CRISPR-CAS is veilig en betrouwbaar volgens Prof. John van der Oost in Paradiso lezing 17 feb 2019 (met updates)

Op 17 feb 2019 hield Prof. John van der Oost (Wageningen) de Paradiso lezing over CRISPR-CAS, een populaire wordende DNA editing techniek. Ik kan hier onmogelijk de techniek en de precieze rol die van der Oost heeft gespeeld in de ontdekking van CRISPR-CAS samenvatten en wil me hier beperken tot de voor- en nadelen van de techniek. 

( Postscript: 11 sep 2025 )

Deze lezing werd gevolgd door een discussie uurtje. Hierbij sloeg de sfeer om van wat-is-de-wetenschap-toch-mooi naar wat-is-de-wetenschap-toch-gevaarlijk. Een opvallende tegenstelling met de lezing van prof. Hoeijmakers [3], waarbij de wetenschap vooral een heldenrol vervulde. Dat kwam vooral door een paar kritische vragen in het vragenuurtje. Jammer. Het probleem in de zaal was vooral de betrouwbaarheid en veiligheid van CRISPR-CAS en een openlijk uitgesproken wantrouwen. Dat gold natuurlijk niet voor iedereen, maar de sfeer was omgeslagen.

Het standpunt van prof. van der Oost is dat in Europa ten onrechte zeer strenge regels gelden voor voedselplanten (hij werkt in Wageningen) die door CRISPR gemodificeerd zijn, terwijl die regels niet gelden voor plant varianten die gemaakt zijn door chemicaliën of straling, omdat die al langere tijd zonder problemen worden gebruikt. Hij merkt op dat in Amerika en Japan planten met kleine CRISPR modificaties niet onder strenge GGO regels vallen. Hij vindt dat CRISPR modificaties zeker zo veilig zijn als huidige methoden. [5]

klassieke versus CRISPR modificatie van de tomaat
John van der Oost, Paradiso 17 feb 2019

Hij ondersteunt dat met een onderzoek aan de tomaat. Er zijn in de moderne tomaat in de loop der jaren zo'n 15 miljoen baseparen gewijzigd ten opzichte van wilde tomaat. En met CRISPR zijn er slechts 30 baseparen gewijzigd. Dat is een enorm verschil. En daar heeft hij een belangrijk punt. Dat zet de zaken in perspectief. Uit de zaal kwam echter de opmerking dat het vooral gaat om wat voor soort mutaties er op treden, en niet alleen het aantal. Inderdaad, het is niet te ontkennen dat er nog zeer weinig ervaring is opgedaan met de CRISPR techniek. Maar hoe krijg je jarenlange ervaring als je het niet mag gebruiken?

Er heerste wantrouwen in de zaal. Achteraf had Prof. van der Oost meer aandacht aan nadelen van CRISPR moeten geven. Hij had alle feiten moeten geven over de neveneffecten van CRISPR. Hoe vaak brengt de CRISPR techniek onbedoelde wijzigingen elders in het DNA aan (zgn. off-target modifications)? Gewoon uitputtend alle feiten geven. Iemand die dat doet ben ik geneigd te vertrouwen. Want die houdt niets achter. Geruststellende woorden in de trant van 'er is geen gevaar voor de volksgezondheid'  hebben een averechts effect.

Die neven-effecten zijn wel bekend in de literatuur. In Science las ik het artikel:
CRISPR offshoot still makes mistakes editing DNA, raising concerns about its medical use. Het gaat hierbij om medische toepassingen en de auteurs maken zich bezorgd over collateral damage. De techniek veroorzaakte een onverwacht groot aantal onbedoelde mutaties elders in het genoom van rijst en de muis [1].
Ondertussen is er een betere methode ontwikkeld [6]. Dit bewijst dat CRISPR–Cas9 fouten maakt. In 2018 had Nature al gewaarschuwd voor ongewenste deleties in het DNA door de CRISPR–Cas9 techniek [7].

Als prof. van der Oost meer tijd had besteed aan dit soort feiten in plaats van aan zeer technische details van CRISPR in bacteriën, dan had ik meer vertrouwen gehad in zijn oordeel over potentiële gevaren. Hij bereikt hierdoor bij mij het tegenovergestelde van wat hij graag zou willen [2], [4]. 
Tenslotte: ik vond het zeker geen mislukte lezing, ik heb er veel van geleerd.

