zondag 29 oktober 2017

Een nieuw stuk poot door een nieuw gen

Nieuw! is niets nieuws in de biologie. Nieuwe soorten, nieuwe vleugelpatronen, nieuwe onderdelen ...

Er zijn vele manieren van nieuw in de biologie, en één van die manieren is 'nieuw onderdeel door een nieuw gen'. Een prachtig voorbeeld daarvan is gepubliceerd in Science van 20 oktober 2017. Het gaat over een nieuw uitsteeksel aan een poot bij een beekloper, Rhagovelia. Dat nieuwe uitsteeksel wordt veroorzaakt door een nieuwe functie bij een verdubbeld gen.

Beeklopers zijn een insectenfamillie, maar hier niet erg bekend. Bekender  zijn de nauw verwante schaatsenrijders , ook een familie van insecten:  
Schaatsenrijder
Schaatsenrijders lopen over water, en eten insecten. Schaatsenrijders doen dat bij redelijk stilstaand water. Beeklopers lopen ook over water, eten ook insecten, maar komen voor op stromend water.


Er is kennelijk maar één soort beekloper in Nederland:


Nederlandse beekloper, Velia caprai
Bij de familie beeklopers horen veel geslachten en soorten – zo gaat dat bij de insecten. Eén van die geslachten is Rhagovelia uit de tropen. Dat zijn beesten die specialiseren in prooien vangen in snel stromend water. Ze kunnen tegen de stroomrichting in lopen, en snel ook. Dat doen ze door een speciaal nieuw uitsteeksel aan de middenste poot van de drie paar poten die insecten hebben. Alle Rhagovelia soorten hebben een waaier haartjes aan op het laatste segment van het middelste paar poten. Die waaier is totaal nieuw: er is geen ander insect dat zoiets heeft.  De waaier geeft meer grip op het water, en maakt dat het insect sneller kan lopen en draaien op water.
 

Rhagovelia beest met de waariers op de middelste poten



Rhagovelia waaier op middenpoot

Nog eens de Rhagovelia waaier, en hoe de middenpoot eruit ziet bij het naast verwante insectengeslacht, Stridulivelia.
Rhagovelia met waaier en Rhagovelia zonder waaier door storing gen

Onderzoekers in Lyon hebben uitgezocht hoe dat genetisch in elkaar zit. Eerst is gekeken naar welke genen in het embryo werkzaam zijn op precies dat punt in de middelste poot, -  maar niet in de andere poten, - niet in andere delen van de middelste poot, - en ook niet op precies dat punt van de middelste poot bij de nauwverwante Stridulivelia. Dat waren vijf genen, waarvan twee nog onbekend waren: de bekende genen y, cp19, ccdc174 en de twee onbekende  genen c67063_g1 en c68581_g1. Van de drie bekende genen weten we wat ze doen, en dat is niet de aanzet geven tot de waaier. 

Plaats van werking van de vijf genen die verantwoordelijk zijn voor de waaier.

De twee nog onbekende genen c67063_g1 en c68581_g1 bleken tot heel overeenkomstige eiwitten te leiden. 

Aminozuurvolgorde in de eiwitten van de genen c67063_g1 en c68581_g1 Als de eiwitten hetzelfde aminozuur op dezelfde plaats hebben is dat grijs aangegeven, verschillen in aminozuur zijn ingekleurd. Lettercode voor aminozuren:  A, Alanine; C, Cysteïne; D, Asparaginezuur; E, Glutaminezuur; F, Phenylalanine; G, Glycine; H, Histidine; I, Isoleucine; K, Lysine; L, Leucine; M, Methionine; N, Asparagine; P, Proline; Q, Glutamine; R, Arginine; S, Serine; T, Threonine; V, Valine; W, Tryptofaan; and Y, Tyrosine.

Zoeken naar DNA dat overeenkomt met deze genen leverde op dat een dergelijk gen ook bestaat in andere wantsen .  Alleen, in andere wantsen, schaatsenrijders, beeklopers, dan Rhagovelia bleek er steeds maar één overeenkomstig gen te zijn, terwijl de drie onderzochte Rhagovelia soorten alle drie twee genen hadden. Uit vergelijken bleek dat c68581_g1 het meest leek op de genen in enkel voud aanwezig in de schaatsenrijders en beeklopers, meer dan c67063_g1. Daarom werd c67063_g1 'geisha' (gsha) genaamd, en c68581_g1 'mother-of-geisha'  (mogsha). 'Mother-of geisha'  omdat het duidelijk gaat om duplicatie van een gen, en c68581_g1 lijkt het meest op de overeenkomstige genen in de andere soorten. Het verdubbelde gen dat uniek is voor Rhagovelia en samengaat met een waaier aan de middelse poot werd genoemd naar de Japanse geisha met een waaier. 

