Evolutie en genen

Gisteren wees Peter Borger mijn op een interessant artikel in het nog jonge tijdschrift Mobile mobile-dnaDNA. Het betreft een uiteenzetting over het belang van mobiele DNA elementen (transposons) voor evolutie.
Er is al wat discussie ontstaan over dit stuk, daarover hier onder meer. Ik wil dit stuk hier kort bespreken en in een breder kader zetten. Met name door grootschalig DNA onderzoek (genomics) ontstaan er nieuwe inzichten in het mechanisme achter evolutie. Naast transposons verwijs ik hieronder ook naar bijdragen van epigenetica en regulerende DNA sequenties in ‘genomic dark matter’.

Allereerst het artikel van Keith Oliver en Wayne Green. Dit is een vervolg op een eerder paper uit 2009. Zij stellen dat mobiele DNA segmenten (TE’s, transposable elements) een belangrijke drijvende kracht achter evolutie zijn. Een TE kan zichzelf naar een andere plek in het DNA transporteren of dupliceren, neemt daarbij soms wat ander DNA mee, maar kan ook midden in een gen (of een regulerend stuk DNA) terechtkomen wat de functie van de getroffen genen beïnvloedt. Cellen houden niet van rondspringende stukjes DNA, en doen daarom hun best deze sequenties rustig te houden, onder meer via methylering (en dat is weer epigenetica).
Allereerst stellen O & G dat hun TE Thrust-theorie (TET) een verklaring kan bieden voor observaties gedaan in het fossielenarchief. Dat toont volgens velen een patroon van langdurige stasis, met af en toe uitbarstingen van vernieuwing. Dit is door Gould en Eldredge beschreven als ‘punctuated equilibrium’ (eind jaren tachtig).  Ik weet niet hoe sterk punc-ed nu nog is, de laatste decennia zijn er veel nieuwe fossielen gevonden die het archief een wat minder springerig beeld geven.

Maar TET is niet het hele verhaal, aldus de auteurs:
We acknowledge that TE-Thrust acts by enhancing evolutionary potential, and whether that potential is actually realized is heavily influenced by environmental, ecological and other factors. Moreover, there are many other ‘engines’ of evolution besides TE-Thrust, such as point mutation, simple sequence repeats, endosymbiosis, epigenetic modification and whole-genome duplication, among others. These often complement TEThrust; for example, point mutations can endow duplicated or retrotransposed genes with new functions. There may also be other, as yet unknown, or hypothesized but unconfirmed, ‘engines’ of evolution.

TET zien zij dus als een verklaring voor het ontstaan van nieuwe genetische diversiteit en nieuwe genen. Uitbarstingen van activiteit van TE’s (met name Alu-segmenten) vallen volgens de auteurs samen met belangrijke stappen in de evolutie van primaten:

Thus, periodic expansions of Alu subfamilies in particular seem to correspond temporally with major divergence points in primate evolution. More recent Alu activity may be a factor in the divergence of the human and chimpanzee lineages, with Alus having been three times more active in humans than in chimpanzees.

En even verderop:

Besides passively promoting exon, gene or segmental duplications (or deletions) by unequal recombination, or by disruption of genes via insertion, TEs can actively contribute to gene structure or regulation via exaptation. On multiple occasions, TEs have been domesticated to provide the raw material for entire genes or novel gene fusions.

Zoals al door Gerdien en Rob is opgemerkt, wijst dit niet op frontloading, zoals Peter opmerkte. Ik ben dan ook benieuwd naar zijn reactie.

In het boek ‘Terug naar de oorsprong’ vormen TE’s het gereedschap waarmee genomen worden gereorganiseerd. Dat is inderdaad een rol die mobiele elementen kunnen hebben. Maar Peter stelt dat TE’s werken op basisgenomen (baranomen) die een grote complexitiet hebben, en die eenvoudiger worden door de reorganisatie. De baranomen zijn ‘frontloaded’, ze bevatten extra genetische informatie waarmee vanuit een ‘hoofdsoort’ nieuwe (genetisch minder complexe) soorten kunnen ontstaan. Dit is niet wat Oliver en Greene betogen. Daarnaast stelt Peter dan retrovirussen ontstaan zijn uit TE’s, terwijl Oliver en Greene vasthouden aan de interpretatie dat TE’s uit retrovirussen zijn ontstaan.

