Nature Versus Nurture Versus Noise

Wetenschappers beschouwen het fenotype van een cel of organisme – de eigenschappen die tot uiting komen in zijn vorm, fysiologie en gedrag – als de complexe som van genetische en omgevingsfactoren, of “nature” en “nurture”. Veel onderzoek is gewijd aan het identificeren van de bijdragen van de eerstgenoemde factoren: om bijvoorbeeld vast te stellen hoe bepaalde mutaties de vorm van een ledemaat of het ontstaan van een ziekte kunnen bepalen. “Dat is zeker een zeer krachtig paradigma,” zei Arjun Raj, een systeembioloog aan de Universiteit van Pennsylvania. “We hebben daar enorm veel van geleerd, het is heel gemakkelijk om er een verhaal over te vertellen.”

Alles wat niet aan genetische controle kan worden toegeschreven, wordt vaak toegeschreven aan diverse omgevingsfactoren, variërend van voeding tot stress tot idiosyncratische sociale interacties. Het is een gedachtegang die “suggereert dat het iets buiten het organisme moet zijn,” zegt Kevin Mitchell, een geneticus en neurowetenschapper aan het Trinity College in Dublin.

Maar er is bewijs in overvloed dat dit niet helemaal waar is. Een identieke menselijke tweeling die zowel een genoom als een huis deelt, ziet er niet precies hetzelfde uit en gedraagt zich ook niet precies hetzelfde. Een mutatie die bij de één een aandoening veroorzaakt, kan dat bij de ander niet zijn. Tweelingen hebben zelfs verschillende vingerafdrukken.

Hetzelfde geldt voor bacteriepopulaties, klonale vissen, en inteeltvliegen en -muizen. Sommige ziekteverwekkers of kankercellen ontwikkelen resistentie tegen medicijnen, terwijl hun genetisch identieke zustercellen het loodje leggen. Broers en zussen van gemarmerde rivierkreeften die in een laboratorium worden grootgebracht waar hun omgeving constant wordt gehouden, krijgen niet alleen verschillende kleuren of vormen of gedragingen – hun verschillen zijn ook significant genoeg om een hele sociale hiërarchie op te bouwen.

Zelfs binnen een individueel organisme ontstaan er asymmetrieën tussen de linker- en rechterkant van het gezicht, het lichaam en de hersenen. Onderzoek maakt steeds duidelijker dat deze verschillen niet allemaal kunnen worden afgedaan als onverklaarbare milieu-effecten.

Wat overblijft is ruis – de willekeurige trillingen en fluctuaties die elk biologisch proces kenmerken. “Ruis is onvermijdelijk,” zei Andreas Wagner, een evolutiebioloog aan de Universiteit van Zürich, “een onvermijdelijk bijproduct van het leven.”

Wat ruis onontkoombaar maakt, legde Mitchell uit, is dat elk organisme veel te complex is voor genen om uitputtend en in hun eentje te bepalen hoe het precies moet worden opgebouwd. Alleen al de bedrading van de hersenen moet met betrekkelijk weinig instructies tot stand komen.

“Het genoom is geen blauwdruk,” zei Mitchell. “Het codeert geen specifiek resultaat. Het codeert slechts enkele biochemische regels, enkele cellulaire algoritmen waarmee het zich ontwikkelende embryo zichzelf zal organiseren.” Moleculen stuiteren rond en interacteren in een cel, binden zich en trekken uit elkaar en verspreiden zich willekeurig. De processen die proteïnen maken en genen aan- en uitschakelen zijn onderhevig aan deze “moleculaire jitter in het systeem”, zoals Mitchell het noemt – wat leidt tot een zekere mate van willekeur in hoeveel proteïnemoleculen worden gemaakt, hoe ze zich assembleren en vouwen, en hoe ze hun functie vervullen en cellen helpen beslissingen te nemen.

Dientengevolge is het volkomen natuurlijk dat ontwikkeling, het complexe proces dat van een enkele cel een volledig organisme maakt, “een beetje rommelig” zou zijn, aldus Mitchell.

Maar ontwikkelingsruis werd vaak afgedaan als niet meer dan dat: iets dat vertroebelt hoe biologische systemen idealiter zouden moeten functioneren. Het werd niet behandeld als een bron van biologische creativiteit op zichzelf, en het leek zeker niet iets dat ten grondslag kon liggen aan grote verschillen in eigenschappen die zo belangrijk zijn als gedrag of persoonlijkheid.

Zelfs toen wetenschappers zich wel wilden richten op de effecten van die ruis, liepen ze tegen een muur op: Ruis is per definitie niet systematisch of voorspelbaar, en als gevolg daarvan is het bijna onbetaalbaar moeilijk om het te isoleren en te meten. “Het is het moeilijkst om het te controleren, om ermee te spelen,” zegt Bassem Hassan, neurobioloog aan het Parijse Herseninstituut. “Je kunt spelen met het genoom, je kunt spelen met de omgeving, je kunt spelen met de fysiologie, je kunt bepaalde cellen activeren en andere niet. … Het is veel moeilijker om de variatie te manipuleren” en te bewijzen dat die de oorzaak is van verschillen in een interessante eigenschap.

Mitchell was het daarmee eens. “Door zijn aard,” zei hij, “is willekeurig materiaal gewoon super moeilijk om aan te werken.”

Maar dat begint te veranderen. De hulpmiddelen om het gedrag van afzonderlijke cellen te bestuderen, met inbegrip van hun genexpressie, eiwitproductie en beslissingen over het ontwikkelingspatroon, zijn verfijnd genoeg geworden om wetenschappers in staat te stellen vragen te stellen over subtielere oorzaken van variatie. En wat zij hebben ontdekt is dat ontwikkelingsruis een rol speelt die niet langer over het hoofd kan worden gezien. Het is niet alleen een onontkoombaar effect waar levende systemen mee te maken hebben, maar iets waar die systemen op geëvolueerd zijn om voordeel uit te halen, waardoor het een noodzakelijke drijfveer is geworden voor een goede ontwikkeling van een individu en misschien zelfs van de evolutie in het algemeen.

A Rainbow of Randomness

Een keerpunt kwam in 2002. Het begon met bacteriën en een regenboog.

Michael Elowitz, hoogleraar biologie en biologische techniek aan het California Institute of Technology, en zijn collega’s wilden variatie testen in E. coli cellen die in dezelfde omgeving groeiden. Zij brachten twee kopieën van een gen in de bacteriën in: een dat codeerde voor een cyaan fluorescerend eiwit, en een ander dat codeerde voor een geel eiwit. Omdat ze de genen zo hadden ontworpen dat ze identiek werden gereguleerd, verwachtten ze dat de cellen beide eiwitten in gelijke hoeveelheden zouden produceren. In plaats daarvan kwamen in elke cel de cyaan- en geel-genen ongelijk tot expressie – en die verhoudingen verschilden sterk van cel tot cel. Sommige cellen gloeiden meer geel dan cyaan, andere meer cyaan dan geel. Weer andere waren meer een mix, en dit alles gebeurde schijnbaar willekeurig. Elowitz en zijn team beseften dat deze regenboog een duidelijk resultaat was van de ruis die inherent is aan het proces van genexpressie. Ze zagen eindelijk de effecten van de “moleculaire jitter.”

Sindsdien hebben wetenschappers de rol bestudeerd die intrinsieke ruis speelt in andere cellulaire processen. Het is te zien in hoe een populatie van identieke cellen aanleiding geeft tot verschillende gespecialiseerde nakomelingen; in hoe sommige, maar niet alle, van een groep cellen reageren op een bepaald signaal; in hoe een zich ontwikkelend weefsel een patroon krijgt. Cellen maken gebruik van ruis om de nodige variabiliteit in hun gedrag en biologische toestand te creëren.

Maar dat is op het niveau van de cel. Het kan zijn dat die verschillen de neiging hebben zich uit te balanceren over veel van zulke cellen. Uitzoeken of ruis daadwerkelijk invloed kan hebben op organismen van een hoger niveau – zich voortplantend in de ontwikkeling om invloed uit te oefenen op hoe een volwassen dier zou worden – was dan ook een heel ander verhaal.

