25 April 2012

We wish to suggest a structure for ...

25 april 1953:

"We wish to suggest a structure for the salt of deoxyribose nucleic acid (D.N.A.). This structure has novel features which are of considerable biological interest."

Dit was de openingszin van één van de meest beroemde wetenschappelijke publicaties allertijden: de beschrijving van de structuur van DNA door J. D. Watson en F. H. C. Crick in het tijdschrift Nature. De titel was: 'Molecular Structure of Nucleic Acids'.

Vandaag, 25 april 2012, de 59e verjaardag van DNA, is een aardige gelegenheid om daar even bij stil te staan. Let op hoe voorzichtig ze zijn: "we wish to suggest ...". Dit is meer wetenschappelijke etiquette, dan echte twijfel.

Is het echt nodig om (bijna) 60 jaar na de ontdekking van dna daar nog aandacht aan te besteden? We weten het nu toch allemaal al? Nee, we weten het nog niet allemaal. Op het internet en in boeken kun je nog de grootste onzin over dna lezen. Toevallig kwam ik dit bericht tegen: Opzienbarend nieuws omtrent DNA. Een citaat:
"Bovendien is er bewijs gevonden voor een heel nieuw soort geneeskunde waarin DNA kan worden beïnvloed door woorden, licht- en geluidsfrequenties, zonder dat er genen worden verwijderd, vervangen of weggesneden."
Om nog onduidelijke redenen zijn alle Westerse wetenschappers verdacht. Watson en Crick worden niet genoemd. Alle wijsheid komt uit Rusland:
"Niet alle genen worden voortdurend vertaald in alle eiwitten, slechts 10%. Het is deze 10% van het DNA die door Westerse onderzoekers wordt onderzocht. De andere 90% beschouwt men als ‘junk DNA’ (‘troep DNA oftewel niet-gecodeerde informatie).
Russische onderzoekers zijn van mening dat de natuur geen domme fouten maakt.
"
"Ons DNA speelt ook een essentiële rol als communicatiemiddel over grote afstand en in de opslag van informatie. "
en zo gaat het maar door. Het hoogtepunt is:
"Wetenschappers in Rusland hebben apparaten gebouwd die met geluids- en lichtgolven cellulaire metabolisme kunnen beïnvloeden, veranderen en genezen. Ze hebben door frequenties te gebruiken informatiepatronen van de ene cel overgebracht naar de andere cel. Zo werd het genoom, het geheel van erfelijke informatie, van de oorspronkelijk cel overschreven met nieuwe informatie. Embryo’s van kikkers werden aldus getransformeerd in embryo’s van salamanders! "
En U vraagt zich af of het nog nodig is aandacht te besteden aan de ontdekking van dna? Lees het artikel en ontdek hoe treurig het gesteld is met kennis over dna. Wat dacht U hier van:  
"De Russische wetenschappers kwamen er ook achter dat ons DNA magnetische wormgaten kunnen voortbrengen..."
Het doet me ook allemaal denken aan wat Pim van Lommel schreef over dna. Zie mijn blog van december 2007 Fouten in het boek van Pim van Lommel.

20 April 2012

Waarom DNA? (5) XNA: een belangrijke stap naar functioneel alternatief DNA

Vandaag in Science bijzonder opwindende nieuwe onderzoeksresultaten over alternatief DNA.  (Postscript zondag 22 april)

Inleiding:
Achteraf gezien is het merkwaardig dat de ontdekking van de chemische structuur van DNA in 1953 door Watson en Crick niet tot speculaties leidde over hoe DNA ontstaan kon zijn toen het leven ontstond [1]. Echter, men had toen wel wat anders aan 't hoofd: hoe codeert DNA voor eiwitten? (m.a.w.: het probleem van de genetische code) en zulke fundamentele zaken als hoe DNA 'zichzelf' repliceert. Omdat men meende dat DNA uniek geschikt was als informatiedrager, had niemand behoefte aan alternatief DNA. Men was zó onder de indruk van de elegante, regelmatige structuur van DNA, als de enige oplossing voor het probleem, dat er gewoonweg geen alternatief kón bestaan. Bovendien hád men al enige alternatieven op papier uitgeprobeerd en verworpen. Bijvoorbeeld die van Linus Pauling met de fosfaatgroepen en suikers aan de binnenkant en de bases aan de buitenkant.

enkelstrengs DNA
(bases T,C,A,G rechts,
fosfaat-suiker backbone links)
Voor het ontstaan van het leven was die uniekheid van DNA echter een groot probleem. Als er maar één molecuul geschikt is als drager voor erfelijkheid, is het dan niet erg onwaarschijnlijk dat precies dat ene molecuul toevallig uit beschikbare chemische elementen aanwezig op de levenloze aarde tevoorschijn zou komen? De gedachte ontstond toen dat de juiste bouwstenen van DNA (suiker, fosfaat, bases) noodzakelijk moesten ontstaan in het pre-biotisch tijdperk. En die bouwstenen vormden DNA omdat dat ook chemisch noodzakelijk was. De bouwstenen konden maar één (stabiele) structuur vormen: en dat was de dubble helix met de 4 bases aan de binnenkant.

