Hoe groot is het DNA-verschil tussen mensen en chimpanzees nou eigenlijk echt?

A contribution of Dr. P. Borger (peterborger at hotmail.com). Posted with permission. (Dutch only)

DNA smelten en de mythe van 1 procent
De afgelopen decennia heeft zich een mythe ontwikkeld. Deze mythe vertelt ons dat de genomen van de mens en chimpanzee vrijwel gelijk zijn. Er zou slechts een minimaal genetisch verschil bestaan van 1 procent, hooguit 2 procent. Het daadwerkelijke, waargenomen en gemeten genetische verschil tussen mens en chimp is echter vele malen groter: 15-20 procent.

De mythe heeft zijn oorsprong in een verouderde (en zeer onnauwkeurige!) methode om DNA-verschillen tussen verschillende soorten te bepalen, die ongeveer 4 decennia geleden door Dave Kohn en Roy J. Britten – toen verbonden aan het California Institute of Technology – werd ontwikkeld. Hun methode maakte gebruik van de neiging van DNA om dubbele strengen te vormen. Hoe beter twee DNA-sequenties met elkaar paren vormen des te moeilijker laten ze zich weer scheiden als men de temperatuur verhoogt. Het scheiden van twee DNA-strengen staat bekend als het smelten van de dubbele helix en de temperatuur waarbij dit geschiedt – het smeltpunt – is heel specifiek te bepalen. Hoe beter de match tussen de twee DNA-strengen is, hoe hoger het smeltpunt. Immers, hoe meer letters van twee verschillende DNA-strengen paren vormen, hoe sterker de binding tussen de strengen wordt en des te meer energie kost het om ze te scheiden. Sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw wordt het smeltpunt van DNA-strengen gemeten om de homologie te bepalen tussen het DNA dat afkomstig is van twee verschillende soorten organismen. Met deze methode werd het verschil tussen de DNA-sequenties van mens en chimpansee op 1,76% geschat en dit getal bevestigde min of meer het verschil dat men had gevonden tussen hemoglobine en myoglobine, twee eiwitten die beide in zowel mens als chimpansee voorkomen [1].
Naarmate de tijd verstreek begon ons DNA echter steeds meer op dat van een chimpansee te lijken. Een van de toonaangevende instituten op het gebied van vergelijkend DNA-onderzoek is het Max Planck Instituut in Leipzig, Duitsland. In 2002 bepaalde de anthropologische groep aldaar, dat het genetische verschil tussen mens en chimpansee slechts 1,2% bedraagt en dit minieme verschil werd nogmaals benadrukt in een uitgave van Nature uit 2003 [2]. In hetzelfde jaar wist een groep biologen zelfs te melden dat het genetische verschil tussen mens en chimpansee nog maar 0,6% bedroeg [3]. De genetische hype ging zelfs zover dat Scott Page en Morris Goodman – twee zogenaamde evolutiebiologen – een artikel publiceerden waarin ze voorstelden dat de mens en de chimpansee gezien moeten worden als twee leden van één en dezelfde groep [4].

Het einde van de mythe
Met de opkomst van hoge-snelheid DNA sequencing technieken, werd het al gauw duidelijk dat het verschil tussen mens en chimp veel groter was dan aanvankelijk bepaalt. In 2002 vergeleek Britten opnieuw de homologe DNA-sequenties (“genen”) van mens en chimpansee, maar deze keer maakte hij gebruik van de meest moderne biologische technieken, die de sequenties letter voor letter lezen. Britten schreef:

“De conclusie dat we 98,5% van onze DNA-sequentie gemeen hebben met de chimpansee is waarschijnlijk onjuist. […] Een betere schatting zou zijn dat 95% van de base-paren van het DNA van mens en chimp gelijk zijn. Het verschil door puntmutaties is 1,4% en er is nog een extra verschil van 3,4 % vanwege de aanwezigheid van indels.” [5]

Wat Britten hier eigenlijk zegt is: ‘Sorry, jongens, het verschil tussen mens en chimp is veel groter dan we eerder bepaalden. Onze methode van weleer kon alleen maar puntmutaties opsporen, maar was niet gevoelig genoeg om indels te vinden’.

