Mutatiesnelheid voor het eerst via stamboom gemeten bij walvissen

Een internationaal team van zeebiologen, onder leiding van wetenschappers van de RUG en het Amerikaanse Center for Coastal Studies, heeft het DNA onderzocht van walvisgezinnen behorend tot vier soorten walvissen om te schatten hoe snel er mutaties ontstaan. Dat leverde een mutatiesnelheid op die hoger was dan tot nu toe werd gedacht, en ongeveer gelijk is aan die in kleiner zoogdieren zoals mensen, apen of dolfijnen. Met behulp van de mutatiesnelheid konden de onderzoekers berekenen dat het aantal bultruggen in de noordelijke Atlantische oceaan voor het begin van de commerciële walvisvangst maar liefst 86 procent lager was dan eerdere berekeningen laten zien. Het onderzoek is het eerste dat de mutatiesnelheid heeft bepaald bij in het wild levende diersoorten en is op 1 september gepubliceerd in het tijdschrift Science.

FSE Science Newsroom | René Fransen

De mutatiesnelheid is een belangrijke factor in genetica en genoomonderzoek, en bepaalt de snelheid van evolutie en aanpassing. Aan de hand van dit getal is ook geschat hoeveel walvissen er in de oceanen zwommen voor de grootschalige walvisjacht. Maar het is lastig te bepalen met welke snelheid nieuwe mutaties verschijnen in het DNA van walvissen of andere in het wild levende soorten.

Stamboom methode

Daarom bepalen biologen al heel lang de mutatiesnelheid via de zogeheten fylogenetische methode. Die gebruikt de leeftijd van fossielen om te schatten wanneer twee soorten uit elkaar zijn gegroeid. Door het DNA van beide soorten te vergelijken is af te leiden hoeveel nieuwe mutaties er na die scheiding zijn ontstaan. ‘Maar het fossielenarchief is niet altijd zo nauwkeurig. En sommige mutaties verdwijnen weer na verloop van tijd’, zegt Per Palsbøll, hoogleraar Mariene biologie aan de RUG. Hij bestudeert al zo’n 35 jaar walvissen en is een van de hoofdauteurs van het artikel in Science.

Een andere techniek voor het schatten van de mutatiesnelheid is de ‘stamboommethode’, die het gebruik maakt van trio’s bestaand uit twee ouders en hun jongen om het aantal nieuwe mutaties bij een jong te bepalen. Dit is een directe bepaling met minder aannames en is bovendien geschikt om het verschil in mutatiesnelheid tussen soorten – zoals walvissen en mensen - te vergelijken.

Maar vooral bij in het wild levende dieren is het een uitdaging om monsters te krijgen van beide ouders en hun nakomelingen. ‘De methode is bij slechts een handvol in het wild levende dieren gebruikt, zoals één wolvenpaartje en hun jongen’, zegt eerste auteur Marcos Suárez-Menéndez. ‘En hij is ook toegepast bij dieren in een dierentuin, maar het is onduidelijk of de mutatiesnelheid in gevangenschap even hoog is als die in het wild.’ Gelukkig kon het team met onderzoekers uit Nederland, de VS, Groenland, Denemarken, Canada en het Verenigd Koninkrijk gebruik maken van huidmonsters van walvissen die gedurende ruim drie decennia zijn verzameld.

(lees door onder de foto)

Kruisboog

Palsbøll nam zelf zijn eerste huidmonster van een walvis tussen de ijsbergen voor de kust van West Groenland in 1988. ‘Daarvoor moesten we tot vlakbij een walvis varen en dan met een kruisboog een pijl met holle punt afschieten.’ De holle punt doorboort de huid en pikt er een klein stukje van op. De pijl kaatst vervolgens terug en het monster kan opgevist worden.

Het vinden van beide ouders van een walvisjong is de eerste stap in het bepalen van de mutatiesnelheid met de stamboommethode. Dat kan met behulp van grootschalige DNA analyse. Suárez-Menéndez analyseerde de zogeheten microsatellieten in DNA data die door Martine Bérubé, de andere eerste auteur, is geproduceerd met behulp van een groot archief vol weefselmonsters van walvissen. De microsatellieten zijn genetische vingerafdrukken van de individuele dieren. Suárez-Menéndez : ‘Ik ben door alle microsatelliet data gegaan om moeder-kalf paren te vinden. Vervolgens zocht ik of de vader ook in de database zat.’

