Nieuws

21 nov 16: Persbericht: KNAW: genome editing vraagt om publiek debat en heldere regelgeving
18 nov 16: Volkswagen schrapt 30.000 banen door dieselschandaal en transitie naar elektrische auto
16 nov 16: 100.000e elektrische auto rijdt op de Nederlandse weg (AD)
10 nov 16: Is Erik Verlinde de nieuwe Einstein? Sterrenkundige Margot Brouwers resultaten wijzen er op dat Verlindes theorie klopt!
8 nov 16: Nederlander Erik Verlinde komt met baanbrekende theorie over zwaartekracht
8 nov 16: Chimpansees winden draderige algen als spaghetti om een stokje nrc
6 nov 16: The Origami Code. NPO 2 Zondag 6 nov 2016 19:15. Kijk de aflevering hier terug. Is zeer de moeite waard!

*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

23 januari 2012

Als DNA perfect is, waarom dan dood, erfelijke ziekte, kanker?

Komt een vrouw bij de dokter
zegt de dokter: het slechte nieuws is:
U heeft een erfelijke ziekte, die ongeneeslijk is.
Het goede nieuws is: Uw DNA is perfect!
de bases zitten netjes in het midden,
A is gepaard met T, en C met G,
deoxyribose en fosfaatgroepen zitten netjes aan de buitenkant,
U heeft géén Uracil in uw DNA, en geen Thymine in uw RNA,
kortom: het is een volkomen normale dubbele helix 
precies zoals beschreven door Watson en Crick.

Volgens intelligent designer Michael Denton [1] is DNA perfect geschikt voor zijn taak als erfelijkheids molecuul. DNA is niet te verbeteren. Tenminste volgens hem is het nog niemand gelukt aannemelijk te maken dat er een beter chemisch alternatief bestaat. De tot nu toe onderzochte chemische alternatieven zouden subtiele nadelen hebben [2]. Het zou inderdaad kunnen dat DNA als chemische constructie moeilijk te verbeteren is. Misschien ligt het aan onze fantasie en kennis, dat we DNA niet kunnen verbeteren. OK. Maar, stel dat DNA perfect is, waarom dan evolutie, dood, erfelijke ziekte, miskramen en kanker?

–Als DNA chemisch perfect is, waarom dan evolutie? Evolutie is immers de accumulatie van toevalig gunstige beschadigingen van de basevolgorde in het DNA (mutatie). Kun je DNA dan nog perfect noemen? Dat hangt af van hoe je de taak van DNA definieert. Alléén als je mutatie expliciet als taak van DNA specificeert zou je DNA perfect ontworpen kunnen noemen. Maar dat gaat toch wel een beetje tegen het idee van perfectie in. Perfect en toch copieer fouten. En hoeveel mutatie zou dan de bedoeling zijn?

–Als DNA chemisch perfect is waarom gaan we dan dood? We gaan o.a. dood door de accumulatie van mutaties in lichaamscellen. En in de loop van ons leven worden de uiteinden van onze chromosomen (telomeren) steeds korter. Totdat de cellen niet meer kunnen delen.

–Als DNA chemisch perfect is waarom is er dan kanker? Kanker is een dramatische aantasting van de intactheid van het DNA (genoom). Er is een explosie van mutaties in het DNA.

–Als DNA chemisch perfect is waarom muteert mitochondriaal DNA plm. 10x sneller dan DNA in de celkern? Waarom is DNA niet bestand tegen vrije radicalen?

–Als DNA chemisch perfect is waarom zijn er dan erfelijke ziektes? PKU, hemofilie, Cystic Fibrosis, Huntington, spierdystrofie? Behoort dat tot de taak van DNA? Hoeveel erfelijke ziektes behoren tot die taak? En hoe zit het met de relatief hoge percentage van miskramen bij de mens? (spontane abortus veroorzaakt door aneuploïdie).
(Zie vorige blog: Het leeftijd effect van de moeder op de frequentie van chromosomale afwijkingen van het embryo)

–Als DNA chemisch perfect is waarom  is DNA zo gevoelig voor radioactieve straling, mutagene en carcinogene stoffen?

