Dr. G. de Jong heeft een weblog waarin ze in begrijpelijke taal voor lezers duidelijk maakt hoe volgens haar genduplicaties de motor zijn voor evolutie en voor innovatie. Als we aannemen dat het leven volledig uit een voorouder is ontstaan, dan moeten er in de loop van de evolutie genen bij gekomen zijn, die een functie kregen die er voor die tijd nog niet was. Kandidaten voor deze nieuwe genen zijn genduplicaties. Dit zijn genverdubbelingen. Door een kopieerfout tijdens de celdeling (meiose) komt per ongeluk een gen dubbel in een van de dochtercellen terecht. Deze kopie levert dan een gen op dat eigenlijk over is en daarom een nieuwe functie kan krijgen, bovenop de functies die al aanwezig waren.

Het eerste argument was, dat er genduplicaties bij de vleet zijn. Een van de diertjes die de paradepaardjes van de biologie kunnen worden genoemd, zijn fruitvliegjes, Drosophila melanogaster. Er is naar deze soort erg veel genetisch onderzoek gedaan. In 2016 (Cardoso et al, 2016) werd van 84 lijnen van deze vliegjes de complete DNA-basepaarvolgorde bepaald. Het betrof lijnen uit verschillende werelddelen. Uit de analyse bleek inderdaad dat er tot wel bijna 500 genduplicaties konden worden aangewezen. Dit viel overigens in het niet bij de meer dan 56 000 deleties (verdwijnen van een stuk DNA) die werden aangetroffen. De conclusie is echter dat er genduplicaties bij de vleet zijn. Vervolgens is er door de auteurs gezocht naar genen die tekenen vertoonden van selectie. Als er immers selectie optreedt op de duplicaten, en die selectie verschilt van die van het origineel (dat is ook nog een voorwaarde), dan is er reden om te verwachten dat het duplicaat na verloop van tijd een andere functie gaat krijgen dan het origineel. Er werd gedacht dat de meeste kans zou zijn om tekenen van selectie op te vangen als genduplicaten onderzocht werden die (bijna) volledig in een bepaalde populatie waren verspreid. Die verspreiding zou dan het gevolg van selectie kunnen zijn. Het bleek echter dat van alle duplicaties slechts 1% bij meer dan 75% van een populatie verspreid was. Veel potentiële voorbeelden voor positieve selectie van genduplicaten zijn er dus niet. Nu zijn er twee testen om mogelijke selectie te traceren: 1) toegenomen LD (linkage disequilibrium) en 2) verlaagde nucleotide-diversiteit. Werden deze testen op negen kandidaatgenen toegepast, dan bleek de ene test in vijf gevallen positief te zijn en de andere in vier gevallen. Slechts drie genen bleken in beide testen tekenen van selectie te vertonen. Van twee genen was al bekend dat ze onder positieve selectie stonden. Bijvoorbeeld een gen dat betrokken is bij de reactie op DDT, een insecticide dat in het verleden zeer grootschalig is gebruikt om muggen uit te roeien en zo malaria uit te bannen, en een ander gen dat betrokken is bij de reactie op DNA-schade. Dit laatste gen is bijzonder. Dit gen dupliceerde in de Nederlandse lijnen heel vaak en leidt dan ook tot toegenomen genexpressie.

De conclusie kan dus luiden: genduplicaties komen voor bij de vleet, inderdaad, maar zelden verspreidt een genduplicaat zich door de populatie op grond van positieve selectie.

Een andere conclusie die uit de studie kan worden getrokken, is dat als een gen gedupliceerd is, de hoeveelheid genproduct zelden evenredig omhoog gaat met het aantal genkopieën. Vrijwel altijd blijft dat achter, en in een aantal gevallen gaat de resulterende expressie zelfs naar beneden ten opzichte van de oorspronkelijke situatie. Wellicht was hier sprake van actief uitzetten, om zo schade te beperken. Genduplicaten die leidden tot veranderde expressie werden relatief weinig in een groot deel van de populatie aangetroffen. De conclusie van de auteurs van het artikel is dan ook herhaalde malen dat genduplicaties over het algemeen schadelijk zijn. Het evenwicht in genregulatie wordt doorbroken.

Als genduplicatie de voornaamste bron is van nieuwe genen en als nieuwe genen de motor zijn voor evolutie, dan vragen we ons af in hoeverre evolutie mogelijk is als het aantal genduplicaten onder positieve selectie op één hand te tellen is in 84 Drosophila-lijnen waarvan het complete chromosomale DNA uitgekauwd is.

Dat er genduplicaten bestaan, is aangetoond. Dat genduplicaten een andere functie kunnen verkrijgen dan het originele gen, is iets wat nodig is om aan te tonen als genduplicaten de motor van de evolutie zouden zijn. Inderdaad kan het functioneren van de gedupliceerde genen wat verschillen van het oorspronkelijke gen. Dat werd ook in het artikel van Cardoso et al aangetoond. De expressie is zelden puur additief. Ook kan het zo zijn dat gedupliceerde genen wat mutaties opdoen en op die manier vatbaarder of minder vatbaar worden voor regulatie in een bepaalde fase van de ontwikkeling. De Jong laat dit zien aan de hand van genen voor amylase bij de Drosophila. Amylase is het enzym dat zetmeel afbreekt. Hiervan kan Drosophila op een bepaalde plaats het gen bevatten, maar ook op een andere plaats, en deze genen kunnen enzymen tot expressie brengen die een verschillende kinetiek hebben in het afbreken van zetmeel. Er is dus inderdaad sprake van een beetje meer van hetzelfde en van een beetje differentiatie.

Is er echter ook bewijs voor een compleet nieuwe structuur die veroorzaakt werd door een genduplicaat? In de ogen van dr. De Jong wel. De titel van de weblog luidt: ‘Een nieuw stuk poot door een nieuw gen.’ De Jong baseert zich op een artikel van Santos et al uit 2017, met als titel ‘Taxon restricted genes at the origin of a novel trait allowing access to a new environment.’

Wellicht kent u ze wel, de schaatsenrijders. Roofwantsen die gebruikmaken van de oppervlaktespanning van het water om over het wateroppervlak op zoek te gaan naar hulpeloos in het water spartelende gevleugelde insecten, die vervolgens leeggezogen worden. Beeklopers zijn aan deze schaatsenrijders verwant. Binnen de beeklopers is er een geslacht Rhagovelia, waarvan de insecten prima op snelstromend water kunnen lopen zonder door de waterlaag heen te zakken. Dit komt doordat ze een waaiertje aan haartjes onder aan hun middelste potenpaar hebben, wat de draagkracht verhoogt. Het geeft enorme voordelen. Deze wantsen kunnen op jacht gaan in een gebied (niche) waar andere beeklopers dat niet kunnen. Volgens een bericht in Science (Santos 2017), zou deze waaier het resultaat zijn van een gedupliceerd gen dat een nieuwe functie kreeg. Het gen waarvan werd aangetoond dat het noodzakelijk was voor het ontwikkelen van de haren van het waaiertje, werd gsha (geisha) genoemd, naar het voorbeeld van de waaiers van Japanse dames. Het gen waaruit gsha door genduplicatie zou zijn ontstaan, kreeg dan de mooie naam mogsha, ofwel mother of geisha. Grote gebieden van beide genen lijken sprekend op elkaar, veel meer dan hetzelfde gen (mother of geisha) vergeleken met andere geslachten. Deze overeenkomst tussen beide genen speelde de onderzoekers herhaaldelijk parten, omdat zo moeilijk onderscheid kon worden gemaakt tussen beide genen. Toch is er verschil in expressie en aminozuurvolgorde tussen verondersteld ‘moedergen’ en ‘dochtergen’. Om te bewijzen dat het gen noodzakelijk was voor het ontstaan van de haartjes, werd het gen geblokkeerd. De haartjes van het waaiertje waren weg, maar het scharniersysteem was nog over. De onderzoekers toonden op deze wijze wel aan dat het geisha-gen nodig was voor het ontstaan van de haartjes, maar sloten niet uit of er misschien nog andere genen nodig waren, die minstens zo’n belangrijke functie hadden. Dit hadden de onderzoekers wellicht kunnen onderzoeken door het geisha-gen in het DNA van een beekloper te plakken, die het gen van zichzelf niet had, en te zien of er harige structuren zouden ontstaan. Als dit waaiertje werkelijk zo geëvolueerd zou zijn vanuit een genduplicaat, dan laat het zien dat soms met enkele kleine veranderingen in het DNA, het vóórkomen van het dier of de plant en het kunnen overleven in een bepaalde omgeving, een onverwachte wending kan krijgen. Een mooi voorbeeld van micro-evolutie.

