genetische bewijzen gemeenschappelijke afstamming
oktober 29, 2012 1 reactie
INHOUD G →
http://en.wikipedia.org/wiki/Evidence_of_common_descent
De genomische revolutie en het bewijs voor gemeenschappelijke afstamming
voorwoord & bedoeling van deze artikelreeks
Vanuit de genetica heeft het bewijs voor een gemeenschappelijke afstamming van alle biologische soorten (inclusief de mens) vanuit één oerpopulatie zich in de afgelopen jaren sterk opgestapeld.
Voor zover het daarvoor voor biologen nog mogelijk was twijfels erover te hebben, is het dat nu eigenlijk niet meer.
Ook christelijke biologen (zoals Francis Collins, Darrel Falk, Ken Miller, Sam Berry, David Wilcox, etc.) hebben zich dat gerealiseerd, en schreven massaal boeken om de nieuwe feiten uit te leggen en mensen op te roepen deze te erkennen, ondanks de moelijke vragen die er misschien door worden opgeroepen.
Toch zijn veel mensen nog niet bekend met deze bewijsvoering, en zijn er nog veel misverstanden. Hoog tijd om dit alles nog eens helder op een rijtje te zetten
Inleiding
In de afgelopen decennia heeft er in de biologie een grote revolutie plaatsgevonden: de genomische revolutie.
Door de razendsnelle ontwikkeling van geavanceerde moleculaire technieken hebben we nu de beschikking over de volledige DNA-informatie (het genoom) van duizenden biologische soorten, inclusief de mens.
In deze DNA-informatie kunnen we de instructies lezen die elke lichaamscel nodig heeft voor het maken van alle cellulaire bouwstenen.
In de lange reeks DNA-lettertjes (DNA bestaat uit lange strengen van vier verschillende typen nucleotiden die we kunnen weergeven als A,C,G, en T) kunnen we genen onderscheiden die coderen vooreiwitten en RNAs, alsmede allerlei structurele en regulatoire elementen.
Als we het DNA van verschillende soorten met elkaar vergelijken, zien we dat over het algemeen hoe meer soorten uiterlijk op elkaar lijken, hoe meer ook hun DNA-sequenties op elkaar lijken.
Zo zien we dat het DNA van de mens het sterkste lijkt op dat van de chimpansee, met zo’n 98-99% gelijkheid in de genen zelf en 95-96% gelijkheid over het hele genoom.
Zeer interessant is dat als je de organismen clustert op grond van de mate van overeenkomst tussen hun DNA, de resulterende fylogenetische boom prachtig overeenkomt met de bomen die geconstrueerd kunnen worden op grond van uiterlijke kenmerken die verschillende subgroepen van organismen onderscheiden.
Als het DNA gedurende de tijd dus langzaam verandert, past dit prachtig in het plaatje dat je zou verwachten bij gemeenschappelijke afstamming van alle soorten.
Dit is echter nog geen keihard positief bewijs voor gemeenschappelijke afstamming. Immers, zo benadrukken ook creationisten, gelijkenis betekent nog niet per se evolutionaire verwantschap: de feiten zouden ook verklaard kunnen worden doordat een Schepper-God de soorten afzonderlijk van elkaar schiep, en daarbij met een of andere reden dit patroon inbouwde.
Het menselijk DNA heeft echter veel meer te vertellen.
Omdat de informatie die erin opgeslagen is van generatie op generatie is doorgegeven, is het als het ware een geschiedenisboek van de mensheid, waarin we allerlei gebeurtenissen in het verleden terug kunnen vinden. Zo zijn genetici gestuit op allerlei talloze ‘genetische fossielen’, die ons vertellen over onze voorouders. En het is hier waar we uiteindelijk de indrukwekkende bewijzen vinden voor gemeenschappelijke afstamming.
In vier delen zal ik deze bewijzen bespreken.
In deel 1 ga ik in op virussen in zowel ons DNA als in dierlijk DNA die wijzen op een infectie van een gemeenschappelijke voorouder.
In deel 2 behandel ik kapotte genen (pseudogenen), die gedeeld worden door mens en dier en kapot gegaan moeten zijn in een gemeenschappelijke voorouder van deze soorten.
In deel 3 bespreek ik de mozaïsche structuur en indeling van onze chromosomen, waarin we op wonderlijke wijze de biologische oorsprong van de menselijke soort terugzien.
Deel 4 zal tenslotte gaan over de genetische variatie (de verschillende versies die verschillende mensen van bijv. een gen kunnen hebben) die we delen met andere soorten.
Een wetenschappelijke theorie kan alleen sterk staan als herhaaldelijk gepoogd wordt deze te falsificeren. Daarom ben ik ook zeer dankbaar voor al het harde werk dat creationisten hebben verricht door uit alle macht proberen bovenstaande bewijzen omver te werpen.
In mijn besprekingen zal ik laten zien dat bovenstaande bewijzen ondanks deze falsificatie-pogingen nog steeds overeind staan.
De conclusie dat de mens ondanks haar unieke eigenschappen een organisch onderdeel uitmaakt van het dierenrijk en haar biologische afstamming met haar deelt is voor christenen geen gemakkelijke.
