie van virussen

Een belangrijke factor in evolutie is de mutatiesnelheid. Deze wordt bepaald door hoeveel fouten er optreden tijdens de reproductie van een cel of organisme, tijdens de replicatie van zijn DNA. Hoe betrouwbaarder de polymerase die het DNA kopieert, hoe minder fouten er gemaakt worden. De DNA-polymerase wordt daarbij ook gekenmerkt door proofreading. Zodra het enzym ontdekt een fout gemaakt te hebben, keert het om, knipt de fout eruit, vervangt de foute base door de goede en gaat weer verder. Ondanks de eigenschap van proofreading worden er toch nog fouten gemaakt die in het DNA sluipen. Gaat het om eencelligen dan heeft dit mutatie en evolutie tot gevolg. Bij meercelligen is er sprake van mutatie en evolutie wanneer de fouten in de geslachtscellen ingevoerd worden. Zodra de mutatie deel uitmaakt van het fenotype, d.w.z. zodra de mutatie gefixeerd is, kan er door selectiedruk geselecteerd worden op de nieuwe eigenschappen van het gemuteerde organisme en is er sprake van evolutie. Mutaties die gefixeerd worden vormen de substitutie snelheid ofwel de evolutiesnelheid. Substitutie snelheid wordt vaak gebruikt bij het classificeren van virussen en organismen.

In het geval van virussen is de hoge evolutiesnelheid een gevolg van grote populaties, korte generaties en hoge mutatiesnelheid. Zoals hierboven beschreven is mutatie afhankelijk van het aantal fouten dat gemaakt wordt. RNA virussen hebben een hogere mutatiesnelheid dan DNA virussen; ze maken nu eenmaal meer kopieerfouten. Maar, ook in het geval van RNA replicatie bij virussen kan er sprake zijn van proofreading. 

Het SARS-CoV-2 virus heeft, net als andere coronavirussen, een groot genoom. Het bevat zo’n 30.000 basen waarschijnlijk dankzij proofreading. Het heeft een mutatiesnelheid van 1.12 × 10⁻³ mutations per site per jaar. Dat zou iets meer zijn dan 2 mutaties per maand in het hele genoom. 

Fig. 1 SARS-CoV-2-mutatiefrequentie in verschillende geografische gebieden. Acht nieuwe terugkerende hotspots-mutaties (namelijk 1397, 2891, 14408, 17746,17857, 18060, 23403 en 28881) en 5 reeds in de literatuur gerapporteerde hotspots (namelijk 3036, 8782, 11083, 28144 en 26143) werden onderverdeeld in 4 geografische gebieden: Azië (n = 71), Oceanië (n = 15), Europa (n = 101), Noord-Amerika (n = 33). De grafiek toont de cumulatieve mutatiefrequentie van alle gegeven mutaties die in elk geografisch gebied aanwezig zijn. Mutatie locaties in virale genen worden in de legende vermeld, evenals de eiwitten (d.w.z. niet-structureel eiwit, nsp) die deze mutaties presenteren. De figuur laat zien dat genomen van Europese en Noord-Amerikaanse patiënten een toename in mutatiefrequentie vertonen in vergelijking met Azië. Europa en Noord-Amerika vertonen een verschillend patroon van mutaties vertonen: mutatie 14408 (rood), 23403 (zwart), 28881 (elektrisch blauw) en 26143 (licht groen) zijn voornamelijk aanwezig in Europa, terwijl 18060 (roze), 17857 (paars) en 17746 (lichtblauw) voornamelijk aanwezig zijn in Noord-Amerika (Pacchetti et al. 2020)

Zoals door Gert Korthof beschreven in zijn post op Evolutie blog (Did the highly transmissible British SARS-CoV-2 variant B.1.1.7 originate in one individual?), kan er in een immuun verzwakte patiënt een nieuwe variant ontstaan. We hebben daar de mogelijkheid bediscussieerd dat een virus, wanneer het vrij spel heeft, kan muteren en diversifiëren zoveel het wil. Een hoge mutatiesnelheid door kopieerfouten is een risico voor een virus want, zoals besproken in voorgaande post op dit blog, bestaat er een trade off: maakt het virus te veel fouten dan kan het vlug muteren en zich snel aanpassen aan nieuwe omstandigheden, maar het riskeert ook door een catastrofe aan fouten virulentie te verliezen of zelfs te verdwijnen en uit te sterven. Over het algemeen zijn mutaties in virussen schadelijk en het gemuteerde virus sterft uit. Dan zijn er de neutrale mutaties en vervolgens slechts enkele die gunstig zijn. Een virus dat een immuun verzwakte patiënt infecteert kan vrij muteren en is daarbij vrijwel onafhankelijk van hoe besmettelijk het moet zijn om over te kunnen springen op een andere gastheer. Het blijft immers in de patiënt. Uiteindelijk zal er een virus vrijkomen dat besmettelijker kan zijn dan het originele virus waarmee de patiënt geïnfecteerd raakte. 

Een interessant gegeven wordt beschreven door het artikel van P. Simmonds et al. 2019.  Endogene virale elementen (EVE’s) in het genoom van zoogdieren, vogels en andere eukaryoten laten zien dat virussen vergelijkbaar zijn met hedendaagse virussoorten die al tientallen miljoenen jaren geleden bestonden. Een voorbeeld: het HBV (virus dat hepatitis B veroorzaakt) werd gevonden in het genoom van mensen die 2500-3000 jaar geleden in Europa en Centraal-Azië leefden. Deze antieke virussen kwamen duidelijk overeen (‘matched’) met de HBV virussen van vandaag  en verschilden slechts voor 1,3 – 3% van de moderne HBV virussen. De substitutie snelheid van de antieke HBV virussen ligt ongeveer 100x lager (8.04 × 10⁻⁶ SSY – Substitutions per Site per Year – tot 1.51 × 10⁻⁵ SSY in de antieke virussen tegen 7.72 × 10⁻⁴ SSY in de huidige virussen).

