Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: trade-off

Trade-off: over virussen en mensen

Een trade-off is gebaseerd op de beschikbaarheid van een bepaalde hoeveelheid energie. Wordt er veel energie gestoken in een parameter van het bestudeerde systeem dan kan er vanzelf niet al teveel overblijven voor een andere parameter. De term wordt veel gebruikt in economie. In een evolutionaire trade-off is er een balans tussen twee tegenstrijdige selectie-drukken. Een voorbeeld van evolutionaire trade-off is de eendagsvlieg, die in zijn volwassen reproductieve vorm geen functionerende darm heeft en maar één dag leeft. Dit komt doordat de energiebron voor onnodige voedingsapparatuur naar organen voor vliegen en voortplanting gegaan zijn. (Een voorbeeld van Richard Dawkins).

In deze blogpost wordt de mogelijke trade-off van virussen met hun host belicht. Een virus is niet meer dan een relatief korte RNA- of DNA-molecuul verpakt in een omhulsel. Laten we daarom eerst eens bekijken wat deze moleculen zijn en waartoe ze in staat zijn.  

De primordiale wereld en de rol van RNA

Sommige wetenschappers veronderstellen dat pre-biologische moleculen chemische reactie-cyclussen ondergingen die zich onafhankelijk konden voltrekken. Er zouden verschillende chemische cyclussen plaatsgevonden kunnen hebben op de vroege Aarde zo rond 3,8 miljard jaar geleden. Als ze dezelfde bouwstenen gebruikt zouden hebben om hun cyclussen te voltrekken, dan moeten ze met elkaar gewedijverd hebben. De meest efficiënte cyclus zou de minder efficiënte cyclussen overvleugeld hebben. Ook bij de eerste zelf-replicerende moleculen was er dus sprake van selectie. Deze chemische evolutie ging vooraf aan de biologische evolutie. 

Er is lang gedacht over welke moleculen de eerste en belangrijkste waren in deze primordiale cyclussen. Waren het DNA, RNA of proteïnen? In levende cellen is het het DNA dat de code voor proteïnen draagt die via het mRNA wordt afgelezen. In de jaren ’80 ontdekte Thomas Cech daarentegen dat RNA een soort moleculair hybride is en inderdaad ook code draagt voor proteïnen maar ook enzymatische activiteit heeft en andere moleculen kan veranderen. Maar wat vooral van belang was voor de theorie van de primordiale wereld, was dat RNA ook een loop kon maken en zijn eigen code kon bewerken zonder hulp van enzymen. De bioloog Gerald Joyce nam het RNA van Cech en liet het los op DNA. Hij kreeg natuurlijk vrijwel geen reactie, maar hij liet het evolueren (nam steeds de fractie RNA moleculen die het efficiëntste waren in het splitsen van DNA) en kreeg uiteindelijk, na twee jaar, RNA moleculen die net zo goed DNA konden splitsen als hun eigen RNA. Het bleek later dat RNA veel reacties kan voltooien en aminozuren kan binden en wordt daarom als de hoofdrolspeler gezien van de primordiale wereld ofwel de “RNA-wereld”. Het RNA kon zowel de rol van DNA als de rol van eiwitten vervullen. Met de daadwerkelijk opkomst van door RNA gecodeerde enzymen kon hetzelfde RNA nog vlugger gekopieerd worden en daarmee zijn efficiëntie verhogen. Ook het dubbelstrengs DNA zou door toevoeging en kleine veranderingen uit het enkelstrengs RNA ontstaan kunnen zijn. Het DNA is veel stabieler en heeft de functie van informatieopslag van onder andere onze genen.

Een virus is een streng RNA of een DNA-molecuul dat door een membraan of envelop omhuld is. Om zich te kunnen reproduceren is een virus totaal afhankelijk van zijn gastheer. Dat kan een bacterie, eencellige of meercellige eukaryoot zijn. Reproductie is een van de kenmerken van ‘leven’. Er zijn nog vele andere kenmerken, die ik hier niet wil noemen, om het eenvoudig te houden. Virussen worden beschouwd als niet-cellulair leven. Ze bezitten immers genen, maar voor hun metabolisme zijn ze geheel afhankelijk van een gastheer. Nadat ze gebruik gemaakt hebben van de replicatie machine van de gastheercel, assembleren ze vanzelf. Deze eigenschap versterkt het vermoeden dat ze als zelf-assemblerende organische moleculen aan de wieg hebben gestaan van het eerste leven.

