Brussel (België) – De basenvolgorde van de laatste drie chromosomen van het plantje Arabidopsis thaliana (zandraket) is bekend. Het tijdschrift Nature van 14 december wijdt er vier artikelen aan. Een consortium van laboratoria in Europa, de VS en Japan heeft er vijf jaar over gedaan om de genoomsequentie van het plantje te bepalen.

De erfelijke informatie van de zandraket bevindt zich op vijf chromosomen en beslaat ongeveer 119 miljoen basenparen – ruim eendertigste van het genoom van de mens. Na het nematodewormpje (Caenorahabditis elegans) en het fruitvliegje (Drosophila melanogaster) is dit het derde meercellige organisme waarvan de gehele genetische informatie bekend is. Zolang de sequentie van het menselijk genoom niet gepubliceerd is in een wetenschappelijk tijdschrift, doen we er goed aan die niet te beschouwen als geheel voltooid.

De zandraket

Arabidopsis groeide de afgelopen decennia uit tot een modelorganisme in het laboratorium. Het plantje is niet alleen klein en goedkoop, het vraagt ook weinig onderhoud en heeft een korte levenscyclus. Allemaal erg handig voor onderzoekers. Het heeft ons onder andere geleerd hoe planten zich verweren tegen ziekte, hoe zaden en vruchten rijpen en hoe opbrengsten vermeerderd kunnen worden. De kennis is zonder meer toepasbaar op meer commercieel gerichte gewassen zoals tarwe, soja, maïs en suikerbieten.
Er was echter nog een reden waarom de genetici ervoor kozen de genetische informatie van Arabidopsis als eerste te bepalen. Ze meenden dat dit genoom relatief eenvoudig en klein was, zeker in vergelijking met dat van vele landbouwgewassen. Hun hypothese was dat de cellen van Arabidopsis van elk gen maar één kopie droegen en dat de stukken DNA die zich herhalen, beperkt was.
Nu de volledige sequentie bekend is, moeten de onderzoekers die hypothese echter herzien. Arabidopsis telt ongeveer 26.000 genen, maar zo’n 70% daarvan verdubbelde gedurende de evolutionaire ontwikkeling van het plantje. Al bij al heeft Arabidopsis zo’n 15.000 unieke genen. Bij planten zijn er twee processen die een dergelijke massale genverdubbeling verklaren: duplicatie van hele chromosomen en lokale genduplicaties binnen een chromosoom. Beide hebben zich voorgedaan bij Arabidopsis. Twee chromosoomverdubbelingen vonden vermoedelijk zo’n 180 miljoen en 112 miljoen jaren geleden plaats. De onderzoekers kunnen deze met enige precisie dateren door te kijken naar de sequentieverschillen tussen de twee chromosomen. Na de verdubbeling ondergingen de genen op de gedupliceerde chromosomen verschillende mutaties. Hoe meer de twee gedupliceerde genen verschillen, hoe eerder de duplicatie zich heeft voorgedaan. Ook locale genduplicaties bleken belangrijk bij Arabidopsis. Ongeveer 17% van alle genen is op deze manier verdubbeld.

Verrassingen uit het vriesvak
LEES OOK
Verrassingen uit het vriesvak
Een pipetteerrobot in Genoscope, Frankrijk.

Het genoom van Arabidopsis is in vergelijking met dierlijke genomen uiterst compact. Een gemiddeld gen bestaat uit verscheidene coderende sequenties van ongeveer 250 basen lang, die onderbroken worden door korte, niet-coderende basenstrengen. Tussen de genen zitten gemiddeld 4,6 kilobasen niet-coderend DNA. Bij dierlijke genomen is het coderende DNA vaak verspreid over honderden kilobasen niet-coderend DNA.
Het aantal unieke Arabidopsis-genen is vergelijkbaar met de genomen van D. melanogaster en C. elegans, die er respectievelijk 13.601 en 18.424 hebben. We weten nog steeds niet precies hoeveel verschillende genen de mens heeft, maar het richtgetal ligt tussen de vijftig- en honderdduizend. Een groot deel van de Arabidopsis-genen hebben onderzoekers ook aangetroffen bij de andere meercelligen. Andermaal wijst dat op een gemeenschappelijke voorouder van dieren en planten, ongeveer 1,6 miljard jaar geleden. Opvallend is wel dat bij het plantje veel meer genen voorzien zijn van een signaalsequentie. Deze vertelt de cel voor welk organel (chloroplast of mitochondrion) het geproduceerde eiwit bedoeld is. Tevens coderen een vierhonderdtal genen voor de synthese en het onderhoud van de celwand, iets wat dierlijke cellen niet hebben.

In de worteltop van Arabidopsis valt de regelmatige structuur van de celwand (rood) op.

Volgens het consortium van onderzoekers, waartoe ook wetenschappers van de universiteiten van Leuven, Gent, Amsterdam en Wageningen behoren, is de kennis van het genoom van de zandraket onmiddellijk toepasbaar op andere planten. Ze zal ook het elementaire celonderzoek, de biotechnologie en zelfs de geneeskunde beïnvloeden. Om dit laatste te illustreren publiceerden de wetenschappers een lijst met een vijftigtal Arabidopsis-genen die sequentieanalogie vertonen met menselijke genen die met ziekten worden geassocieerd.

Peter Raeymaekers