Aesthetica in Vivo #2: de levenscode

Jop Kempkes – 1 december 2019

Deze special is het vervolg op Aesthetica in Vivo #1: 160 jaar evolutie. Klik daarvoor hier!

Charles Darwin verwerkte de volgende regels in zijn werk: ”De naturalist heeft het gevoel dat hij op Amerikaans land staat, kijkend naar de inwoners van deze vulkanische eilanden in de Stille Oceaan, honderden mijlen van het continent vandaan. In ieder geografisch opzicht zijn de verschillen aanzienlijk: klimaat, ligging, bodemsoort en grootte. Aan de andere kant bestaan er aanzienlijke overeenkomsten tussen de omstandigheden op de Galápagos en op Kaapverdië: maar wat een compleet en absoluut verschil tussen hun inwoners! De inwoners van Kaapverdië lijken op die van Afrika, en de bewoners van de Galápagos op die van Amerika. Ik geloof dat dit feit niet verklaard kan worden met behulp van de gebruikelijke visie van onafhankelijke creatie: het is duidelijk dat de Galápagoseilanden kolonisten zouden ontvangen, hetzij door toeval, hetzij door een voormalige verbinding met het vasteland, vanuit Amerika. Hetzelfde geldt voor Kaapverdië en Afrika: zulke kolonisten zouden, volgens mijn theorie, onderhevig zijn aan verandering – het principe van erfelijkheid onthult echter hun verleden.”

Erfelijkheid is een verschijnsel dat hand in hand gaat met evolutie: natuurlijke selectie bepaalt welke eigenschappen doorgegeven worden aan de volgende generatie, wat zo stukje bij beetje nieuwe soorten voortbrengt. Ten tijde van Darwins jaren als bioloog was de wetenschap achter overerving een groot mysterie. Dat een kind wel degelijk op zijn ouders leek, was het enige zekere. Darwin, nooit schuw voor enige speculatie, dacht dat lichaamsdelen kleine stofjes konden produceren die via voortplanting werden doorgegeven aan het nageslacht om vervolgens weer ‘uit te groeien’ tot volwaardige organenstelsels. Uit het feit dat dit deel van zijn werk niet zo bekend is, blijkt al dat dit verhaal nooit echt aansloeg onder zijn tijdsgenoten. Toch was het niet geheel voor dovemansoren gesproken: de bevriende wetenschapper H. Holland voorspelde dat ”een soortgelijke visie” vroeg of laat algemeen geaccepteerd zou worden. Anderhalve eeuw later kennen we het echte verhaal – en helemaal ongelijk had Darwin niet.

DNA: De sleutel in je cellen

Ieder vakgebied heeft zijn eigen ‘Darwin’ en voor de wetenschap der genetica is dat de Engelse Rosalind Elsie Franklin. Ze was geen toegewijde bioloog, maar wel iemand met verstand van röntgenfotografie. In 1952, bijna honderd jaar na de publicatie van On the Origin of Species, wist ze ’s werelds eerste foto te maken van het DNA in een cel. De foto, hiernaast te zien, lijkt op het eerste gezicht weinigzeggend, maar het was een ware informatieschat voor haar mede-onderzoekers. Het was dé doorbraak van dit minuscule molecuul als aandachtspunt van de naoorlogse wetenschap: een interesse die terecht bleek.

Afbeelding: Madeleine Price Ball (commons.wikimedia.org). Een ‘platgewalst’ stukje DNA. Aan de zijkanten zie je de lange ‘slierten’, oranjekleurig, terwijl de A’s, T’s, C’s en G’s uitsteeksels zijn aan de binnenkant.

Aan de hand van Franklins werk werd bepaald dat DNA, voluit desoxyribonucleïnezuur genoemd (een leuk woord voor Scrabble), de vorm van een dubbele helix heeft: een figuur dat doet denken aan twee wenteltrappen die om elkaar heen dansen. Beide ‘trapjes’ zijn in feite aparte slierten, die niet fysiek met elkaar verbonden zijn. Wel oefenen ze een aantrekkingskracht op elkaar uit dankzij de uitsteeksels van de moleculen. Zoals computerprogrammeurs werken met nulletjes en ééntjes, komen deze zogenaamde ‘basen’ in vier soorten: A, T, C en G. De A’s worden altijd aangetrokken door de T’s van de andere streng en de C’s vormen altijd een paar met de G’s aan de overkant (en andersom). Je noemt de twee strengen dan ook wel ‘complementair’, ze sluiten als een soort puzzel precies op elkaar aan. Die software-vergelijking van zojuist is overigens niet toevallig gekozen: DNA is de code van het leven. Iedere base maakt onderdeel uit van een flinke reeks basen die gezamenlijk verantwoordelijk zijn voor het produceren van één product: je noemt zo’n reeks basen een ‘gen’. Ieder DNA-molecuul telt vele genen.

