Je tenen en vingers zitten ingenieus in elkaar. Je zou niet denken dat ze uit een simpele vis voortkomen, maar toch is dat precies het geval. Sterker nog: het is zelfs de cloaca van een vis die de oorsprong vormt.
Het was al bekend dat vingers en tenen hun genetische basis in vissen hebben, maar dat specifiek een oud stukje DNA van de cloaca van de vis zo’n grote rol speelt, wisten we nog niet.
Daarmee wordt nog maar eens duidelijk dat de evolutie lang niet altijd compleet nieuwe bouwstenen ontwikkelt, maar ook vaak bestaande systemen recyclet, verklaren onderzoekers van onder meer de Universiteit van Genève en Harvard.
Van water naar land
Zo’n 380 miljoen jaar geleden begonnen onze visachtige voorouders het land te koloniseren. Daarbij ontwikkelden ze nieuwe eigenschappen zoals longen om zuurstof uit de lucht te halen en ledematen met voeten en handen. Hoe die ledematen precies zijn ontstaan, blijft een van de oudste en meest bediscussieerde vragen in de biologie. Lang werd gedacht dat ze uit de vinnen afkomstig waren, maar dat is dus niet zo.
De onderzoekers, die hun studie vorige week in Nature publiceerden, richtten zich vooral op een zogeheten regulerend DNA-gebied. Dit is een stuk niet-coderend DNA dat bepaalt waar en wanneer genen actief zijn. Deze regelgebieden spelen een cruciale rol als de ‘verkeerstorens’ van de genexpressie.
Muizen versus vissen
Door het DNA van muizen en vissen te vergelijken, ontdekten de onderzoekers een groot regulerend DNA-gebied dat bij beide soorten aanwezig is en betrokken blijkt bij de ontwikkeling van muizentenen. Toen ze dit gebied met CRISPR/Cas9-technologie bij vissen verwijderden, zagen ze dat de genactiviteit verdween in de cloaca, maar niet in de vinnen.
Dat wijst erop dat de cloaca – een orgaan waar het darmstelsel, de urinewegen en het voortplantingsstelsel samenkomen – door de evolutie is hergebruikt voor de ontwikkeling van vingers en tenen. “De gemeenschappelijke eigenschap van de cloaca en vingers en tenen is dat ze uiteinden vormen. Soms zijn dat de uiteinden van het darmstelsel, soms de uiteinden van voeten en handen, oftewel vingers en tenen. Beiden markeren het einde van iets”, legt onderzoeker Aurélie Hintermann de overeenkomsten uit.
Evolutionair recyclen
De betrokken DNA-gebieden sturen de activiteit van Hox-genen aan, ook wel architectgenen genoemd. Deze genen bepalen de basisindeling van het lichaam en hebben dus een grote invloed op anatomische veranderingen. “Het feit dat deze genen hierbij betrokken zijn, is een sprekend voorbeeld van hoe evolutie innoveert door iets ouds te recyclen om iets nieuws te maken”, zegt Denis Duboule, emeritus hoogleraar aan het Collège de France. “In plaats van een nieuw regelmechanisme voor vingers en tenen te bouwen, heeft de natuur een bestaand systeem hergebruikt dat aanvankelijk actief was in de cloaca.”
Nieuwe puzzelstukjes
De studie laat zien dat niet alleen de coderende genen zelf evolueren, maar vooral de manier waarop ze gereguleerd worden. Soms kan zelfs een compleet regulerend DNA-gebied een nieuwe functie krijgen in een ander anatomisch kader, zoals nu blijkt bij de cloaca en onze vingers.
De onderzoekers benadrukken dat dit inzicht een nieuw stukje toevoegt aan het grote geheel van de evolutie. De vraag is niet langer alleen waar zulke veranderingen in het genoom plaatsvinden, maar vooral hoe ze optreden. Alleen zo kan stap voor stap duidelijk worden hoe onze verre voorouders uit het water kwamen en uiteindelijk uitgroeiden tot de enorme diversiteit aan gewervelde dieren die we vandaag kennen, inclusief de mens.
