Je leest:

Natuurlijke selectie brengt je niet vanzelfsprekend naar de top

Natuurlijke selectie brengt je niet vanzelfsprekend naar de top

Studie in gist laat zien dat de meest succesvolle stammen ook het meest kwetsbaar zijn voor schadelijke mutaties

Auteur: | 28 november 2019

Wat is belangrijker in de evolutie: gevoelig zijn voor genetische veranderingen of juist een beetje robuust? Een groot experiment in gist laat zien dat de meest succesvolle stammen ook steeds kwetsbaarder worden voor schadelijke mutaties.

Uitgelicht door de redactie

Biologie
Nederland in 2039: elk mens moet zich volledig kunnen ontplooien

Neurowetenschappen
Je brein aan de anticonceptie: wat de pil doet met emoties en gedrag

‘Ik wil het pak van Iron Man nabouwen met behulp van de wetenschap’

Evolutie draait om verandering. Organismen die door spontane mutaties (veranderingen in het DNA) een voordeel krijgen ten opzichte van hun soortgenoten, kunnen zich sneller en beter voortplanten. De gunstige mutatie wordt doorgegeven aan hun nakomelingen die zich ook weer sneller voortplanten dan de rest en zo kan de voordelige verandering zich verspreiden door de populatie die daardoor als geheel genetisch ‘fitter’ wordt. Dit is het principe achter ‘survival of the fittest’ waarbij het dus niet gaat om individuen die het winnen van anderen, maar om het voortbestaan van gunstige mutaties waardoor een populatie met die specifieke aanpassingen beter kan presteren in een bepaalde omgeving.

Maar de waarde van aanpassingen staat niet vast. Veranderingen in de omgeving kunnen ervoor zorgen dat wat eerst voordelig was, nu helemaal geen voordeel meer biedt. Of misschien zelfs nadelig wordt. Die omgevingsdruk zorgt ervoor dat nu weer andere mutaties, die op dat moment wel een voordeel bieden, zich via de nakomelingen verspreiden.

Bergen en dalen

Ook zonder veranderingen in de omgeving gaat evolutie gewoon door. Spontane mutaties treden namelijk aan de lopende band op, onder meer door foutjes die ontstaan tijdens het kopiëren van het DNA. En ook dan zorgt het proces van natuurlijke selectie ervoor dat voordelige mutaties zich sneller verspreiden waardoor de populatie steeds verder genetisch wordt geoptimaliseerd. Daar zit wel een grens aan, want het wordt ook steeds moeilijker om nog vooruitgang te boeken. Als iedereen in de populatie alle voordelige mutaties al heeft, wordt de kans dat een nieuwe mutatie nog weer een groot voordeel biedt steeds kleiner. Tegelijkertijd neemt de kans dat een mutatie geen effect heeft of misschien een stapje achteruit betekent, toe.

Evolutie-onderzoekers gebruiken vaak een berglandschap als metafoor. Op de top van de berg bevindt zich de optimale situatie, maar het bereiken van de top is heel moeilijk als je afhankelijk bent van willekeurige stappen. Hoe dichter bij de top je komt, hoe groter de kans dat een willekeurige stap slecht nieuws betekent.

“De ruimte voor optimalisering neemt gaandeweg af”, zegt Meike Wortel, postdoctoraal onderzoeker bij het Instituut voor Biodiversiteit en Ecosysteem Dynamica aan de Universiteit van Amsterdam. Het evolutionaire proces wordt door onderzoekers vaak voorgesteld als een landschap met bergen, dalen en vlakke stukken. Op de toppen van de bergen bevindt zich de genetisch optimale toestand: het DNA van de populatie is dan maximaal afgestemd op de omgeving waarin de populatie leeft.

Aan de voet van de berg kun je met willekeurige stappen (de spontane mutaties die je niet kunt sturen) toch vrij snel resultaat boeken, omdat de kans groot is dat je een stap omhoog zet. Wortel: “Hoe hoger je komt, hoe moeilijker het wordt om nog een stapje hoger te komen. Terwijl met iedere nieuwe willekeurige stap de kans toeneemt dat je op vlakker of zelfs dalend terrein komt.” En dalend terrein betekent een mutatie die schadelijk is en de populatie minder fit maakt. Wie echter tussen de bergen op vlak of licht glooiend terrein rondscharrelt is misschien genetisch niet optimaal afgestemd op de omgeving, maar is tegelijkertijd ook veel minder vatbaar voor de gevolgen van een negatieve mutatie. Je bent op vlak terrein en je blijft op vlak terrein. Deze populaties worden ‘robuust’ genoemd en dat lijkt misschien minder wenselijk, maar er zitten ook belangrijke voordelen aan. Deze populaties kunnen tegen een stootje en dat is ook een eigenschap die meetelt in het proces van natuurlijke selectie. Robuuste populaties kunnen ook heel succesvol zijn.

