Erfstress

Als een plant belaagd wordt, is dat nog generaties lang merkbaar. ‘Lamarck is nooit gestorven.’ Hester van Santen

Planten die zijn blootgesteld aan straling, gooien hun DNA door elkaar. En hun niet bestraalde nakomelingen doen dat ook. En het nageslacht daarvan eveneens, en het nageslacht daarvan wederom. Stress – in dit geval door sterke ultraviolette straling – beïnvloedt niet alleen het DNA van de gestreste plant: het effect houdt ten minste vier generaties aan. Dat hebben plantengenetici uit Basel aangetoond (Nature, 6 augustus).

Dat riekt naar Lamarck. Jean-Baptiste de Lamarck (1744-1829) verdween roemloos in de genetische handboeken. Hij schreef dat eigenschappen die tijdens het leven opgepikt werden, aan het nageslacht werden doorgegeven. Maar elk leerboek benadrukt dat hij het aflegde tegen Charles Darwin, die later aantoonde dat niet levenservaringen, maar mutatie en selectie de mechanismen waren die soorten van interessante eigenschappen voorzagen.

Nu de Zwitserse groep van plantengeneticus Barbara Hohn aantoont dat het in onderzoek alom gebruikte plantje zandraket (Arabidopsis thaliana) ‘transgenerationeel geheugen’ vertoont, blijkt dat ervaringen, bij planten althans, wel degelijk erfelijke gevolgen kunnen hebben. Maar níet via de volgorde van de genetische code – en dat is juist de basis van de genetica.

De onderzoekers, van het door farmaciebedrijf Novartis gefinancierde Friedrich Miescher Instituut in Basel, lieten zien dat stress in opeenvolgende generaties zandraketten voor meer ‘homologe recombinatie’ (HR) zorgt. HR is het verschijnsel waarbij de chromosomen van een chromosomenpaar een brok DNA uitwisselen tijdens de celdeling. HR, dat in planten zeldzaam is en waarschijnlijk een vorm van DNA-reparatie, maakt het genoom minder ‘stabiel’: als bij HR iets misgaat, verandert de genetische volgorde.

Hohn werkt al jaren aan stress-HR bij planten. De stress kan worden veroorzaakt door bestraling met ultraviolet licht (Nature, juli 2000) of een bacteriële infectie (Nature, juni 2003). Nu laat ze zien dat deze veranderingen nog generaties doorwerken. Maar niet doordat de homologe recombinaties in het DNA zélf in de volgende generaties terechtkomen. Daarvoor zijn ze te zeldzaam: in een hele gestreste plant komt minder dan één HR voor. Terwijl na stress de hele volgende generatie planten beïnvloed wordt. Het is de neiging tot homologe recombinatie die van ouder op nakomeling overgaat.

mutaties

Dat zóu nuttig kunnen zijn, zegt Hohn telefonisch vanuit Basel. “De meeste genetische veranderingen zijn natuurlijk nadelig. Maar wat we ons voorstellen, is dat die homologe recombinatie uiteindelijk zorgt voor adaptieve mutaties.” Dan zou er dus een systeem zijn waarbij stress de erfelijke stressbestendigheid van de plant bevordert – en dat is tegen de heersende Darwinistische wetgeving.

Maar of de nakomelingen inderdaad stressbestendiger werden, dat heeft de Zwitserse hoogleraar, inmiddels emeritus, niet onderzocht. Sterker: de wetenschappers vonden geen enkele verandering in de genactiviteit.

Terwijl de gevolgen van stress op de genen dus nog niet duidelijk zijn, woedt de discussie over de vraag hóe plantenstress een dergelijke ‘neiging tot recombineren’ veroorzaakt. De Baselse groep gaat ervan uit dat de veranderingen epigenetisch zijn, oftewel ‘op de genen’ liggen. De epigenetica is een groeiend vakgebied over alle veranderingen van het genoom die níet te maken hebben met de genetische volgorde. Het gaat bijvoorbeeld om het anders oprollen van de DNA-streng, of om methylgroepen die aan genen hechten om de activiteit te beïnvloeden.

Het zijn flexibele veranderingen, die alom tijdens het leven optreden: een oogcel en een darmcel hebben immers dezelfde genen, maar de activiteit ervan is verschillend. Dat wordt deels epigenetisch geregeld. Steeds duidelijker wordt dat sommige van zulke epigenetische wijzigingen niet alleen de celdeling overleven, maar ook de vorming van geslachtscellen en de ontwikkeling van de volgende generaties.

