Home

Breaking the law: over de genetische sabotage van Medea, PSR, mitochondriŽn en Wolbachia

Een organisme heeft eigenschappen. Die worden deels bepaald door zijn genen. Genen zijn erfelijk. Genen die zorgen dat het organisme zich beter voortplant, verspreiden zich. Maar... is het wel zo overzichtlijk? Spelen alle genen braaf het spelletje mee? Nee. Genetische sabotage is aan de orde van de dag. Diep in het genoom worden ook de wetten van Mendel overtreden.

Organismen planten zich zo hard mogelijk voort. Er is slechts plaats voor een fractie van alle nakomelingen; de rest sterft. Hoe meer nakomelingen je hebt en hoe beter ze zijn aangepast aan de omgeving, des te meer ervan de vruchtbare leeftijd zullen halen. Elke nakomeling die zich dan voortplant, geeft zijn erfelijke eigenschappen door aan een volgende generatie. De eigenschappen die het onderscheid maken, verwerven zo elke generatie meer marktaandeel.

Evolutie

Een stuk DNA dat zijn drager op die manier een hogere fitness geeft, vergroot zijn marktaandeel. Een gen bijvoorbeeld dat ervoor zorgt dat een mus veel jongen krijgt, zal na een aantal generaties in bijna alle mussen voorkomen. Tot zover Darwin.
Nu Mendel. Bij de aanmaak van geslachtscellen wordt het genetisch materiaal van de drager verdeeld over twee cellen. Iedere eicel of spermatozoide bevat zo de helft van het genetisch materiaal van zijn maker en elk stuk DNA komt daardoor gemiddeld terecht in de helft van de nakomelingen. Normaal gesproken.
Dit stuk gaat over minder normale situaties. Waar een traditioneel stuk DNA zich voor zijn verspreiding bezighoudt met de fitness van zijn drager, zijn er andere stukken die hun marktaandeel op andere manieren vergroten. Want er zijn in de laatste jaren genetische elementen ontdekt, die zich helemaal niet bezig houden met de fitness van de drager. Zij overtreden de wetten van Mendel.

Boosaardige moeders

Medea leefde in de 9e eeuw voor Christus in het oude Griekenland. Zij had huis en haard verlaten om met Jason te trouwen en hem te helpen het Gulden Vlies te bemachtigen. Samen hadden zij een aantal kinderen. Dat liep mis: Jason werd verliefd op een andere vrouw, Creuse, en hij verliet Medea. Toen Medea dit ontdekte ontstak zij in woede en vergiftigde de kinderen die zij had met Jason.
In de jaren tachtig werkte in Amerika een groep onderzoekers aan de Tribolium-kever. Deze kever, die geen Nederlandse naam heeft, is een plaaginsect dat leeft van rijst, graan en andere cultuurgewassen. De onderzoekers onder leiding van Richard Beeman deden per toeval een opvallende ontdekking. Wat was het geval?
Een normaal Tribolium-vrouwtje legt ongeveer†100 eitjes per legsel. Zo ook een vrouwtje uit Singapore, dat de onderzoekers hadden laten bevruchten door een Amerikaans mannetje. Toen ze de dochters uit dat legsel terugkruisten met hun vader, bleken die slechts zo'n 50 eieren per keer te leggen. Dat was onverwacht. Bovendien legden ze gewoon 100 eieren als ze werden bevrucht door een Singaporees mannetje. Dit was niet waar de onderzoekers naar zochten, maar wel vreemd en dus interessant. Ze begonnen te zoeken naar een verklaring. Wat ze in 1992 konden publiceren in Science, ging alle verwachtingen te boven. Een dergelijk staaltje genetisch egoÔsme was nog niet eerder vertoond.

Afb. 1. De Tribolium-kever
Afb. 1. De Tribolium-kever

Normaal gesproken...

