Genduplicatie

Gerdien de Jong

2 februari 2011

Samenvatting hoofdstuk 9.3.4:

De bewering van J&S is dat genduplicatie tot pseudogenen leidt; de bewering van J&S is dat zulke pseudo-genen volgens de evolutiebiologie tot genen met nieuwe functie leiden.

J&S geeft geen bronverwijzing voor figuur 9.26 of de bijbehorende tekst. Dat is op zichzelf al een indicatie dat het hier niet om de voorstelling volgens de 2006 evolutiebiologie gaat.

Na wat nadenken en zoeken blijkt dat de J&S voorstelling van zaken afkomstig is uit een boek uit 1970, Evolution by gene duplication’, geschreven door S. Ohno (1).

Ohno’s boek is van belang omdat het het eerste boek was dat uitgebreid betoogde dat genduplicatie tot nieuwe genen met een nieuwe functie leidt. Maar Ohno’s voorstel dat gendifferentiatie na genduplicatie via een pseudogen stadium zou verlopen is nooit aanvaard door evolutiebiologen die aan gedupliceerde genen werkten. Ohno’s voorstel werd niet eens besproken in de praktijk van het onderzoek. Ik kan dat weten, want ik werkte van 1971 tot 1976 aan een gedupliceerd gen, en de groep waarin ik werkte, werkte tot 1986 aan dat gedupliceerde gen. Bovendien ontbreekt deze voorstelling van zaken, - genduplicatie, een van beide wordt pseudogen, dit pseudogen wordt een functioneel gen met andere functie – geheel en al in het standaardleerboek Fundamentals of molecular evolution, 1^ste druk, 1991, van Li en Graur (2).

In 1994 schreef Hughes (3) een review over bekende mechanismen van ontstaan van nieuwe genen en nieuwe eiwitten door genduplicatie. In dat review heeft Hughes aangegeven dat er geen enkele aanwijzing is dat een nieuw gen met een nieuwe functie ooit een pseudogen geweest is; geen enkele aanwijzing onder alle bekende voorbeelden van een nieuw gen dat is ontstaan door genduplicatie,. Eenmaal pseudogen blijft pseudogen: ik kan in de wetenschappelijke literatuur van na 1994 ook geen enkel voorbeeld vinden waarbij een pseudogen opnieuw een functie krijgt.

Met andere woorden, J&S geven in 2006 als huidige evolutiebiologie een los voorstel uit 1970, dat nooit ingang gevonden heeft en dat in 1994 expliciet verworpen was.

2 J&S konden beter weten

De auteurs van J&S hebben een boek in handen gehad met daarin de werkelijke voorstelling van zaken in de evolutiebiologie, een boek uit het jaar 2000. In het boek J&S is namelijk figuur 10.17 op blz 181 identiek aan figuur 4.19 op blz 156 uit het standaardleerboek Fundamentals of molecular evolution, 2^de druk, 2000, van Graur en Li (4). Fundamentals of molecular evolution behandelt genduplicatie, het ontstaan van nieuwe genen en het ontstaan van nieuwe functies voor eiwitten. Ondanks dat zij een boek met de werkelijke voorstelling van zaken in handen hebben gehad, behandelen Junker, Scherer en/of hun coauteurs de werkelijke evolutiebiologie van genduplicatie, gendifferentiatie en nieuwe genen niet.

Bovendien hadden Junker en Scherer het bovengenoemde overzichtsartikel van Hughes uit 1994 kunnen gebruiken. Of een overzichtsartikel (5) dat verschenen is in 2003; in Nature Reviews Genetics, toch geen obscuur tijdschrift. Dat is allemaal ruim vóór 2006, de datum van het Duitse boek.

3 Genduplicatie

In de werkelijke evolutiebiologie leidt genduplicatie tot genen met nieuwe functies via verbouwing onder selectie van een van beide gedupliceerde genen. Dat verbouwing van een gedupliceerd gen niet mogelijk zou zijn ‘omdat de overgangsvormen schadelijk zouden zijn voor het organisme’ is niet-onderbouwde loze praat van de kant van J&S.

Genduplicatie is niet zeldzaam en voorbeelden van genduplicaties zijn gemakkelijk te vinden in de wetenschappelijke literatuur.