Vooreerst zou dat zeer specifieke experimentele systemen vereisen die bestaan uit vele individuen met hetzelfde genoom, zorgvuldig grootgebracht in dezelfde omgevingsomstandigheden. Tot op zekere hoogte is dat al gebeurd. Onderzoekers hebben ontdekt dat inteelt, genetisch identieke vliegen in het laboratorium unieke voorkeuren vertonen wanneer ze reageren op een navigatietaak. Gekloonde vissen vertonen gedragingen die even divers zijn als die welke worden waargenomen bij genetisch variabele vissen, terwijl het veranderen van de omgeving van de vissen een verwaarloosbaar effect heeft.

Maar deze resultaten bewijzen nog steeds niet dat ruis tijdens ontwikkelingsgebeurtenissen deze specifieke verschillen heeft veroorzaakt. “De zorg, wanneer je zegt dat er enige variabiliteit is in anatomie of fysiologie,” zei Mitchell, “is dat mensen altijd terug kunnen komen en zeggen: ‘Nou, dat is gewoon een omgevingsfactor waar je niets van wist.'”

Maar een nieuwe studie, geplaatst op de preprint site biorxiv.org in december, heeft dit soort werk naar het niveau van genexpressie gebracht – en bij een zoogdier, niet minder.

Kijk eens naar het negenbandgordeldier.

De vierling die er niet is

Negenbandgordeldieren hebben een ongebruikelijke voortplantingsstrategie. Ze hebben altijd nesten van vierlingen, vier genetisch identieke gordeldierbaby’s. Jesse Gillis, een computationeel bioloog aan het Cold Spring Harbor Laboratory in New York, en zijn collega’s besloten gebruik te maken van dat geboortepatroon om te bepalen wanneer willekeurige ontwikkelingsruis begint te leiden tot verschillen in de fysiologie en het gedrag van de volwassen dieren.

“Het is experimenteel gezien een fantastisch systeem om aan te werken,” zei Mitchell, die niet bij het werk betrokken was. “Ik bedoel, wie houdt er niet van gordeldieren?”

Gillis’ team ontdekte al snel dat variatie in genexpressie zeer, zeer vroeg verschijnt.

Ze verkregen bloedmonsters van vijf gordeldiernesten, bepaalden de sequentie van hun RNA op drie verschillende tijdstippen gedurende het jaar na de geboorte van de dieren en analyseerden die gegevens voor unieke genexpressiepatronen. Zij begonnen met te kijken naar een klassiek willekeurig proces in de genetica: de inactivering van een X-chromosoom.

In gordeldieren, mensen en de meeste andere zoogdieren, hebben de vrouwtjes twee X-chromosomen in elk van hun cellen. Om de expressieniveaus van X-gekoppelde genen tussen mannetjes en vrouwtjes consistent te houden, wordt op een bepaald moment tijdens de ontwikkeling één X-chromosoom volledig uitgeschakeld. Of een cel ervoor kiest het van de moeder geërfde of het van de vader geërfde X-chromosoom uit te schakelen, berust volgens Gillis volledig op toeval – als het opgooien van een muntje. Maar het opgooien van het muntje legt vast welke X-gebonden genen van de ouders tot uitdrukking zullen komen in alle nakomelingen van die cel.

Gillis’ analyse wees uit dat dit willekeurige opgooien van het muntje gebeurde toen de gordeldierembryo’s uit slechts 25 cellen bestonden. En omdat de precieze combinatie van 25 willekeurige maternale of paternale X selecties in elk embryo anders was, werd het een permanente “identificerende handtekening” voor elk van de genetisch identieke leden van het gordeldierbroedsel.

De groep richtte vervolgens hun aandacht op de 31 andere chromosomenparen in de gordeldieren. Geen van de chromosomen in die paren wordt zo volledig uitgeschakeld als de geïnactiveerde X, maar er ontstaan verschillen in hoe actief elk chromosoom is en hoeveel elk bijdraagt aan de totale genexpressie. De onderzoekers gebruikten een machine-learning methode om te analyseren wanneer die unieke verhoudingen vast kwamen te liggen in cellijnen. Ze schatten dat dit gebeurde toen de embryo’s nog maar een paar honderd cellen hadden.

