Hedendaags DNA onthult hoe het leven twee miljard jaar geleden een stuk complexer werd

Door het DNA van nu levende wezens te bestuderen, is het mogelijk meer te weten te komen over hoe het leven zich miljarden jaren geleden ontwikkelde. Julian Vosseberg dook voor zijn promotieonderzoek in het DNA van hedendaagse wezens om zo te achterhalen hoe complexe cellen zoals die van planten, schimmels en dieren ooit zijn ontstaan uit simpele bacterieachtige cellen. Zijn resultaten bieden nieuwe inzichten in belangrijke stappen in de tijdlijn van het vroege complexe leven, zoals het ontstaan van de celkern.

Het leven op aarde ontstond zo’n vier miljard jaar geleden. De eerste twee miljard jaar bestond dat leven enkel uit kleine, relatief simpele eencellige wezens. De cellen van deze bacterieachtige wezens, die prokaryoten worden genoemd, bevatten relatief weinig DNA en hadden geen celkern waarin dat DNA was opgeslagen.

Ongeveer twee miljard jaar geleden ontstonden er meer complexe cellen. Die cellen, eukaryote cellen, waren groter, bevatten meer DNA en hadden een celkern. Bovendien bevatten de complexe cellen organellen, afgebakende onderdelen binnen de cel met een specifieke functie. Mitochondriën, de energiefabriekjes binnen eukaryote cellen, zijn hier een voorbeeld van.

Duiken in het DNA

Hoe die complexe cellen uit hun simpele voorouders ontstonden, is nog niet zo eenvoudig te achterhalen. Vosseberg: “Er leven nu nog steeds prokaryoten: bacteriën en archaea. En bijna alle wezens die we met het blote oog kunnen zijn, zoals dieren, planten en schimmels, zijn eukaryoten. Maar er bestaan nu geen wezens meer met cellen die tussen de simpele en complexe vorm invallen. En er zijn ook geen eenduidige fossielen die zulke tussenvormen laten zien.”

Om toch inzicht te krijgen in wat er twee miljard jaar geleden gebeurde, dook Vosseberg in het DNA van nu nog levende wezens. Vosseberg: “Het DNA van nu levende soorten is het resultaat van miljoenen jaren evolutie. Tegenwoordig hebben we heel veel informatie over het DNA van allerlei soorten wezens, zowel van prokaryoten als eukaryoten. Met die informatie kunnen we de evolutie reconstrueren van duizenden genen, regio’s in het DNA die naar eiwitten worden vertaald. Zo krijgen we een beeld van hoe het DNA van de gemeenschappelijke voorouder van alle eukaryoten in elkaar zat en kunnen we tussenvormen tussen pro- en eukaryoten afleiden.”

Genverdubbelingen en introns

Vosseberg ging onder andere op zoek naar dubbele kopieën van genen. Vosseberg: “De complexere cellen kregen meer DNA doordat genen gedupliceerd werden. Zo waren er dus ineens twee kopieën van hetzelfde gen in de cel aanwezig. Door mutaties van het DNA in zulke gekopieerde genen ontstonden nieuwe eiwitten die nieuwe functies mogelijk maakten. Dat heeft eraan bijgedragen dat er in de cel allerlei organellen hebben kunnen ontstaan.”

Tegelijkertijd keek Vosseberg naar introns, stukjes DNA in een gen die niet direct betrokken zijn bij het maken van een eiwit. Vosseberg: “Ik bekeek of een intron al aanwezig was voor de duplicatie van een gen. Dat hielp me bij het creëren van een tijdlijn.”

Mitochondriën

De eerder genoemde mitochondriën, energiefabriekjes binnen eukaryote cellen, spelen een belangrijke rol in de vraag hoe de complexe cel ooit is ontstaan. Mitochondriën waren ooit vrijlevende bacteriën en zijn dus op een gegeven moment opgenomen door de voorouders van eukaryote cellen.

Het DNA van nu levende soorten is het resultaat van miljoenen jaren evolutie.

Vosseberg: “Vaak wordt aangenomen dat het verkrijgen van mitochondriën de eerste, cruciale stap of de laatste stap was in de evolutie van complexe cellen. Mijn onderzoek laat zien dat er al een piek in genduplicaties was voordat mitochondriën werden opgenomen. Dat betekent dat er dus al eerder een toename was van de complexiteit van de cel. De opname van mitochondriën lijkt dus eerder een tussenstap te zijn geweest.”

Celkern

Vossebergs werk leverde ook inzichten op over de evolutie van de celkern. Vosseberg: “Prokaryoten hebben meestal geen introns, eukaryoten wel. De verspreiding van introns is gelinkt aan het ontstaan van de celkern.”

Dat zit zo: om eiwit te maken uit DNA, wordt DNA eerst omgezet naar RNA, dat weer wordt vertaald naar eiwit. De introns moeten uit het RNA gehaald worden voordat dat wordt vertaald naar eiwit, want anders krijg je niet-werkende eiwitten. De celkern zorgt ervoor dat er binnen de cel tijd en ruimte is om dat goed te doen. Vosseberg: “Onze analyses laten zien dat introns al wijdverspreid waren bij vroege voorouders van eukaryoten. Dat suggereert dat de celkern al vroeg in de evolutie van complexe cellen is ontstaan, nog voordat de meeste andere kenmerken van eukaryote cellen ontstonden.”

Om de evolutie van complexe processen in cellen in planten en dieren te duiden, blijkt het essentieel om ook het ontstaan van eukaryoten te onderzoeken.

Onderzoek gaat door

Ondanks de nieuwe inzichten van Vosseberg, die eind januari promoveerde, is er nog veel te ontdekken over hoe het complexe leven op aarde precies is ontstaan. Hoogleraar bio-informatica Berend Snel, die Vosseberg tijdens zijn promotieonderzoek begeleidde, geeft dan ook aan dat het onderzoek naar deze vraag in zijn groep doorgaat. Snel: “Om de evolutie van complexe processen in cellen in planten en dieren te duiden, blijkt het essentieel om ook het ontstaan van eukaryoten te onderzoeken. Nog los van het feit dat dat natuurlijk ook gewoon een hele leuke en belangrijke onderzoeksvraag is.”