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