Microbiologie in hapklare porties
Het bacteriële geschenk van het gezichtsvermogen bij vertebraten
Het menselijk oog is een van de meest complexe structuren in het lichaam. Onderzoekers en artsen weten al tientallen jaren niet meer hoe dit orgaan lichtstralen kan opvangen en deze energie kan doorgeven aan de hersenen, waar beelden worden gevormd. Meer nog, de oorsprong van het gewervelde oog bleef ongrijpbaar, met geen duidelijke voorouder in onze bekende database van eukaryote genen. We moesten buiten onze tak van de levensboom kijken om het antwoord te vinden. Bacteriën, onze prokaryotische buren, waren de bron van een essentieel oogeiwit bij gewervelde dieren. Ze deelden hun genetische informatie meer dan 500 miljoen jaar geleden met gewervelde dieren.
In een recent artikel dat op 10 april 2023 werd gepubliceerd, onderzochten onderzoekers de oorsprong van een eiwit in onze ogen dat alleen voorkomt bij gewervelde dieren: het ‘interphotoreceptor retinoid-binding protein’ (IRBP). In onze ogen bevinden zich speciale structuren die het licht dat we zien registreren, de zogenaamde staafjes en kegeltjes. Binnen deze structuren vindt een reeks chemische reacties plaats, waarbij het activerende molecuul – een gemodificeerde retinoïde – tussen eiwitten wordt overgedragen. Wanneer er licht in ons oog valt, verandert de structuur van deze retinoïde. Dit proces zet het licht dat we zien om in het elektrische signaal dat onze hersenen registreren. Deze retinoïde is cruciaal in dit proces en dat is waar IRBP om de hoek komt kijken. Dit eiwit recyclet de retinoïden terug in hun oorspronkelijke staat, waardoor deze cyclus kan doorgaan.
Deze retinoïde visuele cyclus is uniek voor gewervelde dieren en zijn oorsprong leek spontaan. Zelfs Charles Darwin schreef in zijn Origin of Species uit 1859 dat de evolutie van het oog door natuurlijke selectie op het eerste gezicht “absurd in de hoogst mogelijke graad” leek.
Toch ontdekten onderzoekers dat een bacterieel gen aanleiding gaf tot dit gewervelde IRBP, dat het oorspronkelijke genetische materiaal leverde dat evolueerde tot het eiwit dat we vandaag de dag hebben. Met behulp van computer analysetechnieken die verbanden kunnen leggen tussen genetische informatie en de enorme hoeveelheid openbaar beschikbare genomische databases, vergeleken de onderzoekers de menselijke IRBP-gensequentie met bacteriële genomen. Ze vonden een overeenkomst in de bacteriële S41-familie die codeert voor peptidasen.
Samsara via Wikimedia Commons
Peptidasen zijn verantwoordelijk voor het splitsen van moleculen in cellen en worden in alle domeinen van het leven aangetroffen. Deze proteolytische enzymen hebben een zeer diverse structuur en vervullen meerdere biologische functies. Deze genetische blauwdruk werd overgenomen door vroege gewervelde dieren en evolueerde tot de IRBP die we vandaag de dag hebben.
Het voorouderlijke S41 peptidase bestaat bijvoorbeeld uit één domein, terwijl het menselijke IRBP er vier heeft. Bovendien kan de menselijke IRBP geen moleculen afbreken. De onderzoekers suggereren dat na het verkrijgen van het gen en het dupliceren van segmenten van de gensequentie, een regio in het DNA werd veranderd zodat het inactief werd, waardoor het niet in staat was om moleculen te splijten. In plaats daarvan is het menselijke IRBP een transporteiwit, dat het gebruiksklare all-trans-retinol en het verbruikte 11-cis-retinal vervoert tussen de fotoreceptoren in het oog en het retinale pigmentepitheel, waar de chemische stof weer wordt omgezet in all-trans-retinol om de cyclus voort te zetten.
Dit werk levert het bewijs van de constante evolutie waarmee we te maken hebben en geeft krediet aan niet-traditionele genetische bronnen, zoals die van kleine DNA-fragmenten uit bacteriën. De meeste evolutie vindt plaats binnen gelijksoortig verwante organismen en verloopt stapsgewijs, terwijl hier een apart en radicaal ander organisme de blauwdrukken voor gewervelde dieren leverde. Mensen zijn, net als al het leven, geëvolueerd uit bacteriën. Hun bevindingen “bieden een manier waarop complexe structuren zoals het gewervelde oog kunnen evolueren: niet alleen door te sleutelen aan bestaand genetisch materiaal, maar ook door vreemde genen te verwerven en functioneel te integreren.”
Link to the original post: Kalluraya, C. A., Weitzel, A. J., Tsu, B. V., & Daugherty, M. D. (2023). Bacterial origin of a key innovation in the evolution of the vertebrate eye. Proceedings of the National Academy of Sciences, 120(16), e2214815120. https://doi.org/10.1073/pnas.2214815120
Featured image: The human eye. Credit: https://www.wallpaperflare.com/left-human-eye-blue-eye-eyeball-eye-closeup-eyesight-human-body-part-wallpaper-whuiz
Vertaald door: Liang Hobma
micro-bites.org 