Darwin's verjaardag is voorbij. Nu is het tijd voor kritiek.

Mijn vorige blog was een soort verjaardagscadeau voor Darwin. En op een verjaardagsfeestje geef je geen kritiek. Dat is niet aardig. Je gaat de feeststemming niet bederven. Maar Darwin's verjaardag is nu voorbij. Dus tijd voor kritiek. Typisch iets voor mij.

prof. Hopi Hoekstra met één van haar muizen.
©Zimmer, Emlen (2013) Evolution, p.192

Eén woord in de publicatie van Hopi E. Hoekstra et al trok mijn aandacht: idiosyncratic.

"We observed idiosyncratic changes in allele frequency in the light enclosures, with two of three enclosures showing the expected increases in the ΔSer allele, but the degree of change was minor in all cases." (bron)

Met andere woorden: ze kreeg vreemde, onverklaarbare resultaten, in de zin van: dat hadden we niet verwacht. Als de vachtkleur van muizen een aanpassing is aan de omgeving, dus een donkere kleur een aanpassing aan donkere omgeving, en een lichtere kleur een aanpassing aan lichtere omgeving, dan zou je verwachten dat de frequentie van het lichte allel zou stijgen in de lichte omgeving. Dat heet 'positieve selectie'. Want ze had eerder vastgesteld dat die ene mutatie de belangrijkste oorzaak van een lichtere kleur is. Dus als er positief geselecteerd wordt op kleur, dan moet die variant toenemen. Maar, dat vond ze niet. Wat ze wel vond was dat de frequentie van de lichte mutatie (die kennelijk ook aanwezig was in de donkere populatie muizen) daalde (is negatieve selectie). Dat zou je inderdaad verwachten. Dus die daling klopt. 

Volwassen en embryo's van de muizen in deze studie (Peromyscus)
Zimler, Emlen, 2013. p.207.

Een verklaring voor het vreemde resultaat geeft ze niet. Het is ook tegengesteld aan eerdere uitlatingen van een paar jaar geleden:

"For each of the mutations associated with color change, we also find a signal that's consistent with positive selection," Hoekstra said. "That implies that each of the specific changes to pigmentation is beneficial. This is consistent with the story we are telling, about how these mutations are fine-tuning this trait." (bron: Science Daily, March 14, 2013)

Toen benadrukte ze positieve selectie. Met haar laatste studie komt dat er helaas niet uit.

Over het algemeen is positieve selectie nodig om een zeldzame lichte mutant algemeen te maken in een donkere populatie die migreert naar lichtere gebieden. De lichtere omgeving was geologisch relatief recent ontstaan (plm. 6000 jaar geleden) en gekolonialiseerd door donkere muizen. Dus die muizen hadden positieve selectie voor de lichte mutatie nodig. Zo moet het in de afgelopen duizenden jaren gegaan zijn. Ze heeft die positieve selectie in haar experimenten niet kunnen reproduceren. Duurden de experimenten te kort? Zijn er muizen ontsnapt uit de omheining? Waren de aantallen te klein? en zien we toevals effecten? Ik weet het ook niet.

Overigens ben ik erg benieuwd of de muizenpopulatie die van nature in de lichtere gebieden voorkomt ook genetisch aantoonbaar recenter is en inderdaad afstamt van de donkere populatie. Dat is tegenwoordig vrij makkelijk aan te tonen.

Nu komt haar conclusie op het eind van het Science artikel:

"Thus, by documenting allele frequency change over time, we demonstrate strong selection at the genetic level consistent with predictions based on the functional effects of the ΔSer variant."