Want waardoor legden alleen halfbloedvrouwtjes met een Amerikaans mannetje minder eieren? Waardoor verliepen alle andere kruisingen normaal? De onderzoekers ontdekten wat daarvan de oorzaak was. Een Tribolium-vrouwtje heeft twee kopieŽn van elk chromosoom - net zoals bijvoorbeeld mensen. Ze heeft dus ook twee kopieŽn van het chromosoom dat het Medea-gen kan bevatten. Waar de Beeman-groep achter kwam, was dat het Medea-gen alleen een rol speelt als een vrouwtje er heterozygoot voor is. Dat wil zeggen: als ťťn van de twee potentieel-Medea-gen-bevattende chromosomen inderdaad het Medea-gen draagt, maar het bijbehorende chromosoom niet. Dat genotype noemen we Mm. De hoofdletter M staat in die code voor aanwezigheid van het Medea-gen, de kleine letter m voor het ontbreken daarvan; een kever die homozygoot is voor aanwezigheid van het Medea-gen heeft zo het genotype MM.
Bij de aanmaak van geslachtscellen worden de chromosomen verdeeld: elke eicel of spermatozoÔde krijgt van elk chromosoom ťťn kopie. Van de eicellen van een heterozygoot vrouwtje bevat dus de helft het Medea-gen en de andere helft niet. Als zo'n vrouwtje paart met een mannetje dat het genotype mm heeft (en dus spermatozoÔden met ieder een kopie van een chromosoom zonder het Medea-gen), zal normaal gesproken de ene helft van hun nakomelingen het genotype Mm hebben en de andere helft mm.

Liquideer de concurrentie

In de natuur overleeft altijd slechts een klein deel van de 100 jongen in elk legsel. Zouden ze allemaal overleven, dan zou de wereld allang stampvol zitten met Tribolium-kevers. Tussen de jongen is hevige concurrentie om voedsel, ruimte, beschutting tegen predatoren en wat dies meer zij. Hoe minder broers en zussen je hebt, hoe groter de kans is dat je zelf overleeft. Voor de moeder is echter 100 jongen het beste aantal: de verhouding tussen gespendeerde energie en fitness-opbrengst is bij dat aantal optimaal. Uiteindelijk zullen er uit elk legsel maar een paar nakomelingen overleven en zichzelf voortplanten. In het geval van de Mm-moeder en de mm-vader zullen sommige daarvan het genotype Mm hebben en andere mm.
Laten we nu eens kijken naar de belangen van het Medea-gen. Zoals alle genen heeft het Medea-gen als enige doel zichzelf zoveel mogelijk te vermenigvuldigen. Nu moeten de embryos die het gen bij zich dragen (in dit geval met genotype Mm) kostbare voedingstoffen delen met hun broertjes en zusjes die het gen niet bij zich dragen en dus voor het Medea-gen niets betekenen. Het gen heeft een manier gevonden om die situatie voor zichzelf te verbeteren. Het liquideert de concurrentie, en wel als volgt.
Ten eerste maakt het in zijn vrouwelijke dragers (Mm of MM) een gif aan dat werkt in het eierpakket. Het gif komt zo in contact met ieder embryo in iedere dragende moeder.
Ten tweede maakt het Medea-gen van elk dragend embryo (Mm of MM) een tegengif aan. Zo worden alle embryo's die het genotype mm hebben, vergiftigd door hun Mm-moeder. De Mm-embryo's overleven door hun tegengif. Dat betekent ten eerste dat de overlevende embryo's minder concurrentie hebben en dus een grotere overlevingskans. Belangrijker is echter dat alle kevers die geboren worden, drager zijn van het Medea-gen. Het gen garandeert op deze manier 100% overerving naar de volgende generatie, terwijl andere genen het met 50% moeten doen. Het Medea-gen is een van de meest egoÔstische genen die er ooit gevonden zijn en voor zover bekend komt het maar bij een paar soorten kevers voor. Waarom het gen naar Medea is genoemd, behoeft geen uitleg.