Talloze theologische vragen doemen op: hoe zit het met de mens als beeld van God? Hoe lezen we de eerste hoofdstukken van Genesis?( Na afloop van deze serie wil ik hier dan ook verder op ingaan.= noot : ik zal de link plaatsen maar of ik dat ga overnemen is een andere vraag )
Over het algemeen is het echter mijn stellige overtuiging dat we de feiten die we in Gods schepping lezen niet uit de weg moeten gaan. We moeten als christenen niet onze kop in het zand steken, maar mogen vertrouwen dat we in zowel Gods Woord als God Schepping waarheid zullen vinden. Ook als er moeilijke vragen liggen, en ook als we op veel punten nog lang niet alles weten…
(1): Virale fossielen in ons DNA
Ons DNA bevat niet alleen de instructies voor het maken van alle eiwitten en overige bouwstenen van onze lichaamscellen, het is ook een archief van onze geschiedenis.
Deze ± 3 Gb aan informatie is namelijk door al onze voorouders netjes van ouder op kind doorgegeven. Maar af en toe vond er ook iets geks plaats, iets wat we nu nog altijd terug kunnen lezen in onze DNA-code. Zo vinden we ‘genetische fossielen’ in ons DNA die terugwijzen naar een gebeurtenis in een ver verleden. En het zijn deze fossielen die een sterke aanwijzing vormen voor gemeenschappelijke afstamming van mensen en dieren.
Een helder voorbeeld wordt gevormd door retrovirussen. Deze virussen bouwen een boodschap in het DNA in van de cel die ze infecteren, die ervoor zorgt dat die cel allemaal kopieën van dit virus gaat produceren, zodat het virus zich kan verspreiden.
The example used is the HIV Lentivirus.
Het stuk chromosomaal DNA waar het virus zich heeft ingebouwd kan je je als volgt voorstellen:
TAGCTGGGCTCTMAAKEENRETROVIRUSVANHETTYPEA3567VANDEEIWITTENABENCACTAG
In het bijzondere geval dat zo’n virus zich inbouwt in een cel in de kiemlijn (de lijn die leidt tot de geslachtscellen) van een organisme, wordt het virale DNA met al het andere chromosomale DNA meegegeven aan de nakomelingen. In het DNA van alle nakomelingen vind je dan dus deze virale boodschap op een heel specifieke plek ergens in het (zo’n 3 miljard tekentjes tellende) genoom terug. Je kan het vergelijken met het consequent terugvinden van bovenstaande boodschap in bijvoorbeeld deel 7, pagina 265, regel 23 van de Winkler-Prins Encyclopedie.
Op het moment dat we een dergelijke virale boodschap dus terugvinden op exact dezelfde plek in jouw DNA én in het DNA van bijvoorbeeld een inwoner van Polynesië, kunnen we concluderen dat jullie een gemeenschappelijke voorouder hebben: immers, jullie stammen beiden af van een persoon in het verleden die het virus in zijn DNA kreeg en het vervolgens aan jullie beiden heeft doorgegeven.
En wat blijkt nu? Dit is exact wat we vinden als we het DNA van mensen en verschillende primaten (chimpansee, gorilla, etc.) vergelijken! Op een heel aantal plekken in ons DNA vinden we dergelijke virussen terug die we ook op exact dezelfde plekken terugvinden in het DNA van deze dieren. En als we voor elk van deze virussen kijken met hoeveel dieren we hem delen, blijkt dit zelfs exact te passen op de voorgestelde evolutionaire stamboom voor mensen en primaten.
De conclusie lijkt onontkoombaar: we delen een gemeenschappelijke voorouder met deze dieren.
Is hier dan niets op af te dingen?
Welnu, sommige mensen hebben een alternatieve verklaring geprobeerd te vinden voor het bestaan van deze virussen op exact dezelfde posities.
In plaats van een gemeenschappelijke voorouder zou er volgens hen net zo goed sprake kunnen zijn van gemeenschappelijk ontwerp zonder gemeenschappelijke afstamming.
De virussen hadden in dit scenario van begin af aan een (heden onbekende) gemeenschappelijke functie ten dienste van zowel onze als dierlijke cellen, en zijn daarom met reden door God afzonderlijk van elkaar op dezelfde plek ingebouwd.
Een aantal voorbeelden laat echter glashelder zien dat deze alternatieve verklaring geen hout snijdt.
Er zijn namelijk ook virussen en andere dergelijke genetische elementen in ons DNA te vinden die nadat ze zijn ingebouwd ook nog eens kapot gegaan zijn, en dus geen nuttige functie kunnen hebben. Zo’n stuk virus-DNA ziet er bijvoorbeeld zo uit:
TAGCTGGGCTCTMAAKEENRETROVCGAGTAACGCTAGCTCCGTCGTCWITTENABENCACTAG
Nog duidelijk is te zien dat hier ooit een virus ingebouwd werd, maar het is eveneens duidelijk dat dit virus de boodschap om zichzelf te repliceren niet meer kan overbrengen omdat deze door mutaties onleesbaar is geworden. En een heel aantal virussen en genetische elementen die de mens met dieren deelt bestaat uit zulke kapotte virussen. En daarvoor is een scenario van afzonderlijk ontwerp echt heel erg ver gezocht.
Kortom: de virale ‘fossielen’ in ons DNA zijn een sterk argument voor gemeenschappelijke afstamming van de mens met dieren, primaten in het bijzonder.
http://www.evolutionarymodel.com/pseudogenes.htm
Pseudogenes
A pseudogene is a former gene that has mutated to the point of inactivation. By comparing the polymorphism of pseudogenes in orthologous loci in other species, any nested hierarchies they fall into can be identified. This is aided by the identification of an orthologous active gene in other species, which the pseudogene is a deactivated copy of. The following is an example of how a pseudogene can be evidence of common ancestry:
L-gulono-γ-lactone oxidase (GULO) is the forth and final enzyme of the metabolic pathway that converts glucose to 2-keto-gulono-γ-lactone, witch spontaneously converts into L-ascorbic acid (vitamin C); a critical vitamin in biosynthesis; acting as a cofactor, substrate, or electron donor for numerous enzymes.