Dergelijke studies wijzen uit dat virussen van lang geleden een lage substitutie snelheid bezitten, terwijl virussen uit recentere perioden of hedendaagse virussen veel hogere substitutie snelheden vertonen. Wanneer virale evolutie wordt gemeten over korte tijdschalen, worden typisch snelle opeenvolgingen van verandering waargenomen. Echter, over langere tijdschalen, zijn de evolutionaire snelheden van virussen verschillende orden van grootte langzamer en naderen die van hun gastheren. Over de langste tijdschalen (100 miljoen tot 1 miljard jaar) waren substitutie snelheden voor DNA- en RNA-virussen van welke soort ook, bijzonder vergelijkbaar namelijk snelheden van 1–5 × 10⁻⁹ SSY; deze waarden komen op hun beurt nauw overeen met de gemiddelde substitutie snelheden van 2,2 × 10⁻⁹ SSY bij het genoom van zoogdieren. Er bestaat tot nog toe geen duidelijke verklaring van dit fenomeen. Misschien is de meest algemeen aanvaarde verklaring wel dat snelheidsmetingen op korte termijn processen op populatieniveau vastleggen, inclusief schadelijke transitorische mutaties en gunstige maar transitorische shortsighted aanpassingen voor hun huidige host die dus geen lange termijn kennen. De substitutie-snelheden op lange termijn daarentegen geven beter de werkelijke fixatiesnelheid van mutaties over macro-evolutionaire tijdschalen weer.

Fig. 2 Benaderingen om de evolutie van het RNA-virus te bestuderen. Het Venn-diagram illustreert de twee historische, en grotendeels parallelle, onderzoeksgebieden in virus evolutie – de experimentele en de vergelijkende – die aan het eind van de jaren zeventig ontstonden. Ze overlappen elkaar in het algemeen alleen bij de studie van een beperkt aantal virusoverdracht gebeurtenissen tussen de verschillende hosts, waarbij vaak sprake is van een aanzienlijk knelpunt (bottleneck) in de populatie. Door het gebruik van in vitro of in vivo modelsystemen, richten experimentele studies zich grotendeels op de evolutie op korte termijn, met name die welke plaatsvindt binnen individuele gastheren. Daarentegen behandelen vergelijkende benaderingen interhost, epidemiologische schaal dynamiek die meerdere ronden van interhost transmissie met zich meebrengt en zijn meestal gebaseerd op fylogenetische analyses. De auteurs van het artikel waar deze illustratie uitkomt (Geoghegan et al. 2018) suggereren dat een nieuwe evolutionaire genetica-benadering nodig is om deze kloof te overbruggen.

Deze laatste verklaring doet denken aan de intra-host besmettingen met SARS-CoV-2 van patiënten met een verzwakt immuunsysteem, zoals beschreven door Gert Korthof. Deze besmettingen zouden veel mutaties voortbrengen (veel varianten) die vergelijkbaar zijn met de korte termijn metingen hierboven beschreven. Kijkt men op langere termijn – naar de besmettingen tussen verschillende gastheren – dan is de mutatiesnelheid veel lager. Op de lange termijn worden immers mutaties vastgelegd die het virus een ‘goede’ besmettingsgraad verschaft. Dat laatste is gedurende intra-host reproductie niet nodig, het virus muteert immers in het wilde weg. Inter-host reproductie is daarentegen afhankelijk van een (sterke) besmettingsgraad – de juiste mutaties daarvoor worden geselecteerd door een bottleneck en gefixeerd (zie fig.2).

Referenties

Evolutieblog Gert Korthof: Did the highly transmissible British SARS-CoV-2 variant B.1.1.7 originate in one individual?

Complexities of Viral Mutation Rates; Kayla M. Peck, Adam S. Lauring. Journal of Virology Jun 2018, 92 (14) e01031-17; DOI: 10.1128/JVI.01031-17

Simmonds, P., Aiewsakun, P. & Katzourakis, A. Prisoners of war — host adaptation and its constraints on virus evolution. Nat Rev Microbiol 17, 321–328 (2019). https://doi.org/10.1038/s41579-018-0120-2

Robson, Fran & Khan, Khadija & Le, Thi & Paris, Clément & Demirbag, Sinem & Barfuss, Peter & Rocchi, Palma & Ng, Wai-Lung. (2020). Coronavirus RNA Proofreading: Molecular Basis and Therapeutic Targeting. Molecular Cell. 79. 10.1016/j.molcel.2020.07.027.

Evolutionary Virology at 40; Jemma L. Geoghegan, Edward C. Holmes. GENETICS December 1, 2018 vol. 210 no. 4 1151-1162; https://doi.org/10.1534/genetics.118.301556

Emerging SARS-CoV-2 mutation hot spots include a novel RNA-dependent-RNA polymerase variant. Pachetti et al. J Transl Med (2020) 18:17 https://doi.org/10.1186/s12967-020-02344-6

geen mutaties, geen evolutie

Een gastbijdrage van Leonardo da Gioiella

Se non ci fossero mai mutazioni, non potrebbe esserci evoluzione né selezione naturale. Ogni organismo sarebbe una copia perfetta dei genitori e le specie sarebbero fisse.

Met deze onzinzin begint een stukje tekst in L’EVOLUZIONE A FUMETTI, een introductie in de evolutie, een vertaling van Introducing Evolution van Dylan Evans (met illustraties van Howard Selina).
De onzinzin die daar staat luidt in gewoon NL:

Als er geen mutaties zouden optreden [bij de voortplanting] dan kon er geen evolutie bestaan noch natuurlijke selectie. Ieder organisme zou een perfecte kopie zijn van de ouders en de soorten zouden vast liggen.

Uiteraard is het eerste deel waar, maar wel een open deur. Vooral de context, en de toegevoegde illustratie maken het tot onzin.

De context spreekt van “ieder organisme”.
De illustratie toont 2 rijtjes van 3 mannen, als langs een spoorbaan getekend. Let wel: 2 verschillende mannen, de een blond, de ander donker, met elk twee klonen.

Als er geen mutaties zouden optreden ….
Wel, dan waren we vermoedelijk in de simpelste, meest primitieve eukaryoten blijven steken.
Misschien waren er dan wel helemaal geen eukaryoten gekomen.
Je zou je zelfs af mogen vragen: zouden er dan wel prokaryoten zijn gekomen.

Ik zou nu op kunnen houden, maar ik heb me vooral in die context verdiept.
Iemand zou kunnen zeggen: het kan toch zijn dat het optreden van mutaties op enig moment is opgehouden?
Wel, iemand heeft dat gezegd … of moet dat op zijn minst hebben gedacht. De iemand heeft het in deze context geplaatst: de schrijver van deze tekst.
Hij moet zich gerealiseerd hebben: geen evolutie, dan ook geen soorten.

