De expressie van de albatros

Ecologen hopen via het DNA de succesformules van verschillende planten en dieren te achterhalen. Marion de Boo

Elk levend wezen op aarde - de mier, de krekel en de kaketoe - vormt het levende bewijs van een evolutionair succesverhaal. Ze hadden immers stuk voor stuk al lang uitgestorven kunnen zijn. De vraag hoe levende wezens er in slagen om zich staande te houden in de strijd om het bestaan, ondanks ziekten en plagen, kommer en kwel, krijgt een nieuwe dimensie door de opkomst van de genomics. Dat is de leer van het genoom, het totale genenpakket in een organisme. Vijftig jaar na de ontdekking van het DNA veroveren de genenkloners het domein van de ecologie.

Ik denk telkens: Goh, dat ik dit nog mag meemaken', zegt hoogleraar dierecologie Nico van Straalen (1951) van de Vrije Universiteit in Amsterdam half schertsend. Samen met moleculair bioloog Dick Roelofs (1967), die vier jaar geleden tot zijn vakgroep toetrad, schreef hij het standaardwerk Ecological Genomics, zojuist verschenen bij Oxford University Press. Het is een introductie in een vakgebied dat nog maar net bestaat.

Waaraan ontleent een plant of dier zijn persoonlijke succes in de evolutie? Oké, hij kan misschien goed tegen droogte, maar waarom dan precies? Dankzij nieuwe moleculaire technieken worden de biologische mechanismen die ten grondslag liggen aan ecologisch belangrijke eigenschappen langzaam maar zeker ontrafeld.

Wat maakt die combinatie zo veelbelovend?

Van Straalen: Ik beschouw dit als discovery science. Je kijkt niet langer naar één gen, één genproduct en één eigenschap, maar naar het hele genoom, waarin al die genen samenwerken.' En dan liefst onbevooroordeeld, met een open blik', vult Dick Roelofs aan. Dat leidt tot verrassingen.'

Zoals?

Van Straalen: Wij werkten hier al zeker tien jaar aan de vraag waarom sommige springstaarten - kleine bodeminsecten - tolerant kunnen worden voor zware metalen, zoals het giftige cadmium. We hebben een metaalbindend eiwit uit die beestjes geïsoleerd, gezuiverd, opgewerkt en geanalyseerd. Elke springstaart bezit een klein beetje van dit beschermende eiwit. Zodra je de dieren blootstelt aan cadmium gaat de aanmaak van dit eiwit flink omhoog. Bij springstaarten met een aangeboren cadmiumtolerantie stijgt de aanmaak van dit eiwit veel explosiever dan bij hun niet-tolerante soortgenoten. Niet omdat ze andere genen hebben, maar omdat diezelfde genen veel harder gaan werken. Bij de tolerante dieren is de promoter, de 'schakelaar' die het gen aanzet, veranderd. Dat leidt tot een geweldig verhoogd expressieniveau van het gen. Maar dat was dus typisch die smalle, ouderwetse benadering. Intussen hebben we ontdekt dat er eerst tien andere eiwitten nodig zijn om dit ene metaalbindende eiwit op te wekken.'

Roelofs: Bovendien zijn bij die tolerante beesten nog veel meer eigenschappen veranderd. Ze hebben een snellere levenscyclus, ze zijn eerder volwassen en planten zich sneller voort, allemaal door die voortdurende blootstelling aan cadmium in het milieu.'

Hoe heeft de natuur dat zo snel geregeld? Cadmium is een vrij recent milieuprobleem.

Roelofs: Dat noem je micro-evolutie. Op de lange termijn kunnen ook de genen zelf veranderen, door structurele veranderingen van eiwitten. Op korte termijn is het vooral een kwestie van anders aflezen van bestaande genen, het meer of minder aanmaken van bepaalde eiwitten. Dat is de clou.'

Van Straalen: Wij halen onze springstaarten uit het Waalse mijngebied Plombières. Daar wordt al sinds de Romeinse tijd metaalerts gedolven. Opbouw van metaaltolerantie heeft eeuwenlang de kans gekregen. Maar soms zie je bijvoorbeeld resistentie tegen bestrijdingsmiddelen al binnen tien tot twintig generaties insecten ontstaan. Misschien is dat bij springstaarten ook het geval.'

Roelofs: Op theoretische gronden is berekend dat dergelijke veranderingen in genregulatie binnen tien tot twintig generaties kunnen optreden.'

Van Straalen: Dat mijngebied is een maanlandschap. Op sommige plekken wil bijna niks groeien. Springstaarten kunnen zich, hoewel ze niet vliegen, vrij goed verspreiden. In zo'n mijngebied is dus een continue input van nieuwe genotypen. Misschien kunnen sommige genotypen een paar generaties lang overleven en van daaruit weer verder evolueren. Evolutie is niet alleen een kwestie van nieuwe enzymvarianten en aminozuursubstitutie. Juist in de regulerende delen van het DNA vinden interessante evolutieprocessen plaats.'

