De Afrikaanse longvis (Protopterus aethiopicus) heeft ruim 40 keer zoveel DNA als de mens. En een amoebe genaamd Polychaos dubium zou zelfs tweehonderd keer meer DNA hebben. Toch zitten wij duidelijk een stuk ingewikkelder in elkaar dan een amoebe. De hoeveelheid DNA bepaalt dus niet helemaal hoe ‘slim’ een organisme is. Wat bepaalt het dan wel?

Bij praktisch alle processen in cellen zijn eiwitten betrokken. Hoe ze eruitzien of opgebouwd zijn staat beschreven in stukken DNA genaamd genen. Zou er dan misschien een verband zijn tussen het aantal eiwit coderende genen en de complexiteit van een dier of plant? Ook dat is niet zo helder. Er zijn bijvoorbeeld rondwormen (veel voorkomende wormpjes, ook wel nematoda genoemd) die ongeveer evenveel eiwit coderende genen hebben als wij mensen. Waarom geldt er niet: “hoe meer genen hoe beter”?

Onderzoekers Margaret Johnson en Gerhard Hummer van het National Institutes of Health in Bethesda hebben dit onderzocht en hierover gepubliceerd in PNAS. Hun onderzoek ging uit van het feit dat eiwitten moeten binden met andere eiwitten om hun werk te verrichten in de cel. Alleen doordat eiwitten samenwerken, kunnen in een organisme complexe processen uitgevoerd worden. De onderzoekers hebben in een computermodel eiwitevolutie gesimuleerd en gekeken wat er gebeurt als er steeds meer verschillende soorten eiwitten in een cel aanwezig zijn.

De kans op een goede binding bleek exponentieel af te nemen met het aantal aanwezige eiwitten. En hierin zit de crux volgens Johnson en Hummer. Nuttige eiwitten kunnen geen paren vormen als er niet-nuttige eiwitten in de weg zitten. Je kent dit wel in een drukke kantoor ruimte. Als je met iemand samen probeert te werken, maar steeds andere mensen ook met je samen proberen te werken, komt dat de productiviteit niet ten goede. Johnson en Hummer concluderen hieruit dat meer eiwitcoderende genen op een gegeven moment een averechts effect hebben op de functionaliteit van diezelfde eiwitten. Hierdoor zullen dieren met steeds meer genen het evolutionair niet redden.

De onderzoekers hebben wel een idee wat ons dan onderscheidt van een ‘suffige’ amoebe. Wij laten voornamelijk nuttige eiwitten bij elkaar zitten. De mens heeft een heel scala aan verschillende soorten cellen, bijvoorbeeld neuronen, rode bloedlichaampjes of levercellen. Neuronen hebben niet alle eiwitten nodig die levercellen nodig hebben. Dan kunnen in die gespecialiseerde cellen veel eiwitproducerende genen ´uit´ worden gezet. Bij onze cellen zitten eiwitten elkaar hierdoor niet zo in de weg als bij amoebes. En zo kan het dat wij zulke complexe dieren geworden dat we kunnen nadenken over de verschillen tussen ons en amoebes.

Diederik Jekel

Margaret E. Johnson en Gerhard Hummer, Nonspecific binding limits the number of proteins in a cell and shapes their interaction networks, in PNAS, 27 december 2010