Trade-off in virussen

Er bestaat de hypothese van een trade-off voor virussen. Daarbij gaat een toename in virulentie ten koste van besmettingskans en andersom. Er ontstaat een balans, een trade-off van twee tegenstrijdige selectiedrukken: één die de pathogeen aanzet om meer te groeien en zodoende de gastheer meer uit te buiten, en één die ervoor zorgt dat de gastheer lang genoeg kan overleven om soortgenoten te besmetten. Wanneer als gevolg van een genetische mutatie een virus virulenter wordt en zijn gastheer zo ziek maakt dat hij overlijdt, dan verdwijnt het virus met de dood van zijn gastheer. Is het virus afhankelijk van een levende gastheer die rondloopt om zoveel mogelijk mensen te besmetten, dan moet het virus niet dodelijk zijn. Het griepvirus maakt de gastheer licht ziek omdat zijn levenscyclus afhangt van het niezen van zijn gastheer op een volgende gastheer. Voor een aantal virus-gastheer systemen is de hypothese aangetoond (waaronder HIV bij mensen en myxomatose in konijnen ). Deze systemen vinden een positieve correlatie tussen virulentie en besmetting.

Fig. 1 Trade-off van een virus
Elke toename van virulentie (groen) zou moeten worden gecompenseerd door een afname in besmettelijkheid (rood) en andersom. Gaat een van deze twee paramaters buiten de range (stippellijn) van optimale fitness (blauw) dan heeft het virus een lage fitness (ook in blauw), wat kan betekenen dat het virus verdwijnt.

Het is daarentegen ook mogelijk dat het virus vooral wedijvert met andere ziekteverwekkers in de gastheer. In dat geval wordt het lastig om de trade-off hypothese te bestuderen.

Op Twitter kwam ik deze grafiek tegen gepost door @AdamJKucharski, mathematicus en epidemiologist

Gevonden op https://twitter.com/AdamJKucharski/status/1348742487846875138?s=20

Adam Kucharski illustreert hier dat wanneer een parameter zoals besmettelijkheid 50% toeneemt dan neemt het aantal doden exponentieel toe. Wanneer uitsluitend de virulentie met 50% toeneemt dan gaat het aantal doden recht evenredig omhoog. Als de besmettelijkheid hoog is, en als de trade-off van toepassing is op dit virus, dan zou de virulentie moeten dalen. Het zou kunnen dat wanneer de besmettelijkheid toeneemt en de virulentie inderdaad vermindert het virus minder doden veroorzaakt. Om te weten of er in het geval van Covid19 een trade-off systeem is tussen SARS-Cov-2 en de mens, moet er bijgehouden worden hoeveel mensen er sterven ten opzichte van het aantal positieven. Gegevens zoals het aantal mensen dat sterft, dat wordt opgenomen in het ziekenhuis of dat in de loop van de tijd positief test op het virus, worden gebruikt om in te schatten hoe gemakkelijk het virus zich verspreidt. Deze gegevens bepalen de R-waarde. Als de R-waarde hoger is dan één, neemt het aantal gevallen exponentieel toe, maar als het R-nummer lager is, zal de ziekte zich uiteindelijk niet meer verspreiden, omdat er niet genoeg nieuwe mensen worden geïnfecteerd om de uitbraak in stand te houden.

Gezien vanuit het virus is de trade-off een prima deal, het reproduceert zich net zo goed en behoudt dus zijn fitness zowel met hoge besmettingskans en lage virulentie als met het omgekeerde. Natuurlijke selectie bepaalt hoe deze waarden liggen. De interactie virus-gastheer is afhankelijk van vele factoren die mij onbekend zijn, maar die zeker te maken hebben met waarden aan de kant van de gastheer zoals bevolkingsdichtheid, immuniteit van de mensen, seizoen, bewegingsvrijheid van de mensen en waarden aan de kant van het virus zoals de besmettelijkheid en virulentie.

Het is te hopen dat er voor SARS-Cov-2 en de mens ook een trade-off bestaat en dat we deze kunnen doorbreken door de besmettelijkheid zodanig te verlagen dat deze een extreem lage fitness oplevert. Dat gebeurt wanneer we immuun oftewel gevaccineerd zullen zijn.

Referenties

Benton, M.L., Abraham, A., LaBella, A.L. et al. The influence of evolutionary history on human health and disease. Nat Rev Genet (2021). https://doi.org/10.1038/s41576-020-00305-9

Geoghegan, J.L., Holmes, E.C. The phylogenomics of evolving virus virulence. Nat Rev Genet 19, 756–769 (2018). https://doi.org/10.1038/s41576-018-0055-5

EVOLUTIONAIRE GENEESKUNDE: FEIT OF FICTIE? door Michiel DE KEYSER. UNIVERSITEIT GENT FACULTEIT DIERGENEESKUNDE Academiejaar 2014 – 2015

Evolution, The Triumph of an Idea: From Darwin to DNA by Carl Zimmer 2002

Natural selection and disease. Lecture by Richard Dawkins The Pharmaceutical Journal Vol 265 No 7117 p528 October 07, 2000 The Conference

De strijd tussen ouderlijke genen

In zijn boek ‘Brain Cuttings’ behandelt Carl Zimmer een oorzaak van autisme en van schizofrenie. Hij laat zien dat we eigenlijk allemaal tussen deze twee extremen van mentale ziekten leven. Dit heeft alles te maken met een strijd tussen de genen die van de vader en de moeder komen. Het gaat om de inactivering van genen van of de vader of de moeder door epigenetische mechanismen zoals methylatie, waardoor er een zekere balans tussen deze genen ontstaat. Dit proces kan verstoord raken door mutaties of deleties van de betreffende genen.

