Door eigenschappen vast te klikken die goed onderling samengaan, bieden supergenen opvallende evolutionaire voordelen. Maar daar moeten organismen een prijs voor betalen: supergenen maken het bijna onmogelijk om slechte mutaties weg te gommen.
Openingsbeeld: Een grote schubmier (Formica rufa) © Richard Bartz, Munich Makro Freak
De traditionele opvatting is dat seksuele voortplanting geëvolueerd is omdat het organismen in staat stelt om verschillende allelen (versies van een gen) in de volgende generatie te vermengen, of te recombineren. Zo ontstaat genetische variatie, en die ligt ten grondslag aan natuurlijke selectie en adaptatie. Maar in de afgelopen jaren hebben onderzoekers ontdekt dat niet alle regio’s van het genoom in dezelfde mate vermengen. Sommige regio’s, die uit slechts een paar genen kunnen bestaan maar evengoed honderden genen kunnen bevatten, worden zelden vermengd. Onderzoekers vonden deze genetische eenheden, genaamd ‘supergenen’, al in mieren, vlinders, vogels, vissen, planten en schimmels. Wellicht blijven er nog veel onontdekt.
Onderzoekers veronderstellen dat supergenen evolueren zoals dat bij geslachtschromosomen is gebeurd: in de loop van de evolutie werden allelen die goed werken bij mannen maar niet bij vrouwen geselecteerd om samen te worden overgedragen. Bij zoogdieren leidde dat bijvoorbeeld tot een uitbreidend gebied van onderdrukte recombinatie tussen X- en Y-chromosomen. Dit gebied van onderdrukte recombinatie kan zich uitbreiden als meer allelen die voordelig zijn bij het ene geslacht maar niet bij het andere zich voordoen in de buurt van het oorspronkelijke gebied van onderdrukte recombinatie en in dat gebied terechtkomen. Dit proces wordt seksueel antagonistische selectie genoemd.
Onderzoekers hebben nu onthuld dat geslachtschromosomen slechts een speciaal geval zijn van een breder fenomeen. Supergenen (regio’s van onderdrukte recombinatie) kunnen betrokken zijn bij de regulatie van heel wat andere eigenschappen. Ze zijn zelfs in staat om de sociale organisatie binnen een groep organismen te regelen, zoals bij grote schubmieren (Formica).
‘Er bestaat een evolutionaire kracht (antagonistische selectie, red.) waarvan wetenschappers verwachten dat ze de geslachtschromosomen zal doen uitbreiden. De aanwezigheid van die kracht zou naar verwachting ook worden waargenomen in supergenen. Hier zien we dat voor de eerste keer bevestigd’, zegt Buck Trible, die supergenen in mieren onderzoekt aan Harvard University.
Supergenen kunnen een grote impact hebben op hoe grote schubmieren zich in hun gemeenschappen organiseren. De mieren hebben een supergen op chromosoom 3 dat bepaalt of de kolonies een enkele koningin of meerdere hebben. Onderzoekers aan de University of California hebben recent ontdekt dat deze grote schubmieren ook op chromosoom 9 een supergen hebben dat de grootte van de koningin bepaalt. Een versie van dat supergen leidt tot minikoninginnen die zo’n 20 procent kleiner zijn dan de koninginnen van normale grootte.
Supergenen kunnen een grote impact hebben op hoe grote schubmieren zich in hun gemeenschappen organiseren
De onderzoekers ontdekten dat de minikoninginnen bijna uitsluitend voorkwamen in kolonies met meerdere koninginnen. Met andere woorden, de versie van het supergen op chromosoom 3 die kolonies met meerdere koninginnen produceert is nauw verbonden met de versie van het supergen op chromosoom 9 die minikoninginnen maakt.