_________________________________________________________________________________________________
-
Prediction: If primates evolved from a common ancestor that lost function in this gene, closely related species should have more similar sequences than more distant species. Since this bit of DNA has no function, mutations have no affect on the organism’s fitness, and therefore the sequence can drift freely. However, species bound by a recent common ancestor will not have as much time to acquire diverging mutations as species joined by a more distant ancestor.And this is exactly what we find. The human sequence is more similar to the chimp sequence than to the other primates.
Similarity in GULO genes
- Human – Chimp 97%
- Human – Orangutan 94%
- Human – Macaque 89
. Another mammal has lost function in its GULO gene. The guinea pig. Phylogeny tells us that the primate pseudogene and the guinea pig pseudogene cannot be related, as there are many in between the evolution of primates and guinea pigs that have functional vitamin C genes, including bats, flying lemurs, tree shrews, elephant shrews, and prosimians.
(2) Defecte genen in ons DNA
U heeft hierboven kunnen lezen hoe virussen in ons genoom wijzen op gemeenschappelijke afstamming van de mens met primaten.Een net zo sterke bewijslast komt echter ook uit een andere hoek: pseudogenen. Pseudogenen zijn defecte genen in ons DNA, die ooit door een mutatie nonfunctioneel zijn geraakt. In de genetische code is vaak exact aan te wijzen waar de specifieke fout is ontstaan waardoor het gen niet meer werkt.Een bekend voorbeeld van een pseudogen is het gen dat codeert voor het eiwit L-gulono-gamma-lactone oxidase (GULO), dat verantwoordelijk is voor de laatste stap in de biosynthese van vitamine C. Omdat dit gen bij mensen kapot is, kunnen wij zelf geen vitamine C aanmaken en moeten wij het uit onze voeding opnemen. Het gen is bij mensen kapotgegaan door een zogenaamde frameshift-mutatie, waardoor tijdens het aflezen van het DNA het leesvenster verschoven wordt als gevolg waarvan er onzincode ontstaat.Wat echt bijzonder is, is dat de mens niet het enige organisme is dat een kapot GULO-gen heeft; ook primaten hebben een kapot GULO-gen. En intrigerend genoeg zien we in elk van deze kapotte genen exact dezelfde mutatie waardoor het gen kapot is gegaan. En dat terwijl een willekeurige mutatie op honderden verschillende plekken en mogelijkheden het gen had kunnen kapotmaken!
Alignment van de GULO-genen van mens, chimpansee, makaak, orang-utan, rat, cavia, koe en kip. Het pijltje geeft de frameshift-mutatie aan waardoor het gen niet meer werkt in mens en primaten.
| GULO-gen |
De enige logische verklaring is dat deze mutatie ooit is opgetreden in een gemeenschappelijke voorouder van primaten én mens, en nu in het DNA van al deze soorten voorkomt als pseudogen.
En het GULO-gen is niet het enige gen waarbij dit het geval is. Als we een aantal menselijke pseudogenen op een rijtje zetten (dank aan Graeme Finlay voor deze figuur), zien we dat ze telkens precies matchen met de veronderstelde evolutionaire lijn van de mens als uitgegaan wordt van gemeenschappelijke afstamming! Elk van deze gendefecten komt specifiek voor in een subgedeelte van de evolutionaire boom; en voor elk van deze genen geldt dat dit precies strookt met het kapotgaan van dit gen voorafgaand aan de afsplitsing van deze subgroep in de afstammingslijn.
(Voor de geïnteresseerden: Zhang et al. hebben recent een nog mooier en completer overzicht van dergelijke gedeelde pseudogenen gemaakt en bespreken ook alle mogelijke meer gedetailleerde scenario’s van hun overlevering en verandering.)
Sommige creationisten hebben geprobeerd te laten zien dat pseudogenen als het GULO-gen géén bewijs zouden zijn voor gemeenschappelijke afstamming. Een voorbeeld is dit artikel van Peter Scheele. Scheele probeert (evenals collega-creationist Peter Borger in zijn recente boek) het overeenkomen van de pseudogenen tussen mens en primaten te verklaren door middel van hotspots: plekken in het genoom waar vaker mutaties voorkomen dan op andere plekken. Hij schrijft: “Er zijn nu eenmaal zogeheten ‘hotspots’. Dat zijn plekken waar afwijkingen sterker geneigd zijn op te treden dan op andere plekken en zodoende niets met gemeenschappelijk afstamming te maken hebben.”
De plaats van de 95 nt. deletie is weliswaar een logische plaats voor een frameshift mutatie, omdat het locus zich bij het plaatsvinden van de mutatie in een zogenaamde homonucleotide run (GGGGGG) bevonden kan hebben. Het blijft echter uitermate frappant dat deze (voor het organisme zonder twijfel nadelige) frameshift mutatie bij alle primaten voorkomt (bij mens, chimpansee, makaak én orang-utan), dat de mutatie in geen enkele andere diersoort teruggevonden is, dat de frameshift mutatie bij mens en primaten op exact dezelfde guanine-base voorkomt in de homonucleotide run, en dat de frameshift-mutatie bij al deze vier organismen een base heeft toegevoegd in plaats van verwijderd. Zelfs zonder uitgebreide berekening moet duidelijk zijn dat de kans dat dit bij toeval zou gebeuren uiterst miniem is. Nog afgezien van het feit dat het GULO-gen slechts één van de vele genen is die als pseudogen gedeeld worden tussen mens en primaten, blijft zij zelfs afzonderlijk een zeer sterk argument voor gemeenschappelijke afstamming van mens, chimpansee, makaak en orang-utan
(uit de reacties )
1.- Over Adam en Eva ?
