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)

Introns voor beginuitknippenners

Introns zijn belangrijker voor de evolutietheorie dan ik mij tot nu toe realiseerde (zie mijn blog van 7 jan over Senapathy). Maar, wat zijn introns? Introns zijn stukjes DNA in een gen die je niet terug vindt in het eiwit.

DNA: Introns voor beginuitknippenners
eiwit:   Introns voor beginners

Als 'Introns voor beginuitknippenners' een gen is, is uitknippen het intron, en 'Introns voor beginners' is het eiwit. Op een willekeurige plek lijken letters of woorden ingevoegd te zijn. Om een leesbare zin te krijgen moeten de ingevoegde letters weer verwijderd worden. Bijna alle menselijke genen hebben introns die er weer uitgehaald moeten worden op het moment dat er een eiwit gemaakt wordt. Bizar en erg omslachtig. Waarom zit het er dan in? Het werkt kennelijk. Daar moet U het voorlopig mee doen. Maar de toestand is feitelijk nog ernstiger. Er kunnen meerdere introns in een gen zitten:

DNA: Introns vouitknippenor beginuitknippenners (bevat 2 introns)

eiwit:   Introns voor beginners  (2 introns uitgeknipt)

Hier zitten 2 introns in het DNA die er netjes uitgeknipt zijn. Gelukkig maar.

Onverwachts

De ontdekking van introns in 1977 was een totaal onverwachts. Niemand had het voorspeld. Ook de evolutietheorie niet. Aanvankelijk waren er alleen technieken om de aminozuur volgorde in eiwitten te analyseren. Die kun je dan 'terugrekenen' naar de base volgorde in het DNA. Pas toen men dat ging vergelijken met de werkelijk volgorde in het DNA bleek dat er onzin stukken middenin genen zaten die helemaal niet in eiwitten zaten. Dat was een ontdekking met verstrekkende gevolgen voor de genetica en de evolutietheorie.

Probleem 1: Inefficient. 

Iedere keer als er een eiwit aangemaakt moet worden, moeten die overbodige stukjes eruit geknipt worden. Dat betekent feitelijk dat je cellen de hele dag bezig zijn die stukjes eruit te knippen als je eiwitten nodig hebt. Je hele leven. Dit is ontzettend omslachtig en inefficient. Die onzin stukjes blijven nl. in je genen zitten. Ze worden slechts geknipt uit de DNA-copie die voor eiwitproductie gebruikt wordt. Het DNA met ingevoegde stukjes introns worden nauwkeurig doorgegeven naar de volgende generatie. Men noemt dat: een probleem doorschuiven naar de volgende generatie!

Probleem 2: Knipfouten. 

Als je bedenkt dat de exacte volgorde in het DNA 1 : 1 vertaald wordt naar een eiwit, dan zijn die stukjes overbodig DNA midden in een gen toch wel erg riskant. Als het intron er niet exact uitgeknipt wordt kan het een verkeerd eiwit opleveren. In het volgend voorbeeld wordt het intron er niet uitgeknipt door een mutatie in het intron zelf:

DNA: Introns vouitklippenor beginners (mutatie in intron: n is vervangen door l )

eiwit: Introns vouitklippenor beginners  (fout eiwit: te lang)

of als er twee gemuteerde introns in zitten kan dit gebeuren:

DNA: Introns vouitflippenor beginuitflippenners (bevat 2 gemuteerde introns)
eiwit: Introns voners (fout eiwit : te kort)

In dit laatste eiwit zijn er niet alleen 2 introns uit geknipt maar ook het stuk tekst tussen de twee introns. Teveel dus. Een sterk ingekort eiwit ontstaat. Zoals U ziet: introns zijn gevaarlijk. Er kan iets behoorlijk mis gaan als er niet goed geknipt wordt.

Probleem 3: 

Wat is het evolutionair nut? Als die introns nutteloos of zelfs schadelijk of inefficient of riskant zijn, waarom zijn ze niet weggeselecteerd door natuurlijke selectie? Waarom zijn ze er nog? Schadelijke mutatie's worden toch verwijderd door natuurlijke selectie? Hier zit een complicatie: introns zijn geen echte mutaties. Echte mutaties komen tot uiting in het eiwit. Maar introns komen nu juist niet tot uiting in het eiwit. Ze worden er immers per definitie uitgeknipt. Bovendien zijn introns karakteristiek voor de mens als soort. Iedereen heeft ze. Dat geldt niet voor mutatie's.

Misschien zijn ze er omdat introns er altijd (meestal) op een betrouwbare manier uitgeknipt worden?  Is dat een dooddoener? Tsja, het is een omslachtige methode, maar het eindresultaat is een correct eiwit en een gezond individu. Maar zelfs als het intron er correct uitgeknipt wordt, zijn introns niet een beetje nadelig? En als ze in vrijwel alle genen zitten, is dat niet behoorlijk nadelig? Heeft al dat knippen niet een vertragend effect? Het is extra werk. Zou het niet sneller gaan zonder al dat knippen? We kunnen het efficiëntie argument in de evolutiebiologie niet zo maar overboord gooien. Daarvoor is het te belangrijk. Dus we blijven toch met een probleempje zitten. Als ik in een Ontwerper geloofde zou ik zeggen: slecht ontwerp meneer de Ontwerper! Dat moet beter kunnen!

(volgende blog: Introns voor gevorderden...)

Sam Harris' boek besproken in Nature en Science

Sam Harris: The Moral Landscape

Dat gebeurt niet vaak: dat je het geluk hebt dat je boek op donderdag in Nature en op vrijdag in Science besproken wordt! Dat overkwam Sam Harris. Dan moet The Moral Landscape toch wel de moeite waard zijn. 

Ik heb tot nu toe nog niets van Harris gelezen, misschien moet ik dit boek dan maar eens gaan lezen. Harris is één van de luidruchtigste atheïsten en bekend van The End of Faith. Ik dacht dat hij een journalist was, maar volgens Science: "Harris speaks from an impressive background—he holds doctoral degrees in both philosophy and neurobiology"! Het kan niet op! Bovendien zijn beide reviews niet echt negatief. Toch heb ik mijn twijfels over het dubbelzinnige 'How science can determine human values'. Determine? Bedoelt Harris dat wetenschap kan vaststellen dat bepaalde waardes moreel zijn en andere niet, dus een moreel oordeel kan geven, of dat de wetenschap kan onderzoeken welke morele waarden mensen hebben? Of: dat de wetenschap inzicht kan geven in morele waardes zodat we betere morele keuzes kunnen maken? De Science reviewer vraagt zich af of we nu wetenschappelijk van Is naar Ought kunnen gaan, de verboden denkstap, maar geeft niet echt een antwoord. Volgens het Nature review claimt Harris dat de wetenschap kan vaststellen welke morele oordelen geldig zijn. Dus toch de is-ought stap? Heeft Harris dan niets geleerd van alle fouten van een evolutionaire ethiek? Dat moet ik uitzoeken. Het lijkt een pittig boek, mensen als Francis Collins, etc. krijgen het ervan langs. Dit moet ik lezen.

Sources

• Pascal Boyer 'Ethics: The good life', Nature, 20 January 2011
• Michael A. Goldman 'A Means for Ought from Is?' Science, 21 Jan 2011
• Sam Harris The Moral Landscape: How Science Can Determine Human Values, The Free Press, 2010.