Afbeelding: National Human Genome Research Institute (genome.gov). Op deze afbeelding zie je hoe een stukje van het DNA is opengeritst en een eiwit, RNA-polymerase, transcriptie laat plaatsvinden.

De karakteristieke dubbele helix, zoals deze ontdekt werd door Franklin en hierboven is weergegeven, is de normale toestand van het DNA: een soort rust-structuur, zoals je die zou tegenkomen bij een willekeurig stukje DNA. Echt interessant wordt dit molecuul echter pas wanneer de twee strengen tijdelijk uit elkaar worden getrokken: dit gebeurt als de code wordt afgelezen. Wanneer dat plaatsvindt, kruipt een eiwit langs een gen en maakt dit eiwit een nieuwe complementaire reeks – ditmaal niet van DNA, maar van het veel minder beroemde RNA. Ditzelfde RNA vervolgens in andere delen van de cel als een soort ‘mal’ gebruikt om eiwitten langs te bouwen. Eiwitten zijn belangrijk voor ieder proces in je lichaam, van het maken van hormonen en het verteren van voedsel tot het transporteren van moleculen en het aanspannen van spieren. Sommige eiwitten zijn vaker nodig dan andere, dus hoe vaak een gen wordt aflezen, verschilt van plaats tot plaats. Als een stukje DNA niet meer afgelezen hoeft te worden, worden de twee slierten weer ‘dichtgeritst’ en herstelt de dubbele helix zich.

Het overschrijfproces, ‘transcriptie’, vindt plaats om meerdere redenen. Het risico dat de mal uiteindelijk schade oploopt, is reëel: doordat hiervoor een stukje RNA wordt gebruikt en niet het DNA, blijft er altijd een origineel. Ook zijn er op ieder willekeurig moment vele duizenden RNA-kopieën aanwezig in de cel, waardoor eiwitproductie een stuk sneller kan verlopen dan als er alleen het oorspronkelijke DNA zou zijn om mee te werken. Nog interessanter is het feit dat RNA niet direct klaar is om gebruikt te worden, maar nog verder bewerkt wordt voordat het als blauwdruk aan de slag kan: dit bewerken je ‘slicen‘. Eén oorspronkelijk stukje RNA kan op verschillende manieren bewerkt worden, waardoor meerdere eindresulaten (verschillende ‘mallen’) mogelijk zijn. Die kunnen vervolgens gebruikt worden voor het maken van verschillende eiwitten: zo kan één gen uiteindelijk voor meerdere producten coderen. Dit wordt ook wel pleiotropie genoemd.

Erfelijkheid: plus ça change…

Afbeelding: eweb.furman.edu. Iedere cel in het lichaam bevat exact hetzelfde DNA, maar neemt drastisch verschillende vormen aan afhankelijk van welke genen wel en niet worden afgelezen.

Elke menselijke cel bevat 46 aparte stukjes DNA, chromosomen geheten: deze chromosomen zijn hetzelfde in iedere cel van je lichaam. De 46 chromosomen (per cel) zijn onder te verdelen in 23 paren. Voor dit alles is een logische verklaring: foetussen beginnen na de bevruchting namelijk als één enkele cel, die voor ieder chromosomenpaar één helft van de vader krijgt en één helft van de moeder. Vervolgens kopieert die cel zich talloze keren: zo komt het dat iedere cel van een organisme hetzelfde DNA heeft. Wat wel verschilt per cel is welke genen worden afgelezen – daarover later meer.

Ieder individu van een plant- of diersoort is een klein beetje verschillend doordat er van veel genen verschillende varianten zijn (allelen): neem bijvoorbeeld het gen voor haarkleur. Er bestaat vaak een vaste rangorde waarin deze genetische informatie tot uiting komt. Als je vader je een allel voor bruin haar meegeeft via ‘zijn’ helft van een chromosomenpaar en je moeder een allel voor blond haar op de ander, zal het allel voor bruin ‘dominant’ zijn over het (‘recessieve’) blonde allel. Als je zelf een kind krijgt, bestaat er echter een 50% kans dat je alsnog het blonde allel van je moeders kant doorgeeft. Afhankelijk van je partner kunnen dat soort eigenschappen dus een generatie (of meerdere) ‘overslaan’. Doordat ieder individu bestaat uit een schijnbaar eindeloze hoeveelheid van dit soort specifieke combinaties, kan aan de hand van DNA bepaald worden of iemand familie van je is of niet. Ditzelfde principe kan ook toegepast worden tussen soorten: het menselijke DNA lijkt meer op dat van een gorilla dan op dat van een zebra.