MM =
Het is wel zo dat alle mensen een gezamenlijke voorouder hebben, maar deze voorouder hoeft zelf nog geen mens geweest te zijn (dit kan veel eerder geweest zijn).
In feite kunnen er zelfs meerdere gemeenschappelijke voorouders zijn: omdat het DNA bij de voortplanting recombineert (je eigen chromosomen bestaan uit fragmenten van je vader en van je moeder) geldt ook voor elk afzonderlijk fragmentje van je DNA een andere afstammingslijn.
In het geval van de stukken DNA die niet recombineren (mitochondrieel DNA en het mannelijke Y-chromosoom, die altijd geheel door resp. de moeder en de vader worden doorgegeven) is er wel duidelijk een enkele gemeenschappelijke voorouder aan te wijzen: die worden dan ook wel ‘mitochrondrial Eve’ en ‘Y-chromosomal Adam’ genoemd.
Deze twee personen zullen elkaar echter niet gekend hebben. Het lijkt onmogelijk dat alle mensen recent afstammen van een gemeenschappelijk ouderpaar; dit vanwege de grote hoeveelheid genetische variatie die gedeeld wordt door bijv. mens en chimpansee en nooit door de vier chromosomenparen van twee individuen bevat had kunnen zijn
De genomische revolutie en het bewijs voor gemeenschappelijke afstamming (3): het mozaïek in ons genoom
Het is alweer een tijd geleden dat mijn laatste blogpost hier verscheen. Drukte heeft me er de afgelopen maanden helaas van weerhouden de blog bij te werken. Maar vanaf nu ga ik weer regelmatig posten! Als eerste bij deze een volgende post in mijn blogserie over gemeenschappelijke afstamming.
Een bekend feit dat veelal te berde wordt gebracht in discussies over evolutie, is dat het DNA van de mens in de vele overlappende gedeeltes voor zo’n 99% overeenkomt met het DNA van de chimpansee. Dit is zeer zeker bijzonder, maar critici hebben gelijk als ze stellen dat dit alleen nog geen bewijs is voor gemeenschappelijke afstamming. Overeenkomst alleen is niet voldoende om een biologische gemeenschappelijke afstamming te bewijzen, omdat in theorie een andere gemeenschappelijke factor (bijv. een gemeenschappelijk ontwerp) hier ook verantwoordelijk voor zou kunnen zijn.
Als we meer in detail naar de DNA-code in onze menselijke chromosomen kijken, valt er echter nog iets anders op: er zijn stukken DNA die meer lijken op het DNA van de gorilla dan op het DNA van de chimpansee. Wat betreft de gelijkenis met het DNA van deze twee apen is het in feite zo dat de menselijke chromosomen mozaïeken zijn van stukjes die meer op gorilla-DNA lijken en stukjes die meer op chimpansee-DNA lijken.
De mozaïsche structuur van onze chromosomen. De groene stukken lijken meer op chimpansee-DNA, de geel/oranje stukken meer op gorilla-DNA.Sommige creationisten hebben wel beweerd dat dit een argument zou zijn tegen gemeenschappelijke afstamming, omdat hier vanuit deze hypothese geen verklaring voor zou zijn. Het tegendeel is echter waar: deze structuur is exact wat we zouden verwachten als gemeenschappelijke afstamming klopt, en de opmerkelijke coherentie tussen verwachting en observatie is een zeer sterk argument vóór gemeenschappelijke afstamming!
Waarom is dit dan zo? Ten eerste is het zo dat, als we naar de overerving van de genetische informatie van onze ouders kijken, het DNA van ons allemaal een mozaïek is: de chromosomen die van je moeder komen zijn een mozaïek van het DNA van je grootouders, wiens doorgegeven chromosomen gerecombineerd worden tot enkele chromosomen bij de vorming van de eicel die het prille materiële begin zou worden van je moeder. En het zelfde geldt voor de vorming van de zaadcel. Door dit gegeven bestaat menselijk DNA uit allemaal combinaties van fragmenten die alle in een bepaalde frequentie voorkomen in de gehele populatie van alle mensen. Gedurende de tijd komen er in een populatie nieuwe fragmenten bij door nieuwe recombinatie, maar gaan er ook fragmenten verloren omdat deze niet meer worden doorgegeven.
Ten tweede is het zo dat volgens evolutiebiologen – als de theorie van gemeenschappelijke afstamming klopt – de splitsingen van de menselijke lijn met de geslachtslijnen naar de gorilla en de chimpansee relatief kort op elkaar gevolgd zou zijn. In het licht van bovenstaande betekent dat dat er bij de vorming van de drie populaties uit één oerpopulatie door twee opeenvolgende splitsingen er voor elk fragment uit de oerpopulatie in elke van deze drie populaties een bepaalde kans zou zijn dat het bewaard blijft; sommige fragmenten blijven bewaard (krijgen de overhand) in de ene populatie, andere varianten krijgen de overhand in een andere populatie. Daarom verschilt de afstamming van genen van de afstamming van soorten
En dit klopt precies met de observatie dat een merendeel van de fragmenten van het menselijk DNA vooral overeenkomt met dat van de chimpansee, een kleiner deel vooral met dat van de gorilla, en een nog kleiner deel met dat van verder verwijderde soorten: hoe korter geleden de splitsing tussen twee groepen individuen namelijk is, hoe groter de kans dat ze dezelfde fragmenten zullen bevatten.
