“Kunnen paarden galopperen op de maan?” vroeg een 12-jarige student ooit aan een professor. Het lijkt een simpele vraag, maar de professor moest het antwoord schuldig blijven.

Het was wetenschapper John Bertram, professor aan de Cumming School of Medicine, die deze vraag kreeg voorgeschoteld. Hij is een expert op het gebied van bewegingswetenschappen, maar deze zo op het eerste oog simpele vraag kon hij niet beantwoorden. Locomotie, ofwel voortbeweging, bij zoogdieren is een complex onderwerp waarbij evolutie heeft geselecteerd voor de meest energiezuinige tred voor de gewenste snelheid.

Loop, draf en galop
Bij paarden is dit niet anders en zij beheersen van nature drie basisgangen, namelijk de loop, de draf en de galop. Elke tred is het efficiënts in zijn eigen snelheidssegment. Lopen is zeer zuinig op lage snelheden, maar als het tempo verhoogt, kost het veel energie om deze pas, waar te allen tijde een poot contact heeft met de grond, vol te houden. Dit is te vergelijken met het snelwandelen bij de mens. Als je dit zelf wel eens gedaan hebt, weet je dat er de neiging ontstaat om met beide benen van de grond te komen. Snelwandelende paarden zullen dus ook de neiging krijgen om van de grond te komen en gaan over in de draf. Bij paarden wordt de draf bij hogere snelheden ook inefficiënt. Dit komt doordat het pastempo omhoog gaat en de ledematen dus ook sneller terug naar achteren gebracht moeten worden voor de volgende stap. Nu komen we aan bij de galop, de meest efficiënte loop bij hoge snelheden.

Zenuwcellen
Iedere tred heeft zijn eigen ritme en dit ritme wordt bepaald door zenuwcellen in het ruggenmerg. Deze sturen op precies het juiste moment impulsen door de zenuwen, zodat op het juiste moment de juiste spieren worden geactiveerd. Dit proces is van nature streng gereguleerd en kent alleen de ritmes voor de loop, draf en galop. Toch bestaan er ook paarden die meerdere gangen beheersen en deze paarden worden hiervoor ook gefokt. Zo zijn er paarden die een twee-tels pas kennen waarbij de linker- en rechterbenen synchroon lopen en ook bestaan er meerdere alternerende gangen met een vier-tels ritme.

De tölt. Afbeelding: Jónas R Jónsson (via Wikimedia Commons).

De tölt. Afbeelding: Jónas R Jónsson (via Wikimedia Commons).

Tölt
Een bekend voorbeeld van een alternatieve vier-telspas is de tölt. Deze komt voor in IJslandse paarden en deze eigenschap blijkt ook een hoge erfelijkheid te bezitten. De IJslandse paarden zijn verder onder te verdelen in paarden met vier paardengangen en paarden met vijf paardengangen. De paarden die vier paardengangen beheersen, beheersen de loop, draf, galop en de typisch IJslandse tölt, terwijl de paarden die vijf paardengangen beheersen naast deze vier gangen ook nog een twee-telspas beheersen.

Genoom
Onderzoek aan de Zweedse Universiteit van Agrarische Wetenschappen poogde te ontdekken wat het verschil is op genomisch niveau tussen deze twee groepen en wat voor gevolgen deze verschillen op DNA-niveau hebben op het zenuwstelsel van het paard. De onderzoekers namen 30 paarden die vier paardengangen kenden en 40 paarden die vijf paardengangen kenden en analyseerden hun hele genoom. Ze bekeken dus alle genen van deze paarden en keken of er een systematisch verschil is tussen de genen van deze twee groepen. De paarden die vijf paardengangen beheersten, bleken consistent een mutatie te hebben in één specifieke regio van het genoom. Deze regio bevatte drie genen van de DMRT-familie.

“Transcriptiefactoren hebben een immense impact op ons lichaam”

Transcriptiefactoren
Deze drie genen coderen voor zogenoemde transcriptiefactoren. Transcriptiefactoren zijn eiwitten die de activiteit van een bepaalde groep genen bepalen. Zij kunnen binden aan een bepaald stuk DNA en voorkomen zo dat dit stuk DNA afgelezen kan worden door de machinerie van de cel, of ze helpen juist de machinerie, zodat het desbetreffende stuk DNA sneller afgelezen kan worden. Transcriptiefactoren zijn dus zeer belangrijke eiwitten, aangezien ze de genen in een organisme aansturen. Zij bepalen welke genen aan en uit staan en dus ook welke processen in het lichaam aan en uit staan. Een bekend voorbeeld hiervan is de transcriptiefactor p53, ook wel de bewaker van het genoom genoemd. Deze transcriptiefactor stuurt genen aan die DNA repareren, de celcyclus aansturen, en geprogrammeerde celdood (apoptosis) regelen. Door deze processen correct aan te sturen voorkomt hij tumorformatie, doordat kapot DNA gerepareerd wordt, cellen in het juiste tempo vermenigvuldigen en gevaarlijke cellen in het lichaam geprogrammeerd worden om af te sterven. In veel kankerpatiënten is deze transcriptiefactor dan ook gemuteerd. Hieruit blijkt dus de immense impact die transcriptiefactoren hebben op ons lichaam.

In draf. Afbeelding: Ealdgyth (via Wikimedia Commons).

In draf. Afbeelding: Ealdgyth (via Wikimedia Commons).