De chromosomen lijken niet fysiek met elkaar te zijn vergroeid, en de onderzoekers stelden vast dat meer dan 20 procent van de miereneieren een ‘verkeerde’ combinatie van de twee supergenen heeft. Het kan bijvoorbeeld zijn dat een mier de versie van chromosoom 3 heeft die leidt tot kolonies met een enkele koningin, maar ook de versie van chromosoom 9 die zorgt voor minikoninginnen. Mieren met die onjuiste combinatie overleven zelden lang, de meeste sterven voordat ze volwassen zijn. Dat suggereert dat er sterke selectie is tegen zulke verkeerde combinaties.
‘Onze hypothese is dat bij zo’n verkeerde combinatie het individu zich wellicht ontwikkelt tot een werkster in plaats van een koningin’, vertelt entomoloog Giulia Scarparo, hoofdauteur van het nieuwe artikel. Bovendien ‘is er een mechanisme dat de ontwikkeling van de individuen negatief beïnvloedt, daarom zien we deze verkeerde combinatie niet vaak in de volwassen fase.’
Die sterke selectie tegen verkeerde combinaties noemen de onderzoekers ‘sociaal antagonistische’ selectie. Ze vertoont gelijkenissen met de seksueel antagonistische selectie die de evolutie van geslachtschromosomen aanstuurt.
In kolonies met een enkele koningin gaan volwassen nieuwe koninginnen doorgaans op een bruidsvlucht en stichten ze een nieuwe kolonie. Daarbij gebruiken ze hun eigen lichaamsvet en spieren om hun eerste kroost te produceren. Kleine koninginnen hebben minder kans om zelfstandig een kolonie te stichten omdat ze minder metabolische middelen hebben. Daarom kunnen kleinere koninginnen alleen overleven en zich voortplanten in kolonies met meerdere koninginnen.
De onderzoekers denken zelfs dat de evolutie van kolonies met meerdere koninginnen een noodzakelijke voorwaarde is voor de evolutie van de minikoninginnen. Die koninginnen vertrouwen dan op de hulpbronnen van de werksters die door andere koninginnen in de kolonie worden geproduceerd om voor hun nakomelingen te zorgen.
Sommige van deze piepkleine koninginnen investeren vervolgens een onevenredig groot deel van hun middelen in het voortbrengen van nog meer piepkleine koninginnen, zonder dat ze een eerlijk deel van de werksters produceren die bijdragen aan het onderhoud van de kolonie. ‘Mogelijk zijn de kleine koninginnen sociale parasieten’, zegt Scarparo.
Van die werksterloze sociaal-parasitaire mieren bestaan wel honderden soorten. Ze leven in de nesten van hun naaste verwanten en parasiteren op het voedsel en de arbeid van de gastkolonie om hun kroost groot te brengen. Het blijft een mysterie hoe deze sociaal parasitaire soorten zijn geëvolueerd, maar waarschijnlijk hebben sociale supergenen er iets mee te maken.
Historisch ongeluk
De meest voorkomende manier waarop recombinatie wordt onderdrukt in supergenen is door inversies op chromosomen: een deel van een chromosoom wordt van boven naar beneden omgedraaid en de volgorde van de genen in die reeks wordt omgekeerd.
Door die inversie kunnen overeenkomstige of homologe regio’s niet bij elkaar komen en recombineren tijdens de meiose, het celdelingsproces waarbij zaad- of eicellen worden geproduceerd. Door het gebrek aan genetische vermenging kunnen twee mutaties samenkomen in verschillende genen die goed bij elkaar passen.
‘En als er eenmaal zoiets als een inversie optreedt, is alle genetische variatie die toevallig aanwezig was bij de twee gunstige mutaties nu in wezen voor altijd met die mutaties vergrendeld. Als een soort historisch ongeluk’, legt Marcus Kronforst uit, die supergenen in vlinders bestudeert aan de University of Chicago.
Binnen veel supergenen, waaronder het sociale supergen in de mieren van daarnet, werken verschillende genen waarschijnlijk samen. Vele andere zijn onschuldige omstanders die vastzitten in het gebied van onderdrukte recombinatie. Bij grote schubmieren ‘zitten er ongeveer vijfhonderd genen op het sociale supergen, maar we vermoeden dat slechts een klein deel daarvan daadwerkelijk bijdraagt aan het aantal koninginnen in de kolonie en dat andere genen er zomaar inzitten’, zegt mierendeskundige Jessica Purcell (University of California), die meewerkte aan het artikel.
