Het Y-chromosoom

Alle menselijke cellen bevatten een kern, waarin het genetisch materiaal samengepakt is in 46 chromosomen (2 sets van 23 chromosomen: één set van de vader, één set van de moeder). De chromosomen 1 tot en met 22 zijn virtueel dezelfde: ze zien er hetzelfde uit, en ze hebben dezelfde genen op dezelfde plaatsen. Het 23e set is speciaal, omdat het twee verschillende chromosomen bevat. Meisjes hebben in set 23 twee X-chromosomen. Jongens hebben in set 23 een X- en een Y-chromosoom. X en Y zijn twee duidelijk verschillende chromosomen. Tijdens de productie van sperma en eitjes wordt in de zaadcel of het ei een enkele set van 23 chromosomen aangemaakt. Tijdens dit proces gaan dezelfde chromosomen van vader en moeder onderling materiaal uitwisselen, vooraleer ze zich splitsen. Er worden dus telkens meerdere zaadcellen of eitjes aangemaakt, ieder met één set van 23 chromosomen, waarbij de nieuwe chromosomen een mengeling hebben van het genetisch materiaal van de vader en de moeder. Bij meisjes (waarbij chromosoom 23 uit twee X-chromosomen bestaat) gebeurt deze genetische uitwisseling ook tussen de twee X-chromosomen. Bij jongens, waarbij chromosoom 23 uit een X- en een Y-chromosoom bestaat, kan deze uitwisseling niet plaatsvinden, en bestaat het nieuw aangemaakte chromosoom 23 dus ofwel uit een X-chromosoom ofwel uit een Y-chromosoom. Wordt een vrouwelijk eitje later bevrucht door een zaadcel waarvan chromosoon 23 een X-chromosoom is, dan ontwikkeld dit eitje zich tot een meisje. Wordt het eitje echter bevrucht door een zaadcel, waarvan chromosoom 23 een Y-chromosoom is, dan ontwikkeld dit eitje zich tot een jongen.

Gevolg is dat het Y-chromosoom ongewijzigd doorgegeven wordt van vader op zoon, en die zoon zal het op zijn beurt weer ongewijzigd doorgeven aan zijn zonen. Met andere woorden: alle mannen die nu bestaan moeten dus identiek hetzelfde Y-chromosoom hebben, en dit Y-chromosoom zou identiek hetzelfde moeten zijn als het originele exemplaar van Adam. Dit is juist in theorie, maar niet echt helemaal in de praktijk. Bij het kopieren van de chromosomen kunnen zich immers heel af en toe fouten voordoen, waardoor het nieuw-aangemaakte Y-chromosoom niet echt exact hetzelfde is als het originele. Het functioneert wel hetzelfde, maar het is niet exact hetzelfde.

Welke soort fouten kunnen zich dan voordoen?

1. indels. Dit zijn "inserts" (toevoegingen van DNA-letters) of "deletes" (weglating van DNA-letters), die plaatsgrijpen op een bepaalde plaats van een chromosoom. Momenteel zijn een half miljoen indels bekend over alle 23 chromosomen samen. Op het Y-chromosoom is er momenteel maar ééntje: de YAP (Y-chromosome alu polymorphism) is een insert (toevoeging) van ca 300 DNA-letters op een bepaalde plaats op het Y-chromosoom. Het is éénmaal in de menselijke geschiedenis voorgekomen, en je hebt hem dus geërfd van je voorouders, of je hebt hem niet.
2. snips. Dit zijn "single nucleotide polymorphisms" of wijziging van één bepaalde DNA-letter (bv een letter A is gewisseld voor een letter G). Ook dit is een uiterst zeldzame gebeurtenis, zelfs zo zeldzaam dat iedere snip geacht wordt zich slecht éénmaal in de menselijke geschiedenis voorgedaan te hebben.
3. microsatellieten: op bepaalde plaatsen van een chromosoom krijgen we een herhaling van DNA-letters. Bv op een bepaalde plaats van een chromosoom worden de letters "G-A-T-A" meerdere keren achter elkaar herhaald (GATA-GATA-GATA-GATA...). De specifieke plaats noemt men een "locus", en het aantal maal dat deze letters herhaald worden noemt men een "allele". Stel dat in dit voorbeeld de letters GATA zesmaal herhaald worden, dan heeft deze locus een allele van 6. Deze alleles worden normaal ongewijzigd van vader op zoon doorgegeven, en dit generatie na generatie, maar af en toe kan er een fout gebeuren en wordt er een zaadcel aangemaakt met een één hogere of lagere allele (dus in dit geval 5, of 7 herhalingen).
4. minisatellieten: is hetzelfde als microsatellieten, behalve dat het aantal letters in de groep veel groter is (10 tot 60 letters, in plaats van drie of vier), en dat ook het aantal herhalingen groter is (tientallen herhalingen).