Stopcodon
DNA bestaat uit vier verschillende bouwblokken, ook wel nucleotiden genoemd. Deze nucleotiden worden in drietallen, codons of tripletten genaamd, afgelezen. Elk drietal codeert voor een specifiek deel van het te produceren eiwit. Twee codons geven echter aan dat het eiwit klaar is. Dit zijn de stopcodons. Als door een mutatie een vroegtijdig stopcodon ontstaat, wordt de productie van het eiwit dus te vroeg stop gezet, wat leidt tot incomplete en vaak ook niet functionele eiwitten. In de paarden die vijf paardengangen beheersten, bleek de transcriptiefactor DMRT3 gemuteerd te zijn. Door deze mutatie ontstond er een vroegtijdig stopcodon. De DMRT3 transcriptiefactor is bij deze paarden dus incompleet en waarschijnlijk ook niet functioneel. Om te onderzoeken wat het effect is van de afwezigheid van DMRT3 gebruikten de onderzoekers muismodellen.

Muizen
Ze fokten twee groepen muizen. De eerste groep had de mutatie in het DMRT3-gen, terwijl de controlegroep deze niet had. Deze muizen moesten vervolgens verscheidene bewegingstests doen. Ze moesten lopen en rennen, hun balans werd op de proef gezet, en er werd gekeken hoe ze zwommen. De gemuteerde muizen hadden geen problemen met hun balans en hun motorische coördinatie leek ook normaal. De verschillen werden echter zichtbaar toen ze op de loopband of in het water werden gezet. In het water bleken deze muizen minder te presteren en maakten ze af en toe spastische bewegingen die de controlemuizen niet maakten. Op de loopband werd het loopritme van de muizen bepaald op verschillende snelheden. Op hogere snelheden konden de muizen die de mutatie hadden de controlegroep nauwelijks bijbenen. Ze bleken grotere passen te maken en langer op hun voorpoten te blijven staan, wat leidde tot problemen op hoge snelheden. Een vergelijkbare observatie werd ook gedaan bij paarden die vijf paardengangen beheersten. Zij scoorden slechter bij hun snellere gangen: draf en galop. De loopritmes verschilden ook tussen de twee groepen. De controlegroep beheerste alleen de natuurlijke loopritmes, terwijl de DMRT3 missende muizen alternatieve ritmes beheersten en ook meer ongecoördineerde stappen maakten.

Een ijslander. Afbeelding: Neil D'Cruze (via Wikimedia Commons).

Een ijslander. Afbeelding: Neil D’Cruze (via Wikimedia Commons).

Verband aangetoond
Dit experiment toont dus duidelijk een verband aan tussen veranderd loopgedrag in muizen en deze mutatie in het DMRT3-gen. Vervolgens werd er gekeken welke cellen in het zenuwstelsel beïnvloed werden door de afwezigheid van DMRT3. Dit deden ze door DMRT3 te markeren met een antilichaam in ongemuteerde muizen met functioneel DMRT3. Gemarkeerd DMRT3 kan worden gezien met een fluorescentie-microscoop, aangezien het antilichaam gebonden is aan een fluorescerend molecuul. Zo konden ze met deze microscoop precies zien waar DMRT3 zich normaal bevindt in het lichaam.

dI6
DMRT3 bleek vooral veel voor te komen in één specifieke groep zenuwcellen. Deze groep, dI6 genaamd, zit aan de buikzijde van het ruggenmerg. Deze zenuwcellen bleken ook een directe connectie the hebben met motorische zenuwen, de zenuwen die de beenspieren aansturen. Deze zenuwcellen reguleren wanneer de beenspieren worden aangespannen en dus ook het loopritme. De paarden die vijf paardengangen beheersen, missen dus een transcriptiefactor die deze zenuwcellen aanstuurt en bij hen is het loopritme dan ook minder strikt gereguleerd. Hierdoor kunnen deze paarden loopritmes ontwikkelen die van nature niet mogelijk zijn. Ze kunnen hun beenspieren aanspannen op momenten waar dat normaal voorkomen wordt door DMRT3. Ook verklaart deze mutatie waarom muizen en paarden minder goed presteren op hoge snelheden, omdat de galop minder goed aangestuurd wordt.

Of paarden kunnen galopperen op de maan is dus een lastig vraagstuk om te beantwoorden en dus kunnen we alleen maar speculeren. Als we ervan uitgaan dat het paard in kwestie alleen de natuurlijke paardengangen beheerst, zal hij proberen over te gaan op de draf als hij snelheid krijgt. Het probleem is echter dat hij op de maan een zeer groot vliegmoment zal krijgen door de geringe zwaartekracht. De verschillende gangen van het paard zijn geoptimaliseerd met het oog op de zwaartekracht van de aarde en zijn dus niet toepasbaar als deze verandert. Het zenuwstelsel heeft echter ingeprogrammeerde ritmes en het zal lastig zijn voor de paarden om hiervan af te wijken en zich te kunnen voortbewegen op de maan. Misschien is het makkelijker voor paarden met een gemuteerd DMRT3 gen, maar tot we paarden naar de maan brengen, zal deze vraag onbeantwoord blijven.

Bas Cartigny (1993) heeft recentelijk zijn studie biotechnologie afgerond aan de Wageningen Universiteit. Gedurende zijn studie heeft hij zich gespecialiseerd in de microbiologie en de moleculaire biologie. Hij heeft dan ook onderzoek gedaan aan de universiteit in deze richting. Zijn onderzoek richtte zich met name op de het bacteriële immuunsysteem CRISPR-Cas, dat ook gebruikt wordt als tool voor genoommodificatie. Ook heeft hij onderzoek verricht naar schimmels en de implementatie van fotosynthese in E. coli.