Toch is hij verder gegaan.
Hij zegt: de soorten zouden vastliggen.
En hij illustreert de stelling met mensen die gelijk zijn.
Terzijde: één van die illustraties is verlevendigd met een moederaap en haar jong.

Er is dus het plantenrijk en het dierenrijk. En het zoogdier mens is in volle hevigheid present.

Waar komt dat allemaal vandaan.
Waar komen al die organismes, bouwstenen van de vastliggende soorten, vandaan?
De leerboeken over evolutie kunnen zo in de prullenbak worden gegooid. Er is immers geen DNA dat muteert.
En als het DNA niet muteert – ook geen natuurlijke selectie (ik ben het helemaal eens met de schrijver) én geen seksuele selectie én geen selectie door fokken of telen.

Er staan geen moeders op de illustratie, maar die kerels moeten ergens vandaan komen. Gelukkig is er nog de noodzaak om aan voortplanting te doen. Maar het plezier dat we daar nu aan beleven, zou dat er nog zijn?

’t Heeft natuurlijk zo zijn voordelen.
Geen doorfokken meer.
Geen doofstommen en geen blinden meer, dus je hebt ook geen doofstommeninstituut of blindeninstituut nodig. Nog wel blindenopvang, want er zullen vast nog wel misdadigers zijn, die vanwege de ernst van het misdrijf de ogen worden uitgestoken.

En, hoe gaan we ontdekken waar het allemaal vandaan komt.
Hier wordt een punt wat ik eerder in een discussie heb gemaakt overduidelijk gedemonstreerd: aan de output kun je nog niet het proces herkennen.
Er is geen muterend DNA, dus wie heeft die soorten op de wereld gezet? Zou de big bang verzonnen zijn als er geen evolutietheorie was geweest? En, zo ja, zou iemand dan geopperd hebben dat de soorten tijdens de oerknal, of vlak daarna, gevormd zijn, zoals de elementen, en dat ze uiteindelijk, na een lange reis door de ruimte, wachtend op een zich nog te vormen planeet, die ook nog een maan moest acquiren om te zorgen dat het water opkwam en afging, om daar dan neer te dalen?
Ik vrees dat de boekenkasten geleegd zouden zijn van boeken over evolutie.

Herman Bavinck,  theoloog, had nooit iets hoeven zeggen over ongeloof en evolutie.
En, daar gaat de schoen echt wringen, de boekenkasten zouden weer gevuld zijn met boeken over de grootsheid van de schepping. Want wie kan dat verhaal nog omver blazen als er geen Darwin had kunnen komen?

Se non ci fossero mai mutazioni, ...
Is het denkbaar dat een wezen een kopie van zichzelf zou maken met als enige “weeffout” dat de kopie geen weeffouten meer kan maken. Er wordt vanaf dat moment geen DNA meer gemuteerd bij de voortplanting. Hoe zou dat uitpakken?
Dus de schrijver krijgt gelijk: er zijn wel soorten, maar er wordt niks meer gemuteerd.

Nou ja, als dat een armoedzaaier zou overkomen, een tramp, zou er niks aan de hand zijn. Die zou seksueel wel uitgeselecteerd worden.

Maar wat te denken van Bach. Stel, die was een getrouwe kopie van zijn vader, geen mogelijkheid om nog mutaties te genereren. Dat hij een ander musicus is geworden dan zijn vader komt door de opleiding van zijn broer. Maar bij de nakomelingen gaat het hard. Wilhelm Friedemann en Carl Philipp Emanuel zijn echt klonen, ook in hun muziekproductie. Door vader gemaakt en gekneed. En moeder Maria Barbara, gewoon een nicht, doet dapper mee. Die paar mutaties die ze nog doorgaf tellen niet meer mee. Bach zelf, en zijn zonen en dochters merken al gauw dat de klonen prima functioneren, dus dat inteelt geen kwaad kan en … dat incest dus niet van de boze kan zijn! En omdat Bach goed verdient – in een tijd vol armoedzaaiers en tramps geen onbelangrijk gegeven! – besluiten ze hun toekomst veilig te stellen, en al snel zijn er een hoop JSB-tjes op de wereld gezet, precies zoals de illustratie uit mijn boekje suggereert.

Je moet toch niet aan de gevolgen denken.
Mozart zou zijn kop nog wel boven het maaiveld uitgestoken hebben. Haydn wellicht ook. Maar al snel wordt het muziekleven geheel gedomineerd door de JSB-tjes. Alleen nog maar toccata’s, passionen, Erbarme dich’s, Oratoria. Carl Philipp Emanuel zou geen bijdrage aan de Sturm und Drang geleverd hebben, en dat scheelt een behoorlijke slok op een borrel. De sonates van Schubert hadden we kunnen vergeten, zulke muzikale monumenten als de symfonieën van Bruckner of Mahler – geen kans. Het atonale systeem, of de toonklok van onze eigenste Schat … vergeet het maar.
Alles zou Bach geweest zijn wat de klok sloeg.
En alleen nog maar Soli Deo Gloria.

Ik moet er niet aan denken. Zelfs maar de suggestie dat er nog mogelijkheid tot verlichting in onze genen zou kunnen zitten zou verdwenen zijn.
En, let wel: ook geen Beatles hé. Alles was weggedrukt geworden.
Hoe lang, hoeveel aeonen zou het geduurd hebben voordat ene Rudolf Wijbrand Kesselaar opgestaan zou zijn als Rudi Carrell, en gezongen zou hebben … / dat ik de wijsjes en de sijsjes van de merels ken / ….

Dat zinnetje non […] evoluzione né selezione naturale doet me ook iets anders beseffen.
Eigenlijk zou ik nu kunnen zeggen: mutabiliteit is de drijvende kracht van de evolutie.
Maar … kan ik dat hier wel zeggen?
Dat riekt naar mutationisme.
En Marleen heeft zelf in een comment gezegd: Ik zie niets in het mutationisme als idee, …
Als gastschrijver mag ik natuurlijk schrijven wat ik wil, maar een beetje respect voor de gastvrouw mag natuurlijk wel.
Aan de andere kant, Masatosha Nei heeft het zelf gezegd met zijn theorie van mutation driven evolution: mutation is the driving force.
En daar is wel veel kritiek op gekomen, maar daar staan mensen als Wagner tegenover, die op dit blog toch heeft mogen gloriëren, … while not necessarily agreeing with Nei’s position, treat it as an alternative view relevant to reforming or improving evolutionary thinking … (wiki).