Indeling van eiwitvolgorden van de genen geisha en mother-of-geisha in schaatsenrijders en beeklopers. Het gen geisha komt over de soorten Rhagovelia  overeen (zie rood blokje). Er is meer verschil tussen mother-of-geisha en geisha dan tussen de soorten.



Het gen geisha  leidt tot veel meer messengerRNA in de middelste poot dan het gen mother-of-geisha.
Al met al, het is het gen geisha dat de waaier aan de poot veroorzaakt. Het is een gen dat ontstaan is door genduplicatie uit mother-of-geisha, en zich een andere functie heeft aangemeten onder snelle verandering in eiwitvolgorde. We zien 'innovatie door genduplicatie'.

Eerder zagen we dat gen duplicatie veel voorkomt en dat gedupliceerde genen van functie kunnen veranderen . Bij een genduplicatie als amylase in Drosophila melanogaster die zo jong is dat de duplicatie nog niet in elk individu aanwezig is, zien we kleine verschillen. We hebben de genduplicatie tijdens de gendifferentiatie betrapt.

Hier zien we hoe genduplicatie beredeneerd wordt uit vergelijken van genen tussen nauw verwante geslachten. De onderzoekers uit Lyon begonnen met een nieuw onderdeel van de poot. Ze kwamen uit op een gen dat ontstaan was door verdubbeling van een gen, waarbij een van de twee dochtergenen een nieuwe functie gekregen had.

*************




Santos et al, 2017. Taxon-restricted genes at the origin of a novel trait allowing access to a new environment. Science 358: 386-390  (betaalmuur)

maandag 23 oktober 2017

Sabeltandtijger DNA


DNA uit fossielen isoleren? In 1984 werd DNA uit een quaggarestant in een museum gehaald, met moeite. De techniek is sinds 1984 met reuzensprongen vooruit gegaan, en het oudste gesequencete DNA is DNA van een paard van tussen 560000 en 780000 jaar geleden. Deels wordt het gedaan omdat het leuk is om te doen, deels om te zien hoe ver je terug kunt, deels om vragen op te lossen en soms om te controleren hoe robuust onze ideeën over afstamming zijn. Bij sabeltandtijger DNA gaat het om het eerste en het laatste punt: een sabeltandtijger is een aansprekend populair beest, en sabeltandtijger DNA is heel geschikt om een stamboom uit fossielen en een stamboom uit DNA op elkaar te toetsen.  Eerst iets over sabeltandtijgers, dan over de toets.

Niemand weet of sabeltandtijgers tijgerstreepjes hadden, of aan een eenvormige poemavacht deden, of aan rozetten deden om in het bos niet op te vallen. Het gaat ook niet om de vacht. Het fascinerende zijn de hoektanden. Sabeltandtijgers (wat hun streepjes ook mogen zijn) hebben hoektanden van een maat die iedereen doet twijfelen hoe ze ooit hun bek open of dicht kregen, of ze hun snijtanden konden gebruiken, en of ze alleen met de zijkant van hun bek aten. Hoe slaagden ze erin een hapje te nemen? Vandaar een fascinatie die doorwerkt tot in uh films, als ICE AGE.
 


Er zijn natuurlijk ook goede bronnen over hoe een sabeltandtijger eruit zag – al gaat dat niet om zijn vacht. Mauricio Antón heeft een prachtig blog, waarin hij vertelt hoe hij zijn reconstructies van uitgestorven beesten maakt: https://chasingsabretooths.wordpress.com/ . Daar kom je ook wel onduidelijke zaken tegen, maar niet de tijger, wel wat er op deze DVD zou staan.
 


De reconstructie door Mauricio Antón is van Smilodon, een geslacht Amerikaanse beesten, zowel Zuid-Amerika als Noord-Amerika. De hoektanden van  Smilodon houden het record:


Homotherium, uit Noord-Amerika, Europa, Azië en Afrika had behoorlijke slagtanden, maar niet zo uitzinnig als Smilodon.