–Als DNA chemisch perfect is waarom zit er volgens Eugene Koonin [3] zoveel junk DNA in ons genoom? Volgens Koonin heeft het DNA van planten en dieren (eukaryoten) een lage genen dichtheid. Weinig nuttig DNA in een zee van junk DNA. En de genen bevatten introns (zie mijn blogserie over introns) die er weer uitgeknipt moeten worden als er eiwitten gemaakt moeten worden. Terwijl bacterieën een hoge genendichtheid hebben, dus nauwelijks rotsooi, bijna alles is nuttig DNA en ze hebben geen introns.

–Als DNA chemisch perfect is hoe kan het dan dat volgens Hamilton ons genoom aan het 'degenereren' is? (zie mijn blog over Hamilton)

Kan DNA nog redelijkerwijze chemisch perfect genoemd worden, als er zoveel onzin in de basevolgorde zit? als er zo vaak mutaties optreden? Dat kan alléén als je de informatie in het DNA buiten beschouwing laat en alleen kijkt naar DNA als opslagmedium. Maar, als het tot de taak van DNA behoort betrouwbaar genetische informatie op te slaan en door te geven, dan kun je DNA moeilijk perfect noemen.

Volgens mij kun je DNA als opslagmedium en DNA als genetische informatie niet los van elkaar zien. Mutaties zijn immers wijzigingen van de basevolgorde die de genetische informatie aantasten. Als DNA 100% correct gecopieerd zou worden, zou er nooit een mutatie ontstaan. Een betrouwbaar opslagmedium behoudt de informatie die er in opgeslagen is. In een minder betrouwbaar opslagmedium degradeert de informatie.

Maar misschien zit hier wel een denkfout. Misschien moet je DNA niet zo geïsoleerd bekijken. Er bestaat geen naakt DNA. De stabiliteit van DNA wordt ook bepaald door eiwitten die het mogelijk maken dat DNA compact wordt opgevouwen in chromosomen (histonen, nucleosomen, zie plaatje).
DNA (blauw) wordt om eiwitbolletjes (rood) gewonden,
waardoor het compacter en stabieler wordt
©Kenyon.edu
En er bestaat ook nog DNA-repair machinerie die copieer fouten in DNA zoveel mogelijk repareert. DNA krijgt hulp. Dus DNA plus alles er om heen bepaalt de betrouwbaarheid van DNA als opslagmedium.

Als DNA perfect is, waarom dan evolutie, dood, erfelijke ziekte en kanker? DNA heeft precies die betrouwbaarheid en muteerbaarheid die evolutie mogelijk heeft gemaakt. DNA 'perfect' noemen, negeert die muteerbaarheid die ook erfelijke ziektes en dood als neveneffect heeft. Je kunt DNA als geïsoleerd systeem niet betrouwbaar noemen. DNA kan zichzelf niet eens copieren. Daar heeft het de hulp van heel veel gespecialiseerde enzymen voor nodig.
Misschien is de chemische structuur van DNA slechts marginaal te verbeteren omdat eiwitten een veel grotere rol spelen in de betrouwbaarheid van DNA. Ik ben nog niet uitgedacht over dit onderwerp...

