Evolutie/De oorsprong en diversificatie van leven

Leven kan op vele manieren gekenmerkt en gedefinieerd worden. Voor de bespreking van de oorsprong van leven wordt de volgende definitie gehanteerd:

Leven bestaat uit georganiseerde materie die reproductie en natuurlijke selectie kan ondergaan.

Om te kunnen reproduceren heeft een levend systeem inherente erfelijke biologische structuren nodig. Dit vereist gebruik van energie met chemische reacties zoals die plaatsvinden gedurende het metabolisme. Een dergelijk systeem ondergaat natuurlijke selectie zodra er erfelijke variatie in aanwezig is.

Het eerste leven

Stromatolieten in Sharkbay, Westpunt van Australie

Alle levende organismen op Aarde hebben een universele gemeenschappelijke voorouder, die 3,5 miljard jaar geleden geleefd moet hebben. Dit moment wordt bepaald met het vaststellen van de geologische periode waarin de Aarde zich vormde tot de vorming van het geochemische en fossielenbestand.

Om te weten hoe oud de Aarde en haar rotsen zijn, wordt voornamelijk radiometrische datering gebruikt waarbij de hoeveelheid isotopen in een rots-monster geanalyseerd kan worden. Hieruit is gebleken dat de leeftijd van de Aarde van 3,8 tot 4,5 miljard jaar is. Een lange periode werd getekend door accretie van het stof en gruis rond de zon. Nadat de Aarde gevormd was, waren er frequente meteorietinslagen die zo zwaar konden zijn dat eventueel leven dat ontstaan was weggevaagd werd. Men schat dat dit fenomeen rond de 4 miljard jaar geleden afzwakte. Fossielen van sporen van wat mogelijk de eerste bacteriën geweest zijn, tonen aan dat het leven op Aarde waarschijnlijk tussen 4 en 3,8 miljard jaar geleden ontstaan is.

Het leven moet zijn ontstaan uit niet-levende materie. Een gemeenschappelijk kenmerk van moderne organismen is dat DNA voor proteïnen codeert en proteïnen DNA kopiëren. Beide moleculen behoren tot de niet levende materie. Maar de grote vraag is hoe kon de een evolueren zonder de ander. Om dit te onderzoeken kunnen de moderne organismen met elkaar vergeleken worden en is het zodoende mogelijk de kenmerken van het eerste leven te bestuderen waarbij experimentele en theoretische simulaties de hypothesen daarover kunnen testen. Er zijn een aantal stappen die bij het ontstaan van het eerste leven genomen zouden kunnen zijn. Een van deze mogelijke stappen is de vorming van organische moleculen vanuit anorganische moleculen. Hierna hebben zich waarschijnlijk de eerste primitieve metabolische netwerken gevormd gevolgd door de vorming van zelfreplicerende eenheden en daarmee de vorming van genotypes. Deze eenheden werden gescheiden in compartimenten waarmee de cel gecreëerd was en fenotype en genotype verbonden waren. Dit liet de vorming van de genetische code toe en de overname van de eerste replicatiesystemen door een systeem waarin DNA de overhand had.

De eerste organische moleculen

In Darwin’s tijd, rond de publicatie van The Origin of Species in 1850, was al bekend dat organische moleculen gevormd konden worden uit anorganische componenten. Het was echter pas na een eeuw, rond 1950, dat in het laboratorium de condities gecreëerd konden worden die op de vroege Aarde aanwezig geweest zouden kunnen zijn. Onder die condities werden voor het eerst verschillende organische stoffen gegenereerd. Het was een student van Harold C. Urey die het experiment uitvoerde. Deze student, Stanley L. Miller, stelde een gesimuleerde interface tussen oceaan en atmosfeer op, waarin methaan, ammoniak en waterstofgas gemengd werden met water dat langs een elektrische ontlading geleid werd, waarmee de bliksem nagebootst werd. Slechts na enkele dagen werden er aminozuren gevonden. Vervolgens werden ook guanine, adenine, cyano acetyleen (een mogelijke precursor van uracil en cytosine) en verschillende suikers gevormd. Dit zijn allemaal componenten die nodig zijn voor de synthese van ribonucleïnezuur. De verscheidenheid aan verkregen organische producten nam toe door het mengsel afwisselend aan droge en natte condities bloot te stellen. Een van de voorwaarden was een reducerende atmosfeer omdat men geloofde dat de condities op de vroege Aarde reducerend waren. Tegenwoordig gaat men uit van een licht reducerende atmosfeer en in dat geval worden er minder organische moleculen verkregen.

Reusachtige kokerworm naast hydrothermale bron

De ruimte daarentegen is reducerend en men heeft gezien dat kometen en meteorieten organische moleculen, zoals die verkregen met het Miller-Urey-experiment, bevatten. Een voorbeeld is de 4,6 miljard jaar oude meteoriet die in 1969 in Murchison, Australië insloeg die meer dan tien verschillende aminozuren bevatte.

Ook de hydrothermale bronnen vormen bij uitstek een reducerende omgeving. De tektonische platen schuiven uit elkaar en hete reducerende componenten borrelen omhoog. De eventuele eerste onstabiele moleculen vonden wellicht hogere stabiliteit zodra ze het koelere omringende zeewater bereikten. Het leven zou daar ook meer beschermd zijn tegen schadelijke straling die het oppervlak van de Aarde bereikte. In 1977 werden op meerdere kilometers diepte hydrothermale bronnen gevonden, die geheel bedekt waren onder levende organismen. Het leven daar wordt gevoed door chemosynthese en is daarmee onafhankelijk van zonlicht.

Chemische evolutie

Met de prebiotische synthese-experimenten zoals die van Miller-Urey, zijn er geen nucleotiden ontstaan en de bouwstenen van nucleïnezuur (DNA en RNA) ontbreken. Bovendien hadden de reacties een laag rendement, waardoor het onwaarschijnlijk is dat een dergelijk product aan de basis van leven heeft kunnen staan. Hierbij moet wel bedacht worden dat er een enorm lange periode beschikbaar was voor de reacties tussen de producten van het prebiotische synthese-experiment. Deze reacties op lange termijn worden chemische evolutie genoemd. Een voorbeeld zijn stoffen als ijzersulfide (FeS) en waterstofsulfide (H₂S) die met hun grote hoeveelheden vrije energie reacties aandrijven waar geen externe bron van energie zoals warmte of licht voor nodig is. Met deze chemische energie kunnen complexe polymeren ontstaan. Deze metaalsulfiden zijn overvloedig in hydrothermale bronnen aanwezig.
Chemische evolutie zou bijgedragen kunnen hebben aan de vorming van complexe polymeren. Polymeren van aminozuren worden in prebiotische synthese-experimenten zonder de noodzaak van chemische evolutie gevormd, maar de polymeren kunnen met deze laatste vorm van evolutie wel een grotere diversiteit ontwikkelen. Polymeren van nucleotiden kunnen met moeite in experimenten gevormd worden en de nucleotiden moeten altijd reeds aanwezig zijn in het chemisch medium. De vorming van de nucleotiden bij prebiotische synthese-experimenten daarentegen kan niet bereikt worden.

Evolutie en zelfreplicatie

Elk systeem van monomeren dat zichzelf organiseert in oligomeren kan ‘evolueren’, waarbij de meest stabiele moleculen die zich het snelst vormen, zullen overheersen. Maar zolang er geen variatie en differentiële overleving bereikt wordt, kan er geen sprake zijn van evolutie door natuurlijke selectie. Evolutie door natuurlijke selectie is essentieel voor leven. Daar zijn polymeren voor nodig die kopieën van zichzelf maken en moet er sprake zijn van erfelijke variatie. Daarin moet de replicator fouten maken waardoor er varianten ontstaan die opnieuw kopieën van zichzelf maken. Nucleïnezuur is de beste kandidaat voor de eerste replicator omdat zich basenparen vormen waarmee er een op template gebaseerde polymerisatie mogelijk is. Daarna moet er ook nog verbinding plaatsvinden tussen de tegenover het polymeer gepaarde monomeren. Hoe zich dat afgespeeld heeft in het verre verleden is niet duidelijk, maar er moet sprake geweest zijn van een zelfreplicerende eenheid ofwel een replicase.

Evolutie en compartimenten

De mutatiesnelheid moet hoog gelegen hebben, aangezien er nog geen correctiesystemen bestonden. Eigens paradox (de paradox van Manfred Eigen) stelde dat grote genomen nodig waren om ook voor correctiesystemen te kunnen coderen en het genoom van replicatie-fouten te ontdoen, maar dat alleen kleine genomen de grote foutgevoeligheid konden verdragen. Grote genomen konden echter niet ontstaan zolang de mutatiesnelheid hoog lag. Er ontbrak ook nog een manier om de producten van reacties en replicatie dicht bij elkaar te houden, waardoor kleinere of minder efficiënte genomen daarvan profiteerden en er op parasiteerden. De oplossing daarvoor was het ontstaan van compartimenten zodat het replicatie-systeem van de omgeving afgeschermd was.

Liposoom

Een mogelijke manier van vorming van compartimenten is misschien de oplossing geweest die leven uiteindelijk aangenomen heeft: de vorming van lipiden. Deze kunnen spontaan dubbele membranen vormen in water en na deze ‘oplossingen’ flink te mixen, kunnen er zelfs vetbolletjes met water erin ontstaan. Deze structuren worden liposomen genoemd. Het blijft echter de vraag of de compartimenten uit lipiden opgebouwd waren, ook omdat deze niet gevormd worden met het prebiotische synthese-experiment. Er moet ook communicatie zijn tussen het binnenste van de liposomen en de omgeving eromheen. Al het leven heeft daar membraaneiwitten voor die poriën kunnen vormen. Het zou ook heel goed een compartiment met een soort grotachtige ingang geweest kunnen zijn, een gat waar allerlei moleculen doorheen konden diffuseren. Dit zou de replicatie beschermen tegen het parasitisme, waardoor evolutie door natuurlijke selectie eindelijk kon aanvangen en vlugger kon verlopen.

RNA: informatie en katalyse

Het leven maakt gebruik van DNA als drager van informatie die erfelijk is, terwijl proteïnen en RNA de instructies vanuit het DNA uitvoeren. DNA katalyseert niet, maar codificeert de proteïnen, die zelf niet repliceren, maar wel de replicatie van DNA katalyseren. Dit is een zogenaamd kip-en-ei probleem, totdat in 1982 ontdekt werd dat RNA zowel de code draagt als katalyseert. Deze ontdekking door Thomas Cech en Sidney Altman, waarvoor zij de Nobelprijs ontvingen, gaf veel steun aan de theorie van een RNA-wereld, waarin niet alleen DNA en eiwitten een rol hebben in het ontstaan van de eerste cellen, maar ook RNA. RNA heeft verschillende rollen in de cel, in tegenstelling tot DNA dat voornamelijk de genetische code draagt. De belangrijkste en meest bekende zijn mRNA, dat een enkelstrengse kopie is van het DNA en een code vormt voor het uitschrijven van eiwitten, tRNA dat de aminozuren aandraagt tijdens de translatie en rRNA, ribosomaal RNA dat de machine is die het mRNA afleest en de eiwitketen verlengt. Veel RNA-soorten zijn identiek en alomvertegenwoordigd in de verschillende domeinen. Deze worden ook wel moleculaire fossielen genoemd. De centrale rol van RNA in de cel geeft aan dat het een belangrijke component geweest moet zijn vroeg in de evolutie van leven. Het wordt algemeen geaccepteerd dat het eerste leven uit een RNA-wereld bestond, waarin RNA zowel genotype als fenotype vertegenwoordigde. Met in vitro-experimenten is aangetoond dat ligasen kunnen ontstaan uit random RNA sequenties. Deze ligasen konden vervolgens langere RNA-ketens vormen. Van een ligase naar een polymerase is een kleine biochemische stap. Het is waarschijnlijk dat zodra de polymerase ontstond, hij kopieën van zichzelf kon maken. Deze replicase, die RNA kopieert zonder een primer nodig te hebben, kan vervolgens ook andere RNA-moleculen kopiëren.

