Mitochondrisch DNA


Wat zijn mitochondriën?

Mitochondriën bevinden zich in de cel, buiten de celkern. Een cel heeft er 100 tot meer dan 1000, afhankelijk van de functie van de cel. Beencellen hebben er weinig, eicellen hebben er heel veel. Het zijn feitelijk de energiecentrales van de cel. Ze vormen suiker om tot ATP (een energierijke stof), en deze wordt dan gebruikt in de chemische reacties die zich binnen de cel voltrekken. Afhankelijk van de energiebehoefte van de cel heeft deze er dus meer of minder.

Een mitochondron (of mitochondrie, beide benamingen worden gebruikt) bestaat uit een dubbel membraan: het buitenmembraan en het binnenmembraan. Dit laatste is zeer sterk geplooid (de plooien noemt men crista) en is gevuld met de celvloeistof (matrix genoemd). In deze celvloeistof vinden we ook het DNA en de ribosomen van het mitochondron.

 

Een mitochondrion is een organel: het is in feite een apart organisme (ooit was het een zelfstandige bacterie) dat binnenin de cel leeft in symbiose ermee (wederzijdse samenwerking tot wederzijds voordeel). Het heeft zijn eigen DNA (het mitochondrisch DNA) en regelt zijn eigen voortplanting. Het heeft zijn eigen ribosomen en maakt dus zijn eigen specifieke eiwitten aan. Het kan echter buiten de cel niet meer overleven, daar het bij zijn voortplanting eiwitten nodig heeft die het zelf niet meer kan aanmaken, en die de cel voor hem aanmaakt. Daar de mitochondriën hun eigen voortplanting regelen, heeft de cel rechtstreeks niets te zeggen over de hoeveelheid mitochordriën waarvoor het gastheer is: het is de energiebehoefte van de cel die het aantal mitochondriën in de cel regelt.

Het mitochondrisch DNA

Een mitochondrion heeft cirkelvormig DNA (zoals alle bacterien) dat 16.569 base-paren (letters) groot is. Dit DNA codeert voor 13 eiwitten, 22 tRNA (transport-RNA) en 2 eigen rRNA (ribosomol-RNA). Het codeert dus voor die stoffen die specifiek zijn voor de mitochondrion. De overige bouwstoffen die het nodig heeft laat het door de gastcel aanmaken.

Vergeleken met het menselijk DNA, dat bestaat uit 3 miljard letters, is dit mitochondriaal DNA met 16.569 letters dus erg beperkt. Het genoom ervan (de opeenvolging van alle letters) is dan ook al langer bekend. Het mitochondrich DNA recombineert ook niet: het wordt ongeschonden (buiten de gebruikelijke fouten) van generatie op generatie doorgegeven.

Het mitochrondrisch DNA (meestal mtDNA genoemd) wordt uitsluitend via de moeder overgeërfd. Een zaadcel heeft zijn eigen mitochondriën, om de cel energie te verschaffen op zijn weg naar de eicel, maar als de zaadcel het ei binnendringt is het alleen de kop van de zaadcel (met het DNA) die binnenkomt, en blijft de staart (met de mitochondriën) buiten de eicel. Mitochondriën die toch zouden binnendringen, worden beschouwd als vreemde indringers, en gedood.
In wetenschappelijke literatuur zijn een paar artikels opgedoken die erop zouden kunnen duiden dat toch vaderlijk mtDNA gevonden is, maar totnogtoe is hierop geen bevestiging gekomen.

 

Specifiek aan mtDNA is wat men de D-loop noemt: een gebied, bestaande uit HVR1 en HVR2, dat hyper variabel is. In HVR1 en HVR2 treden zeer snel mutaties op, waarbij base-letters uitgewisseld worden voor andere letters (bv een "A" wordt vervangen door een "T"). Dergelijke "snips" (single nucleotide polymorphisms, uitwisseling van een DNA-letter door een andere letter) zijn zeldzaam in het cel-DNA, maar treden om één of andere reden in de hyper variabele zones veel frekwenter op.
Daar mtDNA alleen via de moeder doorgegeven wordt (zowel aan zonen en dochters) en daar er in de D-loop snelle mutaties optreden, is mtDNA dan ook iets wat veel gebruikt wordt om afstamming op te sporen. Men kan dan ook zijn eigen mtDNA laten typeren door een gespecialiseerde firma. Bekend is Familty Tree DNA, waar men drie verschillende typeringen kan laten doen: alleen de HVR1-zone (129$), beide HVR-zones (189$) of een volledige mtDNA-typering (495$).

