Het begrip ‘evolutie’ wordt binnen de biologie vaak omschreven als het veranderen van een bestaande soort danwel het ontstaan van een geheel nieuwe soort. Evolutie is echter ook mogelijk op het niveau van het DNA: genen evolueren constant, wat wel blijkt uit het feit dat ‘hogere’ soorten zoals de mens veel meer (en complexere) genen hebben dan een simpele bacterie. Twee genen die zijn geëvolueerd uit één gemeenschappelijke voorouder worden ‘homologen’ genoemd. In dit artikel wordt dieper ingegaan op de evolutie van genen, en worden de verschillende typen van homologie uitgelegd. Tevens wordt beschreven hoe genevolutie wordt bestudeerd, en wat het nut van een dergelijke studie is.

Ook genen kunnen evolueren

Er bestaan duizenden verschillende genen, elk met hun eigen functie. De mens heeft er ongeveer 30.000, een bacterie slechts een paar duizend. Toch hebben mensen en bacteriën een gemeenschappelijke voorouder: miljarden jaren geleden was het een bacterie-achtige die uiteindelijk evolueerde tot de huidige zoogdieren. De genen in die bacterie vormen dus ook de basis voor de genen die nu in de mens aanwezig zijn. Dit betekent dat er in de tussentijd een heleboel genen zijn bijgekomen, en waarschijnlijk zijn er ook een hoop genen van functie veranderd. Een belangrijke term in de evolutie van genen is homologie: het hebben van een gemeenschappelijke voorouder. Homologie wordt vaak gemeten aan de hand van de mate van identiteit ofwel similariteit: hoeveel lijken de sequenties van twee genen op elkaar? Bij deze benadering zit er wel een addertje onder het gras, hierop wordt later nog teruggekomen.

Homologie: een breed begrip

Het kernbegrip homologie kan worden onderverdeeld in verschillende andere begrippen. Twee genen zijn dus homoloog aan elkaar wanneer ze een gemeenschappelijke voorouder hebben; de verschillende typen van homologie onderscheiden zich door de manier waarop die genen zich hebben ontwikkeld uit die gemeenschappelijke voorouder.

Afbeelding 1 verklaart de begrippen orthologie en paralogie aan de hand van een voorbeeld: het globine gen. Dit gen is betrokken bij de binding van zuurstof aan het stofje hemoglobine in het bloed, wat later nog verder wordt uitgelegd. Het globine gen heeft zich op een gegeven moment in de evolutie opgesplitst in twee genen: het alfa-keten globine gen en het beta-keten globine gen. Omdat er twee genen ontstaan uit één gen, heet zoiets ook wel een verdubbeling of duplicatie. Het alfa-keten globine gen en het beta-keten globine gen zijn nu paralogen van elkaar, mits ze zich in dezelfde soort bevinden. In de figuur is ook te zien dat beide genen zich verdeelden over de verschillende dieren (in dit geval kikker, kip en muis), toen deze ontstonden in de evolutie uit een gemeenschappelijke voorouder. Het ontstaan van een soort heet ook wel speciatie. De verschillende alfa-keten globine genen over meerdere soorten zijn nou orthologen van elkaar. We gaan nu dieper in op deze twee begrippen.

Orthologie

Zoals gezegd zijn twee genen orthologen van elkaar wanneer ze ten gevolge van een speciatie, oftewel de evolutie van twee soorten uit één soort, zijn ontstaan. In afbeelding 1 zijn dus de drie alfa-keten globine genen in kikker, kip en muis ortholoog aan elkaar, net zoals de drie beta-keten globine genen. Orthologen zijn dus eigenlijk gewoon hetzelfde gen, maar dan in een andere soort.

Orthologen hebben heel vaak dezelfde functie, wat het begrip meteen erg belangrijk maakt voor mensen die de functie van een bepaald gen willen voorspellen. Immers, je zoekt gewoon naar een ortholoog van het gen in een andere soort en het zit er dik in dat gen dezelfde functie heeft als het gen waar jij zo nieuwsgierig naar bent! Geen wonder dus dat er door meerdere wetenschappelijke groepen over de wereld wordt gewerkt aan orthologiebepaling. Een voorbeeld van een database van orthologe genen is de Clusters of Orthologous Groups of proteins (COG), te vinden op www.ncbi.nlm.nih.gov/COG. De verwachting is dat dit soort databanken flink zullen groeien, zowel in aantal als in grootte van de databank zelf.