Dus ik zeg het toch maar.
Mutabiliteit is de drijvende kracht van de evolutie. Natuurlijke selectie en seksuele selectie, zijn een soort van hulpprocesjes geworden.

Al moet ik wel vrezen dat Marleen misprijzend – het zal wel zeer misprijzend zijn – haar wijze hoofd zal schudden.
Over zoveel domheid.
Van leonardo.

Deel twee van een verkenning van de biofysica

Een overzicht naar aanleiding van de tweede groep van zes hoofdstukken uit het boek ‘Physics in Mind; a quantum view of the brain’  (2013) van Werner R. Loewenstein

Dit deel beschouwt de drijfveer van evolutie ofwel mutatie. Vervolgens de ionenkanalen of digital demons die de neuronale ontwikkeling mogelijk maakte en daarmee de opkomst van het bewustzijn. Computing door computers en door neuronen. En uiteindelijk het specifiek menselijke, de ontdekking van de diepe werkelijkheid ofwel de rede.

Een getrouw beeld van de werkelijkheid? (Paul Cézanne: Le Mont Sainte-Victoire)

Loewenstein beschouwt de eiwitten als de driedimensionale extensie van het eendimensionale genoom. Het DNA is slechts een opslag van informatie en heeft eigenlijk geen enkele rol in cognitie. De eiwitten die erdoor gecodeerd worden vormen de driedimensionale cognitieve demons die de spil vormen van de vector van het leven: het opvangen van kwantums en het doorgeven van hun energie via de eiwitdemons in de reële driedimensionale wereld.

Het is desalniettemin het DNA dat aan de basis staat van de mutaties die de drijvende kracht achter de evolutie van complexiteit vormt. Mutaties zijn random. Ze worden veroorzaakt door random fotonen met hoge energie of door reactieve moleculen uit de omgeving waarin het DNA ligt. De Uv-straling, X- en γ-fotonen zijn de kwantum generatoren van mutaties. Deze fotonen kunnen de basen in het DNA beschadigen of indirect reactieve moleculen creëren die daarop met het DNA reageren. Ze zijn vrij zeldzaam omdat het DNA redelijk goed beschermd is tegen Uv-straling door het water in de cellen en omdat X- en γ-fotonen zeldzaam zijn. Bovendien wordt de schade zo goed mogelijk gerepareerd door reparatie-enzymen. De mutaties die hieraan ontsnappen, komen mogelijk via het RNA in de eiwitten terecht. Na een aantal berekeningen komt Loewenstein uit op een probabiliteit van 0.91 error-free transmission voor een proteïne van 1000 aminozuren. Hij beschouwt dit als hoog omdat het veel hoger ligt dan men zou verwachten uit statistische mechanica en dit is te danken aan de reparatiemechanismen. De cognitieve proteïnen en katalytische enzymen staan onder selectieve druk. Daarom is op basis van het niet coderende DNA of DNA dat codeert voor proteïnen met mechanische functie, uitgerekend dat het ‘mutatieritme’ per gen elke 200.000 jaar een nieuwe proteïnevariant voortbrengt. Als mensen zien wij hier dus weinig van, we zijn er ook nog maar kort, de meeste van onze genen bestonden al toen wij op het toneel verschenen. Deze genen waren reeds geoptimaliseerd door natuurlijke selectie. Deze fine-tuning is de ultieme functie van de random kwantum generator en zal nooit stoppen. Alles dat deze generator voortbrengt wordt in de driedimensionale wereld getest in competitie met andere mutanten.

Behalve de kwantum generator van mutaties is er een tweede generator van mutaties die alles te maken heeft met duplicaties en exon shuffling. Deze opereert naast de kwantum generator maar bezit daarentegen geen vast ritme. Hij gaat met sprongen te werk. Deze mutaties versnellen de moleculaire complexiteit enorm. De gedupliceerde DNA-fragmenten of genen kunnen door de kwantumgenerator verder af- of bijgesteld worden (fine-tuning) waardoor gedupliceerde genen kleine verschillen bezitten. Een voorbeeld daarvan zijn de vier verschillende rodopsinen van het zicht die elk een verschillende golflengte optimum bezitten. Ook belangrijk zijn composities van lange genen door het achter elkaar schakelen van duplicaten. Deze worden gekenmerkt door introns en zijn van groot belang voor de evolutie van hogere cel organisatie. Ze zouden wel eens aan de wieg van de meercellige organismen hebben kunnen staan.

Tot slot werken deze generators gratis. De kwantumgenerator betrekt informatie uit de kosmos (fotonen) en de tweede generator combineert al deze stukken DNA. Ze halen alles uit het DNA dat er in zit. Bovendien, zodra de driedimensionale spelers (de eiwitten) aan de beurt komen is er geen extra informatie nodig. Het vouwen van de proteïnen is helemaal afhankelijk van hun sequentie in aminozuren, ze vallen als vanzelf in hun basisconfiguratie.

Een ander kwantumaspect van de biologie betreft de metalloproteïnen zoals het cytochroom c. In het centrum van dit eiwit bevindt zich een atoom ijzer dat elektronen doorgeeft en waarbij de elektronen door een deel van het eiwit tunnelen. Men heeft lang gedacht dat het een puur chemisch proces was, maar John Hopfield toonde in 1977 aan dat het om electron tunneling gaat. Dit is een heus kwantumfenomeen en brengt een extreem hoge snelheid en efficiëntie voort. Deze door evolutie gegenereerde ‘uitvinding’ vormde ooit een hoogtepunt in elektrische transmissie. De metalloproteinen zijn zeer overvloedig aanwezig en ook sterk geconserveerd. Maar met het ontstaan van meercelligheid kon dit principe niet werken omdat de afstanden waarover getunneled zou moeten worden te groot zijn. Voor de transmissie van elektrische impulsen in neuronen kon dit systeem dus niet volstaan. Met de groei van de eerste neuronen heeft evolutie digital demons uitgevonden. Het zijn de ionenkanalen die dubbele cognitieve eenheden zijn: ze kunnen zowel onderscheid maken tussen de verschillende ionen als tussen de lokale voltages in het membraan. Ook hier zijn er geen informatiekosten aan verbonden. De passage van de ionen hangt af van het gradiënt dat door het metabolisme van de cel in stand wordt gehouden. De gevoeligheid voor het voltage is ingebouwd in het kanaal door middel van een sensor in de structuur van het eiwit. Het kanaal opent wanneer het membraanvoltage een bepaalde drempel bereikt. Het kanaal staat open of dicht, laat ionen door of niet en is daarmee een digital demon. Deze demons zijn nieuwkomers op het evolutionaire toneel, maar hadden groot succes. Dat is te zien aan hoe massaal ze voorkomen in de neuronen. Ze staan aan de basis van de snelle en efficiënte propagatie van het digitale elektrische signaal langs de neuronen. Daar zijn grote afstanden mee gemoeid en snelle computatie kan zo plaatsvinden.

