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:
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.  |
| Schaatsenrijder |
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.
|
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.
|
 |
|
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)
