Zo nu en dan wordt er melding gemaakt van organismen waarvan de nakomelingen hebben gereageerd op nieuwe milieuproblemen. Dit wordt vaak “snelle evolutie”, “stormachtige evolutie” of iets dergelijks genoemd. “Geprogrammeerde aanpassing” zou een betere term zijn, want het is het genoom (genetisch materiaal) zelf dat op nieuwe uitdagingen voorbereid is en organismen in staat stelt zich daaraan aan te passen. Dit bijzondere vermogen wordt tegenwoordig met de term “epigenetica” aangeduid en verwijst naar erfelijke veranderingen die niet kunnen worden toegeschreven aan mutaties in de DNA-sequentie. De term epigenetica werd geïntroduceerd om alle processen aan te duiden die de genactiviteit beïnvloeden zonder dat daarbij de DNA-sequentie veranderd wordt. De epigenetische veranderingen kunnen zelfs worden overgedragen op dochtercellen. Bijna een eeuw nadat de term voor het eerst opdook, begint men te begrijpen hoe de lichamen van de hogere organismen zich kunnen ontwikkelen vanuit één enkele cel door middel van epigenetica.
Vlinders kruipen als rupsen uit hun eitjes. De zes korte poten van de rups moeten zes lange, elegante vlinderpoten worden. Hun kaken, waarmee ze de bladeren fijnkauwen, moeten worden vervangen door de lange, nectarzuigende roltong. De eenvoudige rupsenogen worden veranderd in facetogen. De vleugels – organen die de rups nog nooit heeft gehad – moeten ook tot ontwikkeling komen. Bovendien heeft de volwassen vlinder een compleet nieuw ademhalingssysteem, dat bestaat uit een stelsel van luchtbuisjes die zich van buitenaf in het lichaam vertakken en dat een compleet nieuwe borststuk en een nieuw achterlijf met een nieuw spijsverteringskanaal van zuurstof voorziet.
Deze metamorfose is een wonder. Het ene genoom (en epigenoom, zie hieronder) dat in het ei aanwezig is met zijn DNA-sequentie inclusief alle modificaties, bevat twee totaal verschillende genetische bouwplannen, waarvan het ene voor de rups gebruikt wordt, terwijl het andere informatie bevat over hoe de vlinder eruitziet. Deze totaal verschillende genetische delen van het bouwplan van de rups en de vlinder mogen natuurlijk niet tegelijk actief zijn, want dan zou er een niet-levensvatbaar gedrocht ontstaan. In de rups moet het bouwplan van de vlinder onderdrukt worden, in de vlinder moet het bouwplan van de rups uitgeschakeld blijven. Om dit te bereiken, verpopt het dier zich en tijdens de popfase wordt het bouwplan van de rups langzaam maar zeker uitgeschakeld en dat van de vlinder geactiveerd.
De metamorfose van vlinders is een heel aanschouwelijk voorbeeld van epigenetica. We vinden echter ook uitgebreide epigenetische processen in alle meercellige organismen, die uit verschillende gedifferentieerde cel- en weefseltypes bestaan.
Epigenetische markeringen
In principe bevatten alle cellen van meercellige organismen ongeveer evenveel genen. Een gen is alleen dan bruikbaar als het zijn functie vervult in de juiste cellen, op het juiste moment en in de juiste verhoudingen. Daarom is er in ieder type cel, in ieder type weefsel en in ieder orgaan slechts een fractie van het totale aantal genen nodig. In feite zijn er slechts een paar honderd – hooguit een paar duizend – genen per cel actief. Een gedifferentieerde volgroeide levercel heeft alleen maar leverspecifieke genen nodig, ongeveer 5% van het genoom. Zo heeft ook het hart slechts hartspecifieke genen nodig, terwijl T- en B-cellen eveneens maar een fractie van de genen van het immuunsysteem gebruiken. Hoe regelen weefselcellen de specifieke toepassing van de juiste genetische programma’s?
Het antwoord is: door middel van epigenetische markeringen, d.w.z. functionele eenheden boven de DNA-sequentie. Het gaat om kleine moleculen die aan bepaalde chromosoomsegmenten worden vastgehecht en op die manier als genetische schakelaars fungeren, waarbij zij genen kunnen uitschakelen of activeren. Epigenetische markeringen wijzen erop dat er een hogere instantie in de systeemhiërarchie van genexpressie is die bepaalt welke genetische programma’s gesloten blijven en welke toegankelijk zijn. Zij reguleren de ontwikkeling en de differentiatie van de cellen doordat zij de benodigde biologische programma’s doelgericht kunnen in- en uitschakelen. Zodoende bepalen zij dat uit één eicel honderden verschillende celtypes ontstaan.
