Muteer jij sneller dan een mier?

Mutaties en evolutie zijn de bron van variatie. Omdat mutaties vaker schadelijk zijn dan voordelig zal natuurlijke selectie de mutatiesnelheid zo laag mogelijk willen houden. Door toeval (genetische drift) zullen (schadelijke) mutaties toch in een populatie terechtkomen. Soorten met kleinere populaties zullen meer invloed ondervinden van dat toeval en dus een hogere mutatiesnelheid hebben.

Terwijl je dit artikel leest, kopieert je DNA zich, letter voor letter. Het menselijk genoom is zo lang (meer dan 3 miljard letters) dat zelfs een verbazingwekkend laag foutenpercentage van één op de vele miljoen letters zou kunnen neerkomen op 10 nieuwe mutaties elke keer dat een cel zich deelt. Wetenschappers schatten dat op een normale dag de 37 biljoen cellen in je lichaam biljoenen nieuwe mutaties zullen verzamelen. De mutatiesnelheid (hoe vaak een gen muteert per tijdseenheid) hangt af van verschillende factoren. Of je rookt, veel in de zon zit of een man of een vrouw bent (zaadcellen worden vanaf de puberteit voortdurend vermenigvuldigd, eicellen niet). Maar hoe zit dat met andere soorten? Muteren bacteriën, muizen of chimpansees allemaal even snel? Muteer jij sneller dan een mier?

Waarom muteren we?

”Mutaties zijn de ultieme bron van variatie en soortvorming. En ook de mutatiesnelheid zelf is onderhevig aan evolutie”, schrijft bioloog Michael Lynch in zijn artikel. De grote meerderheid van de mutaties zijn schadelijk of neutraal. Een hele kleine hoeveelheid mutaties zijn maar voordelig. Natuurlijke selectie zou in het algemeen de voorkeur moeten geven aan zo min mogelijk mutaties, volgens Lynch. Wat houdt de mutatiesnelheid dan tegen om naar nul te evolueren? De behoefte aan nieuwe mutaties blijft bestaan zodat we ons voortdurend kunnen aanpassen aan onze omgeving volgens veel biologen, maar Lynch vindt nog een andere belangrijkere reden.

De meeste veranderingen in ons DNA zijn te wijten aan toeval: genen die zich willekeurig verspreiden. ”Dat heet ‘genetische drift’. Het is ruis in het evolutieproces dat groter is dan de richtingskracht van selectie” zo Lynch. Zijn ‘drift barrier hypothese’ stelt dat de kracht van willekeurige genetische drift een ondergrens oplegt aan de mate waarin natuurlijke selectie de mutatiesnelheid kan verminderen.

Soorten hebben verschillende mutatiesnelheden

De mutatiesnelheid verschilt per soort, volgens Lynch. Virussen, bacteriën, muizen en mensen hebben allemaal verschillende mutatiesnelheden. De mutatiesnelheid wordt bepaald door specifieke eiwitten die de celdeling controleren. Ze worden gecodeerd door de mutatorgenen. Mutatorgenen verhogen de mutatiesnelheid in het genoom van een organisme door de DNA-reparatiefuncties te verstoren. Mutaties in de mutatorgenen en genetische drift kunnen ervoor zorgen dat sommige mutatorgenen veranderen. ”De variatie in mutatiesnelheid tussen soorten suggereert dat bij sommige soorten de mutatorgenen ongecontroleerd blijven.”

Zo geldt bij micro-organismen met kleinere genomen ‘Drake’s rule’. Drake’s regel heeft de naam te danken aan zijn ontdekker, die opmerkte dat micro-organismen relatief een constante mutatiesnelheid hebben en stelt ‘hoe groter het genoom hoe minder de mutatiesnelheid’. Virussen bijvoorbeeld hebben een klein genoom maar muteren veel sneller dan bacteriën. Het “Impliceert sterk dat dit tempo sterk is geëvolueerd” en “moet zijn gevormd als reactie op evolutionaire krachten van een zeer algemene aard”, zo Drake.

Maar na een bepaalde grootte van het genoom ontstaat er een ommekeer in deze theorie. Het omgekeerde geldt namelijk voor soorten met grotere genomen waaronder dus sommige eencelligen, en alle meercellige zoals planten, dieren en de mens. Daar geldt juist ‘hoe groter het genoom, hoe hoger de mutatiesnelheid’, waarbij de mutatiesnelheid bij gewervelde dieren zo een 100 keer hoger is dan de grotere eencelligen. Hoe komt dat?

Populatiegrootte heeft invloed op mutaties

De grootte van het DNA is niet de oorzaak van het verschil in mutatiesnelheden, maar de populatiegrootte bepaalt het, volgens de drift-barrier hypothese van Lynch. Het is vaak toevallig zo dat hoe groter de genomen, hoe kleiner de populaties zijn. Een kolonie bacteriën bestaat uit veel meer individuen dan een groep olifanten, waarbij het genoom van een olifant veel groter is dan van een bacterie. En hoe kleiner een populatie is, hoe meer invloed genetische drift heeft.

Natuurlijke selectie en willekeurige genetische drift concurreren met elkaar en de winnaar wordt beïnvloed door de omvang van de populatie. In kleine populaties kan een gunstige mutatie gemakkelijk verloren gaan door drift voordat deze zich in een populatie vestigt. In grotere populaties is het daarentegen moeilijker om de gunstige mutatie per ongeluk te verliezen, dus uiteindelijk zal natuurlijke selectie winnen en wordt het gunstige allel gefixeerd. Genetische drift speelt dus een grotere rol bij kleinere populaties, volgens Lynch. ”In grote populaties worden schadelijke mutaties vaak tegengegaan door latere gunstige mutaties. Maar in een kleinere populatie met minder individuen die zich voortplanten, kan de oorspronkelijke mutatie worden behouden en schade blijven aanrichten.”

De mens

Je zou zeggen dat we een grote populatie zijn met 7,7 miljard mensen op aarde. Populatiegenetici richten zich echter op de effectieve populatiegrootte, het aantal mensen dat nodig was om de genetische variatie te produceren die we vandaag de dag zien. Bij mensen zijn dat er ongeveer 10.000 – niet zo heel anders dan bij andere primaten. Mensen hebben de neiging om nog kleinere groepen te vormen en daarin te paren. We hebben dus een relatief kleine populatie vergeleken met andere soorten. ”Bacteriën, pantoffeldiertjes, gisten en nematoden – die allemaal veel grotere populaties hebben dan mensen – hebben mutatiesnelheden die ordes van grootte lager zijn”, zo Lynch. Men schat dat er 1 miljoen mieren zijn voor elk mens dat op aarde rondloopt. Op de vraag of je sneller muteert dan een mier, kunnen we dus vrijwel zeker zeggen dat het antwoord positief is.

Meer weten over mutaties? Check dan mijn bericht over kanker of lees deze boeken:

Bronnen: Sciencemagazine, Genetic drift, Evolution of the mutation rate, The atlantic