Bij een rondje Blijdorp zijn er veel voorbeelden te zien van dit soort genetische verschillen tussen dieren van dezelfde soort. Neem de Amoerpanters: vrouwtje Vatne en – tot medio 2019 – haar partner Cema. Toen deze uiterst zeldzame dieren in 2016 jongen kregen (die helaas kort na de geboorte stierven), had één welpje een zwarte vacht. Zoals bruin haar bij mensen dominant is over blond, is het allel voor een ‘normaal’ vachtpatroon bij luipaarden dominant over de zwarte kleur. Vatne en Cema hebben allebei de gebruikelijke gevlekte vacht, maar beschikken in hun DNA over beide allelen. Toen de bevruchting plaatsvond, bestond er voor beide dieren dus een 50% kans dat ze hun chromosoom met het zwarte allel zouden doorgeven. Statistisch gezien betekent dat dat bij ongeveer een kwart van hun jongen het ‘normale’ allel ontbreekt en de vacht donker gekleurd is. Er is overigens iets bijzonders aan de hand met deze vachtkleuren: biologen hebben in de regenwouden van Centraal-Afrika ontdekt dat zwarte panters meer jachtsucces hebben dan hun wildkleurige. Volgens het principe van natuurlijke selectie zouden hier na verloop van tijd steeds meer zwarte panters verschijnen. Zo’n verandering binnen een soort wordt micro-evolutie genoemd: de eerste stap op weg naar een volledig nieuwe soort.

Mutaties: de overschrijffoutjes van Moeder Natuur

Afbeelding: @GYassineMrabet (commons.wikimedia.org). Een aantal manieren waarop een fout in een chromosoom foutief hersteld kan worden.

Tot zover hoe het DNA zijn werk doet – maar soms gaat er iets fout. Er zijn drie miljard basenparen (C-G of A-T) die bij iedere celdeling gekopieerd moeten worden en zelfs na vier miljard jaar aan evolutie is dat een monsterlijke taak. Soms wordt er in een stukje DNA een verkeerde base ingebouwd: dit wordt een puntmutatie genoemd. Ook kan het voorkomen dat een chromosoom abusievelijk in tweeën breekt en dat de twee helften verkeerd worden hersteld: achterstevoren, op de verkeerde plaats of helemaal niet. Geen zorgen: dieren en planten beschikken over een voortreffelijk reparatiesysteem dat de meeste foutjes ongedaan maakt en desnoods de cel laat afsterven. Zelfs als dat niet gebeurt, hoeft er helemaal geen merkbaar effect te zijn. Als er in een vingernagel-cel een mutatie optreedt in een gen dat betrokken is bij het oog, maakt dat natuurlijk niet uit: dat gen wordt toch niet afgelezen.

Er is echter een situatie waarin mutaties wél uitmaken: wanneer deze optreden bij de voortplantingscellen. Zoals een stukje terug besproken werd, krijg je de helft van je DNA van je vader en de helft van je moeder: deze set wordt vervolgens eindeloos gekopieerd. Dat betekent dat een mutatie die vanaf de allereerste cel aanwezig is, door het hele lichaam verspreid raakt. Het is belangrijk om te onthouden dat dit soort mutaties volledig willekeurig zijn en dat de gevolgen moeilijk te voorspellen zijn. Vaak zijn dit soort mutaties desastreus en sterft het jong af omdat de mutatie een fundamenteel proces verstoort. Het kan echter ook gebeuren dat het nageslacht op een positieve manier verschilt van zijn ouders en een evolutionair voordeel heeft: zo kan een soort na verloop van tijd drastisch veranderen.

Epigenetica: de toekomst van evolutiebiologie?

Foto: BBC (bbc.com). Een normale Mexicaanse tetra (links) en een grotbewonende Mexicaanse tetra (rechts).

