Drie hoofdkenmerken van planten en dieren houden verband met elkaar

In mijn zoektocht naar de verklaring van introns en met name wat de evolutie boeken over introns schrijven kwam ik terecht bij de door mij zeer bewonderde Nick Lane, bekend van het magistrale Oxygen. In zijn recentste boek Life Ascending [1] kwam ik een interessante paragraaf tegen over een revolutionaire hypothese van Martin en Koonin [2] die een poging doen om de drie hoofdkenmerken van de eukaryotische cel te verklaren.

Eukaryoten zijn alle planten en dieren. NB: de kern (karyon) geeft de naam aan eu-karyoten. Bacteriën zijn geen eukaryoten. De drie hoofdkenmerken van Eukaryoten zijn: een celkern, een mitochondrion en introns. Bacteriën hebben géén celkern (wel DNA uiteraard), géén mitochondrions en géén introns [3]. Volgens Martin en Koonin hangen deze 3 hoofdkenmerken samen.

Over het nut en de oorsprong van de kernmembraan zijn vele hypotheses bedacht die geen van allen voldoen. Waarom zou je een membraan (met gaten!) om chromosomen willen hebben? Het vertraagt alleen maar de informatie overdracht van DNA naar de rest van de cel. Bescherming? Tegen wat? En bij iedere celdeling moet die membraan weer afgebroken worden!

Volgens de MK hypothese vormt de kernmembraan een barrière tussen mRNA en ribosomen. De membraan van de celkern zou er voor zorgen dat de machinerie in de celkern [4] de tijd heeft introns netjes uit het mRNA te knippen. Daarna kan het zonder problemen naar ribosomen in het cytoplasma gaan om vertaald te worden in eiwitten. Als bacteriën introns zouden hebben, zouden introns (ten onrechte) vertaald worden naar eiwitten omdat bacteriën geen celmembraan hebben die dat tegen zou kunnen houden.

Martin, Koonin [2]

Tot zover duidelijk. Maar: waarom zitten er dan überhaupt introns in ons DNA? Als ze schadelijk zijn, waarom zijn ze dan niet weggeselecteerd in plaats van zoiets als een kernmembraan uit te vinden? Hier komt het mitochondrion naar voren: het is 'de bron van onze introns' volgens de MK hypothese. Het mitochondrion is nl een indringer (zie: endosymbiosis theorie) met uiterst nuttige eigenschappen [5] maar met een gevaarlijke lading introns in hun DNA. Die introns lekten en integreerden in het DNA van de vroege eukaryoot. Ze richten daar waarschijnlijk grote schade aan. Paard van Troje! Individuen die een kernmembraan én knipmachinerie in de kern bezaten, hadden een verdedigings mechanisme in handen. Op die manier leg je dus een functioneel én een chronologisch verband tussen het mitochondrion, introns en de celkern! Verbluffend: een verband tussen de 3 hoofdkenmerken van de eukaryotische cel. Die drie hoofdkenmerken zijn nu geen toevalligheden meer. Dat is vooruitgang! Het is een belangrijke hypothese. Je zou hem ook the extended endosymbiosis theory kunnen noemen. Ook belangrijk omdat Martin en Koonin belangrijke wetenschappers zijn. Anders gezegd: alleen belangrijke wetenschappers zijn in staat om tot gewaagde, vernieuwende hypotheses te komen zonder direct tegengesproken te worden door vervelende feiten die ze op dat moment niet kenden. De mindere goden onder de wetenschappers zouden grandioze theorieën bedenken zonder eerst alle relevante feiten te inventariseren.