Evolutie van de genetische code

Ribosoom - mRNA translatie met tRNA's die aminozuren toevoegen aan groeiende aminozuurketen

Voordat er sprake was van translatie hadden aminozuren interactie met RNA’s. Ze zouden de RNA-structuren hebben kunnen stabiliseren, zoals ze ook vandaag de dag nog doen. Ze zouden ook als co-factor van RNA’s hebben kunnen fungeren en er zo de katalytische activiteit van hebben doen toenemen.

In alle levende organismen binden tRNA’s aan het ribosoom om daar hun aminozuur, dat deel uit gaat maken van een peptide (een korte aminozuurketen of eiwit), af te geven. De theorie van stereochemie brengt de hypothese naar voren dat aminozuren een sequentie-specifieke affiniteit hebben met RNA. Deze interacties zouden de basis gevormd kunnen hebben van de genetische code. De stereospecificiteit bestaat dan tussen het aminozuur en de codons en de affiniteit kan groter of kleiner zijn. Dit verklaart ook waarom bepaalde aminozuren die aanwezig geweest hebben moeten zijn op de vroege Aarde, niet gebruikt zijn in de genetische code. Deze stereo-specifieke affiniteit kan ook een rol gespeeld hebben in het ontstaan van de eerste tRNA’s, waarbij de affiniteit tussen aminozuur en tRNA bestond en de ‘gewone’ RNA’s pas later van belang werden.

Nadat eenmaal het translatie systeem geëvolueerd was, namen de eiwitten de meeste katalytische functies over van het RNA en zo is het nog steeds tot op de dag van vandaag. Proteïnen hebben veel meer verschillende polymeren omdat ze over een groter alfabet beschikken (minstens 20 aminozuren). Ze kunnen daardoor veel meer reacties katalyseren dan RNA ooit kon.
RNA werd ook vervangen door DNA, in dit geval voor het dragen van de genetische code omdat DNA minder reactief en dus stabieler is. RNA is reactiever en daarom een goede katalysator. In huidige organismen worden de precursoren van DNA gemaakt van de precursoren van RNA waardoor het erop lijkt dat het vrij makkelijk geweest moet zijn DNA te maken als RNA al aanwezig was. Maar om de informatie die in RNA vastligt om te zetten in DNA is een reverse-transcriptase nodig, een enzym dat RNA ‘terugzet’ in DNA. Dit enzym wordt veel gevonden in virussen en transposons. Het kan zijn dat het omzetten van RNA in DNA slechts plaatsvond nadat de reverse transcriptase zijn intrede deed. Het is ook mogelijk dat de eenvoudige replicasen evolueerden in reverse transcriptasen die RNA vervolgens omzetten in DNA.

LUCA en de stamboom van het leven

LUCA, de Last Universal Common Ancestor, is de laatste universele gemeenschappelijke voorouder van al het leven. De eigenschappen ervan plaatsen dit organisme, dat uitgestorven is, aan de voet van de fylogenetische stamboom. De constructie van deze boom, betreffende alle levende organismen, heeft laten zien dat al heel vroeg gedurende evolutie, het leven zich opsplitste in drie domeinen: bacteriën, archaea en eukaryoten. Dat afstamming overigens niet altijd verticaal blijkt te zijn, heeft het onderzoek naar de oorsprong van leven wel bemoeilijkt.

Afstamming met Modificatie

Convergente evolutie: Analoge, convergente evolutie bij vissen, reptielen en zoogdieren. Er bestaan grote uiterlijke gelijkenis in de voorste peddel en de achterste vin van deze drie zeedieren, hoewel ze geen verband met elkaar hebben en een compleet andere interne skeletstructuur hebben. Het is een van de meest opvallende gevallen die bekend zijn van analoge evolutie. A, Haai (Lamna cornubica), met lange naar boven gerichte staartkwab. B, Ichthyosaurus (Ichthyosaurus quadricissus), met vinachtige peddels, lange lob van de staart naar beneden gericht. C, dolfijn (Sotalia fluviatilis), met horizontale staart, vin of staartvin.

De evolutie van soorten door de tijd heen kan weergegeven worden door een zich vertakkende boom. Elke soort splitst zich op den duur in twee soorten, die verder evolueren en zich opnieuw splitsen waardoor er meerdere vertakkingen ontstaan. Darwin begreep het mechanisme van erfelijkheid niet precies. Toch was hij overtuigd van het concept van verticale erfelijkheid. De enige illustratie in zijn On The Origin of Species was het eerste diagram van een fylogenetische boom.

Omdat het genetisch materiaal geërfd wordt, lijkt het nageslacht op de ouders, net zoals nieuwe soorten lijken op de ancestrale soorten waar ze van afstammen. Het delen van de kenmerken via gemeenschappelijke afstamming staat bekend als homologie waarbij de kenmerken homoloog zijn. Het kan dan gaan om genetische, morfologische of overeenkomsten in het gedrag. Onze handen en de vleugels van vleermuizen bijvoorbeeld zijn homoloog. Op den duur zullen de overeenkomsten echter verminderen als gevolg van divergentie ofwel descent with modification: afstamming gepaard met modificatie. Sommige kenmerken die gelijkenis vertonen, kunnen een onafhankelijke oorsprong hebben. In dit geval worden ze analoog genoemd. Analoge kenmerken kunnen ontstaan op twee manieren: door convergentie of door parallelle evolutie. Bij convergentie kan dit gebeuren met organismen die zich aanpassen aan dezelfde omgeving of die met dezelfde strategie leven. Het gaat dan om kenmerken van verschillende afstammingslijnen zoals bijvoorbeeld in het geval van aanpassingen aan het vliegen waarin er convergentie bestaat tussen de vleugels van vogels, vleermuizen en insecten. Om de evolutionaire geschiedenis van organismen te kunnen bestuderen, moeten er bijvoorbeeld kenmerken gekozen worden die niet onderhevig zijn geweest aan convergente evolutie en die ongeveer met dezelfde snelheid veranderingen hebben ondergaan.

Universele homologieën

Al de tegenwoordige levensvormen delen een gemeenschappelijke voorouder. Het bewijs daarvoor is het bestaan van universele homologieën. Deze zijn:

1. DNA als genetisch materiaal
2. kopiëren van DNA met gebruik van een template en door middel van het paren van de basen
3. transcriptie van DNA naar RNA door een polymerase met een homoloog katalytisch mechanisme
4. translatie van RNA naar proteïnen met de genetische drie-letter code
5. het gebruik van ribosomale RNA’s, transfer RNA’s en ribosomale proteïnen tijdens translatie
6. gebruik van ATP voor energieopslag en als bouwsteen voor DNA en RNA
7. de cellen zijn omgeven met een plasmamembraan waar voedingsstoffen en afval doorheen moeten.

LUCA en de drie domeinen van Leven

We gaan ervan uit dat kenmerken doorgegeven worden met verticale afstamming. Als twee soorten homologe kenmerken bezitten, kunnen we aannemen dat ze een gemeenschappelijke voorouder hebben. Hebben alle soorten, alle levende organismen, homologe kenmerken, dan kunnen we stellen dat ook deze een gemeenschappelijke voorouder hebben. Het is dan mogelijk de fylogenetische stamboom te tekenen van al het leven met als basis LUCA, de laatste universele gemeenschappelijke voorouder. Er bestaat echter ook laterale genoverdracht (HGT: horizontal gene transfer) wat het vaststellen van de kenmerken van LUCA lastig maakt. We moeten ons echter ook realiseren dat LUCA niet de enige universele gemeenschappelijke voorouder, maar wel de laatste is. Het is daarmee de voorouder van alle tegenwoordige soorten en de voorloper van de drie domeinen: archaea, bacteriën en eukaryoten. LUCA was ook niet de enige levensvorm, maar een van de zovelen. De andere levensvormen hebben echter geen nakomelingen in het heden achtergelaten omdat hun afstammingslijnen uitgestorven zijn.

De vraag is nu nu wat de kenmerken van LUCA waren. We weten bijvoorbeeld niet of bepaalde bestaande uitzonderingen op de genetische code recente ofwel afgeleide kenmerken waren of dat het juist voorouderlijke kenmerken waren en dus wellicht tot LUCA’s kenmerken behoorden. Er bestaan verschillende onderzoeken waarmee deze vragen beantwoord kunnen worden. Het bleef echter onduidelijk hoe de fylogenetische stamboom geworteld was en dus in hoeverre de drie domeinen van leven zich tot elkaar en tot LUCA verhielden. Met de opkomst van moleculaire biologie werd het mogelijk bepaalde kenmerken zelfs voorafgaand aan het bestaan van LUCA te plaatsen en dankzij het gebruik van zustergroepen was het mogelijk te bepalen dat de wortel van de fylogenetische boom tussen de bacteriën enerzijds en de archaea en eukaryoten anderzijds moest liggen.

Horizontale genoverdracht

Om de kenmerken van LUCA te kunnen bepalen was het nodig uit te gaan van verticale afstamming. Er vindt echter ook hybridisatie plaats tussen soorten. Een ingrijpender probleem echter is het fenomeen van horizontale genoverdracht waarbij genetisch materiaal uitgewisseld wordt tussen soorten. Daarom lopen sommige van de afstammingslijnen horizontaal, bijvoorbeeld tussen bacteriën en eukaryoten in het geval van de vorming van mitochondriën. Maar horizontale genoverdracht is eigenlijk en meer specifiek een vorm van bacteriële seks (conjugatie), waarbij stukken DNA uitgewisseld worden tussen verschillende afstammingslijnen van bacteriën. Dit zou kunnen betekenen dat LUCA niet zozeer als een cel met bepaalde kenmerken gezien moet worden, maar meer als een pool van genetische informatie waaruit de drie verschillende domeinen ontstaan zijn.

Horizontale genoverdracht

Veel organismen, vooral microben, pakken DNA op uit de omgeving (transformatie), zoals bijvoorbeeld in het geval van antibioticaresistentie. Het blijkt echter dat zodra de omgeving opnieuw vrij is van antibiotica, het opgenomen DNA weer verloren wordt, omdat het weinig voordeel oplevert. Er moeten wel erg sterke voordelen gekoppeld zijn aan het opnemen van extern DNA om het te behouden. Ondanks deze uitzonderingen op verticale afstamming laat onderzoek zien dat het concept van drie domeinen van het leven onveranderd is.

