DNA-sequentietechnologie helpt wetenschappers antwoorden te vinden op vragen die mensen al eeuwenlang hebben geplaagd. Door het genomen van dieren in kaart te brengen, krijgen we een beter begrip van hoe de giraf zijn lange nek heeft gekregen en waarom de slangen zo lang zijn. Met genoomsequencing kunnen we het DNA van verschillende dieren vergelijken en contrasteren en erachter komen hoe ze evolueerden en werden wat ze werden.
Maar soms staan we voor een mysterie. De genomen van sommige dieren lijken bepaalde genen niet te bevatten die in andere vergelijkbare soorten voorkomen en moeten aanwezig zijn om de dieren in leven te houden. Deze ogenschijnlijk ontbrekende genen worden "donker DNA" genoemd. Het bestaan ervan kan ons begrip van evolutie veranderen.
Voor het eerst kwamen wetenschappers onder leiding van Adam Hargreaves van de Universiteit van Oxford dit fenomeen tegen tijdens de genoomsequentiebepaling van de zandrat (Psammomys obesus), een soort gerbil die in woestijnen leeft. Ze wilden met name de genen van de gerbil bestuderen die verband houden met de productie van insuline om te begrijpen waarom dit dier bijzonder vatbaar is voor diabetes type II.
Toen ze zochten naar het Pdx1-gen, dat de insulinesecretie regelt, ontdekten ze dat insuline ontbrak, samen met 87 andere genen eromheen. Sommige van deze ontbrekende genen, waaronder Pdx1, zijn van vitaal belang en het dier kan niet zonder hen overleven. Waar zijn ze?
De eerste aanwijzing was dat wetenschappers in verschillende weefsels van het lichaam van de zandrat chemische producten hadden gevonden die konden verschijnen volgens "instructies" van "ontbrekende" genen. Dit zou alleen mogelijk zijn als er ergens in het genoom genen aanwezig waren. En dit zou erop wijzen dat ze niet misten, maar gewoon verdwenen.
De DNA-sequenties van deze genen zijn erg rijk aan guanine en cytosine, twee van de vier "basismoleculen" waaruit DNA bestaat. We weten dat cytosine- en guaninerijke sequenties problemen opleveren voor sommige methoden voor het bepalen van de DNA-sequentie. En het wordt waarschijnlijker dat de genen die we zochten aanwezig waren, maar moeilijk te vinden. Om deze reden hebben we deze verborgen reeks "donker DNA" genoemd als een verwijzing naar donkere materie, die 25% van het universum uitmaakt, maar die we niet kunnen vinden.
Bij het bestuderen van het genoom van de zandrat ontdekten we dat met name in een deel ervan veel meer mutaties waren dan in de genen van andere knaagdieren. Alle genen in dit broeinest van mutaties bevatten DNA dat rijk is aan cytosine en guanine, en zodanig gemuteerd dat ze moeilijk te detecteren waren met standaardmethoden. Een overmutatie zorgt er vaak voor dat het gen niet meer werkt, maar op de een of andere manier blijven de genen van de zandrat hun rol spelen ondanks de radicale verandering in de DNA-sequentie. Dit is een erg moeilijke taak voor genen. Het is alsof je "Katyusha" zingt met alleen klinkers.
Dit soort donker DNA is eerder bij vogels aangetroffen. Wetenschappers hebben ontdekt dat 274 genen "afwezig" zijn in de momenteel gesequentieerde genomen van vogels. Een daarvan is het gen voor leptine (een hormoon dat de energiebalans reguleert), dat wetenschappers al jaren niet meer hebben kunnen vinden. Nogmaals, deze genen hebben een extreem hoog gehalte aan cytosine en guanine en hun producten worden aangetroffen in de weefsels van de lichamen van vogels, zelfs als de genen zelf niet in de genomische sequenties voorkomen.
Promotie video:
Een lichtstraal in donker DNA
In de meeste leerboeken is er een definitie waaruit volgt dat evolutie in twee fasen verloopt: mutatie wordt gevolgd door natuurlijke selectie. DNA-mutatie is een veelvoorkomend en voortdurend proces dat volledig per ongeluk plaatsvindt. Natuurlijke selectie bepaalt welke mutaties moeten doorgaan en welke niet, meestal afhankelijk van welk resultaat ze lieten zien tijdens het reproductieproces. Kortom, een mutatie creëert een variatie in het DNA van een organisme, en natuurlijke selectie beslist of het blijft of het laat vallen, en zo vindt evolutie plaats.
Maar grote hoeveelheden mutaties in het genoom betekenen dat genen op bepaalde locaties een grotere kans hebben om te muteren dan andere. Dit betekent dat dergelijke brandpunten een onderschat mechanisme kunnen zijn dat ook het verloop van de evolutie kan bepalen. Dit betekent dat natuurlijke selectie misschien niet de enige drijvende kracht is. Tot nu toe lijkt donker DNA aanwezig te zijn in twee verschillende en veel voorkomende diersoorten. Maar het is nog onduidelijk hoe wijdverbreid het is. Zouden de genomen van alle dieren donker DNA kunnen bevatten, en zo niet, wat maakt gerbils en vogels dan zo uniek? De meest verslavende puzzel zal zijn om erachter te komen welke impact donker DNA heeft gehad op de evolutie van dieren. In het voorbeeld van de zandrat kan de focus van de mutatie hebben geleid tot de aanpassing van het dier aan woestijnomstandigheden. Maar aan de andere kant kan de mutatie dat wel zijngebeurde zo snel dat natuurlijke selectie niet snel genoeg kon werken om al het schadelijke in het DNA te elimineren. Als dat zo is, kunnen schadelijke mutaties het voortbestaan van de zandrat buiten zijn huidige woestijnomgeving verstoren. De ontdekking van zo'n vreemd fenomeen roept zeker vragen op over hoe het genoom evolueert en wat we zouden kunnen missen in bestaande genoomsequentieprojecten. Misschien moeten we ons omdraaien en beter kijken.en wat we misschien hebben gemist in bestaande projecten voor genoomsequentiebepaling. Misschien moeten we ons omdraaien en beter kijken.en wat we misschien hebben gemist in bestaande projecten voor genoomsequentiebepaling. Misschien moeten we ons omdraaien en beter kijken.
Ilya Khel