Digital demons langs pijn-registrerende periferische neurons Uit Nature

De ontwikkeling van deze laatste demons liet de schijnbaar onbedwingbare ontwikkeling toe van het zenuwstelsel, en daarmee van het bewustzijn. Ook bewustzijn, waarvan wij denken daar het primaat van te bezitten, ontwikkelde zich langzaam. Het is zeker uitsluitend voorbehouden aan organismen met neuronen, maar wanneer en in welke dieren het precies verscheen is onduidelijk. De eerste neuronen zullen er twee of drie geweest zijn die samen informatie loops vormden en verantwoordelijk waren voor snelle reflexen. Enkele nazaten daarvan vinden we nog in de wervelreflex. Het aantal neuronen nam toe en vormde al gauw een neuronaal netwerk dat een geheugen en computercapaciteit had. Dit moet gezien worden in de tijdvector waarbij informatie uit het verleden het mogelijk maakt de toekomstige situatie in te schatten. Kortom het neuronale netwerk wordt een anticipeermachine. Om verwarring te voorkomen gaat dit niet over foresight in evolutie of foreseeing (voorspellen van) de toekomst, maar over forecognition. Deze kwaliteit is van groot belang in ‘the struggle for life’ en laat het toe een speer te lanceren naar een prooi, de aankomende seizoenen te herkennen aan de sterren of te zien dat er slecht weer op komst is. Loewenstein brengt na een uitgebreide beschrijving van de Universal Turing Machine, de conclusie naar voren dat ons brein geen exacte weergave van de realiteit geeft. Ons brein is een natuurlijke computer die gevormd is door natuurlijke selectie en die dient te overleven in ‘the struggle for life’. Het brein ontwikkelde zich om toekomstige gebeurtenissen te berekenen, en er op te anticiperen. Het brein dient niet zozeer een getrouw beeld van de wereld te geven, maar een bruikbaar beeld, bruikbaar voor het overleven en het welzijn van het organisme.

De enorme hoeveelheid aan informatie in ons geheugen zorgt ervoor dat er een immens groot aantal combinatorische mogelijkheden zijn die een nimmer ophoudende bron van inventiviteit vormen. Die capaciteit ontwikkelde zich zeer recent in de evolutie, wellicht niet eerder dan 40.000 jaar geleden met de verschijning van de Cro Magnon en zijn instrumenten. Dit vormt het laatste stadium van het neuronale netwerk. De mens kon zich eindelijk verheffen boven de zintuigelijke horizon en dingen zien die daarvoor aan hem verborgen waren. Het gaat dan niet om visueel zien, maar het zich bewust worden van een diepere realiteit, pure rede, the mind’s eye. Het is mogelijk uitsluitend met de rede wetenschappelijke ontdekkingen te doen.

h/t to Gert Korthof die onder mijn blog over Kwantumbiologie wees op dit boek.

Kwantumbiologie

Quantum physics

Naar aanleiding van een discussie op het evolutieblog van Gert Korthof ontstond een zoektocht naar de rol van kwantummechanica in de biologie. Hierbij is er een probleem. Fysici en biologen lijken elkaar niet goed te verstaan zoals ook aangegeven wordt in een artikel in Nature. De opleiding tot biofysicus verloopt niet in daarvoor opgezette departementen, maar de studenten wisselen van het ene naar het andere departement om wat van fysica, chemie en biologie te leren. Deze stof moet dan geïntegreerd worden.

Schrödinger wees in 1944 in What is life? als eerste op de noodzaak tot het studeren van kwantumbiologie. Daarmee wordt de rol van de kwantummechanica in de biologie bestudeerd. Dit gebeurt veelal in processen als fotosynthese, visie en brownse motors in cellulaire processen om er paar te noemen. Het lijkt erop dat ook microtubulen in neuronen onderhevig zijn aan kwantumfenomenen waarmee het bewustzijn beïnvloed zou worden.

In de discussie op het evolutieblog van Gert Korthof kwam daarentegen de vraag naar voren of ‘kwantumtoeval’ of kwantumfenomenen, die het enige werkelijk bestaande toeval zouden vormen, aan de basis kunnen staan van biologische mutatie, ofwel mutatie van DNA, dat het toeval in de biologie vormt. Het antwoord daarop is ja. In 1963 publiceerde Löwdin een studie naar de rol van proton tunneling. Dit fenomeen is lastig in een blog weer te geven, maar heeft te maken de waterstofbindingen tussen complementaire basen van het DNA. De protonen worden daarbij door de twee tegenover elkaar liggende basen gedeeld. Daarbij kunnen er door proton tunneling, dat een kwantumfenomeen is, tautomeren ontstaan van deze basen, die bij de eerstvolgende replicatie met de verkeerde base combineren, waardoor er een mutatie insluipt. Het ziet er dus naar uit dat dit fenomeen verantwoordelijk is voor spontane mutaties. Deze zouden vervolgens aan de basis staan van somatische mutaties die leiden tot veroudering en kanker kunnen veroorzaken. Het lijkt mij dat dit fenomeen ook relevant is voor erfelijke mutaties aangezien er in de geslachtscellen ook replicatie voorkomt. Dit soort mutaties zijn spontaan en hebben niets te maken met door radiatie of chemicaliën geïnduceerde mutaties. Zij zijn op geen enkele wijze voorspelbaar.

