Een nuttige parasiet

Dit gaat over een biologisch sprookje. Over een zwerver die koning werd van onze immuunafweer; over een stukje zwerf-DNA dat een centrale rol kreeg in de aanmaak van onze antilichamen; en over het toeval dat zo'n belangrijke rol heeft gespeeld in de evolutie.

De aanleiding is simpel. De wereld is vol met bacterien die zich graag vermenigvuldigen in complexe organismen, zoals mensen. Dat is al een oud probleem in de evolutie: zelfs een klein wurmpje als C. elegans dat zich voedt met bacterien, heeft moeite om zich tegen de invasie van bacterien te verdedigen. Alle levende organismen zijn daarom voorzien van verdedigingsmechanismen om bacterien buiten te houden en de binnendringers onschadelijk te maken. Onderdeel van de afweer zijn cellen die bacterien eten en eiwitten die bacterien lek prikken of vastlijmen. De twee grote thema's van de hedendaagse politiek, eten (werk) en afweer (meer blauw op straat), hebben al vroeg in de evolutie topprioriteit gekregen.

Bij zoogdieren wordt het probleem van de bacterie-invasie nog een stuk klemmender dan bij een koudbloedig wurmpje. Ons bloed is een ideale voedingsbodem. Het bevat alles wat onze cellen nodig hebben om zich te vermenigvuldigen en in dat rijke medium floreren ook bacterien uitstekend. Wij houden deze voedingsbodem op een aangename temperatuur, 37 C, en goed voorzien van zuurstof, althans zolang wij blijven ademen. Wij zouden de aanval van bacterien dan ook niet overleven, als er geen aanvullend defensiesysteem was ontwikkeld in de loop van de evolutie. Dat systeem bestaat uit antilichamen en het cellulaire apparaat dat erbij hoort. Ik beperk mij hier tot de antilichamen. Zoogdieren kunnen een bijna oneindig aantal verschillende antilichamen maken die praktisch elke indringer kunnen herkennen, een apart antilichaam voor elke indringer. Na binnenkomst van de indringer kan de productie van het antilichaam in een paar dagen drastisch worden opgevoerd. De antilichamen kleven aan de bacterie vast en maken deze makkelijker te grijpen voor andere afweertroepen.

De vraag hoe een zoogdier met maar 100.000 genen veel meer dan 100.000 verschillende antilichamen kan maken, werd ruim 20 jaar geleden opgelost. Ons DNA bevat modules voor stukjes antilichaam die op verschillende manieren aan elkaar kunnen worden gezet, zodat met een beperkt aantal genmodules een groot aantal verschillende antilichamen gemaakt kan worden. Combinaties van genmodules maken, dat is makkelijker gezegd dan gedaan. Dat vereist het knippen en plakken van DNA en dat gebeurt gewoonlijk niet bij chromosomen. De cel is er juist op uit om die chromosomen zo intact mogelijk te laten, zodat de erfelijke informatie netjes en compleet bij de celduplicatie aan de dochtercellen kan worden doorgegeven. Dit is het moment waarop het zwerf-DNA het evolutietoneel betreedt om een glansrol te gaan spelen.

Zwerf-DNA is een parasitair DNA dat in ieder genoom wordt gevonden, in bacterien, in planten, zelfs bij de mens. Het zwerf-DNA, officieel transposon genoemd, vormt een integraal onderdeel van de erfsubstantie van een organisme en wordt mee-verdubbeld met de rest van het DNA bij de celdeling. Het transposon is echter in staat zichzelf uit het DNA te knippen en elders in het DNA van dezelfde cel weer in te nestelen. Vandaar de naam zwerf-DNA of springend DNA. Het transposon kan ook ingepakt worden in virussen en op deze manier naar andere cellen en andere organismen worden versleept.

Uitsnijden van DNA is niet een normale activiteit van de cel en daar brengt het transposon dus eigen apparatuur voor mee. Transposons coderen voor enzymen die de hele operatie, uitsnijden en elders weer innestelen katalyseren. Vaak is een enkel enzym, gecodeerd door een enkel gen voldoende voor deze ingewikkelde transactie.

