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 ]

23 november 2015

Vier DNA paradigma's die lastig te verenigen zijn in een nieuwe synthese

In de afgelopen jaren heb ik DNA vanuit verschillende invalshoeken bekeken. In dit blog een aanvulling plus poging tot synthese. Een belangrijk blog was: Twee elkaar uitsluitende perspectieven op DNA in 2012. Maar er zijn op zijn minst vier:

Vier DNA paradigma's

  1. Watson, Crick: het unieke en perfecte erfelijkheids molecuul
  2. instabiel DNA: incompatibel met leven (Lindahl)
  3. ancient DNA: verbazingwekkend stabiel onder bepaalde omstandigheden
  4. alternatief DNA: het kan anders dan het Watson-Crick DNA
Paradigma of sub-paradigma is misschien wel het juiste woord voor deze vier benaderingen, omdat ze samenvallen met onderzoekstradities en onderzoeksgroepen. Als je de 4 geïsoleerd bekijkt is er niets aan de hand. Maar als je ze naast elkaar zet en vergelijkt, dan wringt het. Het vereist denkwerk en perspectief wisseling om de vier paradigma's met elkaar te herenigen tot een overkoepelend totaalparadigma waarbij alle aspecten evenredig vertegenwoordigd zijn. 

1) Watson-Crick model van DNA

Watson en Crick, 1953
Het Watson-Crick model van DNA werd in 1953 gepubliceerd en is correct gebleken. Het model: de bases A, T, C, G zitten aan de binnenkant van een dubbele helix; de base A koppelt met T, en C met G; aan de buitenkant zitten suikers en fosfaten (die vormen a.h.w. de ruggegraat); de twee strengen van de dubbele helix lopen in tegengestelde richting. Andere structuren voor DNA zijn rond 1953 voorgesteld, zoals de bases aan de buitenkant en fosfaten/suikers aan de binnenkant, maar bleken fout te zijn. Andere bases zijn niet in overweging genomen, simpel omdat men toen al wist dat er maar 4 bases in DNA voorkomen. Idem: de fosfaat en de suiker desoxyribose. Dus: de componenten voor DNA stonden vast, het ging er om hoe die aan elkaar gekoppeld moesten worden. En dat is opgelost.

Met de opheldering van de chemische structuur van DNA werd ook het raadsel van de erfelijkheid definitief opgelost. Het model verklaart erfelijkheid voor eens en altijd (dacht men in 1953). Het 3D model van DNA is een afgesloten hoofdstuk, alleen interessant voor historici om na te gaan hoe het precies is ontdekt. Er blijven alleen nog vragen over de consequenties van het model voor de biologie. En dat zijn er vele die ik niet in dit blog kan behandelen.

2) Instabiel DNA

Tomas Lindhal
In de jaren '70, dus zo'n 20 jaar na Watson en Crick, ontdekte Tomas Lindhal dat DNA dagelijkse grote hoeveelheden spontane schade schade oploopt, met name aan de bases. Voor de mens zijn dit 10.000 mutaties per dag. Spontane schade aan de bases was totaal onverwacht omdat: 
  • de Watson-Crick baseparing leek garant te staan voor een betrouwbaar erfelijkheidsmolecuul
  • stabiel DNA is cruciaal voor erfelijkheid
  • al het leven op aarde is op DNA gebaseerd
  • DNA heeft al ruim 3 miljard jaar succesvol gediend als erfelijkheidsmolecuul
Afgezien van uitwendige bedreigingen als UV- en radioactieve straling en schadelijke chemicalieën, was er geen reden om te vermoeden dat DNA spontaan zou degraderen onder normale fysiologische omstandigheden (lichaamstemperatuur!).  Dus: de chemische structuurformule van DNA is nooit ter discussie gesteld, wel de stabiliteit van de structuur. Zoals ik eerder geblogd heb is de oplossing een uitgebreid en complex DNA-repair systeem.