In een volgend artikel werd een heel interessant geval van kakkerlakkenmelk genoemd als voorbeeld van “het inschakelen van een bestaand gen voor een nieuwe functie, hier gevolgd door een uitgebreide duplicatie van het gen om zijn nieuwe functie goed te kunnen vervullen”. Het artikel over kakkerlakkenmelk is grotendeels gebaseerd op een artikel van Williford (2004), met als titel: ‘Evolution of a novel function: nutritive milk in the viviparous cockroach, Diploptera punctata.’

Het diertje waar het over gaat, is een tropische kakkerlak, Diploptera punctata. De vrouwtjesdieren van deze kakkerlakkensoort hebben een broedzak waarin de bevruchte eitjes opgeslagen worden en zich vervolgens ontwikkelen. De voedingsstoffen voor de groei bevatten ze echter niet zelf. Daarvoor zijn ze van de moeder afhankelijk. Als de embryo’s ontstaan zijn, scheidt de moeder eiwitten in de broedzak af, die de kakkerlak-embryo’s vervolgens opnemen en gebruiken voor hun groei. Dit is een ingewikkeld proces, waarvoor bij het moederdier allerlei regulatiemechanismen aanwezig zijn en waarop de ontwikkeling van de embryo’s aangepast moet zijn. De eiwitten die uitgescheiden worden, en die we dan maar melkeiwitten noemen, verschillen behoorlijk sterk van elkaar, maar kennen een aantal gebieden waarin de animozuurvolgorde overeenkomt. Die aminozuurvolgorde leidt ertoe dat de eiwitten zo vouwen dat er een hydrofoob tonnetje ontstaat (beta-barrel). Deze structuur wordt aangetroffen bij eiwitten, lipocalines, die zijn betrokken bij het transport van hydrofobe stoffen, zoals cholesterol. Omdat de melkeiwitten deze structuur sterk geconserveerd hebben, is de gedachte gerechtvaardigd dat de eiwitten naast een voedingsfunctie ook een transportfunctie hebben voor de embryo’s. De verschillende melkeiwitten worden gecodeerd door verschillende genen. Wellicht had een voorouder één melkeiwitgen en is dat gen een aantal malen gedupliceerd, waarna de gebieden van het eiwit die niet structureel belangrijk waren, divergeerden.

Waar is hier sprake van een nieuwe functie, zoals de titel belooft? Wel, de auteurs geloven (de auteurs gebruiken het woord ‘geloven’ zelf!) dat deze melkeiwitten geëvolueerd zijn uit een lipocaline met oorspronkelijk een andere functie. Vervolgens wordt er een verhaal geweven over hoe een lipocaline een melkfunctie zou hebben gekregen. Een verhaal gebaseerd op een naturalistisch geloof en niet gebaseerd op enige wetenschappelijke waarneming. Als dr. De Jong dan ook schrijft: “We zien een voorbeeld van het inschakelen van een bestaand gen voor een nieuwe functie”, dan ziet ze een schilderij dat ze voor zichzelf geschilderd heeft.

LEUK ARTIKEL?
Bent u blij met dit artikel? Het onderhoud en de ontwikkeling van deze website vragen financiële offers. Zou u ons willen steunen met een maandelijkse bijdrage? Dat kan door ons donatieformulier in te vullen of een bijdrage over te schrijven naar NL53 INGB000 7655373 t.n.v. Logos Instituut. Logos Instituut is een ANBI-stichting en dat wil zeggen dat uw gift fiscaal aftrekbaar is.

Written by

Dr. G. de Jong heeft een weblog waarin ze in begrijpelijke taal voor lezers duidelijk maakt hoe volgens haar genduplicaties de motor zijn voor evolutie en voor innovatie. Als we aannemen dat het leven volledig uit een voorouder is ontstaan, dan moeten er in de loop van de evolutie genen bij gekomen zijn,

...
Read more