19 januari 2012

Waarom DNA en geen RNA als erfelijkheids molecuul? (4)

In de vorige 3 blogs waren we vooral aan het brainstormen over de vraag waarom DNA? Zijn er betere alternatieve erfelijkheidsmoleculen? Het maakt toch niet uit in welk molecuul je erfelijke gegevens opslaat als het maar betrouwbaar is? als het maar een stabiel molecuul is? als het molecuul maar codeert voor eiwitten? als erfelijkheid maar werkt?

We hebben voorzichtig geconcludeerd dat er wel alternatieve erfelijkheidsmoleculen waren, maar die zijn uitsluitend door chemici gesynthetiseerd en er is nog geen bewijs dat ze DNA in alle opzichten kunnen vervangen. Misschien zijn het voorlopers van DNA geweest en hoeven die aan minder strenge eisen te voldoen.

We hebben op school geleerd dat alle planten, dieren en bacterieën hetzelfde erfelijkheidsmolecuul bezitten: DNA.

Toch heeft ieder organisme een structurele variant op DNA, nl. RNA.  Weliswaar dient RNA niet als erfelijkheidsmolecuul, maar o.a. als boodschapper (mRNA), toch is het een structurele variant van DNA. Dat zien we makkelijk over het hoofd. RNA heeft nl. géén deoxyribose zoals DNA, maar gewoon ribose. En géén Thymine base zoals DNA, maar Uracil. En: RNA komt uitsluitend voor als enkelstrengs RNA. DNA is altijd dubbelstrengs. Dus drie structurele verschillen.

Dit wilde ik als aanvulling op mijn vorige blogs even melden. Het is niet in strijd met mijn vorige blogs. Het ging toen immers om DNA als drager van erfelijkheid. En RNA is géén drager van de erfelijkheid. RNA wordt niet doorgegeven naar de volgende generatie. Alleen DNA wordt doorgegeven.



Voor de liefhebbers: 
Waarom deze structurele verschillen tussen DNA en RNA?

  • Dat RNA enkelstrengs is, is nog het makkelijkste te begrijpen: die enkele streng mRNA bevat precies de informatie die nodig is om een eiwit te synthetiseren. Méér is niet nodig. Het zou alleen maar in de weg zitten. Dat DNA dubbelstrengs is maakt DNA waarschijnlijk stabieler.
  • Iets lastiger is Uracil. Uracil is chemisch iets eenvoudiger dan Thymine (er ontbreekt een methyl groep). Dat kan een voordeel geweest zijn in de RNA-world toen er nog geen DNA was. Vraag: OK, maar waarom is later U vervangen door T?  Zowel U als T paren met A. Dan zou T 'beter' moeten zijn? Kort antwoord: daardoor zou DNA stabieler zijn.
  • Wat is het voordeel van de suiker deoxyribose in DNA? Deoxyribose is moeilijker te synthetiseren en daarom zou ribose een voordeel geweest zijn in de RNA-world die vooraf ging aan DNA.

Het blijkt dat nadenken over deze DNA-RNA verschillen mij helpt bij het nadenken over alternatieve structurele voorlopers van DNA of RNA. En omgekeerd helpt het idee van alternatieve DNAs weer om de DNA-RNA verschillen te begrijpen. Het gaat in beide gevallen om de vraag: wat is de functie van die structurele verschillen? Stel je eenmaal dit soort vragen, en probeer je een antwoorden te googelen, dan raak je vanzelf thuis in de materie. En komen er weer nieuwe vragen. En zo groeit je inzicht en fascinatie voor het onderwerp.

Vorige blogs over dit onderwerp:

Waarom DNA? (3) Optimale DNA structuur door Natuurlijke Selectie?16 Jan 2012
Waarom DNA? (2) Alternatief DNA 12 Jan 2012
Waarom DNA? 10 Jan 2012

13 opmerkingen:

gert korthof zei

ScienceDaily 19 jan 2012: When It Comes to Accepting Evolution, Gut Feelings Trump Facts.