3) Ancient DNA

Svante Pääbo
Ancient DNA of fossiel DNA is DNA ge-extraheerd uit dode organismen. Na de dood van een organisme valt DNA langzaam uiteen in duizenden, steeds kleinere fragmenten. De base C wordt een T, en G wordt een A als je maar lang genoeg wacht. Het oudste complete genoom tot nu toe dat is gesequenced, is een 700.000 jaar oud dood paard. Hoe kan dat? Het lijkt tegenstrijdig dat er intact DNA gevonden wordt van duizenden jaren oud, terwijl wij weten dat DNA geen dag intact blijft als het niet dagelijks gerepareerd wordt. De oplossing ligt in de condities waarin DNA verkeert zoals temperaturen beneden nul (permafrost) of droge omstandigheden. Verbijsterend gegeven: de aanwezigheid van water en zuurstof zijn nadelig voor de stabiliteit van het DNA. En die zijn overvloedig aanwezig in het lichaam. Het lichaam is dus een uiterst ongunstige plek voor DNA. Een paradoxale conclusie.
Hoe lang blijft DNA nog voldoende intact om het te kunnen sequencen? Wat is de theoretische limiet? Onder ideale omstandigheden is DNA afgebroken tot te korte fragmenten wanneer het 1 miljoen jaar oud is. Fragmenten kleiner dan 100 baseparen zijn niet meer te gebruiken om een heel genoom te reconstrueren. Volgens berekeningen zijn er alleen maar losse baseparen over na 6 miljoen jaar bij –5° C.

4) Alternatief DNA

Albert Eschenmoser

Dat het Watson-Crick DNA model correct is, sluit niet uit dat er alternatieven voor DNA kunnen bestaan. De belangrijkste eisen die aan een erfelijkheidsmolecuul gesteld moeten worden zijn: ze moeten zichzelf kunnen repliceren en ze moeten voor aminozuren kunnen coderen. Op andere planeten in het universum zouden er andere erfelijkheidsmoleculen kunnen bestaan die gelijkwaardig, inferieur of superieur zijn. Op die planeten zou intelligent leven zich afvragen of er ander DNA dan hun DNA zou kunnen bestaan. 

Alternatief DNA wordt onderzocht in de Astrobiology en Synthetische biologie. Wanneer één of meer van de 3 componenten van DNA vervangen worden, heet dit een Nucleic acid analogue. Wanneer de suikercomponent wordt vervangen noemt dit ook wel Xeno nucleic acids. Xenobiology bestudeert bovendien alternatieve genetische codes en alternatieve aminozuren. Dat laatste laat ik buiten beschouwing in dit blog.

In 2014 is het voor het eerste gelukt een naast de tweede standaard A-T en C-G baseparen nieuw, synthetisch base paar in het DNA van een levende bacterie in te bouwen. Dat is dus het derde base paar en dat maakt van een 4 letter een 6 letter alfabet. Dat DNA kon repliceren, en de bases werden niet verwijderd door DNA-repair enzymen. Ze werden dus niet als vreemd herkend. Het bewijs is geleverd dat alternatief DNA mogelijk is! Het is nog niet bewezen dat dit DNA alle functies van natuurlijk DNA kan vervullen zoals de productie van mRNA en eiwit. Het is begrijpelijk dat er vele aanpassingen in de DNA-machinerie nodig zullen zijn. Die machinerie
is immers gedurende een paar miljard jaar gefinetuned door evolutie.
 
De chemicus Albert Eschenmoser vraagt zich hardop af waarom er pentoses (deoxy-ribose) en geen hexoses (bv. glucose) als suikercomponent in DNA zitten. Goede vraag! Wordt niet gesteld binnen het Watson-Crick paradigma. Hij vond vele suiker-fosfaat backbones die de Watson-Crick baseparen kunnen ondersteunen. Maar, kun je daar DNA mee maken dat functioneert in een levende cel?
Stel dat dat allemaal gelukt is, dan is de volgende vraag: is dit relevant voor de oorsprong van het leven? Immers deze componenten zijn in het lab gesynthetiseerd en de vraag is: zouden ze ook abiotisch gesynthetiseerd kunnen worden (door louter chemische reacties)? Als ze aanwezig geweest waren op de levenloze aarde 4 miljard jaar geleden, dan weten we iets meer van de keuze die evolutie heeft gehad. En dan kunnen we ons afvragen: wat is de reden dat ons DNA is gekozen? Dat vind ik één van de meest fascinerende vragen die ik me zou kunnen stellen.
Als er géén alternatieve componenten aanwezig waren, dan was er geen keuze. In dat -intrigerende- geval zou DNA het enige erfelijkheidsmolecuul zijn dat de chemie te bieden had. Tenminste op de aarde. Geluk? toeval?




