Biologen proberen genetische variatie te verklaren

Vlekken op vlindervleugels

Bruno van Wayenburg

Alleen de besten van lijf en leden overleven, zegt Darwin al anderhalve eeuw. En dat lijf en leden worden beschreven door het DNA, is ook algemeen bekend. Maar hoe de genen bepalen wie er uiteindelijk overleeft in de natuur, dat is een lastige vraag. De stap van moleculaire genetica naar evolutie maken biologen pas de laatste jaren, geholpen door de steeds krachtiger moleculair biologische technieken.
Promovenda Patrícia Beldade en collega‘s van de sectie evolutiebiologie van het Instituut voor Evolutionaire en Ecologische Wetenschappen deden met Amerikaanse vakgenoten een belangrijke bijdrage met onderzoek naar de kleurige oogvormige vlekken op de vleugels van de vlinder Bicyclus anynana. De resultaten verschijnen vandaag, donderdag 17 januari, in het vakblad Nature. De onderzoekers hebben sterke aanwijzingen dat juist ‘grijsgedraaide evergreens‘ van de genetica - de genen die in bijna dezelfde vorm overal in het dierenrijk voorkomen - voor de nodige variatie zorgen.

Langere nekken
Want evolutie door natuurlijke selectie drijft op variatie. Om meedogenloos de beste exemplaren te selecteren voor voortplanting, moet de natuur wel verschillen zien tussen de individuen van een soort. Zonder genetische variatie was nooit een hoefdier ontstaan met een iets langere nek om bij de hogere blaadjes te kunnen, en zonder steeds langere nekken geen giraffe. De natuur wil een palet om uit te kiezen.
Maar de manier waarop veel genetische mutaties optreden lijkt de vorming van een evenwichtig palet bepaald niet in de hand te werken. Vaak pakt de verandering van één enkele letter in de genetische code desastreus uit: het eiwit dat in de DNA-code beschreven staat, doet het ineens niet meer, of muteert in iets schadelijks. Of de mutatie maakt geen enkel verschil. Een mooie, rijk gesorteerde reeks van varianten lijkt een stuk moeilijker te realiseren met mutaties in het DNA dat eiwitten beschrijft.
Dat geldt al helemaal voor het gen Distal-less, dat de Leidse biologen onderzochten. Vijf jaar geleden had de groep al opzien gebaard met ontdekking dat dit bekende gen een cruciale rol speelt bij de vorming van de oogvlekken op vlindervleugels. Toen al stond Distal-less bekend als een grote speler in de ontwikkelingsgenetica. Het is ontdekt in het fruitvliegje, als een gen dat een rol speelt bij het vormen van uitstulpingen die poten, voelsprieten en vleugels vormen. Varianten van Distal-less bleken overal in het dierenrijk weer op te duiken. Ook de mens en andere zoogdieren hebben er een versie van in huis.
Zoals dat hoort bij zulke belangrijke, alomtegenwoordige genen, staat de vorm van het bijbehorende belangrijke eiwit grotendeels vast. Die is zo uitgebalanceerd, dat kleine veranderingen meedogenloos worden afgestraft. Eén enkele mutatie van de code heeft al gauw een niet werkend eiwit tot gevolg. De variaties van het Distal-less-eiwit door het dierenrijk is dan ook minimaal, ontdekte Beldade. De overeenkomst met een andere vlindersoort was bijvoorbeeld 99 procent.