Wat Terug naar de Oorsprong goed heeft, is de observatie dat TE’s van belang zijn voor evolutie. Dit mechanisme is lang onderbelicht geweest, aldus O & G: “A role for TEs in evolution has long been recognized by many, yet its importance has probably been underestimated.”

Peter’s GUToB claimt het einde van het Darwinistisch evolutiemodel in te luiden. Het artikel van O & G betoogt juist dat via TET de evolutie van nieuwe genetische informatie beter verklaard kan worden. TET is een toevoeging aan het ‘klassieke’ Darwinistische model van mutatie en selectie.

Nu is TET niet de enige toevoeging. In een artikel in Genetics, dat door het blad The Scientist is uitgeroepen tot ‘Hidden Jewel’, beschrijft de Groningse bio-informaticus Frank Johannes hoe hij met z’n collega’s Arabidopsis planten maakte, die verschilden in de mate van epigenetische modificatie:

A team headed by Vincent Colot, now at the École Normale Supérieure in Paris, backcrossed the first generation offspring and selected progeny that were homozygous for the wild type DDM1 gene; in other words, with fully functional methylation machinery. They propagated the plants through a further six rounds of inbreeding, creating “epigenetic recombinant inbred lines” (epiRILs), which carried a mosaic of the parental epigenome. When Roux grew them in a common garden in northern France to subject the almost 6,000 plants to “realistic” ecological selection, they found that the epiRILs yielded plants with distinctly different phenotypes despite being effectively genetically identical.

Dus epigeneische modificatie kan resulteren in verschil in fenotype bij een gelijk genotype. Volgens Johannes kan dit bijdragen aan het vermogen tot adaptatie, en werkt het stukken sneller dan genetische aanpassing. Of het echt stabiel overerft is nog onduidelijk.

Een tweede studie staat hier beschreven. Het gaat om een studie die donderdag verscheen in Nature. De onderzoekers vergeleken 29 zoogdiergenomen en zochten naar geconserveerde regio’s. Zij vonden een groot aantal van die regio’s (zo’n 4 procent van het totale genoom) in wat tot nu toe als ‘genetische donkere materie’ werd beschouwd, stukken genoom waarvan de functie niet bekend was. Inderdaad, wat vroeger ‘junk DNA’ heette.

In die rommel vonden ze een flink aantal potentiële exonen, regio’s die regulerende RNA’s maken en vooral regulerende sequenties. Door het vergelijken van veel verschillende (maar gerelateerde) genomen wordt dus licht geworpen op die ‘donkere materie’. Ook een punt dat Peter maakte in TndO: veel junk DNA kan wel degelijk een functie hebben. Maar opnieuw: het onderzoek laat ook de verwantschap in regulerende functies zien tussen 29 verschillende  ‘placental mammels’ die volgens mij niet allemaal tot hetzelfde baranoom horen.

Er doen zich nogal wat ontwikkelingen voor op het gebied van genetisch onderzoek naar evolutie. Maar voor zover ik het kan inschatten is geen van die ontwikkeling in tegenspraak met gemeenschappelijke afstamming, en wijst niets in deze artikelen op ‘frontloading’, of op baranomen die zijn ontstaan door ontwerp.

Op deze Facebookpagina van Peter Borger loopt al een discussie over het artikel in Mobile DNA.

Please follow and like:

118 gedachten over “Evolutie en genen”

  1. @Gerdien
    (27 okt 2011)
    “Bestaat een ‘genomic melt-down’?

    ‘Genomic meltdown’ alleen volgens Google op de site theologyweb (en welke richting daar bovendrijft is niet moeilijk raden). ”

    Als je zoekt op “genetic-meltdown” of “mutational meltdown” kom je overigens wel heel veel tegen.

  2. Genetic meltdown zie ik niet. Bij Mutational meltdown staan 4 artikelen genoemd die alle vier modellen geven. De eerste twee gaan over asexuelen, de laatste twee over sexuele populaties. Bij geen van deze modellen wordt er tegelijk geselecteerd op een gunstig allel op een ander gen. Ik zal naar de laatst genoemde (1995) kijken.

  3. @ Gerdien

    Als ik google op:

    “genetic meltdown” Conery

    (Conery om het een beetje serieus te houden)
    Dan krijg ik al 30 resultaten ????

