Wetenschap - 8 oktober 1998

Nematoden hebben wellicht genen uit bacterien opgepikt

Nematoden hebben wellicht genen uit bacterien opgepikt

Nematoden hebben wellicht genen uit bacterien opgepikt
Nematologen komen met controversiele hypothese over de evolutie
Bacterien en dieren wisselen geen genetische informatie uit, werd altijd gedacht. Maar er zijn aanwijzingen dat incidenteel wel degelijk genen rechtstreeks worden overgedragen tussen evolutionair niet nauw verwante soorten. Dr ir Geert Smant vond tijdens zijn promotieonderzoek celwandafbrekende enzymen in nematoden die sterk lijken op die van bacterien. Hij vermoedt dat nematoden de genen voor deze enzymen tientallen miljoenen jaren geleden van bacterien hebben overgenomen. Opponent prof. dr ir Pierre de Wit vindt dit wel erg speculatief
De meeste nematoden eten bacterien. Slechts een fractie van de nematoden haalt voedsel uit planten. De larven van deze nematoden leven in de bodem; als de diertjes volwassen worden, dringen ze een plant binnen. Hebben ze zich eenmaal een mooi plekje in de plant verworven, dan zetten ze de plantencellen in hun omgeving aan om speciaal voor hen voedingscellen te ontwikkelen. Wij nematologen vinden die inductie van voedingscellen fascinerend; wij willen alles weten over hoe een nematode een plant kan aantasten, vertelt de nieuwe hoogleraar nematologie, dr ir Jaap Bakker
Het onderzoek van de Wageningse nematologen nam een onverwachte wending. Zoekend naar speekselcomponenten die de productie van voedingscellen induceren, troffen ze het enzym cellulase aan in het speeksel van het aardappelcystenaaltje. Dit enzym maakt de celwanden week, zodat het diertje makkelijker de plant kan binnendringen
Zo'n enzym was nog nooit bij een dier gevonden. De meeste dieren die cellulose afbreken, zoals koeien, gebruiken daarvoor symbiotische bacterien in een van hun magen. Van nematoden werd altijd gedacht dat ze plantencelwanden stukprikten met hun stilet - een soort uitschuifbare naald die speeksel uitscheidt. We hadden niet verwacht dat daar enzymen bij betrokken waren.
De verbazing was nog groter toen bleek dat het cellulase van de nematode helemaal niet leek op cellulases in schimmels of planten. De overeenkomst in de volgorde van de aminozuren, de bouwstenen van een enzym, was minder dan tien procent. Onverwacht bleek de overeenkomst met een cellulase uit een plantparasitaire bacterie veel groter, zo'n 45 procent. Dat is toch gek, zegt nematoloog dr ir Geert Smant, die 6 oktober aan de LUW promoveerde. Op een evolutionaire tijdschaal is het nog kort geleden dat schimmels, planten en dieren uit een gemeenschappelijke voorouder zijn ontstaan, terwijl bacterien al zo'n twee miljard jaar geleden hun eigen weg gingen
Bij nematoden lijkt ook de bindingsplaats van het enzym, waarmee het enzym als een soort magneet aan cellulose hecht, op die van bacterien. Nematoden hebben net als plantparasitaire bacterien een bindingsplaats van zo'n honderd aminozuren. Bij schimmels bestaat die bindingsplaats uit slechts 35 aminozuren, met een hele andere structuur
Termiet
Volgens Smant is de meest waarschijnlijke verklaring voor de overeenkomst tussen de cellulasegenen van nematode en plantparasitaire bacterie de veronderstelling dat nematoden tientallen miljoenen jaren geleden die genen hebben overgenomen
Het is heel goed mogelijk dat bacterien in het spijsverteringskanaal van in de bodem levende nematoden de bron zijn geweest van cellulasegenen. Zo kunnen die nematoden uitbaters van planten zijn geworden, schreven commentatoren van de University of California in een reactie op het artikel van de Wageningse nematologen in het aprilnummer van de Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS). Dat commentaar vonden we heel grappig. In ons artikel staat maar een zin over genenoverdracht van een bacterie naar de nematode. We vonden het eigenlijk nog te vroeg om daar conclusies over te trekken. De commentatoren namen een voorschot op toekomstig onderzoek, vertelt Bakker
Inmiddels hebben Japanse onderzoekers in Nature gepubliceerd dat ook de termiet Reticulitermes speratus zelf cellulase produceert. Dit cellulase lijkt sterk op dat van een bacterie uit het spijsverteringskanaal van de termiet