Vergelijking van de vier paradigma's

Gestalt switch: Wat zie je?
Zie je een eend of konijn? (Gestalt switch). Het is erg moeilijk om DNA tegelijk als stabiel en instabiel te zien. De meeste mensen houden het er op dat DNA stabiel is. Idem is het lastig om de Watson-Crick helix als de enig juiste oplossing te zien, en tegelijk alternatieven te zien. De meeste onderzoekers werken met DNA zoals het is en bekommeren zich niet om alternatief-DNA. Het is helemaal onmogelijk om DNA tegelijk te zien vanuit de 4 paradigma's.
De grote tweedeling in DNA paradigma's ligt misschien wel hier: wat er van nature voorkomt en wat er in het lab gesynthetiseerd wordt.
 
De overeenkomsten van tussen de eerste drie paradigma's: 1) Watson-Crick, 2) instabiel DNA, 3) Ancient DNA, is dat ze alledrie het Watson-Crick model van DNA acepteren als correct. Dat zijn alle DNA vormen die in de natuur voorkomen. Alternatief DNA komt per definitie niet voor in de natuur, maar wel in het lab.

De verschillen tussen het 1) Watson-Crick paradigma en 2) Instabiel DNA en 3) Ancient DNA zijn dat ze latere, geheel onverwachtse ontdekkingen zijn, zeg maar complificatie's: 

De ontdekking van instabiel DNA (Lindahl) was een complete verrassing voor het Watson-Crick paradigma, omdat DNA als een stabiel molecuul werd gezien. Het Watson-Crick model blijft correct, maar DNA werd veel kwetsbaarder; DNA moet dagelijks gerepareerd worden (DNA repair). Psychologisch gezien: er is een Gestalt-switch nodig om van stabiel naar instabiel DNA te switchen. Dit paradigma heeft echter vrij snel de focus verlegd van instabiel DNA naar DNA-repair genen. Daardoor is het in feite onderdeel geworden van het Watson-Crick stabiel DNA paradigma. De oorspronkelijk waarneming van instabiel DNA is daardoor naar de achtergrond geraakt. Er wordt opnieuw naar verwezen bij de uitreiking van de Nobelprijzen voor DNA-repair.
 
Ook de ontdekking van ancient DNA was een verrassing omdat niemand verwacht had dat je van fossiel DNA van duizenden jaren oud nog een complete genoom reconstructie kon maken. De verklaring zit niet in DNA zelf, maar in de bewaarcondities van DNA. Temperaturen beneden nul zijn uiteraard niet compatibel met leven. Een paradoxale situatie: DNA is het meest stabiel buiten het lichaam (ingevroren)! Zie je dat eenmaal, dan is de conceptuele switch tussen ancient, instabiel en Watson-Crick DNA makkelijker te maken. Er is geen echte strijdigheid. Bovendien maakt ancient-DNA onderzoek dankbaar gebruik van de kenmerken van instabiel-DNA om te bepalen of DNA recent of oud is.

— Het grote verschil tussen het Watson-Crick paradigma en alternatief DNA is dat alternatief DNA niet in de natuur voorkomt. Daarom vereist het een Gestalt-switch om van standaard naar alternatief DNA te switchen. Bijvoorbeeld: binnen het Alternatief-DNA-paradigma kan de vraag gesteld worden waarom de natuur een sterk en zwak basenpaar heeft gekozen, en niet twee sterke baseparen of twee zwakke baseparen. Voor het Watson-Crick paradigma is dat gewoon een uitgangspunt. 

