10 februari 2016

Waarom hebben we zoveel parasitair DNA?

Een vorig blog gaf een terugblik op The Selfish Gene van Richard Dawkins. Het surplus aan DNA dat je bij de meeste soorten aantreft werd door Dawkins verklaard als parasitair DNA. Maar is dat een verklaring? Parasitair DNA is op zijn minst ballast en misschien wel nadelig voor het aantal nakomelingen dat een organisme kan voortbrengen. In de strijd om het bestaan zullen individuen met minder ballast het winnen.


Een team van 8 roeiers met 1 stuurman zal het winnen van een boot met 2 roeiers en 20 personen die helemaal niets doen. Waarom is die overbodige ballast niet over boord gezet? Om een idee te krijgen over de verbijsterende verschillen in DNA hoeveelheden, hier een recent overzicht gebaseerd op 10.000 soorten:

Enorme verschillen in genoom grootte [1]
rode ster is de mens. Schaal is logaritmisch.
klik op plaatje voor vergroting
Wat opvalt is dat vogels en zoogdieren niet het meeste DNA hebben. Sommige kikkers hebben méér DNA dan sommige zoogdieren. Alle salamanders en longvissen hebben vele malen meer DNA dan vogels en zoogdieren. Bizar. Wat doen ze met zo veel DNA? Nog bizarder: Protozoa, dat zijn eencellige diertjes, hebben een spreiding van meer dan 10.000 in hoeveelheid DNA. Bovendien heeft een groot deel van de Protozoa 10 maal zoveel DNA als de mens. Wat doet een eencellige met al dat DNA? Ongeveer de helft van alle planten, waaronder vele die we in de tuin hebben staan, heeft meer DNA dan wijzelf. Is dat allemaal functioneel? En dan te bedenken dat het genoom van de mens zelf uit 90% junk DNA bestaat. We zouden met 10% genoeg hebben. Tot op de dag van vandaag heeft nog niemand aan kunnen tonen dat alles of zelfs maar de meerderheid van ons DNA een nuttige functie heeft. Voorbeeld: we weten dat 50% van ons DNA transposons zijn [2]. Dat zijn stukken DNA die niets anders doen dan zichzelf vermenigvuldigen en zich op willekeurige plaatsen in chromosomen integreren (vaak terug te vinden als introns midden in genen!).

Het woord infectieziekte dringt zich op. Een virusinfectie is misschien wel een goede vergelijking. We hebben allemaal een permanente infectie in ons DNA. Maar is er dan geen afweersysteem dat dit soort DNA herkent en verwijdert? Zoals het immuunsysteem doet met virussen en bacterieën? Googelen levert niet veel op over zo'n afweersysteem in de mens. Wel bestaat er een mechanisme dat de transposons inactiveert, zodat ze zich niet verder kunnen verspreiden [3]. Dat is iets, maar ze blijven aanwezig. Dat mechanisme is kennelijk niet effectief in het verwijderen van parasitair DNA. Anders hadden we wel een slanker genoom.

koekoek: broedparasitisme

 

Karakiet voert jonge koekoek
(foto van Wiebe Boogaard)
Laten we het probleem van parasitair DNA eens vergelijken met andere gevallen van parasitisme. Bijvoorbeeld broedparsitisme. Als een koekoek haar ei in een nest van een zangvogeltje legt en het koekoeksjong werkt alle eieren van de gastheer er uit, dan voert de zangvogel een jong van een andere soort en heeft hij zelf geen nakomelingen. Een dramatisch resultaat! Een voortplantingssucces van nul voor de gastheer. Toch heeft de koekoek zijn gastheren niet uitgeroeid. De koekoek zou ten onder gaan aan zijn eigen succes. Misschien switcht de koekoek van gastheren met sterke verdedigingsmechanismen naar de naïeve soorten. En begint het proces van voren af aan. Een evolutionaire wapenwedloop. In vergelijking lijkt parasitair DNA minder erg. Immers, een organisme met parasitair DNA in het genoom kan nog steeds zijn eigen genen doorgeven naar de volgende generatie. Weliswaar met een nutteloze ballast.


parasitaire darmflora?

 

darmflora (wikipedia)
Een ander voorbeeld: we zijn gastheer voor miljoenen bacterieën in onze darmen. De meeste zouden nuttige dingen doen, sommigen zijn schadelijk, sommigen zullen neutraal zijn. Maar kunnen we het niet zonder? Al die bacterieën moeten ook eten. Als er veel nutteloze bacteriën zijn is dat ook ballast. Het is al langer bekend dat landbouwhuisdieren die antibiotica krijgen sneller groeien [4]. Door hun werking worden dergelijke antibiotica wel groeibevorderaars of voerbespaarders genoemd. Dat effect wordt toegeschreven aan eliminatie van mee-eters in de darmen. In die zin zijn ze schadelijk. Maar heeft het effect op het aantal nakomelingen? En of het voor de mens op gaat weet ik niet.

Hoe nadelig is parasitair DNA?


