Evolutie wordt vaak afgeschilderd als een "knutsel"-proces, een proces dat gebruik maakt van kleine aanpassingen aan reeds bestaande mogelijkheden. Dus hoe evolueren organismen gloednieuwe structuren?

Een nieuwe studie door Dr. Zsuzsanna Izsvák van het Max Delbrück Centrum voor Moleculaire Geneeskunde in de Helmholtz Association (Max Delbrück Centrum) en Professor Laurence Hurst van het Milner Centrum voor Evolutie aan de Universiteit van Bath (VK) vonden bewijs dat de evolutie van een nieuw gen ondersteunt de evolutie van een nieuwe structuur in zenuwcellen. Ze beschrijven dit ongebruikelijke gen genaamd piggyBac Transposable Element-afgeleide 1, of PGBD1, in het tijdschrift Molecular Biology and Evolution .

'Springende genen' veroorzaken mutaties

PGBD1 is een van de vijf verwante PGBD-genen die een duidelijke gelijkenis vertoont met het piggyBac-element dat voor het eerst werd geïdentificeerd in insecten - vandaar de naam piggyBac Transposable Element-afgeleid. De PiggyBac-elementen zijn "springgenen", ook wel transposons genoemd. Ze zijn in staat zichzelf te kopiëren en van de ene locatie in het genoom naar de andere te gaan, waarbij ze soms mutaties introduceren of functies veranderen. PiggyBac-transposons zijn via horizontale overdracht in onze soort terechtgekomen - vergelijkbaar met hoe sommige virussen hun genoom in ons DNA kunnen integreren.

Hoewel de piggyBac-transposons in de loop van de tijd hun vermogen om rond te springen in ons DNA hebben verloren, zijn er vijf van piggyBac Transposable Element-afgeleide genen (PGBD1-5) bij mensen gefixeerd. "We wilden achterhalen welke potentieel nuttige functie de PGBD-genen zouden kunnen hebben", zegt Zsuzsanna Izsvák. "Voor dit onderzoek hebben we ons gericht op PGBD1."

Van de vijf PGBD-genen is PGBD1 uniek omdat het ook delen van andere genen heeft opgenomen, wat resulteert in een eiwit met extra delen die in staat zijn om andere eiwitten te binden en DNA te binden. PGBD1 is dus een nieuw gen dat deels een menselijk genfragment is, deels een inactief springgen.

PGBD1 reguleert zenuwcellen en hun 'eiwitvallen'

PGBD1 wordt alleen gevonden bij zoogdieren. Het is vooral actief in cellen die neuronen worden. De onderzoekers onderzochten eerst waar het PGBD1-eiwit zich bindt aan DNA, waarbij ze observeerden dat het zich vastplakt in en rond genen die verband houden met zenuwontwikkeling. Ze ontdekten dat PGBD1 de ontwikkeling van zenuwcellen regelt door genen te blokkeren die tot expressie worden gebracht in rijpe zenuwcellen, terwijl de genen die geassocieerd zijn met pre-zenuwcellen geactiveerd blijven. Door het niveau van PGBD1 in pre-zenuwcellen te verlagen, begonnen ze zich te ontwikkelen als zenuwcellen.

Een van de genen die het PGBD1-eiwit bindt, trok vooral hun interesse. NEAT1 is een vreemd gen dat codeert voor een RNA dat, ongebruikelijk, dan niet verder gaat met het maken van een eiwit. In plaats daarvan vormt dit product, een niet-coderend RNA, de ruggengraat van een fysieke structuur, de paraspeckles. Dit zijn kleine structuren in de kernen van sommige van onze cellen die fungeren als vallen voor sommige RNA's en eiwitten.

De onderzoekers ontdekten dat in pre-zenuwcellen het PGBD1-eiwit zich bindt aan het NEAT1-gen en ervoor zorgt dat het niet meer werkt. Wanneer de PGBD1-niveaus echter dalen, stijgen de NEAT1-RNA-niveaus, vormen zich paraspeckles en worden cellen volwassen zenuwcellen. PGBD1 is dus geëvolueerd tot een belangrijke regulator van de aan- of afwezigheid van paraspeckles, en dus de regulator van de ontwikkeling van zenuwcellen.

Evolutie is geen willekeurig knutselen

Wat echter het meest intrigerend is, is dat paraspeckles, net als PGBD1, ook zoogdierspecifiek zijn. PGBD1 is dan een zeldzaam voorbeeld van een nieuw gen dat is geëvolueerd om een ​​nieuwe structuur te reguleren, zij het een vrij kleine. Zsuzsanna Izsvák, co-senior auteur van het Max Delbrück Center, zegt:"Dit is een echt ongebruikelijke en toevallige ontdekking. We weten dat duplicatie van reeds bestaande genen de evolutie van nieuwheid kan ondersteunen, maar dit is een zeldzaam voorbeeld van evolutie die meer dan alleen maar knutselen. Dit is een nieuw gen om een ​​nieuwe structuur te controleren." De spannende vraag is nu of het ook een rol speelt in volwassen neuronen.

Mede-senior auteur professor Laurence Hurst van het Milner Center for Evolution aan de Universiteit van Bath voegt eraan toe dat ze "hebben uitgewerkt hoe paraspeckles worden gecontroleerd, nu moeten we alleen nog uitzoeken hoe de paraspeckle zelf is geëvolueerd. Dit kan een veel moeilijkere taak zijn omdat niet-coderende RNA's zoals NEAT1 de neiging hebben om snel te evolueren en daarom moeilijk te traceren zijn in de loop van de evolutie."

Deze koppeling tussen NEAT1 en PGBD1 kan ook betrokken zijn bij schizofrenie. Hoewel NEAT1 eerder in verband werd gebracht met deze neurologische ziekte, identificeerde het team enkele mutaties in PGBD1 waarvan ze konden aantonen dat ze ook vaak voorkomen bij patiënten met schizofrenie - een van deze mutaties verandert het eiwit van PGBD1, terwijl andere het niveau ervan kunnen regelen.

Eerste auteur Dr. Tamas Raskó, ten tijde van de studie een postdoctoraal onderzoeker in de groep van Zsuzsanna Izsvák, zegt dat "het zeker meer dan toeval is dat beide genen betrokken zijn bij schizofrenie. Het is zeer ongebruikelijk om een ​​mutatie te vinden die een eiwit dat aan deze ziekte is gekoppeld. De effecten van deze mutatie moeten een prioriteit zijn voor verder onderzoek." + Verder verkennen

Wetenschappers ontrafelen het mysterie van genen die de sleutel zijn tot hersenontwikkeling