The gorilla genome was more recently sequenced, and analyzed here by Scally, et al. (Nature 483,169–175, 08 March 2012). Their first figure (below) illustrates the possible fate of various gene forms (alleles). The numbers at the bottom (1.37%, etc.) are average nucleotide divergences between human (H) and chimp (C), gorilla (G), and orangutan (O).
The gray lines within this figure denote how, for a particular gene, chimps can end up with a form that is closer to the gorilla form than the human form, even though the gorilla speciation split came earlier than the chimp-human split. While that is true for some genes, the statistical probability is that the majority of chimp genes will most closely resemble the human forms, and vice versa.
Verreweg de meest logische verklaring voor het feit dat we precies zo’n mozaïek in ons genoom aantreffen in vergelijking met de chimpansee en de gorilla, is dat er recombinatie heeft plaatsgevonden in de voortplanting vanaf een gemeenschappelijke voorouder!
Verder lezen?
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960982206018999
http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169534709000846
Zie hier
http://bio.classes.ucsc.edu/bioe109/reading/paabo03.pdf
en hier.
http://genome.imb-jena.de/publications/download/free/Ebersberger_2007.pdf
GENOOM VERGELIJKINGEN
Comparative genome analysis and genome evolution
Summary of the PhD-thesis by Berend Snel
Tuesday 17th September 2002
Email: b.snel@cmbi.kun.nl
Door deze ontwikkeling komt er een uniek soort data beschikbaar.
Uniek, omdat het genoom in principe alles in zich heeft wat nodig is om een organisme te bouwen. Men zou zelfs kunnen zeggen dat we nu een complete lijst hebben van de stukjes die op een nog grotendeels ondoorgronde wijze, tezamen en in interactie met de omgeving, de puzzel van het leven vormen. De genoomdata dient in eerste aanleg als een referentiekader voor verder experimenteel moleculair biologisch onderzoek, bijvoorbeeld als een lijst van genen wiens functie nog bepaald moet worden. Maar kunnen we 체berhaupt iets puur en alleen met genoomdata en indien ja, wat? Om te beginnen, hebben we met die genomen een ongekende hoeveelheid data tot onze beschikking waarmee we de evolutie kunnen bestuderen. Aangezien dit type data relatief nieuw is en er nog erg weinig over genoom evolutie bekend is, betekent dat het in kaart brengen van basis patronen en soms zelfs het ontdekken van de grootheden waarin we genoom evolutie het best kunnen beschrijven. Door het vergelijken van genomen kunnen we iets te weten komen over hoe ze ontstaan zijn. Naast de intrinsieke waarde van deze kennis, cre챘ert dat mede de voorwaarde om complete genoom data effectief te gebruiken. Bijvoorbeeld om de significantie van de afwezigheid van een gen in een bacterie of dier te evalueren. In het algemeen staat de genoomdata ons dus toe om de functies van genen te begrijpen in de context van het genoom en dus alle andere onderdelen van een cel.
Biologische processen, en daarom ook hun analyses, vinden op verschillende niveaus plaats. Zelfs het moleculair/genetisch evolutionair niveau is gelaagd. In dit proefschrift beschrijven we de resultaten van uiteenlopende vergelijkende analyses van complete genomen op verschillende van zulke moleculair/genetisch niveaus. We beginnen met een specifieke studie naar een belangrijk probleem in het vergelijken van individuele genen tussen soorten en de biologische significantie die eraan ten grondslag ligt. In de twee daaropvolgende hoofdstukken bestuderen we hoe de verzameling van genen in een genoom evolueert en wat het ons tegelijkertijd vertelt over de evolutie van soorten. In de laatste twee hoofdstukken vergelijken we het genoom als meer dan een verzameling genen zonder onderlinge verbanden, doordat we de interacties tussen genen in een genoom bestuderen.
Het experimenteel bepalen van het complete genoom is nu weliswaar haalbaar, maar het is nog steeds niet makkelijk. Daarom zijn in eerste instantie vooral de genomen van kleinere (en dus meestal bacteri챘le) soorten bepaald. Bovendien zijn genen in het genoom van simpelere organismen (bacteri챘n) makkelijker te detecteren dan genen in het genoom van hoger ontwikkelde organismen (dieren, planten). Zelfs nu we het genoom van de mens hebben beschreven, is de lijst met menselijke genen nog verre van correct en compleet. Er zijn momenteel een substantieel aantal genomen van ingewikkeldere organismen beschikbaar, maar historisch en vanwege het gendetectie probleem, houdt het grootste deel van het hier beschreven onderzoek zich bezig met bacteri챘le genomen.