Paralogie

Twee genen zijn paralogen van elkaar, wanneer ze door een genduplicatie, oftewel de verdubbeling van een gen, zijn ontstaan. Ook paralogen zijn vaak betrokken bij hetzelfde proces. Als we weer kijken naar het voorbeeld van het globine gen, dan zien we dat binnen één diersoort de alfa-keten en de beta-keten paraloog zijn aan elkaar. Nu zijn de beide eiwitten die uit deze genen worden gevormd, betrokken bij hetzelfde proces: het binden van zuurstof aan het stofje genaamd hemoglobine. De globine beta-ketens die in hemoglobine voorkomen, zijn zelfs al weer verschillend van elkaar: er zijn nieuwe genduplicaties ontstaan, waarbij de nieuw gevormde beta-ketens weer paraloog zijn aan elkaar. Het feit dat al deze verschillende (maar wel sterk op elkaar gelijkende!) genen allemaal bij hetzelfde proces betrokken zijn, geeft aan dat ook paralogen vaak een overeenkomstige globale functie hebben, zij het met enkele kleine verschillen.

Xenologie

Een derde type homologie is xenologie, ook wel aangeduid met horizontale genoverdracht. Als je naar de boom van afbeelding 1 kijkt, kun je zien dat de duplicatie van een gen een verticaal proces is (het gen onderin ‘verdubbelt’ zich tot twee genen daar vlak boven, je beweegt dus als het ware van beneden naar boven). Voor speciatie geldt precies hetzelfde.

Xenologie echter beweegt zich horizontaal door de stamboom: het gen springt over van de ene soort naar de andere. Dit klinkt misschien wat vreemd, maar aan de hand van een voorbeeld is het vast wat gemakkelijker voor te stellen. Afbeelding 2 toont een electronenmicroscopische foto van een mitochondrium, het gedeelte van een cel dat verantwoordelijk is voor de energievoorziening. Uit wetenschappelijke studies is gebleken dat dit mitochondrium is ontstaan uit een zelfstandig organisme: het heeft zijn eigen DNA, waar het ‘normale’ DNA van de cel allemaal in de celkern ligt. Aan de hand van een analyse van dit mitochondriële DNA is duidelijk geworden dat heel lang geleden een bacterie de cel van een meercellig organisme is binnengedrongen en zich daar heeft ontwikkeld tot zo’n mitochondrium. Omdat het DNA van het mitochondrium en het DNA in de celkern erg dicht bij elkaar liggen, bestaat er een kans dat er een stukje mitochondrieel DNA ‘per ongeluk’ in de celkern terechtkomt. Bij een celdeling kan dit stukje worden meegenomen met het normale DNA, waardoor de desbetreffende genen onderdeel worden van het DNA van de meercellige, en daar een vergelijkbare functie gaan uitoefenen.

Het mitochondrium vormt slechts één van de vele voorbeelden van horizontale genoverdracht. Het komt ook voor bij bijvoorbeeld parasitaire organismen die DNA overdragen aan hun gastheer, of bacterien die in de darmflora van zoogdieren leven. Xenologie levert echter maar een bescheiden bijdrage aan de totale samenstelling van een genoom, omdat het een vrij ingewikkeld proces is. Zo moet het overgedragen DNA wel op een juiste manier zijn ingepast in het nieuwe genoom om een werkend eiwit op te leveren. De moleculen die zorgen voor de omzetting van DNA naar eiwit moeten het nieuwe stukje DNA dus zien als ‘lichaamseigen’ DNA en het netjes omzetten naar een nieuw eiwit. Het nieuwe stukje mag ook niet middenin een ander gen worden geplaatst, omdat er dan een zogenaamd fusie-eiwit ontstaat, dat hoogstwaarschijnlijk niet werkzaam is. De totale kans van slagen van xenologie of horizontale genoverdracht is dus vrij klein.

