Nieuwe studie zet het evolutionaire dogma op zijn kop door te ontdekken dat essentiële genen snel kunnen evolueren
Heterochromatine (weergegeven in groen) werd ooit beschouwd als inert “junk-DNA” vanwege het gebrek aan genen, maar nu ontdekken wetenschappers dat het een aantal zeer belangrijke rollen heeft.
Een al lang bestaande puzzel in de evolutie is waarom nieuwe genen – genen die uit het niets lijken te ontstaan - snel functies kunnen overnemen die essentieel zijn voor het overleven van een organisme.
Een nieuwe studie bij fruitvliegen kan die puzzel helpen oplossen. Het laat zien dat sommige nieuwe genen snel cruciaal worden omdat ze een type DNA reguleren dat heterochromatine wordt genoemd. Ooit beschouwd als “junk-DNA”, vervult heterochromatine feitelijk veel belangrijke taken, waaronder het optreden als een streng bewaakte gevangenis: het sluit “bad actor” -genen op, waardoor ze niet kunnen worden ingeschakeld en schade kunnen aanrichten.
Heterochromatine is ook een van de snelst veranderende stukjes DNA in het lichaam, dus de genen die het reguleren, moeten pas je snel aan om bij te blijven, evolutiebioloog Harmit Malik in het Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle en zijn collega’s rapporteren online op 10 november in eLife.
“Het werk is een mijlpaal”, zegt Manyuan Long, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Chicago die niet bij het onderzoek betrokken was. “Het is echt verbazingwekkend om te zien dat heterochromatine zo’n belangrijke rol speelt in de evolutie van genen.”
Wetenschappers hebben veel gevallen gedocumenteerd van genen die vanuit het niets lijken te ontstaan en een organisme een nieuw vermogen geven. Een dergelijk gen in vis maakt bijvoorbeeld een nieuw antivrieseiwit; een ander in vliegen is essentieel voor de vlucht.
Ongeveer tien jaar geleden ontdekten onderzoekers dat nieuwe genen niet alleen nieuwe functies verlenen; sommige zijn misschien zelfs nodig om te overleven. In de fruitvlieg Drosophila melanogaster, maar liefst 30 procent van de “nieuwe” genen zijn essentieel, en sommige zijn pas 3 miljoen jaar geleden ontstaan - een flits in evolutionaire tijdschalen. De ontdekking deed een lang gekoesterde overtuiging teniet dat belangrijke genen in de loop van de evolutie niet echt veel veranderen.
Het team van Malik onderzocht een grote familie van genen in fruitvliegen die andere genen reguleren – ze in- en uitschakelen voor verschillende taken in de cel. Het ontdekte dat binnen de familie van ongeveer 85 genen, de genen die sneller evolueerden, waarschijnlijk de essentiële functies voor de vlieg beheersen. In feite was 67 procent van de snel evoluerende genen essentieel, vergeleken met 20 procent in de langzamer evoluerende groep.
“Het dogma is volkomen tegengesteld aan wat je zou verwachten”, zei Malik.
Het team ontdekte dat een van de nieuwe essentiële genen, nagesynchroniseerd Nicknack, geeft instructies voor een eiwit dat bindt aan heterochromatine, hoewel de details onbekend blijven.
Om te zien hoe snel Nicknack misschien een essentiële functie had overgenomen, vervingen de onderzoekers de Nicknack gen in D. melanogaster met de Nicknack gen in zijn dichtstbijzijnde evolutionaire verwant, D. simulans. De twee soorten vliegen splitsten zich ongeveer 2,5 miljoen jaar geleden in twee takken van de fruitvliegboom. Wetenschappers verwachten doorgaans dat het Nicknack gen van S. simulans om in wezen hetzelfde te zijn als die in D. melanogaster, omdat het essentieel is en daarom niet veel zou zijn veranderd in de korte tijdspanne (in evolutionaire termen) van een paar miljoen jaar.
Ze testten deze theorie door het gen uit te wisselen D. simulans in de D. melanogaster vliegen, in de verwachting dat als de genen hetzelfde waren, de handel geen effect zou hebben. Maar in plaats daarvan overleefden de vrouwelijke vliegen de ruil prima, maar alle mannetjes stierven. Malik denkt dat het verschil tussen de seksen te maken heeft met heterochromatine: het Y-chromosoom bevat er veel van.
‘Het is alsof [D.] simulans ‘ [Nicknack gene] komt binnen met zijn hand op zijn rug gebonden, ”zegt Malik. “Het is goed genoeg om zijn functie te vervullen bij vrouwtjesvliegen, maar bij mannetjesvliegen, waar een enorm blok heterochromatine zit, kan dat niet.” Met andere woorden, het gen van de ene soort is geen partij voor zijn tegenhanger in de andere.
Het resultaat suggereert dat in de 2,5 miljoen jaar sinds de splitsing van de twee soorten, D. melanogaster ontwikkelde zijn eigen versie van Nicknack. En omdat de ruil de mannetjes nadelig beïnvloedde, met hun overvloed aan heterochromatine in het Y-chromosoom, concludeerden de onderzoekers dat Nicknack moet een cruciale rol spelen bij het reguleren van heterochromatine. En aangezien heterochromatine zo snel evolueert, de Nicknack gen moet ook snel evolueren, zodat het niet verouderd raakt.
Vervolgens hoopt Malik meer studies te doen om de exacte functie van Nicknack. Dat kan helpen om licht te werpen op de rol van heterochromatine bij het vormgeven van de snelheid en het verloop van evolutie. Wetenschappers, zegt hij, staan nog maar aan het begin met het begrijpen van de vele manieren waarop dit “junk-DNA” allesbehalve junk is.