Er kwam ook een ander onderwerp aan bod in de discussie bij Gert Korthof en dat is de mogelijkheid dat kwantummechanica aan de basis staat van de oorsprong van leven. Zoals Peter M. Hoffmann het zegt in zijn boek Life’s Ratchet:

“Life must begin at the nanoscale. This is where complexity beyond atoms begins to emerge and where energy transforms readily from one form to another. It is here where chance and necessity meet. Below the nanoscale, we find only chaos; above this scale only rigid necessity.

Er zijn blijkbaar niet veel mogelijkheden om het ontstaan van leven op dit niveau aan te tonen of ten minste te schetsen. Toch wagen sommige fysici zich daaraan, en één van hen, Paul C. W. Davies heeft het volgende bedacht. Ook hierbij gaat het om de zogenaamde non-trivial kwantumeffecten. Zijn hypothese is dat het leven direct ontstond uit de wereld van atomen zonder complexe intermediaire chemie. Aangezien het leven voornamelijk gekarakteriseerd wordt door replicatoren, stelt hij een klein simpel voorbeeldje van hoe zoiets in zijn werk zou kunnen gaan. Hij noemt dit Q-life en proponeert twee verschillende sequenties aan spins A en B in gecondenseerde materie. Deze twee sequenties interageren en als gevolg daarvan transmuteert B in A. Deze transmutatie ziet er uit als AB → AA. Omdat de sequentie B nu weggevaagd is, is deze transmutatie asymmetrisch en irreversibele. Dit ‘systeem’ zou op een bepaalde manier door de organische moleculaire wereld, waarin alles langzamer gaat maar ook grotere diversiteit oplevert, overgenomen worden.

Als bioloog is dergelijke taal moeilijk te begrijpen en ik heb ook geen idee of dit ooit empirisch aangetoond kan worden. Het is slechts een kleine poging om te laten zien hoe moeilijk het is een brug te slaan in de communicatie tussen biologen en fysici. Maar het is zeker mogelijk wanneer de kwantummechanica onderwezen wordt aan biologen.

Uit: Peter M. Hoffmann. Life’s ratchet. 2012

Paul C.W. Davies. Quantum aspects of life. Chapter 1: A Quantum origin of life? 2008

P.O. Löwdin Proton tunneling in DNA and its biological implications. REVIEWS OF MODERN PHYSICS VOLUME 35, NUMBER 3 JULY 1963

Hierbij bedank ik alle deelnemers aan de discussie bij Gert Korthof en in het bijzonder hemzelf.

Erfelijkheid in de Teunisbloem

Teunisbloem uit eigen tuin

Aangezien in de tuin de Grote Teunisbloem erg mooi staat te bloeien, dacht ik aan de experimenten van de Nederlandse bioloog-botanicus Hugo de Vries (1848-1935). Hij gebruikte Oenothera Lamarckiana (dezelfde soort als Oenothera glazioviana) ofwel de Grote Teunisbloem. Er wordt door Peter W. van der Pas beschreven hoe de Vries in 1886 deze bloem vindt bij Hilversum op een braakliggend terrein. Hij deed vervolgens een uitgebreide historische studie naar de oorsprong van de plant. De bloem had zijn naam te danken aan de Franse botanicus Nicolas-Charles Seringe die hem benoemde naar de beroemde bioloog Lamarck.

Meiose vindt plaats in de toekomstige geslachtscellen. Gedurende de meiose ligt elk paar chromosomen langs elkaar. Zo kan er crossing over plaatsvinden waardoor het genetisch materiaal van de ouders gemengd wordt vlak voordat zich de reducerende deling voordoet om de haploide geslachtscellen te vormen.

De Vries werkte met Oenothera Lamarckiana en was op zoek naar de door Darwin voorspelde veranderingen gedurende de evolutie van soorten. Hij was er van overtuigd dat de vorming van nieuwe soorten afhing van veranderingen ofwel mutatie in de ‘pangenen’, een begrip dat wel wat lijkt op wat we tegenwoordig mutatie van genen noemen.

Hij zag na een kruisbestuiving van O. Lamarckiana met een andere soort Oenothera dat er nieuwe soorten ontstonden die hun kenmerken ook na meerdere generaties nog bezaten. Waren dit wel echte nieuwe soorten ? Of waren het variëteiten die onderling nog gekruist konden worden. Het bleek dat Oenothera een vrij bijzondere wijze van voortplanten had:

Er doet zich praktisch geen crossing over voor omdat de chromosomen bij hun uiteinden gepaard liggen in plaats van bij het centromeer. Zij vormen zodoende een aaneengeschakelde ring. Dit betekent dat er geen uitwisseling is van de ouderlijke genen voorafgaand aan de reducerende deling. Maar vooral dat de verschillende chromosomen samen segregeren, die van vader gaan één kant op en die van moeder de andere kant op. Er is geen uitwisseling. Deze twee chromosomale complexen werden ‘gaudens’ en ‘valens’ genoemd. Er is vervolgens gebleken dat twee dezelfde complexen letaal zijn (gg, vv) alleen de hybriden zijn levensvatbaar (gv en vg); 50 % van de zaden ontkiemt niet. Oenothera is dus een permanente hybride. Wordt hij gekruist met een andere O. dan geldt ook hier dat alleen de hybriden levensvatbaar zijn.

Met zijn experimenten verkreeg hij nieuwe varianten en soorten. O. gigas bijvoorbeeld had het dubbele aantal chromosomen (28 in plaats van 14). Hij ging daarbij natuurlijk af op de uiterlijke kenmerken, het aantal chromosomen werd pas later bekend. Hij nam aan dat het hierbij om mutaties ging en in zekere zin zijn planten met verdubbelde genomen dat ook. Maar de mutatie zoals door Darwin bedoeld werd, oneindig kleine erfelijke modificatie, die ook nu nog zo beschouwd wordt, was in deze planten niet aanwezig. Hij heeft zijn theorie dus gebaseerd op een verkeerd experiment. Hij dacht pure variëteiten of zelfs soorten te hebben gevonden terwijl het om hybriden ging.

Oenothera bleek dus ook een uiterst slecht model te zijn om de theorie van Mendel te ondersteunen. Er werden geen genen uitgewisseld en er was geen segregatie van afzonderlijke chromosomen. Er was dus ook geen sprake van dominante en recessieve genen. Maar zijn intuïtie was juist: zijn theorie was en is nog steeds waardevol want de echte mutaties van genen die niet lang daarna gevonden zijn in het fruitvliegje bijvoorbeeld gedroegen zich geheel volgens de mutatietheorie van de Vries.