Virussen

Virussen worden vaak ten onrechte buiten de fylogenetische boom gehouden omdat ze geen deel uit zouden maken van het leven en slechts parasitair zijn. Er zijn echter verschillende parasieten of symbionten als mitochondriën en chloroplasten die wel binnen het kader van deze boom bestudeerd worden.

Virussen evolueren onafhankelijk en voor de recentere ‘soorten’ is het mogelijk fylogenetische studies te maken. Gaan we terug in de tijd, dan wordt het onderscheid onscherp. Virussen kunnen onderscheiden worden door verschil in grootte, vorm en de soort interactie die ze met hun gastheer hebben. Op deze manier zijn vele virussen in meerdere tientallen families ingedeeld. Dit ondanks de moeilijkheden die er bestaan in het classificeren. Virussen evolueren namelijk erg snel en zijn gevoelig voor horizontale genoverdracht. Bovendien zijn er geen genen die door alle virussen gedeeld worden, waardoor ze niet in een enkele boom geplaatst kunnen worden. Virale evolutie zou meer als een netwerk dan als een fylogenetische boom beschouwd moeten worden. Virussen zouden overblijfselen kunnen zijn van een precellulaire wereld. Veel virussen coderen inderdaad voor oudere versies van DNA polymerase, reverse transcriptase en reparatie-enzymen die niet overgenomen zijn van gastheercellen. Ze hebben ook hun eigen replicatie-machine wat een sleutel vormde tot evolutie. Mogelijk zijn een aantal van deze virussen parasieten van de eerste cellen geworden.

Diversificatie van Bacteriën en Archaea

Hoewel beide domeinen, bacteriën en archaea, verschillende evolutionaire lijnen volgen, hebben ze ook veel overeenkomsten. Ze worden samengevoegd in de groep prokaryoten (=’van voor de celkern’). De andere groep, die in een later stadium van evolutie ontstond, wordt gevormd door de eukaryoten (=’echte celkern’). Prokaryoten zijn haploïde, ze planten zich voort middels binaire deling en laterale of horizontale genoverdracht komt veel voor.

Biologische kenmerken

Bacteriën

Diverse prokaryoten: archaea, cyanobacteriën, gram (+) bacil, campylobacteriën, enterobacteriën, diplococcus en spirocheet.

Er bestaan enorm veel verschillen tussen de bacteriën, maar er zijn ook heel wat kenmerken die ze verenigen. Bacteriën zijn eencellig en zijn 1 tot 2 µm groot. Ze zijn staafvormig (bacilli) of rond (cocci), maar kunnen ook andere vormen aannemen. De cel is in elk geval omgeven door een membraan van fosfolipiden die op haar beurt omgeven is door een celwand van proteïnen en carbohydraten. In sommige soorten is de celwand dik en stevig terwijl in andere soorten deze celwand dun is en bedekt met nog een membraan dat poreus is. Dit is bepalend voor hoe de verschillende bacteriën kleuren met de kleurstof Gram. Bacteriën met een stevige celwand aan de buitenkant kleuren met Gram en worden daarom Gram-positief genoemd.

Aan de buitenste celwand of membraan zit een flagellum dat de bacterie laat voortbewegen langs chemische gradiënten (chemotaxis) of licht (fototaxis). Het genoom bestaat uit een groot circulair chromosoom. Vaak zijn er ook plasmiden aanwezig, kleine cirkels van DNA. De meeste soorten bacteriën zijn haploïde en vermenigvuldigen zich door binaire deling. Anders dan in eukaryoten is in prokaryoten transcriptie gekoppeld met translatie. Dat betekent dat zodra transcriptie start, de eenheden die proteïne synthetiseren zich aan het RNA bevestigen waarna de synthese van het eiwit begint. In eukaryoten wordt het RNA daarentegen in de celkern aangemaakt om vervolgens in het cytoplasma translatie te ondergaan. Er zijn bijzonder veel uitzonderingen op al deze kenmerken, zowel voor wat betreft de afmeting of het flagellum bijvoorbeeld, dat ook afwezig kan zijn.

Archaea

Archaea delen kenmerken zowel met bacteriën als met eukaryoten. Ze werden eerst gevonden in extreme omstandigheden, zoals hoge zoutconcentraties of erg hoge temperaturen. Men dacht daarom dat deze prokaryoten voortkomen uit de extreme condities van de jonge Aarde en gaf hen de naam 'archaea', wat ‘oud’ betekent. Later bleek dat ze ook in mildere milieus voorkomen, zoals in de open oceaan en in het spijsverteringskanaal van dieren. De archaea worden terecht extremofielen genoemd aangezien er voorbeelden zijn van archaea die bij 100°C leven (Pyrobaculum aerophilum), of in met zout verzadigd water (Haloferax vulcanii) of bij een pH van bijna 0 (Thermoplasma acidiphilum). Het fenotype van archaea lijkt op dat van bacteriën. Hun afmetingen variëren van 0,3 tot 6 µm. Ze hebben een membraan en een celwand en vrijwel al de hierboven genoemde kenmerken van bacteriën.

Overeenkomsten met de eukaryoten daarentegen zijn dat de chromatine gecondenseerd is. Daarbij wordt gebruikgemaakt van homologen van de histonen van eukaryoten. Hoewel de genen van archaea net als in bacteriën georganiseerd zijn in operons, lijkt het mechanisme van transcriptie meer op dat van eukaryoten. Archaea hebben promotors die gebaseerd zijn op TATA-boxen die onder controle staan van homologen van de eukaryotische proteïne die TATA-boxen bindt. Archaea hebben ook eigenschappen die kenmerkend en exclusief zijn voor hun eigen domein. Deze kenmerken betreffen vooral de structuur van de lipiden in het membraan. Deze geven meer stabiliteit aan het membraan, iets dat van pas komt in de extreme hitte waaraan ze soms blootgesteld worden. Deze eigenschap zorgt dat archaea makkelijk te identificeren zijn in monsters van micro-organismen en als ‘chemische fossielen’ in afzettingsgesteente.

Fylogenetische kenmerken

Vandaag de dag wordt de studie van fylogenie van prokaryoten uitsluitend nog met moleculaire analyse uitgevoerd. Moleculaire kenmerken worden verkregen met bestudering van DNA-DNA hybridisatie, Restriction fragment length polymorphism (RFLP), sequenties van genen en genomen en met het vaststellen van de aanwezigheid of afwezigheid van genen. Fenotypische eigenschappen zijn in het geval van de prokaryoten onbetrouwbare kenmerken voor fylogenetische reconstructie.

Alleen met moleculaire analyse is het mogelijk geweest vast te stellen dat archaea een aparte groep vormden. Moleculaire systematiek heeft het mogelijk gemaakt veel groepen bacteriën en archaea opnieuw te classificeren. Er werden zelfs organismen opnieuw ingedeeld waarbij het geslacht veranderde in een andere stam en vice versa. De classificatie met moleculaire systematiek heeft een grote impact gehad op biologie, medicijnen, landbouw en veeteelt. Studies die gebruik maken van ribosomaal RNA en PCR, zijn in staat de aanwezigheid van 16S ribosomaal RNA in een monster van ongecultiveerde microben te identificeren. Zo kunnen de fylogenetische types van organismen bestudeerd worden. Het is dan mogelijk RNA te hybridiseren met de sondes om te zien of het organisme aanwezig is in een monster of kweek. De helft van de 40 bekende bacteriestammen is op deze manier geïdentificeerd. Deze manier van identificeren heeft aangetoond dat er veel niet-extremofiele archaea bestaan in bijvoorbeeld de open oceaan. Het is ook aangetoond dat veel van de microben uit een watermonster helemaal niet in culturen of kweken kunnen leven en dus geen kolonies vormen. Er zijn dientengevolge veel organismen over het hoofd gezien.

Voorbeelden van diversificatie

In extreme omstandigheden

De warmwaterbron Grand Prismatic Spring in het Nationaal park Yellowstone in Amerika. Het water heeft een gemiddelde temperatuur van 70°C. De gele, oranjeachtige, roodachtige en bruinachtige gebieden zijn matten van extremofiele bacteriën (bijv. Phormidium, Synechococcus, Calothrix). De groenachtige gebieden zijn het effect van de vermenging van ‘blauw water’ met het licht dat wordt weerkaatst door de geelachtige bacteriematten.

Bacteriën en archaea die in deze omstandigheden leven worden wel extremofielen genoemd. Er zijn diverse extreme omstandigheden waar bepaalde prokaryoten de voorkeur aan geven. Het gaat om extreme hitte, tot wel meer dan 100°C waar normaal gesproken eiwitten bij denatureren. Ook aan een pH van 14 of van 0, waarbij normale organismen dood gaan, kan door bepaalde extremofielen de voorkeur gegeven worden. Andere extreme omstandigheden waar extremofielen leven zijn: omstandigheden met hoge druk, veel straling, zoutverzadiging en waterpotentiaal.

Verschillende Biochemische reacties

De prokaryoten zijn in staat vrijwel alle chemische en energiebronnen te gebruiken voor hun eigen metabolisme. De processen waarbij energie gewonnen wordt kunnen gebaseerd zijn op chemie of licht. De prokaryoten die daar gebruik van maken zijn respectievelijk chemotrofe of fototrofe organismen. De bron van elektronen bepaalt de indeling in lithotrofe en organotrofe organismen al naargelang het gebruik van respectievelijk anorganische of organische stoffen. De bron van koolstof, voor de groei van het organisme, kan anorganisch zijn, zoals CO₂, dat in grotere moleculen ingebouwd wordt. In dat geval gaat het om autotrofe organismen. Bij het gebruik van organische stoffen zoals suikers gaat het om heterotrofe prokaryoten. Alle mogelijke combinaties worden door zowel bacteriën als archaea gebruikt.

Koolstofassimilatie

Bacteriën en archaea kunnen vrijwel alle bestaande vormen van enkelvoudige koolstofverbindingen assimileren waaronder methaan (CH₄), methanol (CH₃OH), koolmonoxide (CO) en kooldioxide (CO₂). Koolstofassimilatie bestaat uit het combineren van bovenstaande anorganische enkelvoudige koolstofverbindingen met koolstofketens. Deze assimilatie is wat planten doen dankzij de chloroplasten, die afgeleid zijn van fotosynthetiserende cyanobacteriën. De meest bekende weg waarmee koolstof geassimileerd wordt is de Calvincyclus. Er bestaan methanogene archaea die methaan produceren met CO₂ of methanol (CH₃OH) met verschillende elektronen donors, ook H₂.