Maakt die genregulatie ook het verschil uit tussen mens en chimpansee? Het verschil in genen schijnt hooguit twee procent te zijn.

Van Straalen: Ja, precies. Het verschil zit hem in de fine tuning van die regulerende genen. Vooral in zenuwstelsel en hersenen zie je grote verschillen. Maar onze lever en ons bloed lijken precies op die van de chimpansee. Dit is een mooi voorbeeld van orgaanspecifieke evolutie van expressieverschillen, net zoals die metaaltolerantie bij de springstaarten.

In de bodem valt trouwens nog veel te ontdekken. Veel micro-organismen in de bodem zijn nog nauwelijks onderzocht omdat we ze niet in het laboratorium kunnen kweken. De acidiobacteriën zijn zo'n groep. Zij maken 30 tot 50 procent van het leven in de bodem uit, maar we weten simpelweg niet wat ze doen. Met nieuwe moleculaire technieken kun je al het DNA uit een bodemmonster verzamelen en in een DNA-bank stoppen, ook al weet je niet precies uit welke organismen dat DNA komt.'

Roelofs: Dan kun je dat onbekende DNA inbouwen in 'gastheercellen', zoals coli-bacteriën, die je wèl in het lab kunt kweken. Vervolgens kun je dan de eigenschappen van dat DNA onderzoeken. Dat wordt een rijke bron van nieuwe vondsten voor de biotechnologie. Denk aan testen op antibiotica-resistenties voor de farmaceutische industrie. Zo zijn ook nieuwe eiwitafbrekende enzymen voor wasmiddelen ontdekt. Voor verdere toepassingen moet je dat DNA dan eerst beter sorteren, want je hebt misschien wel dertig of veertig genen tegelijk in handen.'

Centrale vraag in de evolutie blijft: Waarom is een bepaald individu succesvol? Waarom krijgt hij meer nakomelingen en weet hij zich beter te redden in het leven? Wat draagt genomics aan dat inzicht bij?

Roelofs: Als ecoloog zie je wel de oplossingen die in de evolutie zijn aangedragen, maar je snapt niet waarom het zo werkt. Een donkere muis doet het beter tegen de donkere achtergrond van een lavagesteente. Hij valt minder op bij roofdieren en daardoor heeft hij succes. Maar hoe komt hij ineens aan die donkere vacht?'

Van Straalen: Als ecoloog vraag je je voortdurend af hoe eigenschappen van een individu met elkaar samenhangen en waarom ze soms in conflict met elkaar zijn. Als je lang wilt leven, moet je vaak inboeten op je voortplantingsvermogen. De relatie tussen levensduur, voortplanting en stressresistentie is erg ingewikkeld. Bij een klein rondwormpje, Caenorhabditis elegans, een modelorganisme in het genoomonderzoek, zijn allerlei mutanten ontdekt die wel twee tot drie keer zo lang leven als het normale 'wildtype'. Diezelfde genen die deze mutanten bezitten zijn overigens ook bij de mens aanwezig. Het merkwaardige is nu dat sommige van die mutanten toch probleemloos het normale aantal eieren leggen.'

Die mutanten hadden de aarde dus allang over moeten nemen?

Van Straalen: Maar dat doen ze niet. Blijkbaar zitten er toch nadelen aan die combinatie van lange levensduur en overvloedige voortplanting. Darwin verbaasde zich er op zijn reis door Zuid-Amerika met zijn onderzoeksschip de Beagle al over dat sommige zeenaaktslakken miljoenen eieren produceren. Overal vind je hun eikapsels, maar de volwassen dieren zijn haast nergens te vinden, die worden massaal opgegeten. In een voetnoot schrijft hij dan: 'Er is geen grotere denkfout in de biologie dan de veronderstelling dat de aantallen van een soort in de natuur afhangen van zijn vermogen tot voortplanting.' Veel jonkies leidt niet automatisch tot een grote populatie. Maar welk nut heeft het dan? Via onderzoek naar genoombrede genexpressie valt die klassieke vraag hopelijk te beantwoorden.'

Waarom wordt de albatros honderd jaar oud en krijgt hij maar af en toe één kuiken?

Van Straalen: Goeie vraag. Waarom legt de kievit 4 eieren en de patrijs 23? Hier moet je onderscheid maken tussen de ultimate vraag en de proximate vraag. De ultimate vraag luidt: Hoe is dit geëvolueerd, wat is de geschiedenis? De proximate vraag luidt: Hoe komt dat nou, wat gaat er fout als je een albatros dwingt om niet één maar twee eieren te produceren? Die proximate vraag zullen we over een tijdje beter kunnen begrijpen.