Om genomen goed te kunnen vergelijken moet je bepalen wat dezelfde genen (de orthologen) in een set van genomen zijn. Tijdens ons onderzoek zijn we daar dus veel mee bezig geweest. Een van de problemen daarbij is dat genen nog wel eens willen samensmelten tot een fusie gen (gen fusie) of het omgekeerde dat een gen uiteen valt in twee verschillende genen (gen splitsing). In hoofdstuk 2 worden deze twee evolutionaire processen die al individueel beschreven waren, nu systematisch voor complete genomen in kaart gebracht. Uit onze bestudering blijkt dat gen fusie vaker voorkomt dan gen splitsing. Waarschijnlijk is dit zo omdat het voor een organisme zin heeft om genen die samen functioneren samen te smelten tot 챕챕n gen. Verder blijkt dat uit챕챕ngevallen genen vaker voorkomen bij bacteri챘n die bij zeer hoge temperaturen leven, zogenaamde thermofiele bacteri챘n. Gegeven dat bij hogere temperaturen er meer fout gaat per onderdeeltje van een eiwit in het maken van een eiwit, kan de totale opbrengst nog op een redelijk niveau gehouden worden door een eiwit op te splitsen in onderdelen. Wanneer er dan iets fout gaat, hoeft slechts een onderdeel van het eiwit te worden weggegooid in plaats van het geheel. Het gebruik van opgesplitste genen lijkt dus een aanpassing aan de levenswijze bij zeer hoge temperaturen. Het is fascinerend dat de levenswijze van een organisme kennelijk een invloed kan uitoefenen op de evolutie op moleculair niveau.
Één van de basis vragen in de bestudering van genomen is wat bepaalt of een gen aanwezig of afwezig is in de genomen van verschillende soorten dieren, planten en bacteriën. Reconstructies van de evolutionaire geschiedenis van individuele genen (de stamboom van het gen), suggereerden dat hun geschiedenis afwijkt van de evolutionaire geschiedenis van de soort uit wiens genoom ze afkomstig zijn (de soortstamboom).
Zulk afwijkend gedrag is een indicatie voor genen die in plaats van, van ouders aan nakomelingen overgegeven worden (verticaal), van soort naar soort springen, zogenaamde horizontale gen overdracht.
Dit type overdracht van genen speelt bijvoorbeeld een grote rol bij de verspreiding van antibiotica resistentie. De verassende hoeveelheid horizontale gen overdracht suggereerde dat de stamboom van veel genomen niet meer achterhaalbaar zou zijn.
In hoofdstuk 3, laten wij echter zien dat het aantal gedeelde genen tussen twee soorten een zeer goede maat is voor hun verwantschap.
De stamboom van genomen die we daarbij verkrijgen, vat als het ware de verwantschapsinformatie van een soort samen en die samenvatting lijkt sterk op traditionele stambomen. Één van de bepalende factoren in de genen samenstelling van een soort blijkt dus simpelweg zijn afstamming te zijn, zelfs als lange tijd evolutie heeft kunnen plaatsvinden.
Dit verband is zo sterk dat deze zogenaamde “genoom bomen” wellicht kunnen helpen om licht te werpen op betwiste vertakkingen in de stamboom van het leven. De bovengenoemde observatie dat er zoveel genen horizontaal overgedragen worden tussen soorten, heeft er toe geleid dat er is voorgesteld dat er 체berhaupt niet van een stamboom van soorten gesproken kan worden, maar veeleer van een netwerk. Alleen door middel van het kiezen van een enkel gen als stamboom voor de soort (pars pro toto), of met een nog te defini챘ren meer dan som van de delen, zouden we nog verwantschappen kunnen defini챘ren. Ons resultaat suggereert dat daartussen in, namelijk de som der delen, een verdedigbaar concept voor een stamboom is. We besluiten dit hoofdstuk met de beschrijving van een web server die allerlei wetenschappers (en dus niet alleen degenen met voldoende computer capaciteit en adequate kennis van zaken) in staat stelt voor een selectie van soorten naar keuze en op basis van verschillende vooronderstellingen over genoom evolutie, een genoom stamboom te maken.
Het feit dat de aanwezigheid van genen zich evolutionair redelijk aan de soortstamboom houdt, zoals we in hoofdstuk 3 beschrijven, biedt ons in hoofdstuk 4 de mogelijkheid om de aanwezigheid van genen in huidige organismen te gebruiken om voorouderlijke genomen te reconstrueren. Daarbij bepalen we tegelijkertijd de processen die in de evolutie van voorouderlijke naar hedendaagse genomen plaatsvonden. We bestuderen de volgende genoom muterende processen: het verlies van genen, de duplicatie van genen, het ontstaan van nieuwe genen, het fuseren of uiteenvallen van genen, en het springen van een gen van een soort naar een andere soort (horizontale gen overdracht). Het is voor het eerst dat er met een integrale benadering naar genoom evolutie is gekeken. Zo vinden we bijvoorbeeld dat de voorouder van de proteobacteri챘n (een veel voorkomende en geneeskundig zowel als economisch belangrijke bacteri챘le orde) waarschijnlijk rond de 2500 genen bevatte. Ook blijkt dat alhoewel horizontale gen overdracht nodig is om de gen inhoud van hedendaagse genomen op een redelijke manier te verklaren, al de andere processen kwantitatief belangrijker zijn geweest. Het verlies van genen heeft van alle processen die de gen inhoud be챦nvloeden, het vaakst plaats gevonden. Gen verlies is zo wijdverspreid (zowel over tijd als over soorten) dat zelfs grotere genomen zoals bijvoorbeeld die van Escherichia coli (een proteobacterie en 챕챕n van de werkpaarden van de moleculaire biologie), meer dan 950 genen is kwijtgeraakt in zijn geschiedenis vanaf de oer-proteobacterie.