Lichtenergie

Fototrofe prokaryoten zetten licht uit het zichtbare spectrum om in energie voor hun eigen cel. Het zijn fotosynthetische organismen. Sommigen zijn ook heterotroof en halen energie uit organische stoffen. Met het vergelijken van alle fotosynthetische mechanismen, blijkt dat ze allemaal bestaan uit een antennecomplex dat het licht (foton) vangt en dat doorgeeft aan het reactiecentrum, waar de energie wordt onttrokken aan het electron om protonpompen aan te drijven. Het gradiënt van protonen dat zo ontstaat wordt dan gebruikt voor het produceren van energie in de vorm van ATP, klaar voor gebruik in de cel. De verschillen betreffen diverse soorten antenne-moleculen zoals chlorofyl, fycobiline, fycocyanine en caretenoiden. De reactiecentra zijn voornamelijk Fotosysteem I en Fotosysteem II.
Fotosynthese komt niet veel voor in de fylogenetische stamboom. Er bestaan slechts vijf bacteriegroepen, Chlorobium, Chloroflexi, heliobacteriën en α-proteobacteria. Alle andere fotosynthetische organismen zijn eukaryoten met chloroplasten die afgeleid zijn van cyanobacteriën. Alle vormen van fotoautotrofie ontwikkelden zich uitsluitend in bacteriën. Het is zeer waarschijnlijk dat de fotosynthese zich ontwikkelde in een groep waarna het met laterale genoverdracht doorgegeven is aan de andere groepen. Archaea gebruiken geen fotosynthese, maar pompen de protonen direct, gekoppeld aan de ontvangst van lichtenergie, de cel uit en gebruiken dan het gradiënt voor het produceren van chemische energie, ofwel ATP. Voor dit hele proces wordt bacteriorodopsine gebruikt. Bacteriorodopsine is ontdekt voordat de archaea als apart domein onderscheiden werden en ze zijn dus foutief benoemd. Deze rodopsinen van archaea lijken erg op de rodopsine in het menselijk oog, maar het is niet duidelijk of dit een convergente of homologe ontwikkeling is. Homologen van bacteriorodopsine zijn gevonden in bacteriën in de oceaan, waar de gegenereerde energie wel 20% is van het totaal aan door micro-organismen geproduceerde energie-budget.

Interacties met andere soorten

Symbiose is een interactie tussen twee of meer organismen en varieert van parasitaire tot mutualistische verhoudingen. Er zijn geen pathogene archaea bekend.

Wederzijdse symbiose

De meest bekende en belangrijke voorbeelden van symbiose zijn die betreffende de mitochondriën en chloroplasten. Chloroplasten waren ooit vrij-levende cyanobacteriën en mitochondriën zijn afkomstig van symbiose met 𝛂-proteobacteriën. Prokaryoten hebben een grote verscheidenheid aan biochemische reacties, die gedurende de vroege evolutie van eukaryoten van pas kwam.

Bipartiete en tripartiete cyanolichenen ofwel korstmossen bestaand uit een schimmel en cyanobacterie. A) In de bipartiete cyanolichen Peltigera scabrosa vormt de cyanobacteriële symbiont (Nostoc) een doorlopende laag net onder de bovenste cortex van de korstmosthallus B) Nephroma bellum is een ander voorbeeld van bipartiete cyanolichens C) In de tripartiete cyanolichen Peltigera aphthosa is de Nostoc symbiont beperkt tot wrat (vergroot weergegeven) op het bovenoppervlak van de thallus, terwijl de groene algensymbiont (Coccomyxa) de fotobiontlaag vormt. D) Nephroma arcticum is een ander voorbeeld van tripartiete cyanolichen. De grote cephalodia (wratten) van deze soort zijn intern, maar duidelijk zichtbaar door de bovenste cortex van de gehydrateerde thallus.

Een andere vorm van fotoautotrofe symbiose met cyanobacteriën is die in korstmos (lychenen). Een voorbeeld van chemoautotrofe symbiose is die plaats heeft rond hydrothermale bronnen tussen chemoautrofe bacteriën en de reusachtige kokerwormen (Riftia pachyptila). De bacteriën oxideren H₂S teneinde de koolstof te kunnen fixeren. De kokerwormen lijken op planten: ze zijn bevestigd aan de bodem en leveren chemicaliën en CO₂ aan de symbionten.

Andere vormen van symbiose zijn stikstoffixatie bij peulvruchten. De wortels van de plant worden bewoond door soorten Rhizobium of Bradirhyzobium die wortelknolletjes vormen en stikstof fixeren door het te reduceren in ammonium, dat de plant kan gebruiken.

Er is ook een symbiose tussen insecten die zich met plantensap voeden dat niet genoeg voedingsstoffen bevat. Bladluizen bijvoorbeeld zijn sinds miljoenen jaren symbiose aangegaan met bacteriën in hun ingewanden. Deze bacteriën hebben gereduceerde genomen, net als de organellen in de eukaryotische cel. Er zijn veel symbiosen bekend van bacteriën die in de ingewanden leven. Veel dieren, ook de mens, heeft bacteriën nodig voor het verteren van voedsel. Het beste voorbeeld is de digestie van cellulose, een complex koolhydraat. Herkauwers leven bijna uitsluitend op gras dat rijk is aan cellulose en dat verteerd en omgezet moet worden in suikers. Voor de productie van methaan in herkauwers zijn de archaea essentieel. Ze gebruiken daarbij H₂ en CO₂ dat vrijkomt bij de digestie van cellulose door de verschillende bacteriën. Ook methaan is een broeikasgas.

Pathogene bacteriën

Er zijn veel ziekteverwekkende of pathogene bacteriën bekend, maar onder de archaea zijn vooralsnog geen pathogenen ontdekt. De mechanismen waarmee mutualistische symbiose wordt aangegaan worden soms ook gebruikt door pathogene bacteriën. De transitie van mutualistische bacteriën naar pathogene bacteriën vergt niet veel stappen en het is mogelijk dat deze transformatie aan de basis heeft gestaan van de evolutie van pathogene bacteriesoorten. Er zijn soms bacteriën, zoals die van de darmflora die onschuldig zijn, maar die onder bepaalde omstandigheden pathogeen worden. Andersom is ook mogelijk geweest, waarbij mutualistische bacteriën afgeleid zijn van pathogene bacteriën.

Genetische kenmerken en die van het genoom

Dankzij de moleculaire systematiek is het mogelijk geweest onderscheid te maken tussen de twee groepen prokaryoten, bacteriën en archaea. Hoewel ze verschillend zijn, hebben ze ook veel overeenkomsten zoals circulaire chromosomen, een hoge dichtheid van genen, weinig introns en veel operons. Transcriptie en translatie worden gekoppeld, ze bezitten grote variatie in plasmiden en fagen. Er zijn ook verschillen in mechanismen van DNA replicatie en transcriptie.

Kenmerken genoom

Er bestaat grote variatie in de afmeting van het genoom, dat van 500 tot meer dan 5000 kilobasen groot kan zijn en is in vrijwel alle prokaryoten circulair. Vaak zijn er ook een of meer kleine cirkels van DNA, plasmiden genoemd, van 10 tot 100 kilobasen. Meestal dragen de plasmiden extra genen die alleen onder bepaalde condities nodig zijn, zoals voor de resistentie tegen antibiotica of voor het proces van conjugatie, wanneer DNA uitgewisseld wordt. Het circulaire chromosoom draagt dan de genen voor het onderhoud van de cel. Vaak zijn ze in meerdere kopieën aanwezig, hebben hun eigen replicatie-systeem en verschillende mutatiesnelheden. Plasmiden bewegen zich met gemak tussen de verschillende stammen en zelfs tussen de soorten en hebben daardoor een belangrijke rol in de laterale of horizontale genoverdracht. Bijna alle soorten bezitten een chromosoom en meerdere plasmiden. Er zijn echter ook bacteriën die behalve het circulaire chromosoom ook een lineair stuk DNA bezitten, dat allerlei nieuwe eisen stelt aan het replicatiesysteem. Ze hebben bijvoorbeeld enzymen nodig voor het verlengen van dat chromosoom na iedere replicatie-ronde, de telomerase. Deze is onafhankelijk van de telomerase in eukaryoten geëvolueerd en ze vormen een voorbeeld van convergente evolutie.

Het lac-operon is een stukje DNA, dat voor de afbraak van lactose de benodigde enzymen produceert.

Omdat de dichtheid van de genen bij prokaryoten hoog ligt, is er een flink verschil in genoomgrootte tussen bacteriën en archaea enerzijds en eukaryoten anderzijds. Dit heeft te maken met het feit dat introns en stukjes niet-coderend DNA niet veel voorkomen in het genoom van de prokaryoten. Ze bezitten operons, stukken DNA die de transcriptie regelen van hele clusters genen in plaats van een promotor voor elk gen, zoals in eukaryoten. Deze clusters bestaan vaak uit genen voor een functie, voor een enkele metabole route of een eiwitcomplex. Eukaryoten daarentegen bezitten veel zich herhalende sequenties. Veel daarvan wordt beschouwd als junk-DNA, ofwel DNA dat geen functie lijkt te bezitten. Eukaryoten kunnen vaak met een gen voor meerdere eiwitten coderen dankzij het mechanisme van alternatieve splicing, waarbij introns op verschillende manieren uit het transcript geknipt kunnen worden om de resterende delen aan elkaar te plakken voor translatie in een eiwit. Het genoom van prokaryoten is waarschijnlijk, door selectiedruk, meer gestroomlijnd dan dat van eukaryoten. De best geconserveerde sequenties in de verschillende bacteriën en archaea, zijn de genen die coderen voor de ribosomen. Wanneer er zulke sterke conservatie van deze genen bestaat over grote evolutionaire afstanden betekent het dat er een strak gecoördineerde regulatie nodig is tussen transcriptie en translatie voor een goed functioneren. Dit komt waarschijnlijk doordat transcriptie en translatie in bacteriën en archaea gekoppeld zijn (transcriptie en translatie worden tegelijkertijd uitgevoerd). Bij eukaryoten zien we daarentegen dat een dergelijke koppeling van gen-volgorde nauwelijks bestaat over zulke evolutionaire afstanden.

Horizontale genoverdracht

Omdat bij recombinatie gedurende geslachtelijke voortplanting van eukaryoten, er nieuwe combinaties van het ouderlijk DNA ontstaan, dacht men dat bij prokaryoten, waar geen geslachtelijke voortplanting plaatsvindt, geen genetische recombinatie voorkomt. We weten nu dat zowel bacteriën als archaea recombinatie kennen binnen dezelfde soort alsook tussen veraf gerelateerde soorten. Dit type recombinatie wordt laterale of horizontale genoverdracht genoemd. Horizontale genoverdracht verwijst naar het tegenovergestelde van verticale overdracht, waarbij het DNA van de ouders doorgegeven wordt aan de nakomelingen. Er zijn veel verschillen tussen horizontale genoverdracht en de overdracht bij geslachtelijke voortplanting. Bijvoorbeeld bij laterale genoverdracht wordt een deel van het DNA van een cel aan de andere doorgegeven. Het erfelijk materiaal wordt dus niet gemengd zoals bij de eukaryoten. Een ander verschil is dat de evolutionaire afstand tussen de twee prokaryote cellen groot kan zijn en zelfs tussen domeinen kan voorkomen (tussen bacteriën en archaea).