  1. Michael Denton (1998) Nature's Destiny. Hoofdstuk 7 'The Double Helix'. Zie mijn review (par. Is DNA uniquely fit for its task?).
  2. Volgens een personal communication van chemicus W. Saenger (1997): "The Watson-Crick base pairs are ideally suited for the [biological function] of DNA as (1) they have the same overall dimensions so that a regular double helix can be formed, (2) the hydrogen bonds can be opened and closed at a rate that permits rapid read-out and replication, and (3) the ribose rings of the sugars have sufficient flexibility to permit conformational changes from the A to the B form. If you modify the bases chemically, it is still possible to form selective base pairs so that the specificity is retained, but you will change the strength of the hydrogen bonds so that the kinetics of read-out and replication will be altered.  (...)
    As to the sugars, the riboses are never planar but have envelop or twist confirmations so that the DNA backbone has a certain flexibility. This would be impossible with six-membered sugar rings which are rigid and cannot confer flexibility that is necessary for biological functioning of nucleic acids.
    One could also speculate on the phosphodiester link that connects adjacent ribose units. It could be replaced by a peptide or a sulphate diester or some other link which, however, is not found. It appears that the negative charge of the phosphate is necessary to maintain the solubility of the nuclei acids, and a certain flexibility and geometry to provide the properties of the nucleic acids." note 24 on p. 429 Nature's Destiny.
  3. Eugene Koonin (2011) The Logic of Chance: The Nature and Origin of Biological Evolution. Koonin: eukaryoten hebben een hoge mate van entropie en bacterieën hebben een laag entropie genome. 

Vorige blogs over dit onderwerp:

12 opmerkingen:

Marleen zei

De titel van dit bericht is wetenschappelijk gezien eigenlijk een retorische vraag. Mutaties staan aan de basis van evolutie en zijn daar dus ook voor nodig. Tegelijkertijd zijn de meeste mutaties schadelijk waardoor er ziekte, dood en kanker kunnen optreden. Dat is inherent aan evolutie.
De vraag is eigenlijk niet zozeer een wetenschappelijke maar is een taalkwestie: het contrast tussen het DNA dat we 'perfect' noemen (ik zou het optimaal noemen), ondanks het feit dat er zoveel 'imperfecties' uit voortkomen.

Trouwe Lezeres zei

Gert,

Je vraagt je af: –Als DNA chemisch perfect is waarom zit er volgens Eugene Koonin [3] zoveel junk DNA in ons genoom?

Voor zover ik begrijp, hebben biologen het over het DNA als opslag medium van 'materiële' informatie: lichamelijke eigenschappen, veranderingen, ziektes, afwijkingen, etc.
Maar stel nu eens dat we onze geestelijke capaciteiten, al onze geestelijke verworvenheden tijdens de evolutie, óók opgeslagen hebben in het DNA, b.v. in het junk-DNA? Waarom zou dat niet kunnen?
Als dat zo zou zijn, zou het ook beter te begrijpen zijn dat er moeilijk achter te komen is waartoe het junk-DNA dient.

gert korthof zei

Marleen, de titel van het blog is niet een samenvatting van mijn blog (helaas). Ik doe veel meer in mijn blog dan de titel zegt. Ik begin met een grap maar de boodschap daarin is serieus!

gert korthof zei

Marleen, het is geen taalkundige kwestie.

Marleen zei

Gert, Het lijkt mij ook een serieus blogbericht en de vragen die je stelt zijn belangrijk. De conclusie zou zijn dat het DNA dus niet perfect is. Toch is het blijkbaar de beste mogelijke ofwel het optimale molecuul (om het anders te benoemen) voor de 'taak' die het moet vervullen aangezien het in eerste instantie geselecteerd is door natuurlijke selectie (iets wat ik denk maar dat nog nooit aangetoond is)en in alle hedendaagse organismen aanwezig is.

gert korthof zei

Marleen, als je zegt 'DNA is optimaal' dan is de vraag: in welk opzicht? Als je een ingenieur de opdracht geeft, zeg, een auto te ontwerpen, dan moet je ook specificeren of het een zuinige, of veilige, of hij snel moet kunnen optrekken, of hoge maximale snelheid moet halen, etc. Anders weet de ingenieur niet waar hij zich aan moet houden, met andere woorden: de specificaties. Zo ook met DNA: wat zijn eigenlijk de specificaties? Maar optimaal zonder in welke opzichten erbij te zeggen is zinloos. Wil je dat het DNA een bepaalde mutatiefrequentie toelaat? Hoeveel dan? Mutatiefrequentie verschilt onder verschillende organismen enorm. Wat denk je van de stabilitiet van DNA bij hoge temperaturen (boven kookpunt) zoals bij hyperthermofile bacterieën? Is dat een eis? etc.