De menselijke verspreiding

Op basis van een studie van mtDNA van verschillende groepen mensen in verschillende streken, zijn geleerden erin geslaagd een kaart op te stellen, die aangeeft waar de mens ontstond en hoe hij zich over de aarde verspreidde. Op basis van de mutaties die men vindt in het mtDNA, kan men de mensheid indelen in haplotypes (groepen, die eenzelfde set mutaties hebben in hun mtDNA). Als men daarbij een schatting maakt van de mutatiesnelheid, kan men hieraan een tijdsschaal plakken. Neem deze tijdschaal met een korrel zout: beschouw ze momenteel gewoon als grove schattingen, die later nog heel wat verfijnd moeten worden.

We zien op deze kaart dat de eerste mensen ontstonden in Afrika (de L0-stam, die momenteel uitgestorven is). Oorspronkelijk is de mens in Afrika gebleven (L1, L2 en L3), tot hij een 60.000 jaar geleden buiten Afrika trad en de verspreiding van de mens over de wereld begon. Belangrijk aan dit onderzoek is dat éénduidig vastgesteld is dat de mens zich op één plaats ontwikkelde. Vroeger had men de theorie dat de mensheid zich op verschillende plaatsen afzonderlijk ontwikkeld had, maar deze theorie is door het mtDNA-onderzoek niet houdbaar gebleken.
Een zeer mooie presentatie van de verspreding van de mensheid over de aarde vindt men bij National Geographic (wel in het engels).
Een tweede strijdvraag die door mtDNA-onderzoek beslecht werd, is in hoeverre de Neanderthalers een bijdrage geleverd hebben aan het menselijk ras. Onderzoek heeft uitgewezen dat de mtDNA-stalen, die men uit vier verschillende Neanderthalers-skeletten heeft kunnen onttrekken, een typering hadden die allevier vrij dicht bij elkaar lag (ze waren allevier duidelijk van hetzelfde ras) maar die mijlenver verwijderd lag van de typering van het mtDNA van zowel huidige mensen als van menselijke skeletten uit hetzelfde tijdvak. Dus, alhoewel mensen en Neanderthalers in dezelfde tijd (30.000 tot 50.000 jaar geleden) op dezelfde plaats (Europa) samen bestonden, hebben deze Neanderthalers geen bijdrage geleverd aan het menselijk erfgoed.

Problemen met mtDNA-onderzoek

Voor mtDNA-onderzoek wordt meestal de hyper-varibale regio HVR1 en HVR2 getypeerd, omdat juist in deze regio de snelheid van mutatie hoog ligt, en dus vrij snel verschillende mutaties kunnen optreden. Men dient dus slechts een beperkt gedeelte van het mtDNA te onderzoeken (1144 van de 16569 basisparen) om tot conclusies te komen. Hierop komt de laatste tijd echter toenemende kritiek, en wel om de volgende redenen:

  1. "terug mutatie": door de snelle mutatiegraad ("snel" in geologisch opzicht: we hebben het hier over honderden of duizenden jaren) kan een DNA-letter, die bijvoordeeld van een "A" naar een "G" gewisseld was, in een volgende mutatie terug naar de originele "A" wisselen. Dit geeft dan de indruk dat er helemaal geen mutatie opgetreden was.
  2. "parallelle mutatie": eenzelfde mutatie op dezelfde DNA-letter grijpt spontaan plaats in verschillende afstammingslijnen. Bij het cel-DNA is dit uitgesloten, wegens de trage mutatiegraad, maar bij mtDNA kan dit wel optreden.
  3. "wisselende mutatiesnelheid": binnen hetzelfde geografisch gebied (bv zuidelijk Afrika) kan er een groot verschil zijn tussen de mutatiesnelheid van verschillende plaatsen binnen dit geografisch gebied. Er schijnen "hotspots" te bestaan waar de mutatiesnelheid veel hoger ligt dan op andere plaatsen.

