Hoe het leven is ontstaan is nog steeds (en misschien wel voor eeuwig) een groot mysterie, maar het verhaal wordt nog gekker. Zo zouden er al genen zijn geweest voordat er zelfs maar sprake was van leven, beweren wetenschappers. Door deze zeldzame genen in de zich ontwikkelende genomen te ‘volgen’, zouden onderzoekers kunnen uitvogelen hoe evolutionair vroege cellen functioneerden en welke kenmerken van het leven als eerste ontstonden.
Elk organisme dat vandaag de dag leeft, is terug te voeren op één enkele gemeenschappelijke voorouder (in Engelse afko LUCA genoemd) die ongeveer vier miljard jaar geleden zou moeten hebben geleefd. Wetenschappers noemen dit organisme de laatste universele gemeenschappelijke voorouder en zou de vroegste levensvorm zijn geweest.

Onderzoek naar deze oervoorouder laat zien dat veel kenmerken van het moderne leven toen al aanwezig waren. Cellen hadden al membranen en genetische informatie was opgeslagen in DNA. Omdat deze essentiële eigenschappen al vaststonden, moeten wetenschappers die willen begrijpen hoe het leven zich voor het eerst vormde, nog verder terug in de tijd kijken, naar evolutionaire gebeurtenissen die plaatsvonden vóór het bestaan ​​van deze gemeenschappelijke voorouder. Dat is makkelijk gezegd, maar moeilijk gedaan.
In een studie beschrijven Aaron Goldman (Oberlincollege), Greg Fournier (MIT) en Betül Kaçar (universiteit van Wisconsin-Madison) een manier om die vroegere periode van evolutie te onderzoeken. Goldman: “Hoewel de laatste universele gemeenschappelijke voorouder het oudste organisme is dat we met evolutionaire methoden kunnen bestuderen, waren sommige genen in zijn genoom veel ouder.” De onderzoekers hebben zich gericht op een speciale groep genen, universele paralogen genaamd, die bewijs bewaren van biologische veranderingen die plaatsvonden vóór de laatste universele oervoorouder.

Een paraloog is een groep verwante genen die meermalen voorkomen in één genoom. Mensen vormen een duidelijk voorbeeld. Ons DNA bevat acht verschillende hemoglobinegenen, die allemaal eiwitten produceren die zuurstof door het bloed transporteren. Deze genen zijn allemaal afkomstig van één enkel voorouderlijk globine-gen dat zo’n 800 miljoen jaar geleden bestond. Gedurende lange perioden produceerden herhaalde kopieerfouten extra versies van het gen en elke kopie ontwikkelde geleidelijk zijn eigen gespecialiseerde rol.

Zeldzamer

Universele paralogen zijn veel zeldzamer. Deze genfamilies komen in ten minste twee kopieën voor in de genomen van bijna alle levende organismen. Hun wijdverspreide aanwezigheid suggereert dat de oorspronkelijke genduplicatie plaatsvond vóórdat de laatste universele gemeenschappelijke voorouder ontstond. Die gedupliceerde genen werden vervolgens doorgegeven aan talloze generaties en zijn nog steeds aanwezig in het leven van vandaag.

Vanwege deze diepe evolutionaire betekenis stellen de auteurs dat universele paralogen een cruciale, maar vaak over het hoofd geziene bron zijn voor het bestuderen van de vroegste geschiedenis van het leven op aarde. Deze aanpak wordt steeds praktischer naarmate nieuwe ki-technieken en -systemen het gemakkelijker maken om oude genetische patronen in detail te analyseren.
Goldman: “Hoewel we maar heel weinig universele paralogen kennen, kunnen ze ons veel informatie geven over hoe het leven eruitzag vóór de tijd van de laatste universele gemeenschappelijke voorouder.”
“De geschiedenis van deze universele paralogen is de enige informatie die we ooit zullen hebben over deze vroegste cellulaire afstammingslijnen, en daarom moeten we er zorgvuldig zoveel mogelijk kennis uit halen”, vult Fourier aan
In hun analyse heeft het drietal alle bekende universele paralogen onderzocht. Elk van deze genen speelt een rol bij de aanmaak van eiwitten of het transport van moleculen door celmembranen. Deze bevinding suggereert dat eiwitproductie en membraantransport tot de eerste biologische functies behoorden die evolueerden.
Ze benadrukken ook het belang van het reconstrueren van de oeroude vormen van deze genen. In een onderzoek van Goldmans lab in Oberlin bestudeerden wetenschappers een familie van universele paralogen die betrokken is bij het inbrengen van enzymen en andere eiwitten in celmembranen. Met behulp van standaardmethoden uit de evolutiebiologie en de computationele biologie reconstrueerden ze het eiwit dat door het oorspronkelijke voorouderlijke gen zou zijn aangemaakt.

Hun resultaten toonden aan dat dit vrij eenvoudige, oeroude eiwit zich nog steeds aan celmembranen kon hechten en kon interageren met de machinerie die eiwitten aanmaakt. Het hielp waarschijnlijk vroege eiwitten zich in primitieve membranen te nestelen, wat inzicht biedt in hoe de vroegste cellen mogelijk functioneerden.
De auteurs hopen dat verdere vooruitgang in computertechnologie wetenschappers in staat zal stellen om aanvullende universele paraloge families in detail te bestuderen. “Door universele paralogen te volgen,” zegt Kaçar, “kunnen we de vroegste stappen van het leven op aarde verbinden met de instrumenten van de moderne wetenschap. Ze bieden ons de kans om de grootste onbekenden van evolutie en biologie om te zetten in ontdekkingen die we daadwerkelijk kunnen testen.” Hun uiteindelijk doel is om een ​​duidelijker beeld te krijgen van de evolutie vóór de laatste universele gemeenschappelijke voorouder en zo beter inzicht te krijgen in hoe het aardse leven is ontstaan.

Bron: Science Daily