Nieuws

2 dec 16 dwdd university Robbert Dijkgraaf zeer boeiend college: terugzien!
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


*) zie hier. [ Archief Actualiteiten ]

16 januari 2012

Waarom DNA? (3) Optimale DNA structuur door Natuurlijke Selectie?

dinsdag 17 jan: noot 8 toegevoegd
Als DNA superieur is als erfelijkheidsmolecuul aan alle mogelijke chemische alternatieven dan moet dit verklaard worden door natuurlijke selectie. Dan moeten er dus alternatieven uitgeprobeerd zijn, waarbij uiteindelijk DNA als beste uit de bus is gekomen. Nou en? Niks bijzonders? Pas op! Dit soort natuurlijke selectie –als het bestaat– is in een belangrijk opzicht totaal anders dan de gebruikelijke Darwiniaanse natuurlijke selectie. Onvergelijkbaar anders. Wat is er zo anders?

Evolutie = verandering van base volgorde
Natuurlijke selectie wordt geacht te werken op basis van mutaties. Mutaties 'in het DNA': puntmutaties van één base, of mutaties van grotere stukken DNA: inserties, deleties, duplicaties, etc. etc. Door een puntmutatie ontstaat er een nieuw gen (allel). De gangbare definitie van evolutie is verandering in gen (allel) frequenties. Maar alles is gebaseerd op een verandering in de volgorde van steeds dezelfde 4 bases A, T, C, G.

Natuurlijke selectie zonder dat de basevolgorde in het DNA verandert is moeilijk voor te stellen. In feite zou dat niet eens onder de gangbare definitie van evolutie vallen. Ook de zgn. 'neutrale mutaties' zijn gebaseerd op het vervangen van de ene base door de andere.

Erfelijkheid = base volgorde
Het doorgeven van erfelijke informatie is het doorgeven van de base volgorde in het DNA. Watson en Crick suggereerden al in 1953 dat dat gebaseerd was op de paring van A bases met T bases, en van C bases met G bases. Deze base paring wordt gebruikt als DNA gecopieerd wordt. Maar hoe zit het met de backbone van DNA: fosfaat en ribose? De backbone moet ook iedere keer nieuw gesynthetiseerd worden. Hoe gaat dat? Hoe wordt voorkomen dat ribose in plaats van deoxyribose in de nieuwe DNA streng wordt ingebouwd? Dat kan niet met een specifieke paring zoals de bases. Eerlijk gezegd: geen idee! Daar hoor ik nooit over. Een vraag die ik me nooit eerder gesteld heb, en die vele dagen literatuur onderzoek zou kosten om te beantwoorden...

The Human Genome = base volgorde
Toen in 2001 het menselijk genoom bekend gemaakt werd, werden er ruim 3 miljard bases bekend gemaakt! Dat was de essentie van wat een mens een mens maakt. En dat geldt voor alle organismen. Sequencing = base volgorde vaststellen. Evolutionary Genomics en Comparative Genomics (zie boek van Koonin!) gaat allemaal over de base volgorde van steeds dezelfde 4 bases [8].

Erfelijke ziekte = verandering base volgorde
Erfelijke ziektes worden veroorzaakt door mutaties in de basevolgorde van het DNA. Denk aan: PKU, CF, Huntington. We zeggen meestal mutaties 'in het DNA', maar in feite is dat dus fout.

Komt een vrouw bij de dokter
Dokter, ik heb last van glucose in mijn DNA!  Ik heb op evolutieblog gelezen dat ribose vervangen kan worden door glucose. Ik voel het. Hoe kom ik er af?Moet ik op dieet?
Helaas. Er zijn mij géén ziektes bij de mens bekend die veroorzaakt worden door alternatief DNA. Dat zou wereldnieuws zijn. De enige uitzondering die ik ken is de alternatieve base J die de Nederlandse medisch-biochemicus Piet Borst vond in het DNA van de eencellige parasiet Trypanosoma brucei [1]. Deze base is een afgeleide van Thymidine (T). Nota bene: als ik het goed begrijp ontstaat base J door koppeling van glucose aan base T! Dus toch letterlijk glucose in DNA! Maar dit is een extreme uitzondering en komt niet bij de mens of andere dieren voor. Ook komt base-J niet voor in DNA dat codeert voor eiwitten, maar alléén in de uiteinden van chromosomen (telomeren). Dus: zeer uitzonderlijk en beperkt in reikwijdte.

