Wetenschappers hebben zojuist een gen ontdekt dat een voorbeeld van natuurlijke selectie verklaart dat vaak in schoolboeken wordt genoemd. Dit gen maakt gevlekt-grijze pepermotten zwart. Het gen kan ook de kleurveranderingen van de vleugels bij felgekleurde vlinders regelen.

Een mysterie dook op in Groot-Brittannië in de jaren 1800. Een industriële revolutie had net zijn intrede gedaan. Drukke fabrieken begonnen de lucht te verduisteren met rook van brandend hout en kolen. De roetachtige vervuiling maakte de boomstammen zwart. In korte tijd merkten Victoriaanse wetenschappers ook een verandering op bij de pepermotten (Biston betularia). Een nieuwe, volledig zwarte vorm dook op. Deze werd B. betularia carbonaria genoemd, of de “houtskool” versie. De oudere vorm werd typica, of de typische vorm.

Vogels konden de oude, lichtgekleurde pepermotten gemakkelijk herkennen wanneer ze zich op roetzwart geworden boomstammen vestigden. Hun nieuwe donkere neefjes vielen niet op. Het resultaat: die carbonaria hadden minder kans om te worden opgegeten.

Niet verrassend, het aantal lichtgekleurde motten begon te dalen terwijl hun donkere neven toenamen. Tegen 1970, in sommige vervuilde regio’s, was bijna 99 procent van de motten nu zwart.

In de late 20e eeuw, begonnen de dingen te veranderen. Wetten om vervuiling tegen te gaan werden geleidelijk ingevoerd. Bedrijven konden niet langer zoveel roet in de lucht gooien. Al snel konden vogels de zwarte motten weer gemakkelijk bespieden. Nu zijn de carbonaria motten zeldzaam geworden en domineren de typica motten weer.

Vervuiling heeft de motten niet zwart gemaakt. Het gaf alleen een verhullingsvoordeel aan de motten die de genetische verandering droegen die hun vleugels zwart maakten. En toen de vervuiling verdween, verdween ook het voordeel van de donkere motten.

Maar toch waren wetenschappers verbaasd over het ontstaan van de zwarte motten. Tot nu. Onderzoekers in Engeland hebben het verschil tussen een typica en carbonaria mot herleid tot een genetische tweak. Deze vindt plaats in het gen dat bekend staat als cortex.

De wetenschappers hebben hun vondst 1 juni gepubliceerd in Nature.

Een voorbeeld van snel veranderende evolutie

Gen bevatten de instructies die cellen vertellen wat ze moeten doen. Na verloop van tijd kunnen sommige genen veranderen, vaak zonder duidelijke reden. Dergelijke veranderingen staan bekend als mutaties. Deze studie “begint precies te ontrafelen wat de oorspronkelijke mutatie was” die de zwarte motten voortbracht, zegt Paul Brakefield. Hij is een evolutionair bioloog aan de Universiteit van Cambridge in Engeland. De ontdekking, zegt hij, “voegt een nieuw en opwindend element toe aan het verhaal.”

Vleugelkleurveranderingen bij de pepermotten zijn een veelvoorkomend voorbeeld van wat wetenschappers natuurlijke selectie noemen. Hierbij ontwikkelen organismen willekeurige mutaties. Sommige van de genveranderingen zullen individuen opleveren die beter geschikt – of aangepast – zijn aan hun omgeving. Deze individuen hebben de neiging om vaker te overleven. En als ze dat doen, geven ze de nuttige mutatie door aan hun nakomelingen.

Op den duur zullen de meeste overlevende individuen dat veranderde gen dragen. En als dit bij genoeg individuen gebeurt, kunnen zij een nieuwe soort vormen. Dit is evolutie.

