Slijm is overal. Het vormt de consistentie van je lichaamsvloeistoffen, van het speeksel in je mond tot het slijm dat je organen bedekt. Het beschermt je tegen ziekteverwekkers, waaronder het coronavirus, terwijl het een huis in je mond creëert voor miljarden vriendelijke bacteriën. Het helpt slakken om Spiderman-seks aan muren te laten hangen, slijmerige vissen veranderen water in snel uitzettende smurrie, prikken filteren hun voedsel en zwaluwen bouwen nesten.

Maar hoewel slijm essentieel is voor alle vormen van complex leven, is de evolutionaire oorsprong ervan duister gebleven.

Ik ben een evolutionair geneticus die bestudeert hoe mensen en hun genomen evolueren. Samen met mijn collega's, waaronder mijn oude medewerker Stefan Ruhl en mijn student Petar Pajic, hebben we deze evolutionaire puzzel aangepakt in ons onlangs gepubliceerde artikel. We begonnen met te kijken hoe speekselslijm in verschillende soorten wordt gemaakt. Wat we ontdekten was dat slijm een ​​venster opent naar de rol die repetitief DNA speelt in de mysteries van evolutie.

Wat zijn mucines?

Slijm bestaat uit eiwitten die mucinen worden genoemd, die vaten zijn voor suikermoleculen. Deze suikers zijn de belangrijkste taakmeesters om dingen slijmerig te maken.

In tegenstelling tot andere eiwitten, die doorgaans ingewikkelde 3D-vormen hebben, nemen mucinen vaak de vorm aan van lange, stijve staafjes. Over de lengte van de staafjes zijn suikermoleculen bevestigd, waardoor complexe, borstelachtige structuren ontstaan.

Deze samenwerking tussen eiwitbouwstenen en de daaraan gebonden suikers, keer op keer herhaald, is essentieel voor de eigenschappen van mucines. Deze structuren kunnen aan andere mucines en microben blijven kleven, waardoor de fysieke eigenschappen van de vloeistoffen eromheen veranderen in een kleverige en slijmerige substantie.

De evolutie van slijm

Ondanks de opmerkelijke eigenschappen die mucines hebben en hun essentiële rol in de biologie, is de manier waarop ze evolueerden wetenschappers ontgaan.

Om de evolutionaire oorsprong van mucinen te achterhalen, begonnen mijn collega's en ik met het zoeken naar gemeenschappelijke genetische voorouders voor mucinen bij 49 zoogdiersoorten. Evolutie knutselt immers vaak, maar vindt zelden uit. De gemakkelijkste manier om een ​​nieuw gen te laten evolueren, is door een bestaand gen te kopiëren en te plakken en kleine wijzigingen aan te brengen in de nieuwe kopie om aan de omgevingsomstandigheden te voldoen. De kans dat één soort zelfstandig een complex mucine uitvindt, is astronomisch klein. Ons onderzoeksteam was er zeker van dat het kopiëren en plakken van bestaande mucine-genen die zich vervolgens aanpassen aan de behoeften van een bepaalde soort, de belangrijkste drijfveer was voor de evolutie van mucine.

Maar onze aanvankelijke veronderstellingen bleken onvolledig. Het kopiëren en plakken van mucinegenen in een genoom zou moeten leiden tot dochtergenen die overeenkomsten met elkaar hebben. Hoewel sommige mucinen voldeden aan onze criteria, beoordeelde een eerdere studie alle bekende genen die coderen voor mucinen bij mensen en vond een aantal "wees" mucinen die niet tot een genfamilie behoren. Ze bestaan ​​alleen in het uitgestrekte landschap van het menselijk genoom.

Vervolgens hebben we ons gericht op het zoeken naar dergelijke weesgenen in de genomen van tientallen soorten in genetische databases. We hebben 15 gevallen gevonden van nieuwe mucine-genen die zijn geëvolueerd in verschillende zoogdieren, zonder enig verband met bekende mucine-genen.

Nader onderzoek wees echter uit dat deze mucinegenen toch verwanten hebben. Ze delen hun voorouders met andere staafachtige eiwitten die rijk zijn aan het aminozuur proline, dat vaak in speeksel wordt aangetroffen. Deze eiwitten die rijk zijn aan proline, hebben echter niet de belangrijkste repetitieve eiwitstructuren die mucinen helpen binden aan suikermoleculen.

We veronderstelden dat deze eiwitten die rijk zijn aan proline "mucinisatie" zouden kunnen ondergaan door herhaaldelijk eiwitten toe te voegen die zich binden aan suikermoleculen, glycoproteïnen genaamd. Om dit te testen, vergeleken we de sequenties van genen die coderen voor mucinen en genen die coderen voor eiwitten die rijk zijn aan proline in verschillende zoogdieren, waaronder mensen. We ontdekten dat de sequenties sterk op elkaar leken. Het enige verschil was de aanwezigheid van herhaalde segmenten van glycoproteïnen in mucinen. Dit betekende dat bepaalde eiwitten konden worden omgezet in mucinen door simpelweg kopieën van deze herhaalde segmenten toe te voegen.

Repetitief DNA en evolutie

Onze bevindingen onthullen de diversiteit van mucinen in een hele reeks wezens, en openen een blik op de slijmerige speelplaats van aanpassing van de evolutie.

Onderzoekers negeren vaak repetitieve genetische sequenties omdat ze zelden voorkomen in genen die coderen voor de eiwitten die veel biologische functies in cellen vervullen. Maar in het geval van mucinen blijkt het creëren van herhalingssequenties vanaf het begin een belangrijke motor voor hun evolutie te zijn. Ons eerdere werk bij primaten suggereert dat het aantal herhaalde suikerbindende segmenten in een bepaalde mucine de factor kan zijn die de verschillen met andere bepaalt.

Het is mogelijk dat de toevoeging van repetitieve genetische sequenties ook discreet andere functies in het genoom kan vormen. Dergelijke tandemherhalingen zijn inderdaad een veelvoorkomend type mutatie in het menselijk genoom, en recente studies wijzen op hun onontdekte rol in biologische variatie tussen mensen.

Mucines en menselijke gezondheid

Als u begrijpt hoe mucines werken, kunnen onderzoekers ook een aantal ziekten beter begrijpen.

Wanneer mucinen niet goed werken, kan dit leiden tot ziekte. Mensen met een defect CFTR-gen ontwikkelen cystische fibrose, waarbij hun lichaam niet in staat is om slijm uit hun longen te verwijderen en het moeilijk maakt om te ademen. Een slecht functionerende mucineregulatie is ook gekoppeld aan de ontwikkeling van kanker.

Hoewel het misschien niet voor de hand ligt, heeft u waarschijnlijk een persoonlijke band met mucines. Twee jaar geleden bezocht ik mijn moeder na de diagnose kanker. De regen was net opgehouden en de straten van Istanbul zijn een bruisend dorp geworden van angstaanjagend grote slakken. Tijdens een korte wandeling met mijn moeder pakte ik tot haar grote schrik een van die slakken met fascinatie op.

Ik had het hart niet om haar te vertellen dat het biologische mechanisme waardoor deze geweldige wezens kunnen bewegen hetzelfde was dat de tumor in haar longen hielp groeien. Het deed me denken aan de woorden van de wetenschapper Michael Faraday:"Het maakt niet uit waar je naar kijkt, als je er goed genoeg naar kijkt, ben je betrokken bij het hele universum." + Verder verkennen

De evolutie van slijm:hoe zijn we aan al dit slijm gekomen?

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.