Dat is maar voor de helft waar. Ze zegt er niet bij welke voorspellingen ze precies had. We moeten aannemen dat er ook positieve selectie voor lichte kleur bij zat. Met zo'n vreemd resultaat zou je op z'n minst zoiets moeten zeggen als: "further research is necessary". Bij textbook-waardig paradigmatisch onderzoek (haar onderzoek wordt in tenminste twee evolutiehandboeken als voorbeeld van natuurlijke selectie in het veld besproken), zou je verwachten dat je van te voren je verwachtingen, je hypothese expliciet maakt, daarna de experimenten doet, dan kijkt of de resultaten aan je verwachtingen voldoen, en dan je conclusies trekt. Het is niet sterk om in de uiteindelijke publicatie voorspellingen te doen nadat de resultaten bekend zijn. De voorspelling wordt zelfs niet eens expliciet gemaakt. En in dit geval worden idiosyncratic resultaten  gewoon weggelaten uit de conclusie en wordt de hypothese van natuurlijke selectie op de ΔSer variant gewoon als bevestigd gezien. Dat is niet netjes. Het ironische is dat we deze situatie al terugvinden in de openingszin van het artikel:

"Adaptive evolution in new or changing environments can be difficult to predict."

Dat het moeilijk te voorspellen is, dat blijkt inderdaad. Die hypothese is bevestigd.
In de laatste zin van het abstract/inleiding schrijft ze:

"... thereby illuminating the process of evolution by natural selection."

Ja, het ophelderen van natuurlijke selectie is een meer vrijblijvende uitdrukking. Daar kan ik het mee eens zijn. Maar het is niet correct om een 'Darwin-vriendelijke' conclusie te trekken op grond van deze data. Tsja, sommige mensen denken dat Darwin 365 dagen per jaar 'jarig' is...


Ter verdediging: haar onderzoek is letterlijk voorbeeldig, paradigmatisch, zou je kunnen zeggen. Alleen de onderzoeksresultaten heb je helaas, of gelukkig, niet onder controle.

Het onderzoek wordt vervolgd neem ik aan. Ik zou bijvoorbeeld graag veldwaarnemingen zien die onthullen welke predatoren de muizen bejagen. En hoe ze dat doen. Alleen op het zicht of ook op het gehoor? Alleen 's nachts? En zijn het alleen uilen? Of ook andere roofvogels of roofdieren zoals slangen? Muizen zouden uitgerust kunnen worden met miniature tracking sensors zoals ook gedaan is bij vleermuizen. Dan kun je hun gedrag van minuut tot minuut volgen.
Er zijn vast wel studenten die dat onderzoek voor hun rekening willen nemen als afstudeerproject!


Update 21 feb: tekst iets aangepast om onduidelijkheden te vermijden.

Bronnen

• Linking a mutation to survival in wild mice, (abstract), The Hoekstra Lab. De publicatie is gratis als pdf te downloaden.
• One gene, many mutations: Key that controls coat color in mice evolved nine times,Science Daily, March 14, 2013
• Carl Zimmer, Douglas J. Emlen (2013) Evolution, p.191-192,  205-208. Dit is een zeer rijk geïllustreerd en toegankelijk leerboek evolutie. De auteurs behandelen het onderzoek van Hoekstra als een textbook voorbeeld van hoe je evolutieonderzoek verricht. Ondertussen is er een tweede druk verschenen in 2015.

Vorige blogs over dit onderwerp

• Een experiment dat Darwin graag had willen gebruiken als bewijs voor natuurlijke selectie, 12 February 2019 (blog ter gelegenheid van Darwins verjaardag)

Een experiment dat Darwin graag had willen gebruiken als bewijs voor natuurlijke selectie

Charles Darwin
geb. 12 feb 1809

Vandaag 12 februari 2019 is het 210 jaar geleden dat Charles Darwin, de grondlegger van de evolutietheorie, geboren werd. Daar gaan we een blog aan wijden. Het probleem is dat ik daar vandaag niet de tijd voor heb gehad wegens bezigheden elders. Dat blog komt er morgen. Wat is 1 dag op miljoenen jaren? Darwin had het graag geweten wat ik ga schrijven. Hij had het graag in de Origin of Species opgenomen. Dat weet ik zeker.

