De lange voorgeschiedenis van de Covid-19 vaccins

update #46

Even een kort blogje over de bewering dat de Covid-19 vaccins niet grondig getest zijn, en veel te snel op de markt gebracht zijn. 

Dit naar aanleiding van de discussie op een blogpost van 2 jaar geleden over een publicatie van Ronald Meester over de vermeende dodelijke bijwerkingen van de Covid-19 vaccins. Maar vooral naar aanleiding van het boek The Catalyst: RNA and the Quest to Unlock Life’s Deepest Secrets door Thomas R. Cech dat dit jaar verscheen. In een volgend blog wil ik een wat uitgebreidere boekbespreking posten in het Engels. Hier ga ik uitsluitend kort in op de kwestie hoe het kon dat RNA Covid-19 vaccins zo snel op de markt kwamen.

De naam Thomas R. Cech is voor altijd verbonden met de ontdekking van de enzymatische (katalytische) werking van RNA. Hij ontving hiervoor de Nobelprijs in 1989. Alweer een tijdje geleden. Cech behandelt Covid-19 vaccins in hoofdstuk 10.

Belangrijkste opmerking:

"How did scientists do it so quickly? The short answer is, they didn't. While the Covid-19 vaccine did appear in record time, it was built on decades of scientific breakthroughs."

Door gebrek aan kennis begonnen er al snel complot (conspiracy-) theorieën te circuleren. mRNA vaccins zijn inderdaad nieuw. Tot nu toe werden delen van virussen of levende verzwakte virussen of  recombinant DNA-technieken gebruikt als vaccin (echt waar, zie rivm info). Dit gebeurt niet bij mRNA vaccins. Daar wordt een stukje boodschapper RNA in een vetbolletje gebruikt. Boodschapper RNA (mRNA) is een onmisbaar onderdeel van de eiwitsynthese in iedere cel. Het is dus geen menselijke uitvinding of zo. Fundamenteel onderzoek naar RNA werd in de jaren 80 van de vorige eeuw gedaan uit pure wetenschappelijke nieuwsgierigheid. Dat onderzoek was niet uit op welke toepassing dan ook. Daarna volgt een lange geschiedenis van nieuwe ontdekkingen op het gebied van RNA door talentvolle, creatieve wetenschappers die buiten de gebaande wegen durfden te gaan. De producenten van het vaccin, Moderna en BioNTech, waren in januari 2020 nog onbekende biotech start-ups. De rest is history. De hele geschiedenis plus alle andere wetenschappelijke en medische RNA toepassingen worden op een leesbare manier beschreven in het boek van Thomas R. Cech. Daarover in een volgend blog meer.

Het beloofde blog is: 

Thomas R. Cech (2024) 'The Catalyst'. Covid-19 vaccines were built on decades of scientific breakthroughs and Nobel Prizes. 18 Nov 2024

Voor alle SARS-CoV-2 blogs klik op het label:

• SARS-CoV-2

Molecular evolution pioneer Richard Lewontin dies at 92

Richard Lewontin (1929-2021)

Molecular evolution pioneer Richard Lewontin died at 92. His ground-breaking publication was The Genetic Basis of Evolutionary Change (1974). In 1979 he wrote together with Steven Jay Gould the famous article "The Spandrels of San Marco and the Panglossian Paradigm: A Critique of the Adaptationist Programme". He was also known for his Marxist writings criticizing genetic determinism, social inequality and racism: Not in Our Genes (1984, together with Steven Rose and Leon Kamin); Biology as Ideology: The Doctrine of DNA (1993); The Triple Helix. Gene, Organism, and Environment (2000);  and It Ain't Necessarily So. The dream of the human genome and other illusions (2001).

To understand what was so revolutionary about Lewontin's contribution to evolutionary biology, we need to go back to the time before DNA sequencing. Today we see thousands of SARS-CoV-2 sequences being published almost on a daily basis. We can follow the spontaneous origin, spread or disappearance of new variants over the planet. Variation is the cornerstone for Darwin's theory. But the only variation available to Darwin was morphological variation. When Lewontin started his research in the mid sixties certain variations of proteins were detectable by a technique called electrophoresis. This technique could detect protein size differences and differences in electrical charge. Lewontin applied this technique to detect mutations in natural populations of Drosophila. That is, mutations that changed the size or electrical charge of a protein compared to the wildtype protein. In this way he could measure the degree of heterozygosity. Heterozygous refers to having inherited different forms of a particular gene (or protein) from each parent. Lewontin and Hubby found to their surprise that an average individual was heterozygous at 12% of its genes. The other 88% is homozygous (two identical copies of a gene).

Why is this so important for evolution? Suppose there was no genetic variation in natural populations. All individuals are homozygous, as if they were clones. Or identical twins. Then natural selection could do nothing. No evolution. But as soon one of the two copies of a gene has mutated, natural selection could favour one over the other. Textbooks say: "variation is the raw material for evolution." Darwin was right about that.

This study was soon followed by many others. The results were always: every individual in a population is genetically unique because there are potentially hundreds to thousands of variants of each gene and each individual harbours different combinations of all those gene variants. That was big news at the time. It transformed the way scientists think about evolution.

Researchers wondered why all those variant forms were not eliminated? Why don't we see only the wildtype? Are they random variations with no effect on fitness? Why did natural selection not eliminate them? In other words scientists at the time worried there was too much variation. Natural selection is a costly process ('the cost of natural selection problem'). Selection requires differential survival or reproduction. Later these questions led Kimura to propose his now famous 'The neutral theory of molecular evolution'.

Still later protein and DNA sequencing revealed far more differences between individuals. The first study of genetic variation using DNA sequences was published in 1983. That is 30 years after Watson and Crick published the structure of DNA. The rest is history. Today the study of evolution is the study of variation at the DNA level. 

