Frank Grosveld en Jos de Mul. Opvoeding en omgeving kunnen net als eigenschappen erfelijk zijn. De Volkskrant. Het Vervolg, zaterdag 3 april 2010, 10.
Het Darwinjaar zit erop; de hoogste tijd om weer eens te kijken naar andere opvattingen over de evolutietheorie.
In het afgelopen jaar is de tweehonderdste verjaardag van Darwin en de honderdvijftigste verjaardag van diens boek On the Origin of Species gevierd met een stortvloed aan publicaties, lezingen, tentoonstellingen en televisieprogramma’s. Gezien de centrale plaats die Darwins evolutietheorie inneemt in de levenswetenschappen en de groeiende invloed ervan op de sociale en geesteswetenschappen is dat niet verwonderlijk. De filosoof Daniel Dennett noemt het idee van de natuurlijke selectie in zijn boek Darwin’s Dangerous Idea (1995) zelfs ‘het beste idee dat iemand ooit heeft gehad’. Tegen die achtergrond is het ironisch dat recent onderzoek noopt tot een herziening van het centrale dogma van het neodarwinisme, namelijk dat uitsluitend in het DNA vastgelegde eigenschappen kunnen worden overgeërfd. Dit noodzaakt tot een fundamentele herwaardering van de door (neo)darwinisten afgewezen opvatting van Darwins oudere tijdgenoot Lamarck dat tijdens het leven verworven eigenschappen op termijn kunnen worden overgeërfd. Zo’n herwaardering heeft belangrijke implicaties, bijvoorbeeld voor het zogenaamde nature-nurture debat.
Natuurlijke selectie
Darwins idee van natuurlijke selectie gaat ervan uit dat bij de reproductie van organismen altijd kleine, toevallige verschillen voorkomen tussen de nakomelingen. Verschillen die een succesvolle voortplanting bevorderen, worden overgedragen op de volgende generaties, andere verdwijnen uit de populatie. Door dit samenspel van toevallige verschillen en natuurlijke selectie ('Het toeval stelt voor, de natuurlijke selectie beslist') overleven de individuen en
Het menselijk genoom bestaat uit twee kopieën van ca. 25.000 genen met het daartussen liggende DNA (één set van elk der beide ouders) en is verdeeld over 46 chromosomen. De uitzondering vormt het X en Y chromosoom; de man heeft één X en één Y chromosoom, de vrouw twee X-chromosomen. In de geslachtscellen - eieren en sperma - wordt er tussen de twee kopieën DNA uitgewisseld, zodat er oneindig veel nieuwe combinaties kunnen ontstaan. Bij de bevruchting smelten een spermacel en een eicel samen waardoor een compleet uniek genoom wordt gecreëerd in het nageslacht met een combinatie van eigenschappen van beide ouders. In dit proces vinden er altijd, maar vooral onder invloed van externe invloeden zoals chemische stoffen en straling, 'kopieerfoutjes' plaats. Daardoor kunnen er 'letters' bijkomen, verdwijnen of van plaats verwisselen en nieuwe genetische eigenschappen ontstaan. soorten die het beste aangepast zijn aan de omgeving. Omdat de omgeving in de tijd verandert, is het een komen en gaan van een verscheiden aan soorten. Darwin was niet op de hoogte van de door zijn tijdgenoot Mendel gevonden erfelijkheidswetten en kon daarom niet verklaren hoe eigenschappen worden overgeërfd en hoe daarbij verschillen tussen individuen ontstaan. Het neodarwinisme, dat Darwins evolutietheorie combineert met de op Mendel voortbouwende moderne genetica, kan dat wel. De genetica leert dat alle erfelijke eigenschappen zijn vastgelegd in het DNA, spiraalvormige strengen, die bij de mens uit ca. drie miljard nucleotiden bestaan. In het DNA komen vier verschillende nucleotiden voor (A, G, C en T) en hun volgorde vormt de genetische code, die voor elke soort en individu uniek is. Genen, langere reeksen van die letters, vormen de 'recepten' voor het vervaardigen van eiwitten, die talloze functies in het organisme vervullen. Eiwitten zijn niet alleen de bouwstenen van het organisme, maar voeren bijna alle levensprocessen uit en reguleren die ook.
