13 juli 2012

Subtiel verschil in correcte en foute baseparing in DNA

"During the first half of the twentieth century, biochemists pondered the identity of genetic material with great wonderment. How can biological material replicate itself? This question was answered, in principle, when James Watson and Francis Crick proposed that DNA had a double-helical structure, which seemed to suggest that each of the two strands could serve as a template for self-replication using specific base-pairing rules.
However, the structural and energetic differences between the canonical Watson–Crick base pairs and mismatched base pairs are so subtle that one is left wondering how cellular machinery can catalyse DNA replication with sufficient speed and accuracy to sustain life.
As reported on page 196 of this issue, Yang and colleagues have brought us one step closer to solving this mystery, by observing a DNA-repair enzyme in the act of replicating DNA." [1]
We weten allemaal dat de Watson-Crick base paring A met T en C met G een geniale vinding was, zowel van de nature als van Watson en Crick. Immers die specifieke base paring maakt het mogelijk om DNA betrouwbaar te kopieren. En dat betrouwbaar kopieren is nodig bij iedere celdeling. Of je nu ééncellig of meercellig bent. De ene helft van de ladder dient als template voor de andere helft. A paart met T en C paart met G. Daarom is DNA een dubbele helix. Daarom zijn de bases A, T, C, G uiterst geschikt voor betrouwbare informatie opslag. Als A niet met T paart, maar met G of C, dan heb je geen betrouwbare copie. De 'keuze van de natuur' voor de 4 bases lijkt dan ook begrijpelijk. Als je keuze hebt uit vele chemisch mogelijke bases dan zullen op den duur de meest efficient parende bases het winnen.

Maar wie schetst mijn verbazing dat de structurele en energetische verschillen tussen de Watson-Crick base paren subtiel zijn?! En dat wordt door een expert gezegd. Dat was ik nog niet eerder zo duidelijk tegengekomen. Ik had verwacht dat er stevige verschillen waren in de mate waarin er correcte paren en foute paren (mismatch) gevormd worden. Zo staat het ook in de handboeken [3]. Anders zou je teveel fouten krijgen om het systeem betrouwbaar te houden. Niet dus. Overigens wil dit niet zeggen dat AT en CG opzich sterke bindingen moeten hebben. Ze moeten immers ook weer los bij het copieren. Het gaat om het verschil in binding tussen de twee baseparen. Met andere woorden: de specificiteit.

Helaas gaat de rest van het artikel niet in op die ene subtiele opmerking. Het research artikel [2] is erg technisch-chemisch. Het lijkt er niet op dat ze iets zeggen over dit verrassende verschijnsel. Het gaat niet over baseparing, maar over polymerase. Vermoedelijk wordt dit 'subtiel' probleem opgevangen door enzymen. Maar dat vormt een probleem voor de 'Origin of Life' en de 'origin of DNA', want toen waren er nog geen (gespecialiseerde) enzymen, moet je aannemen. Hoe kon DNA (of RNA) toen betrouwbaar gecopieerd worden?

Was 'de keuze van de natuur' voor AT en CG wel de beste? En als het redelijkerwijze het beste was wat er toen voorhanden was, was het een compromis? Want er zijn andere eigenschappen zoals een constante diameter van DNA als gevolg van de gecombineerde breedte van A+T is gelijk aan C+G.

DNA: het lijkt zo logisch in elkaar te zitten. Maar als je lastige vragen gaat stellen, wordt het steeds mysterieuzer.

Literatuur:

  1. Kenneth A. Johnson 'Biochemistry: DNA replication caught in the act',  Nature 487, 177–178 (12 July 2012) (Nature News en Views artikel) 
  2. Teruya Nakamura, et al 'Watching DNA polymerase η make a phosphodiester bond', Nature, 12 July 2012 (Research artikel)
  3. De chemische reden dat A met T, en C met G paart zijn de waterstofbruggen. Chemisch past AC en GT gewoon niet. Het is onstabiel. Dit kun je in het standaardwerk Molecular Biology of the Gene, 6th ed., 2008, page 106-107 vinden. Gekwantificeerd wordt het niet. Wanneer er op pag 260 over proofreading en mismatch repair wordt geschreven, wordt er helemaal niet meer in chemische termen (waterstofbruggen) gesproken. Je ziet alleen twee 'subtiele' uitstulpingen in (schematisch) dna waar een AG paar zit (fig. 9-2). Maar het zit er toch maar te zondigen tegen Watson-Crick base pairing...
In jan, feb, maart, april dit jaar heb ik een reeks blogs over Waarom dna? geschreven. Deze past in die reeks.

7 opmerkingen:

DEEN zei

"Hoe kon DNA (of RNA) toen betrouwbaar gecopieerd worden?"
Maar dat hoefde toen toch helemaal niet zo betrouwbaar te zijn? De concurrentie was dat toen immers ook nog niet. Voor een soort primitieve "chemische evolutie" is het alleen maar noodzakelijk dat sommige systemen betrouwbaarder zijn (of minder onbetrouwbaar) dan anderen.

gert korthof zei

DEEN, yes but, no but, hoe kon dna uberhaupt gecopieerd worden ZONDER enzymen, en als bovendien die baseparingspecificiteit zo subtiel is? Zelfs als het copieren heeeeeel traag zo gaan zonder enzymen dan had je nog last van die lage specificiteit.... Je hebt wel heel wat uit te leggen dat copieren met lage betrouwbaarheid toch nog functioneel is, ook wat betreft vertaling naar eiwitten, etc. Als ik nog wat vind kom ik er op terug.

gert korthof zei

DEEN "De concurrentie was dat toen immers ook nog niet", yes but, no but, er is toch wel een ondergrens van betrouwbaarheid waarbeneden dna geen nut meer heeft? Als je bedenkt dat proofreading de betrouwbaarheid van dna met een factor 100x vergroot en de daarop volgende mismatch repair met nog eens 100 - 1000x, dan heb je een totale winst van een factor 10.000 - 100.000x. Dat mis je allemaal als je geen enzymen hebt. Je kan zeggen: kleine genomen komen er mee weg. Mogelijk. Eigen paradox.

harry pinxteren zei

relatie met je Koonin-drempel, gert?

gert korthof zei

Harry, ja die is er zeker: al de enzymen die nodig zijn om dna te onderhouden en repliceren vormen een drempel by the origin of (complex) life.
Wat ik nog niet gezegd heb: Kenneth A. Johnson heeft misschien een beetje overdreven. En hij komt ook niet met details, om zijn bewering te ondersteunen. Maar misschien is dat weer common knowledge in biochemische kringen.

Anoniem zei

Naast Watson-Crick basepairing vinden we in de natuur ook Wobble basepairing. De paring van G met U, of de zeldzame base inosine (I) met A of U. Wel in RNA, maar toch.
Geeft maar weer eens aan dat niet alles in de natuur zwart-wit is.

Gr.
Bastiaan

gert korthof zei

Bastiaan, bedankt. Inosine maakt duidelijk dat er meer dan 4 bases zijn die kunnen paren. Watson en Crick wisten dat niet in 1953.

Een AG paar kan voorkomen in dna, dat geeft een afstoting en een bobbel in het dna., maar wordt bij de eerstvolgende replicatieronde zeer waarschijnlijk vervangen door AT en GC in de dochterstrengen. Dus zo'n AG paar blijft zitten tot de eerstvolgende celdeling.