The popular science books I mentioned above are within a different category. Difficult to summarize. These books are a mix of political activism, science criticism, and popular science. Often written from a political perspective or highly critical to mainstream scientific views on adaptation, genetic determinism, development, and the role of the environment. Undoubtedly, the most famous is the article he wrote with Steven Jay Gould: 'The spandrels of San Marco and the Panglossian paradigm: a critique of the adaptationist programme' (1979). 

 

See also an obituary of Lewontin in Nature: Richard C. Lewontin (1929–2021). Pioneer of molecular evolution who campaigned against biological racism.

 

What the textbooks say about Lewontin

• Douglas Futuyma (2005) Evolution. Lewontin is not in the index, but present in Literature list and a good discussion of the importance of his work can be found in the paragraph 'Genetic variations in proteins', page 203.
• Stephen Stearns, Rolf Hoekstra (2005) Evolution: an introduction. Lewontin is not in the index, not in the Literature cited, but he is mentioned on page 31: "... Lewontin and Ayala, for gene products detectable by electrophoresis, ... have shown that a great deal of genetic variation is present in natural populations for many types of trait and organism." (page 31).
  
• Freeman and Herron (2007) Evolutionary Analysis, 4th Edition. Lewontin is in index and discussed in paragraph 5.4 'Measuring genetic variation in natural populations'. 
• Nicholas Barton et al (2007)  Evolution. Lewontin is in the index and S. J. Gould, Lewontin (1979)  is discussed in the text. 
• 'Strickberger's Evolution' (2008). Lewontin is not in the index but in Literature cited. I could not find him in the text. 
• Carl Bergstrom, Lee Alan Dugatkin (2012) Evolution. Lewontin is discussed in 8.5 'The Neutral Theory of Molecular Evolution', page 276. They consider the work of Lewontin as a prelude to The Neutral Theory of Molecular Evolution. 
• Carl Zimmer, Douglas Emlen (2013) Evolution. Making Sense of Life. They have replaced Lewontin with modern day examples of genetic variation in populations.
  

Waarom zijn corona virussen zo groot? KNAW lezing van Eric Snijder 19 mei 2020

Er is iets merkwaardigs met de corona virussen: ze zijn groter dan alle andere RNA virussen:

 

Corona virussen vallen op door hun uitzonderlijke genoomgrootte
dat geldt zowel voor SARS-CoV-1 als SARS-CoV-2 (Eric Snijder)

 

Corona virussen hebben een RNA genoom van plm. 30.000 bases en dat is 2x–3x groter dan de rest van de RNA virussen. Evolutiebiologen dachten altijd dat RNA virussen een beperkte grootte hadden omdat RNA een hogere mutatiefrequentie heeft dan DNA. Coronavirussen zijn geen retrovirussen, want op geen moment er is er DNA betrokken in de reproductie cyclus van het virus.

mutatiefrequentie mens t.o.v. virus (Eric Snijder)

 

De mutatiefrequentie van planten- en dierencellen is 1 op de 10⁹. Dat is 1 fout op de miljard gekopieerde bases. Onvoorstelbaar nauwkeurig! De mutatiefrequentie van RNA ligt rond de 1 op de 10⁴. Dat is 1 op de 10.000. Dat is een gigantisch verschil. Hoe kan dat? De verklaring is dat DNA stabieler is dan RNA èn dat op DNA gebaseerde organismes een uitgebreid foutcorrectiesysteem hebben. Een klein RNA virus overleeft een mutatiefrequentie van 1 op de 10⁴ (zie rekenvoorbeeld in kader). Maar hoe kan een groot corona RNA genoom zich handhaven? Waarom gaat het niet ten onder aan een steeds groeiend aantal (schadelijke) mutaties? Coronavirussen leven boven hun stand!

In een interessante KNAW online college wijst moleculair geneticus Eric Snijder (Universiteit Leiden) er op dat de grotere corona virussen een foutcorrectie gen (nsp14-ExoN) hebben opgepikt van een gastheer in de loop van hun evolutie. En dat gen is zeer waarschijnlijk de verklaring voor het grotere genoom van de coronavirussen. Kleinere RNA virussen hebben het niet. De grotere wel. Dat is een belangrijke hint. Dit is een spectaculaire vondst. Dat is nieuw voor mij. Het geheim van corona: een RNA virus met foutcorrectie! Evolutie tekstboeken moeten herschreven worden.

Manfred Eigen

Het idee dat er een relatie bestaat tussen genoomgrootte en een maximum aantal kopieerfouten, is afkomstig van Nobelprijswinnaar Manfred Eigen. Een bekende en beroemde naam in de evolutiebiologie. Hij heeft de begrippen error threshold, error catastrophe, Eigen's paradox in de jaren 70 in de evolutiebiologie geïntroduceerd. Al weer 50 jaar geleden. Ze zijn van blijvende waarde omdat die begrippen zo fundamenteel van aard zijn. En Eigen was niet eens een evolutiebioloog. Een foutcatastrofe betekent dat boven een bepaalde mutatiefrequentie een genoom van een bepaalde lengte niet meer in stand gehouden kan worden. Er zijn neutrale, negatieve en positieve mutaties. Als de negatieve mutaties niet worden gecorrigeerd, krijgt een soort last van een sterke negatieve selectie. Er blijven steeds minder gezonde individuen in leven. Tot er een kantelpunt wordt bereikt. En het genoom instort. De populatie sterft uit.