 


Sabeltandtijgers behoren tot de kattenfamilie, Felidae. De Katten, de Echte Ware Katten Felidae, omvatten de sabeltandkatten Machairodontinae en de kegeltandkatten Felinae. Er zijn ooit drie groepen sabeltandkatten geweest, allemaal uitgestorven;  en nu zijn er alleen nog maar kegeltandkatten. De sabeltandkatten en de kegeltandkatten gaan volgens de fossielen tussen de een 20 miljoen jaar geleden uit elkaar. De splitsing tussen de lijn naar Homotherium en de lijn naar Smilodon ligt iets als 15 miljoen jaar geleden. 
 
Fylogenie katten op grond van fossielen. Figuur 2.18 uit Turner en Antón, 1997.


Kandidaten voor de laatste gezamenlijke voorouder zijn fossielen uit het geslacht Pseudaelurus, beesten van ongeveer de maat van een lynx tot de maat van een poema. 
Pseudaelursus skelet, figuur 2.14 uit Turner & Antón 1997
Pseudaelurus reconstructie, figuur 2.15 uit Turner & Antón 1997

De grote soort Pseudaelurus quadridentatus (van een 30 kg) heeft nogal grote hoektanden, en geldt daarom als de voorloper van de sabeltandtijgers, de Machairodontinae. De vergroting van de hoektanden tot sabeltanden is waarschijnlijk in de drie lijnen in de fylogenie afzonderlijk gebeurd (zie fylogenie plaatje).

In 2000 is de een stuk onderkaak van een sabeltandtijger van de soort Homotherium latidens opgevist uit de Noordzee. Het bot bleek omstreeks 28.000 jaar oud, uit de tijd dat de plek waar nu de Noordzee is nog land was.  Er is DNA geïsoleerd uit een kies. Bovendien is er DNA geïsoleerd uit botten van twee Noord-Amerkaanse Homotherium, en uit botten van een Smilodon uit Chili. Vier keer archaïsch DNA.

 
Foto Natuurhistorisch Museum Rotterdam

Dat DNA uit de fossielen is vergeleken met het DNA van levende beesten.
 
indelng van katten, sabeltandtijgers en andere roofdieren op grond van hun DNA. De x-as in is miljoen jaar geleden.



In het blauwe blokje staan de Latijnse namen van: de pardelroller, Indische mangoeste, gevlekte hyena, gestreepte hyena, servalgenetkat, de civetkat met de naam rassé, en gevlekte linsang (van boven naar beneden, Nederlands volgens wikipedia). In het groene blokje staan katten: nevelpanter, tijger, leeuw, luipaard, sneeuwluipaard, jaguar, de Zuid-Amerikaanse nachtkat of kodkod, caracal, Bengaalse tijgerkat, huiskat, poema, jachtluipaard, de Aziatische marmerkat, lynx en de Aziatische goudkat. In het rode blokje staan de fossielen. In totaal geeft deze figuur hoe de sabeltandtijgers Smilodon en Homotherium volgens hun DNA bij de levende roofdieren horen.

Smilodon en Homotherium blijken ook volgens hun DNA lang geleden uit elkaar gegaan te zijn, omstreeks 17 miljoen jaar geleden. Net als in het plaatje op grond van de gevonden fossielenDe vier sabeltandkatten komen heel netjes in de indeling op DNA te voorschijn als zustergroep van de kegeltandkatten. Dus net als in de morfologie op hun botten. Niet dat er anders verwacht werd, maar het is altijd bevredigend om te zien hoe goed morfologie en DNA tot dezelfde stamboom leiden.De sabeltandkatten en de kegeltandkatten zijn volgens hun DNA omstreeks 20 miljoen jaar geleden uit elkaar gegaan. De morfologische indeling gaf ook dat getal van een 20 miljoen jaar.

 
In eerdere studies met DNA (en ook morfologisch) waren Prionodon linsang en Prionodon pardicolor, de gestreepte en gevlekte linsang, de naaste verwanten van de katten, van de levende katten dus ( zie hier en hier). Ook hier komen de linsangs er uit als de naaste verwanten van de katten. De  'katvormige' Paleoprionodon ergens uit het Oligoceen (23-33 miljoen jaar geleden) is een prima kandidaat-voorouder voor linsangs en alle katten. Paleoprionodon zag er meer als een linsang dan als een kat uit, maar dan, alle roofdieren behalve katten hebben een spitse snuit. Die ronde kop is des kats.