Er zijn drie vormen van horizontale genoverdracht:

1. Transformatie, waarbij de cel competent genoemd wordt wanneer ze DNA uit de omgeving op kan nemen.
2. Conjugatie, waarbij er een fysieke verbinding of brug bestaat tussen de twee cellen waardoor DNA van de ene naar de andere cel wordt doorgegeven. Het zijn de genen van de plasmiden die coderen voor het proces en die vervolgens doorgegeven worden waarna ze als plasmide blijven bestaan of deel uit gaan maken van het circulaire genoom van de cel. Conjugatie kan voorkomen tussen ver verwante soorten en zelfs tot in eukaryoten. Een voorbeeld zijn bacteriën zoals Agrobacterium tumefaciens die plasmide-DNA injecteert in een plantencel, waar dit DNA integreert in het plantengenoom en getranscribeerd wordt. Dit veroorzaakt kroongallen op de plant, die voedsel en metabolieten aanmaken voor de bacteriën. Dit proces van genoverdracht is van grote waarde gebleken voor onderzoek naar de moleculaire biologie van planten. De plasmide van A. tumefaciens wordt in het laboratorium gebruikt voor het overdragen van een grote verscheidenheid aan genen naar planten om zo hun genetische functies te kunnen bestuderen. Conjugatie is ook van groot belang voor antibioticaresistentie. Er zijn veel microben, dieren en planten die antibiotica produceren die de micro-organismen doden, beschadigen of er de groei van verhinderen. Vaak bevinden de genen die resistentie verschaffen zich op de plasmiden die via conjugatie overgedragen kunnen worden aan andere stammen en soorten. Zo kan antibioticaresistentie ver verspreid worden.

   

   Anatomie en infectiecyclus van faag T4. 1: Hechting van faagvezels aan een bacterie, 2: Injectie van DNA van de faag in de bacterie, 3: Synthese van faagcomponenten, 4: Assemblage van nieuwe fagen, 5: Openbarsten van de bacterie en vrijkomen van infectieuze fagen.

3. Transductie is een genoverdracht die verloopt via fagen, ofwel virussen van prokaryoten. De faag infecteert de cel en maakt veel kopieën van zijn eigen DNA en eiwitten voor nieuwe eiwitmantels, ook wel capsiden genoemd, die het DNA van de nieuwe fagen moeten omvatten. Zo af en toe gaat er ook een deel van het DNA van de gastheer mee de capside in, dat bij een volgende infectie in een nieuwe gastheer terechtkomt. Het kan ook gebeuren dat, gedurende de infectie, het fagen-DNA zich invoegt in het DNA van de gastheer. Met de productie van capsiden wordt dit DNA weer uitgeknipt en in de eiwitten opgeborgen, maar daar blijft vaak een stukje DNA van de gastheer aan zitten. Met een nieuwe infectie komt dit DNA in het circulaire genoom van de gastheercel terecht. De faag heeft met deze transductie gediend als vector. Veel fagen kunnen heel veel soorten infecteren en de transductie verloopt dan over grote evolutionaire afstanden. De betrokken genen hebben vaak een rol als pathogeen of zijn belangrijk voor de virulentie.

Barrières bij genoverdracht

Het DNA beweegt zich ondanks de laterale genoverdracht niet vrij rond in en tussen de prokaryoten. Restrictie-enzymen, die in veel bacteriën en archaea gevonden worden, herkennen vreemd DNA en vernietigen dit door het in stukken te knippen. Ze herkennen specifieke DNA-sequenties en knippen daar het vreemde DNA in stukken. Het genoom van het eigen DNA wordt niet herkend, of omdat de sequenties daar niet in zitten, of omdat het eigen DNA gemethyleerd is. Restrictie-enzymen zijn belangrijke instrumenten geworden in het laboratorium en openden de weg voor moleculaire biologie en genetische modificatie.

Verticale evolutie

Laterale genoverdracht is zo belangrijk dat het niet eenvoudig te bepalen is, in hoeverre het genoom van een soort bacterie of archaea eigen is aan die soort. Het is dan ook moeilijk een fylogenetische boom te creëren. Er bestaat echter in de meeste genomen, een kern van genen die niet overgedragen kunnen worden. Dat zijn meestal genen betrokken bij de informatie die de cel draagt, zoals replicatie, transcriptie en translatie. Genen die makkelijker overgedragen kunnen worden daarentegen, zijn operationele genen die belangrijk zijn in het metabolisme. Het blijft in ieder geval moeilijk om de verschillende soorten bacteriën en archaea te definiëren.

Diversificatie van Eukaryoten

De prokaryoten die verdeeld zijn in twee domeinen, de bacteriën en de archaea, bezitten geen celkern. Het genoom ligt in de cel. De eukaryoten, het derde domein, bezitten een celkern waarin het genoom verspreid ligt. Dit maakt ze niet alleen makkelijk te onderscheiden van prokaryoten, maar betekent ook veel voor de verschillende functies die daaraan verbonden zijn, zoals het proces van replicatie en transcriptie, de geslachtelijke voortplanting, de organisatie van de cel en de organisatie daarvan in meercellige levensvormen.

Introductie

Overeenkomsten en verschillen

Het domein van de eukaryoten bestaat uit een verzameling zeer uiteenlopende organismen, maar ze hebben ook veel overeenkomsten waardoor ze te onderscheiden zijn van bacteriën en archaea. De belangrijkste overeenkomst van de eukaryoten is de membraangebonden celkern. Deze is gevuld met chromatine, strak in eiwitten opgerold DNA, dat tijdens de celdeling nog strakker wordt opgerold tot zichtbare chromosomen. De transcriptie van het DNA vindt plaats in de celkern en het resulterende RNA wordt van de kern naar het cytoplasma getransporteerd om daar vervolgens translatie te ondergaan, gevolgd door de synthese van eiwitten. In bacteriën en archaea die geen celkern hebben, is transcriptie en translatie gekoppeld: terwijl het RNA zich vormt, vindt meteen translatie plaats.

1.Nucleolus; 2.Celkern; 3.Ribosoom (blauwe puntjes); 4.Vesikel; 5.Ruw endoplasmatisch reticulum; 6.Golgicomplex; 7.Cytoskelet; 8.Glad endoplasmatisch reticulum; 9.Mitochondrion; 10.Vacuole; 11.Cytosol; 12.Lysosoom; 13.Centrosoom; 14.Celmembraan

De eukaryotische cel bevat een ingewikkeld systeem van membranen die het Golgicomplex vormen, het endoplasmatisch reticulum, lysosomen en peroxisomen. Dit endomembraansysteem zorgt voor de aanmaak en het transport van eiwitten, voor afscheiding, fagocytose en exocytose van verwerkte voedingsstoffen. De membranen zijn voortdurend in beweging en vormen vesikels die verderop weer met elkaar versmelten. Er zijn ook andere membraangebonden organellen, de mitochondriën, en chloroplasten en hydrogenosomen. Om de celstructuur te bewaren is er een cytoskelet, dat ook steun biedt aan het transport van materiaal, organellen en chromosomen tijdens celdeling. Het cytoskelet bestaat uit microtubuli, microfilamenten en moleculaire motoreiwitten. De complexe flagellen van eukaryoten zijn anders dan die van de prokaryoten. Er bestaat daarentegen verwantschap tussen de RNA-polymerase die de transcriptie van mRNA verzorgt bij de archaea en de eukaryoten. Er zijn ook vergelijkbare eiwitcomplexen die zorgen voor transcriptie, replicatie en reparatie tussen eukaryoten en archaea, die niet overeenkomen met die van bacteriën.

De stamboom van de Eukaryoten

Stamboom van eukaryoten zoals gebruikt in 2020

De eerste classificatiesystemen maakten gebruik van morfologische en fysiologische kenmerken van de te classificeren organismen. De moderne classificatie daarentegen baseert zich op onderzoek in moleculaire fylogenetica. De eerste van deze onderzoeken beschouwden enkele genen, zoals die voor het ribosomale RNA (rRNA), maar uiteindelijk bekeek men meerdere soorten sequenties en uiteindelijk ook hele genomen met het onderzoek in fylogenomica.

Aan de boom van leven (Tree of Life = ToL) wordt nog steeds gewerkt. Het blijkt een paradox te zijn dat hoe groter de resolutie van de boom, hoe lastiger de vertakkingen te definiëren zijn. Er bestaat dan ook nog veel discussie over hoe de eukaryoten onderverdeeld moeten worden. De moleculaire fylogenetica van microbiële eukaryoten heeft de boom van leven opnieuw vormgegeven door supergroepen te benoemen, die de traditionele rijken van dieren, schimmels en planten vervangen en een veel grotere breedte aan eukaryotische diversiteit omvatten. In 2022 is er een nieuwe supergroep van microbiële predatoren bijgekomen, Provora genaamd, die opgedeeld kan worden in de claden Nebulidia and Nibbleridia.

De stamboom van eukaryoten is hiernaast schematisch afgebeeld. De buitenste cirkel geeft de namen van de supergroepen weer, en de namen in het verlengde van de tekeningen geven de claden en rijken weer. Eén van de dertig subgroepen zijn de Metazoa, de dieren. Hetzelfde geldt voor de planten (Chloroplastida) en de schimmels (Fungi). De overige groepen werden in het verleden gezamenlijk Protisten genoemd en beslaan een grote diversiteit aan eencelligen micro-organismen en soms ook meercelligen.

De plaats van de wortel van de boom is nog niet duidelijk in kaart gebracht. In 2023 werd een onderzoek gepubliceerd waarin vier stammen van de supergroep Excavata bijzondere kenmerken vertonen. Het gaat om Discoba, Fornicata, Preaxostyla en Parabasalia. Dit zijn bijna uitsluitend eencellige eukaryoten met meerdere flagellae. Discoba zijn aerobische cellen, maar hebben uitzonderlijk verschillende mitochondriën en mitochondriaal DNA. De overige Excavata zijn beperkt tot leefomstandigheden met een laag zuurstofgehalte en hebben gedegenereerde van mitochondriën afgeleide organellen zoals mitosomen of hydrogenosomen, die in Excavata in zuurstofarme milieus aanwezig zijn. Deze zo goed als anaerobische Excavata, Metamonada genaamd, hebben waarschijnlijk een rol gehad in zuurstofarme omgevingen zoals mariene sedimenten, die de meest uitgestrekte en minst onderzochte planetaire ecosystemen zijn. De bekendste Excavata zijn de parasieten bij de mens Giardia lamblia en Trichomonas vaginalis, maar de werkelijke diversiteit van de stammen van Excavata is slecht onderzocht. Het leven in afwezigheid van zuurstof, zonder mitochondriën in Parabasalia, Fornicata en Preaxostyla suggereert dat moderne eukaryoten ontstonden onder omstandigheden waarin geen zuurstof beschikbaar was en waarschijnlijk veel eerder dan verwacht zonder het voordeel van mitochondriale ademhaling. In dit onderzoek wordt afgeweken van de gangbare opvatting dat eukaryoten hun oorsprong vinden in de symbiose van een archaea met een proteobacterie en dat de afwezigheid van mitochondriën een secundair verschijnsel is. De mitochondriën zouden hier dus verloren zijn. Het onderzoek uit 2023 stelt daarentegen de hypothese dat de Excavata die mitosomen en hydrogenosomen hebben, voorlopers waren van de cellen met diverse mitochondriën tot aan de reguliere mitochondriën toe, waarbij de Parabasalia een gemeenschappelijke voorouder hebben met alle andere excavata en aan de wortel van de stamboom staan van de eukaryoten.