Verdubbeling van een gen leidt tot twee naast elkaar gelegen genen met identiek DNA en met identieke functie. Het is mogelijk dat beide genen aanwezig blijven zodat meer eiwit aangemaakt kan worden. Het is ook mogelijk dat mutaties in een van beide genen dat exemplaar van het gen stilleggen, zonder verder gevolg voor het individu: het andere gen is immers werkzaam. Het niet-werkzame gen wordt dan een pseudogen genoemd, met een DNA volgorde die sterk lijkt op die van een werkzaam gen. Het lijkt erop dat bij de meeste genduplicaties een van beide genen vrij snel na de verdubbeling door een mutatie stil komt te liggen (6).

Twee genen die het gevolg zijn van een genduplicatie kunnen in functie gaan verschillen. Het kan zijn dat het oorspronkelijke gen een vrij wijde functie had, en dat de twee gedupliceerde genen elk een deel van die wijde functie op zich nemen. Dat heet subfunctionalisatie. Het kan ook zijn dat een van de twee genen een nieuwe functie krijgt: dat heet neofunctionalisatie. In beide gevallen, verdeling van de functies van het oude gen en het krijgen van een nieuwe functie, is er de vraag of nagegaan kan worden in hoeverre natuurlijke selectie een rol speelt.

3.1 Genduplicatie leidt tot hogere enzymactiviteit

Bij mensen varieert het aantal genen voor amylase, het enzym zetmeel afbreekt. Het aantal genen houdt verband met het belang van zetmeel in het traditionele eten van de betreffende mensenpopulatie: veel zetmeel, veel genen (7). Het is duidelijk dat genduplicatie een selectief voordeel met zich mee brengt als er veel zetmeel in het eten zit.

Genduplicatie van het gen voor amylase komt ook voor bij de fruitvlieg Drosophila melanogaster. Het gen of de genen voor amylase liggen op chromosoom II bij de fruitvlieg; chromosoom II is in elk beest in tweevoud aanwezig. In sommige populaties is het gen in enkelvoud aanwezig op elk chromosoom II, in andere populatie hebben alle vliegen twee amylase genen vlak naast elkaar op elk chromosoom van het paar: de genen heten dan amylase-p en amylase-d. In sommige andere populaties zijn er beesten met één amylasegen op beide chromosomen en beesten met twee amylasegenen op beide chromosomen, en ook beesten met één amylasegen op hun ene chromosoom II en twee amylasegenen op het andere chromosoom II. Ook bij Drosophila melanogaster leidt genduplicatie voor het enzym amylase tot hogere enzymactiviteit, en daarmee tot hogere overleving van larven op een schaarstedieet met veel zetmeel (8)

3.2 Genduplicatie en functiedifferentiatie

Genduplicatie en functiedifferentiatie is soms direct te zien. Een voorbeeld is weer bij het gen voor het enzym amylase bij Drosophila melanogaster. Voor één allelcombinatie bij beide genen is een klein verschil in werking aangetoond, waarbij het ene amylase gen een hogere expressie heeft in de larve en het andere amylase gen een hogere expressie heeft in de volwassen vlieg (9) Hier gaat het om een vrij klein verschil in functie. Het prettige van dit voorbeeld is dat het niet gaat om vergelijken van genen die alleen als duplicatie bekend zijn, maar om een beginnend functieverschil bij een betrapte recente genduplicatie.

Bij amylase is genduplicatie gaande. Meestal worden genduplicaties gevonden doordat twee genen die sterk overeenkomen in hun DNA sequentie zeer dicht bij elkaar liggen op een chromosoom. De vraag is dan of de functie van deze twee genen identiek is of min of meer functie overeenkomt. Er zijn allerlei gevallen van functieverandering, van een beetje identiek in functie tot erg verschillend in functie.

Er komen nu twee gevallen van functieverandering.

De meeste zoogdieren kunnen slecht kleuren zien. De meeste zoogdieren hebben maar twee typen kegeltjes (10), een met oogpigment dat gevoelig is voor lichtgolven met korte golflengte, omstreeks 430 nm, en een met oogpigment dat gevoelig is voor licht met langer golflengte. Oogpigment is een lichtgevoelig eiwit. Het gen voor het eiwit dat gevoelig is voor lange lichtgolven ligt op het geslachtschromosoom, het X-chromosoom, in alle zoogdieren.