De belangrijkste epigenetische markeringen worden veroorzaakt door minuscule biochemische veranderingen. In de cellen is een familie van enzymen actief, de DNA-methyltransferasen, die een methylgroep (een klein, organisch molecuul) kunnen hechten aan vooraf bepaalde DNA-sequenties in het genoom. Door de aanhechting van een methylgroep wordt deze plaats in het genoom als het ware vergrendeld, d.w.z. dat de genetische informatie niet meer toegankelijk is en niet meer gebruikt kan worden. Genen die in een bepaalde cel niet nodig zijn, worden op die manier geïnactiveerd en uitgeschakeld. Als dat nodig mocht zijn, kunnen de methylgroepen door specifieke enzymen weer verwijderd worden, zodat het genetische programma weer toegankelijk en leesbaar wordt. DNA-methylering is één van de best bewezen epigenetische mechanismen waarover cellen beschikken om orgaanspecifieke genen in te schakelen en uit te schakelen.
Histoncode
Daarnaast controleert ook de zogenaamde histoncode de toegang tot genetische informatie. Histonen zijn eiwitten waar de chromosomen (en dus DNA-moleculen) omheen gewikkeld worden. Ze hebben allemaal een domein (een deel van een eiwit), dat als een uitsteeksel uit de eiwitten steekt. Dit domein, vaak aangeduid als de histonstaart, is opgebouwd uit aminozuren en kan, net als bij DNA-methyleringen door de koppeling van chemische groepen gemarkeerd worden. De chemische markeringen van de histonen, bestaande uit fosfaatgroepen, methyl- en acetylgroepen, worden door enzymen overgedragen en zorgen ervoor dat de chromatinestructuur van de chromosomen minder compact (euchramatine) of compacter (heterochromatine) wordt. Een minder compacte structuur vereenvoudigd de transcriptie (aflezen van geninformatie) en verhoogt de genactiviteit, terwijl een compacte structuur het tegenovergestelde effect heeft. Deze epigenetische mechanismen kunnen dus de transcriptie van afzonderlijke genen of van hele groepen genen beïnvloeden.
De epigenetische markeringen van een genoom beïnvloeden ook de manier waarop het chromatine zich in een driedimensionale vorm vouwt. Deze complexe vouwing beïnvloedt op haar beurt ook de activiteit van genen door te voorkomen dat de transcriptiemachine toegang krijgt tot DNA-gebieden die binnen in het genoom verborgen zijn. Op deze manier kunnen cellen, die allemaal dezelfde DNA-sequentie hebben, verschillende celtypes worden. De epigenetische code bevat dus informatie die de cel in staat stelt de genetische informatie te evalueren, zodat er verschillende organen, weefsels en cellen kunnen worden gevormd.
Invloeden op de epigenetische markeringen
Bijzonder interessant zijn de studies die aantonen dat de epigenetische markering, en dus het in- en uitschakelen van genen, door voeding en levenswijze (bijv. extreme stressfactoren) kan worden beïnvloed. Dit gebeurt door een directe invloed van de omgeving op de epigenetische instructies die aan het DNA en de histonen worden doorgegeven. De daardoor ontstane markeringen kunnen zelfs van de ouders aan meerdere opeenvolgende generaties worden overgedragen.
