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
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 ]

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!

      15 opmerkingen:

      harry pinxteren zei

      goed punt gert en goede metafoor

      hoe dramatisch de gevolgen kunnen zijn als er met DNA reparatie iets mis gaat door mutatie(s) in het mechanisme zelf blijkt bijv uit progeria, een (super)snelle verouderingsziekte.

      overigens vind ik bij Koonin verder weinig over zijn 'antientropic devices' (ondanks 'some detail' in H10) en, ook vreemd, al helemaal niks bij Goldenfield en Woese (2011) juist omdat zij het hebben over 'the quintessentially self-referential nature of evolutionary dynamics'.

      'DNA repair wordt uitgevoerd door enzymen die in het DNA gecodeerd moeten worden'. Quintessential!

      gert korthof zei

      Dank, Harry. Voglens de wiki is progeria niet een DNA-repair disease, maar het is wel een verouderingsziekte. Maar ik zou vele blogs kunnen over DNA-repair diseases, inderdaad. Het is een dankbaar onderwerp voor mensen die denken dat DNA optimaal is.
      Overigens komt DNA-repair niet in de index van Koonin voor (!), maar fidelity of information transmission (let op de abstract benaming!) komt voor op p.275 en Koonin heeft met Aravind (1999) gepubliceerd over de evolutie van DNA-repair. je kunt niet alles in een boek stoppen, zeg maar. Overigens heb ik niet gevonden wat het toaal aan genen in de mens is betrokken bij repair en replicatie.
      Hier is wel een overzicht
      http://www.genome.jp/kegg/pathway.html#genetic
      maar weet niet of ze een optelsom hebben gemaakt.

      je laatste opmerking: de Baron Münchhausen verhaal lijkt mij ook een goede metafoor voor de foutgevoeligheid van DNA op te lossen door voor méér eiwitten in het DNA te coderen!

      harry p zei

      ja, gert
      progeria is zo'n snelle veroudering vanwege mutaties in dna reparatie mechanisme- las ik ergens, maar goed.

      misschien is de baron zelfs een goeie metafoor voor evolutie: geen vooruitgang, maar we komen wel omhoog, op de een of andere manier! luctor et emergo, of zoiets als pasen, zeg maar, verrijzenis, opstanding, whatever

      prettige pasen!

      gert korthof zei

      harry, wacht even, je gaat toch niet deze aardbol verlaten? het is nog geen hemelvaart! z.o.z.

      gert korthof zei

      Belangrijk artikel in Scientific American maart nummer:

      What makes each brain unique dat vooral gaat over jumping genes in de hersenen. Verbijsterende materie. De auteurs zien dat vooral positief, nota bene. De moeite waard, a must-read, hoop ik later op terug te komen. Lezen! Relatie leggen met DNA-repair!

      gert korthof zei

      papieren editie Scientific American maart ligt nog in de winkels.

      harry pinxteren zei

      gert dank.

      ik had die jumping genes al eens genoemd (toen ik weer eens zat te katten op die idiote evolutiepsycholgen). Ik zal het je nog sterker vertellen: die genen blijken nog het meest te springen in onze hippocampus (die ook heel ons leven nieuwe neuronen blijft aanmaken, tot we allemaal dement zijn geworden, of omgekeerd!)

      En, wat dacht je hiervan (daar kan de EP helemaal een puntje aan zuigen)?
      'Each neuron is likely subjected to a unique combination of insertions, leading to a genetic variability within populations of cells. (Ballie et al, Nature 2011)

      Dank voor je tip, ga hem subiet kopen. Gelukkig ben ik zojuist herrezen.

      Trouwens, had jij al eens van Denis Noble (emeritus, fysiologie, anatomie en genetica, Oxford) gehoord? Dan moest je maar eens wat van de man lezen!

      nand braam zei

      @ Gert

      Even wat citaten van je achter elkaar gezet:

      “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.”

      “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.”

      Daaruit neem ik de volgende citaten:
      1. Een wonderbaarlijke prestatie die lijkt op Baron Münchhausen die zich aan zijn haren uit het moeras trok.”
      2. 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.”
      3. Evolutie heeft gekozen voor DNA en het compenseren van de nadelen van DNA.”