Clichégen
Daarom was het eigenlijk vreemd dat het gen zo‘n grote rol zou spelen bij het vormen van oogvlekken, op de onderkant van de vlindervleugel. Dat is de kant die zichtbaar is als de vlinder stilzit. De gekleurde vlekken dienen om de aandacht van vogels naar de randen van de vlindervleugel toe te leiden. Als er dan gehapt wordt, blijft de schade hopelijk beperkt.
Wat de meest geschikte soort vlek is, hangt af van het seizoen en de omgeving. De opeenvolgende vlindergeneraties kunnen de grootte en plaats van de vlekken snel aanpassen als dat nodig is. Kortom, de vlekken zijn juist gevoelig voor verandering door selectie, helemaal niet star en onveranderlijk.
‘Oogvlekken zijn ideaal om de link tussen ontwikkeling en evolutie te leggen, omdat er heel veel bekend is over hun functie in de natuur, maar ook over de celbiologie die eraan ten grondslag ligt‘, zegt een trotse Beldade, die met het artikel in Nature haar eerste publicatie heeft en hard werkt aan haar proefschrift. ‘Later volgt nog een Nature-artikel‘, zegt ze.
Door de plooibaarheid van de oogvlekken kostte het haar geen enkele moeite om - door kweken binnen tien generaties - de vlekgrootte met 30 procent te vergroten of te verkleinen. Een verbazingwekkende flexibiliteit voor een clichématig gen als Distal-less.
Toch wist Beldade aan te tonen dat de variatie in de gekweekte vlinders rechtstreeks was te danken aan verschillende varianten van het gen. Een andere mogelijkheid zou zijn dat de variatie schuilde in andere genen, zogenaamde regulatorgenen, die beïnvloeden hoe, waar en in welke mate Distal-less zijn werk mag doen. Het gen zelf zou dan onveranderd blijven, en het evolutiepotentieel elders te vinden.

Naambordje
In haar vlindersoorten met grote of juist kleine vlekken onderzocht Beldade het gen Distal-less van een handvol vlinders met moleculair biologische technieken. Ze vond bijna dertig plaatsen waar de genetische code variatie vertoonde. Ze koos daarvan één positie uit. De vlinders met de grote vlekken hadden op die plaats in de code de genetische letter C, en vlinders met kleine vlekken de letter T.
Dat wil niet meteen zeggen dat deze verschillen in de code de vlekgrootte direct hebben beïnvloed. De C‘s en T‘s dienen eerder als een soort naambordje voor verschillende varianten van Distal-less, afkomstig uit de verschillende lijnen. Vervolgens kruiste Beldade een mannetje van de grootgevlekte foklijn met een kleingevlekt vrouwtje. De hybride mannetjes die daaruit voortkwamen, hadden zeker twee verschillende varianten van het gen Distal-less geërfd: eentje met een C, van de grootgevlekte vader, en eentje met een T, geërfd van de moeder met kleine vlekken.
Deze hybride mannetjes werden op hun beurt weer gekruist met grootgevlekte vrouwtjes, en gaven 134 nakomelingen, die volgens de wetten van de genetica óf twee C‘s van hun ouders geërfd hadden, óf een C en een T. De eersten hadden dus twee Distal-less-genen afkomstig van grootgevlekte voorouders, de laatsten één gen van een grootgevlekte voorzaat en één gen van een kleingevlekte.
In het eerste geval hadden nakomelingen significant grotere vlekken dan in het tweede, tenminste onder vrouwtjes. Beldade concludeerde hieruit dat het gen Distal-less zelf een deel van het verschil in vlekgrootte veroorzaakt.

Sceptisch
Een vergelijkbare uitkomst kreeg ze door de hybride mannetjes te kruisen met kleingevlekte vrouwtjes: in dit geval waren het de mannetjes onder de 185 nakomelingen die een significant verschil in vlekgrootte lieten zien, afhankelijk van hun variant van het gen. ‘De experimenten zijn behoorlijk ingewikkeld‘, geeft ze toe, ‘maar de uitkomst is wel opwindend: een megagen als Distal-less blijkt ook nog genetische variatie te herbergen. En dat kun je laten zien door een combinatie van evolutionair biologische en moleculair biologische technieken.‘
Waarschijnlijk zijn het de niet-coderende gedeelten van het gen waar de variatie zit. Dat zijn de stukken DNA die niet de bouw van het Distal-less-eiwit beschrijven, maar wel een regulerende functie hebben. Ze schakelen het gen wat meer aan of uit, op andere plekken, of veranderen zelfs de functie.
Blijkbaar verzorgen de verschillende regulerende stukken van het gen de nodige variatie, terwijl het eiwit-coderende stuk rigoureus is vastgelegd. Dat is bij nader inzien ook niet zo vreemd. Omdat het in het dierenrijk zoveel functies heeft, moeten er wel gedeelten zijn die deze functies kunnen regelen.
Beldade: ‘Een collega, David Stern van Princeton, zei een paar jaar geleden: alle variatie zit in regulerende gedeelten van goed bekende genen die een rol spelen in de ontwikkeling. Mensen waren daar toen heel sceptisch over, net als toen wij met Distal-less begonnen. Het lijkt er steeds meer op dat het toch zo zit.‘