De belangrijkste delen van het genetisch materiaal lijken beter beschermd tegen DNA-mutaties. Daardoor ontstaan de mutaties minder willekeurig dan gedacht. Dat blijkt uit onderzoek bij het plantje zandraket.

In het DNA van planten en dieren treden veranderingen (mutaties) op als het DNA beschadigd raakt en niet wordt gerepareerd. De mutaties kunnen ontstaan tijdens de natuurlijke celdeling of door invloed van buitenaf, zoals door zonlicht, schadelijke chemicaliën of virussen. Mutaties die toevallig gunstig uitpakken – waardoor een organisme bijvoorbeeld een schutkleur krijgt – zijn de drijvende kracht achter de evolutie. Een verkeerde mutatie kan echter leiden tot ernstige ziektes.

Om mutatieziekten zoals kanker beter te begrijpen, is het belangrijk om te achterhalen hoe mutaties precies ontstaan. Daarnaast is het interessant voor kwekers die hun gewassen willen verbeteren door genetische selectie.

Aan de vooravond van het quantumweb
LEES OOK
Aan de vooravond van het quantumweb

Belangrijke genen

Binnen de genetica heerste het idee dat mutaties op willekeurige plekken in het genetische materiaal ontstaan. Chemicaliën of uv-straling van de zon kunnen immers niet kiezen waar ze schade toebrengen. ‘Er waren geen aanwijzingen dat er een verschil is tussen het aantal mutaties bij ‘belangrijke’ en ‘minder belangrijke’ genen’, zegt Detlef Weigel van het Duitse Max Planck-instituut voor biologie. Toch is dat precies wat de onderzoeksgroep van Weigel waarnam.

De onderzoekers lieten planten van de soort Arabidopsis thaliana – beter bekend als zandraket – groeien in in hun onderzoekslab. Ze kozen voor de zandraket omdat dit een modelorganisme is voor genetische onderzoek. De plantjes groeiden onder ideale omstandigheden, zodat ook exemplaren met ongunstige mutaties in leven bleven. Zo konden de onderzoekers de genetische veranderingen nauwkeurig in kaart brengen.

Verrassende mutaties

Het resultaat was verrassend. De onderzoekers zagen in de duizenden mutaties niet de willekeur die ze hadden verwacht. Het bleek dat er in bepaalde delen van het genetische materiaal ongeveer 37 procent minder mutaties te vinden waren dan in andere delen. In die minimaal gemuteerde gebieden vonden ze bovendien opvallend veel belangrijke genen, die zorgen dat een individu in leven blijft en zich kan voortplanten.

Hoe kan het dat er minder mutaties plaatsvinden in deze belangrijke gebieden? Volgens de onderzoekers komt dat door de manier waarop de DNA-slierten om zogeheten histonen-eiwitten gewikkeld zitten.

‘Het is bekend dat veranderingen aan de histonen invloed hebben op de mate waarin DNA-reparatie optreedt’, zegt Weigel. De manier waarop belangrijke delen van het DNA om de histonen gerold zijn, zorgt er mogelijk voor dat DNA-reparatiemechanismen efficiënter worden aangetrokken. Doordat het DNA daar sneller gerepareerd wordt, is er minder kans op blijvende mutaties.

Dit lijkt de meest waarschijnlijke verklaring. ‘Maar we kunnen niet uitsluiten dat deze genen ook beter beschermd zijn tegen schade door de manier waarop het DNA om de eiwitten is gewikkeld’, benadrukt Weigel.

Weg met de willekeur

Het is niet de eerste keer dat uit onderzoek blijkt dat mutaties niet volledig willekeurig zijn. Tien jaar geleden werden er bij bacteriën al minder mutaties waargenomen in belangrijke genen, zegt Weigel. ‘Maar dat bewijs was indirect en het was niet duidelijk wat het onderliggende mechanisme zou kunnen zijn.’

‘De auteurs nemen inderdaad een opvallende overeenkomst waar tussen variatie in mutatiesnelheid en de manier waarom het DNA op de eiwitten is gewikkeld in Arabidopsis thaliana’, reageert de niet-betrokken evolutiebioloog Jianzhi Zhang van de universiteit van Michigan in een reactie in Nature. Hij vervolgt: ‘Hoewel ik niet klaar ben om het fundamentele principe van willekeurige mutaties weg te gooien, doet het intrigerende patroon van de mutatiesnelheid van A. thaliana me afvragen of hetzelfde patroon bestaat in andere soorten – en, zo ja, wat het onderliggende mechanisme is, en hoe het in de evolutie is ontstaan.’

De hoop is dat de antwoorden op zulke vragen kunnen leiden tot efficiëntere gewassenkweek, en meer begrip van ziekten die met mutaties te maken hebben, zoals kanker.