Heeft de mens een gen voor kou?

Deze zomer waren er dagen waarop ik maar aan één ding kon denken: kou. Terwijl de warmte boven de stad hing, fantaseerde ik over sneeuw, ijs en Siberië. Even leek −20 °C me een stuk aantrekkelijker dan nóg een tropische nacht.

Maar hoe zou het eigenlijk zijn om op een plek te leven waar zulke temperaturen normaal zijn? Tijdens mijn zoektocht naar het antwoord kwam ik terecht in Jakoetië, een gebied in het noordoosten van Siberië. In de winter kan het er onder de −50 °C worden en in uitzonderlijke gevallen zelfs tot in de zeventig graden onder het vriespunt.

Toch leefden moderne mensen al tienduizenden jaren geleden in dit deel van Eurazië. Dat roept een interessante evolutionaire vraag op: hoe heeft ons van oorsprong tropische lichaam zich aangepast aan zulke extreme kou?

Een groep Italiaanse onderzoekers zocht het antwoord in het DNA van de Yakut, die zichzelf de Sakha noemen, een volk dat al heel lang in het noordoosten van Siberië leeft. De onderzoekers vergeleken het DNA van de Sakha bovendien met dat van een genetisch verwante Russische bevolkingsgroep die eveneens noordelijk leeft, maar in een minder extreem klimaat. Zij vonden geen enkel bijzonder ‘gen voor kou’. In plaats daarvan vonden ze aanwijzingen dat natuurlijke selectie tegelijkertijd ingreep op verschillende biologische systemen die samen bepalen hoe ons lichaam energie gebruikt en warmte produceert.

Een interne thermostaat

Wanneer je in de winter zonder jas naar buiten stapt, merkt je lichaam dat vrijwel onmiddellijk. Bloedvaten in je huid trekken samen om warmteverlies te beperken, je spieren gaan rillen en je gaat verbranding omhoog.

Een belangrijke regisseur van die stofwisseling is de schildklier. Dit kleine vlindervormige orgaan in je hals produceert schildklierhormonen. Die hormonen beïnvloeden in bijna iedere cel hoe snel je energie gebruikt. Te weinig schildklierhormoon kan ervoor zorgen dat je moe en kouwelijk wordt. Bij een overactieve schildklier gebeurt ongeveer het tegenovergestelde: je stofwisseling draait sneller en je hebt het eerder warm.

Dat maakt de schildklier een interessante plek om te zoeken naar sporen van aanpassing aan de extreme kou in Siberië.

En inderdaad: de onderzoekers vonden bij de Sakha tekenen van natuurlijke selectie rond verschillende genen die te maken hebben met schildklierhormoon. Een daarvan is THRB. Dit gen maakt een soort ontvanger voor het actieve schildklierhormoon T3. Je kunt het zien als een oor waarmee een cel naar het signaal van de schildklier luistert. Hoe dat oor werkt, bepaalt mede hoe sterk een cel op schildklierhormoon reageert.

Ook RCAN2 dook op. Dat gen maakt zelf geen ontvanger, maar behoort wel tot de genen waarvan de activiteit verandert onder invloed van schildklierhormoon. Het zit dus een stap verderop in dezelfde biologische communicatieketen.

Dat juist op meerdere plekken in zo’n systeem sporen van natuurlijke selectie te vinden zijn, is opmerkeljiker dan één enkel ‘gen voor kou’. Het suggereert dat evolutie niet één knop van onze interne thermostaat heeft veranderd, maar op verschillende plaatsen tegelijk aan de afstelling heeft gedraaid.

En die thermostaat werkt bovendien niet alleen via de schildklier. Om echt warmte te maken, heeft het lichaam ook een bijzondere soort vet nodig.

Als je aan lichaamsvet denkt, denk je waarschijnlijk vooral aan energieopslag. Maar niet al ons vet doet hetzelfde.

Naast wit vet hebben we ook bruin vet. Wit vet slaat vooral energie op voor later, terwijl bruin vet calorieën uit verschillende brandstoffen, zoals vetten en suikers, juist kan verbranden om warmte te maken.

Vooral baby's hebben relatief veel bruin vet. Pasgeborenen kunnen nog maar beperkt warmte produceren door te rillen en zijn daarom sterker afhankelijk van deze vorm van warmteproductie. Ook volwassenen hebben nog kleine hoeveelheden bruin vet, vooral rond de nek en sleutelbeenderen en op enkele plekken rond grote bloedvaten en organen.

Bruine vetcellen zitten vol mitochondriën, de kleine energiecentrales van onze cellen. Normaal gesproken zetten mitochondriën energie uit voedsel om in ATP, de energiedrager die cellen gebruiken om allerlei processen uit te voeren.

In bruin vet gebeurt iets bijzonders. Daar zit veel van het eiwit UCP1. Dat zorgt ervoor dat een deel van de energie niet wordt vastgelegd in ATP, maar rechtstreeks als warmte vrijkomt. Bruin vet werkt daarmee een beetje als een biologische kachel.

Schildklierhormoon helpt die kachel aan te zetten. Het beïnvloedt onder andere de ontwikkeling en activiteit van bruin vet en de aanmaak van UCP1. Ook hier vonden de onderzoekers genetische sporen van natuurlijke selectie. Zo viel ERBB4 op, een gen dat betrokken is bij de ontwikkeling en warmteproductie van bruin vet.

Voor mensen die generaties lang in een extreem koud klimaat leefden, kan een systeem dat brandstoffen nét efficiënter in warmte omzet een duidelijk voordeel hebben gehad.

Kachelbrandstof

Warmte produceren is maar één helft van het probleem. Een kachel heeft ook brandstof nodig.

Wanneer je lichaam meer energie verbrandt om warm te blijven, moeten brandstoffen zoals glucose en vetzuren snel beschikbaar komen voor spieren en vetweefsel. Hier komt insuline in beeld.

Insuline kennen we vooral als het hormoon dat helpt om glucose uit het bloed de cellen in te krijgen. Misschien heb je de naam van dit hormoon een keer voorbij horen komen in de context van diabetes, oftewel suikerziekte. Maar insuline doet meer dan alleen je bloedsuiker regelen. Het helpt ook bepalen of energie wordt opgeslagen of juist beschikbaar komt voor gebruik door weefsels.

Tijdens blootstelling aan kou verandert bovendien de manier waarop spier- en vetcellen op insuline reageren. Dat is logisch: wanneer het lichaam extra brandstof nodig heeft om warmte te maken, moet energie op het juiste moment op de juiste plek terechtkomen.

Ook in dit systeem vonden de onderzoekers sporen van natuurlijke selectie. Zo zagen ze een signaal rond INSR, het gen dat de receptor voor insuline maakt. Die receptor is als het ware de ontvanger waarmee een cel het signaal van insuline kan opvangen. Daarnaast vonden ze signalen bij genen die helpen bepalen hoe vetten in het lichaam worden verwerkt en opgeslagen, zoals GPAT3.

De aanpassingen die de onderzoekers vonden, zaten dus niet in één los ‘gen voor kou’. Ze lagen verspreid over een netwerk dat bepaalt hoe brandstof wordt opgeslagen, naar weefsels wordt vervoerd en uiteindelijk in warmte wordt omgezet.

De schildklier zet de kachel aan; insuline helpt ervoor te zorgen dat er brandstof beschikbaar is.

Evolutie

Bij evolutie en aanpassing aan extreme omstandigheden denken we al snel aan één spectaculaire genetische verandering die een probleem oplost.

Een mooi voorbeeld is het vermogen om als volwassene melk te verteren. Daarvoor heb je lactase nodig: een enzym in je darmen dat melksuiker, lactose, afbreekt. Normaal gesproken maakt het lichaam na de kindertijd steeds minder lactase aan. Maar bij verschillende bevolkingsgroepen die veel melk gingen drinken, zorgde natuurlijke selectie ervoor dat varianten die de aanmaak van lactase op volwassen leeftijd in stand houden steeds vaker voorkwamen.

Verrassend genoeg vond de evolutie daarvoor niet overal precies dezelfde oplossing. In Europa en verschillende delen van Afrika en het Midden-Oosten ontstonden onafhankelijk van elkaar verschillende genetische varianten die uiteindelijk hetzelfde deden: het lactasegen actief houden. Evolutie kan dus meerdere wegen naar dezelfde uitkomst vinden.

Maar aanpassen aan extreme kou is nog ingewikkelder. Eigenschappen zoals lichaamstemperatuur en stofwisseling worden niet door één gen bepaald, maar door grote aantallen genen die ieder een klein stukje bijdragen.

Dat noemen onderzoekers polygene adaptatie. Natuurlijke selectie hoeft dan niet te wachten op één nieuwe mutatie die iemand plotseling goed bestand maakt tegen kou. Ze kan ook voortbouwen op genetische verschillen die al in een bevolking aanwezig zijn en over generaties kleine verschuivingen veroorzaken in allerlei genen tegelijk. Het absolute ‘gen voor kou’ bestaat dus waarschijnlijk niet.

De onderzoekers zochten daarom niet alleen naar afzonderlijke genen, maar ook naar groepen genen die biologisch met elkaar samenwerken. Daaruit kwamen onder andere schildklierhormoonsignalering, insulinesignalering, bruin vet en vetstofwisseling naar voren. Verschillende analysemethoden wezen bovendien deels naar dezelfde genen en biologische routes, wat de aanwijzingen voor natuurlijke selectie sterker maakt.

Erfenis van de Neanderthaler

Het verhaal wordt nog spannender als we ongeveer 60.000 jaar teruggaan in onze familiegeschiedenis. Rond die tijd verspreidden groepen moderne mensen (Homo sapiens) zich vanuit Afrika steeds verder over Eurazië. Daar kwamen ze Neanderthalers tegen, die al honderdduizenden jaren in Europa en Azië leefden en dus veel langer aan koude klimaten waren blootgesteld.

Onze voorouders leefden niet alleen naast Neanderthalers, maar kregen ook kinderen met hen. Daardoor bestaat tegenwoordig ongeveer twee procent van het DNA van veel mensen met voorouders buiten Afrika uit DNA dat oorspronkelijk van Neanderthalers afkomstig is.

Direct na die vermenging was dat aandeel waarschijnlijk groter. Veel Neanderthaler-varianten verdwenen weer, onder andere omdat sommige ervan in Homo sapiens nadelig uitpakten en door natuurlijke selectie werden weggefilterd. Andere bleven juist behouden — en sommige daarvan konden in een nieuwe omgeving zelfs een voordeel opleveren.

Wanneer zo'n geërfde variant door natuurlijke selectie wordt bevoordeeld, spreken onderzoekers van adaptieve introgressie. Je kunt het zien als genetisch materiaal ‘lenen’ van een mensengroep die al veel langer aan een bepaalde omgeving was aangepast.

Ook bij de Sakha vonden de onderzoekers hiervoor aanwijzingen. Rond onder andere RCAN2 en ERBB4 — genen die eerder al opdoken in de regulatie van schildklierhormoon en bruin vet — vonden zij stukken DNA die sterk lijken op Neanderthaler-DNA en tegelijkertijd tekenen van positieve selectie vertonen.

Dat betekent niet dat onze voorouders simpelweg een ‘gen voor kou’ van de Neanderthaler kregen. Maar het suggereert wel dat vermenging met andere mensengroepen een deel van het genetische gereedschap kan hebben geleverd waarmee latere populaties zich aan extreme klimaten wisten aan te passen.

Een tropisch dier in de sneeuw

Homo sapiens ontstond in Afrika. Anatomisch gezien zijn wij dus een tropische primaat die zich uiteindelijk verspreidde over woestijnen, hooggebergten, regenwouden en poolgebieden.

Dat konden we voor een belangrijk deel dankzij vuur, kleding, huizen en sociale samenwerking. Culturele aanpassing gaat bij mensen immers veel sneller dan genetische evolutie. Maar blijkbaar nam cultuur de druk van het klimaat niet helemaal weg. Terwijl mensen zich steeds verder naar het noorden verspreidden, liet die nieuwe omgeving mogelijk ook sporen achter in hun DNA.

Daarbij moeten we wel oppassen dat we het verhaal niet mooier maken dan het onderzoek kan bewijzen. De onderzoekers bestudeerden een relatief klein aantal complete genomen. Ze gebruikten verschillende analysemethoden om hun bevindingen te toetsen, maar benadrukken zelf dat het lastig blijft om echte polygenetische aanpassing te onderscheiden van andere vormen van natuurlijke selectie.

Bovendien maten ze niet hoeveel warmte de deelnemers produceerden, hoeveel bruin vet ze hadden of hoe hoog hun schildklierhormoonspiegels waren. We kunnen dus niet zeggen dat één van de gevonden genetische varianten iemand aantoonbaar beter bestand maakt tegen −40 °C.

Niet alle genetische signalen waren overigens uniek voor de Sakha. Sommige veranderingen in de insuline- en vetstofwisseling vonden de onderzoekers ook bij de Russische vergelijkingsgroep. De signalen rond de schildklierhormoonroute vielen juist specifiek bij de Sakha op. Mogelijk bouwde hun aanpassing aan de uitzonderlijke Siberische kou dus voort op oudere aanpassingen die al bij andere noordelijke Euraziatische bevolkingsgroepen aanwezig waren.

Maar juist dat maakt de uitkomst voor mij interessant. De studie wijst niet naar één bijzondere genetische verandering, maar naar kleine verschuivingen in verschillende systemen die met elkaar samenwerken: de receptor waarmee een cel naar schildklierhormoon luistert, de manier waarop insuline helpt brandstoffen te verdelen en het bruine vet dat die brandstoffen kan opstoken tot warmte.

Evolutie lijkt dus niet één nieuwe knop op onze interne thermostaat te hebben gezet. Ze heeft mogelijk aan allerlei bestaande knopjes tegelijk gedraaid.

En misschien leverde zelfs een klein stukje DNA van de Neanderthaler daarvoor een van die knopjes. Zo kan in het DNA van mensen die al generaties lang in Siberië leven nog altijd iets terug te vinden zijn van de lange geschiedenis waarin een tropische primaat zich steeds verder naar de kou waagde.

Een kou waar ik deze zomer graag over fantaseerde — maar waar ik waarschijnlijk na vijf minuten alweer zou verlangen naar mijn wollen sokken en een ouderwets milde, regenachtige Nederlandse dag.

Het originele artikel lees je hier.