gert korthof zei

Trouwe Lezeres, "Maar stel nu eens dat we onze geestelijke capaciteiten" als je dat schrijft dan denk ik aan de hersenen. Het is overduidelijk dat de structuur en veel details van de menselijke hersenen genetisch vastliggen in ons DNA. Er zijn vele afwijkingen in het DNA die geestelijke capaciteit nadelig beinvloeden. voorbeeld: fragile-X syndroom is een afwijking van het X-chomosoom, de dragers hebben een verstandelijke achterstand. Er zijn meer voorbeelden. In het boek van Dick Swaab komen er her en der ook nog een paar voor. wil ik nog over bloggen. Het junk-DNA daar komen we nog wel achter. Kwestie van gewoon veel experimenten doen. Maar wetenschappers zijn het er wel over eens dat bij alle zoogdieren tot nu toe onderzocht er veel 'overbodige rotsooi' in het DNA zit. Bacterieën zijn in dat opzicht veel gestroomlijnder. Het is gek, maar toch waar.

gert korthof zei

Marleen, vergelijk de vrouw die van de doktor te horen krijgt dat ze dood gaat maar perfect DNA in haar lichaam heeft, met de intelligent designer Denton die gelooft dat DNA perfect ontworpen is en geconfronteerd wordt met de vreselijke gevolgen van mutatie die ik opgesomd heb. Zal het voor beiden een troost zijn dat DNA perfect is? De vrouw zal denken wat heb ik aan perfect ontworpen DNA als ik dood ga door mutaties? De intelligent designer zal zich moeten realiseren dat ondanks perfect DNA ons genoom bepaald niet perfect is: vol met junk DNA, parasitaire transposable elements, introns, geintegreerde virussen, etc etc etc. Zijn hele mooie wereldbeeld wordt bedreigd. Perfect DNA was zijn troost in het leven. Ken je het boek van Denton? Zijn hele boek is één groot betoog tegen het toeval en vóór finetuning van alle fysiche, chemische, cosmologische en biochemische variabelen in de cosmos die leven mogelijk gemaakt hebben. Niets is toeval: de eigenschappen van water, het koolstofatoom, adenine, cytosine, guanine, thymidine, alles past perfect in elkaar. Een intelligent designer kan niet leven in een wereld dat door toeval en natuurlijke selectie geregeerd wordt. Vandaar dat perfect DNA zijn troost is.
Maar ik doe meer in het blog. Ik graaf dieper: is DNA op zich wel zo ideaal? Is niet een groot deel van zijn stabiliteit te danken aan histonen en nucleosomen? Hoeveel speelruimte heeft DNA als het opgewonden is rond het nuclesoom? (plaatje). Dus: zou het kunnen dat de eventuele zwakke punten van DNA gecompenseerd worden door een hele serie eitwitten die het verder stabiliseren? en veel verder gaan dan wat naakt DNA zou kunnen bereiken? etc etc etc

Marleen zei

Gert, als ik het goed begrijp komt Denton met de term 'perfect'. Zelf zou ik het DNA nooit perfect noemen maar hooguit 'optimaal'. Het DNA is optimaal voor de omstandigheden waarin het ooit tot stand kwam. Met de moleculen die er toen beschikbaar waren is het DNA ontstaan dat de meest stabiele informatiedrager geweest moet zijn. Je zou het dus ook kunnen zien als een oeroud molecuul waar we het nu nog steeds mee moeten doen. Het kan dan misschien nu niet meer als optimaal gezien worden, maar is dat wel ooit geweest. Als zodanig maakte het deel uit van onze eerste (en laatste) gemeenschappelijke voorouder.
Dat er heel wat eiwitten zijn als histonen die het DNA stabiliseren is zeker waar. Dan wordt het DNA-eiwitcomplex stabieler en meer optimaal.

Arno Wouters zei

Gert, om te voorkomen dat je dit commentaar verkeerd gaat begrijpen: ik ben geen aanhanger van intelligent design, mijn commentaar is niet bedoeld ter verdediging van Dentons positie, ik heb het boek van Denton niet gelezen, ben niet van plan dat te doen, en, eerlijk gezegd, ben ik noch in de man noch in z'n boek noch in z'n ideeën geïnteresseerd.