Het vervelende is echter dat het onmogelijk is te bewijzen dat stabiele genenoverdracht heeft plaatsgevonden van een bacterie naar een nematode, vertelt Smant. Je denkt wat te hebben, maar we kunnen een alternatief scenario niet uitsluiten. In dat scenario hebben de nematoden en de bacterien de cellulasegenen van een gemeenschappelijke voorouder gekregen, zo'n twee miljard jaar geleden. Dan heeft dus geen overdracht van genen plaatsgevonden tussen nematode en bacterie
Als het gen van zo'n gemeenschappelijke voorouder komt, zou je verwachten dat het enzym zich in de loop van de evolutie heeft aangepast aan de behoefte van het organisme waar het in zit. Toch lijken de cellulases in de onderzochte nematoden en de plantparasitaire bacterien nog steeds sterk op elkaar. Dat kan alleen als de organismen eenzelfde selectiedruk hebben ondervonden, waarin ze alleen met een type cellulase konden overleven. In dit scenario kan bij schimmels en planten niet diezelfde selectiedruk zijn opgetreden, want die hebben een ander enzym dat cellulose afbreekt
De onderzoekers achten dit scenario niet erg waarschijnlijk, aangezien er veel variatie bestaat binnen cellulases. Blijkbaar muteren ze makkelijk, zonder daarbij hun functie te verliezen. Dat maakt een lange, gelijkoplopende evolutie onwaarschijnlijk
Speculatief
Dr ir Pierre de Wit, hoogleraar fytopathologie, vindt de overdrachtshypothese van de Wageningse nematologen zeer speculatief. In de cellulasegenen van de nematoden zitten zeven a acht introns, stukken DNA die niet coderen voor een bepaald aminozuur. En omdat introns normaliter niet voorkomen in bacterien, maakt dit de theorie van overdracht van genen onwaarschijnlijk, aldus De Wit. Smant denkt echter dat de overdracht van de genen zo lang geleden plaatsvond dat de genen zich volledig hebben aangepast aan hun nieuwe omgeving in de kern van een nematodecel
Ander commentaar van De Wit is dat de verhouding tussen de baseparen in het cellulasegen van de nematode lijkt op de normale verhouding in nematoden, niet op die van bacterien. Ook dat roept twijfels op over de bacteriele herkomst van het cellulasegen
Ook opponent prof. dr Godelieve Gheysen van de Universiteit van Gent vindt de stelling van Smant zeer provocerend. Via welk mechanisme zou die genenoverdracht dan moeten plaatsvinden, vroeg zij zich af. Het is waarschijnlijk een zeldzame gebeurtenis, maar als het contact tussen de organismen maar lang genoeg duurt, zal zoiets heus wel een keer plaatsvinden, meent Smant. Genetische modificatie van planten is ook op die overdracht gebaseerd; via een speciale bacterie worden genen in een plantencel ingebracht. Bij genetische modificatie helpen onderzoekers de natuur echter een handje. Zij laten via weefselkweek uit een gemodificeerde cel een plant groeien waarin de nieuwe eigenschappen in alle cellen zit
Om de bacteriele genen zo in een nematode te integreren dat ze ook aan het nageslacht worden doorgegeven, moeten de genen in de geslachtscellen van de nematode terecht zijn gekomen. In de loop der evolutie moet vervolgens een werkend gen zijn ontstaan
Op zoek naar ondersteuning voor hun theorie onderzoeken de Wageningse nematologen momenteel of ook andere celwandafbrekende enzymen uit nematoden gelijkenis vertonen met enzymen in plantparasitaire bacterien. Als je de gelijkenis alleen bij cellulase vindt, kan het nog toeval zijn. Vind je het echter ook bij andere enzymen, dan wordt onze hypothese al waarschijnlijker. We hebben net een ander gen gekloneerd dat codeert voor een celwandafbrekend enzym. Ook dit gen heeft een grote overeenkomst met dezelfde bacterie, vertelt Bakker
Verder wil Bakker graag modelexperimenten gaan doen met de nematode Caenorhabditis elegans, waarvan het hele genoom in kaart wordt gebracht door moleculair biologen. Als je deze nematode voert met specifieke bacterien, is het misschien mogelijk te bestuderen hoe vaak en onder welke laboratoriumomstandigheden genen worden overgedragen van bacterien naar nematoden

Re:ageer