Hoe genen hergebruikt worden
Geringe wijzigingen in genen kunnen voor grote diversiteit zorgen. Met
een Vidi-beurs onderzoekt Patrícia Beldade hoe bestaande genetische
`schakelingen' voor de ontwikkeling van organismen evolueren en
bijdragen aan het ontstaan van nieuwe eigenschappen zoals
kleurpatronen op vlindervleugels.
Evo-Devo
Bicyclus anynana, tropisch zandoogje
Het vakgebied waarin Beldade werkzaam is, is het zogenoemde
Evo-Devo. Dat staat voor Evolutionary Developmental Biology,
die de twee vakgebieden evolutie- en ontwikkelingsbiologie met
elkaar verenigt. Tot voor kort waren die twee werelden strikt
gescheiden, nadat ze vanaf het begin van de twintigste eeuw uit
elkaar waren gegroeid. Volgens Beldade moet een onderzoeker
beide processen van evolutie en ontwikkeling beheersen om te
kunnen begrijpen hoe verschillen tussen individuen van één
soort kunnen ontstaan.
Genotype en fenotype
Dr. Patrícia Beldade
Het genotype is de verzameling eigenschappen opgeslagen in de
genen, die een individu heeft geërfd van beide ouders. Het
genotype wordt vertaald naar het fenotype, de verschillende
kenmerken, zoals uiterlijk en gedrag. Als organismen zich
voortplanten treden er af en toe verandering op in het genotype
door spontane mutaties in het DNA. Soms leidt dit tot nieuwe
fenotypen die er voor zorgen dat het organisme in een bepaalde
omgeving meer nageslacht kan produceren. De nakomelingen erven
het nieuwe fenotype. Daardoor zijn zij ook weer succesvoller.
Dit proces heet natuurlijke selectie en is samen met spontane
mutatie een van de drijfveren achter de evolutie.
Vlindervleugels
Volgens Beldade zijn vlindervleugels uitstekend geschikt om de
interactie tussen evolutionaire en ontwikkelingsprocessen die
verantwoordelijk zijn voor de variatie van uiterlijke
kenmerken, te bestuderen. Tijdens de embryonale ontwikkeling
`verwerft' de cel informatie over waar deze zich in het
organisme bevindt. Die positie is bepalend voor hoe de cel zich
ontwikkelt. In vlindervleugels bepaalt de positie van de
schubcellen welke kleur deze later zal aannemen. Vlinders zijn
bovendien aantrekkelijk voor experimenten, omdat ze zeer
variabel zijn en makkelijk te manipuleren. Stukjes weefsel zijn
eenvoudig te verplaatsen, zodat je de ontwikkeling kan leren
begrijpen.
Mutaties
De vlindersoort waarmee Beldade werkt is de Afrikaanse vlinder
Bicyclus anynana, tropisch zandoogje. Het Instituut Biologie
Leiden (IBL) beschikt al over verschillende spontane mutanten
van deze vlindersoort. Door op te sporen welke genen in deze
mutanten gemuteerd zijn, kan ze inzicht verkrijgen in de
oorsprong van nieuwe fenotypen. Tijdens de evolutie kunnen
dezelfde genen in onafhankelijke evolutionaire lijnen zo
evolueren dat ze verschillende rollen in de ontwikkeling gaan
spelen. Bovendien kan in een enkel individu een gen op
verschillende plaatsen in het organisme of op verschillende
tijdstippen tijdens de ontwikkeling een andere rol gaan
vervullen. Relatief simpele veranderingen in genen die een rol
spelen in de ontwikkeling van een individu uit een enkele
bevruchte eicel naar een volwassen organisme, staan aan de
basis van de evolutie van nieuwe eigenschappen. Bijvoorbeeld de
veren van vogels of de kleurschubben voor de oogvlekken op
vlindervleugels.
Embryo-ontwikkeling
Beldade probeert de genetische en ontwikkelingsmechanismen te
achterhalen die een rol spelen in de evolutie van nieuwe
fenotypen door mutatie en natuurlijke selectie. Hoe gebruikt
een organisme de nieuw verworven functie van de genen, en hoe
leren oude genen nieuwe trucs? De genen die bijvoorbeeld bij
fruitvliegen de beharing of de kleur van de ogen regelen,
zorgen bij vlinders voor de schubben op de vleugels of de kleur
van de vleugels. Er is een overeenkomst tussen overerfde
processen, zoals de heling van wonden die bij alle organisme
min of meer hetzelfde is, en de processen die leiden tot de
vorming van evolutionaire innovaties, zoals het kleurpatroon op
vlindervleugels. Beldade kijkt naar veranderingen in zowel de
embryo-ontwikkeling als het kleurpatroon. Ze gebruikt de kennis
over de genetische paden betrokken bij de embryonale
ontwikkeling en wondheling om te begrijpen hoe het
onderliggende netwerk kan worden veranderd om nieuwe paden in
te slaan.
Kleurpatronen
Het is moeilijk de kleurpatronen in verband te brengen met
ontwikkelingen bij andere organismen, omdat ze daar niet
voorkomen. Maar door ze te kunnen linken aan ontwikkelingen in
het embryo, brengt dat wel een stap dichterbij. Door te kijken
naar hoe een specifiek gen beide processen beïnvloedt, kan ze
ontdekken hoe het hergebruik van het gen later het kleurpatroon
kan beïnvloeden. Omdat beide processen een gemeenschappelijk
schakelsysteem delen, biedt het de mogelijkheid tot een betere
ontleding in de nieuwe genetische trucs bij andere organismen
die moeilijker te bestuderen zijn dan vlinders.
(29 september 2009/SH)
Universiteit Leiden