DNA uit fossielen? Lees het boek van Svante Pääbo! Over Neanderthal DNA, over techniek en over Svante Pääbo.

****************
https://chasingsabretooths.wordpress.com/






P. Gaubert & G. Vernon, 2003. Exhaustive sample set among Viverridae reveals the sister-group of felids: the linsangs as a case of extreme morphological convergence within Feliformia. Proceedings of the Royal Society of London B 270: 2523-2530.

W.E. Johnson,E. Eizirik, J. Pecon-Slattery,1W.J. Murphy, A. Antunes, E. Teeling, S.J. O’Brien, 2006. The Late Miocene Radiation of Modern Felidae: A Genetic Assessment. Science 311; 73-77

Svante Pääbo , 2014. Neanderthal Man: In Search of Lost Genomes. Basic books. ISBN 9 780465 020836

A. Turner (text) & M. Antón (illustrations), 1997. The Big Cats and their fossil relatives. Columbia University Press, New York. ISBN 0-231-10228-3

 

donderdag 19 oktober 2017

Dubbelop maar een beetje anders


Wat duplo genen doen:        Beetje differentiatie

Met twee genen in plaats van één gen kun je meer van hetzelfde doen, maar twee genen geven ook de mogelijkheid dat elk gen net iets anders gaat doen. Dat begint natuurlijk langzaam – een beetje anders gaat gemakkelijker dan in één klap iets heel anders doen. Er komt een verhaal over het enzym amylase als voorbeeld van kleine verschillen tussen gedupliceerde genen, in Drosophila melanogaster. Voordat ik het vergeet: dit beest dus:


Drosophila melanogaster larven en vlieg
 
Amylase in Drosophila melanogaster

Genen coderen meestal voor eiwitten – er zijn ook wat genen voor transfer-RNA's en zo. De genen die voor enzymen, ook eiwitten, coderen, zijn vaak goed bestudeerd. Van zulke genen is gemakkelijk te zien wat ze doen: voor dat enzym coderen, en van een enzym kun je zien hoe goed het werkt onder verschillende omstandigheden. Als er genetische variatie is in een gen voor een enzym, en je hebt wat geluk, dan is die genetische variatie zichtbaar te maken in het enzym. Genetische variatie in het DNA kan leiden tot een ander aminozuur in het enzym, en een ander aminozuur kan tot een andere lading van het enzymeiwit leiden. Sommige aminozuren hebben namelijk een zure of basische zijketen, en dan heeft het enzymeiwit een lading in een electrisch veld. Als je dan over een gel met bufferoplossing een electrisch veld aanbrengt, stroom door de gel laat lopen, lopen de eiwitten mee met de stroom, of er tegen in, al naar gelang de lading. Dat heet gelelectroforese, en het is de oudste manier om heel veel genetische variatie op het spoor te komen.

Het enzym amylase breekt zetmeel af. Wij hebben amylase in de speeksel klieren en de darm. Drosophila melanogaster heeft ook amylase, in de darm, en vliegen kunnen dan ook zetmeel afbreken. Het amylase enzym bij Drosophila melanogaster bleek extra interessant omdat het veel genetische variatie had met prettige extra eigenschappen: het gen voor amylase was er soms in enkelvoud en soms in tweevoud, er waren zes varianten die verschilden in loopsnelheid in een electrisch veld, en die varianten verschilden ook nog in enzymactiviteit. De varianten hadden vaste combinaties, en door kruisen werd duidelijk welke varianten samen voorkwamen.