Bronnen

• Paradiso lezing Prof. John van der Oost 17 feb 2019
• CRISPR offshoot still makes mistakes editing DNA, raising concerns about its medical use,  Science 28 Feb 2019

Vorige blogs over dit onderwerp:

• Paradiso lectures 2019. Jan Hoeijmakers: Emma is the first DNA repair syndrome patient who benefits from basic research, blog 4 Feb 2019

 

Postscript 9 mei 2019

In Nature 9 mei 2019  staat een kort bericht: "Compound stops CRISPR enzyme running amok. A small molecule is identified that puts the brakes on the Cas9 enzyme."
"But the system can also make unwanted alterations, particularly if the Cas9 enzyme — which binds to and cuts DNA — remains active for long periods of time."

De onderzoekers proberen dus tegen te gaan dat CRISPR-cas9 ongewenste mutaties aanbrengt. Kennelijk zijn ongewenste veranderingen een probleem. Anders ga je geen 10.000 verbindingen testen om het probleem te verhelpen. 

John van der Oost kende dit onderzoek toen nog niet (neem ik aan), maar het toont eens te meer aan dat hij ons niet eerlijk en volledig heeft voorgelicht over CRISPR-cas9. Hij moet toen wel geweten hebben dat CRISPR-cas9 ernstige tekortkomingen heeft. Dat is alweer niet goed voor het vertrouwen in wetenschappers betrokken bij CRISPR-cas9.

Postscript 15 nov 2019

Nature schrijft over gene editing: "But a seemingly fundamental limit to the efficiency and precision of gene editing was reached, owing to the tools' reliance on complex and competing cellular processes." [8]
Dit heeft Prof. John van der Oost niet verteld! Dit kon hij toen misschien niet weten, maar het onthuld wel dat zijn positieve oordeel over de betrouwbaarheid van CRISPR-CAS veel te voorbarig was. Hij was onkritisch.
De nieuwe techniek heet: Prime editing. Maar ook deze techniek is niet perfect: "Imperfect edits were almost entirely avoided."; "For medical applications, however, these issues present a much greater challenge — imperfect DNA edits are unacceptable."

In Science 15 nov 2019 verscheen een commentaar van Jennifer Doudna over CRISPR-Cas9. Alleen al de wereldwijde verontwaardiging over het editen van het genoom van twee menselijke embryo's met CRISPR-Cas9, maakt duidelijk dat CRISPR-Cas9 niet veilig is. Anders zou het niet zo controversieel zijn.

Postscript 15 Jan 2020

Nature [9]: Er zijn anti-CRISPR eiwitten ontdekt die de activiteit van het CRISPR systeem kunnen stoppen. En dit is belangrijk om 'off-target' effects te reduceren. Want hoe langer het CRISPR systeem actief is hoe groter de ' off-target’ effects. "We're going to make gene editing more efficient and safer" zegt een gen-tech bedrijf.
Jennifer Doudna: We need to be able to really control these editors so we make sure that you get the change you want and nothing else.

Kennelijk was het niet veilig genoeg!

Postscript 6 feb 2020

"But CRISPR editing — at least as a therapeutic technique in people — has turned out to be more difficult than initially thought. Researchers have documented ways that Cas9, one of the enzymes used in CRISPR gene editing, could trigger immune responses, or cause accidental changes to the genome that would be permanent." [10]
De oorzaak van de immuun respons is dat Cas9 van bacteria afkomstig is.
Dat CRISPR-CAS9 immuun response kan veroorzaken had ik nog niet eerder vermeldt in dit blog.
In Science van 7 Feb 2020 staat een artikel 'Cutting-edge CRISPR gene editing appears safe in three cancer patients'. Daarin worden 3 kankerpatienten beschreven die een gecombineerde CRISPR-CAS plus T-cell therapy kregen. CRISPR-CAS werd op de T cellen van de patienten buiten het lichaam toegepast. De eventuele off-target mutaties van CRISP-CAS blijven zodoende beperkt tot die T-celen. [11]

Postscript 10 feb 2020

In Nature 10 feb 2020 wordt het CRISPR–Cas9 systeem 'error-prone' (fout-gevoelig) genoemd! Een verbetering is 'base editing' waarbij 1 letter veranderd wordt in een andere. Deze methode maakt nog steeds fouten, maar minder. De methode wordt 'super-precise'  genoemd. Zo kan bijvoorbeeld C in een T veranderd worden [12]. Het lijkt mij voorbarig om deze techniek 'super-precies' te noemen.