Indels en snips zijn echt uitzonderlijke gebeurtenissen, die slechts éénmaal voorkomen in de menselijke geschiedenis. Een bepaalde indel of snip heb je, of je hebt hem niet. Wijzigingen in het aantal herhalingen van micro- en minisatellieten komen veel vaker voor, en gebeuren sneller in minisatellieten dan in microsatellieten (ergens logisch, omdat een minisatelliet veel meer herhalingen heeft dan een microsatelliet).

Ergens in de menselijke geschiedenis moet een bepaalde man geboren zijn uit een zaadcel die de YAP-insert had. Alle andere mannen hadden deze niet, maar hij kreeg ze, en hij gaf ze door aan al zijn mannelijke nakomelingen. We hebben momenteel dus mannen zonder YAP (de normale soort) en een aantal met YAP (de YAP+ variant). Bij één van die YAP+ zonen werd op een bepaalde plaats van het Y-chromosoom (een plaats die we nu aanduiden met sY81) een letter A vervangen door een letter G, en ook deze wijziging werd doorgegeven aan zijn nakomelingen. We kunnen de mannen nu indelen in drie verschillende groepen:
- de niet-gemuteerden, die we zouden kunnen definieren als YAP-sY81(A): geen YAP, en op locus sY81 een A-letter
- de YAP-mensen met op plaats sY81 de letter A: die definieren we als YAP+sY81(A)
- de YAP-mensen met op plaats sY81 de letter G: die definieren we als YAP+sY81(G)

Op verschillende plaatsen van het Y-chromosoom komen micro- of minisatellieten voor. Al deze plaatsen hebben ook een locus-aanduiding gekregen (een DYS-nummer). Iemand die op plaats DYS19 (de plaatsaanduiding van een microsatelliet) een herhaling heeft van 14, wordt aangeduid door DYS19(14).

Zo kan het menselijk geslacht ingedeeld worden in haplotypen: mensen die allemaal een zelfde genetische mutatie hebben. We zouden dus een stamboom kunnen opmaken van het menselijk ras, gebaseerd op de Y-chromosoom, waarbij de indels en snips de stam en de hoofdtakken vormen, en de micro- en minisatellieten de twijgen.

Typeren van het Y-chromosoom

Men kan zijn Y-chromosoom dus laten typeren. Het DNA verkrijgen is vrij simpel: men kan een bloedstaal nemen, maar meestal haalt men het DNA uit speeksel. Men bestelt bij een gespecialiseerde firma een set. Deze set bevat een paar wattenstaafjes, waarmee men in zijn mond over de binnenkant van de wang wrijft, en die men terug opstuurt. In het lab begint dan het werk. De cellen moeten verbrijzeld worden, het DNA wordt eruit gehaald, en er wordt een mengsel gemaakt van het bekomen DNA, primers (kleine stukjes DNA), enzymes en nucleotide-basen (de afzonderlijke DNA-letters A, T, C en G). Dit mengsel wordt tientallen keren verhit en gekoeld, waardoor verschillende kopies bekomen worden van de loci (plaatsen) die men wil testen (dit noemt men de PCR of Polymerase Chain Reaction). Deze verschillende kopies worden dan in een automatische DNA-sequencer geplaatst, die de herhalingsfrekwentie bepaalt van de verschillende te testen loci.

Iedere firma die zich bezighoudt met het typeren van het Y-chromosoom, gaat dus de herhalingsfrekwentie bepalen van verschillende plaatsen op het Y-chromosoom waar micro- en minisatellieten voorkomen. Deze te testen plaatsen hebben allemaal DYS-nummers gekregen. Hoeveel plaatsen men test, en welke plaatsen men test, hangt af van de firma in kwestie. Iedere firma stelt een palet samen van plaatsen die traag muteren, met plaatsen die sneller muteren. Iedere firma biedt dus ook verschillende testen aan. Family Tree DNA bijvoorbeeld biedt een 12-marker test aan (men bepaalt de herhalingsfrekwentie van 12 DYS-plaatsen) voor 149$, een 37-marker test (de 12 voorgaande, aangevuld met 25 bijkomende) voor 259$, en een 67-marker test (dus nog eens 30 markers erbij) voor 349$.