Vroeger had ik hier foto's en dia's van .. in de voor-powerpoint tijd

De enzymvariant met de hoogste loopsnelheid in een electrische veld heet AMY-1, afkomstig van allel Amy1. Ik gebruik verder alleen de namen van de allelen. Verzamelen uit wilde populaties Drosophila melanogaster vliegen en kruisen leverde op dat er de volgende combinaties in de natuur homozygoot gevonden worden; ik laat AMY of Amy weg:

1          1,2       1,3       1,4                   1,6

                        3,6       4,6       5,6

 
 

uit de tijd dat ik college gaf
Variant 1 is de enige homozygoot die maar één bandje in een electrisch veld laat zien. Heel veel kruisen (in 1967) liet zien dat er twee genen voor het enzym amylase zijn, die heel dicht bij elkaar op het chromosoom liggen. DNA sequencen (vanaf 2000) laat dat ook zien. De genen heten Amy-p voor Amylase-proximal en Amy-d voor Amylase-distal, dus het gen dat het dichtst bij het centromeer van chromosoom 2 ligt (proximaal) en het gen dat het verst van het centromeer van chromosoom 2 ligt (distaal).

Amy-p en Amy-d verschillen – een beetje.  Amy-d heeft in natuurlijke populaties de electroforetische varianten 2, 3, 4, 5, 6. Amy-p heeft de electroforetische varianten 1 (zelfs met onderverdeling naar genexpressie), 2, 3, 4 en 5.

Het interessante komt bij de bepalingen van de enzymactiviteit per band. Er zijn twee studies die Drosophila melanogaster larven op verschillend voedsel laten leven (Hickey en Bendel 1982, Bendel en Hickey 1986). Er werden larven die twee banden lieten zien gebruikt, homozygoot 4,6 of heterozygoot 1,6. Dus steeds waren twee bandjes afkomstig van dezelfde larf. Van die larven wordt (bij gekozen vast stadium) gescoord wat de enzymactiviteit per bandje was. Dat geeft de volgende resultaten:

 
 
enzymactiviteit
 
Amy gen
proximal
distal
proximal
distal
proximal
distal
Voedsel
 
Band 4
Band 6
Band 1
Band 6
 band 4
 band 6
zetmeel (10%)
 
5.58
5.42
5.55
5.75
4.92
4.45
suiker (10%)
 
4.2
4.32
1.87
3.75
3.57
3.82
 
verhouding
1.33
1.25
2.97
1.53
1.38
1.16

De enzymactiviteit bij zetmeelvoer is altijd hoger dan bij suikervoer.

Het punt hier is de mate waarin de enzymactiviteit anders is. Bij een bandje afkomstig van het gen Amy-proximal is binnen dezelfde larven de verhouding altijd hoger dan bij een bandje van het gen Amy-distal. Het gen Amy-proximal reageert sterker op aan of afwezigheid van zetmeel dan het gen Amy-distal. Dat betekent dat er een klein verschil is opgetreden tussen de beide genen van de genduplicatie.

Een nog eerdere studie liet verschil tussen Amy-proximal en Amy-distal zien in enzymactiviteit per levensstadium. Voor de homozygoot 3,6 met band 3 op gen Amy-p en band 6 op gen Amy-d werd per band (van dezelfde beesten) de enzymactiveit in larven en in volwassen vliegen bepaald. Het liet zien dat in larven Amy-proximal het belangrijkste gen van de twee is, en in volwassen vliegen Amy-distal (Doane 1970).

 
Percentage van de enzymactiviteit
 
Amy-p-3
Amy-d-6
Larven
0.71
0.29
Vliegen
0.23
0.77

Al met al: genduplicatie en een beetje differentiatie tussen genen.  

**************

Bahn, 1967.  Crossing over in the chromosomal region determining amylase isozymes in Drosophila melanogaster. Hereditas 58:1-12.
Hickey en Benkel, 1982.  Regulation of amylase activity in Drosophila melanogaster: Effects of dietary carbohydrate. Biochemical Genetics 20: 1117–1129

Doane, W. W. (1970). Drosophila amylases and problems in cellular differentiation. In Hanly, E. W. (ed.), RNA in Development (Int. Symp. Prob. Biol., 1, 1969), University of Utah Press, Salt Lake City, pp. 73–109.


