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.

http://flybase.org/

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

https://nl.wikipedia.org/wiki/Gelelektroforese