De mogelijkheid tot genetische variatie is een voorwaarde voor evolutie. Dergelijke variatie ontstaat door mutaties, variërend van verandering van één enkele base tot de verdubbeling van het hele genoom. Er is opvallend weinig bekend over het fundamentele proces (het werkingsmechanisme) van mutatie. Ook op de vraag wat voor soort genen moeten veranderen om eigenschappen van organismen te veranderen (de aard van de mutatie) is nog geen volledig antwoord te geven. Op de Universiteit van Leiden, bij de afdeling Evolutiebiologie zijn onderzoekers hard op weg naar het ontrafelen van deze vraagstukken.
De relatie tussen mutatie, genetische verschillen en evolutie
De uiterlijke verschillen tussen soortgenoten (de verschillen in fenotype) hangen samen met de mate waarin de individuen verschillend DNA hebben, in combinatie met omgevingsfactoren. De fenotypische verschillen kunnen heel klein zijn, zoals bij ééneiige tweelingen. Zij hebben precies hetzelfde genetisch materiaal (de DNA-volgorde is gelijk), en de verschillen die er zijn, ontstaan door invloeden van de omgeving.Deze omgevingsfactoren kun je vinden zowel buiten het organisme (bijvoorbeeld de temperatuur) maar ook binnen organismen (zoals toevallige veranderingen in de ontwikkeling).
De omgevingsfactoren hebben vaak maar een subtiel effect, aangezien de ontwikkelingsprocessen die leiden tot een volgroeid organisme (en die genetisch vastliggen), heel goed zijn beschermd tegen deze invloeden. Individuen die niet al het genetische materiaal hetzelfde hebben, vertonen over het algemeen veel meer verschillen. Dat komt omdat, behalve de omgeving, vooral genetische variatie (verschil in genotype) verschil veroorzaakt tussen de fenotypen.
Waarom wordt er in de evolutiebiologie zoveel aandacht besteed aan genetische verschillen, ofwel variatie op DNA-niveau? Het antwoord is heel simpel: zonder genetische variatie, geen evolutie. Immers, alleen verschillen die een genetische grondslag hebben, worden van generatie op generatie doorgegeven. Onder invloed van toevalsprocessen (mutaties) en natuurlijke selectie gaan bepaalde genetische mutaties of varianten wel, of juist niet over van ouders op nakomelingen, hetgeen uiteindelijk tot een verandering van de genetische samenstelling van de populatie en mogelijk van de soort zal leiden. Die verschuiving en opeenhoping van genetische variaties, tussen populaties (groepen soortgenoten die over het algemeen niet samen in een gebied leven), liggen ten grondslag aan het ontstaan van nieuwe soorten.
Uiteraard geldt voor natuurlijke selectie wel, dat het optreden van DNA-verandering – en het doorgeven hiervan – alleen tot nieuwe soorten kan leiden, als deze verandering leidt tot een fenotypisch verschil tussen soortgenoten. Dit lijkt triviaal, maar brengt ons op een aantal vragen.
Genetische variatie die leidt tot fenotypische verschillen, is dus het ruwe materiaal dat evolutie mogelijk maakt en ontstaat door mutatie. Mutaties zijn er in allerlei soorten en maten. Van het veranderen van één base in de DNA-volgorde (een puntmutatie), tot het verwijderen, vermeerderen of verplaatsten van hele genen of delen DNA, en zelfs complete genoomverdubbeling. Je kunt je afvragen hoe groot het aantal mutaties is van het DNA dat in elke generatie wordt geproduceerd. En welke factoren het optreden van mutaties beïnvloeden. Is de kans op het ontstaan van mutaties afhankelijk van de plaats in het genoom of van de algemene structuur van het genoom? Kortom: zijn er beperkingen in de mogelijkheden?
Een prangende vraag is ook welke genvariaties belangrijke eigenschappen van organismen wijzigen. Zijn dat de structurele genen (bijvoorbeeld genen die belangrijke enzymen produceren) of juist de genen die de transcriptie en expressie van structurele genen reguleren en beïnvloeden (de zogenaamde transcriptiefactoren)? De laatste vraag is onderwerp van studie op de Universiteit van Leiden, en onderwerp van dit artikel.
Het vlindervleugelpatroon als model
Het bestuderen van vlindervleugelpatronen is een goede manier om uit te zoeken welke genen verantwoordelijk zijn voor fenotypische veranderingen. De sectie Evolutiebiologie van de Universiteit van Leiden (zie ook de internetsite) onderzoekt al meer dan tien jaar de ontwikkelingsbiologie, de genetica en de ecologie van de tropische dagvlinder Bicyclus anynana.