Puntmutaties zijn genetische verschillen van slechts één DNA letter [6]. Indels zijn daarentegen unieke stukjes DNA, die men òf alleen in de mens aantreft, òf alleen in de chimpansee [7]. Door de aanwezigheid van extra DNA worden vaak heel verschillende eiwitten gegenereerd, omdat kleine stukjes DNA grote gevolgen kunnen hebben als ze in extra aminozuren worden vertaald. Ze kunnen zich bijvoorbeeld anders vouwen of zich anders gedragen. Met Brittens methode uit de vorige eeuw kon hij deze indels niet waarnemen, want ze vormen als het ware een lusje dat de smelttemperatuur van een dubbele DNA-streng niet beïnvloedt. De hypermoderne technieken waarmee men tegenwoordig DNA-sequenties – letter voor letter – analyseert sporen zonder probleem zulke extra stukjes DNA op. Indels zijn ook gewoon genetische verschillen waar men rekening mee dient te houden bij het bepalen van DNA verschillen tussen soorten. Het genetische verschil tussen mens en chimpansee is door Brittens onderzoek dus van de ene op de andere dag met meer dan 3% gestegen. Hoewel Brittens correctie werd gemeld in een zeer toonaangevend wetenschappelijk tijdschrift en werd overgenomen door de ‘New Scientist’ bleef het verder vrijwel onopgemerkt [8]. Er werd (en wordt) net als voorheen gewoon nog steeds gesteld dat mens en chimpansee slechts 1-2% procent verschillen.

Dataselectie
Zit Britten er dan gewoon naast? Nee, Brittens 5% klopt wel degelijk. Het 1-2% procent verschil dat al meer dan 30 jaar in de literatuur circuleert – blijkt het resultaat van een selectie van data. De programma’s die gebruikt werden (én worden) om de vergelijkende analyses uit te voeren, zijn zo geprogrammeerd dat ze indels automatisch verwerpen als genetische verschillen. Maar zoals Britten aantoonde vormen indels zelfs het grootste deel van de genetische verschillen tussen de soorten. In vergelijkende genetische analyses, die tot doel hebben het verschil te bepalen tussen de sequenties van twee of meer verschillende organismen mogen indels daarom absoluut niet ontbreken. Hoewel Science in 2005 meldde dat 2,7% van de genen uit indels bestaat, worden Brittens bevindingen verder grotendeels genegeerd [9]. Een bijkomend probleem voor een eerlijke genetische vergelijking is het feit dat alle DNA sequenties van de chimpanzee vantevoren door een prescreening gaan. Alleen wanneer de chimp-sequenties meer dan 95% gelijk zijn aan die van de mens, mogen ze meedoen in de uiteindelijke chimp-mens vergelijkende analyse. Zijn ze echter minder dan 95% gelijk, dan doen ze niet mee in de analyse.

Het weglaten van het grootste deel van de genetische verschillen leidt tot een volkomen verkeerd beeld van het daadwerkelijke absolute genetische verschil tussen de mens en de chimpansee. Stel je eens voor dat we naast indels ook nog eens alle puntmutaties zouden weglaten. De genen van de mens en de chimpansee zouden dan voor honderd procent identiek zijn. Ons DNA zou dan inderdaad ‘aantonen’ dat we een chimpansee zijn, zoals Page en Goodman beweerden [4]. Het minieme verschil dat ze beschreven is echter het resultaat van dataselectie, een zeer twijfelachtige wetenschappelijke methodiek.

Post-selectionisme
De ontrafeling van de complete sequentie van het menselijk genoom werd in 2004 voltooid [10]. Tegen dezelfde tijd kwamen ook de eerste data van het genoom van de chimpansee beschikbaar. Een van de grote voordelen hiervan is dat de twee genomen nu op de meest uiteenlopende manieren kunnen worden vergeleken. Men kan bijvoorbeeld de chromosomen stuk voor stuk naast elkaar leggen en kijken waar de verschillen zich bevinden. Ook kan men unieke genen proberen op te sporen – iets wat daarvoor onmogelijk was geweest. Het internationale Consortium dat het chimpanseegenoom analyseerde, publiceerde in 2005 de eerste uitvoerige kwantitatieve studie waarin de twee genomen letter-voor-letter werden vergeleken. Het bleek dat van de 2,8 miljard DNA-letters van de menselijke sequentie 2,4 miljard een match hebben met de chimpansee. Dat is een absoluut DNA verschil van bijna 15%. Bovendien vond het Consortium tientallen unieke eiwitcoderende genen in het menselijk genoom, die geen tegenhanger in dat van de chimpansee hebben [11].