In een gordeldier dat uiteindelijk een biljoen of zo cellen zal hebben, “gebeuren deze gebeurtenissen zo vroeg,” zei Kate Laskowski, een gedragsecoloog aan de Universiteit van Californië, Davis die verwant werk doet in klonale vissen, maar niet deelnam aan de studie. “Ze hebben de mogelijkheid om echt sterke stroomafwaartse effecten te hebben. Eén cel vroeg in je ontwikkeling wordt de stamvader van honderden, duizenden, miljoenen cellen later in je leven.”

Het is net als rimpelingen die zich in water uitbreiden: Gooi een steen in een meer, en zijn gewicht en vorm, samen met de kracht waarmee hij wordt gegooid, zullen ervoor zorgen dat hij een andere rimpeling veroorzaakt dan een andere steen zou doen. De voorspelbare fysica van hoe een rimpeling zich verspreidt, laat de effecten van die unieke beginvoorwaarden zich voortplanten. Op dezelfde manier wordt de willekeurige ruis die een licht verschillend patroon van genexpressie in elk gordeldierembryo tot stand brengt, versterkt door zijn invloed op andere ontwikkelingsprocessen en levert uiteindelijk verschillen in eigenschappen op.

Om te bepalen wat die stroomafwaartse effecten zouden kunnen zijn, onderzochten de wetenschappers verschillen in algemene genexpressie. Zij vonden dat gordeldier broers en zussen verschilden in de expressie van ongeveer 500 tot 700 van hun 20.000 genen (hoewel de wetenschappers ook verwachten dat hun analyse enkele fluctuaties miste, dus dit zou een onderschatting kunnen zijn). Bovendien waren het niet altijd dezelfde 700 genen of zo die werden beïnvloed in elk nest, wat verder bewijs biedt dat willekeur de variatie dicteerde.

Deze genexpressieverschillen leken op hun beurt te correleren met verschillen in een verscheidenheid van eigenschappen, vooral die in verband met immuun- en hormonale processen. Het duidelijkst is dat in één nest sommige van de genen geassocieerd waren met spiergroei – en deze broers en zussen varieerden inderdaad aanzienlijk in grootte. Hoewel er nog meer werk nodig is om deze associaties te bevestigen, schatten Gillis en zijn collega’s dat ongeveer 10% van de totale variatie die zij bij de gordeldieren hebben waargenomen, kan worden toegeschreven aan ontwikkelingsruis.

“Het idee dat je fenotype en hoe je je gedraagt het resultaat kunnen zijn van schijnbaar willekeurige gebeurtenissen wanneer je een bal bent van een paar dozijn tot een paar honderd cellen,” zei Laskowski, “voor mij is dat fascinerend.”

Fluctuaties die van invloed zijn op gedrag

Die willekeurige gebeurtenissen lijken de grootste rol te spelen als het op gedrag aankomt. Bij mensen, bijvoorbeeld, verschillen eeneiige tweelingen veel meer in psychologische trekken dan in fysieke. En omdat men denkt dat psychologische verschillen een afspiegeling zijn van hoe de hersenen in elkaar zitten, beginnen wetenschappers naar de hersenen te kijken.

Tijdens de ontwikkeling zijn hersenen bijzonder lawaaierig: verbindingen tussen neuronen groeien voortdurend en worden gesnoeid, vaak op willekeurige wijze. Ionenkanalen openen zich spontaan, en synapsen geven spontaan neurotransmitters af, zonder duidelijke reden.

Er zijn genen gevonden die de ontwikkelingsvariatie in anatomische en gedragskenmerken bepalen. Door deze genen te veranderen, hebben onderzoekers hun hypotheses over de rol van het geluid bij de vorming van de hersenen en het gedrag kunnen testen. Het meest verleidelijke voorbeeld hiervan verscheen eerder deze maand in een artikel van Hassan en zijn collega’s in Science.