Toren van Pisa

Toren van Pisa ≈ korter genoom

hogere toren ≈ langer genoom valt eerder om

 

Speciaal voor onze vrienden in Italië: de toren in Pisa is een leuke illustratie van de error threshold. Een error threshold is vergelijkbaar met de hellingshoek van de toren van Pisa. Wanneer de hellingshoek groter is dan 5,5 graden (met gelijkblijvende hoogte) valt de toren om. Dat is letterlijk en figuurlijk het kantelpunt! Is de hellingshoek kleiner dan 5,5 graden dan kan hij nog eeuwen blijven voortbestaan. De maximale hellingshoek hangt af van de hoogte van de toren. Heb je een hogere toren dan is de maximale hellingshoek kleiner. Maak je de toren kleiner dan is het probleem ook opgelost. Maar als je technische maatregelen neemt om hem rechter te zetten of hem te verstevigen, dan blijft hij staan. En dat is gedaan met de toren van Pisa. Daarom valt hij niet om.
Vergelijk dit met het coronavirus. Een coronavirus (lengte 30.000 bases) is (voor zover nu bekend) groter dan alle overige RNA virussen. Het coronavirus 'valt om' als het 1 op de 10.000 of meer mutaties heeft [1]. Tenzij je een gen hebt dat het aantal fouten verlaagt tot bijvoorbeeld 1 op de 100.000. En precies dat is er aan de hand is met coronavirussen [2]. Coronavirussen hebben met een 'reparatiegen' hun genoom verstevigt zodat ze nog eeuwen kunnen blijven voortbestaan. Net als de toren van Pisa.

Corona virus gehoorzaamt Darwin

(Eric Snijder)

Prof. Eric Snijder benadrukt dat virussen de wetten van natuurlijke selectie van Darwin volgen. De evolutie van virussen speelt zich af in dagen, weken en maanden in plaats van miljoenen jaren. Dat zie je in de volgende 2 illustraties:

Links: rood = 1 virus deeltje. Rechts: na vermenigvuldiging
duiken twee blauwe mutanten op. (Eric Snijder)

in een andere gastheer is de blauwe mutant voordelig (Eric Snijder)
Er is positieve selectie voor de blauwe en negatieve selectie voor de rode mutant.

 

Genetische mutanten die het virus produceert komen in verschillende aantallen terecht in de volgende generatie. De gastheer bepaald welke mutanten het beste reproduceren. Het milieu selecteert. Dat heet natuurlijke selectie. In de plaatjes hierboven produceert een virus-stam behalve identieke kopieën (rood) ook een paar mutanten (blauw). In een andere gastheer is de oorspronkelijke virus stam juist ongunstig en kunnen alleen de nieuwe mutanten (blauw) vermenigvuldigd worden. De rode stam is vervangen door de blauwe stam. Eén mutatie, een puntmutatie, kan al voldoende zijn. En die variant produceert ook weer een paar mutanten (groen, oranje). There you have it: mutatie + selectie = evolutie. Prof. Snijder merkt op dat Darwin niets van virussen wist (klopt!), maar virussen gehoorzamen de wetten van Darwin. Dat komt omdat die wetten zo fundamenteel zijn. Alles wat zichzelf reproduceert met erfelijke variaties die voordelig of onvoordelig zijn afhankelijk van het milieu, is onderhevig aan natuurlijke selectie. Dat is evolutie.

Rekenvoorbeeld -Stel je hebt een genoom van 100 bases en stel dat je een mutatiefrequentie hebt van 1:10. Dat wil zeggen dat er bij iedere kopieerronde 10 gemuteerde bases en 90 intacte bases ontstaan. Als je 10 kopieer rondes achter de rug hebt en als er geen selectie optreedt, en als er steeds andere bases muteren, zullen er 100 bases van de 100 originele gemuteerd zijn. Dus alles is gemuteerd. Het origineel is verdwenen. Een meltdown.  -Stel dat je een mutatiefrequentie hebt van 1:100 dan zal er na 1 kopieer ronde maar 1 base van de 100 gemuteerd zijn en duurt het 100 kopieer rondes voordat alles gemuteerd is.  -Stel dat je een mutatiefrequentie hebt van 1:1000 dan zal er pas na 10 kopieer rondes 1 mutatie opgetreden zijn in 1 nakomeling. En pas na 1000 kopieerrondes is het hele genoom van 100 bases gemuteerd. Dit zijn rekenvoorbeelden. In werkelijkheid is een gemiddeld virusgenoom 10.000 bases lang en de mutatiefrequentie 1:10.000 en zal er dus na 1 kopieer ronde 1 base gemuteerd zijn. En duurt het theoretisch 10.000 kopieerrondes voordat het hele genoom weggemuteerd is (meltdown). Een coronavirus met een genoom van 30.000 bases zal met die mutatiefrequentie 3 mutaties hebben na 1 kopieerronde, en zal 3x zo snel tot meltdown komen.

Postscript: profetische uitspraken Mark Ridley

Twintig jaar geleden deed Mark Ridley profetische uitspraken in zijn voortreffelijke maar zeer ondergewaardeerd en vergeten boek Mendel's Demon dat in het jaar 2000 verscheen. 