Postscript 12 maart 2020

Voor het eerst is CRISPR–Cas9 rechtstreeks toegepast in het menselijke lichaam. Bij een persoon met een zeldzame erfelijke oogziekte die blindheid veroorzaakt werd CRISPR–Cas9 dat ingebouwd was in een virus geïnjecteerd  in het oog. De bedoeling is een mutatie in het genCEP290 te corrigeren. Resultaten zijn nog niet bekend. In het artikel wordt niets gezegd over toestemming van betreffende autoriteiten. [13]

Postscript 25 juni 2020

Door gebruik te maken van nieuwe methodes zijn nu ook grote off-target wijzigingen dichtbij de target gevonden bij toepassing van CRISPR-CAS9 in menselijke embryos. 
Bron: CRISPR Gene Editing in Human Embryos Wreaks Chromosome Mayhem. - Three studies showing large DNA deletions and reshuffling heighten safety concerns about heritable genome editing, Heidi Ledford, Nature magazine on June 25, 2020

Postscript 9 juli 2020

En passant wordt off-target editing als bekende nadeel van CRISPR-Cas9 genoemd: "Although his team’s initial studies found few off-target DNA changes — a common problem in CRISPR–Cas9 gene-editing — more studies in different cell types are needed, he says." Nature 9 Jul 2020

Postscript 11 juli 2020

John van der Oost werd gevraagd om een reactie over een CRISPR-CAS behandeling van thalassemie en sikkelcelziekte patiënten:

"Dat de behandeling van de cellen buiten het lichaam plaatsvindt, is een groot voordeel volgens John van der Oost, microbioloog aan Wageningen University & Research. Hij is niet betrokken bij het onderzoek, maar wel pionier in CRISPR-Cas. "Omdat de wetenschappers aanpassingen in het laboratorium maken, kunnen ze na de CRISPR-Cas behandeling het DNA van de stamcellen van begin tot eind ‘nalezen’ en controleren of het moleculaire gereedschap de juiste aanpassingen gemaakt heeft. "Artsen plaatsen dan alleen die stamcellen terug in de patiënt waarvan het DNA de beoogde aanpassingen heeft en de rest van het DNA onveranderd is. “Op die manier kan zo’n gentherapie foutloos uitgevoerd worden”, aldus Van der Oost."  bron

Het is dus kennelijk nodig om het resultaat te controleren. Als er geen off-target wijzigingen zouden zijn, was dat controleren niet nodig. Waarschijnlijk is hij tegen een CRISPR-CAS behandeling in het lichaam van de patient.

Postscript 3 Sep 2020

‘CRISPR babies’ are still too risky, says influential panel. 

"The report points out that the technique has not yet been proved safe and effective. Many of those concerns are based on the pitfalls of genome-editing technologies such as CRISPR–Cas9. Even though these techniques offer a fairly precise way to edit the genome, they have been shown to generate some unwanted changes to genes, and can produce a range of different outcomes even among cells within the same embryo." Nature 3 Sep 2020

 

 

Postscript 11 maart 2022

Door een revolutionaire verbetering van de CRISPR-CAS techniek is de kans dat er ergens anders in het DNA een mutatie ontstaat duizend keer kleiner geworden met behoud van de efficiëntie waarmee de target mutatie gecorrigeerd wordt. 

Dat is een fantastisch resultaat, maar toont tegelijk aan hoe onnauwkeurig de techniek tot nu toe was. 

Bron: Gene editing gets safer thanks to redesigned Cas9 protein, Sciencedaily, 2 Mar 2022.

Postscript 28 juli 2022

"In CRISPR–Cas9 genome editing, the Cas9 enzyme breaks both strands of DNA at the site that is to be edited. The cell’s DNA-repair processes stitch the strands back together, but sometimes make mistakes. This means that a range of DNA sequence changes are possible with each edit. Base editing, by contrast, avoids cutting both strands of the DNA by coupling a Cas9 protein that cuts only one strand of DNA, rather than both, to another enzyme that chemically converts one DNA letter to another. This level of precision has spurred hopes that the technique could provide safer and more controllable therapies for genetic diseases than is possible with CRISPR–Cas9." Nature 15 Jul 2022

Alweer een voorbeeld van een beter alternatief voor CRISPR-Cas9.

 

 

Postscript 28 sept 2023

Alweer worden de nadelen van CRISPR-Cas9 in Nature genoemd in bijna  dezelfde bewoordingen als 15 Jul 2022: 

CRISPR drawbacks

 

Base editing’s appeal lies in its specificity and potential safety. The most common form of CRISPR–Cas9 genome editing relies on an enzyme called Cas9. Inside cells, Cas9 cuts both strands of the DNA double helix at a particular site. The cell’s DNA repair machinery then mends the cut, sometimes inserting or deleting a few DNA letters, or ‘bases’, as it does so. Such mistakes during repair often disable the gene, which is handy for some gene-editing applications. But researchers cannot control exactly how the cell repairs its DNA, and cannot predict the resulting DNA sequence.
Base editing, by contrast, generally cuts only one strand of DNA, and the base editor converts DNA bases at the break site to a particular type. The result is more control over the edited sequence, and less cell death from damaged DNA.
This has also opened the door to creating multiple edits in the same cell. Such multi-site editing can be risky with CRISPR–Cas9, because each edit requires breaking both strands of DNA. Multiple double-stranded breaks can create a mix of genomic fragments that the cell might not be able to properly stitch back together. The result can be a dangerous level of genomic chaos, with pieces of chromosomes in the wrong order or location — or missing altogether. " Super-precise CRISPR tool enters US clinical trials for the first time, Nature, 18 Sep 2023