Hickey en Benkel, 1982.  Regulation of amylase activity in Drosophila melanogaster: Effects of dietary carbohydrate. Biochemical Genetics 20: 1117–1129


 

maandag 16 oktober 2017

Genduplicaties bij de vleet

Twee mensen weten meer dan één mens en twee genen doen meer dan één gen: misschien dan. Verdubbeling van een gen – dat is wat genduplicatie betekent – is de voornaamste bron van nieuwe genen. En nieuwe genen zijn de motor van de evolutie, met natuurlijke selectie als brandstof. Met nieuwe genen kun je  goed 'complexer' worden – niet dat ik helemaal zeker weet wat 'complexiteit' is, maar het geeft een idee.  Nieuwe genen zijn een bron van 'innovatie' – al kan innovatie ook wel zonder nieuwe genen.
Maar ja, genduplicatie dus. Hoe kom je aan gedupliceerde genen (gemakkelijk) en wat krijg je met gedupliceerde genen (heel veel mogelijkheden)?
                Hoe nieuwe genen ontstaan
DNA wordt gecopieerd als cellen delen. Er zijn twee soorten celdeling, mitose maakt nieuwe diploïede lichaamscellen en meiose maakt haploïde geslachtscellen uit diploïde lichaamscellen. Ik hoop dat dat onderwezen wordt op de middelbare school, maar als dat niet zo is, het staat ook op wikipedia. Bij de meiose verdubbelt eerst het DNA, zodat elk chromosoom uit twee strengen – chromatiden – bestaat die verbonden worden door het centromeer. De overeenkomstige chromosomen (bv chromosoom 3 afkomstig van de vader en chromosoom 3 afkomstig van de moeder) gaan netjes naast elkaar liggen en wisselen DNA uit. Dit heet crossing over en gebeurt  in chiasmata.
Dat uitwisselen werkt via breuken in chromatiden die daarna weer aan elkaar gezet worden. Meestal gaat dat precies maar lang niet altijd. Als het niet precies gaat kan er veel of weinig verandering in het DNA optreden. Crossing-over midden in DNA met bv de volgorde ..ACACACACACACAC.. geeft gemakkelijk een AC meer of minder. Ook verder zit er nogal wat herhaling in DNA – wat wil je ook met maar 4 basen – en het gevolg is dat er nogal wat fouten optreden, en ook na controleren blijven zitten.
                Hoeveel nieuwe genen?
Hoe vaak komen extra stukjes DNA voor? Die vraag is min of meer te beantwoorden nu DNA sequencen niet meer al te duur is. Elke geslachtscel sequencen gaat nog wat ver, maar variatie in DNA sequentie binnen een soort valt te doen. Dus, op zoek naar genetische variatie in hoeveelheid DNA binnen een soort of populatie. Genetische variatie in hoeveelheid DNA heet Copy Number Variation (CNV), en duplicatie van genen is maar één van de mogelijkheden voor Copy Number Variation (CNV).
De misschien meest bestudeerde soort (na mens) is Drosophila melanogaster. De standaardset Global Diversity Lines (GDL) bestaat uit 84 lijnen uit afkomstig uit vijf gemonsterde populaties:  Beijing, China (15 lijnen); Ithaca, US (19 lijnen); Netherlands (19 lijnen); Tasmania (18 lijenen); and Zimbabwe (13 lijnen). Elke lijn is ingeteeld en voor zo ver mogelijk homozygoot. Dat geeft een bruikbare verzameling voor genetische variatie binnen populaties tussen lijnen, en tussen populaties. Dat is dan duidelijk wel genetische variatie die een eerste test van levensvatbaarheid doorstaan heeft.

Sequencen van alle 84 lijnen geeft aan wat voor verschillen en overeenkomsten er zijn (Grenier et al, 2015). Bij deze lijnen is nagetrokken hoe vaak verschillen in copy number van een stukje DNA aanwezig is ten opzichte van het referentiegenoom van Drosophila melanogaster (Cardoso-Moreira et al, 2016). Er werd gekeken naar CNV van stukken DNA tussen 25 basepaar en 25000 basepaar lang. Er werden 2221 duplicaties, 56562 deleties en 3850 inserties van DNA van die maat gevonden. Copy Number Variation relatief weinig voor in DNA dat voor eiwit codeert en in de DNA dat met de regulatie van eiwitgenen te maken heeft. Duplicatie van DNA voor delen van genen komt weinig voor, maar duplicatie van volledige genen blijkt vaker voor te komen dan in eerste instantie op grond van hun DNA lengte was verwacht.
 


Figuur 2 A: wat voor type DNA in tweevoud of meer voorkomt in hoeveel lijnen binnen een populatie. Alle duplicaties per categorie samen 100%. Bijvoorbeeld,duplicatie van  DNA tussen genen vormt  20% van eenmalig voorkomende duplicaties; duplicatie van volledige genen vormt  >30%  van duplicaties die in met hoge frequentie in populaties voorkomen. B: Gen duplicaties komen niet in elke populatie met dezelfde frequentie voor.  