Het boek heeft een blijvende invloed op mijn denken uitgeoefend. Hij schreef het vóór de SARS-1 en SARS-2 epidemie. Over RNA virussen schrijft hij de profetische woorden:
"Never has so much suffering been caused by so little nucleic acid" [5].
Inderdaad. Dat was naar aanleiding van polio, HIV en influenza. Zijn uitspraak is zeer van toepassing op SARS.
Ridley schat de mutatiefrequentie van RNA virussen op 1 : 10³ tot 1 : 10⁵. Als gemiddelde waarde neemt hij 1:30.000. Dat is toevallig de lengte van het SARS-CoV-2 genoom! Dat zou betekenen dat iedere kopie van het SARS-CoV-2 één puntmutatie heeft. En dit is te danken aan het RNA-polymerase die RNA moet kopieren. Zonder RNA-polymerase zou 1 op de 100 bases gemuteerd zijn, schrijft hij. Ridley wist toen nog niets van het unieke error-correctie mechanisme ExoN waar Eric Snijder het over heeft en waardoor corona virussen de uitzonderlijke lengte van 30.000 bases kunnen bereiken. Is de schatting van Ridley toeval? Of is de bovengrens van plm. 30.000 al 20 jaar hetzelfde? Misschien wijst de kloof in genoomlengte tussen corona en de andere RNA virussen (in de grafiek van Snijder) alleen maar op ontbrekende gegevens. Dat kan. Volgens Ridley hebben RNA virussen een genoomgrootte van 3.000 tot 30.000 bases. In dat geval ziten corona virussen gewoon aan de bovengrens van de genoomgrootte van RNA virussen. Verder meldt Ridley dat RNA virussen een variabele kopieerbetrouwbaarheid hebben. Ja, dat kan kloppen. De vraag is: is die variatie van dien aard dat je continuïteit moet verwachten in genoomgrootte of is het ExoN gen zo uniek en zo effectief dat er een kloof ontstaat in genoomgrootte? Verder onderzoek zal het leren. We hebben van Ridley geleerd dat er een noodzakelijk verband is tussen kopieernauwkeurigheid en genoomgrootte. Die het weer van Eigen heeft geleerd. 

Conclusie: het corona virus heeft een genoomgrootte dat aan de bovengrens zit van wat een RNA virus met een RNA-polymerase en een daarbij horende mutatiefrequentie kan bereiken. 

Wat er ontbreekt in het verhaal van Eric Snijder is de mutatiefrequentie van SARS-CoV-2 [7] en een berekening wat dat betekent voor de maximale lengte van het virus [6]. En nog belangrijker: hoe is de mutatiefrequentie met en zonder dat speciale proofreading gen ExoN? Ik vond in de literatuur [3] dat het experimenteel uitschakelen van ExoN in SARS-CoV-1 een 21-voudige verhoging van het aantal mutaties tot gevolg had! Dat is inderdaad een heel groot effect. De functie van het ExoN is daarmee voorlopig redelijk goed aangetoond: proofreading. Het is dan even niet zo belangrijk hoe het virus aan dat gen komt (gestolen of niet). Belangrijk is het effect dat het heeft. Dit zou de discontinuïteit van genoomgrootte kunnen verklaren:  er zijn virussen die ExoN hebben en zij die het niet hebben. De haves and have-nots. De coronavirussen als de elitevirussen!

Een andere vraag is: een hoge mutatiefrequentie is toch juist voordelig voor het virus? Denk aan HIV en influenza. Snellere evolutie is immers voordelig om je gastheer te slim af te zijn. Maar het nadeel is dat als je veel genen hebt die bepalend zijn voor je succes in de nieuwe gastheer (de mens), dan wil je die genen ook niet kwijtraken door mutatie. Ik geeft toe: dit is een lastig probleem. Misschien zijn er twee oplossingen voor hetzelfde probleem.

Ik vind een grote discontinuïteit evolutionair gezien onwaarschijnlijk. Er zullen vast vele manieren zijn om de replicatiebetrouwbaarheid te verhogen met tussenliggende betrouwbaarheden. Er is in ieder geval een groot verschil tussen single-stranded (ssRNA) en double-stranded (dsRNA), en tussen positive-strand en negative-strand RNA virussen [4]. dsRNA virussen lijken de kloof te overbruggen. Snijder heeft het niet over verschillende soorten virussen gehad. Bovendien is die discontinuïteit zeer waarschijnlijk een toevallig feit. Geen noodzakelijkheid zoals het verband tussen mutatiefrequentie en genoomgrootte.

Postscript 30 juni 2020

In een Scientific American interactieve visual wordt helemaal aan het einde prachtig uiteengezet dat het SARS-CoV-19 virus groot is en waarom. Aanbevolen. Vrijwel helemaal in overeenstemming met het verhaal van Eric Snijder. De hele visual is een absolute aanrader!

genoomlengte van 6 virussen vergeleken. ©Scientific American.
Ook hier is een gap te zien van plm 10.000 baseparen

For a static version of this content as it appears in the July 2020 issue of Scientific American, please click here.