Middels een soort genetische aftreksom hebben biologen vastgesteld dat het genoom van de mens meer dan 1400 genen herbergt, die niet in dat van de chimpansee worden aangetroffen [12]. In het wetenschapstijdschrift Science verscheen daarop een artikel met de veelbetekenende ondertitel ‘Relatief verschil: de mythe van één procent’, waarin werd gesteld dat het verschil tussen de chimpansee en de mens 6,4% bedraagt als men de genen één voor één vergelijkt [13]. Een bijkomende verrassing van deze vergelijkende genoomanalyses is dat de meeste genetische verschillen zouden leiden tot kortere, afgeknotte eiwitten. Op zijn minst zijn 17 genen die in de chimpansee actief zijn bij de mens defect geworden maar nog wel herkenbaar in het genoom [11]. Het genoom van de chimpansee herbergt bijvoorbeeld een gen dat codeert voor het eiwit caspase 12. Bij de mens zitten er meerdere mutaties in het caspase gen, waardoor een functioneel eiwit niet kan worden aangemaakt. De genomen bezitten blijkbaar genen, die niet direct voor overleven noodzakelijk zijn en gewoon mogen worden geïnactiveerd. Het actieve caspase-eiwit start normaalgesproken een genetisch apoptose-programma, dat cellen met een verstoorde calcium-homeostase opruimt en het ontstaan van Alzheimer kan verhinderen. Het functionele caspase 12-eiwit dat men in chimpansees aantreft verklaart zou dan meteen kunnen verklaren waarom Alzheimer niet bij deze apen voorkomt. Vergelijkende genoomanalyses tonen echter ook defecte en inactieve genen in de chimpansee, die bij de mens nog gewoon functioneel werden aangetroffen. Een recente studie toont 584 eiwitcoderende genen in de mens, die we niet in de chimp aantreffen [14]. Voor een deel hiervan, de zogenaamde “weesgenen” vinden we zelfs de DNA sequentie niet terug in het genoom van de chimpanzee [15]. Het lijkt er dus op dat mens en de chimpansee onafhankelijk van elkaar genen hebben verloren. Er ontstaat nu de merkwaadige situatie dat de vermeende gemeenschappelijke voorouder van mens en chimpanzee een veel grotere genetische rijkdom ten toon spreidde, dan de twee individuele soorten afzonderlijk. Genetisch gezien zijn de moderne mens en de huidige chimpansee dan verarmde organismen.

Nieuwe informatie om de expressie van genen te reguleren
De nieuwe biologische data maken eveneens duidelijk dat het genetische verschil tussen de verschillende soorten primaten niet door eiwitcoderende genen wordt bepaald. De grootste verschillen tussen de mens en de chimpansee werden gevonden in de repeterende genetische elementen, die men normaalgesproken als junk-DNA aanduidt. Het absolute genetische verschil van ongeveer 15% kan daarom voor een groot deel worden teruggevoerd op zulke repeterende sequenties. De echt significante verschillen moeten echter nog worden ontdekt. Met de verrassende ontdekking van duizenden nieuwe genen (die niet voor eiwitten coderen) krijgen we alvast een voorproefje van de biologische revolutie die ons de komende jaren op dit gebied te wachten staat. De onlangs ontdekte microRNA-genen zouden wel eens als winnaar uit de bus kunnen komen. Deze genen coderen voor korte RNA-moleculen – ze bestaan uit slechts 22 nucleotiden – maar ze reguleren wel de expressie van honderden andere genen. Het zijn juist deze genen die het verschil tussen de mens en chimpansee uitmaken en we zien hier ook de grote verschillen tussen de genomen van primaten. Met behulp van de nieuwste technieken werden zowel bij de chimpansee als bij de mens zelfs volkomen nieuwe, unieke families van deze genen aangetroffen.

In 2006 werden 447 nieuwe, onbekende micro RNA-genen ontdekt, die in de hersenen van primaten tot expressie komen. Hiervan waren 36 uniek voor de mens en 25 werden alleen in de chimpansee aangetroffen [16]. Hieruit blijkt dat unieke microRNA-genen de genomen van mens en dier karakteriseren. Verder treffen we nog een familie van onlangs ontdekte RNA-genen aan die bekend staan als HARs. Deze afkorting staat voor human accelerated region en het betreft RNA-genen die extreem veel veranderingen laten zien als we ze vergelijken met de best passende sequentie in de chimpansee. We vinden 49 van zulke HARs in het genoom van de mens en ze hebben vaak heel specifieke kenmerken. Het HAR1F-gen komt bijvoorbeeld alleen tot expressie in een bijzonder type hersencellen, Cajal-Retzius cellen genoemd, en daar bepaalt het hoe de zes lagen van de hersenschors tijdens de embryonale ontwikkeling gevouwen moeten worden [17]. Deze unieke sequenties betreft nieuwe genetische informatie.