De eerste fossielen van eukaryoten

Geselecteerde neoproterozoïsche herwerkte (door erosie uit sedimenten van oudere lagen afkomstige) palynomorfen uit de Trias-Jura-grens in de kern van Mingolsheim (Duitsland). Alle schaallijntjes 20 μm. (a-c) Germinosphaera cf. G. bispinosa -acritarch (alg?); (d, e) Onbepaalde acanthomorfe (stekelige) acritarchen; (f) Ostiania microcystis Ming-39, Triletes Beds - koloniale cyanobacterie; (g) Ouraisphaera giraldae - fungi op land (h, i, k) Jakutianemia spp waarschijnlijk fungi op land.; (j) Obruchevella valdaica - cyanobacterie.

De opkomst van de eerste eukaryoten is een van de belangrijkste evolutionaire gebeurtenissen gedurende de ontwikkeling van leven op aarde. Eukaryoten verschijnen ruim na de bacteriën en archaea. De eerste overtuigende fossielen zijn gevonden in rotsen van ongeveer 1,9 miljard jaar oud uit het late Paleoproterozoïcum. De fossielen worden acritarchen genoemd, een collectief van verschillende microfossielen. Deze fossielen van de eerste eencellige eukaryoten onderscheiden zich door een grootte van 10 tot 200 µm. Alle supergroepen van eukaryoten zijn in staat cysten te vormen die een bestendige celwand hebben. Deze stellen de cellen in staat te overleven in moeilijke omstandigheden. De fossiele eukaryoten hebben vaak alle kenmerken van een cyste; een bestendige celwand met soms openingen, uitsteeksels en complexe structuren. Ook prokaryoten kunnen deze kenmerken bezitten, maar dan meestal een kenmerk tegelijk, nooit meerdere samen in eenzelfde prokaryoot. Omdat de fossiele eukaryoten gekenmerkt worden door de aanwezigheid van stekels en pylomen (openingen in de wand van de cyste, het omhulsel), moeten ze ook een cytoskelet bezitten. Ze synthetiseren sterolen zoals cholesterol, die, wanneer deze afgebroken worden, sporen van steranen in de zeebedding en sedimenten achterlaten. Dit kenmerk onderscheidt de eukaryoten duidelijk van de prokaryoten die nauwelijks tot geen cholesterol in hun membranen hebben. Ze leefden in een zuurstofrijke omgeving, wat betekent dat ze mitochondriale respiratie gekend moeten hebben. Dergelijke proxies, of indirecte bewijsstukken, worden gebruikt om te bepalen hoe ver de bestudeerde fossielen van eukaryoten geëvolueerd zijn.

Evolutie van eukaryoten

Eukaryogenese is het proces van het ontstaan van de eukaryoten. Eukaryogenese moet voorafgegaan zijn door endosymbiose, waarbij bacteriën en archaea zich mogelijk verenigden tot een cel, een symbiont, die de eerste gemeenschappelijke voorouder van de eukaryoten (first eukaryotic common ancestor - FECA) geweest is. Deze cel heeft langzaamaan bovenstaande kenmerken - cytoskelet, celwand, cholesterol, facultatief aerobe mitochondriën - van de acritarchen aangenomen om zich zo te ontwikkelen tot een populatie eencellige organismen, waaronder de laatste gemeenschappelijke voorouder van de eukaryoten (last eukaryotic common ancestor - LECA). Uit deze voorouder LECA is de kroongroep van de eukaryoten ontstaan, die de voorouders van dieren, schimmels, planten en een breed scala aan eencellige organismen bevatte.

Endosymbiose

Glaucocystis sp

In vrijwel alle eukaryoten bevinden zich mitochondriën. De planten en vele andere eencellige stammen, zoals rode en groene algen, dinoflagellaten, euglenoïden, cryptomonaden en glaucocysten, bevatten daarbij ook nog chloroplasten. Beide zijn zo geïntegreerd in de cel dat ze tegenwoordig aangeduid worden met ‘organellen’. Er is overduidelijk bewijs dat beide organellen, mitochondriën en chloroplasten, afstammen van endosymbiotische bacteriën.

De eerste indicaties in die richting waren de observatie met behulp van de microscoop dat de organellen die in het cytoplasma liggen, dubbele membranen bezitten van soms wel vijf lagen. Zowel mitochondriën als chloroplasten bevatten evenals bacteriën een circulair DNA waarvan transcriptie en translatie zich in hetzelfde compartiment voltrekt met vergelijkbare enzymen. Ze reproduceren net als bacteriën door middel van binaire deling, onafhankelijk van de door de celkern gecontroleerde celdeling. Chloroplasten lijken erg op cyanobacteriën. Ze zijn in staat licht te vangen waarbij ATP en NADPH geproduceerd worden om CO₂ te fixeren en waarbij O₂ vrijkomt. De verschillende eiwitten, pigmenten en processen die in deze reacties gebruikt worden, zijn vergelijkbaar met die van cyanobacteriën. Maar het bewijs dat chloroplasten en mitochondriën afgeleid zijn van bacteriën komt van de fylogenetische onderzoeken van hun genen.

Er zijn honderden andere soorten endosymbiose die tezamen de theorie ondersteunen dat organellen door endocytose zijn ontstaan. Er zijn in feite veel mutualistische symbiose tussen eukaryoten en intracellulaire bacteriën, die lopen van een symbiont die alleen een deel van zijn leven met de gastheer doorbrengt tot sterk onderling afhankelijke organel systemen. Aangezien dit zo vaak voorkomt, moet het relatief eenvoudig zijn dat een dergelijke symbiose zo evolueert. Een belangrijke eigenschap van eukaryote cellen is de mogelijkheid tot endocytose, waarbij de cel objecten en bacteriën kan omgeven met zijn membranen om deze de cel binnen te voeren in een vesikel. Endocytose wordt door de cel gebruikt voor het opnemen van voedingsstoffen, voor intercellulaire communicatie en voor het doden van ziekteverwekkers.

Het genoom van de symbionten is gereduceerd vergeleken met dat van de vrij levende bacteriën, omdat veel genen opgenomen zijn door het DNA in de celkern. Het genoom van mitochondriën en chloroplasten is uiterst gereduceerd en het ontbreekt ze aan veel bacteriële genen. De code voor veel van de ribosomale eiwitten die nodig zijn voor eiwitsynthese in het organel zitten in de celkern. Deze eiwitten worden in het cytoplasma gesynthetiseerd en vervolgens geïmporteerd in het organel.

Migratie van genen

Vaak hebben de organellen slechts zo’n 100 coderende genen, wat veel minder is dan de vrij levende bacteriën. Over het algemeen is hun structuur eenvoudiger: een celwand ontbreekt, de membranen zijn eenvoudiger, eiwitsynthese is verlaagd en de verscheidenheid aan transfer RNA (tRNA) is verminderd. Om dit te compenseren gebruiken ze wobble base-paring waarbij deze weinige tRNA’s veel codons kunnen herkennen. Integratie van het genoom van organellen kan zich voordoen gedurende de celdeling, wanneer de kern zijn membraan verliest. Soms presenteert het DNA in de celkern breuken waar het genoom van organellen of delen daarvan zich aan kunnen bevestigen. Dit fenomeen gebeurt met een hoge frequentie en met dezelfde snelheid als puntmutaties. Meestal is dit geïntegreerde DNA echter niet functioneel ook omdat in veel gevallen het niet zeker is dat het nieuwe stuk DNA uit het organel zich bij de juiste sequenties bevindt die er de transcriptie van reguleren. Ook al mocht dit goed gaan, dan nog is het de vraag of het product van dat gen opnieuw werkt in het organel en het is ook de vraag of dit product getransporteerd kan worden van het cytoplasma naar het organel. De vertraging die er kan bestaan tijdens het transport van de kern naar het organel zorgt ervoor dat bepaalde genen toch in de organellen blijven. Dat is bijvoorbeeld het geval met de eiwitten en het RNA voor de ribosomen. De genen daarvan in het organel zijn goed geconserveerd onder ribosomen en vrij-levende bacteriën.

Fylogenetische analyse van het genoom van bestaande plastiden en van genen die door de kern gecodeerd worden maar van de plastiden afstammen toont aan dat het spoor van alle plastiden terugloopt naar een enkele endosymbiotische gebeurtenis tussen een cyanobacterie en een eukaryote cel die meer dan 1,2 miljard jaar geleden plaatsvond. Hetzelfde geldt voor de bestaande mitochondriën, waarvan vastgesteld is dat deze afstammen van een α-proteobacterie. De oorsprong van de kern is niet duidelijk. Deze zou ontstaan kunnen zijn door de vorming van een membraan rond het genoom, maar het is ook mogelijk dat er sprake is geweest van fusie tussen cellen van verschillende afkomst. Er wordt in alle hypothesen rekening gehouden met het feit dat in de nucleus sommige genen op genen van archaea en sommige op genen van bacteriën lijken. Er kan sprake geweest zijn van fagocytose, maar in dat geval zou er geen celwand geweest kunnen zijn, terwijl dat juist een kenmerk is van zowel bacteriën als archaea. Het is ook van belang op te merken dat het DNA van bacteriën en archaea inderdaad los in de cel ligt, maar het ligt wel op elkaar gepakt en is bevestigd aan het celmembraan. Er is dan weinig nodig om dit bij elkaar liggende DNA te omgeven met een membraan. Er bestaan inderdaad bacteriën, de Planctomycetes, waarbij het DNA door een dubbel membraan omgeven is. Het is daarentegen ook goed mogelijk dat de kern afgeleid is van endosymbiose, net als de mitochondriën en chloroplasten. In dat geval is het genoom van de gastheer in een tweede stap geïntegreerd met dat van de symbiont, wat de chimerische afkomst van de genen in de kern zou verklaren. Ook in dit geval is het een vereiste dat de celwand bij de gastheer afwezig is.

Aangezien het mitochondriale genoom en dat van de chloroplasten zich onafhankelijk en met binaire deling reproduceert, is ook de selectieve druk op deze organellen anders dan bij het genoom in de celkern. Het genoom van de organellen wordt geërfd via de moederlijke lijn, van moeders zijde naar de nakomelingen. Dit maakt ze interessant voor het traceren van de moederlijke lijn in populatiestudies, net zoals het Y-chromosoom dat is voor de vaderlijke lijn. Organellen evolueren met een andere snelheid dan het genoom van de celkern. Bij dieren evolueren mitochondriën bijvoorbeeld sneller dan het genoom in de celkern, terwijl bij planten de mitochondriën langzamer evolueren dan het genoom. Dit gegeven moet natuurlijk meegenomen worden in de studies van populaties en die van evolutie.

Structuur van de celkern

Okazaki fragments in lagging strand gedurende DNA replicatie in Eukaryotes

Het DNA in de celkern is lineair en georganiseerd in chromosomen. Dat is een belangrijk verschil met prokaryoten, die een circulair chromosoom hebben. Elk van deze lineaire chromosomen heeft twee uiteinden, ook wel telomeren genoemd. Gedurende replicatie, voordat de cel gaat delen, worden de twee DNA-strengen los gewonden en op elke streng worden nucleotiden toegevoegd, maar de DNA-polymerase kan maar in één richting repliceren: van 3’ naar 5’ omdat nucleotiden alleen aan het 3’ uiteinde koppelen. Dit betekent dat er op een van de twee strengen, de lagging strand, steeds korte primers als kopie worden gevormd waarna de polymerase het overneemt tot aan het voorgaande fragment. Dit zijn de Okazaki-fragmenten die uiteindelijk door een ligase tot een streng worden verenigd. Wanneer de replicatievork het einde van het chromosoom nadert kan de primer het laatste stuk van de lagging strand niet aanmaken en ontbreekt het Okazaki-fragment aan het uiteinde van de nieuwe kopie. De telomerase verlengt dit einde met repetitieve sequenties en verhindert het korter worden van het chromosoom. Telomerases zijn verwant aan reverse-transcriptase van retrovirussen en van transposons. Deze gebruiken dit enzyme om het eigen RNA te kopiëren in DNA.