Natuurlijke selectie van DNA structuur?
Regel is dat een organisme zich niet aanpast door de structuur van zijn DNA te wijzigingen. Bij Darwiniaanse natuurlijke selectie gaat het nooit om de structuur van DNA zelf. De structuur van DNA blijft altijd hetzelfde: de overbekende 4 bases A,T,C,G [2], suiker [3] en fosfaat [4]. De backbone (ruggegraat) van DNA wordt gevormd door suikers (ribose) en fosfaat:
ruimtelijke structuur van DNA (wiki)
de 'ruggegraat' is de zijkant van de ladder,
de treden van de ladder zijn de 4 bases.

Het lijkt wel of er sinds 1953 na de ontdekking van Watson en Crick een stilzwijgend axioma in de biologie bestaat dat de structuur van DNA voor eens en altijd vastgelegd is, en optimaal is, en geen varianten bestaan. Maar waar is het bewijs? Zo'n claim kun je niet maken zonder bewijsmateriaal. Hoe bewijs je dat?

Variatie van DNA structuur
Als je wilt vaststellen of DNA optimaal is voor zijn functie(s) dan moet je variaties vinden. Als we die niet kunnen vinden in de natuur dan moeten we ze zelf maken.
Eén van de weinigen die alternatieve chemische samenstellingen van DNA synthetiseert en onderzoekt is de chemicus Albert Eschenmoser:
"Why did Nature choose pentoses and not hexoses as sugar building blocks in her nucleic acids? Since the potential for constitutional self-assembly for hexoses is comparable to that of pentoses, Nature's choice of pentoses must have had functional reasons." (mijn italics) [5]
Let op: 'de keuze van de natuur' of te wel natuurlijke selectie! Let op: 'functionele redenen'! Een andere chemicus is Martin Egli:
"These molecules are the result of evolution," said Egli, professor of Biochemistry. "Somehow they have been shaped and optimized for a particular purpose."
"how did DNA and RNA come to incorporate five-carbon sugars into their backbone when six-carbon sugars, like glucose, may have been more common?"
"alternatives that nature may have tried out before arriving at the final structure." [6]
"The researchers postulate that stable base-pairing systems are highly
unlikely with hexose-based nucleic acids, and this might explain why nature chose pentose over hexose".
[7]

Als de chemische samenstelling van DNA het resultaat is van natuurlijke selectie dan is dat gebeurt vóórdat het leven zoals wij dat kennen ontstond, want al het leven is gebaseerd op hetzelfde DNA en RNA. DNA en RNA zijn de enige structurele varianten. Als dit door natuurlijke selectie ontstaan is dan is het een uitzonderlijk soort natuurlijke selectie. Ik denk dat chemici zich dat niet realiseren. Chemci nemen misschien iets te snel het woord 'natuurlijke selectie' in de mond, zonder te specificeren wanneer en hoe. Je ziet dat chemici als Martin Eglien zich op medische toepassingen van chemisch gemodificeerd DNA bezighouden en niet met het ontstaan van het leven. Het zijn geen evolutiebiologen.

Vragen
Ik wilde in dit blog benadrukken dat alles in (evolutie)biologie en medische genetica draait om base volgorde. Alternatieve DNA structuur komt óf voor in het chemisch laboratorium óf als hypothese over het ontstaan van het leven.
Het is mij nog onduidelijk wat alternatieve DNAs in het chemisch lab ons zeggen over 'de keuze van de natuur' voor de DNA structuur die we nu hebben, en hoe selectie heeft plaatsgevonden bij het ontstaan van het leven (welke structuren zijn uitgeprobeerd? was het vóór of na de RNA-world?), en of we nu in de natuur nog meer varianten in DNA structuur behalve base-J mogen verwachten. Allemaal vragen. We komen alleen verder als evolutiebiologen, chemici en Origin-of-Life onderzoekers samenwerken. En nieuwe vragen stellen.