Met andere woorden: de hyper-variabele zones HVR1 en HVR2 zijn gewoon te "hyper variabel" voor gedetailleerd onderzoek. Wenst men het goed te doen, dan dient men het volledige mtDNA (het hele genoom) te typeren, en hierop conclusies te trekken. Buiten de D-loop op het mtDNA ligt de mutatiegraad veel lager, en treedt er geen terug-mutatie en parallelle mutatie op. De mutatiesnelheid buiten de D-loop blijkt ook vrij constant te zijn, en hierbij worden geen hotspots gevonden.
Typering van het hele genoom van 16.569 letters is natuurlijk veel meer werk dan alleen de HVR's van 1144 letters te onderzoeken, maar met de moderne technieken en toestellen is het wel haalbaar, en levert het betrouwbare resultaten op. We hebben dan zowel de snelle mutaties van de HVR's (die een fijn onderscheid tussen verschillende stalen toelaten) als de trage mutaties van de rest van het genoom (die het staal duidelijk in de juiste groep plaatsen, ook al zouden in het HVR terug- of parallelle mutaties opgetreden zijn).

De biologische Eva

Men zou de verzameling kunnen nemen van alle vrouwen die vandaag leven (dat zullen er heel wat zijn). We zouden ook de verzameling kunnen nemen van hun moeders. Dat zijn er al minder, want sommige vrouwen hebben geen kinderen, of alleen maar jongens. We zouden nu de verzameling kunnen nemen van die hun moeders (dus de moeders van de moeders). Telkens we een stap terug gaan, wordt het aantal vrouwen in de verzameling kleiner (want een vrouw kan meerdere dochters hebben, maar een dochter kan niet meerdere moeders hebben). Als we lang genoeg in deze generatieketting teruggaan, houden we op een gegeven ogenblik een verzameling over die slechts één vrouw telt. Deze vrouw is onze biologische Eva. Al wie momenteel leeft heeft zijn mtDNA van haar overgeërfd. En ze leefde in Afrika, ongeveer 200.000 jaar geleden.
Was zij de stammoeder van het menselijk ras? Neen, zij leefde in een menselijke gemeenschap, samen met andere mannen en vrouwen. Toen zij leefde was er een andere, nog veel oudere, biologische Eva. Ze is alleen onze meest recente gemeenschappelijke vrouwelijke voorouder. Het mtDNA van alle andere mensen, die in haar tijd leefden, is nu uitgestorven. Alleen het hare is overgebleven. Ze zal ook niet eeuwig onze biologische Eva blijven. Binnen een aantal generaties zullen de laatste personen, die een bepaalde mutaties van haar mtDNA hebben, uitgestorven zijn, en zal de titel van "meest recente gemeenschappelijke vrouwelijke voorouder" overgaan op één van haar kinderen of kleinkinderen of achterkleinkinderen.
Op dezelfde manier hebben we ook een biologische Adam, de stamvader van alle mannen die vandaag leven (zie de tekst over het Y-chromosoom). Daar het mtDNA door de moeder doorgegeven wordt aan haar zonen en dochters, en het Y-chromosoom alleen maar door de vader op zijn zonen doorgegeven wordt, is de verzameling kleiner, en is de ouderdom van de biologische Adam ook veel minder dan deze van de biologische Eva. Maar ook hij leefde in Afrika.
Zoals steeds: neem het tijdstip met een flinke korrel zout. Die 200.000 jaar geleden kan evengoed 150.000 jaar geleden zijn, of 300.000 jaar geleden. Er zijn nog teveel onzekerheden om echt nauwkeurige datums te kunnen geven.