Als we genomen willen bestuderen op een hoger niveau, zeg maar als meer dan alleen een “zak van genen” zonder enige samenhang, moeten we verbanden tussen genen analyseren. Een van de meest basale verbanden tussen genen is hun volgorde op de DNA ketting. Die volgorde blijkt zeer snel te evolueren. Dat wil zeggen dat na evolutionair relatief korte tijden er slechts nog zeer weinig van de oorspronkelijke volgorde van de genen intact is. Interessant genoeg blijkt dat die genen wiens volgorde naast elkaar behouden blijft, een zeer goede voorspeller te zijn voor een functioneel verband tussen beide genen: de eiwitten die beide genen produceren hebben een interactie met elkaar. De reden hiervoor is dat naast elkaar liggen iets betekent voor de cel omdat veel bacteri챘n operons hebben. Operons zijn naast elkaar liggende genen, wiens activiteit als een geheel aangestuurd wordt. Voor veel genen is het niet, of slechts ten dele, bekend wat hun functie is. Aanwijzingen voor de functie van genen zijn dus zeer welkom. Het bestuderen van de conservering van de genen volgorde is een belangrijk instrument aan het worden om de functionele relaties tussen genen en daarmee de bijbehorende eiwitten te voorspellen. Daarom beschrijven wij in hoofdstuk 5 een web-server om de geconserveerde volgorde van genen te bepalen. In de beschreven versie zijn we in staat om voor 짹40% van de genen een functionele relatie door middel van geconserveerde genen volgorde te vinden. We illustreren het gebruik aan de hand van een enzym waarvan wel bekend is wat voor een soort reactie het katalyseert maar niet wat zijn substraat is. Door middel van de conservering met andere genen kunnen we nu een goed gefundeerde voorspelling maken over wat het substraat van het enzym is.
Met de exponentieel toenemende hoeveelheid genomen, en de met gelijke tred toenemende hoeveelheid functionele relaties tussen genen, ontstaat de situatie dat alle eiwitten indirect iets met alle andere eiwitten te maken hebben. We krijgen dus te maken met biologische netwerken met als knooppunten genen, en als verbindingen functionele verbanden tussen genen. In hoofdstuk 6 bestuderen we daarom een eiwit-eiwit interactie netwerk zoals we het verkrijgen uit onze voorspellingen van functionele relaties door middel van geconserveerde gen volgorde. Het netwerk blijkt lokaal een hoge clusteringgraad te bezitten. Om ook daadwerkelijk clusters in het netwerk te herkennen, knippen we het netwerk stuk. Er wordt geknipt langs genen die, als je ze weg zou halen, het netwerk lokaal in twee of meer stukken zou laten vallen. Uit het vergelijken van de uitgeknipte clusters van genen met een databank van functies, blijkt dat de genen, waarvan de functie reeds bekend is, in zo’n cluster met elkaar een functie uitoefenen, zoals bijvoorbeeld een metabolisch route, of een cellulaire bouwsteen als een zweepstaartje. We kunnen dus nu door middel van genoom vergelijkingen, groepjes van genen onderscheiden die op een hoger niveau een functionele eenheid in de cel vormen, een zogenaamde “functionele module”.
Tenslotte, kunnen we dus concluderen dat we veel kennis hebben vergaard door middel van de vergelijkende analyse van genomen. Ten eerste hebben we nu een basis idee van hoe genomen evolueren wat betreft hun samenstelling aan genen en de volgorde van die genen. Bovendien begint het er, na aanvankelijk pessimisme, op te lijken dat de genoomdata ons inzicht in de stamboom en oorsprong van het leven zal vergroten. Ten tweede, stelt dit begrip van de evolutie van genomen ons in staat om betere voorspellingen te doen over de functies van genen en de functionele relaties tussen genen. De methodes zoals we die hier toepassen op het netwerk van functionele relaties verkregen uit gen volgorde, kunnen ook toegepast worden op een nieuwe golf van data. Veel nieuwe grootschalige moleculair biologische experimenten zijn namelijk speciaal ontwikkeld om allerhande functionele relaties tussen genen te meten. Een deel van de verkregen vaardigheden en vergaarde kennis is ook nog eens omgezet in web-servers die het wetenschapsproces in het algemeen helpen en hopelijk versnellen.
http://igitur-archive.library.uu.nl/dissertations/2003-0114-114524/full.pdf
http://www.uu.nl/content/interviewbioinformaticavoorweb1106.pdf
Klein genoom doet snel evolueren
© bionieuws
Soortvorming verloopt sneller bij organismen die over een relatief klein genoom beschikken. Dat stelt de Leidse evolutiebioloog Ken Kraaijeveld in Evolutionary Biology (17 september online). Hij baseert zich op de relatie tussen genoomgrootte en radiatie van uiteenlopende soortgroepen als longvissen.
In theorie zou zowel een groot dan wel een klein genoom de snelheid van soortsvorming kunnen bevorderen. Zo kent een groot genoom meer duplicaties en transposons, terwijl anderzijds in kleine genomen mutaties en chromosoomherschikkingen stabieler overerven.
De ontdekking dat organismen met kleine genomen sneller divergeren stemt overeen met de bevinding van hogere recombinatie in E. coli, in experimenten waarbij het genoom van de bacteriën werd gestript van niet-functioneel dna.
bionieuws 17, 30-10-2010
Virulenter dankzij klein genoom
Razendsnel verspreidt het garnalenvirus zich over de hele wereld. Uit Nederlands onderzoek blijkt dat het genoom van het virus krimpt, terwijl zijn virale fitness juist sterk toeneemt.
Door Maartje Kouwen
© bionieuws
Het garnalenvirus dat het wittevlekkensyndroom veroorzaakt wordt steeds virulenter sinds de eerste grote uitbraak. Tegelijkertijd krimpt het genoom van het virus. Dat schrijven Nederlandse onderzoekers in Plos One (14 oktober).