Bas zei

Misschien is het iets te kort door de bocht om te stellen dat RNA uitsluitend als enkelstrengs, simpel molecuul voorkomt. RNA’s zoals transfer RNA’s, ribosomale RNA’s maar ook messenger RNA’s vormen complexe structuren waarin, binnen het RNA-molecuul zelf, wel degelijk sprake is van basenparing.
Dat RNA niet als erfelijkheidsdrager wordt gebruikt is ook niet geheel juist. Verschillende soorten virussen gebruiken enkelstrengs of dubbelstrengs RNA namelijk als drager.

gert korthof zei

Bas, ja het klopt dat RNA in eindeloos veel vormen voorkomt en vele functies heeft. Je vergeet het spliceosoom wat de grootste moleculaire structuur in de eukaryotische cel schijnt te zijn.
Ja, het klopt dat er RNA virussen zijn. In dat geval is RNA een erfelijkheidsdrager. maar virussen muteren sneller dan cellulaire organismen die op DNA gebaseerd zijn. Hoe komt dat? Komt dat door de verschillende chemische structuur van DNA en RNA? (de drie verschillen). Het is interessant om daar over te brainstormen. Waarom zijn er geen eencelligen of planten en dieren die geheel op RNA als erfelijkheidsdrager gebaseerd zijn? Daar ging dit blog over. daarom heb ik een hoop weggelaten omdat anders veel mensen door de bomen het bos niet meer zouden zien.

gert korthof zei

comment tijd loopt nu 3 uur vóór. Ben benieuwd wat blogspot nog meer bedenkt.

Anoniem zei

In het licht van deze discussie is het misschien interessant om te weten dat cellen de aanwezigheid van dubbelstrengs RNA (dsRNA) niet tolereren en gelijk tot de afbraak ervan overgaan. Speciale eiwitten dragen hier zorg voor. De verklaring hiervoor: een verdedigingsmechanisme tegen de al eerder genoemde RNA-virussen. Misschien is dit ook de reden dat ‘het leven’ is overgegaan naar DNA als drager van erfelijkheid (er vanuit gaande dat dit eerst RNA was). Je bent de ‘op hol geslagen’ RNA-virussen de baas zonder het gevaar te lopen je eigen erfelijk materiaal af te breken.

De cel gebruikt dit mechanisme, herkennen en afbreken van dsRNA, overigens ook voor de regulatie van genexpressie. Kleine, niet coderende RNA’s (miRNA), binden aan het te reguleren mRNA waarna het afgebroken wordt met als gevolg dat er geen eiwit meer gevormd wordt. Zou dit een bijkomend voordeel van dit virusafweermechanisme kunnen zijn? Een extra regulatielaag wanneer het op genexpressie aankomt?

N.b. In de celbiologie wordt van dit gegeven gebruik gemaakt om de functies van eiwitten te onderzoeken. Kleine stukjes dubbelstrengs RNA (siRNA), complementair aan het mRNA dat codeert voor het te onderzoeken eiwit, wordt in de cellen gebracht met ahetzelfde resultaat als gevolg: afbraak van het mRNA -> geen eiwit.

Gr.

Bas

Dax zei

Nog meer toevoegingen:

* RNA virussen muteren met name sneller door twee redenen: (1) reverse transcriptase, het enzym wat van RNA en cDNA copy maakt (vandaar de c- als prefix) heeft geen "proofreading" capaciteit dus kijkt niet of er fouten worden gemaakt (DNA polymerase heeft dit wel), en; (2) virussen zoals influenza bestaan uit losse segmenten genetisch materiaal wat, wanneer nieuwe virussen worden verpakt in de cel, door elkaar gemixt kan worden (ook met stukken influenza virus van bijv. andere origine).

* Ik kan uit eigen ervaring zeggen dat RNA zeer fragiel is, in vergelijking met DNA... dit komt met name door de evolutie zelf: RNAse, het enzym wat RNA afbreekt, komt veelvuldig voor in de natuur (DNAse is wat moeilijker te vinden). Toch, de bewerking dat RNA ondergaat in een eukaryotische cel is... ahum... wonderbaarlijk (seculier gesproken, bedoel ik ;) ). De zgn. m7G RNA Cap, de Poly-A-tail, alle secundaire structuren, etc.

gert korthof zei

Bas, bedankt voor je commentaar. Ik denk dat de cel niets kan met eiwitcoderend dubbelstrengs RNA, want dat kunnen de ribosomen niet lezen.
Over de volgorde in de evolutie: ik denk dat het leven eerst is overgegaan tot dubbelstrengs DNA als erfelijkheidsdrager, en pas daarna dubbelstrengs RNA is gaan herkennen als ongewenst.