Op die manier vond hij 212 vermoedelijke trio’s van ouders plus nakomeling in vier verschillende walvissoorten. Het DNA van acht van die trio’s is opgestuurd om het in detail te laten uitlezen. Na een laatste ‘vaderschapstest’ met deze DNA gegevens konden Suárex-Menéndez en zijn collega’s het aantal nieuwe mutaties bij het jong vaststellen en zo de gemiddelde mutatiesnelheid voor walvissen bepalen.

(lees door onder de foto)

Walvisjacht

Het resultaat laat zien dat de mutatiesnelheid bij walvissen gelijk is aan de snelheid die met stambomen van zoogdieren zoals mensen, apen en dolfijnen is gemeten. Suárez-Menéndez: ‘En net als bij mensen ontstaan de meeste nieuwe mutaties bij de vader. Walvissen lijken dus in dit aspect sterk op ons.’

Het team gebruikte ook een iets andere methode om via de vrouwelijke lijn de mutatiesnelheid te bepalen. Dat gebeurde via mitochondria, de energiefabriekjes van de cel die eigen DNA hebben. Deze methode was eerder alleen bij pinguïns gebruikt. Mitochondria worden van moeder op jong doorgegeven en Suárez-Menéndez gebruikte zo’n veertig jaar aan waarnemingen van bultrug moeders met jong uit de Golf van Maine, verzameld door hoofdauteur Jooke Robbins van het Amerikaanse Center of Coastal Studies. ‘Ons onderzoek liet zien dat de mutatiesnelheid in mitochondriaal DNA ook hoger is dan eerdere schattingen op basis van de fylogenetische methode’, legt Suárez-Menéndez uit.

De nieuwe, hogere mutatiesnelheid betekent dat het aantal walvissen dat voor het begin van de grootschalige walvisjacht rondzwom in de noordelijke Atlantische oceaan maar liefst 86 procent lager is dan bleek uit eerder onderzoek, gebaseerd op de fylogenetische methode. ‘Met onze nieuwe mutatiesnelheid komen we op zo’n 20 duizend bultruggen in die oceaan, de eerdere schattingen kwamen uit op 150.000 dieren’, zegt Palsbøll. Dit is belangrijke informatie, niet alleen voor de bescherming van walvissen, maar ook voor ons begrip van het functioneren van de oceanen in die periode. Palsbøll: ‘Een andere belangrijke conclusie is dat ons werk laat zien dat het goed mogelijk is om de mutatiesnelheid te bepalen bij dieren in het wild.’

(lees door onder de foto)

Kanker

Dat walvissen en mensen dezelfde mutatiesnelheid hebben werpt ook nieuwe licht op ‘Peto’s paradox’. Dit is de observatie dat de kans op kanker niet lijkt samen te hangen met het aantal lichaamscellen van een organisme. Walvissen hebben honderd tot duizend keer meer cellen dan mensen, dus wanneer ze dezelfde mutatiesnelheid hebben als mensen zouden ze al op jonge leeftijd kanker moeten krijgen, maar dat is niet zo. Er zijn verschillende mechanismen geopperd om te verklaren waarom grote zeezoogdieren beschermd zijn tegen kanker. Eén daarvan is een veel tragere mutatiesnelheid. De ontdekking dat dit niet het geval is geeft meer gewicht aan andere mechanismen, zoals een hoger aantal kopieën van het p53 gen dat bescherming biedt tegen kanker.

Als laatste conclusie stelt Palsbøll dat het onderzoek aantoont hoe belangrijk langlopende ecologische onderzoeksprojecten zijn, zoals de onderzoeken waarbij alle weefselmonsters van walvissen zijn verzameld. ‘Het is moeilijk om dat type onderzoek te financieren, maar we hadden ons werk niet kunnen doen zonder de langdurige inspanning en toewijding van heel veel collega’s die waarnemingen deden en monsters verzamelden waar wij gebruik van hebben gemaakt.’

Referentie: Marcos Suárez-Menéndez, Martine Bérubé, Fabrício Furni, Vania E. Rivera-León, Mads-Peter Heide-Jørgensen, Finn Larsen, Richard Sears, Christian Ramp, Britas Klemens Eriksson, Rampal S. Etienne, Jooke Robbins and Per J. Palsbøll: Wild pedigrees inform mutation rates and historic abundance in baleen whales. Science, 1 september 2023