Evolutie bestuderen met behulp van eiwitten

 

De ooglens van gewervelde dieren (hieronder vallen o.a. de vissen, reptielen, vogels en zoogdieren) is een orgaan dat al vanaf een vroeg stadium van de ontwikkeling van een embryo aanwezig is. Opmerkelijk van de ooglens is dat deze uit lagen cellen bestaat, vergelijkbaar met de schillen van een ui. 

ooglens Groei vindt alleen aan de buitenkant plaats; het binnenste van jouw eigen ooglens, de kern, is dus net zo oud als je zelf bent! Dat betekent tevens dat deze oude cellen niet vervangen worden, in tegenstelling tot wat met nagenoeg alle andere cellen in ons lichaam gebeurt. Aan de onderdelen van zo'n cel worden dus bijzonder hoge eisen gesteld wat betreft hun stabiliteit. Daarbij moeten ze ook nog eens lichtdoorlatend zijn - wat wel handig is voor een lens...

Het eiwit alfa-crystalline is een van de voornaamste bestanddelen van de ooglens. Dit eiwit vervult een belangrijke rol bij het handhaven van de stabiliteit en de structuur van de ooglens. De preciese werking is nog niet helemaal bekend, maar we vermoeden dat het eiwit betrokken is bij het handhaven van de structuur van de andere eiwit-componenten in de lens. Van een verre verwant van dit eiwit is inmiddels ook de 3-dimensionale structuur bekend.

 

Omdat het alfa-crystalline zulk een belangrijke rol vervult (zie 1), blijkt het slechts langzaam te evolueren. In gewoon Nederlands: het eiwit heeft in de loop van de evolutie slechts weinig veranderingen ondergaan. Naarmate er meer tijd verstrijkt, zullen er steeds meer verschillen ontstaan, doordat een eiwit/organisme zich zal moeten aanpassen aan veranderende leefomstandigheden. Ook zullen er veranderingen (mutaties) ontstaan door fouten tijdens de celdeling, of door invloeden van buitenaf. Door de aard van de veranderingen en de verschillen tussen verschillende eiwitten te bestuderen kunnen we ons een beeld vormen van de evolutionaire relatie (de stamboom) tussen de verschillende organismen die we willen bestuderen.

Berekenen van een stamboom  

Om met behulp van eiwitten een stamboom te kunnen berekenen, moeten we eerst precies weten welke veranderingen er allemaal zijn opgetreden. Dat is moeilijker dan het in eerste instantie lijkt, aangezien er naast veranderingen van de verschillende aminozuren waaruit een eiwit is opgebouwd (deze worden mutaties genoemd), ook stukken van een eiwit kunnen verdwijnen of kunnen worden toegevoegd, zogenaamde inserties en deleties.

Het programma dat we gebruiken om de verschillende eiwitten met elkaar te vergelijken heet "CLUSTAL". Dit programma zal alle eiwitten met elkaar gaan vergelijken, om ze uiteindelijk zodanig onder elkaar te schuiven (oplijnen), zodat het aantal overeenkomsten maximaal is.
Daarna kan hetzelfde programma aan de hand van de verschillen tussen al deze eiwitten uitrekenen, welke eiwitten (of de dieren waar deze eiwitten in voorkomen) het meest op elkaar lijken. Dit geeft ons daarmee ook een beeld van de volgorde waarin al de eiwitten van elkaar afstammen: de stamboom.

 

  

Opgaven  

 

  1. Het berekenen van de alfa-crystalline stamboom

    Gebruik hiervoor de eiwitten die je hier kunt vinden. Selecteer ze met de muis ("knippen en plakken"), en stop ze dan in het CLUSTAL programma om ze onder elkaar te zetten en een stamboom te berekenen (zie 2).

  2. Een boom met een "foutje"?

    Gebruik nu de eiwitten die je in dit bestand kunt vinden. Selecteer ze zoals je in de vorige opgave hebt gedaan, en stop ze dan weer in het CLUSTAL programma om de stamboom te berekenen.

    Wat valt je op aan deze stamboom? Kun je hiervoor een verklaring verzinnen?

  3. Het complete beeld

    Tenslotte selecteren we de eiwitten die je in het laatste bestand kunt vinden. Stop ze weer in CLUSTAL en bereken de stamboom.

    Hopelijk wordt het vreemde beeld uit de vorige opgave nu een stuk duidelijker?




Verklaring  

 

De verklaring voor het beeld dat we in de tweede en derde opgave krijgen is, dat er van het alfa-crystalline eiwit twee verschillende vormen bestaan. Deze beide vormen (genen) bestaan al heel lang, zo lang zelfs dat ze al aanwezig zijn in een "oer-dier", voordat de beenvissen (waartoe de haai behoort), reptielen, vogels of zoogdieren zelfs maar ontstaan zijn.

Wanneer we nu een stamboom berekenen, waarbij alle eiwitten tot de A-vorm behoren, terwijl die van de mens tot de B-vorm behoort (opgave 2), zal het lijken alsof de mens helemaal niet tot de zoogdieren behoort. Volgens de gangbare theorie zou je verwachten dat de mens het meest verwant zou zijn aan de aap, maar in dit geval lijkt hij zelfs meer op de haai!

In de derde opgave hebben we nu zowel de A-vorm als de B-vorm van het gen/eiwit voor mens en een aantal andere dieren opgenomen. Hierin blijken de twee verschillende vormen van het eiwit in twee afzonderlijke groepen te clusteren. Elk van de twee groepen laat hetzelfde afstammingpatroon zien (voor zover het dezelfde dieren betreft). Nu zie je dus duidelijk wat er aan de hand is: de verdubbeling van het gen die aanleiding gaf tot het ontstaan van de beide vormen moet opgetreden zijn ver voordat de dieren zoals in de boom voorkomen, ontstaan zijn!

In de tak van wetenschap die zich bezig houdt met het bestuderen van de evolutie noemen we dit orthologe genen (opgave 1). Genen die wel verwant zijn, maar niet direct van hetzelfde gen afstammen heten paraloge genen. In opgave 2 is het menselijke gen dus een paraloog van de andere genen; in opgave 3 bestaan de twee verschillende groepen uit orthologen, terwijl de groepen ten opzichte van elkaar paraloog zijn.

We moeten dus voorzichtig zijn met het interpreteren van stambomen die met behulp van DNA of eiwit gegevens berekend zijn. Immers, zij zullen alleen dán de correcte stamboom opleveren, van de organismen die we willen bestuderen, wanneer we er zeker van kunnen zijn dat we in alle gevallen naar exact het zelfde gen kijken.

1) Inmiddels is bekend dat het eiwit niet alleen in de ooglens voorkomt, maar ook in andere organen, zoals het hart en de hersenen, gevonden wordt.

2) Programma's die een evolutionaire stamboom construeren, kunnen niet berekenen waar het beginpunt (wortel, Eng. "root") zich bevindt in de boom. Dat is de reden waarom het programma ons waarschuwt met "Remember this is an unrooted tree". We kunnen hooguit een inschatting maken waar de wortel van de boom zich zou bevinden, als we er vanuit gaan dat alle takken ongeveer even lang zouden moeten zijn om vanaf de wortel in de huidige tijd uit te komen. Dit komt overeen met het volgende beeld: stel je voor dat alle lijnen (takken) in de boom uit stukjes touw zouden bestaan. We proberen dan een punt vinden, waarbij, als je de boom bij dat punt vast houdt, alle touwtjes even ver naar beneden hangen.