Nick Lane

Ik heb wel een probleempje met de manier waarop Nick Lane de hypothese neerzet. Hij verwisselt de woorden 'intron' en 'transposable element' te vaak. Hij gebruikt ze haast als synoniem. Het kan wel waar zijn dat introns afstammen van transposable introns II, maar eukaryotische introns hebben helemaal geen transposable eigenschappen (meer). Dat moet je dus niet door elkaar halen. Introns zijn geen transposons. Dat is verwarrend. In een email uitwisseling gaf Lane ook toe dat er in de base volgorde van eukaryotische introns geen enkel bewijs te vinden is voor hun afstamming van transposable elements. De aanwijzingen liggen meer in de manier waarop introns uitgesplitst worden, maar dat is indirect 'bewijs'.

Ik vind dit soort hypotheses spannend, tot de verbeelding sprekend en educatief, omdat ze functionele verbanden leggen tussen verschijnselen die tot nu toe geïsoleerde feiten waren: de celkern, het mitochondrion en introns. De hypothese brengt orde in de chaos. Zo krijgen we een beetje vat op de overstelpende hoeveelheid bizarre details van het leven. De geschiedenis van het leven kent toch al zoveel toevallige gebeurtenissen. Het endosymbiosis incident (zo'n 2 miljard jaar geleden) was op zich al een bizar incident dat de basis legde voor alle planten en dieren inclusief wijzelf. Toen drongen introns onze genen binnen, en dat legde de basis voor onze celkern. Die celkern hebben we dus aan introns te danken. Die introns hebben we aan die indringer het mitochondrion te danken. Ons leven hangt van toevalligheden aan elkaar.

Toch blijf ik met vele vragen zitten. Wat ik vaak mis in dit soort hypotheses is wat er nog ontbreekt aan kennis, wat er allemaal wordt aangenomen. Helpt een membraan met gaten écht tegen het doorlaten van ongesplitste mRNAs? Is er experimenteel bewijs? Dat zou toch moeten kunnen. Bestaan er ziektes van de kernmembraan: ik heb last van 'te-grote-gaten-in-mijn-kernmembraan-syndroom'?  [6] Is er een actief of passief transport door de gaten? Waren er misschien andere voordelen van een kernmembraan? (aanhechten chromosomen?). Ook vraag ik mij af: de mooie rol die de auteurs aan de kernmembraan toekennen: is dat niet wijsheid achteraf? Zit er niet een heel klein beetje story-telling in? Waarom had er niet gewoon selectie kunnen optreden tegen introns in genen? Gewoon ieder gen wegselecteren waar een intron in zit? Gewoon alle opties op een rijtje zetten. Dat soort afwegingen mis ik. Hoe knap de hypothese ook is. Daartegenover staat een zekere bescheidenheid van vele onderzoekers die je in allerlei varianten tegenkomt:

"the mechanisms of intron insertion remain a mystery"

Dat maakt dat het onderzoek naar introns nog steeds spannend is!

Noten

1. Nick Lane (2009) Life Ascending - The Ten Great Inventions of Evolution, p. 112-117.
   
2. William Martin and Eugene V. Koonin 'Origin of nucleus–cytosol compartmentalization in the wake of mitochondrial origin' . Hypothesis. Nature 440, 41-45 (2 March 2006) 
3. tenminste niet de typische eukaryotische introns (spliceosomal introns). NB de hoofdkernmerken zijn kenmerken van de eukaryotische cel! Er zijn ook ééncellige eukaryoten.
4. De splicing machinerie of: het spliceosoom. Transcriptie (het maken van RNA op basis van DNA) en Translatie (het maken van eiwit op basis van mRNA) zijn ruimtelijk gescheiden.
5. de nuttige eigenschappen van mitochondrions zijn energieproductie. 
6. Dit onderzoek gaat over afwijkende celmembranen: Hannes Lans and Jan H. J. Hoeijmakers(2006)  Cell biology: Ageing nucleus gets out of shape, Nature 440, 32-34 (2 March 2006) 

 

Vorige blogs over introns

• Introns voor beginuitknippenners
• Het intron-mysterie voor gevorderden (1) 
• Het intron-mysterie voor gevorderden (2) Evolutie van introns
• Oude en nieuwe inzichten in de functie van introns