In totaal zijn er over de 84 lijnen 491 genduplicaties gevonden. Het is duidelijk dat genduplicaties binnen een populatie polymorf zijn: dat is, het gen kan in enkelvoud of in tweevoud in een lijn gevonden worden, maar niet in 100% van de lijnen van een populatie in twee voud. Dat betekent dat de genduplicaties in de populaties waaruit de lijnen afkomstig zijn onderdeel uitmaken van de genetische variatie.

De eerste conclusie is dat duplicaties van genen verre van zeldzaam is.
                Is er selectie op de gedupliceerde genen?
Dezelfde studie naar het voorkomen van genduplicatie keek ook naar sporen van selectie in het DNA van deze 84 lijnen (Cardoso-Moreira et al, 2016). De aanwezigheid van selectie laat sporen na in ht DNA: het allel dat door selectie in frequentie toeneemt sleept zijn omgeving in het DNA met zich mee. Het gevolg daarvan is dat met het allel ook de omgeving die specifiek is voor dat allel in frequentie toeneemt. En dat betekent weer dat de DNA omgeving van dat allel dat in frequentie is toegenomen relatief homogeen is.
Om te beginnen moet je dus kijken bij duplicaties die in hoge frequentie zijn in een populatie, en voor die duplicatie zoeken naar eenvormigheid in de omgeving. Die relatieve eenvormigheid is te zien bij sommige duplicaties. De duplicatie van het gen Prosbeta5R2 heeft minder genetische variatie in zijn omgeving dan de niet gedupliceerde variant, bijvoorbeeld.  

Figuur 3 Relatief weinig genetische variatie in de omgeving van een duplicatie die een hoge frequentie in zijn populatie heeft

Er waren acht genduplicaties geschikt voor deze benadering. Vijf daarvan lieten aanwijzingen voor selectie ten gunste van de duplicatie zien.  Dat houdt al met al in dat  omstreeks de helft van de genduplicaties door selectie op hoge frequentie is gekomen, en ongeveer de helft door toeval. In beide gevallen betekent het dat wat meer DNA aanmaken voor de vlieg geen enkel punt is. Een beetje DNA meer maken leidt niet tot selectie tegen de duplicatie vanwege te veel uitgaven voor de bouwstoffen voor DNA.

                Wat nieuwe genen doen:            Meer van hetzelfde
Nog steeds dezelfde studie naar het voorkomen van genduplicatie keek ook naar het effect van de duplicatie van genen (Cardoso-Moreira et al, 2016). Een gen moet tot expressive komen wil het meedoen, en het eerste daarvan is het aanmaken van RNA uit het DNA van het gen. Er is gekeken naar genexpressie gemeten als RNA van bij volwassen mannetjes. Dat werkte voor 288 van de 491 gedupliceerde genen. Van die 288 gedupliceerde genen hadden er 121 een hogere expressie, meer RNA, in de lijnen met de genduplicatie, en 7 gedupliceerde genen hadden lagere expressie (dus 160 zonder verschil in genwerking). Bedenk wel dat de hoeveelheid gevonden RNA per gen in een volwassen mannetje niet direct het niveau van het genproduct hoeft weer te geven: de totale hoeveelheid RNA van een gen kan ook nog geregeld worden.

 

Figuur 4. Voorbeeld van toename in genexpressie met aantal copieën voor het gen Prosbeta5R2


                Wat nieuwe genen doen:            Beetje differentiatie
De studie van Cardoso-Moreira et al, 2016 zocht naar patronen in DNA, en vond dat genduplicaties niet zeldzaam zijn, soms toenemen als gevolg van selectie en soms tot hogere hoeveelheid genproduct leiden. Zo'n studie kijkt niet in detail naar elk gen. Voor meer inzicht in de gevolgen van genduplicatie is dan nodig voor een aantal genen nauwkeuriger te kijken hoe ze werken. (wordt vervolgd (promise!))
******************
Cardoso-Moreira et al, 2016. Evidence for the fixation of gene duplications by positive selection in Drosophila. Genome Research 26:787–798
Grenier et al, 2015. Global diversity lines: a fivecontinent reference panel of sequenced Drosophila melanogaster strains. G3 5: 593–603