Lange tijd was de visie van biologen dat de mutatiesnelheid gelijk is, overal in een organisme. Mutaties komen dan overal voor in het genoom, in principe overal even vaak. Dat sommige mutaties succesvoller zijn dan andere komt doordat schadelijke mutaties worden uitgewied door natuurlijke selectie, zo ging de theorie. Maar de auteurs van een recent artikel in Nature ontdekten dat mutaties aanzienlijk minder voorkomen op plaatsen die belangrijk zijn voor het organisme. Dit zet bestaande theorieën op hun kop.
Willekeurige mutaties
Dat mutaties willekeurig voorkomen, was een belangrijk axioma van biologie en evolutietheorie. Een axioma: hoewel nooit als zodanig bewezen, toch richtinggevend voor het denken in de biologie. Tegenovergesteld aan een teleologische visie op de biologie, die meent dat het leven doelzoekend is. Het axioma van de constante mutatiesnelheid ontlast biologen van de taak, te bedenken welke mechanismen deze zou kunnen sturen. Toch nam men vaak waar dat mutaties minder vaak voorkomen in genetische structuren die voorkomen in meerdere soorten. Veel biologen dachten dat dit komt door selectiemechanismen, waarbij schadelijke mutaties worden verwijderd. Maar we weten ook dat de natuur belangrijke mechanismen, zoals zien of energievoorziening, vaak maar één keer uitvindt, en vervolgens in verschillende organismen toepast.
De theorie is dat eerst een mutatie willekeurig voorkomt, maar later door selectie wordt gerangschikt. Het heersende paradigma in de evolutionaire biologie: mutatie is een richtingloze kracht waarmee het organisme bedreigingen van buiten matigt of teniet doet. Denk aan resistentie-ontwikkeling bij antibiotica en de mutaties in het coronavirus onder de omgevingsdruk. Richting, volgens deze theorie, kan alleen voortkomen uit selectie. Want wat zou in ’s hemelsnaam kunnen leiden tot een natuurlijk mechanisme van selectieve mutaties? Kortom, de vraag is waar de selectie plaats vindt: voor of na de mutatie.
Een nieuw mechanisme
Onderzoekers denken nu het bewijs te hebben gevonden voor selectie vóór de mutatie. Een team onder leiding van J. Grey Monroe (Max Planck Instituut in Tübingen en University of California Davis) heeft dit mechanisme gevonden in het plantje Arabidopsis thaliana. Een klein eetbaar onkruid, familie van de kool. Vaak gebruikt in dit soort experimenten, omdat het een klein genoom heeft. Als zij gelijk hebben zullen zij onze visie op mutatie, selectie en evolutie fundamenteel veranderen. Tot dusver, als onderzoekers vonden dat een bepaald gen zich sneller ontwikkelde dan een ander gen, namen ze aan dat de mutatiesnelheid hetzelfde was, maar dat de selectiesnelheid verschilde. Dit onderzoek suggereert nu dat er bovenop dit effect nog een ander is: een groot deel van het verschil is te danken aan een ander aantal mutaties. De verklaring van veel verschijnselen zal daardoor veranderen.
Mutaties zijn niet per se slecht
Tot dusver denken veel mensen misschien dat mutaties in het erfelijke materiaal slecht zijn. Met kanker tot gevolg, bijvoorbeeld. Ze zouden ontstaan bij fouten in het kopieerproces van DNA. Maar de gedachte van fouten in dat proces komt meer voort uit gebrek aan inzicht dan uit wetenschappelijk bewijs. Mutaties maken het ook mogelijk dat gemeenschappen zich kunnen aanpassen en overleven, doordat zij zorgen voor genetische variatie. Denk ook hier aan het coronavirus.
Begin twintigste eeuw vonden onderzoekers dat de hoeveelheid mutaties (gunstig of schadelijk) onafhankelijk was van de gevolgen van de mutatie. Voor elke soort leek de mutatiesnelheid min of meer constant. Twee biologen wonnen er de Nobelprijs in 1969 mee; sindsdien was dit een hoeksteen van de biologie. Maar als we naar genomen kijken, vinden we meer mutaties op de éne plaats dan op de andere; afhankelijk van hun belang. De onderzoekers vonden dat de mutatiesnelheid aan de uiteinden van de genen bijna 60% hoger is dan in de kerngebieden. Of omgekeerd: in essentiële genen is de mutatiesnelheid bijna 40% lager dan in niet-essentiële genen. Een groot effect. De onderzoekers moesten wel vele generaties van Arabidopsis planten bekijken om deze conclusies te kunnen trekken. En ze waren zelfs niet op zoek naar het effect dat ze uiteindelijk vonden. Ze zochten knockouts van genen – het mechanisme waardoor genen door mutatie hun functie verliezen.
De rol van histonen
Het kwartje viel toen Monroe en een promovendus, Thanvi Srikant, ontdekten dat het mutatiepatroon in genen sterk overeenkomt met dat in de chromatines. Het chromatine is he samenstel van genoom – het DNA – samen met de omringende eiwitten (histonen), die het genoom inpakken en helpen bij zijn organisatie. Het heeft een belangrijke rol als het DNA beschadigd wordt (bijvoorbeeld door mutaties). De omringende eiwitten helpen het DNA bij de reparatie, een proces dat plaatsvindt binnen luttele seconden.
Dit is belangrijk, want het suggereert een verklaring waarom mutatiesnelheden verschillen in het genoom. Terwijl toch de theorie dat mutaties willekeurig voorkomen in het organisme overeind blijft. Ze wijzen op het reparatiemechanisme van het organisme. Cellen hebben zo’n mechanisme, ingebed in het chromatine, dat schade aan het DNA kan repareren en daarmee het effect van het aantal mutaties kan beperken. Een zuiveringsmechanisme dat sterker werkt naarmate de plaats belangrijker is voor het organisme
Lagere mutatiesnelheid in belangrijke genen
In 2012 publiceerde Nature een ander onderzoek waarbij een lagere mutatiesnelheid werd gevonden in belangrijke genen. Hier werkten de onderzoekers met de bacterie E.coli, en ze konden hun gegevens niet verklaren. Maar het huidige onderzoek verklaart misschien het mechanisme. De gegevens moeten wel worden bevestigd in andere soorten dan A.thaliana en E.coli. De resultaten lijken nog steeds twee verklaringen mogelijk te maken. Er vinden minder mutaties plaats in essentiële delen van het DNA; of mutaties zijn nog steeds willekeurig maar de essentiële delen kennen betere reparatiemechanismen. Het debat zal voortduren.
De nieuwe ontdekkingen kunnen ook het debat tussen teleologie en natuurlijke selectie beïnvloeden. Misschien heeft het mechanisme dat de fundamentele constitutie van een organisme beschermt een doel? Met in gedachten het aforisme van de bioloog J.B.S. Haldane: ‘Teleologie is als een minnares voor de bioloog: hij kan niet zonder, maar hij wil niet met haar in het openbaar worden gezien.’ Evolutionair biologen moeten misschien hun publicaties nog eens doorvlooien, om te zien of hun verklaringen wel kloppen.
Geschreven samen met Alle Bruggink.
Interessant? Lees dan ook:
Is het leven maakbaar? Preciezer sleutelen aan het genoom
Wie zijn wij? Het microbioom opnieuw bekeken
Gerichte evolutie: een innovatie de Nobelprijs waardig