Hoe wordt DNA gebruikt om de verwantschap tussen soorten te onderzoeken?

Om te onderzoeken hoe vogels aan elkaar verwant zijn, zou een bioloog uit de jaren 1950 zorgvuldig hun anatomische gelijkenissen en verschillen bestuderen. Maar vandaag de dag kan een wetenschapper die hetzelfde probleem bestudeert ook de instructies gebruiken waaruit die anatomie is opgebouwd: zijn genetische code. DNA frequenties vormen de erfelijke linken tussen generaties. Het is dus geen verrassing dat wetenschappers die evolutionaire relaties onderzoeken getracht hebben dichter en dichter te komen bij het DNA dat die relaties onderbouwd. Echter, het lezen van het genotypen van volledige organismen volgde niet direct uit de ontdekking van het DNA in de jaren 1950. In kleine stappen naderden de wetenschappers hun doel.
Wetenschappers begonnen eerst met het inzoomen op 1 gensequentie door het bestuderen van het product daarvan: proteïnen. Want uiteindelijk, als twee soorten nauw verwant zijn aan elkaar, zouden ze een gelijkaardige gensequentie moeten hebben, die dan gelijkaardige proteïnen zou moeten aanmaken. Dus voor de jaren 1970 werden proteïnen gebruikt als plaatsvervanger voor genen in de studie van evolutie.
Gelijkheid testen door gebruik van antilichamen
Een manier waarop wetenschappers proteïnegelijkenissen bepaalden was gebruik maken van de eigenschap van het immuunsysteem om vreemde proteïnen te herkennen. Zo zal bijvoorbeeld het immuunsysteem van een konijn een menselijke proteïne als vreemd erkennen en er een aanval op organiseren door antilichamen tegen die specifieke proteïne aan te maken. Als diezelfde konijn-antilichamen in contact komen met gelijkaardige proteïnes – van chimpansees bijvoorbeeld – zullen ze deze ook aanvallen. Hoe meer gelijkend op elkaar de proteïnes van de twee soorten zijn (mens en chimpansee), hoe sterker de tweede aanval zal zijn. Hoewel variaties van deze techniek al gebruikt werden in 1904, werden meer preciezere protocollen ontworpen in de jaren 1960. Deze specifiekere technieken onthulden een opmerkelijke gelijkenis tussen de proteïnen van mensen en die van de grote apen. Aanvullend op het werk van anderen en de veronderstelling makend dat minder proteïneverschillen overeenkomen met een recentere tijd van scheiding veronderstelde Vincent Sarich (Fig. 1) (1934) en Allan Wilson (Fig. 2) dat mensen, chimpansees en gorilla’s tot 5miljoen jaar geleden een gemeenschappelijke voorouder deelden – een veel kortere tijdspanne dan tot dan toe aangenomen werd in brede kringen, zoals te zien is op Fig 3.
 

Fig. 1: Vincent Sarich

Fig. 2: Allan Wilson

Fig. 3: Tijd van scheiding en fylogenie van hominiden, zoals geschat op basis van immuniteitsdata.
 
 
Gelijkheid testen gebruik makend van DNA
Wetenschappers die de chemische eigenschappen van DNA bestudeerden raakten zelf nog dichter bij de eigenlijke sequenties. Charles Sibley (Fig. 4) en Jon Ahlquist lanceerden het gebruik van de DNA dynamica om de evolutionaire relaties te onderzoeken, gebruik makend van een techniek die DNA-DNA hybridisatie wordt genoemd. Elke DNA molecule is opgebouwd uit twee nucleotidedraden. Als de draden verhit worden zullen ze scheiden – en als ze afkoelen zal de aantrekkingskracht tussen de nucleotiden hen terug samenbinden. Om verschillende soorten te vergelijken hakken de wetenschappers het DNA van de soorten in kleine segmenten, scheiden ze de draden en mixen ze het DNA met elkaar. Wanneer een twee-soorten-DNA samenbindt zal de koppeling tussen de twee draden niet perfect zijn aangezien er genetische verschillen tussen de soorten zijn – en hoe minder perfect de koppeling is, hoe zwakker de band tussen de twee draden. Deze zwakke koppelingen kunnen gebroken worden met weinig hitte, terwijl de sterkere koppelingen meer hitte vereisen om de draden weer te scheiden (Fig. 5).

Fig. 4: Charles Sibley

Fig. 5: DNA hybridisering
 
Aan de hand van DNA hybridisatie kan meten hoe gelijkend het DNA van verschillende soorten is – meer gelijkend DNA smelt op hogere temperaturen. Toen deze techniek werd toegepast op primaat verwantschappen suggereerde het dat mensen en chimpansees meer op elkaar gelijkend DNA hadden in vergelijking met orangoetangs en gorilla’s (Fig. 5).
 
Het fragmenteren van DNA
Machines die automatisch DNA fragmenteren hebben deze fragmenten gebruiksklaar gemaakt voor evolutionair onderzoek. De eerste DNA fragmenteringsmethodes werden uitgevonden op het einde van de zeventiger jaren, maar zuiver DNA, klaar voor fragmentering, was moeilijk te produceren – zodoende maakte dit het fragmenteren van DNA arbeids- en tijdsintensief in vergelijking met andere hulpmiddelen voor het maken van indirecte conclusies wat betreft genetische sequenties. Aan het einde van de tachtiger jaren echter ontwikkelden geleerden een techniek voor het produceren van vele, vele kopieën van zeer kleine hoeveelheden DNA, en deze uitvinding wakkerde een explosie aan in het onderzoek naar DNA sequenties. Onderzoekers begonnen op DNA sequenties te steunen als een cruciale bron van bewijskracht voor evolutionaire verwantschap.
Het fragmenteren van genen lijkt met de dag makkelijker te worden. Tien jaar geleden kon het een uur in beslag nemen om 10 baseparen te fragmenteren. Vandaag kan een doorsnee lab 100 baseparen in een uur tijd fragmenteren en voorzieningen met de meest recente technologie fragmenteren honderden baseparen per minuut. We worden nu overspoeld door genetische codes – we hebben een blauwdruk van het menselijk genoom en van vele andere organismen. DNA sequenties alleen beantwoorden echter niet alle vragen die biologen zich stellen, en het kennen van de sequentie van een gen is nog steeds vele stappen verwijderd van het begrijpen hoe het eigenlijk werkt en wat het doet. DNA sequenties zijn slechts één lijn van bewijsmateriaal voor het belichten van evolutionaire verwantschap. Menselijk DNA en het DNA van de chimpansee is bijvoorbeeld voor 98% identiek, en genetische fragmentering kan ons vertellen waar precies in het genoom deze enkele DNA verschillen gesitueerd zijn – maar anatomische, gedrags- en ontwikkelingsstudies zijn evenzeer cruciaal voor een diepgaand begrip van onze verschillen, gelijkenissen en gedeelde evolutionaire geschiedenis.
 
Over deze tekst
Dit artikel werd met toestemming van de copyrighthouders vertaald uit http://evolution.berkeley.edu/evolibrary/article/0_0_0/history_26