Dat heeft gevolgen voor de evolutie van niet alleen de eigenschappen die door de supergenen worden gecontroleerd, maar ook voor alle eigenschappen die worden gereguleerd door genen die zomaar in het supergen zitten. Dat is de keerzijde aan het samenbrengen van gunstige combinaties: na verloop van tijd kunnen zich in regio’s van onderdrukte recombinatie slechte mutaties ophopen. Die zijn bijna onmogelijk te verwijderen uit de genenpool. Ze zijn tenslotte verbonden met de andere gunstige eigenschappen in het supergen.
Kort gezegd: aan het inversiehaplotype zijn evengoed nadelen als voordelen verbonden. Dat verklaart voor een stuk waarom verschillende versies van een supergen in een populatie standhouden, zegt Kronforst.
Eén gen in plaats van honderden
Kronfort bestudeert een supergen in pages (vlinders) dat de kleur, het patroon en de vorm van hun vleugels bepaalt. De vrouwtjes van de Papilio polytes-page hebben vier verschillende vleugelkleurpatronen, waarvan er drie een andere giftige vlinder nabootsen (alleen de vrouwtjes van deze soort bootsen de vleugelpatronen na).
Een paar jaar geleden hebben Kronforst en zijn team het genoom van de pages in kaart gebracht. Ze wilden het supergen dat de vleugelvorm en -kleur regelt beter begrijpen. De onderzoekers verwachtten dat het genoom honderden genen zou bevatten. Wat bleek: de vorm en kleur werden geregeld door slechts één gen, doublesex genaamd. Dat gen is ook betrokken bij het regelen van seksueel dimorfisme (de verschillen in lichaamstype die door verschillende geslachten worden vertoond bij leden van dezelfde soort). De vlinders hebben doublesex gebruikt om het vleugelpatroon bij vrouwtjes te controleren, vertelt Kronforst.
Bij deze page bestaat het doublesex-gen uit vier versies of haplotypes. Het gen bevindt zich in een supergen dat omgekeerd op het chromosoom ligt, waardoor recombinatie zelden of nooit voorkomt binnen het gen. Dat is cruciaal: als er recombinatie zou plaatsvinden, zou het vleugelpatroon een mengelmoes van verschillende patronen zijn die geen enkele giftige vlinder zouden nabootsen, waardoor vlinders met de verwisselde vleugelpatronen extreem kwetsbaar zouden zijn voor roofdieren. De inversie van het supergen, met zijn onderdrukte recombinatie, zorgt ervoor dat de vier vleugelpatronen verschillend blijven en niet met elkaar vermengen.
Het team van Kronforst onderzoekt nu hoe de nabootsing wordt gereguleerd in nauwe verwanten van de page Papilio polytes. De onderzoekers hebben ontdekt dat andere soorten ook doublesex gebruiken, maar bij sommige daarvan bestaat er geen inversie om de verschillende haplotypes van elkaar gescheiden te houden. ‘We hebben geen idee wat recombinatie tussen de allelen in die andere soorten verhindert’, zegt Kronforst. Er is duidelijk weinig sprake van recombinatie, maar hoe de vlinders dat doen is niet zeker. Het laat zien dat inversie een van de manieren is om recombinatie te onderdrukken, maar er zijn nog andere manieren die nog ontdekt moeten worden.
‘Ik denk dat variatie in het recombinatielandschap in het hele genoom een van de volgende grenzen is bij het denken over evolutie’, zegt Purcell. ‘We weten dat er delen zijn van chromosomen waar veel recombinatie plaatsvindt en dat er delen zijn waar dat minder het geval is. De mate van koppeling tussen genen in die regio's kan erg belangrijke implicaties hebben voor het evolutionaire traject van de eigenschappen die ze controleren.’
Dit artikel is verschenen in Scientific American. Vertaling door Rani Škrabanja.
