Het Human Genome project

Het menselijk DNA ligt opgeslagen in de celkern, maar verdeeld over 23 paar chromosomen. Samen vormen deze het volledige instructieboek, dat aangeeft hoe de mens gebouwd moet worden en hoe hij moet functioneren. De volledige DNA-structuur noemen we het "genoom". Het hele genoom bestaat uit 2,85 miljard baseparen (DNA-letters) en is ongeveer 750 megabyte groot.
Iedere mens heeft in principe hetzelfde genoom (dat de huidige menselijke soort beschrijft) maar met kleine onderlinge verschillen (de haarkleur bijvoorbeeld). In 1990 is dan ook een project gestart, het Human Genome Project (HGP) om het menselijk genoom gedetailleerd in kaart te brengen. Dit project, dat opgestart werd met steun van de Amerikaanse regering, maar waaraan de hele internationale gemeenschap ging deelnemen (in totaal werkten 2800 onderzoekers mee), is op 14 april 2003 afgerond, met de mededeling dat 99 % van het menselijk genoom in kaart gebracht was met een nauwkeurigheid van 99,99%. Er blijven nog 341 stukken DNA over waarvoor men nieuwe technologie nodig heeft om deze in kaart te kunnen brengen.

Ook heeft men getracht binnen dit genoom de genen te identificeren. Oorspronkelijk dacht men dat het genoom uit 100.000 genen zou bestaan, maar het HGP heeft dit teruggebracht tot 22.287 (18.599 zeker en 2188 hoogstwaarschijnlijk). Gevolg is dat slechts 1,5% van het hele genoom bestaat uit genen, die de code bevatten om eiwitten aan te maken. Daar zo'n gen uit introns en exons bestaat, is het in staat om met dezelfde code soms duizenden verschillende eiwitten aan te maken. Dus de mogelijkheden van zo'n gen zijn veel groter dan men oorspronkelijk gedacht heeft.
Naast de genen die voor eiwitten coderen, kennen we nog een paar duizend genen die de code bevatten om RNA aan te maken. Dicht bij deze eiwit-coderende genen vinden we nog wat regelzones (zones op het DNA waar eiwitten zich binden om het kopieerproces van genen te starten). Alles bij elkaar wil dit zeggen dat 97% van het menselijk genoom bestaat uit junk-DNA (rommel-DNA), waarvan men de functie niet kent. Ondanks de naam "rommel" weet men ondertussen dat een gedeelte hiervan toch in RNA gekopieerd wordt, en dus een bepaalde (onbekende) functie vervult. We kunnen dus best maar nederig zijn, en toegeven dat onze kennis nog maar heel beperkt is, en we nog niet veel weten.
Naast het HGP zijn er nog verschillende andere projecten, om het genoom van andere organismen in kaart te brengen. De fruitvlieg en de spoelworm bijvoorbeeld zijn druk bestudeerde organismen, terwijl de blaasvis in essentie dezelfde genen en regelzones bevat als het menselijk genoom (maar slechts 1/8e heeft van het menselijke junk-DNA).

Het HapMap project

In oktober 2002 werd het HapMap-project opgestart, dat een kaart (Map) zou opstellen van de menselijke haplotypes (Hap). Enige uitleg is dus wel op zijn plaats.
Een SNP (Single Nucleotide Polymorphism) is een plaats in het genoom waar een base vervangen is door een andere base. De ene mens heeft op deze plaats bjvoorbeeld "..TAGC..", terwijl een andere mens "..TGGC.." heeft. Zo'n wisseling van een base wordt een "allele" genoemd. Het menselijk genoom heeft naar schatting zo'n 10 miljoen SNP's (plaatsen waar minstens 1% van de mensen een andere base hebben). Zulke mutaties zijn nog steeds uitzonderlijke gebeurtenissen (10 miljoen SNP's op 3 miljard basen is 0,3 %, en dit gedurende de hele evolutie), en iedere mutatie is slechts éénmaal opgetreden in de menselijke geschiedenis.
Bij de voortplanting worden van ieder chromosoom grote stukken van dit chromosoom van de vader en de moeder gemengd om het chromosoom van het nieuwe organisme te vormen. SNP's die vrij dicht bij elkaar staan hebben dus de neiging overgeërfd te worden van generatie op generatie. Een haplotype is een groep van de bevolking, waarbij alle SNP's op een deel van een chromosoom dezelfde basen hebben.
De meeste chromosoom-stukken hebben slechts een paar haplotypen, die verantwoordelijk zijn voor de verschillen van persoon tot persoon in de bevolking. Op zo'n chromosoom-stuk kunnen veel SNP's opgetreden zijn, maar het is meestal mogelijk door slechts een paar SNP's te bekijken het haplotype te identificeren. Deze SNP's noemt men dan "tags" of "merkers". Kan men zo'n chromosoomstuk karakteristeren door zo'n merker, dan hoeft men slechts een paar SNP's te bekijken om het haplotype vast te stellen.
Het HagMap-project heeft zich tot doel gesteld deze merkers op te zoeken, en ook de stukken chromosoom te identificeren waarbij de variatie zodanig is dat geen merkers gevonden kunnen worden. Men hoopt zo'n 200.000 tot 1 miljoen merkers te kunnen vinden, die dan dezelfde informatie geven als alle 10 miljoen SNP's.
Een onderzoeker die een gen tracht op te sporen dat invloed uitoefent op een ziekte, zal trachten het genetisch materiaal van een groep zieke personen te vergelijken met dat van een groep gezonde personen. Indien gebieden op een chromosoom gevonden worden, waarbij er een verschil is in de mate waarin haplotypes voorkomen bij de zieke en de gezonde groep, dan is er veel kans dat dit gebied een gen bevat dat invloed uitoefent op de ziekte. Als echter genotypes bepaald moeten worden door 10 miljoen SNP's te gaan onderzoeken, zijn deze studies veel te kostbaar. Indien de genotypen bepaald kunnen worden door alleen de merkers te onderzoeken, zijn deze studies wel haalbaar.
Het HagMap project loopt nog steeds (momenteel reeds HapMap 3), en alle bevindingen en hulpmiddelen zijn vrij raadpleegbaar op het internet.