Noten

1. Want dat is de mutatiefrequentie van andere virussen. Dit is mijn veronderstelling want Snijder noemt de mutatiefrequentie niet. Het moet ergens tussen de 1 op de 10⁴ en 1 op de 10⁹ liggen. Waarschijnlijk dichter bij de andere virussen dan bij die van de hogere planten en dieren.
2. Een virus profiteert van de machinerie van de gastheercel. Waarom zou hij dan niet kunnen profiteren van een error-correctie mechanisme van de gastheer? Dan hoeft het virus zijn eigen genoom niet met dit gen te belasten en kan zijn genoom kleiner zijn en tegelijk nieuwe nuttige genen in zich opnemen. Als de gastheer de error correction verzorgt is er geen grens aan de grootte van het genoom. Kan het zijn dat zoogdiercellen geen RNA error correction systeem hebben?
3. Lance D. Eckerle et al (2010) Infidelity of SARS-CoV Nsp14-Exonuclease Mutant Virus Replication Is Revealed by Complete Genome Sequencing, PLOS Pathogens. Waarschijnlijk baseert Snijder zich op deze publicatie.
4. Viral Genome Size Distribution Does not Correlate with the Antiquity of the Host Lineages, Frontiers in Ecology and Evolution, 2015. 
5. Hoofdstuk 4 'The history of error' van Mendel's Demon is speciaal relevant voor de huidige covid-19 pandemie. Met name pagina 88-89 zijn zeer relevant. Zie ook mijn review van het boek op mijn WDW site. Nog iets leuks uit zijn boek: uit het bovenstaande volgt dat foutcorrectie (proofreading) en nauwkeurige replicatie de Achilleshiel van het virus is. Als je dàt kunt blokkeren, versnel je een meltdown van het coronavirus. Laat dat nu precies het voorstel zijn van Mark Ridley! In theorie kun je het virus zich kapot laten muteren!
6. Ik kwam na het posten van dit blog een publicatie tegen met een mutatiefrequentie voor coronavirussen van: " ∼1 × 10⁻⁵ to 1 × 10⁻⁶ mutation per site per replication" (bron) dus oplopend tot 1 mutatie op de miljoen! Dat is een factor 10x tot 100x beter dan andere RNA virussen. Maar dat heeft gevolgen voor de potentiële genoomgrootte van coronavirussen! Ze zouden in plaats van 30.000 wel 100.00 tot zelfs 1 miljoen bases groot kunnen zijn! Als dit klopt zitten huidige Coronavirussen zeker niet tegen het plafond van genoomgrootte aan zoals Ridley dacht. Dan zou je je moeten afvragen: waarom zijn coronavirussen niet veel groter? [ 8 jun 2020 ]
7. Een studie rapporteert een totaal van 198 verschillende mutaties in 7500 covid-19 virussen. Let op deze komen niet tegelijk in 1 virus voor, maar verspreid over alle virussen. Dit toont aan dat de kans op een nuttige mutatie veel groter is dan als je alleen maar kijkt naar de mutatiefrequentie. Genetic mutation study finds new coronavirus spread swiftly in late 2019,6 mei 2020. [12 jun 2020 ]

Bronnen / Verder lezen:

• KNAW Webinar: het nieuwe Coronavirus, 19 mei 2020, beginnend bij het verhaal van prof. Eric Snijder. Hier begint het verhaal over genoomgrootte en fout correctie. Hier begint het verschil in mutatiefrequentie mens en virus.
• Coronaviruses: An RNA proofreading machine regulates replication fidelity and diversity. RNA Biology,  01 Mar 2011.
• Slipping past the proofreader. April 10, 2020. Een journalistiek verhaal over de zoektocht naar middelen om covid-19 te remmen waarbij proofreading van het virus ter sprake komt.
• A Case for the Ancient Origin of Coronaviruses; Journal of Virology 2013.

The Resurrection of Darwin's Pangenesis theory?

©http://darwin-online.org.uk

Is Darwin's long forgotten and discredited theory of Pangenesis resurrected from the dead? A publication in Nature Reviews Molecular Cell Biology [1] suggests his theory is at least partly true and was the inspiration for a number of scientists after Darwin.

What is Pangenesis? Darwin published his Pangenesis theory in volume 2 of The Variation of Animals and Plants under Domestication (1868). According to the authors the Pangenesis theory proposed a mechanism for the flow of hereditary information between cells and between generations.
Strinkingly, this definition merges two completely different phenomena in one concept: cell-to-cell communication and the transmission of genetic information from parent to child. Next, the authors claim that "emerging evidence of cell-to-cell communication urges the reconsideration of this 150-year-old theory."

More precisely, the Pangenesis theory says (according to the authors) that in addition to cell division as a means of transferring information, every cell emits numerous gemmules. They travel through the body and unite with other somatic cells and germ cells. So, it appears that both parts of the theory cannot be separated. It is a complex theory. Darwin knew this.

Additionally, and importantly, gemmules can be modified by the environment. If those modified gemmules end up in germ cells, and are transmitted to the next generation, it is called 'Lamarckian inheritance'. The consensus in the biological community is that Lamarckian inheritance is not possible and should be rejected.

What is the new evidence according to the authors? They point to extracellular vesicles such as exosomes [2] which transport information in the form of RNA and proteins between cells, including germ cells. In particular small RNAs have been found in sperm. They are the carriers of acquired phenotypes such as diet-induced metabolic disorders and mental stress phenotypes. This is an extra-chromosomal type of inheritance. There is no integration in DNA. The authors propose that also circulating cell-free DNA and mobile RNAs could be viewed as instances of Darwin's pangenes. If these factors are indeed inherited, they seem to me a form of transient inheritance.

The transmission of exosomes is not the same as Transgenerational epigenetic inheritance because transgenerational epigenetic inheritance is the transmission of epigenetic markers of DNA or histones. Those markers are inherited together with chromosomal DNA and follow therefore a Mendelian pattern.
However, the authors also include epigenetic inheritance as evidence for Darwin's Pangenesis theory. This is confusing because these markers are not transmitted in exosomes. Exosomes carry small pieces of RNA and proteins and not whole genomes with epigenetic markings attached. Epigenetic markers cannot be transmitted as free floating individual molecules. They could not be viewed as modern incarnations of Darwin's gemmules. And gemmules are at the heart of Pangenesis. Therefore, I do not consider epigenetic markers an evidence in favour of Darwin's Pangenesis. In a more general sense, epigenetic markers could be  evidence for the rather vague idea of inheritance of acquired characteristics. But one should be careful to distinguish those different meanings.

I think it is a little far-fetched to interpret Darwin's gemmules in cellular or molecular terms as the authors do [5]. Darwin did sometimes use the word 'cells', but he certainly could not think in molecular terms. Furthermore, in my view his Pangenesis theory tries to unite too many different phenomena in one theory: ordinary heredity, the inheritance of acquired characteristics, recessiveness, causes of variation, and more.
I think it is confusing that the authors of the Nature article lump together chromosomal inheritance -which equals the complete genome of an organism- with modifications of that DNA, or a few small RNA molecules. The difference in the amount of information can easily be a million fold. Human sex cells contain three billion DNA base pairs. That is huge compared with what could be present for example in exosomes. Furthermore, chromosomal DNA is necessary to create a new organism (plant, animal) and inherited epigenetic modifications are mostly facultative additions.