Afb. 2. Kruisingsschema van de overerving van het Medea-gen
Afb. 2. Kruisingsschema van de overerving van het Medea-gen

Een dergelijk gen zal zich, zodra het ontstaat, snel gaan verspreiden over de populatie. In iedere generatie kevers krijgt het meer marktaandeel. Uiteindelijk zullen (bijna) alle kevers homozygoot zijn voor het gen. De m-variant van het bewuste chromosoom komt bijna niet meer voor, en als uiteindelijk bijna de hele populatie genotype MM heeft, zal het gen geen gevolgen meer hebben: alle vrouwtjes vergiftigen hun eieren, alle embryo's maken tegengif. Het systeem van gif en tegengif is dan nutteloos geworden en onzichtbaar. Dat was precies de situatie in de Singaporese populatie Tribolium-kevers. Niemand zou daar ooit het Medea-gen ontdekt hebben als Richard Beeman geen beestjes van de andere kant van de wereld had gehaald om kruisingen mee uit te voeren.

Een chromosoom dat van mannen houdt

Afb. 3. Een Nasonia-sluipwesp (foto Leo Beukeboom)
Afb. 3. Een Nasonia-sluipwesp (foto Leo Beukeboom)

PSR is ongeveer net zo egoÔstisch als het Medea-gen, maar hier gaat het om een heel chromosoom in plaats van ťťn enkel gen. Bij sluipwespen, zoals Nasonia-soorten, wordt het geslacht van de nakomelingen als volgt bepaald: als een vrouwtje onbevruchte eieren legt, hebben die eieren maar ťťn set chromosomen. Zij ontwikkelen zich tot mannetjes. Laat het vrouwtje de eieren bevruchten, dan krijgt het ei een tweede set chromosomen van de vader, en het jong ontwikkelt zich tot een vrouwtje. Een mannetjessluipwesp kan zijn erfelijke eigenschappen dus alleen doorgeven aan zijn dochters. Tenzij hij het PSR-chromosoom bij zich draagt. Dan kan hij zijn erfelijke eigenschappen helemaal niet doorgeven. Hoe krijgt dat PSR-chromosoom zoiets voor elkaar? En wat bereikt het ermee?
Het PSR-chromosoom is een heel klein chromosoom; veel kleiner dan de andere vijf chromosomen van Nasonia. Het chromosoom is voor een sluipwesp niet onmisbaar en zelfs nogal nadelig, zoals hieronder wordt uitgelegd.
Een bevrucht eitje bevat altijd twee sets chromosomen, ťťn van de vader en ťťn van de moeder. Het PSR-chromosoom zorgt ervoor dat alle chromosomen van de vader, behalve het PSR-chromosoom zelf, bij de eerste deling van de bevruchte eicel uitgeschakeld worden. Hoe het chromosoom dit doet is niet bekend, maar het is wel effectief. Alleen de set chromosomen van de moeder blijft over, en er ontstaat een mannetje in plaats van een vrouwtje. Let wel, een mannetje mŤt een PSR-chromosoom.
Dit lijkt op het eerste gezicht onzinnig, maar het PSR-chromosoom bereikt er bijzonder veel mee. Een mannetje heeft maar ťťn set chromosomen, en de hele set wordt meegegeven aan het sperma. Een vrouwtje echter heeft twee sets chromosomen en zij kan daarvan maar de helft doorgeven aan een eicel. Ieder chromosoom in een vrouwtje heeft dus 50 % kans niet doorgegeven te worden aan het nageslacht. Het PSR-chromosoom heeft er belang bij die kans te vermijden. En, door vrouwelijke dragers te veranderen in mannetjes, vermijdt het die kans ook.. Het PSR-chromosoom wordt altijd doorgegeven aan de volgende generatie.