Een ander belangrijk kenmerk van eukaryoten is het centromeer. Deze structuur, die zich in het centrum van de chromosomen bevindt, wordt met microtubuli vastgezet tijdens de celdeling. Gedurende meiose en mitose trekken de microtubuli de chromosomen uit elkaar in tegenovergestelde richtingen zodat elke dochtercel een complete set chromosomen krijgt. De recombinatie die plaatsvindt tijdens de meiose gebeurt met hogere frequentie aan de uiteinden van de chromosomen, de telomeren, dan bij het centromeer. Natuurlijke selectie is in het laatste geval minder efficiënt en er bevinden zich rond het centromeer vaak onbelangrijke sequenties of licht schadelijk DNA.

Grootte van het genoom

In de meeste gevallen is het genoom van Eukaryoten groter dan dat van bacteriën en archaea. Sommige parasieten hebben een kleiner genoom en planten kunnen een veel groter genoom hebben. Uien bijvoorbeeld hebben een genoom dat 16 keer groter is dan dat van een tomaat en 5 keer groter dan dat van de mens en een amoebe heeft tenminste tien keer zoveel als een tomaat. Er bestaat geen correlatie tussen het aantal chromosomen en genen en de grootte van het genoom. Het extra DNA wordt junk-DNA genoemd en veel van dit DNA draagt weinig bij aan het functioneren van de cel. Het genoom van de eukaryote cel bevat nog veel andere opmerkelijke structuren zoals:

1. Tandem repeats: ook wel satelliet-DNA genoemd, bestaat uit repeterend lengtes DNA die zich rond de centromeren en de telomeren bevinden. Dit DNA kan bestaan uit een repetitie van 1 tot 100 bp die tot wel 1000 keer naast elkaar herhaald kunnen worden. Veel eukaryoten hebben tandem repeats van hele genen.
2. Transposons: in vergelijking met het gestroomlijnde genoom van bacteriën en archaea is het genoom van eukaryoten enorm uitgebreid door de aanwezigheid van mobiele DNA-elementen ofwel transposons. Deze mobiele elementen kunnen een belangrijk negatief effect hebben op het genoom van de gastheer en worden zelfzuchtig DNA (selfish DNA) genoemd. Transposons zijn er in verschillende vormen:
   1. Retroelementen maken kopieën van zichzelf door eerst een RNA te maken die met een reverse-transcriptase teruggeplaatst wordt op een andere plek in het genoom van het DNA. Hebben ze langere repetities (LTRs long terminal repeats) aan weerskanten van het retroelement dan worden ze gedefinieerd als retrotransposons. Deze retroelementen zijn verwant aan retrovirussen die ook LTRs bezitten en via een RNA-kopie repliceren. Retroposons daarentegen hebben geen LTRs en zijn in miljoenen verschillende vormen in het menselijke genoom aanwezig, evenals in dat van veel andere eukaryoten. De twee belangrijkste groepen retroposons zijn LINEs (Long interspersed nuclear elements) en SINEs (Short interspersed nuclear elements) LINEs kunnen met honderdduizenden kopieën in het genoom aanwezig zijn. SINEs hebben wel een miljoen kopieën per genoom en omvatten ook de Alu-sequenties. SINEs gebruiken de reverse transcriptase van andere retroelementen om kopieën van zichzelf te maken. Behalve deze retroelementen zijn er ook de
   2. replicatieve DNA transposons die een kopie van zichzelf elders in het genoom plaatsen en
   3. conservatieve DNA transposons die zich losmaken van hun plaats om zich elders in het genoom in te voegen. Ze zijn minder overvloedig aanwezig dan de retroelementen. Al deze inserties veroorzaken mutaties omdat de gensequenties onderbroken worden of omdat de regulerende sequenties ontwricht worden. De reverse transcriptase kan ook cellulair RNA omzetten in DNA wat zich invoegt in het genoom. Dit cellulaire RNA is al via splicing bewerkt en een DNA kopie daarvan komt niet meer overeen met het oorspronkelijke gen omdat de introns ontbreken. Dit bewerkte gen of cDNA (complementair DNA) accumuleert in het genoom en vormt daar pseudogenen. Deze laatste kunnen ook ontstaan door andere processen. Voor onderzoek doen ze dienst als neutrale evolutionaire markering omdat ze lijken op functionele genen, maar niet functioneel zijn, waardoor ze mutaties kunnen accumuleren, zonder dat dit consequenties heeft. Het is daarom mogelijk om er de mutatiesnelheid mee te bestuderen en ze te gebruiken als moleculaire fossielen in fylogenetische studies. Wanneer dezelfde pseudogenen voorkomen bij verschillende soorten is het mogelijk om fylogenetische reconstructies te maken.
3. Introns: de hoeveelheid introns varieert enorm onder de eukaryoten: sommige genen bevatten wel tientallen introns, waarvan de afmeting soms zo groot is als het genoom van een bacterie. Ze worden geclassificeerd in 4 groepen. groep I, groep II, tRNA en pre-mRNA. Groep I introns waren de eerste waarvan aangetoond werd dat ze katalytisch waren en zichzelf konden uitknippen. Het zijn voornamelijk introns in RNA's van de organellen. Groep II is ook katalytisch en kan zichzelf uitknippen in vitro. Ze zijn vergelijkbaar met spliceosomale introns. Ze worden voornamelijk gevonden in bacteriën en organellen. Spliceosomale introns, ook wel pre-mRNA of kern mRNA introns genoemd, hebben eiwitcomplexen nodig, ofwel spliceosomen. In de mens zijn spliceosomale introns veel voorkomend en erg groot. Vaak worden introns beschouwd als junk-DNA, maar de analyse van hun sequenties laat zien dat ze sterk geconserveerd zijn, wat betekent dat ze functioneel zijn en dat de sequenties bepalend zijn geweest voor hun evolutie. Introns zijn nodig voor het proces van alternatieve splicing, waarbij introns op verschillende manieren uit het mRNA geknipt kunnen worden. De exons, de stukken DNA die gezamenlijk het overblijvende deel in het uiteindelijke mRNA vormen, worden zo op verschillende, alternatieve wijzen gecombineerd. Met al deze alternatieve mogelijkheden tot herschikking kan bijvoorbeeld de mens miljoenen verschillende eiwitten maken met 25.000 verschillende voor eiwitten coderende genen. Alternatieve splicing kan innovatieve diversificatie tot gevolg hebben door het verlies van introns via reverse transcriptie, waarbij mRNA, waarvan de introns al uitgeknipt zijn, teruggeschreven wordt in DNA en teruggeplaatst wordt in het genoom. Innovatie kan ook plaatsvinden door de winst van introns via insertie van transposons.

Verscheidenheid in eukaryoten

Eencellige eukaryoten zijn zeer uiteenlopend

Vormen

Het grootste deel van de diversiteit van eukaryoten wordt vertegenwoordigd door de eencellige eukaryoten. Ook de biologische verscheidenheid, vooral in vorm en structuur, is daar het grootst. Deze diversiteit drukt zich uit in een verscheidenheid aan functies. Voorbeelden zijn de amoebe, die als vlakke cel over een oppervlak kan glijden, maar ook voedsel kan omgeven en opnemen, en de plantachtige vormen van eencellige algen. Deze kenmerken zijn aanwezig dankzij het zeer ontwikkelde cytoskelet en het intracellulaire transport, waarmee de cellen hun structuur kunnen behouden, maar ook snel van vorm kunnen veranderen. Het actieve transport maakt het de cellen mogelijk groter te worden aangezien het transport van moleculen sneller gaat dan in het geval van diffusie, zoals bij bacteriën en archaea.

Netwerken

Met het reguleren van de genen tot aan de eiwitproductie is het nodig betere en ingewikkelder netwerken te hebben. Dit geldt ook voor meercellige eukaryoten. Transcriptie is afhankelijk van de structuur van het DNA dat ingepakt is als chromatine, gemethyleerd is of supercoiled en dan zijn er nog promotors en veel andere factoren. De producten van transcriptie - pre-RNA - kunnen op vele manieren veranderd worden zoals door splicing, polyadenylatie en afbraak. De producten van translatie worden ook gemodificeerd zoals door acetylatie, (de)fosforylatie, glycosylatie en nog vele andere modificaties waaronder gereguleerde afbraak. In bacteriën en archaea vinden deze modificaties ook plaats, maar in veel mindere mate. De cellen zijn ook in staat het verkeer van eiwitten, metabolieten en organellen te regelen dankzij de hierboven beschreven modificaties van eiwitten.

Geslachtelijke voortplanting

Een celkern die het genoom bevat maakt geslachtelijke voortplanting mogelijk. Daarbij wordt het genoom van twee individuen gecombineerd zodat het genoom van de nakomeling gevormd kan worden. Geslachtelijke voortplanting is eigenlijk eenvoudigweg een cyclus met alternatie tussen een haploïde en diploïde toestand - respectievelijk een of twee kopieën van elke chromosoom per cel. De haploïde cel wordt gevormd via het proces van meiose van een diploïde cel. De haploïde gameten verenigen zich tot een diploïde zygote, die opnieuw haploïde gameten vormt door het proces van meiose. Gedurende meiose, met de formatie van haploïde gameten, bestaat er een moment waarin er crossing-over plaatsvindt. Dit gebeurt voorafgaand aan de eerste van de twee celdelingen, wanneer de homologe chromosomen (die van de vader en de moeder) naast elkaar liggen. Stukken chromosoom worden dan uitgewisseld. Dan deelt de cel zich een keer zoals gedurende een mitose en vervolgens een tweede keer zodat de resulterende cellen haploïde zijn, elk met DNA van zowel de vader als de moeder. Er bestaan ook polyploïde soorten, wat vaak een mutatie is van een diploïde soort. Deze polyploïde vormen kunnen niet meer reproduceren met diploïde soorten, wat tot soortvorming leidt. Polyploïdie komt vooral bij planten voor waarbij sedum en varens extreme voorbeelden zijn. Bij de mens en de aan ons verwante soorten, wordt de haploïde cel, het eitje, niet gedeeld zodat de haploïde fase tot een minimum beperkt is. In schimmels (Fungi) daarentegen is de haploïde fase de belangrijkste in de levenscyclus. Bij veel soorten insecten zoals bijen, wespen en mieren, zijn de mannetjes haploïde en de vrouwtjes diploïde. Dit zijn zogenaamde haplodiploïde soorten. Crossing over en segregatie zijn de belangrijkste processen in evolutie. Zij brengen de grootste variatie voort die van de ene op de andere generatie doorgegeven wordt.