Het wittevlekkensyndroomvirus (WSSV) veroorzaakt hoge sterftegetallen onder garnalen en andere geleedpotigen en heeft daardoor grote gevolgen voor de garnalenteelt in Aziatische landen. Sinds een grote uitbraak in 1992 in Taiwan heeft het virus zich in korte tijd wereldwijd verspreid.
‘Het is een redelijk uniek virus’, zegt Mark Zwart van Wageningen Universiteit, eerste auteur van de Plos One-studie. ‘WSSV is een dubbelstrengs virus met een van de grootste genomen onder de virussen. Het is het enige virus binnen zijn familie en het lijkt niet op andere virussen.’
Om te ontdekken hoe het virus zich verspreidt, namen de onderzoekers monsters bij garnalenkwekerijen in vijf Aziatische landen. Daaruit bleek dat het virus sinds de eerste uitbraak drastische veranderingen had ondergaan. Het veroorzaakte een hogere mortaliteit, de gastheer had een kortere overlevingsduur en de fitness van het virus bleek aanzienlijk hoger dan de variant van de Taiwan-uitbraak. Nog opvallender was dat het genoom van het virus aanzienlijk was gekrompen.
‘Het genoom van het virus bevat twee regio’s die overbodig zijn en die verdwijnen’, legt Zwart uit. Deleties in de ORF14/15- en ORF23/24-regio’s zijn samen goed voor een krimp van 15 kilobasen, vijf procent van het genoom. ‘In landen die het virus pas veel later dan de eerste uitbraak bereikte, troffen we varianten met dit kleinere genoom aan. Deze varianten kunnen prima infecteren, ze zijn juist efficiënter.’
Fitnessvoordeel
Toch blijft het genoom niet eeuwig krimpen. Na verloop van tijd stagneert het deletieproces. ‘Aanvankelijk zijn de deleties groot; het genoom krimpt dan snel. Naarmate het virus langer aanwezig is in de aquacultuur worden de deletiestappen kleiner.’ Of de minimale genoomgrootte al is bereikt, durft Zwart niet te zeggen. ‘Misschien zijn er nog wel andere overbodige loci, maar dit lijkt wel het optimum te zijn.’
Of een kleiner genoom ten grondslag ligt aan hogere virale fitness, wordt in wetenschappelijke literatuur betwist. Er zijn veel contradicties, vertelt Zwart. Met een bioassay testten de onderzoekers daarom de overleving van geïnfecteerde gastheren. Ze injecteerden garnalen met diverse concentraties van de verschillende varianten om de mortaliteit te bepalen. De meeste garnalen legden het loodje, maar garnalen geïnfecteerd met een WSSV-variant met een groot genoom leefden aanzienlijk langer.
Dat biedt ondersteuning voor de zogenaamde adaptieve hypothese, die stelt dat mutaties – zoals de deleties bij het wittevlekkensyndroomvirus – kleine fitnessverhogingen opleveren. Een kleiner genoom draagt mogelijk bij aan een hogere fitness, doordat deze WSSV-varianten zich sneller vermenigvuldigen en efficiënter virusdeeltjes produceren. Zwart: ‘De adaptieve hypothese is wel aannemelijk. Maar het is opvallend dat sommige studies juist het omgekeerde vinden. We moeten er dus nog voorzichtig mee zijn.’
Een vaak geopperd alternatief is de neutrale hypothese, die stelt dat veranderingen neutraal zijn; de deleties van overbodige genoomsequenties leveren geen nadeel, maar ook geen fitnessvoordeel op. ‘De genoomkrimp kan het gevolg zijn van genetische drift, waarbij eventuele voordelen te klein zijn om evolutie te sturen’, legt Zwart uit. ‘Het probleem is dat wij met natuurlijke isolaten werken. Pas wanneer je recombinante virussen maakt, kun je precies bepalen welke fitnessconsequenties het verwijderen van bepaalde loci heeft. Dat is ons nog niet gelukt.’
Garnalentransport
Het virus verspreidt zich door consumptie van besmette kadavers, waarbij de snelle dood van gastheren bijdraagt aan snelle verspreiding. Dat is terug te zien in de verspreiding door de tijd: hoe groter de periode tussen de eerste uitbraak en besmetting van een nieuw gebied, hoe kleiner het genoom. ‘Maar het virus lijkt zich niet geleidelijk door de ruimte te verspreiden, het maakt juist hele grote sprongen.’ WSSV legt in snel tempo grote afstanden af, terwijl populaties dichterbij gespaard blijven.
Die uitkomst benadrukt het gevaar van garnalentransport, vertelt Zwart. ‘Het is een extra bewijs dat menselijk handelen grote effecten heeft. Transport van larven en bevroren garnalen vindt plaats over grote afstanden. Maar ook over kortere afstanden vindt mogelijk zo besmetting plaats.’
Zwart hoopt dan ook dat zijn onderzoeksresultaten leiden tot strenge maatregelen om toekomstige uitbraken te voorkomen. ‘Het is voor het eerst dat iemand laat zien welk patroon genoomkrimp volgt. Het virus verspreidt zich over de hele wereld, er zijn maar weinig landen die het virus buiten de deur weten te houden. Maar je kunt larven screenen op aanwezigheid van WSSV, dat is een goede manier van controle’, pleit Zwart. ‘Ik zou zeggen: leg de handel in larven aan banden.’
http://www.vetmed.lsu.edu/images/White%20Spot%20Disease.jpg
Over tsjok45
Tsjok's blog 
Pingback: VERKLARENDE WOORDENLIJST PALEONTOLOGIE E | Tsjok's blog