The well-known role of histone methylation in animal development [3] has nothing to do with inherited epigenetic modifications, since those tissue-specific embellishments are necessarily newly created in the embryo. One cannot inherit tissue-specific instructions through one sperm and egg cell.

The authors downplay the fundamental difference of Darwin's theory of heredity with the current theory. Heredity means for Darwin the aggregation of the gemmules produced by all somatic cells. For Darwin gemmules are not an addition to the main mechanism, they are the main mechanism of heredity. We now know that this is completely wrong [4]. Furthermore, I think the authors do not present an overwhelming amount of new evidence to justify the resurrection of Darwin's Pangenesis theory.

Having said all that, I still think that the chapter about Pangenesis in The Variation of Animals and Plants under Domestication deserves a fresh study. It should be interesting to investigate how Darwin thought about the material basis of heredity without knowledge of Mendelian inheritance, chromosomes and DNA. I think it is interesting despite the fact that Darwin had a profound Lamarckian view of heredity. Darwin collected an enormous amount of data and his theory of Pangenesis was designed to explain them all. And as usual he discussed objections to his theory. I expect that reading Darwin will learn us a lot about his struggle with those objections, and how he tried to create a synthesis of the knowledge of his time, just as he did with his theory of evolution. Undeniably, it is one and the same person who created the theory of evolution and the Pangenesis theory.

Notes

1. Yongsheng Liu, Qi Chen (2018) 150 years of Darwin’s theory of intercellular flow of hereditary information, Nature Reviews Molecular Cell Biology volume 19, pages 749–750 2018.
2. Do not confuse 'exosomes' with 'exomes' because 'exome' refers to the part of the genome that codes for proteins in contrast to 'introns' which are eliminated from a gene before being translated in to a protein.
3. Ashwini Jambhekar, Abhinav Dhall, Yang Shi (2019) Roles and regulation of histone methylation in animal development, Nature Reviews Molecular Cell Biology volume 20, pages 625–641 (2019)
4. One of the main problems with gemmules (pangenes) as the mechanism of heredity is: if gemmules are continuously produced by all body cells and spread through the body, what mechanism guarantees that exactly the right amount and types of the gemmules, not too many, not too few of the same kind are collected in the germ cells (egg, sperm)? Imagine many copies of 20.000 free floating genes through the whole body! Total chaos! We now know that the function of chromosomes and cell division is to ensure that the daughter cells get the right amount of genes. I do not know whether Darwin was aware of that problem. [ 9 Oct 2019 ]
5. Darwin knows about cells: "Virchow, the great supporter of the cellular theory" but the theory was not well established at the time. [ 9 Oct 2019 ]

Further Reading

• Charles Darwin (1868) THE VARIATION OF ANIMALS AND PLANTS UNDER DOMESTICATION, CHAPTER XXVII. PROVISIONAL HYPOTHESIS OF PANGENESIS.
• Yongsheng Liu, Xiuju Li (2014) Has Darwin's Pangenesis Been Rediscovered? BioScience, Volume 64, Issue 11, November 2014, Pages 1037–1041 (free access) (this paper presents a lot of evidence supporting Darwin's Pangenesis theory - according to the authors)
• Yongsheng Liu (2019) Darwin and Nature’s 150th anniversary, Correspondence 1 October 2019, Nature 574, 36 (2019) (free access)

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

Jan Hoeijmakers (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.

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 (dieetrestrictie!). 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) 
• Het verhaal van kleine Emma met haar broze haren, Erasmus MC, 8 september 2019  
• DNA reparatie dossier, Erasmus MC 

Meiose: even een misverstandje uit de weg ruimen

Figuur 1: dia van de docent. 2n, 4n, n is mijn interpretatie

 

Dit is de dia van de docent in een HOVO college over de evolutie van planten. Het laat meiose zien: het proces waarbij geslachtscellen worden gemaakt. Ik heb er met 2n, 4n, n mijn interpretatie ingezet van het aantal chromosomen in iedere stap. Voor de rest is het de dia van de docent.

Een mitose is een gewone celdeling die twee normale cellen oplevert. Een meiose produceert geslachtscellen. Geslachtscellen zijn sperma cellen en eicellen. In de dia zien we: Meiose I en Meiose II. Dat zijn twee cel delingen achter elkaar met het eindresultaat 4 geslachtscellen.  Haploid (n) is de standaard hoeveelheid chromosomen in een geslachtscel. Daar over geen discussie. Een geslachtscel heeft noodzakelijk de helft van een normale cel want geslachtscellen moeten fuseren tot een normale lichaamscel met 2n chromosomen. Een normale cel heeft 2n chromosomen, daar over ook geen discussie.

Tot mijn verbazing was de docent het niet eens met mijn interpretatie n, 2n, 4n. Hij wees naar figuur 2 en zei zoiets als 2 chromosomen [1]. "Mijn dia's kunnen theoretisch fout zijn, maar deze dia is toch echt goed". Zei hij nog. En dat was het. Case closed [2]. Geen discussie. Geen uitleg.