Nader onderzoek naar het ontstaan van DNA uit bouwstenen leverde hardnekkige problemen op. Men concludeerde dat er voorlopers moesten zijn. Toen opperde men een RNA-wereld als voorloper van de DNA-wereld. Dat was een grote doorbraak. Maar na veel onderzoek kwam toch langzamerhand de vraag naar boven: hoe ontstond de RNA-wereld? Voorlopers van de RNA wereld natuurlijk! was het antwoord. Maar welke? Chemici gingen zoeken naar primitieve voorlopers van de RNA/DNA wereld.

En ze vonden een aantal geschikte kandidaten. Die konden wel paren met DNA en RNA, maar konden zichzelf niet repliceren. Dat klinkt vreemd als je bedenkt dat de bases paren volgens de beroemde Watson-Crick base paren AT en CG. Die passen chemisch precies. Dat inspireerde Watson en Crick tot de beroemde understatement: de base paring in DNA suggereert een mechanisme voor replicatie!. Dat was de basis voor erfelijke informatie. Het moge dan wel zo zijn dat de bases specifiek paren, dat wil nog niet zeggen dat de dubbele helix zich efficient kan vormen en verdubbelen (DNA replicatie) zonder enzymen. Dat was een probleem (bv voor het ontstaan van het eerste DNA). Nu zijn we aangeland bij het nieuwe onderzoek dat vandaag in Science verscheen.

DNA en zes alternatieve suikers in de 'backbone'
©Science 20 april 2012 (labels toegevoegd)
Pinheiro en medewerkers hebben 6 alternatieven voor de suiker in DNA (desoxyribose) en RNA (ribose) ontworpen en uitgeprobeerd. Die alternatieven worden XNAs genoemd (X = xeno = vreemd). Die XNAs hebben een andere backbone dan DNA. De bases en fosfaat zijn het zelfde. Zie plaatje. Dit is een behoorlijke uitbreiding van de mogelijkheden om een 'erfelijkheidsmolecuul' te maken. De nieuwe XNAs konden een dubbele helix vormen met de helft van traditioneel DNA en RNA. Ook dat is belangrijk.

Het meest vernieuwende aspect is dat de onderzoekers enzymen (polymerases) hebben ontwikkeld d.m.v. artificiële evolutie die stukken XNA konden kopieren naar DNA en weer terug. Dit was nodig omdat de natuurlijke enzymen die DNA kopieren niet werken voor XNA. Enigszins logisch. Het is nog niet gelukt om XNA volledig zelfstandig met behulp van nieuwe xeno-enzymen te laten repliceren (er is een tussenstap via DNA nodig). Dat is de volgende stap. Wanneer dat gelukt is heb je zowel alternatief DNA als een enzym dat XNA kan repliceren. Wanneer je dat hebt kan er een evolutie proces starten. In ieder geval in het lab.

De betrouwbaarheid van replicatie van XNA met de xeno-enzymen is in de orde van 95% tot 99%. Dit lijkt veel maar is lager als modern DNA. De reden is dat de nieuwe xeno-polymerase enzymen geen repair-activiteit hebben. De betrouwbaarheid berust dan geheel op base paring.

De auteurs hebben ook nog gekeken naar de mogelijkheid van evolutie van de XNA moleculen.Volgens hun proefopzet lukte dat. Ze concludeerden:
"DNA and RNA are not functionally unique as genetic materials".
Dus: XNAs kunnen functioneren als dragers van erfelijkheid en kunnen evolueren. Dit is een forse maar belangrijke uitspraak. Ze hebben in dit onderzoek geen alternatieve bases bekeken. En ze zijn ook niet ingegaan op de pre-biotische synthese van XDA. Maar, bijna 60 jaar na de ontdekking van de structuur van DNA door Watson en Crick in 1953, is nu zo langzamerhand wel aangetoond dat er alternatief DNA mogelijk is. De rest is een kwestie van tijd. Er is bovendien een link gelegd naar 'extraterrestrial life', de Origin of Life en Synthetische Biologie.

