Evolutionaire wijzigingen in het DNA dat genen de baas speelt, hebben sommige vogels mogelijk aan de grond gehouden.
Nieuwe genetische analyses tonen aan dat mutaties in regulerend DNA ertoe hebben geleid dat loopvogels in de loop van hun evolutie tot vijf keer toe het vermogen hebben verloren om te vliegen, zo melden onderzoekers in Science van 5 april. Ratieten omvatten emoes, struisvogels, kiwi’s, rheas, kasuarissen, tinamous en uitgestorven moa’s en olifantvogels. Alleen de tinamous kunnen vliegen.
Regulerend DNA krijgt zijn naam omdat het betrokken is bij het reguleren wanneer en waar genen aan en uit worden gezet. Het bevat geen instructies voor het maken van eiwitten. Onderzoekers hebben lang gedebatteerd over de vraag of grote evolutionaire veranderingen, zoals het krijgen of verliezen van een eigenschap als vliegen, voornamelijk optreden als gevolg van mutaties in eiwitmakende genen die gekoppeld zijn aan de eigenschap, of voornamelijk het gevolg zijn van tweaks in het meer mysterieuze regulerende DNA.
Schrijf je in voor het laatste van Science News
Koppen en samenvattingen van de laatste Science News artikelen, geleverd in je inbox
Het onthullen van het belang van regulerend DNA in het vormgeven van evolutie zou licht kunnen werpen op hoe nauw verwante soorten met dezelfde genen, zoals chimpansees en mensen of moas- en tinamous, enorm verschillende looks en vaardigheden kunnen ontwikkelen.
Wetenschappers hebben de neiging om het belang te benadrukken van veranderingen in eiwitcodering die de evolutie van verschillende eigenschappen in veel organismen beïnvloeden. Voorbeelden zijn betrekkelijk gemakkelijk te vinden. Zo suggereerde een eerdere studie van vliegloze Galápagos-aalscholvers dat mutaties in een enkel gen de vleugels van de vogels deden krimpen (SN: 6/11/16, p. 11).
In het algemeen zijn mutaties die eiwitten veranderen waarschijnlijk schadelijker dan veranderingen in regulerend DNA, en dus gemakkelijker op te sporen, zegt Camille Berthelot, een evolutionair geneticus bij het Franse nationale medische onderzoeksinstituut INSERM in Parijs. Een eiwit kan betrokken zijn bij veel biologische processen in het lichaam. “Dus overal waar dit eiwit is, zullen er gevolgen zijn,” zegt ze.
Daarentegen kunnen veel stukjes DNA betrokken zijn bij het reguleren van de activiteit van een gen, en elk kan slechts in één of enkele weefseltypen werkzaam zijn. Dat vermindert de schade die het veranderen van één regulerend stukje zou kunnen hebben, waardoor die stukjes DNA gemakkelijke doelwitten worden voor evolutie-experimenten. Maar tegelijkertijd maakt het het ook veel moeilijker om te bepalen wanneer regulerend DNA daadwerkelijk betrokken is bij grote evolutionaire veranderingen, zegt evolutionair geneticus Megan Phifer-Rixey van de Monmouth University in West Long Branch, N.J. Die stukjes DNA lijken niet allemaal op elkaar en kunnen van soort tot soort veel veranderd zijn.
Evolutionair bioloog Scott Edwards van de Harvard University en collega’s omzeilden dat probleem door de genetische instructieboeken, of genomen, van 11 vogelsoorten te ontcijferen, waarvan er acht niet kunnen vliegen. De onderzoekers legden die genomen vervolgens naast reeds voltooide genomen van vogels, waaronder struisvogels, witkeelvinkachtigen, bruine kiwi’s van het Noordereiland en keizers- en Adéliepinguïns, alsmede 25 vliegende vogelsoorten.
De onderzoekers waren op zoek naar stukken regulerend DNA die in de loop van de evolutie van de vogels niet veel waren veranderd, een aanwijzing dat het DNA een belangrijke functie vervult. Onder de 284.001 gedeelde, relatief onveranderlijke stukken regulerend DNA, vonden de onderzoekers er 2.355 die meer mutaties hadden opgelopen dan verwacht bij loopvogels, maar niet bij andere vogelstammen. De overvloed aan mutaties wijst erop dat deze stukjes regulerend DNA sneller evolueren dan andere delen van het genoom, en mogelijk hun oorspronkelijke functies hebben verloren. Door na te gaan wanneer de evolutionaire versnellingen plaatsvonden, kwamen de onderzoekers tot de conclusie dat loopvogels ten minste drie keer en mogelijk wel vijf keer de vlucht verloren.
Die stukjes regulerend DNA bevonden zich meestal in de buurt van genen die betrokken zijn bij de ontwikkeling van ledematen, een aanwijzing dat ze de genactiviteit zouden kunnen beïnvloeden om kleinere vleugels te produceren. Het team testte het vermogen van één zo’n regulerend DNA-bit, een enhancer genoemd, om een gen aan te zetten in de ontwikkeling van embryonale kippenvleugels. Dat resultaat wijst erop dat veranderingen in die versterker zijn vleugel-ontwikkelingsfunctie uitschakelde en zou kunnen hebben bijgedragen tot de vliegloosheid bij de nandoes, zeggen de wetenschappers.
Een huidige hypothese voor waarom loopvogels, behalve de tinamous, vliegloos zijn, is dat de voorouder van alle soorten het vermogen om te vliegen had verloren, en de tinamous het later terugwonnen. “Wij denken dat dit niet erg aannemelijk is,” zegt Edwards. Het is waarschijnlijker dat de voorouder van de ratites kon vliegen en dat de tinamous dat vermogen behield, terwijl verwante vogels het vermogen verloren, voornamelijk door veranderingen in regulerend DNA, zegt hij. “Mijn voorgevoel is dat het relatief gemakkelijk is om vliegen te verliezen,” zegt hij.
Behalve in de voorouder van vogels, is vlucht slechts een paar keer geëvolueerd: in pterosaurussen, in vleermuizen, en misschien een paar keer in insecten, zegt Edwards. Vogels hebben het vliegen meerdere malen verloren. Er zijn geen voorbeelden bekend van het terugwinnen van vlucht als het eenmaal verloren is gegaan, zegt hij.
De onderzoekers ontdekten ook dat meer dan 200 eiwit-coderende genen sneller evolueerden – mutaties opbouwden – dan verwacht in vluchtloze loopvogels, maar die genen neigden ernaar gerelateerd te zijn aan metabolisme in plaats van krimpende vleugels. Deze eiwit-coderende veranderingen zijn niet zo belangrijk voor het verlies van vlucht als de regulerende DNA-veranderingen, concluderen de onderzoekers.
Het bewijs overtuigt de evolutiebiologe Luisa Pallares van Princeton University niet. “Dit artikel speelt een oud spel,” zegt ze, waarbij regulerende DNA-veranderingen worden afgezet tegen eiwit-coderende veranderingen voor evolutionair belang. “Persoonlijk zie ik daar het nut niet van in.” Beide gebeuren en kunnen even belangrijk zijn bij het vormgeven van evolutie, zegt ze.