Golflengte en gevoeligheid van oogpigmenten bij oudewereldapen en mensapen (uit:. Surridge et al 2003 (11)) Een oogpigment is gevoelig voor licht met korte golflengte (S – omstreeks 430 nm), of voor licht met midden golflengte (M – omstreeks 535 nm), of voor licht met lange golflengte (L – omstreeks 562 nm). Er wordt ook vaak gesproken over blauw, groen en rood gevoelige oogpigmenten.

De Catarrhines, de groep gevormd door de oude-wereld apen en de mensapen, kunnen goed kleuren zien. Zij hebben twee genen op het X-chromosoom die sterk op elkaar lijken; het eiwit van deze genen komt dan ook sterk overeen. Bij de mens is de aminozuurvolgorde van de twee genen voor 96% identiek (15 aminozuren verschillen op een totaal van 364 aminozuren). Van deze 15 verschillen zijn er drie belangrijk voor de werking. Op drie plaatsen is in het eiwit dat gevoelig is voor lange golflengte een aminozuur met een –OH groep verschenen. Vervanging van het aminozuur op plaats 180 van het eiwit verschuift de gevoeligheid van het eiwit voor licht met omstreeks 5 nm naar langere golflengte, vervanging op plaats 277 met 8 nm, op plaats 285 met 15 nm (11). Daaruit blijkt direct wat voor baarlijke nonsens het “duplicatie met daarna langzame verbouwing komt niet in aanmerking, omdat de overgangsvormen schadelijk zouden zijn voor het organisme” van Junker & Scherer is.

Goed kleuren kunnen zien betekent goed rood kunnen onderscheiden voor deze apen en mensapen. Dat wil zeggen, goed rijpe vruchten en jonge scheuten kunnen herkennen op kleur. Aangezien veel apen vruchteneters zijn, is kleuren zien duidelijk van belang.

Het onderzoek naar de genetische en moleculaire basis van kleurenzien was in 2006 al zeker 20 jaar oud. Het is heel bekend. Ook staat het als voorbeeld van genduplicatie en functieverandering in het standaardleerboek Fundamentals of molecular evolution, 2^de druk, 2000, van Graur en Li. Dat boek dat Junker en Scherer in handen hebben gehad.

Bij de bladetende langoeraap Pygathrix nemaeus (die roodscheendoek schijnt te heten) is er een duplicatie van het gen voor het enzym pancreatisch ribonuclease: dus een gen dat codeert voor een enzym dat in de alvleesklier aangemaakt wordt dupliceerde. Het enzym splitst dubbelstrengs RNA, niet alleen in de darm, maar ook in lichte mate in andere weefsels. Een van de kopieën kreeg een nieuwe functie: in de dunne darm RNA uit bacteriën afkomstig van de voordarm te splitsen (12). Die bacteriën zitten met zijn velen in de grote voordarm van deze apen. De bacteriën kunnen het blad dat de apen eten verteren, de apen kunnen dat zelf niet. De apen leven op bacteriën en voorverteerd blad.

Vergelijken met het gen voor pancreatisch ribonuclease van de rhesusaap maakt het mogelijk na te gaan welke veranderingen in gen en enzym zijn opgetreden. Het gen dat nog het oorspronkelijke enzym pancreatisch ribonuclease maakt is niet veranderd in functie; het is onduidelijk wat die functie precies is, maar geen verteringsfunctie in de darm. In het gedupliceerde gen voor ribonuclease zijn mutaties opgetreden die leiden tot negen veranderingen in de aminozuren van het enzym. Al die negen veranderingen houden in dat een aminozuur vervangen is door een aminozuur met een zure zijketen: het enzym met de nieuwe functie is dan negatief geladen. Daarmee verandert de zuurgraad waarbij het enzym het beste werkt, van pH 7.4 naar pH 6.3.

RNASE1B is het gen met de nieuwe functie, RNASE1 het gen met de oude functie.

De dunne darm van deze apen heeft, vermoedelijk als gevolg van de voordarmvertering door bacteriën, de lage pH van 6-7. Bij de genduplicatie is de oorspronkelijke functie van het ribonuclease, in een aantal weefsels, behouden gebleven, en is een nieuw verteringsenzym gevormd, met een enzymactiviteit die past in de dunne darm van de apen.