Twee muizen van dezelfde soort met verschillende kleur

In Science van 1 feb 2019 verscheen een redactioneel artikel 'Testing evolutionary predictions in wild mice'. Daarin wordt een publicatie besproken waarin alle mogelijke aspecten onderzocht werden van natuurlijke selectie van de vachtkleur van muizen in het wild.

Het was bekend dat in de natuur twee varianten van een bepaalde muizensoort voorkomen. En dat er gebieden zijn met donkere en lichtere ondergrond. In de gebieden met lichtere ondergrond komen meer lichtere muizen voor en in de donkere gebieden meer donkere muizen. Het ligt dus voor de hand om te concluderen dat de vachtkleur een aanpassing is aan de omgeving. Immers, heb je een kleur die contrasteert met de omgeving dan zien op het oog jagende roofvogels je eerder. En wordt je vaker gepakt. Muizen met een betere schutkleur zullen vaker overleven. Tot zo ver de theorie.

De biochemische en genetische oorzaak van kleur.
Links: wildtype, Rechts: mutant
© Science 2019

De onderzoekers wilden de onderste steen boven hebben. Is het echt natuurlijke selectie? Hoe kun je dat aantonen? Ze hebben een grootschalig experiment gedaan in de natuur. Ze hebben donkere muizen en lichtere muizen gevangen en uitgezet in omheinde veldjes in lichtere en donkere gebieden. Dus zo kwamen er donkere muizen te leven in lichtere gebieden, en lichtere muizen in donkere gebieden. Daarna hebben ze steeds steekproeven genomen hoe het met ze ging. Het bleek dat muizen met een kleur die contrasteerde met de omgeving in aantal achteruit gingen. Uit eerder onderzoek was gebleken dat in die gebieden uilen voorkomen die op muizen jagen.

Het kan toeval zijn dat de vachtkleuren verschilden in de verschillende gebieden. Dat hebben ze met statische tests uitgesloten. De verschillen waren niet random. Een statistisch significante afwijking van random verandering is natuurlijke selectie.

Maar is het niet subjectief om vachtkleur op het oog vast te stellen? Dat hebben ze opgelost met een spectrofotometer die objectief verschillen in kleurintentsiteit meet.

Of uilen die verschillen zagen is vastgesteld met plastic muizenmodellen met de zelfde kleurverschillen. Door beschadigingen aan de plastic modellen konden de onderzoekers zien dat na verloop van tijd de muismodellen aangevallen waren.

Is de vachtkleur 100% erfelijk? Ze hebben door het complete DNA van de muizen te screenen vast kunnen stellen welke genen er bij betrokken waren. En hoe de mutant muis met de lichtere kleur genetisch verschilde. Het bleek dat de mutant een eiwit dat verantwoordelijk was voor de kleur had waarin het aminozuur Serine ontbrak. Een heel klein verschil dus. Een puntmutatie.

Hoe werkt die mutatie precies? Ze hebben vervolgens in het lab opgehelderd hoe dat biochemisch in zijn werk gaat (in bovenstaande afbeelding schematisch weergegeven). Dus de relatie afwijkend eiwit en kleur is vastgesteld. Om het compleet te maken hebben ze individuele haren onder de microscoop gelegd.

Om er helemaal zeker van te zijn dat specifiek die ene puntmutatie de (belangrijkste) oorzaak van het kleurverschil was hebben ze die ene mutatie met genetische modificatie technieken aangebracht bij (donkere) muizen van dezelfde soort. Een state-of-the-art techniek. Toen bleek die ingreep dezelfde kleurverschillen op te leveren als in de natuur. Er is dus een oorzakelijk verband tussen die ene mutatie en vachtkleur. Wat niet uitsluit dat er meerdere genen bij betrokken zijn.

Wat zou kun je nog meer doen? Ideaal zou zijn om op video vast te leggen dat uilen of andere roofvogels die muizen in het wild pakken. Ik geloof dat ze dat niet gedaan hebben met hun plastic muizen in het veld. Ook zou ik met experimenten bewezen willen zien hoe uilen in het donker tamelijk subtiele kleurverschillen kunnen zien. En welke roofvogels er eventueel nog meer op muizen jagen.

Hoe dan ook de onderzoekers hebben in de loop der jaren met genetisch, moleculair-genetisch, populatie-genetisch, genome, ecologisch, biochemisch en fysisch onderzoek aangetoond dat de vachtkleur door natuurlijke selectie aangepast wordt aan de natuurlijke omgeving. En dat er fitness verschillen zijn.

Darwin zou deze resultaten onmiddellijk opgenomen hebben in het eerste hoofdstuk van zijn Origin of Species ter aanvulling van zijn voorbeelden van kunstmatige selectie van postduiven. Dat kan nu niet meer. Wat wel kan is dit opnemen in de evolutie handboeken. Dat is precies gebeurd met eerdere studies naar deze muizensoort. In Bergstrom en Dugatkin Evolution vond ik 6 pagina's gewijd aan deze muizen. In de volgende druk kan het nu aangevuld worden met het recentste vervolgonderzoek.

Bronnen

• Fanie Pelletier (2019) Testing evolutionary predictions in wild mice, Science, 1 Feb 2019. (Dit is het redactioneel commentaar)
• Rowan D. H. Barrett et al (2019) Linking a mutation to survival in wild mice. Science, 1 Feb 2019 (dit is het research artikel)
• Carl Bergstrom en Lee Alan Dugatkin Evolution, 2012.  Paragraaf: Natural selection and Coat Color in the Oldfield Mouse, pp.66-72.(dit is een recent evolutie handboek)

Volgend blog over dit onderwerp

• Darwin's verjaardag is voorbij. Nu is het tijd voor kritiek. 18 feb 2019

Paradiso lectures 2019. Jan Hoeijmakers: Emma is the first DNA repair syndrome patient who benefits from basic research

Emma (bron)

Summary

Jan Hoeijmakers and colleagues have examined the effects of dietary restriction in mouse models with defective DNA repair. Those mutant mice show aging at an accelerated rate similar to Progeroid syndrome children. Strikingly, a dietary restriction of 30% substantially increased lifespan in the mutant mice. Now, for the first time, dietary restriction in a child with the DNA-repair deficient syndrome TTD showed spectacular cognitive and motor improvements. These findings  have been presented on Sunday 3 February 2019 at the Paradiso lecture in Amsterdam.


Emma is het eerste DNA-repair syndroom patiëntje dat profiteert van fundamenteel onderzoek. Dit is een belangrijke en recente doorbraak in onderzoek dat al in 1981 begon in het lab van Prof. Jan Hoeijmakers. Hij bracht het nieuws tijdens de eerste Paradiso lezing van 2019 op zondag 3 februari 2019.

Emma is geboren met de zeldzame erfelijke ziekte TTD (TrichoThioDystrophy). De ziekte wordt veroorzaakt door een mutatie in één van de drie eiwitten die betrokken zijn bij DNA repair. Dit zijn DNA beschadigingen met name veroorzaakt door UV licht.
Emma heeft groei achterstand (ze is klein) en een intellectuele achterstand, kan niet zelfstandig lopen, en kan niet praten. Maar door een dieetrestrictie kan ze nu kleine stukjes zelfstandig lopen, is haar tremor (trillende handen) kwijt, kan haar eigen naam schrijven. Je mag dit wel een wonderbaarlijke genezing noemen. Vooral als je bedenkt dat dit bereikt is door 26% minder calorieën aan voedsel in te nemen (van 1150 naar 850 kCal). Dus geen extreem dure geneesmiddelen, maar simpel minder eten. Dieet restrictie werkt beter dan welke medicatie dan ook zegt Hoeijmakers. En de eerste verbeteringen waren na 2 weken al zichtbaar. Het was dus geen onomkeerbare schade aan haar zenuwstelsel.

Haar ouders, diëtist en arts waren eerst zeer sceptisch om zo'n kwetsbaar kind minder eten te geven. Hoeijmakers heeft hen kunnen overtuigen op basis van wat hij al eerder in zijn proefdieren (muizen) had gezien. Nog steeds vinden ze het emotioneel moeilijk om zo'n kind minder eten te geven. Maar Emma lijdt geen honger en ze zien spectaculaire verbeteringen.

Jan Hoeijmakers (bron)

Hoe kan dit? Hoeijmakers denkt dat dieetrestrictie ervoor zorgt dat er minder DNA schade ontstaat en daardoor beschermt tegen veroudering (en kanker). DNA-repair patiënten zijn overgevoelig voor DNA schade. Als er minder schade is, hebben ze er ook meer baat bij dan gezonde personen. Het zenuwstelsel profiteert het mest van dieet restrictie. Dus vroege Alzheimer patiënten zouden ook veel baat kunnen hebben van dieetrestrictie. 

Survival response

Hoeijmakers denkt dat de verklaring voor het opvallende effect van minder eten een survival response van het organisme is. In plaats van de beschikbare energie in groei te stoppen, wordt die in onderhoud en reparatie gestopt. Dieetrestrictie is de trigger die de switch maakt. Een evolutionair zeer oud mechanisme.

Ik kan dit begrijpen omdat er een trade off is tussen celdeling en kwaliteitscontrole. Kwaliteitscontrole van DNA kost tijd. Als je er veel tijd in kwaliteitscontrole stopt krijg je minder kopieerfouten. Maar daardoor vertraag je de celdeling. Als je sneller wilt delen, dan moet je meer fouten op de koop toe nemen.

Veroudering, Alzheimer, Kanker

Hoeijmakers kwam indertijd met de controversiële hypothese dat de mate van DNA-reparatie aan de basis ligt van veroudering. Ook denkt hij dat muizen waarbij een DNA-reparatie gen is uitgeschakeld, het proces van Alzheimer veel beter nabootsen dan de nu gebruikte muismodellen. Tenslotte is Hoeijmakers in het Princess Maxima Center onderzoek gestart om door dieetrestrictie de nadelige bijwerkingen van chemotherapie en bestraling tegen te gaan.

De lezing was om 1 uur afgelopen en hoewel ik normaal lunch om 12:30, heb ik geïnspireerd door zijn verhaal de lunch uitgesteld tot 14:30. Terwijl de rest van de aanwezigen na afloop van de lezing genoten van een gratis drankje en hapje.

Vorige blogs over dit onderwerp

• Paradiso-lezing 2015 Hans Clevers: kanker is een Darwinistisch proces, blog 15 March 2015
• Geen leven zonder DNA-repair. De Lindahl paradox en de Eigen paradox, 21 October 2015 
• Nobelprijs voor het repareren van DNA 8 oct 2015

update 14 feb: title in English

Bronnen

• Paradiso lezing 3 feb 2019
• TTD (Trichothiodystrophy) 
• Emma Facebook
• Jan Hoeijmakers et al (2016) Restricted diet delays accelerated ageing and genomic stress in DNA-repair-deficient mice, Nature 537, 427–431 (15 September 2016)
• wikipdia pagina Jan Hoeijmakers.
• Interview met Hoeijmakers in 2016.
• Streng dieet wapent tegen 'verouderingsziektes' rivm, 2016
• Onderzoek in het Princess Maxima ziekenhuis voor kinderoncologie 
• Reduced-calorie diet shows signs of slowing ageing in people Nature, 22 maart 2018. (Most comprehensive study yet demonstrates that cutting people’s energy intake dials down their metabolism)