Noten
  1. Piet Borst and Robert Sabatini (2008) Base J: Discovery, Biosynthesis, and Possible Functions, Annual Review of Microbiology, Vol. 62: 235-251 
  2. ik heb het hierbij over DNA, en niet RNA. RNA heeft de suiker Deoxy-ribose vervangen door Ribose (vandaar de D in DNA en de R in RNA). Tevens heeft RNA de base T vervangen door U. Dit zijn permanente eigenschappen en varieren niet (voor zover ik weet). Maar ook voor die verschillen zullen functionele redenen voor zijn. Laat ik even zitten.
  3. Ik vond in: David Deamer (2011) First Life (p.177): "Instead of a complicated sugar as ribose, maybe the earliest life forms incorporated a simpler linking molecule like ethylene glycol or glycerol." Maar hij gaat er verder niet op door. Maak dan DNA met die stoffen!
  4. Inderdaad: het was wereldnieuws toen Felisa Wolfe-Simon aankondigde een bacterie ontdekt te hebben die arsenicum in plaats van fosfor in het DNA gebruikt. Het bleek niet waar. Tenminste, ze kon het niet hard maken. (zie mijn eerdere blogs december 2010).
  5. Albert Eschenmosel (1993) Hexose nucleic acids, Pure App. Chern., Vol.65, No.6, pp. 117, 1188, 1993.
  6. Martin Egli (2006) Uncovering DNA's 'sweet' secret. 
  7. 'Rationalizing the Ribose', ACS Chemical Biology Spotlight (Aug 18th, 2006; Vol. 1, No. 7, 404). 
  8. Koonin (2011): ""Indeed, at the end of the day, genome sequences are long strings of digital symbols (letters)" (blz 226) en dat zijn 4 letters = 4 bases. En daar is zijn hele boek op gebaseerd. En 99% van de biologen denkt zo. Extreem reductionisme! Koonin kan niet eens aangeven dat er in Trypanosoma brucei een 5e base-J voorkomt. Dat zou zijn berekeningen in de war gooien. Met deze oogkleppen op gaat niemand zoeken naar andere bases of een andere backbone in DNA. [17 jan toegevoegd]
Vorige blogs over dit onderwerp:
Waarom DNA? (2) Alternatief DNA 12 Jan 2012
Waarom DNA? 10 Jan 2012

11 opmerkingen:

harry pinxteren zei

gert,

andermaal een groot compliment. Zelfs voor een leek als ik, ben je goed te volgen en stel je gigantisch interessante vragen.
(Schrijf jij, s.v. p. eens snel een beter leesbaar boek dan onze Eugene!)

Maar even kijken of ik wel een beetje bij de les ben. Dus een aanpalende vraag, tenminste ik denk dat het een kwestie is die in het verlengde ligt:

ik las ergens dat we maar liefst acht van de twintig aminozuren waarmee we onze noodzakelijke eiwitten moeten maken, via voeding binnen moeten krijgen. maar liefst 40%.

Het lijkt mij bijna onbestaanbaar, maar misschien hebben we dus ook nog de verkeerde lettertjes, zeg maar gerust, gewoon inferieur DNA?
(als het zo is, dan had die natuurlijkse selectie ook hier wel wat beter werk mogen doen. Maar ja, dan was er natuurlijk weer te weinig kwaad in de wereld geweest(grapje)).

gert korthof zei

Dank je voor de complimenten! Ik heb deze keer mijn best gedaan om begrijpelijk te schrijven en niet te veel hooi op mijn vork te nemen. Het leuke is dat dit voor mij ook nieuwe vragen zijn, daarom wil ik ook voor mijzelf alles netjes op een rijtje zetten. zodat ik het zelf ook snap...

Die 8 a 9 amino zuren zijn Essential amino acids: die moeten we via onze voeding binnenkrijgen omdat we ze niet zelf kunnen synthetiseren. Als je wilt kun je zeggen dat we genetisch degenereerd zijn, maar we moeten sowieso eten. Dus dan krijg je die rotsooi toch binnen. En ratten kunnen 10 aminozuren niet zelf aanmaken, dus laat dat een troost zijn!

Grapje is leuk. DNA is goed genoeg om zo'n 3 miljard jaar leven in stand te houden, en die mutaties: ja, je moet maar denken: zonder mutaties geen evolutie! Anders waren wij er niet geweest. Het is alleen jammer dat mutaties blijven komen ook nadat de kroon der schepping homo sapiens is gearriveerd. en daardoor ons mooie genoom weer verpest wordt. Daarom moeten we nu maar mutaties afschaffen.

[geplaatst 18:48 comment tijd loopt 9 uur achter]

harry p zei

gert,
nou het is je aardig gelukt om het zelf te snappen, volgens mij: eenvoud is het teken van het ware!

Ik ben geen chemicus, ook geen bioloog, maar komen juist die 40% aminozuren typisch zo vaak voor dat ze ahw voor het grijpen liggen- wat je ook eet? En geldt dat dan niet voor die andere 60%, want hoe zou natuurlijke selectie anders dat verschil hebben kunnen maken? - lijkt me analoog aan jouw vraag waarom wel dit DNA en niet een van die alternatieven?