Meercellige organismen en hun ontwikkeling

De ontwikkeling van meercellige organismen impliceert het ontstaan van vele verschillende celtypen uit een enkele cel. Al deze verschillende celtypen moeten gezamenlijk een bepaalde vorm aannemen. Dit doen ze al naargelang de aard van het bouwplan op basis waarvan alle dieren en planten beschreven en geclassificeerd worden. Dit heeft geholpen de evolutiegeschiedenis van deze organismen te begrijpen. Daarna is het dankzij nieuwe methoden mogelijk geworden de ontwikkeling van meercellige dieren en planten op genetisch en moleculair niveau te begrijpen. Zo kunnen processen gevolgd en begrepen worden zoals differentiële genexpressie en signalering van cel tot cel die de ontwikkeling leiden. Hieronder komen de mechanismen ter sprake die aan de basis staan van de transformatie van een enkele eicel tot een complex organisme (zoals een plant, dier of mens).

Het ontstaan van multicellulaire organismen

De stap naar multicellulaire organismen is van groot belang geweest in de evolutiegeschiedenis. Het ontstaan ervan maakte nieuwe niveaus van organisatie mogelijk. Men neemt aan dat multicellulaire organismen meerdere keren ontstaan zijn en dat planten en dieren een onafhankelijke multicellulaire oorsprong hebben. Hieruit ontstond de differentiatie, waarbij de cellen gedurende de ontwikkeling van het organisme gespecialiseerd raken in verschillende functies.

In werkelijkheid is er een continuüm van eencelligheid naar meercellige organismen. Eencelligen, waaronder ook bacteriën, kunnen in het binnenste van hun kolonies, in het centrum, cellen bevatten die een andere transcriptie ondergaan en een andere stofwisseling hebben dan de buitenste cellen omdat ze in een andere omgeving leven.

Meercelligheid

Meercelligheid kan ofwel ontstaan door celdeling waarbij de cellen niet loslaten, ofwel door cellen die samenkomen. Zelfs wanneer de cellen identiek blijven, kan een dergelijke vorm van meercelligheid bescherming bieden tegen predatoren of een betere hechting aan oppervlakken bijvoorbeeld. Is meercelligheid eenmaal bereikt, dan kan het proces een stap verder gaan en kunnen de cellen die deel uitmaken van de aggregatie differentiëren en specialiseren in bepaalde rollen.

Volvox

Volvocales: (A) Gonium pectorale, (B) Eudorina elegans, (C) Pleodorina californica en (D) Volvox carteri.

In de chlorophyta algae bevindt zich de orde Volvocales, waarvan de verschillende soorten een voorbeeld vormen van celdeling waarbij de cellen aan elkaar blijven zitten. Ze laten een geleidelijke overgang zien van eencelligen naar meercelligen met specialisatie van de verschillende cellen.

Chlamydomonas is een eencellige groene alg die zich met twee flagellen voortbeweegt, terwijl een meercellige soort zoals Gonium een platte plaat vormt die uit 4-16 cellen met trilharen bestaat. Dit zijn voorbeelden waarin de cellen allemaal hetzelfde zijn. In Pleodorina californica daarentegen bestaat de kolonie uit 64 tot 128 cellen waarvan er 24 of 48 somatisch zijn, wat betekent dat ze niet deelnemen aan de reproductie. De overblijvende cellen, die wel een rol in de reproductie hebben, bevinden zich in het achterste gedeelte van de kolonie. Al deze cellen hebben zweepstaartjes, zowel de somatische als de reproductieve cellen.

In Volvox carteri daarentegen worden er ook twee celtypen gevormd en behouden. De somatische cellen vormen een holle bal van cellen met twee flagella die de kolonie voortstuwen. Daarin bevinden zich de gonidia ofwel populaties van 16 reproductieve cellen zonder flagella. Deze gonidia kunnen jonge individuen zijn die, bij rijping met de vorming van hun eigen gonidia, vrijkomen waarbij de ouderlijke kolonie afsterft. Onder bepaalde condities van de omgeving kan Volvox carteri zich ook geslachtelijk voortplanten. Een geslachtelijk inductie-eiwit induceert de vorming van gonidia met spermacellen en gonidia met eicellen, respectievelijk, in mannelijke en vrouwelijke exemplaren. Deze cellen verenigen zich vervolgens en vormen zygoten.

Dictyostelium

De eencellige amoebe slijmzwam Dictyostelium discoideum is een voorbeeld van de aggregatie van individuele cellen waardoor een multicellulair individu ontstaat. Is voedsel in ruime mate beschikbaar, dan vermenigvuldigen de haploïde amoeba's zich eenvoudigweg door celdeling. Wordt het voedsel schaars, dan komen de cellen bij elkaar om grote aggregaties te vormen. De cellen van Dictyostelium scheiden dan cAMP(cyclisch adenosinemonofosfaat) uit. Het cAMP werkt als chemo-attractant voor de andere cellen die elkaar dan opzoeken om een ‘meercellig organisme' te vormen. De duizenden cellen samen vormen een ‘slak’ die zich over het substraat beweegt. Het voorste deel vormt uiteindelijk een stengel en de rest van de cellen zullen sporen vormen. De stengel richt zich op en de sporen verspreiden zich om nieuwe amoebes te vormen. De cellen van de stengel sterven dan af.

Dictyostelium is dus voor een klein deel van zijn leven meercellig. Het differentieert bovendien in twee verschillende cellen: in die van de stengel en van de sporen.

Communicatie tussen cellen

Volvox en Dictyostelium illustreren de evolutie van meercelligheid en differentiatie. Deze evolutie is mogelijk dankzij communicatie tussen de cellen. De cellen moeten aan elkaar blijven zitten en de kolonie moet een polariteit hebben. Deze fasen van groei, communicatie en differentiatie worden herhaald gedurende de embryonale ontwikkeling van dieren en planten, waarbij embryonale inductie van groot belang is.

Choanoflagellata

Choanoflagellata zijn eencelligen die tot vandaag voortgeleefd hebben en het dichtst bij de nog levende meercellige dieren staan. Ze hebben een eivormig cellichaam met een enkele flagel of zweepstaart die omringd wordt door een kraag fijne tentakels. Met het zweepstaartje creëren ze een waterstroom waarmee voedsel de kraag binnenkomt. Sommige soorten zijn altijd eencellig terwijl andere soms samenkomen afhankelijk van de hoeveelheid voedsel die beschikbaar is. Eind negentiende eeuw werd ontdekt dat vergelijkbare cellen deel uitmaken van sponzen waar ze met hun flagel en kraag voedsel vergaren voor de spons. Ze worden choanocyten genoemd en hun ontdekking gaf aanleiding tot de theorie dat de choanoflagellata dicht bij de meercellige dieren staan. Dit wordt ondersteund door fylogenetische onderzoeken. Choanoflagellata bezitten eiwitten zoals cadherine en de receptor voor tyrosine kinasen die in meercelligen essentieel zijn voor het aan elkaar verbinden van cellen. De vraag is nu wat deze eiwitten in eencellige organismen doen.

Volvox, Dictyostelium en de choanoflagellata illustreren het belang van prikkels uit de omgeving gedurende de evolutie van meercelligheid. Een groep cellen kan asymmetrisch worden na verschillende prikkels aan de boven- of onderkant van de groep cellen door bijvoorbeeld te zinken naar een substraat. De onderste cellen kunnen zonder trilharen blijven en zich hechten.

Specialisatie

Werkverdeling en het succes van meercelligheid

In Volvox bestaan twee soorten cellen: somatische en geslachtscellen, die verschillende vormen en functies hebben. Meer dan 600 miljoen jaar geleden ontwikkelden zich de eerste meercellige levensvormen, met compleet nieuwe aanleg en organisatie door een toename in complexiteit en differentiatie binnen de reproduceerbare ontwikkeling van embryo tot volwassen organisme. Kleine evolutionaire veranderingen in deze processen, mechanismen en patronen van differentiatie hebben geleid tot de enorme en opmerkelijke diversiteit van dieren en planten die we vandaag zien. De controle over de omgeving waarin de organismen zich als embryo ontwikkelen maakt de differentiatie reproduceerbaar. Deze differentiatie en specialisatie kan, zoals in de mens, ervoor zorgen dat geen enkele cel meer in staat is onafhankelijk te overleven.

Gedifferentieerde cellen hebben hetzelfde genoom

Praktisch alle gedifferentieerde cellen van een organisme hebben dezelfde genetische informatie. In één en hetzelfde organisme hebben de cellen van de lever dezelfde genen als de cellen van de hersenen. Dit is eenvoudig aan te tonen met cellen van planten. Wanneer deze cellen los van de plant in het juiste medium geplaatst worden, kunnen ze opnieuw een hele plant voortbrengen die zichzelf vervolgens bovendien door bestuiving of anderszins kan reproduceren. Een andere aanwijzing is het bestaan van minder sterk gedifferentieerde stamcellen in de huid, die zich kunnen differentiëren in gedifferentieerde huidcellen. Om aan te tonen dat de genetische informatie in alle cellen van een organisme hetzelfde is, werd het experiment van klonen opgezet. Daarbij wordt de celkern van gedifferentieerde cellen in een eicel geïnjecteerd waarvan het eigen genoom verwijderd is. De cel wordt geïmplanteerd in een donormoeder en kan zich ontwikkelen tot een pasgeborene die uitgroeit tot een volwassen organisme dat zich vervolgens voortplant en nakomelingen krijgt. Dit experiment toont aan dat ook gedifferentieerde cellen elk alle genetische informatie bevatten om alle andere cellen te kunnen maken.

De mechanismen van celdifferentiatie

Elke celsoort heeft een andere vorm en werkt met andere biochemische processen. Dit wordt op verschillende niveaus binnen de cel bepaald.

Transcriptie: In de meeste gevallen, wanneer bepaald moet worden welke eiwitten de cel gaat produceren, hangt dit af van het regelen van genen door de controle van transcriptie. Dit laatste gebeurt met activering of onderdrukking van een domein dat zich voor of na het gen bevindt en waaraan zich transcriptiefactoren binden. Combinaties van verschillende factoren kunnen in bepaalde soorten cellen bijzonder actief zijn en daarmee bepalen welke cellen een bewust eiwit aanmaken. Deze transcriptiefactoren staan op hun beurt ook weer onder toezicht van biochemische cascades, in het bijzonder signaaltransductie. Dit gebeurt op verschillende momenten en plaatsen tijdens de ontwikkeling.

mRNA: differentiatie van cellen kan ook gebeuren door modificatie van het mRNA. Dit gebeurt met alternatieve splicing waardoor een gen meerdere RNA’s kan voortbrengen. Afhankelijk van de soort cellen wordt mRNA verschillend gemodificeerd en wordt er een weefsel-specifiek eiwit aangemaakt. Ook de translatie kan stopgezet worden of juist aangewakkerd worden door respectievelijk degradatie of stabilisering van het RNA. Er bestaan ook mechanismen die, na binding van een ligand aan het celoppervlak, een cascade aan fosforylaties veroorzaken, waardoor de polymerisatie van actine wordt gestimuleerd. Dit maakt het de cel mogelijk een bepaalde vorm aan te nemen en te migreren.

Daarnaast is het van belang dat cellen en weefsels hun gedifferentieerde status behouden.