Mysterieuze eencellige mist belangrijke genen om DNA te kopiëren, te verdelen

Als er één proces is dat cellen goed moeten uitvoeren is het wel het kopiëren van hun DNA en de verdeling van de chromosomen over dochtercellen. Voor eencellige organismen is dat zo mogelijk nog belangrijker. En toch mist Carpediemonas membranifera, een eencellig organisme dat leeft op de zeebodem in de kustgebieden, een aantal genen die cruciaal zijn voor het kopiëren en verdelen van DNA. Eelco Tromer, evolutionair celbioloog aan de RUG, maakt deel uit van een team dat deze mysterieuze eencellige beschreef.

‘Mijn specialiteit is het vinden van genen die anderen niet kunnen zien’, vertelt Tromer. Hij verhuisde kortgeleden van de Britse universiteit van Cambridge naar de RUG, dankzij een Veni beurs van onderzoekfinancier NWO. Onlangs konden Canadese collega’s van hem een aantal belangrijke genen in de vrij levende eukaryote protist (een eencellige met een celkern) Carpediemonas membranifera niet vinden. ‘Die leeft op de zeebodem in door getijden afgezet sediment onder zuurstofarme condities op een dieet van bacteriën’, legt Tromer uit. Sommige groepen protisten in zee hebben hun mitochondriën, de energiefabriekjes van de cel die zuurstof nodig hebben om te functioneren, geheel of gedeeltelijk verloren. Maar de verrassing bij Carpediemonas was dat deze genen kwijt was geraakt die betrokken zijn bij DNA replicatie en de verdeling van chromosomen.

Eiwitcomplex

Sommige parasieten raken dit soort belangrijke genen ook kwijt, maar zij kunnen als vervanging eiwitten gebruiken van hun gastheer. Dat een vrij levende eukaryote cel, met een kern net zoals onze eigen cellen, was nogal onverwacht. Daarom vroegen de Canadezen aan Tromer om nog eens goed te zoeken. Zijn gereedschap bestaat uit speciale zoeksoftware en een heleboel kennis over moleculaire evolutie. ‘Eerder heb ik onderzoek gedaan naar het verlies van genen voor het zogeheten kinetochoor, een eiwitcomplex dat chromosomenparen tijdens de celdeling uit elkaar trekt.’ Met zijn ervaring en software kan hij genen herkennen die sterk zijn veranderd. Maar in dit geval kon zelfs hij de verdwenen genen niet terugvinden.

Tromer bevestigde dat de protist C. membranifera een aantal genen mist die de code bevatten voor eiwitten uit het kinetochoor. ‘Dat is niet ongewoon, want dit eiwitcomplex evolueert nogal snel, dus je ziet wel vaker dat genen die doorgaans aanwezig zijn toch ontbreken.’ Maar de protist miste ook nog eens genen die cruciaal zijn voor het kopiëren van de chromosomen voor de celdeling. ‘Het gaat om genen voor een eiwit dat het beginpunt lokaliseert voor het kopiëren. En toch kan het zijn eigen DNA kopiëren, dus moeten we aannemen dat een ander moleculair systeem de functie heeft overgenomen.’

Flexibel

Tromer hefet nog niet kunnen ontdekken hoe de protist zonder die belangrijke genen kan overleven. ‘Dit organisme is heel lastig te kweken, het heeft een dieet van specifieke bacteriën en groeit alleen in een omgeving die bijna volledig zuurstofloos is.’ Hierdoor is er nog maar weinig onderzoek gedaan met deze eencellige, wat betekent dat er weinig gereedschap is ontwikkeld om het genoom mee te analyseren. ‘We moeten daarom wat oudere, meer basale technieken gebruiken om de eiwitcomplexen van Carpediemonas te bestuderen’, zegt Tromer.

Dat bepaalde cruciale genen ontbreken laat zien hoe flexibel evolutie kan zijn. Het toont ook aan dat sommige dogma’s in de moleculaire evolutiebiologie niet kloppen, legt Tromer uit: ‘Het idee was dat als je een gen in zowel gisten als mensen vindt, je er vanuit mag gaan dat het bij alle eukaryoten aanwezig is. Maar er zijn uitzonderingen, aangezien nogal wat eencellige eukaryoten veel verder van mensen af staan dan gist.’ Dit maakt de reconstructie van de laatste gemeenschappelijke voorouder van alle eukaryote cellen lastiger.

AlphaFold

Maar dit alles verklaart nog niet hoe een cel kan overleven zonder de gebruikelijke genen voor DNA replicatie en de verdeling van chromosomen. ‘Ik heb tot nu toe alleen naar de genetische code gekeken. Maar vergelijkbare eiwitten kunnen ook gebaseerd zijn op een heel verschillende genetische code.’ Dit soort afwijkende genen kan Tromer niet herkennen als betrokken bij het kopiëren van DNA of verdeling van chromosomen. ‘Misschien kunnen we het nieuwe programma AlphaFold gebruiken. Dat voorspelt de 3D structuur van eiwitten op basis van de genetische code. Maar daar is nogal wat rekenkracht voor nodig.’ Gelukkig heeft de RUG de beschikking over een aantal krachtige computerclusters. ‘Dus ik ga kijken of dat uitvoerbaar is.’

Referentie: Dayana E. Salas-Leiva, Eelco C. Tromer, Bruce A. Curtis, Jon Jerlström-Hultqvist, Martin Kolisko, Zhenzhen Yi, Joan S. Salas-Leiva, Lucie Gallot-Lavallée, Shelby K. Williams, Geert J.P.L. Kops, John M. Archibald, Alastair G. B. Simpson and Andrew J. Roger: Genomic analysis finds no evidence of canonical eukaryotic DNA processing complexes in a free-living protist. Nature Communications, 14 oktober 2021