UGent

Wat is genetische drift?

Auteur: Gerhard Mertens - Vakgroep oncologie en bloedziekten, Universiteit Antwerpen

Genetische drift is het mechanisme voor verandering in de genetische samenstelling van een populatie van eindige grootte, als gevolg van het random vervangen van allelen (genetische merkers) van de ene generatie naar de volgende. In deze definitie is een 'populatie van eindige grootte' het alternatief van een (theoretisch) oneindig grote populatie. Het begrip 'random' verwijst naar het element van willekeurigheid of zuiver toeval in het proces. Samen met mutatie, selectie en migratie vormt drift één van de drijvende krachten van evolutie, waarbij we onder evolutie verstaan de verandering (generatie na generatie) van de genetische samenstelling van een populatie.

Statistische achtergrond
Drift heeft te maken met een statistisch fenomeen dat we intuïtief aanvoelen, namelijk dat in kleine stalen het toeval een grote rol speelt bij de uitkomst van een proces. Als men 1000 maal een munt opgooit, verwacht men rond de 500 keer kruis en 500 keer munt. Doch als men de munt slechts 10 maal opgooit is het erg waarschijnlijk dat men iets anders dan exact 5-5 uitkomt, mogelijk 6-4 of 7-3. Deze kans van 1 op 2 vinden we in de biologie ook terug bij de geslachtelijke voortplanting. Bij de aanmaak van voortplantingscellen (eicel, zaadcel) is er inderdaad 1 kans op 2 dat het ene (paternale) of het andere (maternale) allel in de voortplantingscel terechtkomt en wordt doorgegeven aan de volgende generatie.

Invloed van populatiegrootte
In zéér grote populaties zal, op basis van bovenstaande waarschijnlijkheid van 50%, de frequentie van de verschillende allelen in de populatie dezelfde blijven over de generaties heen.
In een kleine populatie daarentegen, liggen de zaken anders. Stel een laboratoriumpopulatie van 10 fruitvliegen met in opeenvolgende generaties ook steeds 10 individuen. In de eerste generatie van deze populatie komt het allel voor rode ogen voor bij 5 individuen. In de tweede generatie kunnen er door toeval 3 vliegen zijn met het rode-ogen-allel en 7 zonder dit allel. Voor de 3 overblijvende vliegen is er nu weer een kans van 50% dat het allel voor rode ogen wordt overgedragen op een nakomeling. Zo is het statistisch perfect mogelijk dat in de derde generatie geen enkel van de 10 individuen het allel nog bezit en we uitkomen op een populatie van 10 individuen waar het allel voor rode ogen niet meer in voorkomt. We zien dat door zuiver toeval of statistische schommeling, na enkele generaties een allel compleet uit de populatie van 10 verdwenen is. Dit is nu evolutie door genetische drift.
Analoog kan in een andere laboratoriumpopulatie van 10 fruitvliegen met initieel 5 leden met het rode ogen allel, op een paar generaties het allel bij alle leden aanwezig zijn!

Eigenschappen
Drift heeft dus binnen een populatie een homogeniserend effect waarbij de genetische variatie binnen de populatie afneemt: óf een allel gaat verloren uit een populatie, óf het allel verdrijft alle andere allelen uit de populatie. De toestand waarbij een bepaald allel een frequentie van 100% heeft bereikt in een populatie, m.a.w. voor dat gen het enige allel in de populatie is, wordt 'fixatie' genoemd. Anderzijds doet drift de verschillen tussen reproductief gescheiden populaties toenemen. Hoeveel generaties het duurt eer de ene populatie door drift geëvolueerd is naar fixatie voor het ene allel en een andere populatie naar fixatie voor een ander allel, hangt af van de grootte van de populaties. Hoe kleiner de populatie, hoe vlugger fixatie bereikt zal worden.

Drift versus selectie
Drift is een niet-adaptatief mechanisme, m.a.w. het verbetert de aanpassing aan de leefomstandigheden niet. Tevens is drift niet-directioneel, want het kan de frequentie van een bepaald allel even goed (afhankelijk van toeval) doen toenemen als doen afnemen. Deze beide eigenschappen zijn tegengesteld aan het evolutionair mechanisme van natuurlijke selectie, dat adaptatief en directioneel werkt. Zodus speelt drift speelt vooral een rol bij de evolutie van neutrale allelen. Dit zijn allelen die positieve noch negatieve invloed hebben op de fitness (voortplantingssucces) van een organisme.
Vermits bij alle biologische soorten een deel van het DNA niet vertaald wordt in eiwitten en dus geen effect kan hebben op de fitness van het individu, is voor dit 'niet-coderend DNA' drift het enige evolutiemechanisme en speelt natuurlijke selectie geen rol. Dit vormt een belangrijk concept in de 'neutrale theorie van de moleculaire evolutie' die in 1969 door Kimura werd geformuleerd.

Foundereffect en bottleneck
Het 'foundereffect' en de 'bottleneck' zijn populatiegenetische mechanismen die sterk met genetische drift gerelateerd zijn.
Bij het foundereffect heeft men een populatie waaruit zich een (klein) aantal leden verwijderen die zich op een andere, geïsoleerde plaats vestigen en vervolgens voortplanten. Door de combinatie van het feit dat enerzijds de 'founders' door hun beperkte aantal over een kleiner aantal verschillende allelen beschikken dan de grote populatie waar ze van afkomstig zijn, en het effect van drift in de kleine populatie 'founders', kan na enkele generaties de genetische samenstelling van deze kolonisten grondig verschillend geworden zijn van de populatie in het 'moederland'. Voorbeelden hiervan vormen polydactylie bij de Amish in Pennsylvania en porfyrie bij Zuid-Afrikanen met Nederlandse voorouders. Beide genetisch bepaalde aandoeningen komen wereldwijd zeer zelden voor maar in de genoemde founder populaties ligt de frekwentie meer dan 1000 maal hoger.
Met de term genetische 'bottleneck' wordt een relatief abrupt voorval bedoeld waarbij meer dan de helft van een populatie of species sterft en een belangrijk deel van de genetische variatie in de populatie verdwijnt. Hoe kleiner het aantal overblijvers, hoe groter het effect op de reductie in genetische variatie. Wanneer in volgende generaties de populatie zich in aantal herstelt, zal de frequentie van de verschillende allelen significant afwijken van de populatie van vóór het bottleneck incident.
Een klassiek voorbeeld van een bottleneck wordt gevormd door de Noordelijke zeeolifant. Door intensieve jacht daalde de populatie tot 30 leden in 1890. Ondertussen is dankzij bescherming de populatie aangegroeid tot 100 000 dieren, doch deze vertoont veruit de kleinste genetische variatie van de hele familie van zeehondachtigen.
Een ander voorbeeld is de jachtluipaard. Bij deze soort wordt de bottleneck afgeleid uit de vaststelling dat er tussen individuele jachtluipaarden geen enkele variatie bestaat van genetisch bepaalde weefseltypes, zodat het mogelijk is een stukje huid (of ander orgaan) te transplanteren tussen cheeta’s zonder dat er afstoting optreedt. Dit is in schril contrast met alle andere zoogdieren waarbij er een uitgebreide verscheidenheid aan zogenaamde 'histocompatibiliteitsgenen' bestaat. Wannéér en door welk voorval de bottleneck bij de jachtluipaard ontstaan is weten we echter niet.