Figuur 2: hoeveel chromosomen zien we?
Mijn antwoord: 4 blauwe en 4 rode chromosomen!
(4n is mijn toevoeging)

Ik probeerde nog: maar er zijn twee delingen! Meiose I en II. Hoe kan dat als je begint met 2n en uitkomt op n? Als je met 2n begint en je doet twee delingen dan kom je op 4 cellen met een 1/2 n! En dat kan niet! Minder dan n kan niet. n is de minimum hoeveelheid. [1]. In zijn dia ontbreekt de verdubbelingsfase. Het staat er niet bij. Er wordt alleen maar gedeeld.  

Spoiler: Waarom zou je eigenlijk verdubbeling bij meiose moeten hebben als je het aantal chromosomen wilt halveren?

Vraag: wat zien we eigenlijk in figuur 2: twee of vier blauwe chromosomen? De docent: 2. Ik: 4. Stel dat de docent gelijk heeft, wat zien we dan in figuur 3 gebeuren?

Figuur 3 (detail uit figuur 1)
2n is mijn toevoeging

Kennelijk worden hier chromosomen doormidden gescheurd!? Dat kan natuurlijk niet. In de eerste cel in figuur 3 zien we verdubbelde (=gerepliceerde) chromosomen aan elkaar vast zitten bij het centromeer; in tweede cel zien we enkele chromosomen (rood en blauw). Dat zijn natuurlijk geen halve chromosomen! Dat zou dodelijk zijn. Terug redenerend van de rechter naar de linker cel in figuur 3 kom je tot de noodzakelijke conclusie dat de chromosomen in de linker cel verdubbeld zijn. Logica.

Die verdubbelde chromosomen is wat we doorgaans zien in microscopische opnames van delende cellen (zgn. metafase chromosomen). Logisch. Ze zijn dan maximaal gecondenseerd. In een niet delende cel zijn er geen chromosomen te herkennen. Ze zijn dan maximaal gedécondenseerd. Logisch dat we chromosomen op foto's en daarvan afgeleide plaatjes per definitie als dubbel zien:

 

Figuur 4: verdubbelde chromosomen.
In totaal zien we hier 4 chromosomen.

Een chromosoom is 1 enkele zeer lange DNA streng die sterk gecondenseerd is. Er zijn géén vertakkingen. Dat is onmogelijk. Ik heb hiervan geleerd dat je kritisch moet kijken naar plaatjes/foto's van chromosomen en je moet afvragen: zie ik dubbele of enkele? Vergeet niet: we zitten middenin een delingsproces.

Logica

Logischerwijs moet er een 4n fase in het meiose proces zijn om tot 4 cellen met n uit te komen: 4n = 4 x n. Er moet dus een verdubbeling hebben plaatsgevonden tussen de eerste cel (2n) in figuur 1 en de tweede cel (4n). Je kunt geen chromosomen uit de hoge hoed toveren! Die verdubbeling ontbreekt in de dia. Er wordt alleen maar gedeeld.

Vraag: ga eens googelen naar plaatjes van meiose op het internet. Altijd eindigt het meiose proces met vier cellen! Ook in alle genetica leerboeken eindigt meiose altijd met 4 cellen. Waarom niet met twee? Juist! Precies! Dat is geen toeval!

Ten overvloede: mijn interpretatie vond ik terug in een plaatje op het internet:

Figuur 5 (bron)

Hieronder zijn de eerste stadia van meiose afgebeeld in Barton et al (2007) Evolution (een bekend evolutie leerboek):

Barton et al (2007) fig 12.24 (pag. 350) eerste stadia van meiose (gedeeltelijk).
4n fase is duidelijk gelabeld. Complete figuur beslaat hele pagina.

Ook laten de auteurs het verband van de 4n fase in meiose met recombinatie zien. Sex, meiose, 4n fase, recombinatie: ze zijn allemaal met elkaar verbonden.
Helaas wordt niet in ieder evolutie leerboek n, 2n, 4n aangegeven [4]. 

In het overigens visueel zeer aantrekkelijk vormgegeven boek 'The Tangled Bank' van Carl Zimmer (2010, p.94 en 2013, p.139) zien we een pagina-grote meiose illustratie, maar helaas zonder 4n, 2n, n indicatie. Jammer!

In het boek The Evolution of Plants komt meiosis zijdelings aan bod (pag. 255), er staat een zeer schematische tekening van meiose waaruit de oplettende lezer kan concluderen dat er een tetraploïde (4n) fase is. Als je heel goed kijkt! [3]

Wat is eigenlijk het probleem?

Dit: waarom zou evolutie bij de productie van geslachtscellen eerst verdubbelen en daarna 2x delen, terwijl het veel 'logischer' en eenvoudiger zou zijn om gewoon 1x te delen: van 2n naar n. Dan heb je toch haploïde geslachtscellen? Dat is toch wat je wil?

Evolutiebioloog Mark Ridley (2000) heeft hier al over geschreven:

Mark Ridley (2000) Mendels Demon, pagina 184.

 

Het voert te ver om zijn theorie hier uit te leggen. Zie mijn review en zijn boek. Het punt is dat Ridley de 4n fase in meiose als een feit hanteert dat om een evolutionaire verklaring vraagt. 

In feite hebben we Ridley etc. helemaal niet nodig. Alleen elementaire rekenkunde, vermenigvuldigen en delen, is al voldoende om in te zien dat we een 4n fase nodig hebben.

2x 2n= 4n

4n/2 = 2n

2n/2 = n

Het zou kunnen zijn dat we Ridley's verklaring voor de 4n-meiose niet nodig hebben omdat recombinatie zo belangrijk is in evolutie dat dat al een voldoende verklaring is voor 4n-meiose. Maar dat weet ik niet zeker.

Maar er is meer aan de hand

Meiosis, Genetic Recombination, and Sexual Reproduction, Nature, Scitable.
(een hoogst betrouwbare bron) We zien 4 chromosomen in de 2e cel wat gelijk staat aan 4n. In de 4 eindproducten zien we 2 haploïde cellen met gerecombineerde en 2 haploïde cellen met niet gerecombineerde chromosomen.