Er is één uitzondering op de regel dat alternatief DNA niet in de natuur voorkomt en dat zijn triple-stranded en quadruple-stranded vormen van DNA. Die vormen een uitzonderlijk 'alternatief' voor het double-stranded Watson-Crick DNA.


Paradigma's en subdisciplines

De vier paradigma's worden gehanteerd door verschillende onderzoeksgroepen en subdisciplines met hun eigen vraagstellingen, technieken, tijdschriften en conferenties. Daardoor hoeven onderzoekers niet voortdurend te switchen tussen paradigma's. Je kunt ook maar aan één vraag tegelijk werken.
 

Onderzoekers op de gebieden van de Synthetische biologie, Origin of Life en Astrobiologie hebben een gemeenschappelijke belangstelling voor alternatieven voor DNA. Het zijn niet toevallig chemici. Zij beperken zich niet tot wat er in de natuur wordt aangetroffen, maar synthetiseren nieuwe stoffen in het lab.

Groepen binnen het Watson-Crick paradigma hebben vooral belangstelling voor de base volgorde, ofwel het Sequence-paradigma: evolutiebiologen, clinisch genetici, oncologen, etc. Zij interesseren zich niet voor alternatief DNA. Alleen voor wat er in de natuur (inclusief mensen!) voorkomt. Zelfs de meest pathologische erfelijke afwijkingen en agressieve vormen van kanker komen spontaan voor en zijn geen voorbeelden van alternatief DNA. Het zijn uiteindelijk Sequence varianten. 


Tot slot

Als het allemaal waar is van die vier (of meer!) elkaar uitsluitende paradigma's, dan moeten er sporen te vinden zijn in de leerboeken, wikipedia, en wetenschappelijke publicaties. Dit vereist nog nader onderzoek! Maar mijn eerste indrukken zijn dat bijna altijd één paradigma de overhand heeft, en dat feiten uit andere paradigma's maar kort of helemaal niet genoemd worden. Waar vind je een complete beschrijving van DNA die alle paradigma's op een evenwichtige manier verenigt?

Noten

Noten gerangschikt volgens de 4 paradigma's:
  • Ancient DNA: "Some of the oldest DNA sequences come from mastodon and polar bear fossils about 50,000 and 110,000 years old, respectively. But a new study published online today in the journal Nature reports the latest in the push for recovering ever more ancient DNA sequences. Samples from a horse leg bone more than 700,000 years old have yielded the oldest full genome known to date". June 27, 2013Wikimitochondrial genome of an Ursus deningeri more than 300,000 years old
  • Ancient DNA: Towards a million-year-old genome, Nature: So just how long can animal DNA survive? Recent work has modelled the absolute limits of DNA survival, and suggested that DNA more than 1 million years old may be recoverable from very cold environments. Lezen. 
  • Ancient DNA: Zie ook mijn blog:  Neanderthaler DNA toont sterke en zwakke plekken van DNA 
  • Alternatief DNA: "It has been hypothesized that the earliest life on Earth may have used PNA as a genetic material due to its extreme robustness, simpler formation and possible spontaneous polymerization at 100°C" (wiki)
  • Alternatief DNA: Denis A. Malyshev et al (2014) A semi-synthetic organism with an expanded genetic alphabet Nature 15 May 2014 (gaat om de het basepaar d5SICS–dNAM). Toelichting van de betekenis van dit onderzoek: First life with 'alien' DNA. Deze onderzoekers zijn er in geslaagd om hun onderzoek in Nature gepubliceerd te krijgen, en het moet dus wel als doorbraak beschouwd worden.
  • Alternatief DNA: Onze eigen prof Piet Borst ontdekte een afwijkende base J in het DNA van Trypanosoma brucei
  • Alternatief DNA: Albert Eschenmosel (2006) Crystal structure of homo-DNA and nature's choice of pentose over hexose in the genetic system, J Am Chem Soc.
  • 'Alternatief DNA': de zgn. DNA Quadruplex structures is een alternatief voor het standaard Watson-Crick model. Zie ook: DNA comes in many forms (1993)
  • 'Alternatief DNA':  recent een nieuw 3e basepaar Z-P toegevoegd, geeft een 6-letter alfabet: Evolution of Functional Six-Nucleotide DNA, met dank aan Harry P. [26 nov 15]
  • Instabiel DNA: Biochemistry: DNA replication caught in the act, Kenneth A. Johnson        Nature    487,  177–178  (12 July 2012): de bases zijn niet die perfecte paren als Watson en Crick gesuggereerd hebben!
  • Watson en Crick paradigma: Watson en Cricken, en alle wetenschappers nadien, hebben nooit een vermoeden gehad van de instabiliteit van DNA. Als Lindahl snel na de publicatie in 1953 zijn gegevens over instabiel DNA had gepubliceerd –dat had technisch gekund–, had dat twijfel kunnen zaaien over de juistheid van het DNA model of aan de geschiktheid van DNA als erfelijkheidsmolecuul. Zeker in 1953. Voeg daar aan toe dat Watson en Crick definitief afrekenden met foute DNA modellen (o.a. die van Linus Pauling!), dan volgt daar uit dat er maar één model correct is. Daardoor gaat niemand na 1953 zoeken naar andere modellen. Ook niet naar alternatieven voor DNA zelf. 
24 nov: kleine update in de tekst en noten over alternatief DNA (triple-stranded en quadruple-stranded vormen van DNA).