Het CNV project

Bij het HapMap-project is ook gebleken dat grote stukken DNA (tussen 10.000 en 5 miljoen letters) bij sommige mensen meerdere malen gecopieerd zijn, bij andere mensen minder dikwijs of zelfs helemaal niet voorkomen. Uit de data van het HapMap-project werden 1447 dergelijke zones gevonden. Men heeft gevonden dat deze soort mutatie genetische ziekten kan veroorzaken, maar ook dat het kan beschermen tegen HIV infectie en malaria. In 2006 is er een internationaal project opgestart, het Copy Number Variation of CNV-project. Dit onderzoek probeert in kaart te brengen waar in het genoom dit kopieren of verliezen van grote stukken DNA opgetreden is, en hoe de de situatie is bij verschillende groepen van de wereldbevolking. Hierbij worden nieuwe technieken onderzocht waarbij in één experiment het hele genoom gescand kan worden op CNV. De hiernaast staande foto geeft een overzicht van deze CNV van een bepaalde testpersoon op verschillende chromosomen. In geel zijn de zones aangegeven waar het aantal kopies hetzelfde is als de norm. Rood geven de delen aan waar deze testpersoon minder kopies heeft, groen waar hij meer kopies heeft dan de normpersoon.

Het 1000 genomes project

Ook als gevolg van de resultaten van het HapMap-project is in januari 2008 het 1000-genomes project gestart: een project dat het menselijk genoom in kaart zal brengen van minstens 1000 individuen, gekozen uit verschillende rassen over de hele wereld. Hiermee wil men een catalogus maken van de variatie in het menselijk genoom. Alhoewel dit voor meer dan 99% identiek is tussen twee willekeurige mensen, is juist dit verschil zeer interessant omdat juist dit kleine percentage kan verklaren waarom individuele verschillen bestaan in gevoeligheid voor ziekten, het verschillend reageren op geneesmiddelen of de verschillende reacties op het milieu. Uit vorig onderzoek is gebleken dat er meer dan 100 gebieden gevonden zijn in het menselijk genoom, die een rol spelen in de gevoeligheid voor ziekten en afwijkingen.
De techniek om het menselijk genoom te bepalen is ondertussen (juli 2009) zover voortgeschreden dat het volledige genoom van een willekeurig individu automatisch geanalyseerd en beschreven kan worden door één machine (zo groot als een koelkast) in vier weken tijd met een foutpercentage van 1%. Deze machine doet dus automatisch in één maand waar de hele wetenschappelijke wereld 15 jaar voor nodig gehad heeft, maar wel met een foutpercentage dat 100 maal hoger ligt dan deze van het Human Genome Project (0,01%). We zijn nog niet zover dat iedereen voor een bescheiden bedrag zijn eigen genoom kan laten bepalen, maar de automatisering schrijdt op dit gebied wel met rasse schreden verder.

Het genoom van de chimpansee

Einde 2003 is ook de beschrijving van het genoom van de chimpansee klaargekomen. Het DNA dat rechtstreeks vergeleken kan worden met dat van de mens is voor 99% identiek. De verschillen tussen mens en chimpansee zijn ongeveer 10 maal zo groot als de verschillen tussen twee willekeurige mensen. Meer dan 50 genen in het menselijk genoom komen niet voor bij chimpansees, maar ook een aantal chimpansee-genen komen bij mensen niet voor (het precieze aantal is nog niet bekend). Eén van deze genen, die bij mensen niet voorkomt, is een gen dat codeert voor een enzym dat helpt beschermen tegen Alzheimer.