Maar ja, van een papegaaiduiker ga je het genoom niet in kaart brengen, dat kost zomaar 5 tot 10 miljoen euro. Tot nog toe is bij de vogels alleen van het Bankivahoen, de wilde Aziatische voorouder van onze legkip, het genoom bekend. Maar ik heb nog nooit een ecologisch artikel over dat boshoen gelezen. Veel interessanter is de koolmees. De legselgrootte van de koolmees varieert van zes tot twaalf eieren, gemiddeld legt ze er negen. Die legselgrootte is erfelijk bepaald. Als de moeder twaalf eieren legt, doet de dochter dat ook. Waarom leggen dan niet binnen de kortste keren alle koolmezen op aarde twaalf eieren? Als ze nou eens de koolmees zouden sequencen, daar zou je wat aan hebben. En liefst ook andere sleutelorganismen, zoals de springstaart en de watervlo. Dat zou vooruitgang zijn!

Het in kaart brengen van het relatief kleine bacteriegenoom kost al 50 tot 100.000 euro. Daar is men zo'n drie maanden mee bezig. Van zo'n tweehonderd bacteriën is het genoom nu bekend. De kunst is om al het DNA van je modelorganisme, al die snippers, representatief in een nette DNA-bank te krijgen, liefst in tienvoud. Dat is geen sinecure. Vooral de stukken niet-coderend DNA, waar veel herhalingen in zitten, laten zich niet zo makkelijk kloneren.'

Roelofs: In de VS heeft de National Science Foundation nu een lijst aangelegd. Ecologen kunnen daarop inschrijven en aangeven welk in evolutionair opzicht interessant organisme men graag met voorrang gesequenced wil zien. Zo kennen we nu het genoom van de zakpijp, die op koraalriffen groeit. Commercieel niet interessant, maar wel een sleutelsoort in de evolutie.'

Hoe zag dat zakpijpgenoom er uit?

Roelofs: De zakpijp staat op de evolutieladder net één treetje onder de gewervelde dieren. Door zijn zittende levenswijze heeft hij allerlei eigenschappen overboord gegooid die andere ongewervelde dieren wèl hadden, bijvoorbeeld om zich voort te bewegen. Zijn DNA is een mozaïek van primitieve en moderne genen. Sommige genen van de zakpijp zie je terug bij muizen en mensen.'

Zoiets als het vogelbekdier? Is dat al gesequenced?

Van Straalen: Dat staat vast hoog op iemands lijstje. Het vogelbekdier legt eieren en zoogt het jong dat uit het ei kruipt. Dit in tegenstelling tot de hoger ontwikkelde zoogdieren, waar het jong in de baarmoeder groeit en gevoed wordt door de placenta. Vergelijkend genoomonderzoek bij het vogelbekdier, de mens en de buidelrat zou een nieuw licht werpen op het fenomenale evolutionaire succes van de zoogdieren.

En eigenlijk is het evolutionaire succes van het bouwplan van de insecten nog veel spectaculairder. Het genoom van fruitvlieg, malariamug, honingbij en zijdemot is nu in kaart gebracht. De bladluis, de steekmug en de meeltor komen eraan. Vooral de honingbij is ecologisch interessant, omdat daar verschillende stammen bestaan, die bijvoorbeeld meer of minder agressief zijn en meer of minder zoekgedrag vertonen. Zulk gedrag is voor een flink deel terug te voeren op de genen. Succesvolle dieren zijn vaak opportunistisch, net als mensen.'

Roelofs: Pas is ontdekt dat een bepaalde voorloper van opiumachtige signaalstoffen in ons zenuwstelsel net iets meer wordt aangemaakt dan bij de chimpansee. Die balans luistert heel nauw. Onderexpressie geeft ellende, zoals agressie en verslaving. Bij de mens ligt de drempel net iets hoger, daardoor kon die een rijker emotioneel palet ontwikkelen. Hij is creatiever, hij heeft meer werktuigen bedacht.'

Van Straalen: Het verrassende van de genomics is het inzicht dat er zo veel eenheid zit in de bouwstenen van het leven. Genen uit wormen, fruitvliegjes en bacteriën vind je terug bij de mens. Alleen hebben wij mensen dat ene gen van de fruitvlieg dan misschien in viervoud. Met duplicaties van genen, gevolgd door functieveranderingen, is in de evolutie veel geknutseld. Maar het blijft toch apart dat je bij de rondworm een gen voor Alzheimer vindt dat ook bij de mens voorkomt. Zo'n demente rondworm draait alsmaar rondjes in zijn petrischaaltje en kan zijn voedsel niet meer vinden. Die talloze overeenkomsten op moleculair niveau zijn fascinerend. De mens zit vol met bacteriegenen!'

Wijst dat nou op Intelligent Design?

In koor: Absoluut niet, integendeel! Het genoom van veel organismen is zo'n geweldige rotzooi, met al die nutteloze herhalingen van blokken DNA. Niks intelligent design. Dom gepruts van een ketellapper! Dit is nou bij uitstek het bewijs van evolutie.'

Nico M. Van Straalen en Dick Roelofs. An Introduction to Ecological Genomics. Oxford University Press,2006.

    • Marion de Boo