 

meiosis volgens wikipedia (14 aug 2024)
start met diploïde cel met 2n=4
rood: vader, wit: moeder
na verdubbeling 4n = 8 chromosomen,
en eindigt met 4 haploïde cellen met ieder n=2.

In bovenstaand plaatje van meiose volgens wikipedia zie je behalve de gerecombineerde chromosomen ook de chromosomen in niet-gerecombineerde, dus oorspronkelijke vorm aanwezig in de 4 eindproducten. Dat laatste kan niet als je de verdubbelingsfase zou overslaan. In dat geval zou je alleen gerecombineerde chromsomen hebben in de 2 haploïde eindproducten.

Recombinatie creëert genetische variatie, nieuwe combinaties van allelen en dat is een essentiële grondstof voor evolutie. De vraag is of dat alleen maar evolutionair voordeel heeft of ook nadelig kan zijn. Misschien zou een meiose proces dat ook intacte chromosomen produceert van belang kunnen zijn voor evolutie [5].

De wetten van Mendel

De wetten van Mendel vloeien voort uit details van de meiose:

Stearns, Hoekstra (2005) pag. 512. Mendel's 1e wet.
(1) Heterozygote diploïde cel Aa
na replicatie: 4 chromatiden (4n)
(4) 4 haploïde gameten

Mendel's 2e wet: independent assortment of two genes A and B

Conclusie

1. Ik had de docent ge-emailed wat mijn bezwaar was tegen zijn dia (fig.1). Ik heb hem dus niet tijdens het college overrompeld. Hij heeft dus enige dagen de tijd gehad om de kwestie uit te zoeken. 
2. Noch de logica, noch alle mogelijke bronnen hebben hem kunnen overtuigen. Verbazingwekkend! Hij is een bioloog. 
3. Daarna heb ik dit blog gemaakt. Ik heb hem per email op de hoogte gesteld. Hij reageerde per email, maar niet inhoudelijk. Ik weet dus niet of hij het met me eens is. Hij verzocht me om zijn dia (en dus de context van het college) uit het blog weghaalde. Of zoiets.
   
4. Inhoudelijk: seks en dus meiose is belangrijk in evolutie. Het lijkt er op dat de curieuze en complexe 4n fase in meiose noodzakelijk is voor recombinatie en misschien andere zaken.
5. Inhoudelijk: dit alles roept vragen op: hoe is meiose ontstaan in evolutie? Gaat meiose altijd met recombinatie gepaard of kan het zonder? Zijn er varianten van meiose bijvoorbeeld in het plantenrijk? bij insecten? Worden er seks cellen geproduceerd door mitose? 
6. Inhoudelijk: Hoe dan ook: dieren en planten kunnen niet toveren. Er bestaat geen wonderbaarlijke vermenigvuldiging van chromosomen. 

 

Samenvatting van de logica

1. Als je alleen maar weet dat lichaamscellen 2n zijn en geslachtscellen n, dan kun je concluderen dat geslachtscellen ontstaan door 1x te delen. Dat is  een halvering.
2. Maar de dia toont twee delingen.
3. conclusie: ergens in het proces moet er een 4n stadium zijn.

Ook planten doen het

In het gele gedeelte: 4 pijltjes met 4 spores'!
Ook planten doen meiose en produceren 4 haploïde cellen.
figuur uit blog Gerdien de Jong

Geraadpleegde bronnen

• Barton et al (2007)  Evolution.
• Stearns, Hoekstra (2005) Evolution. Second Edition
• Mark Ridley (2000) Mendel's Demon. Gene Justice and the complexity of life.
• Carl Zimmer, The Tangled Bank, 2010, 2013
• Nature, Scitable. 
• K.J. Willis, J.C. McElwain (2002) The Evolution of Plants.

Noten

1. In feite heb ik het niet goed verstaan wat hij zei. Het was sowieso niet meer dan een halve zin. Hij gaf in feite geen uitleg. Hij verdedigde zijn standpunt niet. Hij kan moeilijk bezwaren hebben met 4 n cellen op het eind, en 2n als begin toestand. Dus: hij viel over 4n. Maar dat heb ik hem niet horen zeggen. Hij was ook niet ingegaan op mijn opmerking 'er zijn 2 delingen'. Hij vroeg ook niet om een toelichting. Wat ik in dit blog schrijf zijn mijn redeneringen om het voor de lezer duidelijk te maken. Maar die hele discussie heeft zich niet ter plekke afgespeeld. [23 nov 2018]
2. Op 22 nov mailde de docent: " ... dat een delende cel nooit 4n genoemd wordt omdat er gelijktijdig verdubbeling van de chromosomen én uit elkaar trekken van de dochterparen plaats vindt. 4n is als term een tetraploïde, zelfstandig functionerende cel". Maar dat zei hij toen niet. En hoe je het noemt is niet relevant, het gaat er om dat er 4x het haploïde aantal chromosomen aanwezig is en dat is een hoogst opmerkelijk feit dat om een verklaring schreeuwt! Dat moet je niet willen wegmoffelen! [23 nov 2018, 12 feb 2020]
3. toegevoegd 23 nov 2018 
4. Zo heeft Colin Patterson (1999) Evolution op pagina 15 een prachtige pagina-grote illustratie van meiose, maar er staan helaas geen n, 2n, 4n bij! De figuur eindigt met: "four daughter cells formed, each with half the number of chromosomes of the parent cell". [21 juni 2022]
5. Het wikipedia plaatje en mijn tekst daaronder is toegevoegd op 14 aug 2024.