Springende genen, aka transposons zijn voor de meesten van ons misschien onbekend, maar ze komen voor in twee recente onderzoeken naar zeedieren die door duikers gewaardeerd worden – octopussen en zeedraakjes – en zouden enkele van de mysteries rond deze wezens kunnen verklaren.
Een transposon is een DNA-sequentie die zich kan verplaatsen binnen een genoom, de set DNA-instructies die in een cel wordt aangetroffen. Transposons kunnen zichzelf in willekeurige volgorde verplaatsen of dupliceren, met behulp van moleculaire kopieer-en-plak- of zelfs knip-en-plakmechanismen, en kunnen snelle genetische veranderingen veroorzaken wanneer ze zichzelf in het midden van of nabij een gen invoegen, waardoor wordt voorkomen dat dat gen normaal werkt.
Transposons vormen 45% van het genoom van het menselijk brein, maar nu zijn ze voor het eerst gevonden in de hersenen van een ongewerveld dier, de Octopus – en dat zou wel eens het bewezen hoge niveau van intelligentie kunnen verklaren.
De studie werd uitgevoerd door een internationaal team van twintig onderzoekers, gecoördineerd door Remo Sanges van Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) in Triëst en Graziano Fiorito van Stazione Zoologica Anton Dohrn (SZAD) in Napels.
De ‘extreem complexe’ hersen- en cognitieve vermogens van octopussen zijn uniek onder ongewervelde dieren, zeggen de wetenschappers, en ze denken dat springgenen de sleutel zijn tot deze gewervelde-achtige complexiteit nadat ze zijn aangetroffen in de hersenen van zowel de gewone als de gewone octopus. Octopus (Octopus vulgaris) en Californisch Octopus (Octopus bimaculoides).
Net als bij mensen zijn sommige transposons inactief omdat ze in de loop van de tijd mutaties hebben verzameld, terwijl andere, hoewel intact, worden geblokkeerd door cellulaire verdedigingsmechanismen – hoewel zelfs fragmenten en kapotte kopieën van transposons grondstoffen voor de evolutie kunnen leveren, zeggen de onderzoekers.
De meest relevante transposons, bekend als Long Interspersed Nuclear Elements (LINE), blijven potentieel actief. Waar eerder werd gedacht dat het niet meer was dan overblijfselen uit het verre verleden, heeft recent onderzoek aangetoond dat LINE-activiteit nauwkeurig wordt gereguleerd in de hersenen, vooral in het hippocampusgebied, en in verband kan worden gebracht met cognitieve vaardigheden zoals leren en geheugen.
Het octopusgenoom is rijk aan transposons. De meeste zijn inactief, maar door gebruik te maken van de nieuwste sequencing-technieken om zich te concentreren op degenen die nog steeds in staat zijn tot kopiëren en plakken, identificeerden de onderzoekers een element van de LINE-familie in delen van het octopusbrein dat cruciaal is voor cognitieve vaardigheden.
“Ik sprong letterlijk op de stoel toen ik onder de microscoop een zeer sterk signaal zag van activiteit van dit element in de verticale kwab, de structuur van de hersenen die bij de octopus de zetel is van leer- en cognitieve vaardigheden – net als de hippocampus bij mensen”, zegt Giovanna Ponte van SZAD.
“De ontdekking van een element van de LINE-familie dat actief is in de hersenen van de twee octopussoorten is zeer belangrijk, omdat het steun toevoegt aan het idee dat deze elementen een specifieke functie hebben die verder gaat dan kopiëren en plakken”, zegt Sanges. Het onderzoek is gepubliceerd in BMC Biologie.
Zeedraak kijkt
In het geval van zeedraken, die alleen in Australië in het wild voorkomen, zouden transposons het kenmerkende uiterlijk kunnen verklaren dat zo gewaardeerd wordt door onderwaterfotografen, aldus wetenschappers van de Universiteit van Oregon.
Door de genomen van zowel de onkruid- als de bladvariëteiten van de zeedraak te sequencen, ontdekten de wetenschappers dat een sleutelgroep van de genen die bij andere gewervelde dieren de directe ontwikkeling van het gezicht, de tanden, aanhangsels en delen van het zenuwstelsel regelen, ontbrak.
“Zeedraken zijn vreemde eenlingen in een groep toch al vreemde vissen,” merkte onderzoeksassistent prof. Clay Small op, verwijzend naar hun naaste verwanten in de Syngnathidae familie, zeepaardjes en zeenaalden.
“Er bestaat veel belangstelling voor de mate waarin dingen als het hoofd en het gezicht kunnen worden aangepast aan de evolutie,” zegt senior onderzoeksmedewerker Susie Bassham, die samen met Small het onderzoek leidde. “En zeedraken kunnen een goede casestudy zijn voor dat soort vragen, vanwege de extreme verschillen die ze vrij snel hebben ontwikkeld.” Samen met zeepaardjes en zeenaalden zijn ze ongeveer 50 miljoen jaar geleden afgetakeld, zei ze, “wat naar evolutionaire maatstaven relatief recent is”.
Door zeldzame toegang te verkrijgen tot weefselmonsters via het Birch Aquarium bij Scripps Research en Tennessee Aquarium, analyseerden de onderzoekers de genetische sequenties van de zeedraken en die van zeepaardjes en zeenaalden. Vergeleken met beenvissen zoals de zebravis en stekelbaars zijn alle Syngnathidae misten de genen die de ontwikkeling sturen, maar in tegenstelling tot hun verwanten bevatten zeedraken ook grotere hoeveelheden transposons dan normaal.
Er werd een gespecialiseerde röntgenmicroscoop gebruikt om een 3D-beeld met hoge resolutie vast te leggen van een 30 cm lange zeedraak met onkruid (Phyllopteryx taeniolatus). Het werd in delen gescand, waarbij de afbeeldingen aan elkaar werden geplakt om een compleet beeld te vormen dat de fijnste details van de botten van de zeedraak onthulde.
"Niemand had ooit eerder een deel van een zeedraak op die manier in beeld gebracht", zei Bassham. “We konden zien dat de ondersteunende structuren voor de bladvormige peddels uitwerkingen van stekels leken te zijn, en dat vervolgens de vlezige aanhangsels aan de uiteinden werden toegevoegd.” Ze zei dat dit het idee versterkte dat wat sierlijke aanhangsels leken te zijn, voortkwam uit stekels.
Het team hoopt dat het publiekelijk beschikbaar maken van de genoomsequenties van zeedraken zal helpen bij het begrijpen van hoe de vreemde wezens evolueerden, en bij pogingen om ze te behouden. Hun onderzoek is gepubliceerd in Proceedings van de National Academies of Sciences.
Ook op Divernet: Heb jij een zeedraak geknapt?, Zorg dragen in het drakenhol, Ruby Seadragons maken livedebuut