    Als je alleen op “genetic meldtdown” zoekt heb je er duizenden
    0.a het boek (review) wat Borger aanhaalde van Sandford kom je regelmatig tegen.
    http://creation.com/images/pdfs/tj/j21_1/j21_1_43-47.pdf

    Nu kan ik daar niet zoveel concreets in vinden , maar als je zo een aantal zaken op een rijtje zet die of in potentie negatief voor het genoom zijn dan wel moeizaam voor evolutie, dan valt er (in ieder geval voor mijzelf) nog wel wat te verhelderen

    voorbeelden:
    -mutaties die in alle individueen in behoorlijke mate optreden (al dan niet versterkt door genetic sweep)
    -Muller’s ratchet
    -dilemma van Haldane ?
    -effecten van genetic drift/ bottlenecks

    Tot mijn verrassing blijkt ook Korthof er niet gerust op dat het allemaal goed komt:
    “Ik probeerde iemand uit te leggen waarom ik het zeer verontrustend vind dat zich onophoudelijk
    mutaties in ons genoom ophopen”
    http://korthof.blogspot.com/2011/10/philipse-beledigt-hersenwetenschappers.html
    (Al gaat dit denk ik vooral over de mens)

  4. ‘Genetic meltdown’ als bijeenbehorend geeft 1 vermelding in Web of Science.
    ‘Genetic’ en ‘meltdown’ als twee woorden geeft 45 vermeldingen sinds 1994. (Ter vergelijking ‘genetic’ en ‘plasticity’ geeft 5391 vermeldingen sinds 1984).

    -Muller’s ratchet: heeft alleen betrekking op asexuele organismen die niet aan genetische recombinatie doen. Gezien het uitgebreid bestaan van grote populaties bacterien zou ik het practische belang van Muller’s ratchet betwijfelen. http://en.wikipedia.org/wiki/Muller%27s_ratchet

    http://en.wikipedia.org/wiki/Haldane%27s_dilemma
    Haldane’s dilemma is gebaseerd op een ongeoorloofd gelijkstellen van selectieve sterfte en sterfte door aantalsregulatie.

    Bij klein populaties is selectie niet effectief. De standaardbenadering is dat 4Ns>1 moet zijn om selectie belangrijker te laten zijn dan toeval in verschuivingen in allelfrequentie. (N populatiegrootte sexuele populatie, s selectiecoefficient). Dat betekent dat mutaties met kleine fitness verlaging in kleine populaties niet onderhevig zijn aan selectie. Bij een populatie van N= 100 betekent dat s<1/400.

    -mutaties die in alle individueen in behoorlijke mate optreden (al dan niet versterkt door genetic sweep)
    ?? Dan zijn die mutaties vermoedelijk niet belangrijk.

    Gert Korthof heeft het er ook over, in een aantal blogpost, maar ik vond daar ook dat hij overdreef.

    Dat hele ‘genomic meltdown’ (Borger’s term) cq ‘genetic meltdown’ komt uit het boek van Sandford.

  5. @Gerdien
    “Muller’s ratchet: heeft alleen betrekking op asexuele organismen die niet aan genetische recombinatie doen.”
    Sanford schrijft hierover:
    ‘ In asexual species, once a mutation is fixed in a genome there is no way to go back and get rid of it. Hence the information can only degenerate. It is unidirectional (ratcheted) process. Each new generation will have to have more mutations than the last and so will be inferior to the last. Ironically, we should realize this is not just true in asexual species. It is also true in sexual species. The “ratchet” works because a certain fraction of the deleterious mutations will always sneak past selection and become fixed in the genome. These will still vastly outnumber any possible beneficial fixations. Selection cannot separate the few good from the many bad because they are in large linkage blocks. They can not be teased apart. Therefore, each part of the genome (each linkage block) must individually degenerate due to Muller’s ratchet’. (Genetic Entropy pag. 170 )
    Gerdien: Gezien het uitgebreid bestaan van grote populaties bacterien zou ik het practische belang van Muller’s ratchet betwijfelen.
    Sanford: ‘A large, homogenous population in a homogenous environment (for example, a typical bacterial culture) is more resistant to genetic drift because it sees much less noise and experiences much more efficient selection. Such populations usually have simpler genomes, ,fewer mutations per genome and far fewer inter-genetic interactions. Furthermore, they exist in large numbers and have very high rates of reproduction. Most importantly: every cell is subject to selection, independently, at every cell division. Selection in such systems is more effective, more precise, and can have much higher resolution. This means that in bacteria, a much smaller proportion of the genome is near neutral and unselectable. This is why theorists typically prefer to use microbial exemples.
    Unfortunately, mammals such as ourselves have none of the adventages listed above. We are subject to high levels of reproductive noise. We have a large genome, high mutation rates, high levels of gene interaction, and we have very serious constraints on selection. This is why the proportion of mutations which are virtually “unselectable” should be very large in man, and the frequency of such mutations within the population should be entirely controlled by random genetic drift. All such nucleotide positions will mutate freely, and all information encoded by them will degenerate over time’. (Genetic Entropy pag. 74).
    Elders in het boek vergelijkt Sanford selectie en mutatie met het “Prinses op de Erwt” sprookje: De prinses (selectie) moet door 13 matrassen heen (bestaande uit allerlei selectiebelemmerende factoren, epistasis, homeostasis, een aantal op en in elkaar gestapelde organisatieniveaus, de linkageblocks, tezamen aangeduid met het woord “ruis”, de mutaties (erwten) voelen en verwijderen, hetgeen onmogelijk is. Kortom: hogere genomen zijn te complex en te verweven om te selecteren, tenzij op mutaties die zeer grove afwijkingen met zich meebrengen (geen erwten, maar bowlingballen). Het overgrote deel van de mutaties zijn bijna-neutraal, onselecteerbaar, maar hollen wel de informatie van het genoom uit, terwijl, als ze al bestaan, positieve mutaties zo klein zijn, dat ze net als de bijna neutrale negatieve mutaties volkomen onselecteerbaar zijn.