      Gert, geef ons eens duidelijkheid. Vind je DNA en alles wat daarmee samenhangt een “houtjes/touwtjes- systeem” dat met “plakband” aan elkaar hangt of is het een bijna perfect-systeem (echt perfect kan niet) of is het systeem optimaal gezien de omstandigheden? Ik heb het idee dat je in deze (nog) geen beslissing durft te nemen wellicht omdat je vindt dat daarvoor nog te weinig informatie beschikbaar is?

      gert korthof zei

      Dennis Noble: The Music of Life. Biology beyond the Genome,
      staat vermeld op:
      http://home.planet.nl/~gkorthof/korthof.htm
      en heb hem geciteerd op:
      http://home.planet.nl/~gkorthof/korthof58.htm

      nuttig boekje, goede inzichten, goed verteld.

      gert korthof zei

      Nand, als informatiedrager is DNA zeer gebrekkig gezien het feit dat zelfs 'eenvoudige' ééncellige bacterieën 10% van hun opslagcapactieit besteden aan DNA repair (volgens Koonin hierboven). Dat zijn de feiten. Dat kun je niet ontkennen. Dat is mijn bewijs. Koonin is zo verbaasd dat hij het "A large fraction" noemt. Voor eukaryoten (plant, dier, mens) noemt hij geen percentage, maar het ligt voor de hand dat het daar nog groter is.

      Dat neemt niet weg dat chemisch en esthetisch gezien DNA een mooi en elegant molecuul is dat bovendien in principe een onbeperkte opslagcapaciteit heeft, maar DNA is niet bedoeld om in een museum of modern art te zetten, maar moet in de praktijk voldoen.

      Ook als je de betrouwbaarheid van DNA meet met de maatstaven van huidige informatica en computerwetenschappen (error-correcting codes) dan zijn de prestaties van DNA zwak. Daar kom ik in een apart blog hopelijk nog op terug. Ook wil ik nog in apart blog alle voor- en nadelen van DNA op een rijtje zetten. Dat is zeer ambitieus en moet ik nog de nodige research voor doen.

      Anoniem zei

      Uit deze hele discussie komt naar voren dat DNA eigenlijk suboptimaal is voor zijn functie als erfelijkheidsdrager. Dat geldt echter voor veel meer biologische systemen en komt voort uit het feit dat evolutie, voor nieuwe functies, het moet doen met 'de dingen' die reeds voorhanden zijn.

      Voorbeelden zijn de mannelijke en vrouwelijke voorplantingsorganen die voor een deel ontstaan uit de mesonephros, dat wat in vissen de nieren gaat vormen.
      Cellulaire stresseiwitten die ook worden gebruikt om de retina te vullen (crystallines).

      Interessant zou daarom zijn om eens te 'brainstormen' over wat de mogelijk oorspronkelijke functie van het eerste DNA in, laten we aannemen de RNA-wereld, zou kunnen zijn geweest. Toch al gelijk die van informatiedrager of had het molekuul oorspronkelijk een andere fucntie? Misschien als een soort stabiele opslagplaats van nucleotiden.

      Gr.

      Bas

      harry pinxteren zei

      ok gert
      misschien dat je dan zijn
      http://jp.physoc.org/content/589/5/1007.full.pdf
      ook nuttig en goed vindt!

      gert korthof zei

      Bas, het klopt dat evolutie nieuwe structuren maakt door modificatie van bestaande structuren.
      Door de meeste biologen wordt aangenomen dat de huidige DAN wereld vooraf gegaan is door een RNA-wereld. Dus in die zin is DNA een modificatie van RNA.
      Brainstormen: kijk eens naar adenine: deze stof zit zowel in DNA, RNA als in de energiedrager adenosine triphosphate (ATP). Dit zou wel eens iets te betekenen kunnen hebben...

      nand braam zei

      @ Gert

      Ik zie niet direct de bijzondere situatie van adenine (A) in vergelijking met C, U, G en T. Zeker niet in vergelijking met C en G.

      Naast ATP bestaan er ook van de andere nucleobasen dergelijke energiedragende varianten (CTP, UTP, GTP en TTP). Om in energie te kunnen rekenen spreekt men meestal alleen over ATP als energiedrager.

      gert korthof zei

      Nand, inderdaad zijn andere Nucleoside triphosphates ook energiedragers, maar ATP lijkt de meest universele te zijn. Het belangrijkste hier is dat een bestanddeel van DNA geheel andere functies heeft buiten DNA en RNA. Zo heeft Freeman Dyson (1999) Origins of Life op de overeenkomst tussen adenosine triphosphate ATP en adenosine monophosphate AMP gewezen. In een primitieve cel zonder genetisch mechanisme maar wel metabolisme zou AMP zich kunnen ophopen als bijproduct van ATP metabolism en zodoende de basis gelegd kunnen hebben voor RNA. Dit is een voorbeeld van hoe moleculen nieuwe functies kunnen krijgen, en waarbij we de oude functies vergeten zijn.