Uit: Encyclopedia.com; Historici.nl

De voorlopers van onze hormoonreceptoren

Figuur 1: Covalente bindingen en waterstofbruggen. De eerste vergen een chemische reactie terwijl de laatste nauwelijks energie kosten. Ze bepalen de affiniteit van het hormoon voor de receptor.

Joe Thornton bestudeert al vele jaren de oorsprong en de evolutie van eiwitten, waaronder hormoonreceptoren. Hij bestudeert daarbij de sequentie van het DNA van deze receptoren van nog bestaande hedendaagse organismen en legt al deze sequenties langs elkaar. Het is dan mogelijk de mutaties terug te volgen in de tijd langs de fylogenetische boom en de oorspronkelijke sequenties af te leiden. Zijn werk bestaat vervolgens vooral uit de reconstructie middels cDNA van de voorouderlijke eiwitten. Daarmee kan hij experimenteren om te bestuderen welke mutaties verantwoordelijk zijn voor de verschillende veranderingen in functie.

Receptoren zijn eiwitten (proteïnen) en de hier beproefde hormonen zijn steroïden. De bekendste zijn oestrogeen en testosteron. Deze hormonen binden specifiek hun eiwitreceptoren waarna ze zich als complex met DNA binden om aldaar, na eventuele tussenkomst van andere transcriptiefactoren, de transcriptie te regelen. De receptoren binden hun hormonen met een bepaalde affiniteit. Een hoge affiniteit betekent dat de binding erg sterk is wat duidt op een hoge specificiteit van het hormoon voor de receptor of andersom. De sterkte van de binding wordt in veel gevallen bepaald door het aantal waterstofbruggen tussen de twee moleculen. Dit hangt op zijn beurt weer af van de sequentie van aminozuren in de eiwitketen. In figuur 1 zijn waterstofbruggen te zien.

Het blijft lastig te verklaren en aan te tonen hoe complexe systemen zich geleidelijk kunnen vormen. Darwin zelf schreef dat zijn theorie zou vallen als er complexe organen bestonden die niet door meerdere, kleine, opeenvolgende veranderingen tot stand gekomen waren. Elk afzonderlijk deel van een complex systeem heeft geen functie en er kan dus niet voor geselecteerd worden totdat het hele systeem bestaat.

Joe Thornton noemt het proces dat aan de basis staat van de toename aan complexiteit “molecular exploitation”: er ontstaan als gevolg van duplicaties nieuwe moleculen (receptoren) die interacties aangaan met oudere reeds bestaande moleculen (hormonen).

De experimenten van Joe Thornton zijn gebaseerd op de reconstructie van de uitgestorven voorouders van onze hormoonreceptoren. Je zou het kunnen zien als een Jurassic Park van prehistorische moleculen. In een van zijn eerste studies kaart hij het probleem aan van wat eerst kwam, het hormoon of de receptor. Daar bestudeert hij de oudste hormoonreceptoren die er te vinden zijn. Dit zijn receptoren voor oestrogeen geweest. Oestrogeen wordt aangemaakt als laatste stap van een pathway met als tussenstap de vorming van testosteron en progesteron (zie figuur 2). Deze hormonen bestonden dus al voordat hun receptoren zich vormden. Ze kregen pas hun rol als hormoon toebedeeld na de evolutie van hun specifieke receptoren.

Figuur 2 Aromatisch verwijst naar de aromatische ring linksonder in het oestrogeen-molecuul. De androgenen hebben geen aromatische ring.

In de laatste publicatie experimenteren Thornton en zijn medewerkers met twee voorouderlijke receptoren. De eerste is AncSR1 en is vergelijkbaar met de eerste oestrogeenreceptoren. Deze receptor is specifiek voor gearomatiseerde (zie figuur 2) steroïden zoals oestrogeen. De tweede is AncSR2 die hoge affiniteit heeft voor niet gearomatiseerde steroïden (zoals androgenen). Bij nadere analyse blijkt dat AncSR1 de gearomatiseerde ring vereist terwijl AncSR2 dit type ring afstoot. Er blijken twee aminozuren te zijn (glu41GLN en leu75MET: hoofdletters afgeleid residu; kleine letters voorouderlijk residu) die veranderd zijn. Dit zijn precies de residuen die contact hebben met de aromatische ring van het hormoon. Worden deze voorouderlijke residuen geplaatst in AncSR2 dan verkrijgt deze de capaciteit een gearomatiseerde stof (oestrogeen) te binden. Worden de afgeleide residuen geplaatst in AncSR1 dan verliest deze de mogelijkheid gearomatiseerde moleculen te binden en kan dan niet-gearomatiseerde moleculen binden (androgenen). Deze twee substituties zijn dus verantwoordelijk voor de evolutie van de androgeenreceptoren met als vertrekpunt de voorouderlijke oestrogeenreceptor. Het blijkt na nog zorgvuldiger analyse dat er subtiele veranderingen zijn op het niveau van de waterstofbruggen met als gevolg veranderingen in de energiestaat. Deze subtiele veranderingen in de biochemie van een paar aminozuren kan zodoende uitvergroot worden en veroorzaakt grote verstoringen in het biofysieke gedrag van de proteïne wat leidt tot belangrijke evolutionaire verschuivingen in functie.

De wetenschappers laten zien dat evolutie inderdaad plaatsheeft met kleine stapjes die enorme gevolgen kunnen hebben. Zonder deze hormoonreceptoren waren we nog lampreien geweest.

Uit: Columbia News, PNAS

Zie ook een voorgaand blog over de onmogelijkheid van terugwaartse evolutie naar een artikel van Thornton

Alle publicaties van Thornton zijn hier te downloaden.

h/t Rob van der Vlugt

Mutatie, Variatie en Natuurlijke Selectie

Mutatie, variatie en natuurlijke selectie zijn zeer belangrijke begrippen binnen de evolutietheorie. Het is voor de meesten wel duidelijk wat een mutatie is. Waar ik wat beter bij wil stilstaan is het begrip variatie. Variatie is namelijk het gevolg van mutatie en is het niveau waarop natuurlijke selectie haar werk doet. Tussen mutatie en natuurlijke selectie speelt zich erg veel af.