Afb. 4. Diagram van de overerving van het PSR-chromosoom (met dank aan Leo Beukeboom)
Afb. 4. Diagram van de overerving van het PSR-chromosoom (met dank aan Leo Beukeboom)

MitochondriŽn

DNA is egoÔstisch. Zoals de vorige paragrafen beschrijven, kan dat hele vervelende gevolgen hebben voor de drager van dat DNA. Kinderen kunnen vermoord worden door bepaalde genen, omdat ze niet bijdragen aan de verspreiding van die genen. Maar er zijn meer partijen die verspreiding, vermenigvuldiging en overerving tot doel hebben.
Neem mitochondriŽn. Een mitochondrie is een onderdeel van de cel dat zorgt voor de energiehuishouding. Deze mitochondriŽn bevatten een stuk compleet eigen DNA - ver van de normale chromosomen, in een ander deel van de cel. Zoals alle DNA heeft ook dit genetisch materiaal slechts ťťn doel: vermenigvuldigen. Dat is echter voor mitochondriaal DNA minder eenvoudig dan voor gewoon DNA: een mitochondrie past niet in een mannelijke geslachtscel. Alleen een eicel is groot genoeg om mitochondriŽn te bevatten en dus erft mitochondriaal DNA alleen via de vrouwelijke lijn over. De eerste belangenconflicten komen meteen aan het licht: het gewone DNA heeft belang bij 50% mannelijke en 50% vrouwelijke geslachtscellen, terwijl het mitochondriaal DNA niets heeft aan de mannelijke. Natuurlijk heeft ook dit DNA in sommige gevallen een oplossing gevonden.
In weegbree bijvoorbeeld, een plant met mannelijke en vrouwelijke bloemen op ťťn individu, maakt een gen op het mitochondriaal DNA alle mannelijke bloemen onvruchtbaar. Zo wordt alle energie van de plant gestoken in het produceren van vrouwelijke geslachtscellen - met daarin natuurlijk mitochondriŽn. Dit fenomeen noemen we Cytoplasmic Male Sterility. Als je goed kijkt naar bloeiende weegbree (Plantago-soorten), kun je soms exemplaren vinden waarbij er geen pollen in de helmknoppen zit. In zo'n weegbree zie je dan het resultaat van genetische sabotage: de mitochondriŽn hebben het voor het zeggen.

Afb. 5. Cytoplasmic Male Sterility in maÔs. De rechter bloeiwijze is steriel.
Afb. 5. Cytoplasmic Male Sterility in maÔs. De rechter bloeiwijze is steriel.

Een bacterie die van vrouwen houdt

Een mitochondrie is op vele fronten vergelijkbaar met een bacterie. Veel wetenschappers vermoeden tegenwoordig ook dat dit celonderdeel, evenals bijvoorbeeld bladgroenkorrels, in de vroege evolutie ontstaan is vanuit een bacterie die een andere cel binnendrong en een samenwerking met die gastheercel startte. Dat zou ook de aanwezigheid van eigen DNA in mitochondriŽn en bladgroenkorrels verklaren.
Dat bacteriŽn inderdaad andere cellen binnendringen, staat buiten kijf. Dergelijke indringers worden ook nu nog gevonden. En deze bacteriŽn kampen met hetzelfde probleem als de mitochondriŽn van de weegbree: ze passen niet in een spermatozoÔde. Deze zogenaamde intracellulaire parasieten hebben voor hun probleem een scala aan oplossingen ontwikkeld. De inmiddels beroemde bacterie Wolbachia bijvoorbeeld, zorgt ervoor dat geÔnfecteerde pissebedmannetjes bijna perfecte vouwtjes worden. Meer weten over slinkse Wolbachia-strategieŽn en andere evolutionaire sabotage? Lees dan het artikel "Wolbachia, een bacterie die van vrouwen houdt".


Auteur: De Praktijk, praktisch onderwijs in de natuurwetenschappen (www.praktijk.nu)


Bronnen

Medea: http://bru.gmprc.ksu.edu/proj/tribolium/medea.asp

PSR: http://www.sccs.swarthmore.edu/users/99/mahowald/hymenoptera.html

Cytoplasmic Male Sterility: http://www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e23/23b.htm#04

Klik op 'NIBI' (in de groene balk bovenaan) voor een overzicht van de beschikbare NIBI-artikelen