Samenvatting


Oorsprong en evolutie [Error: Reference source not found]



Dovnload 118.92 Kb.
Pagina8/9
Datum16.08.2016
Grootte118.92 Kb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9

4. Oorsprong en evolutie [Error: Reference source not found]


In alle meercellige organismen worden miRNA’s aangetroffen. Voor het grootste deel zijn de miRNA-genen geconserveerd in het dierenrijk of in het plantenrijk, maar er zijn nog geen gelijke miRNA’s gevonden in dieren én planten. Dit wijst erop dat de gevonden microRNA’s in beide takken apart zijn ontstaan en ook dat dit pas is gebeurd na de splitsing van planten en dieren.

Over het ontstaan van de eerste miRNA’s is weinig bekend, maar in [25] wordt gesuggereerd, met een zekere mate van onzekerheid, dat miRNA-genen kunnen ontstaan door geinverteerde duplicatie van hun toekomstige doel-genen.

Tijdens een celdeling wordt het DNA van de cel gedupliceerd. Tijdens dit kopieerproces komt het wel eens voor dat genen per ongeluk twee maal achter elkaar gekopieerd worden (“gene duplication”, [Error: Reference source not found]). Het is dan net zo goed mogelijk dat deze kopie achterstevoren vlak achter het originele gen komt te zitten. Om een geheel geinverteerde duplicatie te krijgen, komt deze kopie ook nog eens ‘op zijn kop’ te zitten. Op deze manier komt het complement van het gen op dezelfde DNA-streng te zitten (Figuur 16, zwart is het complement van rood). De geinverteerde kopie vormt, na transscriptie, een terug­gevouwen RNA-molecuul (Figuur 16) waaruit zogenaamde small-RNA’s geknipt worden. Dit knippen gebeurt wanneer de grote, nog nutteloze RNA wordt afgebroken. Deze kleine RNA’s hebben de potentie om, wanneer ze goed geknipt worden, een regulerend miRNA te worden. Nutteloze geinverteerde kopieën zullen verder muteren (in de loop van evolutie) totdat ze een nuttig miRNA vormen (en blijft geconserveerd in de evolutie) of een schakelijk RNA vormen (en verdwijnt dus in de evolutie).

Figuur 16 – Model voor het ontstaan van de eerste pre-miRNA’s in planten. Nadat een gen geïnverteerd is gekopieerd in een volgend DNA, zal er een dubbelgevouwen RNA van gebouwd kunnen worden (complementaire basenparen plakken automatisch aan elkaar na transscriptie). Basenpaar sequenties zijn willekeurig en slechts ter illustratie.

Dit model wordt ondersteund door de vinding van verschillende ‘small RNA’s’ op plaatsen waar ze te verwachten zijn, wanneer ge­inverteerde duplicatie van hun doel-gen plaats zou hebben ge­vonden.

Dit model is echter alleen van toepassing op plant-miRNA’s. In dieren hebben de messengerRNA’s meerdere plaatsen waar ver­schillende miRNA’s op kunnen binden. Dit zorgt ervoor dat in dieren de regulatie preciezer kan plaatsvinden, in tegenstelling tot de “aan/uit” regeling in planten. Het verschil in oorsprong van miRNA’s bij planten en dieren verklaart nog eens het feit dat veel­voor­komende miRNA’s in dieren niet worden teruggevonden in planten en vice versa. In dieren is het waarschijnlijk dat mutaties in de on­vertaalde delen van genen (intronen) ervoor zorgen dat een intron een functie krijgt en evolueert tot miRNA.


Evolutie aan de hand van miRNA clusters


Terugkijken in de evolutie is te doen aan de hand van microRNA’s. In [26] bijvoorbeeld, wordt de evolutionaire geschiedenis gerecon­strueerd van het mir17 microRNA cluster. Een cluster is een verzameling genen die afkomstig is van een enkele transscriptie. Uit zo’n enkele transscriptie kunnen meerdere miRNA’s gemaakt worden. In Figuur 17 staat het mir17 miRNA cluster afgebeeld.

Figuur 17 – Menselijke mir17 miRNA cluster. Op chromosoom 13 bevinden zich de ‘blokken’ die de precursor miRNA’s voorstellen, met de namen van de pre-miRNA’s eronder. Uit deze pre-miRNA’s worden één of twee miRNA’s geknipt: de donkere gebieden in de blokken, met de namen cursief erboven. Op twee andere chromosomen zijn homologen aan de pre-miRNA’s uit het cluster te vinden.

Homologen van de pre-miRNA’s in het menselijk mir17 cluster zijn te vinden op andere chromosomen van de mens, maar ook in vele andere organismen. Deze homologen zijn, op enkele mutaties na, gelijk aan de menselijke. Ze bevatten dezelfde miRNA-sequenties zoals die in mensen wordt aangetroffen.

Wat de functie is van de miRNA’s in het mir17 cluster is onbekend. Bijna alle menselijke miRNA’s worden teruggevonden in andere zoogdieren als de muis, de rat, de chimpansee, vissen en de kikker. In ongewervelden worden echter miRNA-17 en miRNA-19 niet gevonden en lijken dus alleen ontstaan te zijn in gewervelden.

In gewervelden worden ook meer homologen gevonden (op verschil­lende chromosomen) dan in ongewervelden. Er wordt daarom ge­speculeerd dat deze uitbreiding van het mir17 cluster te maken heeft met het ontstaan van de gewervelden en samenging met de duplicatie van het hele genoom. Deze genoom duplicatie zorgde voor viervoudige hox-clusters in gewervelden, Figuur 18.