Trouwens met vitaminen is er een soortgelijk verhaal toch? Veel van die moleculen zijn ook essentieel, toch kunnen we ze zelf niet maken. Nog sterker, ik las dat we zelfs na de afsplitsing van de apen pas een vitamine C deficientie hebben ontwikkeld.

gert korthof zei

harry, nog even over Koonin en basevolgorde. Op blz 226 geeft hij een korte maar cruciale statement waar je makkelijk overheen leest:
"Indeed, at the end of the day (huh?), genome sequences are long strings of digital symbols (letters)"
Dat is de manier waarop hij DNA ziet! daar kom ik op terug. En de rest.

harry p zei

sowieso een cruciaal hoofdstuk, lijkt mij
ik ben benieuwd gert!

gert korthof zei

Harry, dat ze ahw voor het grijpen liggen- wat je ook eet? Er is een score voor iedere eiwit bron: Protein Digestibility Corrected Amino Acid Score (PDCAAS) = the protein quality based on both the amino acid requirements of humans and their ability to digest it. Melk, ei, soja hebben een waarde van 100%, andere voedingsmiddelen minder, maar die leveren in combinatie weer een PDCAAS score van 100% op. Graan en witte bonen zijn afzonderlijke onvoldoende, maar in combinatie 100%. Ze compenseren elkaar dus. Je moet dus wel heel gek eenzijdig eten om niet aan je essentiele aminozuren te komen.

zie:
http://en.wikipedia.org/wiki/Protein_Digestibility_Corrected_Amino_Acid_Score

harry pinxteren zei

gert je snapt dat ik buitengewoon geinteresseerd ben in van alles wat niet hardgebakken in ons DNA zit
(want bij ons is dat nogal wat: dat is ook de makke van die hele EP (dit weekend kon je daar weer een beschamend voorbeeld van lezen (bij Hans van Maanen)!)).

dus ik kijk uit naar jouw uitleg/opmerkingen over Koonin.

Ik kwam nog een interessant artikel tegen in dit verband, maar je hebt het vast al gezien:

Gregory C. Finnigan, Victor Hanson-Smith, Tom H. Stevens, Joseph W. Thornton. Evolution of increased complexity in a molecular machine. Nature, 2012; DOI: 10.1038/nature10724
The researchers concluded that the functions of the ancestral protein were partitioned among the duplicate copies, and the increase in complexity was due to complementary loss of ancestral functions rather than gaining new ones.

kortom, 'less is more', of liever specialisatie, arbeidsdeling = toename complexiteit (en omgekeerd).

Trouwe Lezeres zei

Mooi TED-filmpje voor leken zoals ik over DNA (onderaan artikel):

http://www.wetenschap24.nl/nieuws/kort/2012/januari/19-januari-2012.html

gert korthof zei

Trouwe Lezeres: dank voor de link.
Directe link van de TED lezing:
Drew Berry: Animations of unseeable biology

Drew Berry is gespecialiseerd in artistieke maar wetenschappelijke correcte animaties van verschijnselen op microscopisch niveau, zoals de werking van DNA.

Anoniem zei

“Maar hoe zit het met de backbone van DNA: fosfaat en ribose? De backbone moet ook iedere keer nieuw gesynthetiseerd worden. Hoe gaat dat? Hoe wordt voorkomen dat ribose in plaats van deoxyribose in de nieuwe DNA streng wordt ingebouwd? Dat kan niet met een specifieke paring zoals de bases. Eerlijk gezegd: geen idee!”

Het synthetiseren van de backbone is geen apart proces. Immers: de bouwstenen van het DNA, de nucleotiden, zijn al kant-en-klare fosfaat-suiker-base verbindingen die door het enzym DNA-polymerase gebruikt worden voor het maken van een nieuwe DNA-steng.
Dat in DNA geen ribosenucleotiden worden ingebouwd heeft denk ik te maken met de specificiteit van het DNA-polymerase. Dezelfde reden dat RNA-polymerase geen desoxyriboses gebruikt bij de synthese van RNA.

Gr.

Bas

gert korthof zei

Bas, bedankt voor je commentaar. Ik vermoedde al dat er een mechanisme in de cel moet zijn dat garandeert dat er geen ribose of uracil ingebouwd wordt in de backbone van DNA bij DNA replicatie. Het moet haast wel in de specifiteit van DNA polymerase zitten... Maar vindt daar maar eens informatie over...
Het is wel mogelijk om DNA te maken op basis van RNA:
Retroviruses encode an unusual DNA polymerase called reverse transcriptase, which is an RNA-dependent DNA polymerase (RdDp). It polymerizes DNA from a template of RNA.
Ook wordt RNA gemaakt op basis van DNA: dat heet transcriptie.