Er wordt nog steeds aangenomen dat mutatie random (toevallig of willekeurig) is. Dit toeval heeft betrekking op de kans dat een willekeurige van de miljarden letters van het DNA verandert in een van de andere drie letters (puntmutatie), een kans die voor alle nucleotiden (letters) hetzelfde is. Deze mutatiekans wordt ook wel weergegeven door de mutation rate die voor een gegeven organisme constant is en uitgedrukt wordt in basenparen per generatie. Een recent artikel in Nature toont aan dat de mutation rate van een heel genoom niet helemaal hetzelfde is naar gelang de genen die men bestudeert. Er is momenteel een groot debat over die publicatie. (Zie voorgaand blog). Ook inserties en deleties zijn willekeurig in de zin dat ze op elk punt binnen het genoom kunnen voorkomen. Dit toeval of deze willekeur betreft ook het feit dat een mutatie niet gebonden is aan het eventuele voordeel of nadeel dat een organisme ermee zou doen. Dat wil zeggen dat een mutatie voorkomt onafhankelijk van wat voor schadelijke of minder schadelijke gevolgen deze heeft.

Variatie daarentegen is moeilijker te definiëren. Variatie wordt bepaald zowel door mutaties als door omgevingsfactoren. Sommigen beschouwen variatie als veranderingen in het fenotype van een organisme waarin het fenotype een verzameling is van alle kenmerken. Door de evolutiebiologen, die veel naar organismen en soorten kijken, wordt het fenotype beschouwd als het totaal aan kenmerken binnen de fysionomie en fysiologie van het organisme. Maar moleculair biologen zijn geneigd een fenotype te zien in de kenmerken van een eiwit bijvoorbeeld. Volgens velen heeft natuurlijke selectie geen grip op een eiwit, het zou geen selecteerbaar kenmerk van het organisme zijn. De verschillen en overeenkomsten tussen deze twee zienswijzen kunnen geïllustreerd worden aan de hand van sikkelcelanemie. Zie onderaan de pagina.

Sikkelcel

Natuurlijke selectie is een geleidelijk non-random proces waarbij de kenmerken binnen de populatie verspreid worden al naar gelang deze bijdragen aan de fitness van het individu. Er wordt over het algemeen beweerd dat natuurlijke selectie inwerkt op het fenotype en daarbij wordt vermeld dat het fenotype de verzameling van alle waarneembare kenmerken is. De grenzen van het waarneembare worden steeds meer verlegd. Bovendien zijn er goed geteste modellen van de werkelijkheid die de kenmerken uitstekend beschrijven.

Het voorbeeld van sikkelcelanemie wend ik aan om te laten zien waar mutatie, variatie en natuurlijke selectie van belang zijn binnen deze erfelijke ziekte. In sikkelcelanemie bestaat er een mutatie van het gen voor hemoglobine. Dit is in alle gevallen dezelfde mutatie (dezelfde substitutie van nucleotide, op hetzelfde codon). Deze mutatie heeft tot gevolg dat er een eiwit aangemaakt wordt waarin een aminozuur veranderd is. Het eiwit hemoglobine verandert zodanig dat het (in geval van lage zuurstofniveaus) fibers gaat vormen waardoor de rode bloedlichaampjes hun ronde vorm verliezen en de karakteristieke sikkelvorm aannemen. De variatie is in dit geval het eiwit en de rode bloedlichaampjes. Omdat deze ziekte in recessieve vorm beschermt tegen malaria raakt het gen door natuurlijke selectie van de mensen met de sikkelvormige bloedcellen verspreid in de gebieden waar malaria endemisch is. De variatie in eiwit en vorm van bloedlichaampjes vormen de kenmerken ofwel het fenotype van een mens met sikkelcelanemie.

Selectie van evolutie

Evolutie is de geleidelijke verandering in organismen als gevolg van natuurlijke selectie van variatie. Variatie wordt mogelijk door het ontstaan van mutaties. Mutaties doen zich voor op niveau van het DNA. In een sequentie of gen kan een van de letters van het DNA veranderen of muteren. Er kunnen zich ook inserties of deleties voordoen van stukken DNA. Vooralsnog beschouwt men mutatie als een random proces, willekeurig ofwel toevallig. Er is nu een artikel verschenen in Nature dat laat zien dat mutatie meer of minder frequent kan zijn naar gelang de regio van het genoom dat men bekijkt.

Mutatie

Het artikel laat zien dat er in het DNA van de bacterie E. coli genen zijn die minder mutaties ondergaan dan andere regio’s van het genoom. Het gaat om genen die een belangrijke rol hebben in het overleven van de cel, die essentieel zijn voor het basismetabolisme en die voluit tot expressie komen. De auteurs verbinden hier de logica aan dat zulke belangrijke genen zich geen mutaties kunnen permitteren. Zij vermoeden dus dat er een mechanisme bestaat dat de mutation rate in deze genen onderdrukt en zodoende de integriteit van deze genen zoveel mogelijk beschermt.

Als er aan de basis van dit fenomeen inderdaad een mechanisme bestaat dat mutatie in essentiële genen kan onderdrukken (of misschien juist kan stimuleren in minder essentiële genen) dan is ook dat mechanisme geëvolueerd. Dit zou betekenen dat het proces van evolutie van organismen zelf ook onderhevig is aan evolutie.

Volgens de auteurs gaat het niet om de gebruikelijke reparatiemechanismen van de DNA-polymerasen of van transcription-coupled repair. Er is volgens hen meer aan de hand. Hoewel men van mening is dat het onderzoek erg degelijk is uitgevoerd zijn veel biologen (zie ook commentaar onder de link) behoorlijk sceptisch ten aanzien van de claim van de onderzoekers. Deze laatsten beweren immers dat er een non-random mutation rate bestaat, maar vooral dat daar een mechanisme voor bestaat, en dat is een heel nieuw gegeven in de biologie. De sceptici verwachten dat er eenvoudigweg andere factoren zijn waarvan we nog niet op de hoogte zijn. Er wordt vaker gesproken van hot-spots in bepaalde regio’s van het genoom, die vaak lijken voor te komen in de buurt van inserties en deleties van stukken DNA. Maar daarbij is nog nooit het vermoeden uitgesproken dat er een mechanisme aan te grondslag lag.

Uit Nature en ScienceDaily

Met dank aan Harry Pinxteren voor het artikel in Nature en aan de reageerders voor de levendige discussie op voorgaande blogs.

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

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