Figuur 18 – Hox-genen zijn hier voorgesteld als gekleurde blokken. In gewervelden zijn de hox genen op vier chromosomen terug te vinden, in ongewervelden slechts op één. Hoewel de plaats en frequentie van de genen verandert per soort, zijn de genen zelf vrijwel identiek en komen dus van een gemeenschappelijke voorouder. De genen werken als hoofdschakelaars voor een grote verzameling andere genen. Expressie van een enkel hox-gen kan in de embryonale fase de start geven voor bijvoorbeeld een complete staart of een been. [27]


Evolutie van miRNA binnen het Hox-cluster [Error: Reference source not found]


Zoals eerder besproken resulteert één transscriptie niet persé in één gen, maar kan ook meerdere genen voortbrengen. Deze genen behoren dan tot een cluster. Dit geldt zowel voor miRNA-genen als de hox-genen, besproken in Figuur 18. In de gebieden binnen de hox-clusters tussen de hox-genen zit ook genetisch materiaal voor de bouw van miRNA’s. In de hox-clusters zitten ten minste drie groepen van miRNA’s gecodeerd.

In [28] wordt van 3 miRNA’s (mir-10, mir-196 en iab-4) de geschiedenis onderzocht, door mutaties in de miRNA-sequenties te bekijken. Deze miRNA’s hebben een regulerende werking op de in de buurt gelegen hox-genen. In Figuur 19 wordt aan de hand van het miRNA mir-10 een voorbeeld gegeven hoe met de miRNA sequenties in verschillende organismen een evolutionaire boom kan worden gebouwd.

Begonnen wordt met de sequentie van mir-10 in geleedpotigen (arthro­pods). In alle andere dieren wordt een mutatie op plaats 23 waar­genomen (T  G). Diep in het verleden zijn deze dus afgesplitst van een gemeenschappelijke voorouder (ten tijde van de eerste gewer­velden).

Vergeleken met deze nieuwe sequenties wordt wederom een mutatie in een groep ontdekt, en wel op plaats 12 (TA). Dit duidt weer op een splitsing. Al deze mutaties staan ook genoteerd in de stamboom die met deze informatie is opgebouwd.



Figuur 19 – Reconstructie van de evolutionaire geschiedenis van het mir-10 miRNA. Dieren waarin dezelfde mutatie voorkomt horen tot één tak.

Op een grotere schaal kan gekeken worden naar de aan- of afwezigheid van miRNA’s in zijn geheel. Mir-196 wordt bijvoorbeeld alleen in gewervelden gevonden. Dit kan erop duiden dat dieren zonder dit miRNA tot een andere tak behoren. Het kan natuurlijk het geval zijn dat het miRNA weer verloren raakt in een tak van gewervelden. In de stamboom in Figuur 20 is echter ook gekeken naar de hox-genen zelf. De ontwikkeling en verplaatsing van de hox-genen volgt dezelfde patronen als van de verschijning en ver­plaatsing van de geassocieerde miRNA’s.

Doordat miRNA’s goed geconserveerd zijn gebleven in de loop van de evolutie, zijn ze bijzonder geschikt om een stamboom mee op te bou­wen, ondanks hun korte basenpaarsequentie.

Het mir-10 miRNA is evolutionair gezien oeroud en was waar­schijn­lijk al aanwezig in de gemeenschappelijke voorouder van de pro­tos­tomen en deuterostomen, de eerste dieren met symmetrische opbouw. De afwezigheid ervan binnen rondwormen en manteldieren (tuni­cates) wordt verklaard door de desintegratie van de hox-clusters in die soorten.

Mir-196 miRNA wordt alleen aangetroffen in gewervelden. Iab-4 heeft wellicht een analoge regelende werking binnen geleedpotigen, maar vertoont geen homologie met het mir-196 miRNA. Het feit dat mir-196 nog wel in zeeprikken wordt aangetroffen, maar verder niet meer in simpelere deuterostomen (zee-egels en lancetvisjes) sug­gereert dat het zijn oorsprong vindt in een van de allereerste gewervelden.

Figuur 20 –Hox-gen regulerende miRNA’s in een evolutionaire stamboom: mir-10, mir-196 en iab-4. De oorspronkelijke in het Latijn vermelde namen zijn vertaald aan de hand van wikipedia, voor zover verantwoord.


De figuren op een lijn stellen de aanwezigheid voor van een bepaald miRNA-gen binnen een hox-cluster. Losstaande figuren stellen homologen voor van een miRNA, deze zijn dus wel aanwezig in het organisme, maar niet gevonden binnen een hox-cluster.
De aanwezigheid van mir-196 luidt de tak naar de eerste gewervelden in. Vanaf de eerste beenvissen zijn de hox-clusters verdubbeld en daarmee ook de miRNA’s. Van de zeeprik is slechts een kort stukje genoom beschikbaar, vandaar de gestippelde lijnen.

Conclusie


Mutaties in intronen zijn wellicht de oorsprong van de eerste miRNA’s in het dierenrijk. Binnen het plantenrijk, waar miRNA’s ook, maar onafhankelijk zijn ontstaan, zijn geïnverteerde kopieën van de toekomstige doel-genen waarschijnlijk de bron.

Door de sequenties van miRNA’s op te sporen in het DNA van allerlei hedendaagse diersoorten en daarin de onderlinge mutaties te vergelijken, is het te doen een evolutionaire boom op te bouwen.

MiRNA’s zijn goed geconserveerd gebleven sinds hun eerste ver­schijning na de splitsing van dieren en planten. Een slechts op één hand telbare hoeveelheid mutaties heeft plaatsgevonden op sommige miRNA’s sinds hun ontstaan ten tijde van de allereerste gewervelden. Dit kan betekenen dat die miRNA’s een zeer belangrijke rol spelen in de ‘fitheid’ van deze organismen.



1   2   3   4   5   6   7   8   9


De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2019
stuur bericht

    Hoofdpagina