De complexiteit van genen

het misverstand dat 1 gen 1 eigenschap regelt

Misschien heeft u op de middelbare school rekenvoorbeelden gehad over erfelijke eigenschappen. In de voorbeelden ging het meestal over één gen voor oogkleur, één gen voor de harigheid van een erwtenplant, enzovoort. In werkelijkheid is het verband zelden zo eenvoudig.

Weet u nog? B was bruin, b blauw. B was dominant, dus BB en Bb geeft bruine ogen, en bb blauwe. Misschien kreeg u daardoor de indruk dat er voor elke eigenschap 1 gen is dat voor 1 eigenschap codeert.
Zo werd in een pro-gentech artikel in Onze Wereld (oktober 2000) 'het anti-droogte-gen' bedacht dat zò uit de cactus kan worden overgebracht in een graan, waardoor dat graan ineens in de woestijn kan groeien. Dat is wel héél erg simpel!

In werkelijkheid maakt elk gen deel uit van een ingewikkeld samenspel. Als je een gen erbij stopt of juist blokkeert, verandert niet alleen de reactie waarbij dit gen betrokken is, maar ook allerlei andere reacties kunnen mogelijk gemaakt worden, of juist onmogelijk. Wat er precies verandert kun je alleen maar zien als je het doet; met de huidige kennis is het niet te voorspellen. En dan nog kun je alleen maar nagaan wat er verandert aan de stoffen die je kent, of die op de een of andere manier zichtbaar zijn.

Daar komt nog bij dat het willekeurig inbouwen van een gen, zoals bij planten gebeurt, kan leiden tot schade aan andere genen of verstoringen kan aanbrengen door het positie-effect, dat we nog niet helemaal begrijpen.

Eén gen kan veel beïnvloeden

Om een indruk te geven van de complexiteit kunt u een kijkje nemen op posters waarop een overzicht wordt gegeven van de bekende biochemische processen (zie illustratie). Misschien heeft u op school over de citroenzuurcyclus geleerd; dat is de grote cirkel in het midden. Als u gaat kijken (http://www.expasy.ch/cgi-bin/show_image?E3) zult u zien dat die cyclus nog wat ingewikkelder is dan u dacht (dit is de digitale versie van ExPASy (http://www.expasy.ch/cgi-bin/show_thumbnails.pl), gebaseerd op de papieren versie van de Boehringer Mannheim "Biochemical Pathways" poster)

Hieronder ziet u twee vakjes van de poster uitvergroot (D3 en E3). De zwarte figuren met de O's en H's zijn chemische verbindingen, met in het zwart hun namen. De pijltjes geven aan hoe de stoffen omgezet worden, en de blauwe woorden zijn namen van de enzymen die een omzetting mogelijk maken.

Nog even in het kort (zie ook onze spoedcursus genetische manipulatie): als een gen wordt afgelezen wordt het overgeschreven naar messenger RNA (mRNA). Dat mRNA kan buiten de celkern, in het cytoplasma, worden afgelezen en omgezet tot een eiwit. Sommige eiwitten werken als een enzym; zij maken een bepaalde chemische omzetting mogelijk.

U kunt zien dat het versterken of blokkeren van 1 stap in het netwerk, bijvoorbeeld door een extra gen in te bouwen of jusit een gen te blokkeren, invloed heeft op een hele keten van omzettingen ervoor en erna.

Voorbeeld: RR soja

In veel planten worden aromatische aminozuren gemaakt. De stof glyfosaat (glyphosate, door ons geel geaccentueerd) blokkeert een belangrijk enzym, in de close-up hieronder staat dat aangegeven met een minnetje (klik op het plaatje voor een uitvergroting).

Door de blokkade vindt de omzetting van het ene in het andere stofje niet meer plaats: de producten van de reactie worden niet meer gemaakt en het stofje ervòòr hoopt zich op. Veel planten gaan dood door deze behandeling. Daarom stopt Monsanto glyfosaat in het onkruid-bestrijdingsmiddel Roundup.

Alleen: ook het gewas gaat er dood van.

Gentechnologen van Monsanto kunnen nu gewassen tolerant maken tegen dit bestrijdingsmiddel door een gen in te bouwen dat een variant van dit enzym maakt dat hetzelfde doet dat glyphosaat niet zo goed blokkeert. Hierdoor kan ook tijdens de groei van het gewas gespoten worden tegen onkruiden, wat gemakkelijk is voor de boeren.