David Haig van Harvard University stelde in 1999 dat genetische imprinting een evolutionaire strijd is tussen de genen van vaders en moeders. Vaders en moeders hebben niet dezelfde strategie in het succesvol doorgeven van hun genen. De moeder moet een afweging maken van haar eigen gezondheid tegenover een goed gevoed en gezond kind. Zou zij teveel investeren in de groei van haar kind dan zou zij minder kinderen op de wereld kunnen zetten dan moeders die minder energie stoppen in hun kinderen. De trade-off is om veel maar niet teveel te investeren in elk kind.

Vaders genen zullen het best terecht komen in kinderen die het maximum aan voedsel van hun moeder kunnen krijgen. Natuurlijke selectie zou mutaties in vaders genen bevoordelen die de hoeveelheid voedsel die kinderen van hun moeder krijgen verhoogt. Deze genen zouden de snelheid waarmee de foetus groeit kunnen verhogen of de agressiviteit waarmee de placenta in de weefsels van de moeder doordringt kunnen doen toenemen. Moeders zouden genen kunnen ontwikkelen die deze groei remmen en in toom houden of ze zouden vaders genen kunnen silencen. Al deze mechanismen doen zich inderdaad voor bij zoogdieren zoals de mens.

Veel van de genen die ingeprent zijn spelen een rol in de vorming van het brein. Sommige zijn uitsluitend in het brein actief. Het blijkt dat ook onze hersenen gevormd worden door een conflict tussen de genen van onze ouders. Het gedrag van kinderen kan immers een van de ouders meer ten goede komen. Moeders moeten hun aandacht en middelen verdelen over hun kinderen. Een kind dat veel aandacht vraagt zorgt ervoor dat de anderen minder aandacht krijgen. Vaders’ genen zullen er voordeel bij hebben het kind om meer voedsel en aandacht te laten vragen. Moeders zullen deze genen silencen.

Er zijn twee ziekten in de mens die voortkomen uit een verstoorde imprinting van de genen. Het gaat om genen op het chromosoom 15. Als er door een deletie op het chromosoom 15 een bepaald gen van vaders kant ontbreekt dan ontstaat het Prader Willi syndroom. Alleen de corresponderende genen van moeder komen tot uitdrukking. Het kind drinkt erg weinig gedurende de borstvoeding, laat zich uithongeren en moet kunstmatig gevoed worden om het in leven te houden. Na een paar jaar eet het erg veel door een slechte werking van de hypothalamus. Deze mensen ontwikkelen schizofrenie.

Is het gen van moeders kant gemuteerd of ontbreekt het, dan komen alleen de genen van vaders kant tot uitdrukking. Er ontwikkelt zich het Angelman syndroom. Tijdens de borstvoeding strekt de baby de tong ver uit en zuigt wanhopig. Het kind lacht en glimlacht voortdurend, beweegt veel, zwaait wild met de handen en is autistisch. Kortom het eist veel voedsel en energie van de moeder die geen tijd meer heeft voor haar andere kinderen. Het kind ontwikkelt autisme. Voor iemand die autistisch is, is het moeilijk te begrijpen wat anderen denken en voelen. Schizofrenen doen dat vaak juist te goed. Empathische kinderen snappen de benodigdheden van moeder en broers beter. Moeders genen brengen empathie. Vaders genen zouden deze distracties vermijden om meer van de moeder te krijgen.

Imprinting van deze genen laat zien dat evolutie gebaseerd is op natuurlijke selectie van zelfzuchtige genen. Deze genen beïnvloeden niet alleen de embryologische ontwikkeling en de fysiologie van het kind maar ook zijn mentale ontwikkeling.

Uit: ‘Brain Cuttings: Fifteen Journeys trough the mind’ by Carl Zimmer ebook 2010

en gebaseerd op artikel in Nature.

Footnotes to Plato

because all (Western) philosophy consists of a series of footnotes to Plato

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più - blog personale di Paolo Minucci

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Why Evolution Is True

Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.

Evolution blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

A Public House for Science

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

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

Glaswerk

Ongepoetst en uit de hand

%d bloggers liken dit: