Geslachtsverandering en andere handige trucs van de Wolbachia bacterie

• Inleiding
• Doelen
• Wolbachia bacterie in pissebedden
• Het nut voor de bacterie
• Populaire vrouwtjes
• Hoe kun je weten of een vrouwtje "echt" is?
• Wolbachia onderzoek
• Blijven er nog wel mannetjes over?
• Vragen en opdrachten
• Andere voorbeelden
• Mijten
• Vragen en opdrachten (vervolg)
• Docentenhandleiding
• Antwoorden

Inleiding

Misschien heb je wel eens gehoord dat mensen van geslacht willen veranderen. Mannen die vrouw willen worden of andersom. Bij mensen is dat heel lastig, want mannen en vrouwen zijn heel verschillend. Mannen hebben een penis, vrouwen borsten. Mannen hebben baardgroei, vrouwen niet. Dit wordt veroorzaakt door allerlei hormonen die belangrijk zijn in verschillende fasen in het leven. Dat er verschillende hormonen zijn komt weer doordat er grote verschillen zijn tussen het X en het Y chromosoom. Bij sommige dieren is het verschil tussen de geslachts-chromosomen veel kleiner. Bij pissebedden zijn daardoor mannetjes en vrouwtjes bijna hetzelfde. Als je één hormoon (het mannelijk hormoon) bij pissebedvrouwtjes inspuit dan gaat er een penis groeien en krijgen ze meer haar. Als je dat doet als ze nog jong zijn worden het echte mannetjes.

Er bestaat een endocellulaire bacterie die het omgekeerde doet. Die zorgt ervoor dat pissebedmannetjes vrouw worden.

In het eerste deel van deze tekst staat hoe die bacterie dat doet, waarom dat voordelig is voor de bacterie en wat voor invloed het heeft op de pissebed. In het tweede deel van deze tekst staan een paar voorbeelden van andere trucs van deze bacterie.

Doelen

Na het lezen van deze tekst moet je

• weten wat de Wolbachiabacterie kan doen bij pissebedden.
• snappen waarom dat voordelig is voor de bacterie.
• andere voorbeelden kennen van wat Wolbachia kan doen.
• de volgende woorden kennen:

endocellulaire bacterie - bacterie die in de cellen van een ander organisme leeft

gastheer — het organisme waarin een ander organisme leeft. Dat is in dit geval de pissebed

primer — stukje DNA dat onder bepaalde omstandigheden plakt aan ander DNA

Wolbachia bacterie in pissebedden

Al in de jaren vijftig vond een franse onderzoeker tijdens zijn onderzoek in het veld steeds veel meer vrouwtjespissebedden dan mannetjespissebedden. Hij vond dat opmerkeijk omdat er normaal gesproken evenveel mannetjes als vrouwtjes zouden moeten zijn. Pissebedden hebben namelijk, net als mensen, geslachts-chromosomen. Geslachtsdeterminatie gaat bij mensen als volgt: Mannen hebben een X en een Y chromosoom, vrouwen hebben twee X chromosomen. Een kind krijgt van zijn moeder altijd een X chromosoom en van zijn vader een X of een Y chromosoom. Afhankelijk van wat je van je vader krijgt wordt je een jongen of een meisje

Bij pissebedden hebben mannetjes twee Z chromosomen en vrouwtjes een W en een Z chromosoom. Een pissebed krijgt van zijn vader altijd een Z chromosoom. Als een hij van zijn moeder dan een W chromosoom krijgt wordt hij een vrouwtje (WZ), als hij een Z krijgt van zijn moeder wordt hij een mannetje (ZZ). De helft van de pissebedden zal dus normaal gesproken vrouw zijn en de helft man (net als bij mensen). Nu bleek dat sommige pissebedden een bacterie in hun cellen hadden die ervoor zorgt dat ze vrouw worden ook al zijn ze ZZ. Daardoor was veel meer dan de helft van de pissebedden die de onderzoeker vond vrouw.

De bacterie doet precies hetzelfde als de W-chromosoom, namelijk hij stopt de translatie van het gen dat codeert voor het mannelijk hormoon.

Er bestaan dus 3 typen pissebedden: vrouwtjes, mannetjes en neovrouwtjes. Voor een onderzoeker is het verschil tussen een echt en een neovrouwtje niet te zien. Neovrouwtjes kunnen ook gewoon kinderen krijgen.

Het nut voor de bacterie

Endocellulaire bacteriën (bacteriën die in de cellen van een ander organisme leven) kunnen zich het makkelijkst verspreiden van moeder op dochter. De bacteriën die in een eicel zitten zullen zich verspreiden in het lichaam van het jonge beest. Een zaadcel is zo klein dat daar geen bacteriën inpassen, daarom kan een mannetje geen bacteriën aan zijn kinderen doorgeven. Een bacterie die in een mannetje zit is dus ten dode opgeschreven; als het mannetje doodgaat gaan alle bacteriën in hem ook dood en ze hebben zich niet verspreid.

Het is dus veel handiger voor de bacterie als de gastheer waar hij in zit een vrouwtje is.

Populaire vrouwtjes

Een nepvrouwtje is bijna hetzelfde als een gewoon vrouwtje. Er zullen nog maar heel weinig mannetjes in een met Wolbachia geïnfecteerde populatie zijn. Die zijn dan natuurlijk wel erg populair.

Onderzoekers zijn nu aan het bestuderen of gewone vrouwtjes populairder zijn dan nepvrouwtjes. Er wordt op dit moment onderzocht of mannetjes een voorkeur hebben voor "echte" vrouwtjes. Dit wordt gedaan door een pissebedmannetje bij twee pissebedvrouwtjes (een echte en een nep) te zetten. Die vrouwtjes moeten dan natuurlijk wel vruchtbaar zijn, dat wil zeggen dat ze eitjes hebben die nog bevrucht moeten worden. Dit kan men zien aan de kleur van de buik van het vrouwtje, als die wit is dan is ze vruchtbaar. Het mannetje is altijd wat actiever dan de vrouwtjes. De vrouwtjes zijn normaalgesproken opgerold en doen niets. Als het mannetje aan allebei de vrouwtjes een beetje gesnuffeld heeft gaat hij proberen om een van de vrouwtjes te bevruchten. Daarvoor moet het vrouwtje eerst uitrollen. Als het mannetje een beetje op haar rug krabbelt rolt ze soms uit. Dit kan wel heel lang duren, soms wel een paar uur. Het vrouwtje kan ook opgerold blijven en dan gebeurt er uiteindelijk niets.

Als het vrouwtje wel bevrucht wil worden gebeurt dit aan twee kanten, een vrouwtje heeft namelijk twee vagina’s en een mannetje twee penissen. Het lijkt erop dat mannetjes veel vaker kiezen voor het ongeïnfecteerde vrouwtje dan voor het neovrouwtje.

Hoe kun je weten of een vrouwtje "echt" is?

• stap 1

  geef de pissebed antibiotica, dan gaan de bacteriën dood.

• stap 2

  laat het vrouwtje paren met een mannetje

• stap 3

  kijk naar de kinderen. Als het vrouwtje WZ was dan zal de helft van de kinderen WZ zijn (en dus vrouw) en de helft ZZ (en dus man). Was het vrouwtje ZZ + bacterie dan zullen al haar kinderen ook ZZ zijn, en dus allemaal man.

• stap 4

  conclusie: als ze dus alleen maar zonen krijgt is ze een neo-vrouwtje, als ze zonen en dochters krijgt is ze een echt vrouwtje

Wolbachia onderzoek

Traditioneel worden bacteriën onderzocht door ze te kweken op petrischaaltjes en ze dan te bekijken. Jammergenoeg kan dit bij Wolbachia niet. Zonder een gastheercel (een cel van een ander organisme) kan deze bacterie namelijk helemaal niet leven. Tot tien jaar geleden werd er daarom maar heel weinig onderzoek gedaan naar deze bacteriën. Tien jaar geleden ontdekte men echter plotseling allerlei technieken waarmee men wel van alles over deze bacteriën te weten kon komen. De belangrijkste daarvan is de PCR techniek. Daarmee kan men stukken DNA vermenigvuldigen en aantonen.

De bacteriën kunnen met goeie microscopen meestal ook gezien worden, maar dan moet je natuurlijk wel eerst de gastheer doden. In pissebedden kan men niet zo makkelijk de bacteriën zien door de microscoop omdat er zoveel andere dingen in een pissebedcel zitten die ook rond en klein zijn dat men het verschil niet kan zien.

Wel is het mogelijk om de bacteriën te zien als ze eerst gekleurd zijn met een fluoriscerende primer. Een primer is een stukje DNA van ongeveer twintig base-paren dat onder bepaalde omstandigheden "plakt" aan het DNA van de bacterie. Onder een fluorescentiemicroscoop kan dan gekeken worden of de bacterie in het weefsel van een pissebed zit, en zo ja waar.

Blijven er nog wel mannetjes over?

Ja, er blijven nog mannetjes over. In ongeveer 10% van de gevallen geeft een moeder de bacterie niet door aan haar kind. Zo’n kind zonder bacterie zal een mannetje worden. Dit betekent dat iedere generatie weer 10% van alle nieuwe pissebedden man is. Een mannetje kan per jaar best 10 vrouwtjes bevruchten, dus de pissebedden sterven niet uit.

Vragen en opdrachten

1. Waarom is geslachtsverandering bij de pissebed relatief makkelijk?

2. Teken in het volgende schema de nakomelingen van vrouwtje A en vrouwtje B. Vrouwtje A is geïnfecteerd met een bacterie die niet feminiseert (dus van mannetjes vrouwtjes maakt), dus de helft van haar nakomelingen wordt mannetje en de helft vrouwtje. Vrouwtje B is geïnfecteerd met Wolbachia, dus al haar nakomelingen worden vrouwtje.
Geef in ieder hokje aan wat voor geslachtschromosomen een individu heeft (dus ZZ, WZ of WW), welk geslacht het individu heeft (dus m of v) en of het individu wel of niet geïnfecteerd is (+ of -). Vrouwtje A en vrouwtje B zijn al getekend. Als de helft van de nakomelingen man is en de helft vrouw, dan teken je één mannetje en één vrouwtje. Ieder vrouwtje wordt steeds bevrucht door een ongeïnfecteerd mannetje en ieder mannetje bevrucht een ongeïnfecteerd vrouwtje.

3. Bereken nu het percentage besmette individuen in de laatste generatie die je getekend hebt voor zowel vrouwtje A als B.

4. Hoeveel procent van de jongen in één nest erft de Wolbachia bacterie van de moeder?

5. De jongen die de bacterie niet erven worden bijna altijd mannelijk. Hoe komt dat?

6. Stel dat er een gen op het Z chromosoom zou zitten dat er voor zorgt dat maar de helft van de jongen de Wolbachia zou erven. Wat zou er dan met dat gen en met de populatie gebeuren?

Andere voorbeelden

Bij sommige soorten lieveheersbeestjes komt ook een soort Wolbachia bacterie voor. Deze zorgt ervoor dat de eitjes die man zouden worden dood gaan zodat alleen de vrouwtjes overblijven. Dit is handig voor de bacterie. Om te begrijpen waarom moet je het volgende weten.

Bacteriën planten zich voort door steeds te splitsen in tweeën. Daardoor zijn alle bacteriën in de cellen van een lieveheersbeestjes familie precies hetzelfde. Een bacterie die in een mannetje zit (en dus ten dode opgeschreven is) kan dus maar het beste ervoor zorgen dat de bacteriën in de vrouwtjes van dezelfde familie wel overleven.

Als alle mannetjes dood zijn hebben de vrouwtjes een grotere kans om te overleven omdat er meer eten voor ze is. Dus zorgen de bacteriën ervoor dat de mannetjes doodgaan en de vrouwtjes niet. In zo’n gezin worden ook maar de helft van het normale aantal kinderen geboren. Vaak eten de jonge vrouwtjes de mannetjes-embryo’s op, dat is alvast een eerste maaltijd. Dit kan dus bestaan door het principe van kinselectie of verwantenselectie.

Een ander voorbeeld is vorig jaar ontdekt door een groep italiaanse onderzoekers. Zij hebben gevonden dat er bepaalde wormen zijn waarin ook Wolbachia bacteriën leven. Men wist allang dat deze wormen niet goed tegen antibiotica kunnen, maar men snapte niet goed waarom. Antibiotica werkt normaalgesproken namelijk alleen tegen bacteriën. Nu bleek Wolbachia een heel gunstig invloed te hebben op de wormen, en als de bacterie doodgaat, dan gaan de wormen ook dood. Dit is handig om te weten want dit soort wormen kunnen ook in mensen leven en daar worden we ziek van.

Mijten

Bij mijten (kleine spin-achtigen) heeft de bacterie een zeer ingenieus systeem om zich over een populatie te verspreiden. Hij zorgt er voor dat de ongeïnfecteerde vrouwtjes geen jongen krijgen als ze bevrucht worden door een geïnfecteerd mannetje. Hierdoor wordt een steeds groter deel van de populatie geïnfecteerd.

Stel bijvoorbeeld dat op een bepaald moment de helft van een mijten populatie geïnfecteerd is. Dan zullen de volgende kruisingen voorkomen:

1. een geïnfecteerd mannetje bevrucht een geïnfecteerd vrouwtje
2. een ongeïnfecteerd mannetje bevrucht een ongeïnfecteerd vrouwtje
3. een ongeïnfecteerd mannetje bevrucht een geïnfecteerd vrouwtje
4. een geïnfecteerd mannetje bevrucht een ongeïnfecteerd vrouwtje

• De nakomelingen uit kruising 1 zijn geïnfecteerd
• De nakomelingen uit kruising 2 zijn ongeïnfecteerd
• De nakomelingen uit kruising 3 zijn geïnfecteerd
• De nakomelingen uit kruising 4 worden niet geboren

In de volgende generatie is dus 2 op de 3 individuen geïnfecteerd. Als dit een aantal generaties doorgaat zal op den duur bijna ieder individu geïnfecteerd zijn.

Vragen en opdrachten (vervolg)

7. Teken in het volgende schema of er wel of geen nakomelingen komen en zo ja of ze geïnfecteerd zijn.

8. Vul het volgende schema verder in.

9. Schrijf in ongeveer 150 woorden wat je vindt over de volgende vragen.

Denk je dat onderzoek naar Wolbachia nut heeft? Zou het later nuttig kunnen zijn? Bedenk een argument voor onderzoek naar Wolbachia en een argument tegen.

Veel onderzoek aan universiteiten is niet direct toepasbaar, niet alleen biologieonderzoek, maar ook onderzoek in de natuurkunde, psyologie of bijvoorbeeld Engelse taalkunde. Meestal wordt dit soort onderzoek door de overheid betaald. Vind je dat goed?

Docentenhandleiding

Beste docent,

De volgende tekst is bedoeld voor leerlingen in 5 en 6 vwo. De tekst gaat over de Wolbachia bacterie en zijn effect in pissebedden. Hieraan wordt onderzoek gedaan aan de universiteit van Poitiers in Frankrijk. In Nederland wordt er ook aan Wolbachia gewerkt, namelijk aan de Universiteit van Amsterdam en aan de Landbouwuniversiteit Wageningen.

In de klas kan een discussie gestart worden over de inhoud van de tekst, maar ook bijvoorbeeld over het nut van fundamenteel onderzoek. Waarom stopt de regering geld in onderzoek naar geslachtsverandering bij pissebedden? Zal de informate misschien ooit voor andere doeleinden gebruikt worden, of maakt dat niet uit en is nieuwsgierigheid genoeg drijfveer om fundamenteel onderzoek te doen. Of gaat het net als bij bijvoorbeeld topsport misschien om status en vermaak?

Meer informatie kunt u vinden op bijvoorbeeld de volgende plaatsen:

http://www.wau.nl/pers/97/23.htm

http://www.spg.wau.nl/ento/hollands/Leerond/Stoutham/stproj8.htm

Hieronder volgen antwoorden op de vragen in de tekst. Daarna staan vragen die twee weken na het behandelen van de tekst gemaakt kunnen worden, om te zien wat de leerlingen er dan nog van weten. Veel succes en plezier met de les!

Antwoorden

1. Omdat het geslacht van een pissebed slechts bepaald wordt door de aan-of afwezigheid van één hormoon.

2. Het schema moet als volgt ingevuld zijn:

3. Bij vrouwtje A 100% en bij vrouwtje B 25% (NB het W chromosoom verdwijnt uit de populatie!)

4. 90%

5. Ze krijgen van de vader (die ZZ is) altijd een Z chromosoom, en van de moeder (die ZZ +Wolbachia is) ook. Als ze dus niet de bacterie erven worden ze een mannetje, volgens hun genotype. Hieruit blijkt dus ook dat in een geïnfecteerde populatie niet meer de geslachtschromosomen het geslacht bepalen, maar de aan- of afwezigheid van de bacterie. De bacterie is een zogenaamde Sex Determinig Factor (SDF) geworden.

6. Het gen zou zich verspreiden, want er zijn minder mannetjes dan vrouwtjes en mannetjes zullen dus relatief fit zijn. Dit zal ophouden als de sex ratio weer 50-50 is.

7.

8.