Combinatorische explosie Toen de ca. 25.000 genen van het menselijk genoom waren ontrafeld, viel het aantal vele mensen tegen, aangezien het 'eenvoudige' fruitvliegje al 16.000 genen had. Behalve uit gefnuikt menselijk superioriteitsgevoel kwam die teleurstelling ook voort uit de 'gencentrische' opvatting dat ieder gen één specifieke eigenschap bepaalt. Een opvatting die mede populair was door Richard Dawkins invloedrijke boek The Selfish Gene (1976), waarin het organisme wordt gedegradeerd tot een louter 'voertuig' van zelfzuchtige genen.
Genen werken echter zelden alleen, maar opereren in netwerken, waarbij hun functie vaak per netwerk verschilt. De voltooiing van het Human Genome Project (2003) was daarom geen eindpunt, maar eerder het startsein voor een opgave van ongekende complexiteit. Het aantal mogelijke combinaties van 25.000 genen is duizelingwekkend, zeker als men bedenkt dat in verschillende weefsels verschillende combinaties van genen tot expressie komen. Wiskundigen duiden dit aan als een 'combinatorische explosie'.
Terugkoppeling
Nu er steeds geavanceerdere bioinformatische analysetechnieken worden ontwikkeld, groeit het inzicht in de complexe samenwerking van de genen en de terugkoppeling die daarbij een grote rol speelt. Waar bij de ene mens een genetische aanleg voor longkanker ertoe leidt dat de ziekte ook daadwerkelijk tot ontwikkeling komt, gebeurt dat bij de ander niet. Dat komt omdat genen niets uit zichzelf doen, maar daartoe aangezet worden door andere stoffen zoals de door hen gecodeerde eiwitten. De moleculaire biologie ondergaat dan ook een verschuiving van de aandacht voor het genoom naar het proteoom, de eiwitten in de cel.
En de in opkomst zijnde systeembiologie onderzoekt hoe er vanuit hogere systeemniveaus – weefsels, organen, organismen – voortdurend terugkoppelingen naar de genen plaatsvinden die de expressie bevorderen of belemmeren. Het organisme, zo stelt systeembioloog Dennis Noble in The Music of Life. Beyond the Genome (2006), is niet zozeer het voertuig van de genen, maar de genen zijn eerder de gevangenen van de cel. Het wachten is op de studie van de invloed van de geest of gedrag (het 'mentoom') op de overerving van genexpressiepatronen. Onderzoek van Lumey (2007) en Heijmans (2008) suggereert dat het gedrag van anorexische moeders (dat vaak samenhangt met een negatief zelfbeeld) wel eens zou kunnen leiden tot obese kinderen met een verhoogde kans op hart- en vaatziekten via epigenetische effecten. Om levensprocessen te doorgronden is kortom een meer holistische benadering nodig, waarbij moleculaire mechanismen worden begrepen in het licht van het gehele biologische systeem.
Epigenetica
Recent onderzoek op het gebied van de epigenetica, die de externe invloeden van het milieu, de voeding en de leefgewoonten op genexpressie bestudeert, ondergraaft de 'gencentrische' visie nog verder. Eeneiige tweelingen zijn genetisch identiek, maar toch verschillen ze meer en meer naarmate ze verouderen als gevolg van de wisselwerking tussen aanleg, milieu en leefgewoonten die de expressie van genen beïnvloedt. Deze epigenetische wisselwerking verandert niet de code van het DNA, maar wel het vermogen en de efficiëntie om een gen al dan niet af te lezen. Dit gebeurt door middel van toevoeging van kleine chemische groepen aan de nucleotiden in het DNA zonder de identiteit van de nucleotide te veranderen. Epigenetische veranderingen geven dus een extra regulerende laag aan het gebruik van de code die opgeslagen ligt in het DNA en verschaft de mogelijkheid om genexpressie aan te passen aan externe invloeden, zoals voeding.