In een zo'n gewas, Roundup Ready soja, zijn veranderingen gevonden in de concentratie van stoffen die door dit enzym mogelijk gemaakt worden. Dit gebeurt vooral als de plant met glyfosaat wordt bespoten. In de toelatingsprocedure is geen rekening gehouden met het feit dat de plant door bespuiting een andere samenstelling krijgt: ze hebben toen alleen metingen bekendgemaakt aan de onbespoten plant. Er zijn mensen die aannemen dat dit bewust is gebeurd, om de indruk te wekken dat de gemanipuleerde soja 'wezenlijk gelijkwaardig' is aan gewone soja (o.a. prof. Benbrook (www.biotech-info.net/troubledtimes.html).

Na bespuiting met Roundup, waarvan het actieve bestanddeel glyfosaat is, bevat de soja dus tijdelijk minder van stoffen waarvoor dit enzym nodig is zoals phenylalanine, en wetenschappers stellen zich voor dat bepaald afwijkend gedrag van de RR sojaplant, zoals het splijten van de schors onder stress van warmte en droogte veroorzaakt wordt dor een gewijzigde samenstelling van de plant. 

Nou zullen er mensen zijn die terecht zeggen dat het werkt: de soja is immers bestendig tegen de Roundup?

Dat klopt, maar er is veel meer aan de hand in de plant en de aanwijzingen dat de producenten proberen dit te verdoezelen vinden wij ernstig. Wij zouden liever zien dat ze kritiek serieus onderzoeken dan dat ze proberen de boodschapper verdacht te maken.

Voorbeeld 2: het anti-droogte gen
Om terug te komen op het voorbeeld van het 'anti-droogte gen': ten eerste heeft een cactus een heel ander stofwisselings-systeem dan een graan (CAM voor da cactus). Ten tweede is de resistentie tegen droogte niet vastgelegd in 1 gen, maar is de cactus aangepast door talloze eigenschappen: het aantal huidmondjes, de stofwisseling, de waslaag, enzovoort. Dit kan niet zomaar overgeplant worden in een andere plant.

Voorbeeld 3: sikkelcelanemie

Eén mutatie, waardoor een verminderd werkzaam eiwit ontstaat, kan een scala van fenotypische gevolgen hebben. Een voorbeeld hiervan is sikkelcelanemie. De afwijkende rode bloedlichaampjes worden sneller dan normaal afgebroken waardoor bloedarmoede ontstaat die achterblijven van fysieke en mentale ontwikkeling veroorzaakt en hartgebreken en ze klonteren gemakkelijker: schade aan hart (verlammingen), longen (longontsteking), nieren, rheuma, zweren op armen en benen en pijn in de gewrichten. (UvA)

Eén gen kan zelfs coderen voor meerdere eiwitten

Hier komt nog bij dat men er tegenwoordig van uitgaat dat 1 gen voor meerdere eiwitten (enzymen zijn eiwitten) kan coderen, doordat een eiwit na productie aangepast wordt.

In 2001 ging een persbericht de wereld in waarin stond dat de mens helemaal niet zo veel genen heeft als men eerst dacht (de schattingen door wetenschappers lopen uiteen van ca 27.000 tot 160.000). Maar volgens de onderzoekers van het menselijk genoom waren het er niet zo gek veel meer dan die van een fruitvliegje. Dat was schrikken! Wij zijn toch veel groter en belangrijker en verder ge-evolueerd dan een fruitvliegje?

Het blad BioNieuws verzamelde begin maart 2001 reacties hierop. Een bloemlezing van de (soms tegenstrijdige) meningen:

Een online cursus van de UVA legt uit hoe het zit met introns en extrons.  (www.bio.uva.nl/Onderwijs/PropCD/Les/humgen/SYLBUS/GENSTRUC.HTM)

Expressie op meerdere plaatsen

Al verander je maar 1 gen, dan kan dat op meerdere plaatsen tot expressie komen. Neem de albino: een albino kan geen pigment (kleur-stof) maken. Je ziet dat aan de rode ogen, omdat de iris geen pigment heeft. Hetzelfde gemis zorgt ervoor dat ze witte haren hebben en een witte huid, die niet kleurt in de zon.

Conclusie

• Genen coderen vaak voor meer dan één eiwit.
• Eén gen kan een heel scala aan stoffen beïnvloeden.
• Genetici hebben theorieën over genen die elkaar soms tegenspreken.

Kortom, het veranderen van een gen kan allerlei neveneffecten hebben. Het idee dat je elke eigenschap naar believen kunt inbouwen is een misverstand.

NPG - juni 2001