De duplicatie heeft omstreeks 4.2 miljoen jaar geleden plaatsgevonden (statistisch 95% betrouwbaarheidsinterval 2.4−6.4 miljoen jaar). De genduplicatie komt ook in andere Aziatische colobusapen voor, bij de genera Pygathrix en Presbytis. De Aziatische colobusapen waarbij deze langoer hoort laten 3.5 miljoen jaar geleden een toename in aantal soorten zien.

4 Genfamilies

Genen, en hun bijbehorende eiwitten, komen vaak uit genfamilies en de bijbehorende eiwit families. Er zijn duizenden eiwitfamilies bekend: kinases, globines, hitteschokeiwitten, … . de website PFAM (http://pfam.sanger.ac.uk/) heeft voor versie Pfam 24.0 van oktober 2009 het aantal van 11912 eiwitfamilies.

Een bekende genfamilie, met vrij beperkte functiedifferentiatie tussen de genen, is de hemoglobinegenfamilie. Hemoglobine is het eiwit dat het zuurstoftransport in het bloed van gewervelde dieren verzorgt en bloed zijn rode kleur geeft. Er bestaan verschillende varianten van dit eiwit hemoglobine, met verschillende affiniteit tot zuurstof. Deze varianten worden in de loop van de ontwikkeling van het individu ingeschakeld. Er is embryonaal, feutaal, juveniel en volwassene hemoglobine, alle afkomstig van genduplicaties. Dit is de hemoglobine genfamilie bij de mens:

figuur 19.3 eerstejaars biologie leerboek (13)

http://evolutiebiologie.blogspot.com/2010/01/intermezzo-over-hemoglobine.html

De genduplicaties lijken verband te houden met veranderingen in metabolisme en reproductie onder de voorouders van de zoogdieren

Graur & Li 2000 Fundamentals of molecular evolution, Figuur 6.12 blz 280,

met college aantekeningen

5 Conclusie

Gezien de grote hoeveelheid studies in de laatste 50 jaar over genduplicaties, en de algemene weergave in leerboeken van de rol van genduplicatie in het ontstaan van nieuwe genen en nieuwe eiwitten zijn er drie mogelijkheden voor de onnozele weergave van dit gebied in het boek van Junker en Scherer: onwil huiswerk te doen, onwil gegevens te aanvaarden, of willens en wetens een verkeerde voorstelling van zaken over evolutiebiologie geven.

************

1 S. Ohno, 1970. Evolution by gene duplication. Springer-Verlag, New York.

2 W.-H. Li & D. Grau, 1991. Fundamentals of molecular evolution. 1st edition. Sinauer Ass., Sunderland, MA. ISBN 0-87893-452-9

3 A.L. Hughes, 1994. The evolution of functionally novel proteins after gene duplication. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 256:119-124.

4 D. Graur & W.-H. Li, 2000. Fundamentals of molecular evolution. 2nd edition. Sinauer Ass., Sunderland, MA. ISBN 0-87893-266-6

5 M. Long, E. Betrán, K. Thornton, & W. Wang. 2003. The origin of new genes: glimpses from the young and old. Nature Reviews Genetics 4:865-875.

6 E. Khurana, H.Y.K. Lam, C. Cheng, N. Carriero, P. Cayting & M.B. Gerstein. 2010. Segmental duplications in the human genome reveal details of pseudogene formation. Nucleic Acids Research 38: 6997–7007

7 Perry et al, 2007. Diet and the evolution of human amylase gene copy number variation. Nature Genetics 39:1256-1260

8 G. de Jong, and W. Scharloo, 1976. Environmental determination of selective significance or neutrality of amylase variants in Drosophila melanogaster. Genetics 84: 77-94.

9 W.W. Doane, 1969. Drosophila amylases and problems in cellular differentiation. In: RNA in Development, ed. R. W. Hanly.

10 http://nl.wikipedia.org/wiki/Kegeltje

11 A.K. Surridge, D. Osoria & N.I. Mundy, 2003. Evolution and selection of trichromatic vision in primates. Trends in Ecology and Evolution 18:198-205.

12 Zhang J, Zhang YP, Rosenberg HF. 2002. Adaptive evolution of a duplicated pancreatic ribonuclease gene in a leaf-eating monkey. Nat Genet 30: 411–415.

13 Campbell & Reece, 2007. Biology 6th edition. Pearson Education.