Mutaties mogen dan het koren op de molen van de evolutie zijn, maar we stellen ons ze meestal voor als modificaties van bestaande genen. Dat laat een belangrijke vraag open: waar komen genen eigenlijk vandaan? In veel gevallen ontstaan nieuwe genen door duplicatie. Als een stuk DNA tijdens de replicatie per ongeluk wordt gedupliceerd, hebben de gekopieerde genen de vrijheid om mutaties op te bouwen en nieuwe functies te verwerven. In een artikel dat onlangs in Science is gepubliceerd, hebben onderzoekers van UC Davis en de University of North Carolina at Chapel Hill een andere route voor het ontstaan van genen ontdekt, namelijk door veranderingen in niet-coderende DNA-stroken.
Het team heeft RNA geëxtraheerd en gesequeneerd uit de testes van zes wilde stammen van de fruitvlieg Drosophila melanogaster. Door de in hun gegevens geïdentificeerde RNA-transcripten te vergelijken met de standaard referentiesequentie van D. melanogaster, vonden zij 142 kandidaten voor de novo genen — genen die tot expressie kwamen in ten minste één van de wilde stammen, maar niet in de referentiestam. Deze genen kwamen ook niet tot expressie in twee andere Drosophila soorten, D. simulans en D. yakuba; naar alle waarschijnlijkheid zijn dit nieuwe genen die recent zijn verschenen in sommige D. melanogaster populaties. “Dit is het eerste voorbeeld van totaal nieuwe genen die zich nog steeds door een soort verspreiden,” zei Li Zhao, een postdoctoraal onderzoeker aan UC Davis en eerste auteur van de paper.
De meeste kandidaat-genen bevatten een open reading frame, een regio begrensd door START- en STOP-codons die theoretisch een eiwit zouden kunnen coderen. De referentiesequentie van D. melanogaster bevat dezelfde open leesramen, maar ze worden niet getranscribeerd in RNA. Het team veronderstelde dat veranderingen in de regulering deze niet-coderende regio’s transformeerden in nieuwe genen, en in sommige gevallen waren ze in staat om kandidaat-mutaties te identificeren in de regulerende regio stroomopwaarts van het nieuwe gen.
Verschillende selectieve krachten geven vorm aan het lot van coderende en niet-coderende stukken DNA; zodra de nieuwe genen evolueerden, zouden ze zijn blootgesteld aan selectie. “Als het een gunstig effect heeft, dan wordt het geselecteerd,” zei Zhao. Om dit te testen, mat het team de hoeveelheid variatie in de nieuwe genen in de zes stammen. Ze vonden verminderde nucleotide diveristentie en lagere niveaus van heterozygositeit, beide tekenen van selectieve processen aan het werk. Verrassend genoeg vonden zij alleen bewijzen van zwakkere selectie of zachte selectieve vegen, hoewel vaak wordt gedacht dat nieuwe mutaties worden onderworpen aan sterke selectie.
“Het is moeilijk om op dit moment te zeggen hoe belangrijk dit fenomeen is voor het genereren van nieuw genetisch materiaal,” zei Zhao. Hoewel het onduidelijk is hoe belangrijk dit proces is en hoe groot de bijdrage ervan is, is het toch een opwindende ontdekking. Net als de meeste andere onderzoekers dacht ik over het algemeen dat genen ontstaan door duplicatie en divergentie, maar dit geeft intrigerende nieuwe mogelijkheden om te overwegen. Toekomstige studies zullen moeten uitwijzen hoe vaak dit soort de novo gen-evolutie voorkomt en wat de implicaties ervan zijn, en ik kijk ernaar uit om de vruchten van dat onderzoek te volgen!