Het ‘meten’ van homologie

Hoe kun je nou zien of twee genen of eiwitten homoloog zijn? Een veel gebruikte methode is door simpelweg te kijken naar hoeveel onderdelen van een gen of eiwit met elkaar overeenkomen. Deze onderdelen zijn nucleotiden als je kijkt naar genen, en in eiwitten zijn het aminozuren. Als de aminozuren van twee eiwitten voor 90% identiek zijn, kun je ervan uit gaan dat die eiwitten een gemeenschappelijke voorouder hebben en dus homoloog zijn. Door middel van slechts enkele mutaties, veranderde aminozuren, kun je immers van het ene eiwit naar het andere springen.

Behalve de identiteit kun je zo ook nog kijken naar de similariteit, waarbij je rekening houdt met het feit dat het ene aminozuurpaar meer op elkaar lijkt dan het andere. Zo hebben aminozuren die ongeveer even groot zijn een hoge similariteit, maar ook bijvoorbeeld aminozuren met dezelfde chemische eigenschappen zijn in hoge mate similair. Met deze gegevens, identiteit en similariteit, kunnen dan weer stambomen worden gemaakt van de groep genen of eiwitten die je bestudeert, waarbij de meest op elkaar lijkenden dus het dichtst bij elkaar liggen.

Het meten van homologie door middel van sequentievergelijking is echter geen perfecte methode. Afbeelding 3 toont hoe convergentie, het naar elkaar toe evolueren van genen of eiwitten, roet in het eten kan gooien. Twee eiwitten die door middel van divergentie uit één eiwit zijn ontstaan, kunnen door enkele mutaties weer meer op elkaar gaan lijken. Als je dan naar de mate van identiteit of similariteit gaat kijken, zou je gaan denken dat deze genen nog niet zo lang geleden uit elkaar geëvolueerd zijn, terwijl dit helemaal niet zo is.

Een tweede nadeel van sequentievergelijking is het ééndimensionale karakter van een aminozuurvolgorde. Het is eigenlijk beter om naar de 3D structuur te kijken: hoeveel lijken de eiwitten dan op elkaar? De eiwitten doen hun werk in een driedimensionale omgeving, dus de 3D structuur van een eiwit zegt meer over zijn werking dan de 1D aminozuurvolgorde. Omdat de 3D structuren van eiwitten veel lastiger met elkaar te vergelijken zijn dan de relatief eenvoudige aminozuurvolgordes, is een grootschalige analyse hier echter heel lastig.

Conclusie

Genevolutie is niet alleen een interessant fenomeen, dankzij de grote hoeveelheden van gensequenties die in deze tijd beschikbaar komen wordt het ook steeds gemakkelijker om de evolutie van genen en de bijbehorende eiwitten te bestuderen. Naast het interessante aspect van genevolutie kan de studie ervan ook nog eens heel nuttig zijn bij functionele annotatie: dankzij orthologie- en paralogiebepalingen kan van tot nog toe onbekende genen de functie worden achterhaald.

In een recente studie bijvoorbeeld van het genoom van Plasmodium falciparum, de parasiet die verantwoordelijk is voor de meest ernstige vorm van menselijke malaria, is met succes gebruik gemaakt van orthologe relaties met andere organismen. Dankzij deze orthologe relaties heeft men de functiebeschrijvingen van genen uit andere organismen kunnen gebruiken om de functie van malaria-genen te achterhalen, wat van groot belang kan zijn bij het ontwikkelen van een vaccin. En dit is slechts één van de vele voorbeelden!

Bronnen

Fitch 2000, Trends Genet. 16, 227-231: Homology a personal view on some of the problems Gogarten 1994, J Mol Evol. 39, 541-543: Which is the most conserved group of proteins? Homology-orthology, paralogy, xenology, and the fusion of independent lineages Patterson 1988, Mol Biol Evol. 5, 603-625: Homology in classical and molecular biology Li, Stoeckert & Roos 2003, Genome Res. 13, 2178-2189: OrthoMCL: identification of ortholog groups for eukaryotic genomes