Het is de standaardvraag die mensen over evolutie stellen: hoe kan er iets nieuws ontstaan door zo’n proces? Hoe krijgt een vis een poot, of leert een enzym een nieuw kunstje? Er zijn allerlei antwoorden op deze vragen geformuleerd. Maar dat zijn vooral theoretische antwoorden: zo zou het kunnen zijn gegaan. Twee publicaties die een maand geleden verschenen gaan een stapje verder. Ze geven niet alleen theoretische antwoorden, maar onderbouwen die ook experimenteel.

Van vin naar poot

Een publicatie in Developmental Cell beschrijft hoe bij zebravisjes de ontwikkeling van vinnen in de embryonale fase kan worden bijgestuurd, zodat er poot-achtige structuren ontstaan. De skelet-elementen in een poot ontstaan onder invloed van 5’Hoxd genen. Hox-genen zijn een soort hoofdschakelaars. Hun activiteit zet een hele cascade in werking waardoor bepaalde ‘programma’s’ in het embryo worden geactiveerd.

Het ontstaan van vinnen en van poten begint met een periode van 5’Hoxd activiteit. Bij poten is er een tweede actieve periode van 5’Hoxd die bij vissen met vinnen afwezig is. De onderzoekers vroegen zich af wat er zou gebeuren wanneer je bij vissen ook voor zo’n tweede puls van 5’Hoxd activiteit zorgt. Dat deden ze door genetische aanpassing van de vissen. Ze kregen een schakelaar die gevoelig is voor dexamethason voor het Hoxd13a gen. Zo kon tijdens de ontwikkeling van het embryo de 5’Hoxd activiteit aan en uit gezet worden.

Het resultaat? Bij een extra 5’Hoxd puls werden de vinstralen dikker en het geheel kreeg de kenmerken van een poot. Nee, niet een echte, functionerende poot, maar de harde skeletdelen groeiden verder uit en het lijkt op een ontwikkelingsstap die tot de botstructuur van een poot kan leiden. Verder was de extra puls wel dodelijk voor het embryo, dus konden er geen ‘vissen met pootjes’ ontstaan.

Wat dit onderzoek wel aantoont, is dat een kleine verandering in de activiteit van de genen die al in de vis aanwezig zijn tot een ‘proto-poot’ kunnen leiden. Hoe ontstaat iets nieuws? Blijkbaar uit iets ouds. Vissen hebben al genen die met bot verstevigde vinnen op kunnen leveren.

Evoluerende enzymen

Het tweede onderzoek verscheen ongeveer tegelijkertijd in PLOS Biology. Onderzoekers van de KU Leuven onderzochten de evolutie van enzymen die suikers kunnen afbreken. Er bestaat een hele familie van enzymen die sterk op elkaar lijken. Evolutiebiologen kunnen dan een ‘evolutionaire boom’ maken waarin de onderlinge verwantschap tot uitdrukking komt. Achterliggende gedachte bij deze boom is dat nieuwe genen ontstaan na duplicatie van een oorspronkelijk gen. De cel heeft dan twee gelijke genen, waarvan er eentje dus zonder problemen kan muteren en veranderen.

Het is mogelijk op basis van de overeenkomsten en verschillen de ‘stamvader’ van de hele familie te reconstrueren. Dat levert dus een oergen op, en tegenwoordig is het een fluitje van een cent zo’n gen synthetisch te maken, in een gistcel te stoppen en het eiwit dat er van wordt afgelezen te onderzoeken.

Dat deden de Leuvenaren dan ook, bovendien maakten ze niet alleen het oergen, maar ook een aantal genen die later in de ontwikkeling aanwezig zijn. De activiteit van de enzymen die dit opleverde werd vergeleken met de activiteit van enzymen uit deze familie die nu aanwezig zijn in gisten. Het theoretische evolutiepad is dus in de praktijk getoetst.

Er staan een boel details in het artikel, maar de eindconclusie van de onderzoekers is dat de enzymen die zij als voorlopers van de moderne versies zien, inderdaad een activiteit hebben die past bij een evolutionaire ontwikkeling. Kleine variaties in de genen kunnen van een duplicaat een enzym met een andere specificiteit maken. Het oerenzym kon verschillende suikers afbreken, maar deed dat niet heel efficiënt. Na duplicatie ontwikkelden zich specifiekere enzymen, die mede daardoor efficiënter konden gaan werken. Wat de auteurs over hun onderzoek zeggen is overigens dat ze hiermee theoretische modellen voor evolutie via genduplicatie experimenteel hebben getest.

Wat zegt dit?

Zijn beide publicaties bewijs voor evolutie? Wel, daar kan je lang over discussiëren, maar wat ze in ieder geval aantonen is dat bepaalde ideeën over de manier waarop evolutie werkt in de praktijk ook kloppen. Je kunt altijd teruggaan en vragen waar dan die genen vandaan komen waar Hoxd13a op inwerkt. Of waar dat ‘oerenzym’ vandaan komt.

Dat zijn boeiende vragen, maar wat het vissenonderzoek laat zien is dat de overgang van vis naar viervoeter misschien helemaal niet zo’n onmogelijk sprong is. Er zijn inmiddels heel wat tussenvormen voor deze overgang en nu is er ook een moleculaire mechanisme dat in ieder geval een deel van de overgang verklaart.

Het enzym-artikel laat zien dat een op basis van evolutie opgestelde stamboom voor een klasse enzymen ook werkelijk enzymen oplevert die functioneel zijn (voor zover getest) en die passen binnen de theorie over het ontstaan van nieuwe functionaliteit bij enzymen.

Kortom: dit alles verstevigt de evolutietheorie weer, en aanzienlijk ook. Benieuwd wat 2013 gaat brengen!

Please follow and like: