Onderzoekers hebben de genetische code van de Zuid-Amerikaanse longvis gekraakt. En het blijkt uit meer dan 90 miljard basenparen te bestaan; meer dan twee keer zo groot als dat van de vorige recordhouder.
We weten al dat longvissen behoorlijk omvangrijke genomen hebben. Enkele jaren geleden brachten onderzoekers bijvoorbeeld nog het genoom van de Australische longvis in kaart, dat uit maar liefst 43 miljard basenparen bestaat. Maar het kan nog groter. Onderzoekers hebben nu ook gepoogd het genoom van de Zuid-Amerikaanse longvis, de naaste verwant van de Australische longvis, in kaart te brengen. En die blijkt over een nóg groter genoom te beschikken.
90 miljard basenparen
Het genetisch materiaal van de Zuid-Amerikaanse longvis breekt alle records op het gebied van grootte. Zo bestaat het genoom uit maar liefst 90 miljard basenparen. Hiermee is het maar liefst twee keer zo groot als dat van de Australische longvis; de vorige recordhouder. “18 van de 19 chromosomen van de Zuid-Amerikaanse longvis zijn elk afzonderlijk groter dan het volledige menselijke genoom, dat ongeveer 3 miljard basen bevat,” vertelt onderzoeker Axel Meyer. Het betekent dat het genoom van de Zuid-Amerikaanse longvis dus maar liefst dertig keer zo groot is als het menselijk genoom.
Grote klus
Met zo’n enorm genoom is het begrijpelijk dat onderzoekers enigszins aarzelden om het genoom van de longvis in kaart te brengen. Het sequencen van longvis-genomen is een zeer complexe en omvangrijke klus. Waarom onderzoekers zich er dan toch aan waagden? Daarvoor moeten we even een stukje terug in de tijd.
Vroege vis
Tijdens het Devoon, ongeveer 420 tot 360 miljoen jaar geleden, gebeurde er iets in een ondiep gebied bij de waterkant dat het leven op aarde voorgoed veranderde. Een vis gebruikte zijn krachtige borstvinnen om zichzelf uit het ondiepe water op het land te trekken en kroop over het modderige oppervlak bij de kust. Deze vis had geen haast om terug te keren naar het water, omdat hij al longen had en daardoor lucht kon ademen, net zoals wij landdieren dat nog steeds doen. Dit moment, of iets soortgelijks, zou wel eens de eerste keer kunnen zijn dat een gewerveld dier het land opging, een van de belangrijkste gebeurtenissen in de evolutie. Alle latere landdieren stammen namelijk af van deze vroege vis. Dit geldt niet alleen voor amfibieën, reptielen en vogels, maar ook voor zoogdieren, inclusief de mens. Toch blijft het een raadsel waarom deze vroege vissen zo goed voorbereid waren om het land te veroveren.
Genetisch materiaal
Om deze vraag te beantwoorden, hebben onderzoekers nu dus het genetisch materiaal van de naaste levende verwanten van onze Devoon-voorouder bestudeerd. Dit heeft hen in staat gesteld om conclusies te trekken over hoe die voorouder er waarschijnlijk uitzag. Slechts drie afstammingen van deze dichtstbijzijnde verwanten, de longvissen, zijn vandaag de dag nog steeds in leven: eentje uit Afrika, eentje uit Zuid-Amerika en eentje uit Australië. Het lijkt alsof de evolutie hen is vergeten, omdat deze oude ‘levende fossielen’ nog steeds veel op hun voorouders lijken. Omdat ons DNA uit nucleobasen bestaat en de volgorde van deze basen de genetische informatie bepaalt, kunnen we de longvis-genomen alleen vergelijken als we hun volledige sequenties hebben.
Hoe dan?
En dat is nu dus gelukt. Hoe het kan dat de Zuid-Amerikaanse longvis over zo’n enorm genoom beschikt? Volgens de onderzoekers hebben ‘autonome transposons’ ervoor gezorgd dat het genoom van de longvis zo enorm is gegroeid. Deze DNA-sequenties maken kopieën van zichzelf en verplaatsen zich vervolgens binnen het genoom, waardoor het genoom verder uitrekt.
Het blijft maar groeien
Hoewel dit ook bij andere organismen gebeurt, blijkt uit de analyses van het onderzoeksteam dat het genoom van de Zuid-Amerikaanse longvis veel sneller groeit dan dat van andere dieren. Elke 10 miljoen jaar is het genoom van de longvis gegroeid met een hoeveelheid die even groot is als het volledige menselijke genoom. “En het blijft maar groeien,” zegt Meyer. “We hebben ontdekt dat de transposons die hiervoor verantwoordelijk zijn nog steeds actief zijn.” De onderzoekers hebben ontdekt hoe het genoom zo enorm kon groeien: de enorme uitbreiding komt deels door de zeer lage hoeveelheid piRNA. Dit type RNA speelt normaal gesproken een rol in het onderdrukken van transposons.
Stabiel
Omdat transposons zich binnen het genoom repliceren en verplaatsen, kunnen ze het genetisch materiaal van een organisme aanzienlijk veranderen en destabiliseren. Dit hoeft niet altijd schadelijk te zijn; het kan zelfs evolutie stimuleren, omdat deze ‘springende genen’ soms nieuwe genetische functies creëren en zo bijdragen aan evolutionaire veranderingen. Wat echter opmerkelijk is, is dat het genoom van de longvis helemaal niet instabiel is. Integendeel, het genoom van de longvis is verrassend stabiel en de volgorde van de genen is opvallend behouden gebleven. Hierdoor kon het onderzoeksteam de oorspronkelijke opbouw van de chromosomen van de vroege tetrapod herstellen, door de genomen van de nog levende longvis-soorten te bestuderen.
Vingers
Daarnaast heeft de vergelijking van de longvis-genomen geholpen om te begrijpen hoe de genetische basis verschilt tussen de nog levende afstammingen. Zo heeft de Australische longvis nog steeds vinnen die lijken op ledematen, die zijn voorouders hielpen zich op het land voort te bewegen. Bij de longvissen uit Afrika en Zuid-Amerika zijn deze vinnen, die qua botstructuur vergelijkbaar zijn met onze armen, in de afgelopen 100 miljoen jaar weer veranderd in draadvormige vinnen. “In ons onderzoek hebben we CRISPR-Cas muizen gebruikt om aan te tonen dat de eenvoudiger vinnen komen door een verandering in de Shh-signaalroute,” legt Meyer uit. En dat is interessant. Tijdens de embryonale ontwikkeling van muizen regelt de Shh-signaalroute namelijk onder andere het aantal en de ontwikkeling van de vingers. Deze bevindingen ondersteunen dus de evolutionaire verbinding tussen de vinnen van beenvissen en de vingers van landdieren.
De studie is een enorme stap voorwaarts. Want nu de volledige genomen van alle huidige longvisfamilies in kaart zijn gebracht, zal dit ongetwijfeld meer waardevolle informatie opleveren over de vroege evolutionaire ontwikkeling van gewervelde dieren. Dit zal ons aanzienlijk helpen om te begrijpen hoe gewervelden het land hebben veroverd en om de evolutionaire geschiedenis van de eerste landdieren te ontrafelen.
