Fruitvliegje met antiek gen (afb: univ. van Chicago)

Boosaardige types, die genknutselaars, zou je zeggen, maar het was ze te doen en de wegen van de evolutie te verkennen (als die er al zijn). Zo werden de proefdieren (fruitvliegjes) voorzien van een gen dat codeert voor een eiwit dat alcohol kan afbreken, ethanoldehydrogenase (ADH). Dat gen zouden de verre voorouders van de fruitvliegjes ooit hebben bezeten, antiek dus. Het gen zou zich vervolgens hebben aangepast om hogere alcoholconcentraties aan te kunnen. De genknutselaars toonden aan dat die hypothese niet klopt met een combinatie van technieken die meer beloven over de ontrafeling van de evolutie.
Voor het eerst zouden onderzoekers dieren hebben voorzien van antieke genen. Daarmee wilden ze de evolutionaire effecten op de biologie en de aangepastheid bestuderen van genetische veranderingen die in het verre verleden in de loop van de evolutie zijn opgetreden.
“Een van de belangrijkste doelen van de moderne evolutiebiologie is het bepalen van de genen waarmee soorten zich hebben aangepast aan hun omgeving, maar het is lastig om dat direct te doen”, zegt onderzoeker/student Mo Siddiq van de universiteit van Chicago (VS). “Dat komt doordat er geen manier is om de effecten van oude genen in de dierbiologie te testen. We denken dat probleem nu te kunnen oplossen door een combinatie van twee recent ontwikkelde methoden: de statistische reconstructie van de basevolgorde van oude genen en het bewerken van het genoom.”

Tot voor kort bepaalde het onderzoek van moleculaire aanpassing van de genen zich tot het vaststellen van ‘selectietekenen’, patronen die suggereren dat een gen zo snel veranderde dat selectie daarvan waarschijnlijk de oorzaak was. Het bewijs verkregen uit deze aanpak was allesbehalve waterdicht. Genen veranderen door vele oorzaken. Dat kan een verandering in de populatie zijn of door een selectie op functies die niets te maken hebben met de aanpassing aan de omgeving.
Siddiq, zijn mentor Joe Thornton wilden direct de effecten van aanpassing op de genen kunnen waarnemen. Thornton had pionierswerk gedaan bij het de reconstructie van oude genen en ook bij het synthetiseren van die antieke genen. Ze blijken het niet voor niks gedaan te hebben.

Hypothese

Thornton: “De strategie om voorouderlijke dieren te maken kan bij veel evolutionaire vraagstukken worden gebruikt. Voor ons eerste geval kozen we voor het klassieke voorbeeld van aanpassing: fruitvliegjes ontwikkelden het vermogen om te overleven bij hoge alcoholpercentages in rottend fruit. We ontdekten dat de geaccepteerde verklaring over de moleculaire oorzaken van die evolutie niet kloppen.”

Fruitvliegjes (Drosophila melanogaster) zijn geliefde proefdieren, niet in de laatste plaats omdat ze zo kort leven (enkele dagen). In de natuur leeft de D. melanogaster in een omgeving met alcoholconcentraties die veel hoger zijn dan een nabije vliegenfamilie kan hebben. Vijfentwintig jaar geleden ontwikkelden Martin Kreitman en John McDonald aan de universiteit van Chicago een statistische methode om selectietekenen te vinden, tot op de dag van vandaag een van de meest gebruikte methodes in de moleculaire evolutie.
Zij demonstreerden die methode aan de hand van ethanoldehydrogenase (minder correct alcoholdehydrogenase of ADH). ADH heeft een sterke selectiesignatuur. Het was ook bekend dat het fruitvliegje alcohol sneller afbreekt dan zijn ‘naaste verwanten’. Dus was de verandering ADH-gen de oorzaak van de aanpassing van het genoom van de fruitvlieg aan de hoge alcoholconcentraties. Dat was het eerste erkende geval van de aanpassing van een specifieke gen dat leidde tot de evolutie van een soort, ten onrechte zoals zal blijken.

Niet het ADH-gen

Siddiq en Thorton beseften dat deze hypothese direct getoetst kon worden met de nieuwe technieken. Ze reconstrueerden de oude ADH-genen van net voor en na de vergroting van de ethanoltolerantie, zo’n twee- tot viermiljard jaar geleden. De genen werden gesynthetiseerd en tot expressie gebracht. Op de een of andere manier werd in een reageerbuisje het alcoholafbraakvermogen gemeten.
De resultaten waren opvallend. De genetische veranderingen bij het fruitvliegje hadden geen meetbaar effect op de werking van ADH.
Vervolgens werden de transgene fruitvliegjes gecreëerd met de antieke ADH-genen en maten de onderzoekers hoe snel die ethanol konden afbreken en hoe goed die tegen veel alcohol konden.

Wederom opmerkelijk was dat de moderne ‘uitvoeringen’ van de fruitvliegjes niet beter tegen alcohol konden dan de ‘antieke’. De fruitvliegjes met de ‘modernere’ ADH-genen waren ook niet beter bestand tegen stijgende alcoholconcentraties dan die met het antieke gen. Er bleef dus niets van de hypothese over. Zonder twijfel heeft het fruitvliegje zich aangepast aan de hogere alcoholpercentages, maar dat kwam niet door veranderingen in het ADH-gen.

Thornton: “Dat ADH-verhaal werd geaccepteerd doordat de ecologie, de fysiologie en de statistische selectietekenen alle in dezelfde richting wezen. Daarom ook wilde we die hypothese direct toetsen, nu we de middelen hebben.”

Bron: Science Daily