Soms treden er veranderingen op in een soort die niet direct logisch lijken. Neem de Mexicaanse tetra, een zoetwatervis. Populaties van deze soort die in grotten leven, hebben geen ogen. Op zich ligt het voor de hand dat ogen weinig nut hebben in het duister, maar waarom zouden ze dan in de loop van vele generaties verdwijnen? Er zijn verklaringen die dit uitleggen aan de hand van normale natuurlijke selectie: ogen zijn bijvoorbeeld best kwetsbaar voor verwondingen en infecties en ze kosten het lichaam ook best veel energie om te onderhouden. Als er door een mutatie eens een jong wordt geboren in deze grot zonder ogen, zou deze dus een evolutionair voordeel hebben ten opzichte van zijn soortgenoten. Een andere theorie grijpt echter terug op genetische factoren: de verklaring aan de hand van ‘pleiotropie’. Dit is een verschijnsel waarbij één gen direct invloed heeft op meerdere eigenschappen, zoals eerder besproken. Zo zou een gen dat cruciaal is bij deze soort voor het ontwikkelen van de ogen, ook een remmende werking hebben op het aantal smaakpapillen. Doordat het in de desbetreffende grotten echter te donker is om te zien, wordt smaak een stuk belangrijker bij het zoeken naar eetbare dingen. Als dit gen beperkt hoe goed de vissen kunnen proeven, is dat vanzelfsprekend nadelig.

Wetenschappers kwamen zo tot de conclusie dat er eens een jonge tetra geboren zou zijn met een mutatie in dit specifieke gen, dat dit stukje DNA als het ware ‘ontspoort’ en het organisme een evolutionair voordeel heeft opgeleverd (een beter smaakvermogen geeft een betere kans op overleving). Het verloren gaan van het gezichtsvermogen was slechts een toevallige bijwerking. Toen het DNA van deze vis onderzocht werd, stonden wetenschappers echter versteld: het gen is exact hetzelfde bij de bovengrondse ondersoort, mét ogen, en de ondergrondse ondersoort, zonder ogen. Deze ontdekking, samen met andere verrassende onderzoeksresultaten, heeft geleid tot het ontstaan van de wetenschap der epigenetica: ‘boven genetica’. Het bestaat pas enkele tientallen jaren en is een van de jongste takken van de biologie, wat betekent dat er nog veel te leren valt.

Om te snappen waar epigenetica over gaat, doen we even een stapje terug. Iedere cel in het lichaam heeft hetzelfde genetische materiaal, maar welke stukjes DNA wel en niet worden afgelezen, verschilt. Dit wordt grotendeels gereguleerd door twee hoofdrolspelers: methylgroepen, een kleine chemische verbinding, en histonen, een soort cilindervormige eiwitten. Als een methylgroep zich vastplakt aan een DNA-streng, wordt voorkomen dat het gen afgelezen kan worden en komt het dus niet tot expressie. Ter illustratie: als je naar een cel van je oog kijkt, zie je waarschijnlijk methylgroepen bij genen die zaken zoals je botten coderen. Histonen werken iets genuanceerder. Ieder chromosoom bestaat uit een lange DNA-streng die om vele histonen gewikkeld wordt, waardoor het geheel lijkt op een soort kralenketting. Door de ketens strakker aan te spannen kunnen de histonen beperken hoe goed transcriptie kan plaatsvinden, terwijl ze de streng wat losser kunnen maken als een hoger tempo gewenst is.

Afbeelding: Novus Biologicals (novusbio.com). Weergave van histonen en methylgroepen om een DNA-molecuul.

Het lichaam past continu de epigenetische instructies van het DNA aan, waardoor cellen andere stoffen gaan produceren. Zo veranderen jonge François’ langoeren bijvoorbeeld van feloranje koters in donkere volwassen. Dit alles is niet per se nieuwe informatie voor de wetenschap, maar één ding is dat wel: epigenetische ‘instellingen’ zijn soms erfelijk. Dat leidt tot een onvermijdelijke conclusie: als epigenetische informatie kan veranderen door de leefomstandigheden van een organisme, kunnen de fysieke gevolgen hiervan nog merkbaar zijn vele generaties later. In 2013 (!) werd ontdekt dat de plaatsing van methylgroepen in een grotere mate verantwoordelijk is voor de verschillen tussen mensen en mensapen dan mutaties in het DNA. Toegepast op de Mexicaanse tetra’s van zo-even betekent het dat een gebrek aan zonlicht op nog onbekende wijze de regulatie van het DNA heeft beïnvloed tijdens het leven van een van de vissen, wat nu, generaties later, nog steeds een effect heeft.

Samenvattend: DNA is het allesbepalende stofje in ieder levend wezen. Het is een geheim recept dat herschreven kan worden om zo onvoorstelbare veranderingen teweeg te brengen: zo kan een minuscule herziening uiteindelijk eindeloze diversiteit in soorten teweegbrengen. Daaruit volgt de vraag: hoe ziet het totaalplaatje van het leven er eigenlijk uit? Op 8 december 2019, om 17.30 uur, publiceren wij Aesthetica in Vivo #3!

Foto: Rob van Eijk (BB-Facebook). François’ langoeren verliezen hun oranje kleur naarmate ze ouder worden door veranderende epigenetische instructies.