En dat heeft zowel positieve als negatieve gevolgen.

Sommige stukjes DNA kunnen van positie veranderen in het genoom. Ze springen als het ware van het ene chromosoom naar het andere. Als deze springende genen – of transposons – op de verkeerde plek terechtkomen, kunnen ze schade veroorzaken. Maar af en toe levert een verdwaald transposon toch een voordeel op.

Kopiëren, knippen en plakken
Er zijn twee groepen transposons. De ene groep springt rond via een mechanisme van kopiëren en plakken, terwijl de andere groep vertrouwt op een mechanisme van knippen en plakken. Maar hoe gaat dit precies in zijn werk? Bij de eerste groep wordt de DNA-tekst gekopieerd naar een RNA-molecuul. Vervolgens wordt de tekst op dit RNA-molecuul elders in het genoom toegevoegd. Je kan het vergelijken met iemand die een zin uit een boek op een briefje kopieert om de boodschap vervolgens in een ander boek te schrijven. Deze groep transposons staat bekend als retrotransposons. De tweede groep transposons verplaatst zich door middel van knippen en plakken. Aan het uiteinde van deze transposons zit een DNA-tekst met de boodschap ‘hier knippen’, zoals het schaarsymbool op sommige verpakkingen in de supermarkt. Bepaalde eiwitten herkennen deze boodschap en knippen het stukje DNA zorgvuldig uit. Daarna wordt het uitgeknipte stukje DNA ergens anders in het genoom geplakt. Deze tweede groep wordt DNA-transposons genoemd.


Retrotransposons en DNA-transposons. Afbeelding: Jente Ottenburghs.

Families
Binnen deze twee groepen worden transposons verder onderverdeeld in aparte families op basis van specifieke kenmerken. Bijvoorbeeld, Alu-elementen, een verzameling van retrotransposons, bevatten twee specifieke regio’s – Deel A en Deel B – gevolgd door een lange streng van de base adenine (een zogenaamde poly-A-staart). Aan het begin en het uiteinde van een Alu-element zit een kort DNA-tekstje van 4 tot 25 letters dat enkele keren herhaald wordt. Deze DNA-tekstjes, die wetenschappers Target Site Duplication (TSD) noemen, ontstaan wanneer een transposon zich in het DNA nestelt.

Alu-element. Afbeelding: Jente Ottenburghs.

Heel veel transposons
Bijna de helft van het menselijk genoom bestaat uit transposons, maar slechts een klein gedeelte hiervan (minder dan 1 procent) is vandaag nog actief. De meeste transposons zijn niet meer actief omdat de cel ze onder controle gekregen heeft. De cel heeft namelijk een arsenaal aan verdedigingsmechanismen om transposons aan banden te leggen. Inactieve transposons kunnen niet meer in het rond springen en verzamelen mutaties waardoor ze langzaam aftakelen tot pseudogenen. Het resultaat is een kerkhof van gefossiliseerde transposons. De meest voorkomende transposons in ons genoom zijn Alu-elementen en LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements). Het menselijk genoom bevat ongeveer een half miljoen LINEs waarvan er ongeveer 100 actief zijn. Deze cijfers zijn vrij indrukwekkend, maar vallen in het niet in vergelijking met sommige planten. Het genoom van maïs bestaat bijvoorbeeld voor 85 procent uit transposons. Het is dan ook niet zo verbazend dat deze springende genen in maïs ontdekt werden. Transposons bleken verantwoordelijk te zijn voor de verschillende kleuren van maïskorrels. Barbara McClintock kreeg voor deze ontdekking de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde in 1983.

Veelkleurig maïs. Afbeelding: Corncobs / Waugsberg (via Wikimedia Commons).

Ziektes
Wanneer een transposon in het midden van een eiwit-coderend gen terecht komt, dan zal dat gen niet meer optimaal functioneren met alle gevolgen van dien. Bij de mens zijn meer dan 120 transposon-invoegingen verantwoordelijk voor ziektes. Fukuyama spierdystrofie wordt bijvoorbeeld veroorzaakt door een transposon dat in het gen fukutin (FKTN) gesprongen is. Door de invoeging van het transposon komt het eiwit van dit gen op de verkeerde plek in de cel terecht (voor de nieuwsgierige lezers: het eiwit gaat naar het endoplasmatisch reticulum in plaats van het golgicomplex). Het gevolg van deze fout is dat de ontwikkeling van spieren en hersenen niet optimaal verloopt. Daarnaast kunnen transposons ook kanker veroorzaken. Wanneer een transposon midden in een gen springt dat de celdeling reguleert, kan dit leiden tot ongecontroleerde celdelingen en dus kanker.

Snelle aanpassing
Toch kunnen transposons ook positieve effecten hebben. In tijden van stress werken de verdedigingsmechanismen van de cel minder goed. Hierdoor kunnen sommige transposons weer actief worden. De springende genen veroorzaken mutaties en structurele veranderingen in het genoom. Het resultaat is een populatie met meer genetische variatie die zich snel kan aanpassen aan de nieuwe omgeving. Momenteel hebben wetenschappers alleen indirect bewijs voor dit scenario. Zo ging het ontstaan van talloze vleermuissoorten in de familie Vespertilionidae bijvoorbeeld gepaard met een verhoogde activiteit van zogenaamde Helitron-transposons. Mogelijk creëerden deze transposons extra genetisch variatie die een snelle soortvorming in de hand werkte. De recente ontwikkelingen in genoomonderzoek bieden de gelegenheid om dit soort scenario’s in detail te bestuderen.

Domesticatie
Springende genen kunnen ook op een andere manier voordelig zijn, namelijk via domesticatie. Net zoals mensen bepaalde planten en dieren gedomesticeerd hebben, kan een cel transposons rekruteren voor bepaalde doeleinden. Wij danken ons bestaan waarschijnlijk aan de domesticatie van een transposon. Het eiwit Syncytin-1 speelt een cruciale rol bij de ontwikkeling van de placenta door de verbindingen tussen bepaalde cellen te stabiliseren. Het gen ERVW-1 bevat de instructies om dit eiwit te produceren. En dit gen is afkomstig van een transposon, met name een endogeen retroviraal element (ERV). Verder helpen diverse transposons ook bij de hersenontwikkeling en het immuunsysteem. Waar zouden we zijn zonder deze springende genen?

Over de veelzijdige auteur

Dit artikel is geschreven door Jente Ottenburghs. Hij 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 aan de Uppsala Universiteit (Zweden). Voor Scientias.nl schrijft hij regelmatig over fascinerende studies. Daarnaast heeft hij zojuist de laatste hand gelegd aan een fantasy-roman, De Draak met de Blauwe Schub. En er is zelfs een uitgeverij die het boek in 2019 op de markt wil brengen. Deze uitgeverij (Beefcake Publishing) werkt met crowdfunding: hoe meer geld er verzameld wordt, hoe meer boeken er gedrukt zullen worden. Voor een bijdrage van 20 euro krijg je sowieso de eerste druk van Jente’s boek. Lees je graag fantasy of wil je gewoon het boekproject van Jente steunen, dan kan je hier een bijdrage leveren.