Bronnen:



(met dank aan Marleen)

Noten
  1. Crick was een fysicus en Watson was een bioloog. Beide waren dus geen (bio)chemici. Dat verklaart misschien dat ze geen verder onderzoek deden naar de vraag: Waarom DNA? Crick heeft nog de meeste belangstelling getoond voor het ontstaan van het leven: in 1981 publiceerde hij Life Itself. It's origin and nature.
Postscript zondag 22 april:
De nrc wetenschapsbijlage had een kwart pagina over XNA door Lucas Brouwers. Daar haal ik nog de volgende aardige aanvullingen uit:
 "Het startpunt was een enzym van de hitteresistente bacterie Thermococcus gorgonarius. In het lab bleek dit enzym uit zichzelf al één type onnatuurlijk suiker in een groeiende DNA streng te kunnen inbouwen." Nog 14 mutaties waren nodig. Hier blijkt al weer het belang van enzymen met grote specificiteit. Die kunnen er niet geweest zijn ten tijd van de Origin of Life?! Eigenlijk zou de nadruk van het verhaal niet zozeer op die vreemde XNA soorten moeten liggen, maar op de xeno-enzymen (xeno-polymerases). Maar dat woord wordt niet gebruikt. Ook wijst LB er op dat XNA niet door bestaande enzymen kan worden afgebroken. Al weer het belang van enzymen.
Dan komt een belangrijke vraag:
Had het leven net zo goed voor een XNA variant kunnen kiezen i.p.v. DNA? Pinheiro antwoordt: "In principe had elk molecuul de macht kunnen grijpen. En ik denk dat DNA en RNA bij toeval verschenen. Misschien heeft RNA deze andere polymeren weggeconcurreerd - óf omdat de bouwstenen van RNA talrijker waren, óf omdat RNA/DNA moleculen functioneel beter waren. De dobbelsteen was verzwaard."
Vragen:
-Wat was het evt. functioneel voordeel van RNA?
-Zijn er XNA varianten die makkelijker pebiotisch te synthetiseren zijn?
-Was het misschien cruciaal welke XNA variant als eerste over de beste polymerases beschikte?

Vorige blogs over DNA:

18 April 2012

De evolutie van transposable elements in primaten

evolutie van het transposable element ALU in primaten
©Bergstrom, Dugatkin (2012) Evolution, p.358. [1]

Naar aanleiding van een blog van Marleen over transposable elements, laat ik dit plaatje zien met de evolutie van het transposable element ALU in primaten. (Het ALU transposable element lijkt op het L1 transposon). We zien dat er steeds gedurende de laatste 55 miljoen jaar nieuwe ALU elementen toegevoegd worden aan het primaten genoom. Soms ontzettend veel (een uitbarsting) en soms minder. Alle primaten hebben dus ALU elementen. De mens is niet uniek in dat opzicht. Ik vermoed dat dit plaatje niet volledig is. Alléén voor de mens zijn alle ALU expansies weergegeven, inclusief de meest recente. De mens is kennelijk een heel belangrijke soort. Ik neem aan dat er ook in de evolutionaire geschiedenis van de andere primaten ALUs bijgekomen zijn. De optelsom voor de mens is 1.094.987 ALUs. Ik denk dat de evolutie van L1 transposons zich op soortgelijke wijze heeft ontwikkeld. De laatste uitbreidingen van ALU zijn bescheiden vergeleken met de oorspronkelijke.
Primaten is ook niet de enige groep die transposons heeft. Bekend geworden door het baanbrekende onderzoek Barbara McClintock (10 jaar vóór de ontdekking van de dubbele helix door Watson en Crick) is bijvoorbeeld mais. Het genoom van mais bestaat voor 50% uit retrotransposons [2].

Nota bene: het primaten genoom had kennelijk geen verdedigingsmechanisme (vergelijkbaar met DNA-repair) om zich tegen ALU te verdedigen.

Nota bene: hoewel transposons parasitair dna zijn, hebben ze een perfecte Watson-Crick dubbele helix structuur (zie vorige blogs) die niet te onderscheiden is van 'gewoon' DNA.

Inhoud menselijk genoom

Hier een plaatje van percentages van verschillende elementen in het menselijk genoom:
©Bergstrom, Dugatkin (2012) Evolution, p.357. [1]
Zo te zien is het beroemde percentage van het menselijk genoom dat genen in beslag nemen, nl. 1,5%, kennelijk uitsluitend exons. Dat had ik mij nooit zo gerealiseerd. Exons zijn de voor eiwit coderende gedeeltes van genen. De introns zijn stukken parasitair DNA in het gen die worden verwijderd nog vóórdat ze vertaald worden naar eiwitten. Als je introns optelt bij de exons om het percentage te berekenen dat genen in beslag nemen kom je op 27,4%. Maar als je bedenkt dat je het grootste gedeelte van introns kunt missen, en niet vertaald worden naar eiwit, is het percentage van 1,5% nog steeds een goede maat voor hoeveel DNA er nodig is om alle eiwitten te coderen.

Literatuur
  1. Bergstrom, Dugatkin (2012) Evolution. W.W. Norton. (dit is het meest recente evolutie leerboek voor studenten)
  2. website Transposons

16 April 2012

Neanderthaler DNA toont sterke en zwakke plekken van DNA

Neanderthal (bron)
'Ancient DNA' of fossiel DNA is een ideale testcase voor de stabiliteit van de Watson-Crick dubbele helix. De reden: het bestaan van ancient DNA betekent dat DNA gedurende duizenden jaren intact kan blijven, maar tegelijk blijken de zwakke plekken in DNA uit het soort schade dat DNA heeft opgelopen.

Een beroemd en recent voorbeeld van ancient DNA is de complete opheldering van het Neanderthal genoom [1]. Het DNA moet tenminste 30.000 jaar oud zijn, want rond die tijd zijn de Neanderthalers uitgestorven. Blijft DNA 30.000 jaar intact? Gedeeltelijk. Het DNA fragmenteert tot fragmenten van gemiddeld 200 baseparen lang. Intact DNA is miljoenen bases lang. Bijvoorbeeld: ons chromosoom 1 is 249 miljoen baseparen lang. Met die lengte zou dat ruim 1 miljoen fragmenten opleveren! Door een reconstructie te maken van alle fragmenten kan men het complete genoom reconstrueren. Het is dus zeker niet zo dat het complete intacte DNA van een Neanderthaler gevonden is! Een Neanderhal tot leven wekken kun je voorlopig wel vergeten. Interessanter is dat bleek dat het fossiel Neanderthal DNA chemisch was gemodificeerd:

Patterns of damage in genomic DNA sequences from a Neandertal

Opvallende zwakke plekken zijn wijzigingen van base C naar base T. Hierbij gaat er een aminogroep van Cytosine af. Dit heet deamination (wiki). De bases C, G, A komen in aanmerking voor deamination omdat ze een NH2 groep bezitten.


deaminering van bases. (bron)

De reactie van C naar U gebeurt spontaan in het DNA van levende cellen. Uracil zit normaal alleen in RNA en niet in DNA. Het is een mutatie. Als het goed is wordt het weer verwijderd uit DNA door speciale repair enzymen.
Cytosine kan ook voorkomen in DNA in een gemethyleerde vorm:  5-methyl-Cytosine. Als de amine NH2 groep van de gemethyleerde vorm van Cytosine wordt verwijderd  ontstaat er Thymine (zie plaatje). Dit gebeurt spontaan in de cel. Dit is een mutatie. Dit wordt ook (gedeeltelijk) weer gecorrigeerd door speciale enzymen. De gemethyleerde vorm van Cytosine speelt vermoedelijk een rol in gen expressie (epigenetics) en is dus niet een mutatie.
Ook Guanine en Adenine kunnen gedeamineerd worden, waardoor een mutatie ontstaat. Ook hiervoor bestaan repair-mechanismes.

Er zijn veel meer vormen van DNA schade. Zo kunnen onder invloed van UV licht twee Thymines een thymine-dimeer vormen. Dit is schadelijk voor het organisme. Als het niet gerepareerd wordt kan er huidkanker ontstaan.

Zeer oud intact DNA

Het bleek mogelijk individuele planten van de soort Silene stenophylla te kweken uit 31.000 jaar oud weefsel [2]. Dit is een record. Men gebruikte een speciaal type weefsel uit zaden die onder droge en permanente bevroren omstandigheden bewaard waren gebleven in de grond in Siberië. Men kon de plantjes zelfs tot bloei brengen. DNA kan dus in bevroren toestand 31.000 jaar lang intact blijven. Eigenlijk geen wonder. Er zijn dan geen chemische reacties, dus ook geen schadelijke chemische reacties. Dit is te vergelijken met DNA in een diepvriezer bewaren. Onder die omstandigheden zullen waarschijnlijk ook eiwitten, vetten en koolhdraten intact blijven. Er gebeurt chemisch gewoon niets. Daarom bewaren we bederfbare zaken in een vriezer.

Conclusie

Onder gunstige omstandigheden kan fossiel DNA heel lang gedeeltelijk intact blijven. Maar zelfs dan zal fossiel DNA fragmenteren en muteren na de dood van de cel. Onder zeer bijzondere omstandigheden zoals zaden die speciaal gemaakt zijn om lang levensvatbaar te blijven, kan het complete DNA zeer lang intact blijven. In alle andere omstandigheden vinden spontane chemische wijzigingen plaats van de bases in het DNA. Deze mutaties zijn een alternatieve manier om natuurlijke zwakke plekken van DNA te achterhalen. In levende cellen ontstaan die mutaties spontaan, maar worden voor een groot deel ook weer gerepareerd (DNA repair). Maar die DNA reparaties zouden niet nodig zijn wanneer de bases niet spontaan zouden muteren.


Bronnen:
  1. Richard E. Green et al (2010) A Draft Sequence of the Neandertal Genome, Science 7 May 2010 (gratis)
  2. Regeneration of whole fertile plants from 30,000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost PNAS March 6, 2012

11 April 2012

Zijn jumping genes in je hersenen goed voor je reactievermogen?


Een opvallend positief artikel What Makes Each Brain Unique over de effecten van jumping in genes in het maart nummer van Scientific American. De effecten van jumping genes (L1) in de hersenen zouden verklaren waarom identieke tweelingen toch genetisch verschillen en verder suggereren de auteurs op het eind van hun artikel dat jumping genes (ik citeer maar letterlijk omdat het nogal een vage, geheimzinnige formulering is):
"That finding lends credence to the notion that the L1 elements may have helped build brains that can process information about the environment rapidly and that can thus more readily meet the challenges of ever changing environmental and climatic conditions." (p.25).
Behalve ontzettend vaag en algemeen, komt het er op neer dat willekeurige wijzigingen toebrengen aan genen en gen activiteit in de hersenen heel nuttig kan zijn voor uw reactie vermogen! Klimaat? Zondermeer bizar. Het verhaal is zelfs gepromoveerd tot coverstory. Op de omslag staat (vertaald): hoe jumping genes in de hersenen ieder persoon uniek maken. (bedoelen ze unieke beschadigingen?) Er wordt nog wel gewezen op een relatie met Rett syndrome, autisme en schizofrenie, maar de toon van het artikel is dat jumping genes vooral positieve effecten hebben, en variatie introduceren.

Dit alles staat haaks op het idee dat de integriteit van het menselijk genoom bewaakt wordt door uitgebreide DNA-repair systemen, het onderwerp van mijn vorige blogs. Al deze jumping genes brengen een hoop verwarring in een onderwerp wat tot nu toe begrijpelijk leek.


Er is een begeleidend web-only verhaal Jumping Genes in the Brain Are Tied to Autism (February 2012) dat wel aandacht besteedt aan nadelige effecten van jumping genes.
In 2011 had Scientific American ook al (positieve) aandacht voor jumping genes: The Ductile Helix: "Jumping Genes" May Influence Brain Activity  - Mobile DNA elements called retrotransposons may be a source of genetic variation in nerve cells. (gratis artikel op website). [ductile = plastisch, vervormbaar]

Op het blog van Marleen staat nog een link naar: Mobile DNA transposition in somatic cells (is een gratis pdf).

09 April 2012

DNA beoordeeld vanuit informatietheoretisch perspectief

Om de betrouwbaarheid van DNA als informatiedrager op een onafhankelijke manier te kunnen beoordelen gebruik ik de theorie van 'Error-Correcting Codes' zoals beschreven wordt door John MacCormick (2012) Nine Algorithms That Changed the Future: The Ingenious Ideas That Drive Today's Computers. We hebben het immers over DNA als informatiedrager en het onderzoeksveld informatica beschikt over een goed uitgewerkte mathematische theorie van informatie overdracht. Dus bij de informatica zijn we bij het juiste adres. Dat wil niet zeggen dat we informatietheorie blindelings kunnen toepassen op DNA. Maar we voorkomen in ieder geval dat we, zoals gebruikelijk, DNA opvatten als het beste middel van informatie overdracht dat de natuur ons te bieden heeft. Als DNA het enige informatie opslagmiddel is, hoe zouden we het dan met iets anders kunnen vergelijken?

De eerste en meest simpele methode om fouten in informatie overdracht te detecteren is domweg de informatie te herhalen. (Tussenhaakjes: een favoriet fragment uit een interview op tv van een man die letterlijk zei: "Ik zeg alles maar één keer. Ik zeg alles maar één keer. Ik zeg alles maar één keer.") MacCormick noemt dit 'the repetition trick' (p.62). Als je de hele boodschap tweemaal herhaalt is de kans klein dat ze allebei dezelfde fout bevatten. Maar je weet niet welke van de twee de foutloze is. Daarom moet je de boodschap drie maal of nog vaker herhalen en kijken welke het vaakst voorkomt. Dat zal de juiste zijn. Dit is natuurlijke een nogal kostbare en inefficiënte methode. Het verbazingwekkende is dat de natuur deze methode heeft toegepast: DNA is dubbelstrengs. De boodschap is in tweevoud aanwezig. We zouden niet zo gauw op dit idee komen, omdat we zo gewend zijn aan het feit dat DNA een geniale dubbele helix is. We zeggen dan: uiteraard is DNA dubbel omdat enkelstrengs DNA veel te instabiel en dus onbetrouwbaar is als opslagmedium. Maar dat is precies het punt. Het kan wel zijn dat dubbelstrengs DNA stabieler is, maar deze methode is 100% redundant en kost bovendien tweemaal zoveel aan bouwstenen die ook gesynthetiseerd moeten worden. Je kunt dus ook zeggen dat dubbelstrengs DNA een compensatie is voor een zwakheid in plaats van een genialiteit. De volledige informatie zat immers ook al in enkelstrengs DNA. Denk aan mRNA dat enkelstrengs is en de volledige informatie voor het eiwit bevat. Dus we hebben 100% herhaling van de informatie in dubbelstrengs-DNA.

In de informatietheorie is herhaling de simpelste methode. Maar die wordt eigenlijk niet gebruikt omdat die zo ontzettend verspillend is. Vooral als het om megabyte en gigabyte hoeveelheden gaat. Een bekend evolutiehandboek [1] schrijft dat de worm Caenorhabditis elegans een verbazingwekkend lage mutatiefrequentie heeft van één puntmutatie op de 100 miljoen bases. Dat is een hele goede score, maar er wordt niet bij gezegd dat de kosten een 4-voudige genoomredundantie, en verder nog ongeveer 10% overhead aan DNA-repair genen zijn. Want het DNA-repair systeem moet je ook als overhead rekenen. Het zou immers niet nodig zijn als DNA foutloos gerepliceerd zou worden. Voor een eerlijke vergelijking zou je ook de software die checksums berekent er ook bij moeten tellen. Ik weet niet hoe groot die is. Ik denk redelijke kort, want het zijn elementaire berekeningen.
Bedenk verder dat het  menselijk chromosoom 1 (het grootste) alleen al 247 miljoen bases telt. Voor het menselijk genoom totaal zou dat neerkomen op ruim 30 mutaties als het 1x gecopieerd zou worden [2].

In de evolutieleerboeken zie je vaak staan dat de cel feitelijk gebruik maakt van die redundatie bij het repareren van DNA (mismatch van bases) [3]. In feite heeft een diploid organisme dus een 4-voudige herhaling van genetische informatie. Ieder chromosoom is in tweevoud aanwezig en ieder chromosoom bestaat weer uit dubbelstrengs DNA. In totaal 4 maal. De cel schijnt ook gebruik te maken van de diploïde informatie. Dit wordt recombinational dna repair genoemd [6]. Dit kun je allemaal slim noemen, maar uit informatietheoretisch oogpunt is dit de methode met de grootste overhead. In de informatica kan het met véél minder overhead, zoals de redundancy methode [4] en de nog efficiëntere checksum en pinpoint methodes (zie MacCormick hoofdstuk 5). Deze methode voegt extra bitjes toe aan het einde van de informatie die het mogelijk maken vast te stellen of er fouten in de boodschap zitten. Het mooie van deze methodes is dat ze niet alleen foutdetectie maar ook foutcorrectie mogelijk maken [5]. Bij informatie overdracht in computers kan de overhead van checksums minder dan 1 duizendste van een procent van de totale informatie zijn, terwijl er vrijwel 100% garantie is op een foutloze informatie overdracht. En er worden nog betere fout correctie methodes ontwikkeld. Die zijn wel weer ietsje groter.

Dit alles kan verder uitgediept worden, maar ik hoop de lezer op een spoor gezet te hebben. Informatietheorie biedt een onafhankelijke theorie waarmee je de prestaties van DNA als opslagmedium kunt beoordelen.

Opmerkingen
  1. Scott Freeman, Jon Herron (2007) Evolutionary Analysis, p. 149. 
  2. Nu kun je wel zeggen die fouten zijn juist nuttig voor evolutie, en genetische diversiteit, evolvability, adaptability, maar we hadden het over betrouwbare informatieoverdracht. Het nut en de efficientie van mutaties is een heel ander verhaal. De overgrote meerderheid van muaties zijn geen verbeteringen.
  3. Het is mij nog niet duidelijk hoe de cel bepaalt welke van de twee bases de foute is en alleen de foute corrigeert. Mogelijk gaat de cel er van uit dat bij replicatie de oude streng correct is en alleen de mismatch in de nieuwe streng corrigeert. Dit lijkt me tenminste een mogelijkheid.
  4. De genetische code maakt ook gebruik van redundantie: de meeste aminozuren worden door meerdere base tripletten in DNA gecodeerd. Dit voorkomt een groot aantal fouten in de aminozuurvolgorde van eiwitten. Strikt genomen worden hier geen fouten in DNA gecorrigeerd, maar de gevolgen van fouten geneutraliseerd. Dit lijkt op de Redundancy trick van MacCormick (p. 64)
  5. Doet de natuur aan checksums? Mogelijk is Nonsense-mediated mRNA decay waarbij een door mutatie ontstaan stopcodon midden in een eiwit herkend wordt en vervolgens het mRNA vernietigd wordt. Dit kun je slim noemen. Dit is altijd beter dan het ingekorte foute eiwit produceren, maar beter was het om de fout eerder te herkennen en het stopcodon te corrigeren. Het probleem is: hoe weet je wat het originele codon was? Gokken wat het meest waarschijnlijke codon was? Een andere mogelijke foutdetectie methode is detecteren of een exon door 3 deelbaar is omdat codons uit 3 bases bestaan. Maar hoe moet je zo'n fout herstellen als je hem al gedetecteerd had?
  6. Een ander mechanism dat gebruikt schijnt te maken van de 4-voudige redundantie is meiotic silencing by unpaired DNA (MSUD). Het is begrijpelijk dat het gedurende meiosis gebeurt omdat dan de homologe chromosomen paren. Er wordt geen repair verricht, maar silencing van het DNA. (toegevoegd: 11 april)
Postscript 17 april:
Een goed en gratis overzicht over DNA repair vind je hier:
http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch7G.htm
Het is onderdeel van een website met gratis ebooks, waaronder Molecular Biology Web Book

Chapter 7: DNA Replication, Mutation and Repair

04 April 2012

Koonin over Dawkins 'selfish genes' en het repareren van DNA

Ik liep tegen een interessante passage aan in Eugene Koonin The Logic of Chance. Die passage zet het thema van mijn serie blogs over 'De ontdekking van de structuur van DNA' in een nieuw licht. Niet dat Koonin dat zelf doet, maar dat maakt het juist des te interessanter. Eerste citaat:
"Replication of the genetic material is the single central property of living systems" (p. 413)
De replicatie van het genetisch materiaal is de belangrijkste eigenschap van het leven. Er staat nog net niet 'het doel van het leven'! Hij vervolgt:
"Once one realizes that replication of the genetic material is the single central property of living systems, there is no logical escape from the selfish gene perspective. In particular, Dawkins provocatively claimed that organisms are but vehicles for replicating and evolving genes. (p.413–414).
Iets verder wordt hij nog specifieker:
"All phenotypic features of organisms emerge and evolve only inasmuch as they are conductive to genome replication." (414)
Dit is natuurlijk het beroemde selfish gene concept van Dawkins. Het fenotype (lichaam) van bacterie, plant en dier staat ten dienste van de replicatie van het genoom. Voeg nu uw achtergrond kennis toe: dat genoom bestaat uit DNA. En de relevante informatie in DNA berust op de specifieke Watson-Crick base paring van de bases A met T en C met G. Nu ziet u ook waarom de volgende passage cruciaal is:
"A large fraction [!] of the core phenotype consists of anti-entropic devices that lower the error rate of information transmission in the replication process itself, as well as the ancillary processes of transcription, translation, and protein and RNA folding, and keep in check the deleterious effects of those errors that do occur". (414)
Baron Münchhausen trekt zichzelf
aan zijn haren uit het moeras. ©Boston.com
Koonin claimt dus dat een groot deel van de machinerie van een organism in feite tot taak heeft copieer fouten te minimaliseren. Bij een bacterie wordt 10% van het genoom voor DNA repair gebruikt (p.275) en de mens heeft tenminste 130 DNA-repair enzymen. Het woord anti-entropic devices betekent eigenlijk systemen om degradatie te verminderen zoals DNA-repair (is in eerdere blogs ter sprake gekomen). En verder om fouten bij het vertalen van genetische informatie naar eiwitten te herstellen. Want ook daar worden fouten gemaakt. En dat is weer belangrijk omdat eiwitten de machinerie vormen die replicatiefouten moeten herstellen. Foutgevoeligheid van DNA oplossen door voor méér eiwitten in het DNA te coderen! Een wonderbaarlijke prestatie die lijkt op Baron Münchhausen die zich aan zijn haren uit het moeras trok.
Als U zich afvraagt wat maag, darm, mond, tong, tanden, etc in ons lichaam doen, dan heeft Koonin daar ook een antwoord op: die zorgen voor de grondstoffen voor replicatie en de rest van het lichaam in stand te houden. Een typsiche Dawkiniaanse selfish gene beschrijving! Typerend voor Koonin gebruikt hij 'replicatie' in plaats van 'DNA'. Hij bedoelt de componenten van DNA: 4 bases, deoxyribose, fosfaat, nucleosides, nucleotides.

Ik vertaal dit naar DNA: die fouten bestaan uit fouten in de Watson-Crick base paring (AT en CG) die we punt-mutaties noemen. Ten tweede: inserties, deleties die in feite berusten op breuken in de fosfaat-suiker backbone van DNA (de backbone was chemisch steviger dan de base binding zoals we in eerdere blogs concludeerden). Maar zowel de base paring als de fosfaat-suiker backbone maakten DNA tot zo'n chemisch perfect molecuul, zoals we in vorige blogs gezien hebben. Een molecuul waar nauwelijks chemische alternatieven voor te vinden zijn. 'Optimaal gezien de omstandigheden' zei iemand. Een molecuul dat chemisch niet anders opgebouwd kan worden dan het is. Een noodzakelijk molecuul. Als je Röntgen-diffractie patronen en de bestanddelen kent, volgt daaruit noodzakelijkerwijs de driedimensionale structuur van DNA. Zo logisch zit DNA in elkaar. Welnu, 'the secret of life' is dat het leven een groot deel van zijn machinerie nodig heeft om beschadigingen en replicatie fouten in DNA te herstellen!

Nota bene: het is mijn interpretatie van bovenstaande passages van Koonin dat een groot deel van de biologische machinerie van ons lichaam tot taak heeft de chemische tekortkomingen van DNA als informatiedrager te compenseren. Evolutie heeft gekozen voor DNA en het compenseren van de nadelen van DNA.

Koonin heeft het nergens in zijn boek over de chemische structuur van DNA. Hij vraagt zich niet af of er een andere/betere backbone of bases mogelijk zijn. Hij noemt Watson en Crick op pagina 21, maar laat nergens een afbeelding van het beroemde Watson-Crick DNA model zien. Hij heeft het (heel abstract!) over de betrouwbaarheid van informatieoverdracht in biologische systemen (p.275). Hij heeft het alleen over DNA als drager van genetische informatie of 'genome'. Koonin is dan ook een genome onderzoeker. Ergens anders (p.24) zegt hij dat het principe van foutgevoelige replicatie substraat onafhankelijk is, zoals bij computer virussen. Het 'grappige' is dat Koonin de Shannon informatie theorie nodig heeft om te concluderen dat fout-vrije informatie overdracht onmogelijk is: "Information theory is adamant in its insistence on the impossibility of error-free information transmission." (p.23). Wel, dat is een omweg. We kennen immers de chemische eigenschappen van DNA! Die bepalen of fout-vrije transmissie mogelijk is of niet. Bovendien beperkt Koonin's abstracte informatietheoretische benadering het zicht op het ontstaan van DNA en het ontstaan van het leven. En dat is een heel ander onderwerp, maar komt wel uitgebreid aan bod in zijn boek.

Samenvatting:
  • DNA replicatie is cruciaal in de evolutie ('essentie van het leven')
  • maar DNA heeft nadelen (replicatie fouten, beschadigingen) veroorzaakt door de chemie van DNA
  • die nadelen worden (ten dele) door repair systemen opgevangen
  • DNA replicatie én DNA repair vormen 'de essentie van het leven'
  • DNA repair wordt uitgevoerd door enzymen die in het DNA gecodeerd moeten worden
  • dat kost méér DNA dat onderhouden moet worden
  • dat is kostbaar, maar het lijkt dat dit tot nu toe op te brengen is...

    Enkele relevante recente blogs over DNA:
    en nog 10 blogs in januari en februari.

    Postscript 5 april:
    Ik schreef dat het toevoegen van DNA repair enzymen méér DNA kost dat onderhouden moet worden. Wat nu als er mutaties optreden in DNA-repair enzymen? Dan kunnen die zichzelf (en de rest van de genen!) niet meer adequaat repareren! Potentieel een catastrofe! Vergelijk dit met de menselijke samenleving wanneer in een ramp- of oorlog situatie gewonden naar ziekenhuizen worden gebracht. Wat nu als het ziekenhuis personeel zelf gewond of ziek is? of het ziekenhuis gebombardeerd, ingestort of weggespoeld is? Die crisissituatie in de menselijke samenleving is een goede metafoor voor een genoom met gemuteerde DNA-repair-genen!

      01 April 2012

      Indische gans waargenomen.

      Koppeltje Indische gans Anser indicus, Hoogekampse plas, t.N.v Utrecht
      Hoewel ik ze nooit eerder in het wild in Nederland gezien had (voor zover mijn geheugen gaat) is dit onmiskenbaar de Indische gans (Bar-headed Goose, Anser indicus): gele snavel en poten, typerende koptekening. Volgens de vogelgids zijn dit uit gevangenis ontsnapte vogels die in zeer kleine aantallen vooral 's winters in Nederland gezien kunnen worden. De vogels waren behoorlijk tam, dus makkelijk te fotograferen met een eenvoudig toestel. Hij hoort in Centraal-Azië thuis. Hij is bekend omdat hij over de Himalaya trekt, dat is op meer dan 8 km hoogte. Hij is daarmee de hoogst vliegende vogel. Heeft speciale aanpassingen voor het vliegen op grote hoogte (maar die heeft hij in Nederland niet echt nodig!).

      PS het blijkt op waarneming.nl  dat twee andere waarnemers ook deze ganzen waargenomen hebben op dezelfde plaats en dezelfde dag en op 31 maart. Wat ik ook vond op waarneming.nl is dat Anser indicus hybridiseert met andere ganzen, een evolutionair interessant gegeven!