Er ontstaan gemiddeld 50 nieuwe genen ‘uit het niets’ per miljoen jaar.

De DNA-letters van een gen moeten in de juiste volgorde staan om een functioneel eiwit te produceren. Kan de DNA-sequentie van een gen ‘uit het niets’ ontstaan? Wetenschappers vergeleken de genomen van 13 verschillende soorten rijst en konden het ontstaan van diverse nieuwe genen stap voor stap volgen. Ze publiceerden hun resultaten in het vaktijdschrift Nature Ecology & Evolution.

Niet-coderend DNA
Voor alle duidelijkheid, biologen hebben het niet over magische gebeurtenissen als ze over genen ‘uit het niets’ spreken. Ze verwijzen naar stukjes DNA met een willekeurige volgorde DNA-letters die niet voor eiwitten coderen, zogenaamd niet-coderend DNA. Een groot deel van het genoom bestaat uit niet-coderend DNA en dit zou wel eens de geboorteplaats van nieuwe genen kunnen zijn. Een willekeurige mutatie in het niet-coderend DNA kan de start zijn van een nieuw gen.


De structuur van een gen
Maar om te begrijpen hoe een gen uit niet-coderend DNA kan ontstaan, moeten we eerst de DNA-sequentie van een functioneel gen bekijken. Het DNA-alfabet bestaat uit vier letters (A, T, G en C) die overeenkomen met vier chemische structuren. Een gen heeft duidelijk afgebakende grenzen van drie DNA-letters. Het startpunt wordt bepaald door de code ATG. Voor het eindpunt zijn er meerdere opties: TAG, TAA of TGA. Tussen het start- en eindpunt van een gen ligt de code voor het eiwit. Deze code is ook opgebouwd uit ‘woorden’ van drie DNA-letters, zogenaamde codons. Deze woorden geven aan welke aminozuren – de bouwstenen van eiwitten – gebruikt moet worden. Bijvoorbeeld, het codon CCA verwijst naar het aminozuur proline, terwijl GCT op alanine duidt. Men deze kennis in het achterhoofd kunnen we op zoek gaan naar nieuwe genen.

Verduidelijking van de structuur van een gen. Afbeelding: Jente Ottenburghs

Stap voor stap
De onderzoekers zochten naar genen die in slechts een van de 13 soorten rijst voorkomen. Vervolgens vergeleek men de DNA-code van deze unieke genen met de DNA-sequentie van andere soorten. Op die manier kon men achterhalen hoe de DNA-letters veranderd zijn sinds de geboorte van dit nieuwe gen. Je kan dit vergelijken met het ontcijferen van een oude tekst die door de jaren heen veranderd is. Stel dat je een oude editie van een boek koopt waarin heel wat onzin staat. Op pagina 20 staat bijvoorbeeld VXLUTIE. In een recentere editie van hetzelfde boek staat op dezelfde positie echter het woord EVXLUTIE. En in de nieuwste editie kan je EVOLUTIE lezen. Door de drie boeken te vergelijken, kan je zien dat er twee veranderingen hebben plaatsgevonden: eerst is een E bijgekomen en dan is een X in een O veranderd. In DNA-termen gaat het een insertie (een extra letter) en een puntmutatie (een verandering van een letter). De onderzoekers deden net hetzelfde: zij vergeleken unieke eiwit-coderende genen en niet-coderend DNA op dezelfde positie in het genoom van verschillende soorten. Op deze manier kon men de geboorte van een nieuw gen stap voor stap volgen. Zo reconstrueerden ze bijvoorbeeld de evolutie van het gen Osjap05g30030. Dit gen had zes stappen nodig om van niet-coderend stukje DNA in een volwaardig eiwit-coderend gen te veranderen. Een ander gen (Osjap06g21910) had hier slechts vier stappen voor nodig.

Functioneel
Maar zijn deze genen ook actief? Een stukje DNA dat op een gen lijkt is niet automatisch functioneel. De onderzoekers voerden diverse experimenten uit om na te gaan of de nieuwe genen daadwerkelijk tot werkende eiwitten leiden. En dat bleek inderdaad het geval te zijn. Meer dan de helft van de nieuwe genen (57 procent) is zeker functioneel. Om de precieze functie van deze genen achterhalen is verder onderzoek nodig.

Onderschatting
In de Aziatische rijst (Oryza sativa) vond men 175 nieuwe genen. Deze soort splitste ongeveer 3,5 miljoen jaar geleden af van een andere wilde rijstsoort (Oryza punctata). Dat will zeggen dat er gemiddeld zo’n 50 genen per miljoen jaar ontstaan. Het gaat hier om stukjes niet-coderend DNA die het tot volwaardige eiwit-coderende genen schoppen. Waarschijnlijk zijn er ook stukjes DNA die de finish net niet halen of na enige tijd uit het genoom verdwijnen. Daarnaast is de vorming van genen uit niet-coderende DNA slechts een manier waarop nieuwe genen ontstaan. Een ander mechanisme is bijvoorbeeld het verdubbelen van een gen. Na de verdubbeling gaat elke kopie zijn eigen weg. De schatting van deze studie (50 nieuwe genen per miljoen jaar) is dus waarschijnlijk aan de lage kant.

Andere Studies
Wetenschappers vermoedden al langer dat nieuwe genen uit niet-coderend DNA kunnen ontstaan. Tot nu toe had men vooral theoretische modellen van dit proces. Nu hebben biologen eindelijk genoomdata van hoge kwaliteit om deze modellen ook daadwerkelijk te testen. En het blijkt dat niet-coderend DNA inderdaad tot nieuwe genen kan muteren. De laatste weken zijn er diverse studies gepubliceerd die dit proces aantonen in andere organismen, zoals gist en poolvissen. In het geval van de poolvissen gaat het om een stukje niet-coderend DNA dat muteerde tot de code voor een antivries-eiwit. Hierdoor kunnen deze vissen overleven in de extreem koude wateren rond de Noordpool. Deze recente studies zijn waarschijnlijk nog maar het topje van ijsberg. Verwacht je in de toekomst dus maar aan meer van dit soort ontdekkingen.

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.