Ze hebben een heel arsenaal aan genetische aanpassingen ter beschikking.

Leven op grote hoogte is geen pretje. Hoe hoger je op een berg klimt, hoe lager de luchtdruk en hoe minder zuurstofmoleculen er door de lucht zweven. Hierdoor wordt het steeds moeilijker om te ademen. Zelfs een kort bezoek aan een plek op grote hoogte kan al gezondheidsproblemen veroorzaken. Vanaf een hoogte van 2500 meter kan hoogteziekte optreden. Meestal gaat het om milde symptonen, zoals hoofdpijn, duizeligheid of slapeloosheid. Maar soms ontstaan er ook serieuze problemen wanneer vocht zich ophoopt in de longen of de hersenen. Toch zijn mensen en dieren erin geslaagd om op grote hoogte te overleven. Tibetanen leven bijvoorbeeld op 3000 tot 4500 meter hoogte. Hoe krijgen ze dit voor elkaar?

Rode Bloedcellen
Onderzoekers vergeleken het DNA van Tibetanen met Chinezen uit het laagland. Uit deze vergelijking kwamen enkele genen naar voren, onder andere EPAS1, EGLN1 en PPARA. Die afkortingen zeggen je waarschijnlijk weinig, maar deze drie genen maken deel uit van een reeks chemische reacties die in actie schiet bij lage zuurstofconcentraties (het zogenaamde HIF-reactiepad). Tibetanen blijken speciale varianten van deze genen te hebben waardoor zij meer rode bloedcellen produceren. Deze cellen transporteren zuurstof van de longen naar de rest van het lichaam.


Denisova-mens
Een van deze genen – EPAS1 – heeft een unieke geschiedenis. Toen wetenschappers het DNA van Tibetanen vergeleken met dat van de uitgestorven Denisova-mensen, bleek dat beide groepen mensen dezelfde variant van het EPAS1-gen hadden. Waarschijnlijk hebben de voorouders van de Tibetanen ooit gekruist met de Denisova-mensen en verkregen ze deze variant van het gen. Later bleek deze variant nuttig in de ijle lucht van de Tibetaanse hoogvlakte.

Afrika en Zuid-Amerika
Maar hoe zit het met mensen in andere gebieden? Ook in Zuid-Amerika en Afrika leven mensen op grote hoogte. In het Andesgebergte en in Ethopië vinden we mensen boven 2500 meter. Uit genetische analyses blijkt dat zij andere oplossingen gevonden hebben voor het leven op deze hoogte. Net als Tibetanen hebben Ethiopiërs speciale gen-varianten in het HIF-reactiepad waardoor zij meer rode bloedcellen kunnen produceren. Het gaat echter om andere genen in vergelijking met de Tibetanen. Er zijn blijkbaar meerdere manieren om dit reactiepad aan te passen bij lage zuurstofconcentraties. Mensen uit de Andes gebruiken dan weer een andere strategie. In hun DNA vonden wetenschappers speciale varianten van de genen BRINP3 en DST. Deze genen spelen een rol in de ontwikkeling van het hart- en bloedvatenstelsel. In tegenstelling tot de Tibetanen en de Ethiopiërs, hebben inwoners van de Andes dus geen andere versie van HIF-reactiepad. Zij pasten zich aan door veranderingen in hun hart- en bloedvatenstelsel met een betere zuurstofcirculatie als gevolg.

Tibetaanse dieren
Tijdens hun reis rond de wereld hebben mensen verschillende diersoorten gedomesticeerd. Sommige van deze dieren leven nu ook op grote hoogte. In Tibet lopen bijvoorbeeld paarden en koeien rond. Evolutie heeft deze dieren een handje geholpen met diverse aanpassingen aan de lage zuurstofconcentraties. Tibetaanse paarden hebben een speciale variant van het NADH6-gen waardoor hun cellen efficiënter energie produceren. En koeien hebben – net als mensen – een specifieke variant van het EGLN1-gen dat deel uitmaakt van het HIF-reactiepad. Deze variant kwam in het Tibetaanse vee terecht via kruisingen met de wilde jak, een rundersoort uit Centraal-Azië.


De Tibetaanse mastiff, een oosters hondenras. Afbeelding: Pleple2000

EPAS1
En dan is er opnieuw EPAS1. Het gen dat Tibetanen kregen van de Denisova-mensen. Diverse dieren bezitten ook varianten van dit gen waardoor zij op grote hoogte kunnen leven. Het gaat weliswaar om andere mutaties in vergelijking met de mens, maar het resultaat is hetzelfde: een hogere productie van rode bloedcellen. Wetenschappers vonden een speciale EPAS1-variant in de Tibetaanse mastiff, een oosters hondenras. Net als bij de mens is deze variant afkomstig van een andere soort. De mastiffs hebben namelijk ooit gekruist met Tibetaanse wolven. Verschillende lage-zuurstof-varianten van het EPAS1-gen zijn ook aanwezig in het DNA van Tibetaanse geiten en Peruviaanse paarden. Qua populariteit staat dit gen dus op eenzame hoogte.

Convergente evolutie
Dit overzicht van genetische aanpassingen toont aan dat er meerdere oplossingen zijn voor een leven op grote hoogte. Sommige dieren passen het HIF-reactiepad aan, terwijl andere dieren een efficiëntere bloedsomloop of een betere energieproductie ontwikkelen. Daarnaast kan het HIF-reactiepad op diverse manieren veranderd worden door een van de vele genen aan te passen. En die genen kunnen door uiteenlopende mutaties gemodificeerd worden. Deze voorbeelden van convergente evolutie – verschillende oplossingen voor eenzelfde probleem – illusteren de veelzijdigheid van het evolutionaire proces.

Over de auteur
Jente Ottenburghs promoveerde aan de Universiteit Wageningen waar hij onderzoek deed naar de evolutie van ganzen. Na een stage bij de wetenschapsredactie van de Volkskrant werkt hij nu als postdoc aan de Uppsala Universiteit in Zweden. Meer weten over Jente? Neem een kijkje op zijn website. Recent kon je in een artikel van de hand van Jente al lezen hoe een genoom in kaart wordt gebracht. Nieuwsgierig? Klik hier! En hier kun je lezen hoe de genetische code precies werkt.