Bij het vergelijken van DNA van diersoorten ontdekten onderzoekers iets vreemds: in sommige diergenomen lijken genen te ontbreken. Volgens Oxford-onderzoeker Adam Hargreaves kan dit betekenen dat de evolutie niet alleen wordt gestuurd door natuurlijke selectie.
DNA-sequentietechnieken helpen wetenschappers bij het beantwoorden van vragen die wij ons al eeuwenlang over dieren stellen. We begrijpen beter hoe de giraf aan zijn enorme nek kwam en waarom slangen zo lang zijn, nu we het genoom van deze dieren in kaart hebben gebracht [de complete genetische samenstelling van een organisme, cel of virus]. Door de DNA-volgorde precies te bepalen, kunnen we het DNA van verschillende dieren met elkaar vergelijken en kijken waar de verschillen liggen. Daaruit valt op te maken hoe zij elk op een unieke manier zijn geëvolueerd.
Maar soms staan we voor raadsels. In sommige diergenomen lijken genen te ontbreken die wel in vergelijkbare soorten voorkomen en die voor het overleven onontbeerlijk zijn. Zulke schijnbaar ontbrekende genen worden ook wel ‘donker DNA’ genoemd. Dit fenomeen werpt een nieuw licht op de evolutie.
Samen met mijn collega’s kwam ik het voor het eerst op het spoor toen wij de genoomsequentie van de woestijnrat (Psammomys obesus) bepaalden. Ons interesseerden vooral de woestijnratgenen die bij de aanmaak van insuline betrokken zijn, omdat we wilden begrijpen waarom deze diersoort veel vaker dan andere soorten diabetes type 2 krijgt.
Maar toen we op zoek gingen naar het gen Pdx1 dat de aanmaak van insuline regelt, merkten we dat het ontbrak, net als 87 andere genen die er normaal gesproken naast liggen. Sommige van die ontbrekende genen, inclusief Pdx1, zijn onmisbaar: een dier kan absoluut niet zonder. Maar waar waren ze dan gebleven?
Mutatiehotspot
Een eerste aanwijzing was het feit dat we in meerdere weefsels van de woestijnrat wel gewoon de eiwitten vonden die met instructies uit deze genen worden aangemaakt. Dat kon alleen als de genen toch ergens in het genoom aanwezig waren. Oftewel, ze ontbraken niet maar zaten ergens verstopt.
De DNA-volgorde van deze genen bevat ongewoon veel G en C-moleculen, twee van de vier ‘basen’ waaruit al het DNA is opgebouwd. We weten dat DNA dat rijk is aan G en C lastig te hanteren is voor sommige DNA-sequentieapparaten. Dat maakt het waarschijnlijker dat de genen niet ontbraken maar alleen moeilijk detecteerbaar waren. We noemen deze verborgen sequentie daarom ‘donker DNA’, een verwijzing naar het begrip ‘donkere materie’: het spul waar naar men denkt 25 procent van het universum uit bestaat, maar dat nog nooit is waargenomen.
Toen we het genoom van de woestijnrat verder in kaart brachten, zagen we dat één gedeelte veel meer mutaties herbergde dan normaal bij knaagdiergenomen het geval is. Alle genen binnen deze ‘mutatiehotspot’ bevatten uitzonderlijk veel G en C in de DNA-volgorde; ze zijn dermate sterk gemuteerd dat ze met standaardtechnieken lastig te detecteren zijn. Sterk gemuteerde genen werken meestal niet meer, maar schijnbaar lukte het deze woestijnratgenen wel nog om hun taak in het lichaam te vervullen, ondanks hun sterk veranderde DNA-volgorde. Dat is bepaald niet makkelijk voor een gen, het is alsof je Lingo wint terwijl je alleen maar klinkers gebruikt.
Dergelijk donker DNA is al eerder aangetroffen in vogels. Onderzoek wees uit dat in de tot nu toe in kaart gebrachte vogelgenomen wel 274 genen ‘ontbreken’, onder andere het gen voor leptine (een hormoon dat de energiebalans regelt): wetenschappers konden het jarenlang niet vinden. Ook hier gold dat deze genen ongewoon veel G en C bevatten en dat de bijbehorende eiwitten wel in de weefsels van deze vogels voorkwamen, al waren de genen nergens in de genoomvolgorde te bekennen.
In de meeste leerboeken over evolutie valt te lezen dat dit een proces is dat uit twee stappen bestaat: mutatie en natuurlijke selectie. Mutatie van DNA is niets ongewoons en vindt voortdurend plaats op willekeurige plekken in het DNA. Daarna gaat natuurlijke selectie aan het werk om te bepalen welke mutaties behouden blijven en doorgegeven worden aan het nageslacht en welke niet. Het criterium daarbij is of ze de drager helpen om zich beter voort te planten. Kortom, mutatie zorgt voor variatie in het DNA van een organisme, natuurlijke selectie bepaalt of het mag blijven en geeft zo richting aan de evolutie.
Maar als er hotspots in het genoom bestaan waar ongewoon veel mutaties plaatsvinden, beïnvloedt dat ook de kant die de evolutie opgaat. Dit zou dus een onbekend mechanisme in het proces kunnen zijn, een andere drijfveer erachter dan natuurlijke selectie.
Het zou kunnen dat de mutaties zo snel na elkaar plaatsvonden dat natuurlijke selectie het niet kon bijhouden
Tot dusver is zulk donker DNA in twee zeer diverse, verschillende soorten dieren gevonden. Het is echter nog onduidelijk hoe wijdverbreid het fenomeen is. Bevat het genoom van alle dieren misschien donker DNA? Of, zo niet, wat maakt woestijnratten en vogels dan zo bijzonder? Het spannendste deel van de puzzel is wel de kwestie welk effect donker DNA op de evolutie van deze dieren heeft gehad.
Bij de woestijnrat zou het kunnen zijn dat het bestaan van een mutatiehotspot de aanpassing aan het leven in de woestijn mogelijk maakte. Maar het zou ook kunnen dat de mutaties zo snel na elkaar plaatsvonden dat natuurlijke selectie het niet kon bijhouden en deze op zich nadelige stukken DNA gewoon nog niet heeft kunnen verwijderen. In dat geval komt het wellicht door deze nadelige mutaties dat de woestijnrat nergens buiten zijn huidige woestijnomgeving kan overleven.
In ieder geval roept de ontdekking van dit vreemde fenomeen vragen op over de manier waarop het genoom evolueert, en wat we bij het sequencen van diergenomen mogelijk allemaal over het hoofd hebben gezien. Tijd dus om ze nog eens goed te bekijken.
Auteur: Adam Hargreaves
Adam Hargreaves is postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Oxford.
The Conversation
Verenigd Koninkrijk | theconversation.com
Het kleine Britse broertje van de Australische The Conversation, opgericht door een groep journalisten, verwierf in de drie jaar dat ze bestaat al groot aanzien. The Conversation werkt met ‘open bronnen’ en wil mede op deze manier een frisse en onafhankelijke blik op het nieuws bieden. Op de site komen vooral onderzoekers en academici aan het woord.