Nu wordt ook duidelijk hoe transposon en antilichaamproductie bij elkaar komen. Al lang was bekend dat de enzymen, die het knip- en plakwerk uitvoeren voor de antilichaamproductie, verschillen van de meeste menselijke enzymen. Dat had het vermoeden gewekt dat de genen voor die enzymen wellicht afkomstig zijn van een parasitair transposon. Recente proeven hebben nu een solide fundament onder dit speculatieve scenario gelegd. De zoogdierenzymen die antilichaamgenen knippen blijken een eigenschap te hebben, die eigenlijk alleen maar bij transposons wordt gevonden. Zij kunnen ook stukken DNA uitsnijden en elders in het DNA weer inzetten. In de praktijk gebeurt die DNA-verplaatsing niet meer in onze cellen. Bij de domesticatie van dit transposon is deze riskante eigenschap kennelijk afgeschermd geraakt. Alleen in de reageerbuis kan het enzym zijn kunstje nog vertonen.

De moderne vorm van het sprookje luidt nu dus als volgt: Alle complexe organismen worden geteisterd door transposons en beschikken over methoden om die stukken zwerf-DNA onschadelijk te maken of te temmen. Toen de evolutie ongeveer gevorderd was tot de kraakbeenvissen, zo'n 450 miljoen jaar geleden, is zo'n transposon bij toeval een keer terecht gekomen in een gen dat al betrokken was bij afweer tegen bacterien bijvoorbeeld een gen voor een kleefeiwit. Er moet toen een periode zijn gevolgd waarin die vis het moeilijk had, omdat zijn DNA stuk werd geknipt op een manier die een vis niet overleeft. Een vis is er echter in geslaagd om van de nood een deugd te maken. Hij wist het transposon te gebruiken om verschillende varianten van kleefeiwitten te maken, waardoor zijn nakomelingen zich beter konden verdedigen tegen allerlei indringers.

Vanaf dat moment heeft zich geleidelijk het mechanisme ontwikkeld dat ons in staat stelt om een eindeloos repertoire van antilichamen te maken, met behulp van een beperkt aantal DNA-modules.

Over DNA-parasieten wordt meestal in denigrerende termen geschreven. Ook wetenschappelijke artikelen gebruiken termen als afval-DNA (junk-DNA) of zelfzuchtig DNA (selfish DNA), kortom DNA waar een organisme alleen maar last van heeft, net als van de andere parasieten die hem belagen. Maar afval kan ook opnieuw worden gebruikt, zoals uit dit sprookje blijkt. Volgens Francois Jacob lijkt de biologische evolutie meer op de rommelzolder van een knutselaar dan op het keurige bureau van een ontwerper. Jacob vergeleek het evolutionaire geknutsel (tinkering, bricolage) met het geleidelijk ombouwen van een radiotoestel in een televisietoestel, waarbij tijdens die lange knutselperiode alle tussenliggende stadia nog als radio of televisie moeten kunnen werken. Een knutselaar heeft rommel nodig om mee te kunnen werken en in een perfect uitgebalanceerd genoom ontbreekt materiaal voor geheel nieuwe ontwikkelingen. Vandaar dat men nu aan dat rommel-DNA een meer substantiele rol toekent bij de evolutie. Niet alleen dat transposons het ruwe materiaal vormen waaruit nieuwe genen en nieuwe functies kunnen ontstaan, ook kunnen de DNA-herschikkingen, die door de knip- en plakenzymen van transposons worden teweeggebracht, nieuwe evolutionaire mogelijkheden openen, ook al zal doorgaans zo'n DNA-herschikking eindigen met de dood van de gastheer.

Elke vooruitgang heeft een prijs en dat geldt ook voor het elegante DNA-knip- en plakwerk waarmee wij onze antilichamen maken. Hoewel dit systeem in de evolutie is geperfectioneerd, gaat er toch van tijd tot tijd iets mis waardoor verkeerde stukken DNA worden herschikt en er genen getroffen worden die betrokken zijn bij de regulatie van de celdeling in plaats van bij de vorming van antilichamen.

Dat kan leiden tot het ontstaan van kankercellen. Dat is ook waarom bij jonge mensen vooral kanker voorkomt van de bloedcellen die antilichamen maken.

Dat het meestal goed werkt, is en blijft wonderbaarlijk en alleen te begrijpen door wat Steve Gould 'deep time' noemt, de miljarden jaren die de natuur heeft gehad voor perfectionering door eindeloze trials en eindeloos veel errors. We zijn bevoorrecht dat we nu geleidelijk de fantastische feiten van de biologische evolutie boven water zien komen en dat wij ons niet meer hoeven te behelpen met de religieuze sprookjes waar onze voorouders op vertrouwden ter verklaring van de raadselachtige en bedreigende wereld. Ontluisterend? Integendeel. Hoe meer we van die evolutie te weten komen hoe dieper het respect wordt voor het moleculaire raffinement waarmee de natuur al die schitterende organismen heeft weten te produceren.