Mijn interesse gaat uit naar een aantal andere zaken die je aanroert m.b.t. de perfectie van DNA.

Om te beginnen. Je schrijft: "Kun je DNA dan nog perfect noemen? Dat hangt af van hoe je de taak van DNA definieert."

Uit je post en je reacties blijkt dat het ook (of zelfs vooral) afhangt van hoe je 'perfect' definieert. Mee eens?

Het lijkt me duidelijk dat DNA niet perfect is in de zin dat het z'n taak als drager van erfelijke informatie net zo goed uit zou voeren als je het in een andere omgeving zet dan die waarin het normaal zit (zonder reparatiemechanismen, stabiliserende eiwitten etc.).

Eveneens lijkt het me duidelijk dat DNA niet perfect is in de zin dat het z'n taak uitvoert op een manier die geen gevolgen heeft die wij niet leuk vinden en die naar jouw idee niet zouden optreden als DNA andere eigenschappen had gehad (stabieler zou zijn, minder snel zou muteren etc.).

Dit is echter niet het soort perfectie waarin ik geïnteresseerd ben en naar ik de indruk heb evenmin het soort perfectie waar biologen het over hebben als ze het over 'perfect' of 'optimaal' hebben (getuige bijvoorbeeld het commentaar van Marleeen).

Mij interesseert de vraag: is het DNA perfect in de zin dat het onmogelijk is het DNA-mechanisme door een ander mechanisme te vervangen zonder dat dit ten koste gaat van de levensvatbaarheid van het organisme?

Dat lijkt me ook de vraag waar Saenger zich mee bezig houdt in het citaat in jouw voetnoot.

Het leuke is dat het antwoord op die vraag ons inzicht geeft in de vereisten voor het leven.

Heeft Saenger gelijk dat het DNA in bovenstaande zin perfect is of zijn er alternatieven?

Een andere kwestie die me interesseert is de relatie tussen perfectie en toeval. Stel dat het DNA perfect is ('perfect' in bovenstaande zin) zou dit dan betekenen dat het toeval geen rol speelt in de wijze waarop het ontstaan is? Ik zou denken dat deze vraag met een dik 'nee' beantwoord moet worden. Immers natuurlijke selectie is een process waardoor opeenvolgende toevallige verbeteringen tot perfectie in bovenstaande zin kunnen (niet: moeten) leiden.

Denk jij daar anders over?

gert korthof zei

Arno schreef "Mij interesseert de vraag: is het DNA perfect in de zin dat het onmogelijk is het DNA-mechanisme door een ander mechanisme te vervangen zonder dat dit ten koste gaat van de levensvatbaarheid van het organisme?"
Mijn intuitie is dat DNA net zo'n soort toevalstreffer is als bijvoorbeeld de eukaryotische endosymbiosis. Het kan niet zo zijn dat alleen DNA voor erfelijkheid zou kunnen zorgen. Kom ik morgen op terug.

gert korthof zei

Arno schreef "Uit je post en je reacties blijkt dat het ook (of zelfs vooral) afhangt van hoe je 'perfect' definieert. Mee eens?"
Beter: optimaal voor de functie waarbij 'optimaal' betekent er is geen betere. Echter de omschrijving van 'functie' is cruciaal omdat het verschil uitmaakt of de functie betrouwbare informatie opslag is of opslag met een zeker foutpercentage.

De denkfout van Saenger is misschien dat hij vasthoudt aan 3D dimensies van het huidige DNA en daarom geen acceptabele variaties van de bouwstenen kan vinden. Als je andere dimensies van een erfelijkheidsmolecuul accepteert, dan heb je vast veel meer mogelijkheden.

Antwoord op je laatste vraag: natuurlijke selectie en ongerichte mutatie sluiten een optimaal resultaat niet uit, maar de kans is groter dat het een sub-optimale resultaat wordt.
(zie verder commentaren bij 25 jan).