In dit blog en een volgend blog wil ik proberen een antwoord te vinden op de vragen:
- welke biologische soorten hebben introns?
- wat is het nut van introns?
- hoe zijn introns ontstaan?
- 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
- 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)
- Lynch, M. (2002) Intron evolution as a population-genetic process. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 99, 6118-6123
- Jeffares, Mourier, Penny (2006) The biology of intron gain and loss, TRENDS in Genetics Vol.22 No.1 January 2006 (pdf)