Het gaat te ver om hier alle aspecten van dat onderzoek te belichten, maar belangrijk is vooral te weten dat op de rug- (dorsale) en buik- (ventrale) zijde van de vlindervleugels een serie cirkelvormige oogvlekken zitten. Deze vlekken hebben een witte ‘pupil’, ook wel focus genoemd, met daaromheen zwarte schaalcellen. De ventrale oogvlekken vertonen fenotypische plasticiteit: ze kunnen wisselen van uiterlijk. In het droge seizoen zijn ze belangrijk voor de crypsis (onopvallend zijn door schutkleur) en in het natte seizoen dienen ze als afleiding voor natuurlijke vijanden.
De dorsale oogvlekken maken deze vlinder geschikt als modeldier gebruikt voor het onderzoek. In het popstadium is dit deel van het ontwikkelende weefsel namelijk goed bereikbaar voor manipulatie door wetenschappers, waardoor zij bepaalde details van het (dorsale) ontwikkelingsproces goed kunnen bestuderen. De dorsale oogvlekken op de vleugels van Bicyclus anynana zijn mogelijk betrokken bij soortherkenning en bepalen waarschijnlijk mede het paringsucces. Dit aspect – dat onder de seksuele selectie valt – is nog voldoende onderzocht bij deze vlinder, maar de Leidse onderzoeksgroep is al een stukje op weg.
Afb. 1: Een paartje Bicyclus anynana vlinders waarbij de ventrale oogvlekken duidelijk te zien zijn.
De sleutel tot het raadsel: Distal-less
Uit eerder onderzoek bleek dat er veel genetische variatie is in grootte (en andere eigenschappen) van de dorsale oogvlekken. Van de Leidse vlinderpopulatie is bepaald dat 50 tot 70% van de fenotypische variatie (uiterlijke verschillen) tussen de individuen het gevolg is van genetische variatie, en de resterende 50 tot 30% van de omgeving. Dit werd gemeten met behulp van selectie-experimenten. Keer op keer kozen de onderzoekers de individuen met de kleinste dan wel de grootste oogvlekken als ouders voor de volgende generatie. Op deze manier ontstonden lijnen (stambomen of families) met genetisch zeer verschillende oogvlekgrootte.
Uit eerder onderzoek is ook bekend, dat de ontwikkeling van de dorsale oogvlekken samenhangt met de expressie van een specifieke transcriptie factor, Distal-less genaamd ( Dll). Dll is een evolutionair zeer geconserveerd gen, zowel qua base volgorde als ook functioneel. Dat wil zeggen dat in zeer uiteenlopende diergroepen (in dit geval: uiteenlopende insectensoorten) weinig veranderingen zijn ontstaan in de DNA-basenvolgorde en helemaal geen in de werking van het eiwit waarvoor Dll codeert.
In ontwikkelend vleugelweefsel is het Dll-eiwit (Dll) zichtbaar gemaakt met behulp van genexpressieëxperimenten waarbij antilichamen tegen Dll (die een soort lichtgevende ‘vlaggetjes’ bezitten) de aanwezigheid van Dll zichtbaar maken. Precies op de plaats waar later de witte focus van de oogvlek op de vlindervleugel zichtbaar wordt, vonden de onderzoekers Dll expressie. Het is echter nog onduidelijk of het Dll-gen zelf bijdraagt aan de genetische variatie voor oogvlekgrootte in de Leidse populatie. Een Aio (assistent in opleiding) onderzocht dit vraagstuk en vond het antwoord.
Afb. 2: Deze afbeelding bestaat uit twee delen. De linkerzijde van de foto is een sterke uitvergroting van een oogvlek, zoals die ook te zien is op de eerste afbeelding. De schaalcellen zijn duidelijk te zien. Deze liggen als dakpannen over elkaar en zijn gevuld met pigmenten van verschillende kleur.De rechterzijde van het plaatje laat een ontwikkelende oogvlek zien in het late larvale/ vroege pop stadium. Deze oogvlek is “gekleurd” voor drie verschillende genen (met antilichamen voor de verschillende genen, zie tekst), Distall-less, engrailed en spalt.
Uitgangspunt van diens experimenten waren de selectielijnen met grote genetische variatie voor dorsale oogvlekken. Individuen uit de ene lijn (met grote oogvlekken) werden gekruist met individuen van de andere (kleine oogvlekken). De nakomelingen van deze kruisingen werden teruggekruist met individuen met de grote of de kleine oogvlekken. Op deze manier ontstonden er vlinders die een genetische mengeling zijn, van DNA uit de ene en uit de andere selectielijn. De mengeling is meetbaar omdat ze tot expressie komt in de vorm van oogvlekgrootte.
Het was dus zaak om uit te zoeken welke stukken DNA verantwoordelijk waren voor de fenotypische verschillen. De jonge onderzoekster achterhaalde voor elk individu uit haar kruisingen of het Dll-DNA afkomstig was uit de selectielijn voor grote of voor kleine oogvlekken. Voor dit gedeelte van het onderzoek werd samengewerkt met een Amerikaanse wetenschapper.