Een ander voorbeeld van aanpassing en natuurlijke selectie zijn vlinders die de kleurpatronen van anderen kopiëren, of nabootsen. Sommige vlinders zijn giftig voor vogels. Vogels hebben geleerd de vleugelpatronen van die vlinders te herkennen en ze te mijden. Niet giftige vlinders kunnen enkele genetische aanpassingen ontwikkelen waardoor hun vleugels op die van de giftige vlinders lijken. Vogels mijden de namaakvlinders.

De details van de genveranderingen achter de aanpassingen van de pepermot en de vlinder waren decennia lang voor wetenschappers verborgen. In 2011 traceerden onderzoekers de kenmerken naar een genengebied dat zowel bij de motten als bij de vlinders voorkomt. Toch bleef het een mysterie welk gen of welke genen precies achter de veranderingen zaten.

In pepervlinders omvatte de interessante regio ongeveer 400.000 DNA-basen. Basen zijn informatiedragende chemische eenheden waaruit DNA is opgebouwd. Het gebied in deze insecten bevatte 13 afzonderlijke genen en twee microRNA’s. (MicroRNA’s zijn korte stukjes RNA die niet de blauwdruk dragen voor het maken van eiwitten. Ze helpen echter wel te bepalen hoeveel van bepaalde eiwitten een cel zal maken.”

Screening for the gene change

“Er zijn niet echt genen die je toeschreeuwen en zeggen ‘ik ben betrokken bij het vleugelpatroon’,” merkt Ilik Saccheri op. Hij is een evolutionair geneticus aan de Universiteit van Liverpool in Engeland. Hij leidde ook het onderzoek naar de pepermot.

Saccheri en zijn team vergeleken dat lange DNA-gebied bij een zwarte mot en drie typische motten. De onderzoekers vonden 87 plaatsen waar de zwarte mot verschilde van de lichtgekleurde motten. De meeste veranderingen waren in afzonderlijke DNA-basen. Dergelijke genetische varianten staan bekend als SNP’s. (Dat acroniem staat voor single nucleotide polymorphisms.) Andere veranderingen waren toevoegingen of verwijderingen van sommige DNA-basen.

Eén verschil was een onverwachte 21.925-basen lange strook DNA. Het was op de een of andere manier in de regio ingevoegd. Deze grote brok DNA bevatte meerdere kopieën van een transposabel element. (Dit wordt ook wel een springend gen genoemd.) Net als een virus kopiëren deze stukjes DNA zich en voegen zich in het DNA van een gastheer.

Het team onderzocht het DNA van honderden andere typica motten. Als een lichtgekleurde mot een van de veranderingen had, betekende dit dat de verandering niet verantwoordelijk was voor zijn zwart gevleugelde neef. Eén voor één sloten de wetenschappers mutaties uit die tot zwarte vleugels konden leiden. Uiteindelijk hadden ze één enkele kandidaat. Het was het grote omzetbare element dat in het cortex-gen terecht was gekomen.

Maar dit springende gen kwam niet terecht in het DNA dat de blauwdruk levert voor het maken van een eiwit. In plaats daarvan kwam het terecht in een intron. Dit is een stuk DNA dat wordt weggeknipt nadat het gen is gekopieerd naar RNA – en voordat een eiwit wordt gemaakt.

Om er zeker van te zijn dat het springende gen verantwoordelijk was voor de zwarte vleugels die tijdens de industriële revolutie werden gezien, zochten Saccheri en zijn collega’s uit hoe oud de mutatie was. De onderzoekers gebruikten historische metingen van hoe vaak de zwarte vleugel in de geschiedenis voorkwam. Daarmee berekenden ze dat het springende gen rond 1819 voor het eerst in het cortex-intron terechtkwam. Die timing gaf de mutatie zo’n 20 tot 30 mot-generaties om zich door de populatie te verspreiden voordat mensen voor het eerst melding maakten van waarnemingen van de zwarte motten in 1848.

Saccheri en zijn collega’s vonden dit transposable element in 105 van 110 in het wild gevangen carbonaria motten. Het zat in geen van de 283 geteste typica motten. De andere vijf motten, zo concluderen zij nu, zijn zwart als gevolg van een andere, onbekende, genetische variatie.