Ik vraag me af hoe RNA virussen het lang vol kunnen houden zonder proofreading: hun genoom moet langzaam gaan degenereren totdat er niets meer van overblijft.

gert korthof zei

Dax, bedankt voor je aanvulling. Ik begrijp dat mRNA afgebroken moet worden na gebruik, en dat je daarvoor RNAse nodig hebt, maar dan moet de cel er ook voor zorgen dat mRNA niet voortijdig wordt afgebroken, etc. en dat kan ingewikkeld worden, zoals je bedoelt neem ik aan.

Arno Wouters zei

Volgens mijn biochemieboek is DNA met thymine niet stabieler dan DNA met uracil. Het voordeel van thymine boven uracil is gelegen in een biologisch mechanisme. Cytosine, een van de andere basen van het DNA, verandert spontaan in uracil in een tempo van 1 : 10.000.000 cytosine moleculen per dag. Door het gevormde uracil te verwijderen en de opengevallen plek met cytosine te vullen wordt voorkomen dat er blijvende veranderingen in de erfelijke informatie optreden. Dit reparatiemechanisme (dat gecatalyseerd wordt door een enzym dat uitsluitend met uracil in DNA reageert) zou niet werken als uracil van nature in DNA zou voorkomen (uracil op een plek waar uracil hoort is immers niet te onderscheiden van uracil op een plek waar cytosine hoort).

gert korthof zei

Arno, leuk dat je langs komt. Dank voor je verbazingwekkende info. Ik moet er over nadenken hoe dat evolutionair gegaan zou moeten zijn. Omdat C inherent instabiel is, en spontaan muteert, is er een enzym die dat herstelt, en om te zorgen dat die niet de foute bases gaat herstellen, zijn er weer enzymen ? die zorgen dat er geen U maar T in DNA voorkomt. Ziet er uit als een oplossing bij gebrek aan beter. Waarom zit er nog steeds een instabiele base C in DNA? Nu het 'opgelost' is, is het niet meer zo'n groot probleem. Maar ik vraag me af, was er niet een betere, stabielere base voorhanden?

Arno, onbedoeld geef je een subliem bewijs van de stelling dat DNA chemisch niet perfect is. Immers C is niet perfect! Dus Michael Denton's geloof dat DNA optimaal is voor zijn taak is hiermee weerlegd. Als je een aantal specifieke enzymen nodig hebt om de inherente instabiliteit van een base te corrigeren, is de keuze voor die base fout. Dank, Arno!!!

gert korthof zei

Marleen, bovenstaande opmerkingen van Arno, bewijzen dat de zwakheden van DNA worden opgevangen door enzymen. Een doorslaggevend bewijs dat DNA op zich niet perfect is. Wat Denton claimt is dus onzin. Hij laat enzymen buiten beschouwing.

Arno Wouters zei

Hallo Gert, ik blijf niet zolang, maar lust wel een kopje koffie ;-)

Je schrijft: "Omdat C inherent instabiel is, en spontaan muteert, is er een enzym die dat herstelt, en om te zorgen dat die niet de foute bases gaat herstellen, zijn er weer enzymen die zorgen dat er geen U maar T in DNA voorkomt"

Daar komt het voorzover ik het begrijp op neer.

De relevantie voor de discussie over de vraag of DNA perfect is, is overigens niet onbedoeld.

gert korthof zei

Arno, en je kunt er zelf gebakken koek bij krijgen! De deur staat altijd open! binnen zonder kloppen!

"De relevantie voor de discussie over de vraag of DNA perfect is, is overigens niet onbedoeld.":
Nog beter! Heb je toevallig nog meer voorbeelden? Ik zie dat je een blauwe maandag bij het genomics centre hebt gewerkt! Dus, brand los!