Open vraag

Bakkergist, Saccharomyces cerevisiae, is een eencellige eukaryoot (organisme met een celkern waarin het DNA zit opgeborgen) die niet alleen nuttig is om brood te bakken, maar ook veel wordt gebruikt voor genetisch onderzoek en als productievehikel in de industrie.

Natuurlijke selectie werkt dus op twee niveaus: gevoeligheid voor aanpassing (genetische optimalisatie) en het vermogen om schadelijke mutaties te weerstaan (robuust). Beide zijn voordelige eigenschappen voor de overleving van de populatie, maar ze werken elkaar tegen. Je kunt niet tegelijkertijd heel gevoelig en heel robuust zijn. Welke eigenschap geeft dan de doorslag?

Dat is nog een open vraag, zegt Wortel. “Er is tot nu toe wat theoretisch werk aan gedaan en er zijn ook computersimulaties uitgevoerd met digitale organismen. Er zijn theorieën dat het voor een populatie gunstig is om een brede genetische achtergrond te hebben, dus dat er variatie op genetisch niveau is zodat je een meer robuuste populatie hebt. Maar hoe het precies zit met de relatie tussen adaptief vermogen en robuustheid weten we niet.” Daarom is ze blij met een uitgebreide experimentele studie in gist door een groep Amerikaanse onderzoekers die onlangs in het vakblad Science werd gepubliceerd.

In dit experiment hebben de onderzoekers twee verschillende giststammen gekruist: een gist die veel in laboratoriumonderzoek wordt gebruikt en een gist die wordt gebruikt voor de productie van wijn. “Dat leverde nakomelingen op met allemaal een net iets andere genetische achtergrond”, legt Wortel uit. “In die nakomelingen hebben ze precies dezelfde mutaties aangebracht en dat is een technisch mooie prestatie. Het is niet eenvoudig om dat voor elkaar te krijgen. Vervolgens hebben ze heel gedetailleerd onderzocht wat precies de effecten van die mutaties zijn. Deze opzet maakt het mogelijk om te zien of dezelfde mutatie tot verschillende effecten leidt in verschillende genetische achtergronden.”

Onbereikbare top

Opname door de microscoop van C. elegans, de wormpjes die Meike Wortel gebruikt voor haar evolutie-onderzoek.
Esther Thole voor NEMO Kennislink

En dat blijkt zo te zijn. De effecten van mutaties kunnen enorm uiteenlopen. In sommige stammen had een mutatie bijvoorbeeld geen effect, terwijl in andere stammen diezelfde mutatie zorgde voor een duidelijke rem op de groeisnelheid, een belangrijk teken dat de ‘fitheid’ afneemt. Hoewel de effecten veel variatie vertonen (wat op zich al een belangrijk experimenteel resultaat is), laat de studie duidelijk zien dat de snelst groeiende stammen, dus de meest succesvolle, ook het meest kwetsbaar zijn voor schadelijke mutaties. Volgens de onderzoekers is daarom het bereiken van de ‘top’ in het evolutielandschap, de situatie waarin een populatie genetisch optimaal is geworden, onmogelijk. Uiteindelijk zal er een dynamisch evenwicht ontstaan tussen voordelige en schadelijke mutaties.

In het onderzoek van Wortel staat de evolutie van nematoden – microscopisch kleine wormen – centraal. Vergeleken met de eencellige gist zijn deze minuscule wormpjes al weer een heel stuk complexer. In hoeverre zijn de resultaten uit het gistonderzoek nuttig voor andere evolutiestudies? Wortel: “Het is lastig om uit deze resultaten meteen algemene conclusies over evolutie te trekken. Anders dan in gist is bij onze wormpjes sprake van seksuele reproductie, waardoor je meteen met meerdere genetische achtergronden te maken hebt in een populatie. De individuen in zo’n populatie zullen op genetisch niveau al meer van elkaar verschillen. Maar het is wel heel interessant dat het nu technisch mogelijk is om in gist zo gericht dezelfde mutaties aan te brengen, dat is in ieder geval goed om te weten.”

Bronnen:

M.S. Johnson, A. Martsul, S. Kryahzhimskiy, M.M. Desai, Higher-fitness yeast genotypes are less robust to deleterious mutations, Science (2019), doi:10.1126/science.aay4199

C.R. Miller, The treacheries of adaptation, Science (2019), doi:10.1126/science.aaz5189

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 28 november 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.