Bij planten is het een algemeen bekend feit dat de kenmerken van de nakomelingen epigenetisch zo gestuurd kunnen worden dat zij voorbereid zijn op de leefomstandigheden waaraan de moederplanten zelf blootgesteld waren. Dat is bijvoorbeeld het geval als de volgende generatie van een bepaalde plantensoort beschermd moet worden tegen aantasting door rupsen. Deze bescherming wordt verbeterd door de dichtheid van de trichomen (haarachtige structuren op de epidermis van de plant) te vergroten. Als reactie op rupsenvraat reageert de wilde radijs (Raphanus raphanistrum) meteen door de dichtheid van die beschermende trichomen te vergroten. Als een rups het eerste blad beschadigt, neemt de dichtheid van de trichomen van het derde tot het zevende blad toe. Daardoor vermindert de frequentie van het bezoek van de rupsen aan nieuwe bladeren en bijgevolg ook de rupsenvraat. Hetzelfde werd waargenomen bij de gele maskerbloem (Mimulus guttatus) in Californië. Bij deze plant gaven de beschadigde moederplanten een hogere trichoomdichtheid door aan de nakomelingen vergeleken met de nakomelingen van onbeschadigde planten. De nakomelingen zijn zo bij voorbaat beter beschermd tegen de plantenetende rupsen, mocht zich een verdere aantasting voordoen. Dit is een duidelijk geval van overerving van een epigenetisch verworven eigenschap. Vergelijkbare generatieoverschrijdende aanpassingseffecten zijn waargenomen bij de weerstand tegen droogte, tegen hoge en lage temperaturen en zelfs bij de resistentie tegen virusinfecties.1
Moleculairbiologische waarnemingen tonen ook aan dat de kopversiering bij kevers onder moduleerbare epigenetische controle plaatsvindt. Sommige mannelijke kevers hebben grote opvallende ornamenten of een hoorn, waarvan men denkt dat ze het evolutionaire resultaat zijn van seksuele selectie. De grootte en de mate waarin deze structuren zich bij een individu kunnen ontwikkelen zijn echter variabel en afhankelijk van de voeding. In 2016 meldde een Japanse groep onderzoekers dat het voedingseffect op de grootte van de ornamenten van de gehoornde meelkever (Gnatocerus cornutus) door epigenetische modificerende factoren wordt overgebracht. Toen één van de histon-deacetylasen (HDAC1) in de keverlarven werd uitgeschakeld, krompen de kaken van latere volwassen dieren, terwijl het afzwakken van een ander enzym (HDAC3) tot een overdreven expressie van de mondwerktuigen leidde, zonder dat dit van invloed was op andere lichaamsdelen.2
Epigenetica bij mensen
Net als bij de planten en insecten is er ook bij de mens een overerving van epigenetische informatie, die door de levenswijze van de moeder, de vader of zelfs door die van de grootouders werd vastgelegd. Zo kan bijvoorbeeld de slechtere groei van baby’s van rokende moeders worden toegeschreven aan epigenetische veranderingen, met name aan de veranderde methyleringspatronen van het DNA. Een Nederlands onderzoek suggereert dat de kleinkinderen van hongerlijdende grootouders nog altijd de genetische code als hun grootouders verwerven. Hoewel nog steeds niet alle details bekend zijn, is wel duidelijk, dat de levenswijze en de omgeving de kenmerken van de nakomelingen beïnvloeden.
Conclusie
Epigenetische modificaties verklaren ook hoe de beroemde Darwinvinken als reactie op plotselinge veranderingen in het milieu, zoals droogte of natheid, zich zo snel kunnen aanpassen. Een aanzienlijk deel van de variaties die Darwin bij de vinken op de Galapagoseilanden waarnam, wordt nu erkend als omkeerbare epigenetische modificatie.3 Deze variatie staat los van DNA-mutaties en vereist alleen dat de informatie in het DNA op een andere manier tot uitdrukking wordt gebracht.
Als nieuwe fenotypes niet alleen het gevolg zijn van mutaties in het DNA, maar ook van omkeerbare epigenetische aanpassingen, hoe maken we dan onderscheid tussen evolutie en geprogrammeerde aanpassing? Dat kan alleen door gedetailleerde genetische studies opgehelderd worden. Het is in ieder geval mogelijk dat voorbeelden van snelle veranderingen, die als bewijs voor evolutie geïnterpreteerd werden, toe te schrijven zijn aan epigenetische programmering. Programmering is echter een verwijzing naar planning en vooruitziendheid en verwijst dus naar een Schepper.
Herkomst artikel
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in het Duits en afkomstig van https://www.genesisnet.info/index.php?News=300. Datum van publicatie: 12.04.22
Voetnoten
- Herman JJ & Sultan SE (2011) Adaptive transgenerational plasticity in plants: case studies, mechanisms, and implications for natural populations. Front. Plant Genet. Genomics 2, 10-25.
- Ozawaa T, Mizuharaa T, Aratab M, Shimadac M, Niimid T, Okadae K, OkadacY & Ohtaa K (2016) Histone deacetylases control module-specific phenotypic plasticity in beetle weapons. Proc. Natl. Acad. Sci. 113, 15042–15047.
- McNew SM, Beck D, Sadler-Riggleman I, Knutie SA, Koop JAH, Clayton DH & Skinner MK (2017) Epigenetic variation between urban and rural populations of Darwin’s finches. BMC Evol. Biol. 17(1):183. doi: 10.1186/s12862-017-1025-9.