De onderzoekers kloneerden het Bicyclus Dll gen en bepaalde voor een deel van dit gen de basenvolgorde (sequentie). Hierna gingen ze opzoek naar verschillen tussen de selectielijnen in deze base volgorde. Met andere woorden: waren er mutaties te vinden die uniek zijn voor de ene dan wel voor de andere selectielijn. Een aantal van deze mutaties kwam naar voren. Deze mutaties zijn genetische markeringen waarmee onderscheid tussen de twee selectielijnen kan worden gemaakt. Voor één hiervan ontwierp de Leidse onderzoekster een moleculaire test, die relatief snel kon uitmaken welk Dll-gen (van de grote- of kleine-oogvleklijn) elk individu in de kruising bezat.
Nu alle experimentele middelen in stelling zijn gebracht en uitgevoerd, rest nog de statistische analyse. De redenering hierachter is eenvoudig. Als het Dll-gen geen rol speelt bij de genetische variatie voor oogvlekgrootte van vlinders, dan zal je geen verschil vinden tussen vlinders met grote of kleine oogvlekken, wat betreft de aanwezigheid van een van de twee mogelijke Dll-gen varianten. Want voor deze eigenschap is Dll dan een “neutraal” gen.
Als het echter zo is dat individuen uit de kruisingen met grote oogvlekken vaker drager zijn van het Dll-gen dat kenmerkend is voor de grote oogvlekselectielijn dan van het Dll uit de kleine oogvlekselectelijn, dan betekent dit dat variatie op het Dll-gen wel betrokken is bij het bepalen van de grootte van de oogvlek. Dit laatste bleek het geval.
Belangrijke ontdekking
Tevens kwam uit het onderzoek naar voren dat in lijnen met grotere oogvlekken, meer Dll tot expressie komt dan in lijnen met kleinere oogvlekken. Dus de mate waarin een van de Dll-genen tot expressie komt, speelt ook een rol.
Afgezien van deze sterke associatie tussen Dll en de grootte van de oogvlekken, geeft de data ook aan dat de variatie op het gen zelf verantwoordelijk is voor de verschillen in oogvlekgrootte. Dit is een opzienbarende ontdekking, die in het gerenommeerde blad Nature is gepubliceerd (zie ook bronnen). Immers, Dll is een evolutionair geconserveerd gen, waarvan gedacht wordt dat veranderingen op het gen zeer gering zijn, en in ieder geval niet functioneel (vandaar de naam geconserveerd gen). Nu blijkt dus dat er wel verschillende versies zijn van Dll-genen, die zorgen voor fenotypische verschillen.
Het is niet waarschijnlijk dat de functie van Dll ook is veranderd. De kans is groter dat de genetische markeergenen die de onderzoekster ontdekte en die kenmerkend zijn voor grote, dan wel kleine vleugeloogvlekken, te maken hebben met de regulatie van het Dll gen. Het kan ook zo zijn, dat die kenmerkende genen verschillen in expressie door verschillen in transcriptie en translatie van (respectievelijk) het DNA en het RNA. Daarnaast is het niet ondenkbaar dat niet het markeergen zelf, maar een genetisch polymorfisme, zeer dicht in de buurt van het kenmerkende gen, verschilt in genexpressie.
Dit soort experimenten worden wel genetische associatie experimenten genoemd. Wetenschappers zijn altijd heel voorzichtig als ze de uitkomsten van dergelijke experimenten analyseren. Ze tonen immers alleen aan dat er een associatie is tussen het kenmerk dat wordt onderzocht en het kandidaat-gen. De uitkomst van de analyse is dus niet perse dat het kandidaat-gen zelf de veroorzaker is van de variatie in het fenotypische kenmerk (oorzakelijk verband). In het Leidse onderzoek konden de onderzoekers met berekeningen wel laten zien dat het heel erg waarschijnlijk is dat Dll zelf direct betrokken is bij de variatie in oogvlekgrootte. Overigens, tussen ons gezegd en gezwegen, zijn wetenschappers vaak bang om harde uitspraken te doen; zou je ze ernaar vragen, dan houden ze nog veel slagen om de arm.
Wordt vervolgd…
Het onderzoek heeft dus enkele antwoorden, maar nog meer vragen opgeleverd. De wetenschappers in Leiden gaan daarom verder met hun onderzoek. Stukje bij beetje wordt de sluier steeds wat verder opgelicht. Daarom… wordt vervolgd!
Bronnen:
Beldade, P., Brakefield, P. M. and Long, A. D. (2002). Contribution of Distal-less to quantitative variation in butterfly eyespots. Nature 415, 315-318.