Postscript 11 juli 2024

"Like many celebrities, CRISPR–Cas9’s rise to fame has been plagued by misleading headlines. Although the method can be used to rewrite small segments of genomes, it is not the fully versatile cut-and-paste system that some news stories have made it out to be. The technique is most often used to change just one or a few DNA bases — and that typically requires first breaking the DNA and then relying on the cell’s innate DNA repair systems to generate the desired change. However, this opens the door to unintended collateral genetic damage as the cell implements the repair." Nature 27 June 2024.

Postscript 11 sep 2025

Nature: AI expands the repertoire of CRISPR-associated proteins for genome editing. 30 juli 2025.

"A generative artificial-intelligence tool has designed a synthetic CRISPR system that successfully edits human DNA and sharply reduces off-target effects.  

Despite emerging clinical successes, current genome editors suffer from off-target effects and can trigger unwanted responses from the immune system, limiting their broader therapeutic applications."  

 

Het blijkt dus dat CRISPR-Cas9 helemaal (nog) niet zo precies is en zelfs chaos in de cel kan creëren.

 

Noten

1. “We were so surprised, and worried we had to be really, really careful with our results because the whole world will be looking closely,” Gao says. “Fortunately, the other group worked with the mouse and made a very similar observation, and their system, to be honest, is even better than ours.” ... "Some of the mutations occurred in genomic regions that play a role in cancer." Science 28 Feb 2019.
2. U kunt hem ook zien in de tweede helft van het DWDD college o.l.v. Robbert Dijkgraaf 9 januari 2019. Ook daar klaagt hij over de strenge wetgeving in Europa die CRISPR onderzoek bijna onmogelijk maakt.
3. Paradiso lectures 2019. Jan Hoeijmakers: Emma is the first DNA repair syndrome patient who benefits from basic research, blog 4 Feb 2019
4. Het blijkt dat je ook niet-permanente wijzigingen in het DNA kan aanbrengen d.m.v. nanobuisjes, omdat het DNA niet in het genoom van planten wordt opgenomen. Dat is misschien een methode om de te strenge regelgeving te omzeilen? zie hier. 
5. Ik vraag me nu af, of hij een voorstander is van CRISPR modificatie van menselijke embyro's. Als de methode veilig en betrouwbaar is, waarom dan niet voor mensen gebruiken? [7 maart 2019]
6. CRISPR–Cas9 gene-editing: "it’s still somewhat clunky and prone to errors and unintended effects." quote from: 'Super-precise new CRISPR tool could tackle a plethora of genetic diseases', Nature 21 Oct 2019.
7. CRISPR gene editing produces unwanted DNA deletions, Nature, 16 july 2018 
8. Randall J. Platt (2019) CRISPR tool modifies genes precisely by copying RNA into the genome, Nature News and Views, 11 Nov 2019.  ... "For decades, the potential of genome editing has been constrained by the difficulty of making precise modifications, and so applications have focused heavily on situations in which imperfect DNA edits are useful."
9. The kill-switch for CRISPR that could make gene-editing safer, Nature News 15 january 2020.
10. Sara Reardon (2020) Step aside CRISPR, RNA editing is taking off, Nature News 4 Feb 2020 
11. Jennifer Couzin-Frankel (2020), 'Cutting-edge CRISPR gene editing appears safe in three cancer patients', Science, Feb. 6, 2020
12. Super-precise CRISPR tool enhanced by enzyme engineering.  (gratis)
13. CRISPR treatment inserted directly into the body for first time, Nature, 5 maart 2020 (gratis)

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

Mijn vorige blog op 12 februari 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, gratis pdf)

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!

Postscript

Vorig jaar hield Hopi Hoekstra de Darwin Day lecture:

Hopi Hoekstra geeft Darwin Day lecture 2018 (bron)

In de lezing probeert ze met experimentele methodes aan te tonen dat graafgedrag erfelijk is. Erfelijkheid van gedrag is een voorwaarde voor natuurlijke selectie. De tweede voorwaarde is genetische variatie voor dat gedrag. Wanneer aan die voorwaarden zijn voldaan kan natuurlijke selectie het graafgedrag veranderen. Zie: Evolution and Genetics of Precocious Burrowing Behavior in Peromyscus Mice.

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. 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