Vlindersbanden

Een tweede studie in hetzelfde nummer van Nature richtte zich op Heliconius vlinders. Deze kleurrijke schoonheden fladderen door heel Amerika. En net als de pepervlinders staan ze al sinds 1800 model voor evolutie. Nicola Nadeau leidde een groep onderzoekers die wilden weten hoe de vleugelkleuren bij deze vlinders worden bepaald.

Nadeau is een evolutionair geneticus aan de Universiteit van Sheffield in Engeland. Haar team was op zoek naar genetische varianten die verband houden met de aan- of afwezigheid van gele banden op de vleugels. Die kleur is belangrijk omdat die gele band sommige lekkere vlindersoorten helpt om vies smakende vlinders na te bootsen. Door zich voor te doen als de vals smakende vlinder kan de lekkere vlinder de lunch van een roofdier worden.

Nadeau’s team doorzocht meer dan 1 miljoen DNA basen in elk van de vijf Heliconius soorten. Onder hen was H. erato favorinus. De wetenschappers vonden 108 SNP’s in elk lid van deze soort dat een gele band op zijn achtervleugels had. De meeste van die SNPs bevonden zich in introns van het cortex-gen of buiten dat gen. Vlinders zonder de gele band hadden deze SNP’s niet.

Er werden andere DNA-veranderingen rond het cortex-gen gevonden die ook leidden tot gele strepen op de vleugels van andere Heliconius-soorten. Dat suggereert dat de evolutie meerdere malen op het cortex-gen heeft ingewerkt om de vleugels van de insecten te strepen.

Op zoek naar bewijs voor wat ‘springende genen’ doen

De bevinding dat hetzelfde gen vleugelpatronen bij vlinders en motten beïnvloedt, laat zien dat sommige genen hot spots van natuurlijke selectie kunnen zijn, zegt Robert Reed. Hij is een evolutiebioloog aan de Cornell University in Ithaca, N.Y.

Geen van de genverschillen in de vlinders of de pepervlinders veranderde het cortex-gen zelf. Dat betekent dat het mogelijk is dat het springende gen en de SNPs niets met het gen doen. De veranderingen zouden slechts een ander gen kunnen aansturen. Maar het bewijs dat cortex echt het gen is waarop natuurlijke selectie heeft ingewerkt, is sterk, zegt Reed. “Het zou me verbazen als ze het mis hebben.”

Toch is het niet duidelijk hoe het cortex-gen de vleugelpatronen zou veranderen, zegt Saccheri. Hij merkt op dat beide onderzoeksteams “even verbaasd zijn over hoe het doet wat het lijkt te doen.”

De vleugels van motten en vlinders zijn bedekt met kleurrijke schubben. De teams hebben bewijs dat het cortex-gen helpt bepalen wanneer bepaalde vleugelschubben groeien. En bij vlinders en motten beïnvloedt de timing van de ontwikkeling van de vleugelschubben hun kleuren, zegt Reed. “

Gele, witte en rode schubben ontwikkelen zich het eerst. Zwarte schubben komen later. Het is bekend dat de cortex ook betrokken is bij de celgroei. Dus het aanpassen van het eiwit dat het aanmaakt, kan de groei van de vleugelschubben versnellen. En dat kan ervoor zorgen dat de schubben gekleurd worden. Of het kan hun groei vertragen, waardoor ze zwart worden, zo speculeren de onderzoekers.

SNP’s kunnen natuurlijk genen veranderen die van invloed zijn op de kleur in andere organismen, waaronder mensen.

Maar de grote boodschap van al dit werk, zeggen de wetenschappers, is hoe een eenvoudige verandering in een enkel gen een verschil kan maken in het uiterlijk – en soms de overleving – van een soort als de omstandigheden veranderen.

Word Find (klik hier om te vergroten voor afdrukken)