Het heeft er dus alle schijn van dat de (door omgevingsstress tot stand gebrachte) veranderingen die Hohn in de zandraket ziet, epigenetisch zijn. Het kán niet anders, schrijft ze in Nature. “Want de hele populatie [van planten] verandert haar gedrag, terwijl een mutatie maar enkele planten zou beïnvloeden.” Bovendien, vertelt ze desgevraagd, heeft ze gezocht naar veranderingen in bekende HR-genen. Maar die waren er niet.

Waarom de epigenetica wel een hele generatie planten kan beïnvloeden, weet Hohn niet, geeft ze toe. “Dat vragen wetenschappers zich nu juist af.” Alhoewel het mechanisme vooralsnog onduidelijk blijft, is het idee van epigenetische overerving niet nieuw. De Israëlische geneticus Eva Jablonka beschreef het al eind jaren tachtig in artikelen, en in 1995 in haar (samen met Marion Lamb geschreven) boek Epigenetic In heritance and Evolution: The Lamarckian Dimension. Zij is overtuigd van het bestaan van een ‘celgeheugen’. Vorig jaar gaf ze in een interview in deze krant aan dat “epigenetische overerving vooral voor planten een fantastische manier is om zich aan te passen”.

lamarckisme

De Amerikaanse evolutiebioloog Massimo Pigliucci, die Jablonka’s nieuwste boek vorig jaar in Nature besprak, toonde zich gecharmeerd van de aangepaste versie van het lamarckisme die Jablonka aanhangt, en waarnaar ook Hohn verwijst. Aangepast, want in hun visie beïnvloedt de omgeving niet direct de genetische eigenschappen (stress levert dus geen stressbestendigheidsgenen op), maar wel de mutatiefrequentie. “Dit zou enorm helpen om oude problemen in de evolutiebiologie op te lossen, zoals het ontstaan van nieuwe structuren [de evolutionaire ontwikkeling van een oog, bijvoorbeeld]”, schrijft Pigliucci.

Prof. Hugh Dickinson, een plantengeneticus uit Oxford die gespecialiseerd is in epigenetica, toont zich intussen niet verbaasd over Hohns ontdekking. Vorig jaar schreef hij een overzichtsartikel in Annals of Botany waarin hij laat zien dat er juist in planten veel ‘niet-Mendelse’ (dus niet-klassiek genetische) overervingsmechanismen zijn. En, zegt hij aan de telefoon vanuit Oxford, het is ook al bekend dat die epigenetische kenmerken generaties kunnen blijven bestaan. “Er zijn epigenetische mutanten in tomaten, en heel bekend is de mutant van Linaria. Het is common knowledge.”

methylering

Linaria vulgaris, het vlasbekje, haalde zeven jaar geleden Nature (september 1999) toen Britse genetici aantoonden dat een al eeuwen bekende erfelijke mutatie van de bloemen epigenetisch was. Door methylering van een gen werden die niet leeuwenbek- maar staafvormig. De mutatie hield tot twee volgende generaties stand, al doofde het effect wel uit.

Intussen worden er ook bij dieren epigenetische ‘mutaties’ gevonden die door het milieu beïnvloed worden en tenminste nog één generatie standhouden. Biologen van de Amerikaanse Duke University deden een studie met agouti-muizen, die voor dit werk erg gewild zijn omdat ze door een mutatie een gele vacht krijgen (Molecular and Cellular Biology, aug. 2003). Kregen de moeders tijdens de zwangerschap foliumzuur of vitamine B12 te eten, waarin veel methylgroepen zitten, dan veranderde de vachtkleur van de jongen. De oorzaak: uitgebreidere methylering van het betrokken gen.

In een bespreking van dit vakgebied toonden de Australische genetici Suyinn Chong en Emma Whitelaw zich twee jaar geleden nog voorzichtig (Current Opinion in Genetics & Development, oktober 2004). “Voor duidelijke ondersteuning voor het idee dat dit een gericht mechanisme is voor adaptieve evolutie, moeten we wachten op concretere voorbeelden.” Ook plantengeneticus Hugh Dickinson uit Oxford benadrukt dat het bewijs nog niet geleverd is. Maar hij besluit: “Uit epigenetisch oogpunt is Lamarck nooit gestorven. He was a clever bloke.”