Het geheugen van de genen
Dat leidt tot opmerkelijke inzichten. Zo toonden Pembrey en Bygren in 2006 in een artikel in the European Journal of Human Genetics op basis van longitudinale data aan dat Zweedse mannen die tijdens hun preadolescentie ondervoed waren, kleinzoons kregen die minder vaak stierven aan hart- en vaatziekten. Kleinzoons van mannen die in tijden van overvloed hadden geleefd, stierven daarentegen juist vaker aan diabetes. Bij vrouwen bleek een omgekeerd effect op te treden en leefden hun kleinkinderen korter dan gemiddeld. Het onderzoek suggereert dat er hier deels sprake is van een lamarckiaanse overerving van tijdens het leven verworven kenmerken over meerdere generaties onder invloed van epigenetische veranderingen.
De lamarckiaanse bevindingen van Pembry en Byrgen zijn sindsdien door meerdere onderzoeken bevestigd. Skinner (PLoS One 2008) liet bijvoorbeeld zien dat blootstelling tijdens de zwangerschap aan een anti-schimmel middel uit de wijnindustrie bij ratten drie generaties later nog veranderingen teweeg bracht in het genexpressiepatroon. Opmerkelijk zijn ook de dierexperimenten van de onderzoeksgroep van Feig (Journal of Neuroscience 2009). Hij plaatste muizen gedurende hun adolescentie in een omgeving verrijkt met speeltjes, sociale interactie en een loopwiel. Het was niet erg verrassend dat bleek dat hun geheugenfunctie daardoor aanmerkelijk verbeterde. Wel verassend was dat de volgende generatie (via de moeder) ook over een beter geheugen beschikte, ook wanneer deze nakomelingen niet in een verrijkte omgeving werden geplaatst.
Transgenerationeel leren
Wat deze studies in overerving van verworven eigenschappen leren is dat de darwinistische visie op overerving een lamarckiaanse aanvulling behoeft. Darwin had overigens aan het eind van zijn leven ook al dat idee. Zo schreef hij in 1876 in een brief aan zijn collega Moritz Wagner: 'De grootste fout die ik heb gemaakt is dat ik onvoldoende gewicht heb toegekend aan de onmiddellijke invloed van de omgeving, zoals voedsel en klimaat etc.'
De rehabilitatie van Lamarck is niet alleen van belang voor het biologisch onderzoek. In de Westerse cultuur heerst al een aantal eeuwen een debat of (genetische) aanleg of opvoeding doorslaggevend is voor de ontwikkeling van een individu. In de loop van de tijd ging de slinger in dit 'nature-nurture' debat regelmatig heen en weer tussen die beide polen. Zo werd in de jaren zestig en zeventig van de vorige eeuw alle nadruk gelegd op opvoeding en omgeving. Een criminoloog als Buikhuisen die toen onderzoek wilde doen naar biologische factoren van crimineel gedrag, werd slachtoffer van een ware hetze. Mede door de grote vlucht die het genetisch onderzoek heeft genomen, is de slinger weer terug gegaan richting natuurlijke aanleg. Men hoopt voor iedere individuele eigenaardigheid een genetische aanleg te vinden.
De 'lamarckiaanse' wending in de moleculaire biologie naar de epigenetisch gedreven overerving is tegen deze achtergrond bijzonder relevant. Wat het onderzoek immers laat zien is dat natuur en opvoeding zeer nauw zijn verstrengeld. Niet in de zin dat ontwikkeling 'van allebei een beetje' is, maar omdat de effecten van opvoeding en omgeving zelf overerfbaar kunnen zijn. Wanneer Feigs experimenten met muizen ook van toepassing zijn op de mens, zou de consequentie daarvan wel eens kunnen zijn dat goed onderwijs niet alleen de huidige generatie slimmer maakt, maar ook de (klein)kinderen van die generatie. Dat lijkt ons een boodschap die de schrijvers van de onderwijsparagraaf van de verkiezingsprogramma's zich goed in de oren zouden moeten knopen.