5 opmerkingen:

harryp zei

gert

dank. veel nieuws voor mij
interessante stof
700.000 jaar oud dna
hopelijk vinden ze ook zoiets van onze voorouders
ver voor de eerste anatomisch moderne mens
en zo rond de afsplitsing- zover bekend- van de neandertalers
ik moet het even laten verteren
voor ik vragen heb

maar vraag me nu al wel af hoe jij zo makkelijk kunt switchen en tegenstrijdigheden op kunt lossen. DNA is het meest stabiel buiten het (warme) lichaam

warmbloedigen bestaan toch al 300 miljoen jaar of zo. hoe lost dat die paradox op: het is nu toch nog steeds instabiel, al wat het dat dan in het begin misschien niet (niet te warm)?

Moet Barbara er niet bij: dna is gewoon een van de vele celorganen- en zo moet je het ook bekijken! Zeker ivm repair, die zij, zo las ik vandaag, als eerste aan het werk gezien zou hebben, waarmee ze de ook eerste was die ooit evolutie in actie zag. Minstens een voetnoot waard, zou ik zeggen, vooral omdat ze ook een beetje vloekte in de kerk ;-)

Nog eens goed lezen, ook de blogs waar je naar verwijst






gert korthof zei

Harry, het neanderthal genoom is nu met hoge kwaliteit gesequenced:
https://en.wikipedia.org/wiki/Neanderthal_genome_project
ik kan nog niet zeggen wat de cruciale genetische verschillen zijn tussen mens en neanderthaler.

H: "DNA is het meest stabiel buiten het (warme) lichaam"
mogelijk komt deze redenering er op neer dat als je een mens invriest hij veel langer intact blijft dan dat hij leeft... een trivialiteit? het is een welbekend feit dat als je DNA invriest het langer goed blijft dan bij kamertemperatuur... of lichaamstemperatuur... een beetje flauw :-)

Feit is wel dat DNA replicatie, zoals bij celdeling, dat DNA dan ge-exposeerd moet worden (ontwonden), en er allerlei copieer machinerie op losgelaten moet worden, en doordat het ge-exposeerd is hebben potentieel toxische stoffen ook toegang tot DNA met scahde als gevolg. Idem met het lezen van DNA tbv eiwitproductie (transcriptie, translatie). ik denk dat dat een betere benadering is, dan simpel alleen de temperatuur.

