Nieuwe studie stelt evolutionaire theorie in vraag die stelt dat mutaties willekeurig zijn

Een eenvoudig onkruid kan de sleutel vormen tot het begrijpen en voorspellen van mutaties in het DNA, zo blijkt uit onderzoek onder leiding van de University of California, Davis (UC Davis) en het Max-Planck-Institut für Biologie in Tübingen. 

De Arabidopsis thaliana of zandraket is een klein bloeiend plantje dat in Europa en Afrika algemeen voorkomt in wegbermen en op verstoorde gronden. Het wordt beschouwd als een onkruid maar ook als de 'laboratoriumrat onder de planten', omdat het veel gebruikt wordt in onderzoeken. 

Dat komt onder meer omdat het een relatief klein genoom heeft van zo'n 120 miljoen basenparen, wat het uitermate geschikt maakt voor genetisch onderzoek. Ter vergelijking, mensen hebben zowat 3 miljard basenparen in hun genoom. "Het is een modelorganisme voor genetica", zei Grey Monroe, assistent-professor in de afdeling plantwetenschappen van UC Davis en de hoofdauteur van de nieuwe studie. 

Mutaties doen zich voor als DNA beschadigd raakt en niet of slecht hersteld wordt en de onderzoekers wilden te weten komen of mutaties volledig willekeurig zijn of dat er meer achter zit. Wat ze ontdekten, was onverwacht.

Een centrale stelling van de evolutietheorie is immers dat mutaties volledig toevallig ontstaan en gelijkmatig verdeeld zijn over het genoom. Het is dan enkel de natuurlijke selectie die bepaalt welke genen in de loop van de evolutie sneller veranderen en welke trager. 

Dat zou dan komen doordat de meeste mutaties 'uitgewied' worden, zelfs nog voor ze waargenomen worden, door de natuurlijke selectie, behalve in bepaalde delen van het genoom met genen met een hogere tolerantie voor mutaties. Die evolueren dan sneller terwijl bij andere genen, die initieel evenveel mutaties ondergaan, de meeste gemuteerde genen uitgewied worden, de meeste mutaties dus niet zichtbaar zijn en de genen dus trager evolueren. 

Deze grondstelling wordt nu in vraag gesteld.

"We hebben altijd gedacht dat mutatie zich in essentie willekeurig voordeed in heel het genoom", zei Monroe. "Het blijkt dat mutatie erg niet-willekeurig is en niet-willekeurig is op een manier die voordelig is voor de plant. Het is een compleet nieuwe manier van denken over mutatie." 

Het werk begon in het Max-Planck-Institut waar onderzoekers specimens van de zandraket kweekten in de beschermende omgeving van een laboratorium. Dat liet planten met fouten die niet overleefd zouden hebben in de natuur, toe toch in leven te blijven in die gecontroleerde omgeving. 

De onderzoekers sequenceten gedurende drie jaar het DNA van honderden van dergelijke plantjes en dat bracht meer dan 1 miljoen mutaties aan het licht. In tegenstelling met wat verwacht werd, werd er in die mutaties een niet-willekeurig patroon blootgelegd. 

"Op het eerste gezicht leek wat we ontdekten de gevestigde theorie tegen te spreken dat initiële mutaties volledig willekeurig zijn en dat enkel de natuurlijke selectie bepaalt welke mutaties er waargenomen worden in organismen", zei Detlef Weigel, wetenschappelijk directeur aan het Max-Planck-Institut en de senior auteur van de studie. 

In de plaats van willekeur zagen de onderzoekers stukken van het genoom met een lage mutatiesnelheid. Tot hun verrassing ontdekten ze dat in die stukken essentiële genen, zoals genen die betrokken zijn bij de groei van de cel en de expressie van genen, oververtegenwoordigd waren. Dat zijn genen die in elke cel nodig zijn en die dus belangrijk zijn voor het overleven van elke individuele plant. Bij die essentiële genen ligt de mutatiefrequentie twee derde lager dan in de 'gewone' regio's.

"Dit zijn de echt belangrijke regio's van het genoom", zei Monroe. "De stukken die biologisch het meest belangrijk zijn, zijn ook de stukken die beschermd worden tegen mutatie."

Ondanks de ongelijkmatige verdeling van de mutaties in het genoom zijn de belangrijkste regio's niet helemaal vrij van mutaties en ze kunnen dus ook veranderen, zij het trager dan de andere delen van het genoom. 

De belangrijkste regio's zijn ook het gevoeligst voor de schadelijke effecten van nieuwe mutaties. "Het herstel van beschadigd DNA lijkt dan ook bijzonder effectief te zijn in die regio's", zo zei Weigel.  

De wetenschappers ontdekten dat de verschillende soorten eiwitten waar het DNA in de celkern omheen gewikkeld zit, een goede voorspelling toelieten van het feit of een gen zou muteren of niet. "Dat betekent dat we kunnen voorspellen welke genen meer kans maken te muteren dan andere en het geeft ons een goed idee van wat er aan de hand is", zei Weigel.

De bevindingen geven een verrassende wending aan de theorie van evolutie door natuurlijke selectie van Charles Darwin, aangezien ze aantonen dat de plant geëvolueerd is om zijn genen te beschermen tegen mutaties en zo zijn overleving te verzekeren.

"De plant heeft een manier ontwikkeld om zijn belangrijkste plaatsen te beschermen tegen mutaties", zei Weigel. "Dit is opwindend omdat we deze ontdekkingen zelfs zouden kunnen gebruiken om na te denken over hoe we menselijke genen kunnen beschermen tegen mutaties." 

Weten waarom sommige regio's van het genoom meer muteren dan andere, zou telers die rekenen op genetische variatie om betere variëteiten te ontwikkelen, kunnen helpen. Wetenschappers zouden de informatie ook kunnen gebruiken om ziekten zoals kanker, die veroorzaakt worden door mutatie, beter te voorspellen of om er nieuwe behandelingen voor te ontwikkelen. 

"Onze ontdekkingen leveren een completer beeld op van de krachten die de patronen van natuurlijke variatie aansturen. Ze zouden de inspiratie moeten vormen voor nieuwe richtingen in het theoretische en praktische onderzoek naar de rol van mutatie in de evolutie", zo besluit de studie. 

Naast onderzoekers van de UC Davis en het Max-Planck-Institut hebben ook wetenschappers van het Carnegie Institution for Science, de Stanford University, de Westfield State University, het College of Charleston, de South Dakota State University, de Université de Montpellier en de Uppsala universiteit meegewerkt aan het onderzoek. 

De studie van het internationale team is gepubliceerd in Nature. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of California, Davis en een persbericht van het Max-Planck-Institut für Biologie (vroeger Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie).