Het intron-mysterie voor gevorderden (2) Evolutie van introns

In vorige blogs over introns heb ik gekeken naar de mogelijke voor- en nadelen van introns en bij welke organismen ze voorkomen. In dit blog probeer ik de vraag te beantwoorden waar introns evolutionair gezien vandaan komen. Hoe oud zijn ze? Wat is hun afstamming? Het blijkt dat deze simpele vragen nog niet zo makkelijk te beantwoorden zijn en soms paradoxale resultaten opleveren.

Laten we gaan kijken naar het voorkomen van introns in de stamboom van het leven. Met introns bedoel ik de meest algemeen voorkomende introns (zgn spliceosomal introns) zoals die we aantreffen bij planten en dieren (Eukaryoten). Er zijn in principe twee evolutionaire mogelijkheden: introns zijn laat (Introns Late) of vroeg ontstaan (Introns Early hypothesis):

L: Introns Late theory; E: Introns-Early; F: Introns-First theory.
Eukaryotes = planten + dieren + schimmels
Archaea = eencellige organismen, maar géén bacterieën/Eukaryoten
LUCA = Last Universal Common Ancestor
intron invasie; intron verlies
RNA-world = stadium met alléén RNA, nog geen DNA.
Figuur afkomstig uit (1)

 

Gezien de afwezigheid van introns in Bacteria en Archaea lijkt de meest voor de hand liggende mogelijkheid (a) dat ze evolutionair 'recent' ontstaan zijn, d.w.z. nádat Bacteria en Archaea afgeplitst zijn. Vlak voor het ontstaan van de Eukaryoten moet er een invasie van introns plaatsgevonden hebben. Bacteria en Archaea hebben nooit (spliceosomal) introns gehad. (er komt wel een zeldzamere soort introns voor)
Volgens de Introns Early hypothese (b) zijn introns héél oud, ze zijn ontstaan in de gemeenschappelijke voorouder (LUCA) van Bacteria, Archaea en Eukaryoten (E) of zelfs nog eerder (F). In het laatste geval (F) zijn introns zo oud als het leven zelf! Zo oud als de oudste genen. Dat was in een tijd dat RNA in plaats van DNA de drager van erfelijke informatie was. Daarom heet die fase de 'RNA-world'. In optie (b) hebben Bacteria en Archaea alle introns verloren.

Dilemma
Het dilemma is nu dat als je uitgaat van het laat ontstaan van introns (IL=Introns Late), je wel een verklaring hebt voor het ontbreken van introns in Bacteria en Archaea, maar dat je een grote intron invasie moet veronderstellen in de directe voorouder van de Eukaryoten (planten + dieren + schimmels). Gelijktijdig met de intron invasie moet je de evolutie van de complexe knipmachinerie (spliceosome, spliceosoom) aannemen. Bovendien moet je een ingewikkeld mengsel van intron afname en toename aannemen in de Eukaryoten, want de verspreiding binnen de Eukaryoten is nogal verschillend.
Als je het vroege ontstaan van introns (IE=Introns Early) aanneemt, moet je een totaal verlies van introns in Bacteria en Archaea aannemen. Dat is niet onmogelijk. Het kan onderdeel zijn van streamlining van het genoom van eencelligen. Maar, hoe waarschijnlijk is het? Ik weet niet of er bewijs bestaat of Bacteria ooit spliceosomal introns gehad hebben. Voorstanders van Introns Early interpreteren introns als overblijfselen van de ruimte tussen genen (spacers) en interpreteren exons als de oorspronkelijke mini genen. In de loop van de evolutie zou een serie exons compleet met introns één gen geworden zijn. Zo zien genen er tegenwoordig uit (3).

Catastrofaal
Aan de andere kant (Introns Late) moet de invasie van introns in eukaryoten catastrofaal zijn geweest. Genen overleven dat niet, als er geen betrouwbaar mechanisme is dat introns er weer uitknipt. Is dat mechanisme eenmaal aanwezig, dan kan ik me voorstellen dat introns zich makkelijker kunnen uitbreiden. We zien dat ook grofweg gebeuren in de loop van de evolutie van eencellige naar meercellige Eukaryoten (zie ook figuur in vorige blog over introns). Sommigen suggereren dat er samenhang bestaat tussen twee typerende eigenschappen van eukaryoten: introns en de celkern.

Celkern
Er zijn twee redenen waarom bacteriën nooit het type introns (spliceosomal introns) gehad kunnen hebben dat Eukaryoten nu hebben: het uitknippen van introns uit het mRNA moet in de celkern (nucleus) gebeuren, en bacteriën hebben geen celkern! Ten tweede: Bacteria en Archaea hebben geen spliceosoom en kunnen dit type introns dus überhaupt niet uitknippen. In Eukaryoten worden eiwitten in het cytoplasma (buiten de kern) gemaakt op basis van mRNA dat in de kern wordt 'opgeschoond'. In Bacteria en Archaea vinden mRNA synthese en eiwitsynthese in hetzelfde compartiment (= de cel) plaats. Dit alles lijkt mij een aardig argument tegen IE...

Zeldzame introns
Bacteria en Archaea hebben een zeldzaam soort introns: introns die zichzelf uitknippen! (= self-splicing).

type intron	Eukaryotes	Prokaryotes
Spliceosomal	+	-
Self-splicing	+	+
tRNA	+	+

 (bron: wikipedia)

Maar ze zijn zeldzaam i.v.m. hun compacte, gestroomlijnde genoom. Self-splicing introns hebben geen hulp nodig van enzymen. Ik kan me dus voorstellen dat ze voorkomen in zeer oude levensvormen dicht bij de oorsprong van het leven. Die self-splicing introns komen ook bij de mens voor (zeldzaam), maar niet in de eiwit-coderende genen (in de kern). Waarom weet ik niet. Ik heb geen verklaring kunnen vinden. Het grote verschil is dat de base volgorde van bacteriële introns er wél toe doet: het is een self-splicing RNA (het codeert niet voor een eiwit). In tegenstelling tot de eukaryotische introns waarvan de base volgorde niets betekent (zie Patthy-grafiek hier onder). Dat is nogal een groot verschil! Toch zie je in de literatuur dat men aanneemt dat de eukaryotische introns afstammen van bacteriële introns. Het idee is dat eiwitten langzamerhand zijn gaan assisteren met het uitknippen totdat ze daarin zo goed waren dat het self-splicende vermogen verloren is gegaan.Toen dat verloren was, stond de weg open voor onbeperkte accumulatie van mutaties in de base volgorde van de eukaryotische spliceosomal introns...

De base volgorde van introns
Het grote verschil van bacteriële introns en eukaryotische introns is dat de bacteriële voor een functioneel RNA coderen en de eukaryotische introns coderen niet voor een functioneel RNA of eiwit.

Patthy (1999) Fig 4.1 (5) Gemiddelde substitutie snelheid in verschillend DNA
(gebaseerd op Li & Grauer 1991)

 

Een sterke aanwijzing voor afwezigheid van een functie is de accumulatie van mutaties. Introns blijken bijna dezelfde substitutie snelheid te hebben als pseudogenen (pseudogenen zijn stukken DNA waarvan de base volgorde er niet toe doet omdat ze selectief neutraal zijn). In andere woorden: de base volgorde evolueert even snel als pseudogenen. De base volgorde van introns doet er nauwelijks toe. Die base volgorde gaat op den duur lijken op een random volgorde (randomisatie). De base volgorde is selectief neutraal. Het enige wat telt zijn een tiental bases aan het begin en einde van het intron die er voor zorgen dat introns uitgeknipt worden (splicing). Die blijven geconserveerd. Mutaties in splicing sites (= herkenning sites) zijn fataal. Omdat introns vaak groot zijn, valt het kleine aantal functionele bases in splicing sites in het niet bij het grote aantal bases die vrijelijk muteren. Daarom lijken introns (met pijltje) in figuur 4.1 op pseudogenen. Patthy wijst er op dat introns zeer tolerant zijn voor substituties, deleties en inserties. En dat zien we ook: introns variëren veel meer in grootte dan exons. In vergelijking met exons is de spreiding in grootte van introns is veel groter.
Een recente publicatie (2006) vindt dat over relatief korte evolutionaire periodes introns korter of langer kunnen worden, maar het aantal en positie van introns in overeenkomstige genen kunnen over langere evolutionaire periodes veranderen. Wanneer je dus leest dat er introns zijn in vertebraten met dezelfde positie als eenvoudige meercellige dieren, dus 100 miljoen jaar constant zijn gebleven, dan wil dat niet zeggen dat de introns zélf identiek zijn gebleven. Het gaat om hun posities in genen.

Alternative splicing voor gevorderden
Dat de inhoud van introns grotendeels random is, is goed verenigbaar met het feit dat er bij alternative splicing zelden introns blijven zitten en vertaald worden naar eiwit (4). Als ze niet naar eiwit vertaald worden, worden ze ook niet getest door natuurlijke selectie. Het is nuttig om de 20 jaar oude test van Li & Grauer (1991) in bovenstaande figuur opnieuw uit te voeren met het oog op introns die niet uitgeknipt worden en dus wel in eiwitten terecht komen (zoals in sommige planten en eencellige eukaryoten). Te verwachten is dat die introns net zo langzaam evolueren als exons. Het zijn in feite exons.
Een toename van het aantal genen met alternative splicing in gewervelden (vertebraten) ten opzichte van ongewervelden (invertebraten) moet ongeveer 300 miljoen jaar geleden opgetreden zijn (4). Dit kan natuurlijk niet als argument gebruikt worden voor het ontstaan van introns miljoenen jaren eerder! Natuurlijke selectie heeft geen vooruitziende blik.

 

Voorlopige conclusie

Er valt niet te ontkomen aan de volgende conclusies (2):

• de allereerste eukaryoten (= planten + dieren + schimmels) hadden introns
• een aantal introns zijn 1,5 tot 2 miljard jaar oud
• dat er in iedere afstammingslijn introns zijn bijgekomen en verdwenen
• de meerderheid van introns in gewervelden (vertebraten) en planten zijn evolutionair recent
• paradoxaal: de mens heeft méér introns gemeenschappelijk met de plant Arabidopsis thaliana dan met de fruitvlieg en worm.

Dat laatste paradoxale resultaat maakt de studie van introns zo boeiend. Het veld zit vol verrassingen en (nog) onverklaarde verschijnselen. Het maakt duidelijk dat we nog zo weinig weten van het hoe en waarom van introns. Verder blijkt uit de voorlopige conclusies dat zowel de Introns Early als de Introns Late theorie beide waar te zijn. Het is eigenlijk een valse tegenstelling.
Ik heb nog vele zaken laten liggen: de connectie van introns en de oorsprong van het leven, en creationisten (!) over introns, wat de (evolutie)handboeken schrijven over introns, en de nieuwste wetenschappelijke ontwikkelingen. Daar ga ik in volgende blogs op in.

Vorige blogs

• Het intron-mysterie voor gevorderden (1) 
• Introns voor beginuitknippenners

Noten

1. Jeffares, Mourier, Penny (2006) The biology of intron gain and loss, TRENDS in Genetics Vol.22 No.1 January 2006
2. Rogozin IB, Wolf YI, Sorokin AV, Mirkin BG, Koonin EV. (2003) 'Remarkable interkingdom conservation of intron positions and massive, lineage-specific intron loss and gain in eukaryotic evolution', Current Biology.
3. Alternatieve splicing doet eigenlijk net zoiets als exon shuffling: exons op verschillende manieren combineren. Combinatie's van exons worden op die manier getest op nut. 
4. Eddo Kim (2007) Different levels of alternative splicing among eukaryotes, Nucleic Acids Res. 2007 January; 35(1): 125–131 
5. László Patthy (1999) 'Protein Evolution', Blackwell Science. p.57.

Alles voor de wetenschap

Alles voor de wetenschap is een 6 delige serie over Belgische wetenschappers op KETNET/CANVAS op de donderdag. Ik heb aflevering 2 en 3 gezien en was zeer onder de indruk. In 55 minuten krijgen we een beeld van een wetenschapper die baanbrekend werk heeft verricht, maar waarvan de naam niet is doorgedrongen tot het grote publiek. 

De opzet is zowel aandacht voor de persoon als voor de wetenschappelijke ontdekkingen. Compleet met animatiefimpjes van DNA en nagespeelde scenes uit het verleden. Dit is een zeer geslaagde combinatie van persoon en werk. We hebben op Nederland de serie Profiel (40 minuten) van HUMAN die vooral de nadruk legt op de persoon en waar je niet veel over de wetenschap te weten komt (uitzendingen over Ellen van Wolde en Hans Clevers zijn voorbeelden). Overigens: aanstaande woensdag gaat Profiel over Dick Swaab (hier). Dan heb je op Nederland op de dinsdag het programma Labyrint (35 minuten), waar ik al eerder over geblogd heb (over de Arseen bacterie, Robotsex en Thermphos). Gaat vooral over actuele onderwerpen op wetenschappelijk gebied in Nederland, meestal een thema dat uit twee verschillende invalshoeken wordt belicht. Ik vind Alles voor de wetenschap nog de beste. Maar die duurt dan ook het langst.

Niet te vergeten: BBC Madagascar: aanbevolen! door Gerdien de Jong (dan moet het wel goed zijn!)

12 februari 2011: Darwin 202 jaar

Tulpenkistje Darwin
houten kistje met schuifdeksel en 50 Darwin Tulpen

 

Darwin tulp

 

Vandaag 12 feb 2011 is het precies 202 jaar geleden dat Charles Darwin is geboren. Een bosje bloemen is dus op zijn plaats. Bijvoorbeeld Darwintulpen. Een bollenkweker had Darwin tulpen in 2009 ter gelegenheid van de 200ste verjaardag in een luxe verpakking op de markt gebracht (zie foto). Die naam heeft hij niet zelf bedacht. Wat googelen leerde mij dat er een zekere E H Krelage te Haarlem is geweest die in 1899 officieel toestemming heeft gekregen van de zoon van Darwin om de tulpen naar Charles Darwin te vernoemen (bron). De tulpen zijn sindsdien in vele kleuren doorgekweekt, er zijn vele hybriden geproduceerd. Hoe is ooit nog vast te stellen wat een originele Darwin tulp is? Wordt er ergens een standaard Darwintulp bewaard, zoals de standaard meter in Parijs?

Met dank aan Susan die me tipte over de Darwintulpen!

Nieuwe kritische website over Junker & Scherer

Er is een nieuwe website over het boek Evolutie - Het nieuwe studieboek van Junker & Scherer:

https://sites.google.com/site/junkerscherer/

Op 14 en 15 december 2010 heeft Gerdien de Jong op dit weblog kritische gastbijdrages gepubliceerd over het boek. Echter, de blogbijdrages verdwijnen in de loop der tijd uit het zicht. De nieuwe website voorziet in de behoefte om alle kritiek op het boek te bundelen op één permanente locatie. Inmiddels is er al een kritische analyse over hoe Junker & Scherer genduplicatie behandelen toegevoegd. De schokkende conclusie is: "De weergave door Junker & Scherer in Evolution – ein kritisches Lehrbuch in 2006 is fout – wild en absoluut fout."
Tevens is er de mogelijkheid dat anderen hun bijdrages kunnen leveren. Ikzelf ga een hoofdstukje schrijven over hoe Junker & Scherer introns behandelen.

Het intron-mysterie voor gevorderden (1)

In dit blog en een volgend blog wil ik proberen een antwoord te vinden op de vragen:

1. welke biologische soorten hebben introns?
2. wat is het nut van introns?
3. hoe zijn introns ontstaan?
4. hoe verklaart de evolutietheorie introns? hoe verklaren creationisten introns?

Welke organismen hebben introns?

We kunnen de vraag naar het nut of schadelijkheid van introns pas goed beantwoorden als we voldoende goede gegevens over introns hebben. Hieronder ziet U een verhelderend plaatje (1). Het toont het gemiddeld aantal introns per gen in verschillende planten en diersoorten.

uit: Koonin (2006) Intron dichtheid voor verschillende eukaryoten
Microsporida, S.pombe, slime mold : eencelligen, Neurospora, Aspergillus: schimmel,
Nematode: grote groep van vaak parasitaire wormen.
(klik op plaatje voor vergroting)

 

Onmiddellijk valt op de grote spreiding van géén introns tot 8 introns per gen. Het is dus niet een kwestie van alles of niets, maar een gradatie. Ten tweede: er zijn organismen die géén introns hebben. Het kan dus wel. Ten derde: 'complexe' meercellige organismen hebben méér introns per gen dan eenvoudige ééncellige organismen. Zoogdieren en vogels hebben maar liefst gemiddeld 8 introns, planten (4 introns) zitten tussen vissen (3 introns) en wormen (5 introns) in. Bacterieën (niet in plaatje) hebben helemaal geen introns. Dit is voorlopig even voldoende wat data betreft.

Waarom die verschillen?

Bovenstaand plaatje roept onmiddellijk vragen op. Als introns schadelijk zijn, zijn ze dan minder schadelijk voor zoogdieren en vogels (die hebben er méér) dan voor planten en ééncelligen? Of, als introns toch op de één of andere manier nut hebben, hebben ze dan meer nut voor grotere, complexe dieren dan voor kleine, eencellige dieren? Er is een theorie die zegt dat op grond van populatie-genetische overwegingen kleinere organismen (denk aan bacteriën) beter in staat zijn om introns te elimineren (2). Daar kan ik mij iets bij voorstellen. Stel dat er bij iedere soort selectie tegen introns is. Dan is bij soorten met hoge voortplantingssnelheid (vaak kleinere dieren die in grote aantallen voorkomen) selectie beter in staat introns te verwijderen. Men zegt wel: ééncelligen hebben gestroomlijnde genomen. Mooie uitdrukking. Deze theorie lijkt een aardige verklaring te geven voor de data, maar veronderstelt naar mijn idee dat introns nadelig zijn. Want natuurlijke selectie verwijdert bij voorkeur nadelige eigenschappen. Dat introns nadelig zijn ligt ook wel voor de hand, zoals we in het vorige blog hebben gezien. Maar, een eventueel voordeel van introns is moeilijk in te passen in deze theorie.

Als we binnen de zoogdieren kijken, dan voorspelt de theorie dat kleine, zich snel voortplantende zoogdieren (bijvoorbeeld: muizen) minder introns moeten hebben dan olifanten. Dat is niet te zien in bovenstaande grafiek. Ik weet niet of daar gegevens over zijn. Zonder dit soort details kunnen we niet eens weten of die theorie een correcte en gedetailleerde beschrijving geeft van de data, laat staan verklaart.

Een andere mogelijkheid is dat het aantal introns positief gecorreleerd is met complexiteit. Veel introns zou dan gunstig zijn voor complexiteit. Een complicatie is dat meercelligen behalve complexer, meestal ook groter zijn dan ééncelligen. Deze twee verklaringen sluiten elkaar niet uit omdat complexiteit, lichaamsgrootte en trage voortplanting meestal samen gaan.

Aanwijzigingen dat introns nut hebben

Als bacteriën géén introns hebben, dan kunnen ze niet onmisbaar zijn. Tenminste niet voor bacteriën en een aantal ééncellige eukaryoten. Er kan dus geen universeel nut van introns bestaan. Maar misschien hebben introns bij voorkeur in meercellige dieren een nuttige functie? Er zijn intrigerende aanwijzingen dat introns een functie kunnen hebben. In mijn vorige blog had ik het over knipfouten. Dat veronderstelt dat het nadelige mutaties zijn. Maar stel dat het gewoon variatie's zijn die naast de standaard knip optreden (dit noemt men alternative splicing). Dit blijkt bij 40% van de genen van planten en dieren voor te komen en bij de mens mogelijk zelfs 70% (3). Nog een aanwijzing: er zijn wel 100 alternatieve knippen bij menselijke genen die een zeer sterke overeenkomst vertonen met die van de muis en de rat (3). Die noemt men ultraconserved introns. Dit duidt er meestal op dat ze een functie hebben. Als ze geen functie zouden hebben zou je op grond van de evolutietheorie verwachten dat ze steeds meer random verschillen zouden hebben geaccumuleerd. Men heeft gevonden dat sommige introns het aflezen van genen kunnen bevorderen. Verder zijn er aanwijzingen dat genen die vaak worden afgelezen kortere introns hebben. Dit wijst er op dat korte introns voordelig zijn. Dat heeft te maken met het feit dat het kopiëren van introns tijd kost. Voor een gen met vele en grote introns heeft men uitgerekend dat het 8 uur duurt voordat het afgelezen en verwerkt is, terwijl het zonder introns maar 12 minuten zou duren (3). Daar moet dus wel enige nut tegenover staan zou ik denken. Maar wat introns precies doen is in de meeste gevallen nog niet bekend. Dus bewijs hebben we nog niet. Ook moet je bedenken dat als je het nut van één intron hebt aangetoond, er gemiddelde nog 7 andere in een gen zitten waarvan je niet weet of ze nut hebben.

Lastig te interpreteren

Nog één feit. Het knip apparaat dat introns eruit knipt is bijzonder complex en groot. Het wordt spliceosome (Engels) of spliceosoom (Ned) genoemd. Het is het grootste moleculaire RNA-eiwit complex van de cel! Nog groter dan het ribosoom wat ook een groot RNA-eiwit complex is. De vraag is: pleit het spliceosoom nu voor het nut of de schadelijkheid van introns?

- Schadelijk: introns zijn schadelijk (in eiwitten) omdat ze er altijd uitgeknipt worden. Dus heb je zo'n duur spliceosoom keihard nodig. Vraagje: als je zo'n groot complex molecuul nodig hebt om introns er uit te knippen, ben je dan niet beter af als je beide elimineert? Een kwestie van stroomlijning? (zie: bacteriën!). Waar moet je beginnen met elimineren? Je kunt niet beginnen met het elimineren van het spliceosoom, want dan blijven alle introns zitten. Je kunt wel beginnen met het elimineren of inkorten van introns. Dat gebeurt ook. Maar zowel alle introns en het hele spliceosoom in één keer elimineren is gewoon niet te doen. Daarom zijn beide er nog.

- Nuttig: introns zijn nuttig ook als ze niet vertaald worden naar eiwit. Ze doen iets nuttigs in hun uitgeknipte vorm (dat is mRNA). Maar in dat geval moeten ze sowieso uitgeknipt worden. En daar heb je het complexe spliceosoom voor nodig. Dus om die paar nuttige intron functies heb je het hele knip apparaat nodig. En omdat het knip-apparaat toch bestaat, worden de nutteloze introns netjes uitgeknipt. En kunnen ze in iedere geval geen schade aanrichten in eiwitten. Ieder voordeel heeft zijn nadeel. En omgekeerd. Iedereen tevreden. Vraagje: hoe onderscheidt het knip- en verwerkingsapparaat de nuttige en de nutteloze introns? Dan krijg je dat weer. Bij de introns-zijn-nuttig opvatting heb je nog een probleempje: je moet veronderstellen dat niet alle dieren en planten evenveel nuttige introns hebben. Ze hebben immers verschillende aantallen introns (zie plaatje). Waarom is dat dan? Komt het allemaal neer op de volkswijsheid 'de voordelen wegen op tegen de nadelen?' En: de balans valt verschillend uit voor verschillende soorten? Ik ben er nog niet uit...

(de volgende blog over de evolutionaire geschiedenis van introns en wat creationisten over introns zeggen)

 

Bronnen

1. Eugene V Koonin (2006) The origin of introns and their role in eukaryogenesis: a compromise solution to the introns-early versus introns-late debate? Biology Direct 2006, 1:22 (Open Access)
2. Lynch, M. (2002) Intron evolution as a population-genetic process. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 6118-6123 
3. Jeffares, Mourier, Penny (2006) The biology of intron gain and loss, TRENDS in Genetics Vol.22 No.1 January 2006 (pdf)