Over warmbloedigen: daar heb ik ook over gedacht. Je zou een hypothese kunnen opstellen: warmbloedigen hebben een hogere mutatiefrequentie dan koudbloedigen, en als ze dat niet hebben hebben ze een actievere DNA-repair. Duws: DNA-repair als aanpassing aan hogere temperaturen...
Dat lijkt mij een testbare hypothese. Ik denk ook aan dieren (vissen) die in de noordelijke wateren rondom de noordpool leven...
of traaglevende dieren als schildpadden en de luiaard?

Barbara? Bedoel je Barbara McClintock? Dat is nog een geheel andere invulling van het begrip 'stabiliteit van DNA', vooral chromosoom stabiliteit, nl jumping genes, of transposons. Inderdaad transposons tasten chromosoom dus DNA stabiliteit aan. Maar het is een andere mechanisme: DNA instabiliteit zoals Lindahl bedoelt is gebaseerd op chemische eigenschappen van bases in het DNA en transpositie is een acitef enzymatisch proces. maar toch... het zou er bij moeten ... Nog een nieuw sub-paradigma???

harry p zei

gert,

ja weet ik, maar we hadden het over dna van 700.000 jaar oud! Dat zou extra spannend zijn want rond die tijd zou onze lijn afgesplitst zijn. Dat bedoelde ik.

interessant idee. zijn er ook geen haaiensoorten die al miljoenen jaren nauwelijks zijn geevolueerd? Kan toch niet alleen door perfecte dna reparatie komen? Zou ik zeggen.

ja ik bedoelde McClintock. dna moet begrepen worden als een van de (vele) celorganen, vanuit de cel (mechanismen) dus. Idem reparatie. Je hebt het over paradigma's en -shifts. Nou een shift kun je Barbara niet ontzeggen, toch? De orthodoxie bewijst het elke dag: ze wordt nog steeds doodgezwegen. ;-)

Als je het over paradigmashifts hebt, horen daar ook mensen als M. Eigen bij, zou ik zeggen: pogingen dna in termen van de informatie(theorie), dus niet als puur chemie, te begrijpen.

Het zijn maar balletjes die ik opwerp

weer een hoop nieuw gen onderzoek, relevant voor een zielkunde op darwinistische grondslag: bijv DOI: 10.1038/nature16152
Het echte werk!
ben niet alleen te vroeg geboren
ook de verkeerde studie(s)!





Marleen zei

Een interessant blog Gert.

Je schrijft dat in het ancient DNA, G na een zekere tijd vervalt in A en C in T. Als T en A niet veranderen met het verstrijken van de tijd zouden de sequenties uiteindelijk alleen T's en A's bevatten. Daar valt inderdaad weinig informatie uit te halen voor het bepalen een prehistorisch genoom.

Volgens Nick Lane's theorie (overigens niet alleen de zijne) zijn de eerste cellen ontstaan in water, althans in de poreuze wand van de alkaline bronnen. Ook het DNA (of RNA) heeft zich dus moeten vormen in dit milieu. Deze alkaline bronnen zijn ook vrij warm, dus dat zou niet zo'n geschikte start zijn voor het ontstaan van deze eerste macromoleculen. Hoe moet we de instabiliteit van het DNA bij deze temperaturen in water nu rijmen met Nick Lane's theorie die steeds meer geaccepteerd wordt?

gert korthof zei

Marleen, dank voor je reactie!
Over degradatie van DNA heeft de groep van PÄÄBO gepubliceerd:
Patterns of damage in genomic DNA sequences from a Neandertal.
ze claimen dat ze desondanks betrouwbare sequences kunnen vaststellen.

Tsja, Nick Lane: wat zegt hij zelf over de stabiliteit van RNA en DNA in het milieu waarin het geacht wordt te ontstaan? Heeft hij experimentele data over de stabiliteit en levensduur van RNA en DNA in die chemisch-fysische omstandigheden? Ik denk dat jij beter thuis bent in zijn theorie dan ik, je hebt er over geblogd in het verleden. Hoe dan ook, hij moet een oplossing hebben voor het stabiliteitsprobleem, anders valt hij ten prooi aan de Eigen paradox (zie eerder blog) of de Lindahl instabiliteit (bij gebrek aan DNA-repair) (eerder blog).