Conclusie
Het vaak gehoorde 1-2% verschil (of 98-99% procent overeenkomst) betreft alleen het aantal puntmutaties in eiwitcoderende genen die in beide organismen voorkomen. Het slaat dus in principe op slechts een gering aantal gegevens, want een groot deel van de verschillen, waaronder mutaties zoals duplicaties, inserties en deleties worden niet meegerekend in zulke analyses. Bovendien worden DNA sequenties die echt uniek zijn voor één van beide organismen ook niet meegeteld. Zou men alle soorten mutaties includeren, alsmede de nieuwe genen en unieke DNA sequenties, dan gaat het verschil tussen mens en chimpanzee eerder in de richting van 15%. Om kort te gaan, de grote genoomprojecten van de 21e eeuw tonen dat het genetische verschil tussen mensen en chimpansees vele malen groter is werd aangenomen. En het verschil is niet alleen maar percentueel (of kwantitatief). De verschillen waar het natuurlijk echt om gaat zijn natuurlijk kwalitatief en soortspecifiek. Nieuwe genen, nieuwe biologische informatie, dus, maakt dat de mens een mens is en de chimp een chimp.

Referenties:

[1] King and Wilson. Evolution at two levels in humans and chimpanzees. Science 1975; 188:107-116,.
[2] Pääbo S. The Mosaic that is our genome. Nature 2003; 421:409-412.
[3] Wildman DE, et al. Implications of natural selection in shaping 99.4% nonsynonymous DNA identity between humans and chimpanzees: enlarging genus Homo. Proc Natl Acad Sci USA. 2003; 100:7181-7188.
[4] Page SL, Goodman M. Catarrhine phylogeny: noncoding DNA evidence for a diphyletic origin of the mangabeys and for a human-chimpanzee clade. Mol Phylogenet Evol 2001; 18:14-25.
[5] Britten RJ. Divergence between samples of chimpanzee and human DNA sequences is 5%, counting indels. Proc Natl Acad SCI USA 2002; 99:13633-13635.
[6] Als we bijvoorbeeld AAAAA in de mens vinden en AACAA in de chimp, dan spreken we van een puntmutatie, omdat er op slecht één punt in de DNA sequentie een andere letter aanwezig is.
[7] Als we bijvoorbeeld AAAA in de mens vinden en AA(CCC)AA in de chimp, dan spreken we van een indel-mutatie, omdat er een stukje DNA lijkt toegvoegd in de chimp (CCC-insertie) of een stukje is weggevallen in de mens (CCC-deletie). Indel is de afkorting voor insertie-of-deletie.
[8] Coghlan A. Human-chimp DNA trebbled. New Scientist 2002, September 23.
[9] Culotta E. Chimp genome catalogs differences with humans. Science 2005; 309: 1468-1469.
[10] International Human Genome Sequencing Consortium. Finishing the eucromatic sequence of the human genome. Nature 2004; 431:931-945.
[11] The chimpanzee Sequencing and Analysis Consortium. Initial sequence of the chimpanzee genome and comparison with the human genome. Nature 2005; 437:69-87.
[12] Demuth JP, et al. The evolution of mammalian gene families. PLoS ONE 1(1): e85. doi:10.1371/journal.pone.0000085
[13] Cohen J. Relative differences: The myth of 1%. Science 2007; 316:1836.
[14] Wu et al, De novo origin of human protein-coding genes. PLOS-Genetics, 2011, e1002379
[15] Knowles DG, McLysaght A. Recent de novo origin of human protein-coding genes. Genome Res. 2009 October; 19(10): 1752–1759.
[16] Berezikov E, et al. Diversity of microRNAs in human and chimpanzee brain. Nature Genetics 2006; 38:1375-1377.
[17] Ponting CP, Lunter G. Evolutionary biology: human brain gene wins genome race. Nature 2006; 442:149-150.

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s