Het ontstaan van systemen van gebalanceerde dodelijke genvarianten
Ben Wielstra wil de evolutie van gebalanceerde systemen van dodelijke allelen ontrafelen. Op 1 februari startte hij daarom zijn eigen laboratorium aan het Insituut voor Biologie Leiden. Wielstra is één van de vijf onderzoekers van de Universiteit Leiden die in 2018 een ERC-startsubisidie heeft ontvangen van de Europese Onderzoeksraad. Zij reiken de ERC-startbeurzen uit aan veelbelovende jonge wetenschappers. Wielstra ontving een bedrag van 1,5 miljoen euro.
Balanced lethal system
Een balanced lethal system is vertaalbaar als ‘een gebalanceerd system van dodelijke allelen’. In een dergelijk systeem komen twee verschillende vormen van een chromosoom voor, die een organisme allebei moet bezitten om te kunnen overleven. Toch geven beide ouders willekeurig één van de twee vormen door aan hun nageslacht. Zo kan het gebeuren dat sommige nakomelingen twee kopieën van dezelfde chromosoomvorm ontvangen en de ander dus missen. De kans hierop is 50% (zie afbeelding). Deze nakomelingen zijn hierdoor niet levensvatbaar. Het systeem lijkt de evolutietheorie te tarten: je zou verwachten dat een systeem met zo’n hoog sterftecijfer direct door evolutie uit de weg wordt geruimd.
Evolutionaire val
'Ik denk dat deze systemen een soort evolutionaire val zijn waarin je terecht kunt komen als iets dat op korte termijn een voordeel heeft, op lange termijn nadelig blijkt', zegt Wielstra. Zo zou het bijvoorbeeld kunnen dat het in eerste instantie voordeel (gunstige eigenschappen) oplevert wanneer een individu beide chromosoomvormen heeft. Maar, dat de beide chromosoomvormen van elkaar afhankelijk raken als later, na een aantal generaties, in beide vormen dodelijke foutjes ontstaan, 'Een individu is dan dus alleen nog levensvatbaar als zo'n dodelijke mutatie in chromosoomvorm A wordt gecompenseerd door het normale gen op chromosoomvorm B. Individuen met twee kopieën van dezelfde chromosoomvorm zijn ten dode opgeschreven.'
Overervingstabel. Elke ouder heeft zowel vorm A als B van een bepaald chromosoom. Want: beide zijn nodig om te kunnen leven, omdat ze elk een dodelijk allel (genvariant), weergegeven met een kruisje, op de andere vorm compenseren. Eén van deze vormen, A of B, wordt willekeurig doorgeven aan het nageslacht, dat 1 kopie van het chromosoom van de vader en 1 kopie van de moeder ontvangt. Het nageslacht kan op die manier vier soorten combinaties krijgen: AA, AB, BA of BB. De kans op elk van deze combinaties is 25%. Van deze vier opties zijn er twee (AA en BB) niet levensvatbaar, omdat ze niet beide chromosoomvormen bezitten. De kans dat een nakomeling niet levensvatbaar is, is dus 25% + 25% = 50%.
Zeldzaam?
Balanced lethal systems zijn bekend in planten, insecten en ook gewervelden. Maar er zijn in totaal nog maar weinig voorbeelden. ‘Ik denk omdat ze momenteel nog veel over het hoofd gezien worden’, vertelt Wielstra. Hij werkt aan het best bekende voorbeeld: de Triturus salamanders (kam- en marmersalamanders). 'Ik denk dat deze systemen meer voorkomen dan men zich realiseert. Als 50 procent van alle embryo's sterft, kun je dat missen omdat je het simpelweg niet ziet.' Dit blijft wellicht onopgemerkt in soorten die veel nageslacht produceren. Als een soort maar één kind per keer produceert en de helft van de keren gaat het mis, dan valt dat eerder op. Om deze reden vermoedt Wielstra dat deze systemen niet bij mensen voorkomen.Nieuwe technologie
Alles wat op dit moment bekend is over balanced lethal systems komt voort uit klassieke studies die niet dieper keken dan embryo’s en cellen. Theorie en technologie zijn sindsdien aanzienlijk vooruit gegaan. Ben Wielstra en zijn onderzoeksteam zullen geavanceerde genetische technieken en evolutiemodellen combineren om te onderzoeken hoe deze bizarre balanced lethal systems kunnen evolueren. 'Door de genen van ten dode opgeschreven embryo’s te vergelijken met individuen die overleven, kunnen we bepalen wat er mist in de eerste groep. Dat levert een set genen op die mogelijk de kritieke factor zijn. Door ook te kijken welke genen er actief zijn op het cruciale moment dat de helft van de embryo’s sterft, kunnen we een nog beter beeld krijgen van welk gen of welke genen het verschil maken.'
Ben Wielstra
Ben Wielstra studeerde Biologie aan het Instituut voor Biologie Leiden (IBL) met verschillende projecten bij Naturalis Biodiversity Center. Hij promoveerde aan de Universiteit Twente, nog steeds verbonden aan Naturalis. Hij bleef verbonden aan Naturalis, waar hij samenwerkt met Pim Arntzen. Na een Newton International Fellowship aan de Universiteit van Sheffield en een Marie Sklodowska Curie Fellowship aan de Universiteit van Californië, keert hij nu terug naar het IBL met zijn ERC-beurs. Wielstra zal een de sterke band behouden met Naturalis. Daarnaast zal hij zich bij het IBL aansluiten bij andere onderzoekers met veel kennis en interesse in evolutie, zoals Klaas Vrieling, Mike Richardson, Maurijn van der Zee en Daniel Rozen.