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.

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

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

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

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

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)