Wanneer laat men zich testen? In de USA, waar iedereen immigrant is, kan het best voorkomen dat in eenzelfde streek verschillende families voorkomen met dezelfde familienaam, maar waarvan men met geschreven bronnen niet kan achterhalen of er een verwantschap bestaat tussen deze families. Dan bieden deze testen een uitkomst. Stel dat twee leden van twee verschillende families een 12-marker test laten uitvoeren, en dat ze een identiek hetzelfde resultaat hebben op alle 12 markers. Ze hebben dus een gemeenschappelijke voorvader, maar wanneer leefde die? Met de 12-marker test hebben ze een 50% kans dat dit binnen de laatste 7 generaties was, en een 90% kans dat dit binnen de laatste 23 generaties was. Wensen ze dit nauwkeuriger te laten bepalen, dan kunnen ze overgaan tot een 37-marker test. Stel dat ze weer een identiek resultaat krijgen op alle 37 markers: ze kunnen dan zeggen dat de gemeenschappelijke voorvader met 50% kans dateerde van de laatste 2 of 3 generaties, en ze hebben een 90% kans dat dit binnen de laatste 5 generaties was.
Alle testresultaten worden bijgehouden in een database. Men kan zich dus ook laten testen gewoon om zichzelf bij te laten zetten in deze database, als documentatie voor toekomende generaties. Maar indien in deze database ook andere personen voorkomen met eenzelfde of nagenoeg zelfde typering, dan wordt je daarvan verwittigd, en dit kan ineens ongekende stamboom-verwanten opleveren.

Nauwkeurigheid

We kunnen niet bepalen wanneer precies in de tijd een bepaalde mutatie opgetreden is. Men werkt nog steeds met schattingen over mutatiesnelheden, en men gaat ervan uit dat deze mutatiesnelheid in de tijd constant gebleven is. Er zitten dus nog heel wat onzekerheden. De YAP-mutatie bijvoorbeeld, die éénmaal voorgekomen is, wordt gedateerd op 141.000 jaar geleden, maar met een 95% betrouwbaarheidsinterval van 29.000 jaar tot 340.000 jaar. Er is dus 2,5% kans dat het minder dan 29.000 jaar geleden gebeurd is, of meer dan 340.000 jaar geleden.
Hoe bepaalt men dit tijdstip? De man die origineel de YAP-insert kreeg, had ook andere kenmerken. Microsatelliet DYS19 bijvoorveeld zal bij hem een bepaalde herhalingslengte gehad hebben. Deze man heeft op zijn zonen de YAP doorgegeven, maar ook zijn herhalingsfrekwentie van DYS19. Al zijn zonen, kleinzonen en verder kregen de YAP, en deze is bewaard in al zijn huidige nakomelingen. Maar zijn originele herhalingslengte van DYS19 zal in bepaalde van zijn afstammelingen gewijzigd zijn, en later nog eens gewijzigd, en daarna nog eens gewijzigd. Door dus een grote groep van mensen, die allemaal de YAP hebben, te testen op de herhalingslengte van DYS19 krijgen we een idee van de variatie van DYS19 in deze groep. Is deze variatie klein, dan is de YAP relatief kortgeleden opgetreden. Is de variatie groot, dan is de YAP relatief lang geleden opgetreden, want dan is er veel tijd nodig om deze grote variatie te kunnen verkrijgen.

Biologische Adam en Eva

Stel u een eiland voor met een relatief constante bevolking. Sommige mannen krijgen zonen, andere mannen niet. De mannen die zonen verwekken, geven hun Y-chromosoom aan hen door. Van de mannen die geen zonen krijgen gaat het Y-chromosoom voor eeuwig verloren. Na verloop van tijd bestaat de mannelijke bevolking nog slechts uit afstammelingen van dezelfde oervader. Deze oervader kunnen we de "biologische Adam" noemen, want alle mannen die bestaan hebben hun Y-chromosoom van hem geërfd.
Vervang het eiland door de Aarde, en ook daar vinden we een biologische Adam, onze oer-Y-chromosoom-vader. En zo heel lang geleden leefde hij niet: naar schatting (met een heel grote onzekerheid) zo'n 80.000 tot 100.000 jaar geleden. Hij was niet de eerste man op aarde: toen hij leefde was iemand anders, nog veel langer geleden, de biologische Adam. En toen die leefde was weer iemand anders, nog heel veel langer geleden, de biologische Adam.
Zo hebben we ook een biologische Eva, maar die is een stuk ouder: naar schatting (ook weer met veel onzekerheid) leefde ze een 200.000 jaar geleden. Dus dubbel zo lang geleden als onze biologische Adam. En dat is ook logisch: het Y-chromosonale DNA wordt alleen van vader op zoon doorgegeven, terwijl het mitochondrische DNA (dat we alleen van de moeder krijgen) zowel aan de zonen als de dochters doorgegeven wordt. Daar dubbel zoveel mensen het mitochondrische DNA krijgen als het Y-chromosonale DNA, is het niet onlogisch dat onze biologische Eva (de stammoeder van ons mitochondriale DNA) dubbel zo lang geleden leefde als onze biologische Adam (de stamvader van ons Y-chromosonale DNA).