  6. @Jaap
    Vergelijk: Sokal experiment.

    Hoe kunnen bacterien dan bestaan? Hoe denk je dat veeteelt en plantenveredeling werken?

    Werkelijk, hutspot.

  7. @Gerdien

    Lijkt me een aardige site hoor, maar ken jij de auteur van deze site? In zijn eigen beschrijving kan ik zo snel niet terugvinden dat hij een geneticus/bioloog is.?

  8. @Gerdien

    ” ‘Genetic meltdown’ als bijeenbehorend geeft 1 vermelding in Web of Science.”

    Ah Web of Science..
    Gewoon googlen op

    (dat is dus een heeel kleine subset) geeft al 4 pdf’s over dit onderwerp en zo op het eerste gezicht keurige artikelen.
    Bovendien zijn deze artikelen gepubliceerd voordat het boek van Sanford uitkwam.

  9. @Gerdien

    Oops vorige ging mis omdat er een een verkeerd teken in stond.

    ” ‘Genetic meltdown’ als bijeenbehorend geeft 1 vermelding in Web of Science.”

    Ah Web of Science..
    Gewoon googlen op
    “genetic meltdown” conery pdf

    (dat is dus een heeel kleine subset) geeft al 4 pdf’s over dit onderwerp en zo op het eerste gezicht keurige artikelen.
    Bovendien zijn deze artikelen gepubliceerd voordat het boek van Sanford uitkwam.

  10. “genetic meltdown” conery pdf
    Ja, Google geeft 6 resultaten voor 4 artikelen. De eerste is die van Wikipedia onder mutational meltdown. De tweede en de derde geven wat tegengas tegen deze, zo te zien. Overeenkomst: modellen, effect bij populatie <1000 census individuen. De vierde is experimenteel, maar ik zie even alleen de eerste blz.

    Geen basis voor vergaande claims.

    Ik moet eens zien hoe ik deze vind via Web of Science, waarom die niet pakt. De tijdschriften moeten erin staan.

    Op Letters to Cretionists staat een naam met achtergrond onder Readme onderaan.

  11. @Gerdien
    “Op Letters to Cretionists staat een naam met achtergrond onder Readme onderaan”

    Dat had ik ook gelezen, de schrijver van het blog is dus een chemicus.
    Niets mis mee , maar ik vroeg me af waarom je juist naar deze site verwijst?

  12. @Andre
    Het is uitgebreid, en de STAN-4 post geeft een juiste weergave van het boek van Kimura. De verdere aanhalingen zijn relevant. Dit leest als een bespreking door iemand die er werk aan heeft besteed en de zaken begrijpt.

  13. Selectie is de god van de Darwinisten. In mijn boek heb ik heel duidelijk aangetoond dat selectie geen rol speelt om genetische netwerken te onderhouden laat staan een rol speelt bij het ontstaan ervan. De grap was namelijk dat het 3D netwerken zijn waarbinnen er altijd meerdere wegen bestaan die tot functionele output leiden. Dan kan mevrouwe de Jong wel weer met een selectie-schema aankomen, maar ik vind het niet eens interessant meer.

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.