Dat mensen en chimpansees genen hebben die 99% hetzelfde zijn, was reeds bekend in 1975. Toen reeds werd geopperd dat de verschillen tussen beide ook niet gezocht moesten worden in de genen, maar vooral in het proces dat de aanmaak van eiwitten regelt. Een studie van White en Gilad in 2006 bestudeerde genen van chimpansees, orang oetangs, makakken en mensen, en vond dat er een trage evolutie was in de 65 miljoen jaar dat deze drie soorten mensapen evolueerden, maar dat er een snelle evolutie optrad in de 5 miljoen jaar dat de mensen bestonden, niet in de genen maar in de transciptie factoren. Dit zijn de eiwitten die zich aan het DNA hechten voordat er een transcript gemaakt wordt, en het makkelijker of moeilijker maken voor het enzym polymerase om zich rond het DNA te wikkelen en een transcript te maken van het gen, waaruit dan later het eiwit aangemaakt wordt. Ze onderzochten hierbij 1056 genen van alle vier de soorten. Circa 60% hiervan had een zelfde expressieniveau (mate waarin ze aangemaakt worden) voor alle vier de soorten. Dit betrof steeds genen die codeerden voor eiwitten die een rol spelen in de basis-processen in de cel. Als ze echter keken naar de genen met een verschillend expressieniveau, dan vonden ze dat 42% van de genen die bij mensen een hoger expressieniveau hadden (meer aangemaakt werden) transcriptie factoren waren, en dat geen enkele menselijke transcriptie factor minder aktief was. Door de transcriptie factoren te wijzigen, kan dus met een paar mutaties invloed uitgeoefend worden welke genen meer en minder aangemaakt worden. De reden waarom deze transcriptie factoren gewijzigd zijn is onbekend. Men vermoed dat dit te maken heeft met het afwijkend menselijk dieet. Door de ontdekking van het vuur is de mens een voorkeur gaan ontwikkelen voor gekookt eten (geen enkel dier kookt zijn eten). Denkelijk is er iets in het kookproces dat de biochemische voorwaarden verandert voor maximale toegang tot de voedingsstoffen en in de verwerking van de natuurlijke gifstoffen die in planten en dieren voorkomen.

Een van de genen die verantwoordelijk is voor de grootte van de hersens schijnt het ASPM-gen te zijn. Dit gen blijkt bij de meeste dieren nauwelijks gewijzigd te zijn, maar er zijn hogere wijzigingspercentages gevonden bij de afstammingslijnen van de mensapen, en de hoogste wijzigingspercentages in de afstammingslijnen van chimpansees naar de mensen.
Een ander gen dat meespeelt is het gen MYH16. Alle mensen missen een aantal baseparen die wel voorkomen in het MYH16-gen bij primaten. De lange versie van het gen is verantwoordelijk voor de grote kaakspieren bij de primaten, maar deze grote kaakspieren eisen ook dat de chimpansee extra been heeft bovenop de schedel, om deze zware kaakspieren aan vast te hechten. Mensen hebben smallere kaken, en missen ook het bijkomend been bovenop de schedel. Hierdoor kan onze schedel groter worden. De mutatie trad 2,4 miljoen jaar geleden op, juist vooraleer onze vroege menselijke voorouders smallere kaken en een grotere schedel begonnen aan te nemen (homo erectus).

Een grotere schedel en een groter brein halen op zichzelf natuurlijk niets uit. Professor Preuss identificeerde 169 genen die een verschillend resultaat geven bij chimpansees en mensen. Hij vond dat 90% van deze genen actiever waren in menselijke hersens, wat sterk contrasteert met de genen die verantwoordelijk zijn voor het hart en de lever, waar de verschillen in activiteit gelijk verdeeld zijn tussen mensen en chimpansees. In onze hersens zijn sommige van onze genen verschillend van deze van de chimpansee, maar diegene die identiek zijn werken harder.

Melk drinken

Het enzym lactase wordt vanaf de geboorte aangemaakt, maar bij het opgroeien verdwijnt de aanmaak van dit enzym. Volwassenen konden dus vroeger geen melk drinken. Eind februari 2007 werd een rapport gepubliceerd, waar uit het onderzoek van het genoom van neolitische skeletten, die dateren van 5840 tot 5000 v Chr, blijkt dat volwassenen toen het enzym lactase nog niet konden aanmaken. Momenteel hebben 90% van de Noord-Europeanen een gewijzigde versie van het gen, die hen toelaat heel hun leven melk te drinken. Het is ook aanwezig bij een gedeelte van de Afrikanen en de inwoners van het Midden Oosten, maar de meerderheid van de wereldbevolking heeft dit gewijzigde gen (nog) niet. Lactase kan momenteel industrieel aangemaakt worden, zodat  mensen met een lactose-intolerantie  ook melk kunnen drinken.

Melk drinken geeft een duidelijk evolutionair voordeel, niet alleen wegens de hoge voedingswaarde ervan, maar ook omdat het (in tegenstelling met stromend water) niet besmet is met bacteriën. Daar het kweken van melkvee ongeveer 9000 jaar geleden begon in Noord Europa, weten we dat dit gen pas evolueerde nadat melk beschikbaar was. Het is dus een bewijs dat natuurlijke selectie snel kan werken, want deze evolutie heeft zich voltrokken over een tijdperk van maximaal 6000 jaar (en voltrekt zich dus nog steeds).