Hoe erg is overbodig DNA? Wat is het evolutionaire nadeel van 90% overbodig DNA? Een griepje gaat over, maar dit zit permanent in ons DNA. Misschien is het niet van voldoende belang in een organisme als de mens om alle overbodig DNA te verwijderen? Misschien hebben we niet de juiste middelen om het te verwijderen. Of misschien zitten we midden in een langdurig evolutionair proces van verwijderen. Hoe kunnen we de oplossing van dit probleem een stukje dichterbij brengen?

Stel dat al het overbodige DNA verwijderd zou zijn, dus ons genoom zou grofweg 10x kleiner zijn, dan zouden we een snellere celdeling kunnen hebben, en minder bouwstoffen en energie kwijt zijn aan het onderhouden van al dat DNA. De energie en bouwstoffen die de synthese van DNA kost [5], zou dan nuttiger gebruikt kunnen worden. Een baby in de baarmoeder zou sneller kunnen groeien en om een gokje te wagen, misschien zou een zwangerschap dan 8, 7, of 6 maanden duren? Alleen al vanwege een snellere celdeling. Organen met voortdurende celdeling zoals darmen en het immuunsysteem zouden dan efficiënter kunnen werken. We zouden sneller volwassen en geslachtsrijp zijn (op ons tiende?). We zouden ons sneller kunnen voortplanten. Een kortere generatietijd lijkt mij een evolutionair voordeel. Waarom is dit niet gerealiseerd?

Harde data

Er zijn data nodig. Zijn er voorbeelden van mensen met meer of minder DNA dan het gemiddelde? Ja, er zijn mensen met een 3 in plaats van 2 chromosomen nl. trisomie 13, 16, 18 of 21. Hierbij wordt tijdens de zwangerschap en na de geboorte een vertraagde groei geconstateerd. Maar dit kan ook veroorzaakt worden omdat specifieke genen die op dat chromosoom liggen in drievoud aanwezig zijn en die vertraagde groei komt niet persé door de totale hoeveelheid DNA. Dat levert dus niet de informatie op die we zoeken.
Maar misschien is er natuurlijke variatie in de hoeveelheid parasitair DNA die mensen hebben? Eerst: wat is eigenlijk de 'standaard' hoeveelheid DNA van de mens? Dat is lastig te beantwoorden. Er worden meestal sterk afgeronde getallen gegeven. De reden is dat bepaalde delen van het genoom (repeterend DNA) zeer moeilijk in kaart te brengen zijn. De nauwkeurigste die ik heb gevonden zijn:

3.320.602.130 baseparen (Ensembl) (ruim 3 miljard)
3.283.984.159 baseparen (Sanger)
3.231.297.122 baseparen (Genome Reference Consortium).
3,095,693,981 baseparen (wikipedia) (dd 11-02-2016)
(haploide hoeveelheden, lichaamscel heeft dubbele)

Het verschil tussen hoogste en laagste is ruim 89 miljoen baseparen! Dat is de grootte van chromosoom 16! Op deze manier komen we helaas niet verder.

Hoe nuttig is parasitair DNA?


Zeer recent is ontdekt dat zo'n 2000 exons (een gen bestaat uit meerdere exons gescheiden door introns) afkomstig zijn stukken parasitair DNA (ALU repeats, of ALU transposons) [6]. Dat wil zeggen: stukken repeterend DNA worden gekopieerd en ergens anders in het DNA ingevoegd. In de loop van de evolutie kunnen ze specifieke mutaties oplopen zodat ze worden afgelezen. Door toeval zijn nieuwe genen ontstaan. Van tenminste 18 van dergelijke nieuwe genen is bewezen dat ze eiwitten produceren. Nu moet nog bewezen worden dat die eiwitten nut hebben voor het organisme. 
Als ik hierover nadenk, dan zou dit verschijnsel een mogelijke verklaring kunnen vormen voor het bestaan van zoveel parasitair DNA. Stel dat je 1 miljoen identieke stukjes gerepeteerd DNA (ALU repeats) in het menselijk genoom hebt die alle dezelfde fingerprint hebben. Als er een mechanisme bestaat dat ALU repeats kan herkennen aan die fingerprint en kan verwijderen, dan zouden ze allemaal verwijderd worden. Alles of niets. Dat is dus inclusief de nuttige. Vanwege die paar pareltjes heeft de mens waarschijnlijk geen algemeen mechanisme om ALU repeats te verwijderen. Denk ik. Daarom bestaat ons genoom voor 50% uit nutteloos DNA met hier en daar een pareltje. Dat is mijn hypothese. Ondertussen zijn er ook ALU repeats betrokken bij erfelijke ziektes en kanker. Vervelend.

Een onbevredigende maar voorlopig onvermijdelijke conclusie: het hangt van de balans tussen gunstige en ongunstige effecten af hoeveel parasitair DNA er in het menselijk genoom blijft zitten. Uitrekenen kunnen we dat voorlopig nog niet.

Met andere woorden: zonder paranoïde schizofrenie geen John Forbes Nash en Vincent van Gogh!

Bovengrens nuttige informatie

11 feb 2016

Waar ik niet aan toegekomen ben: er is een theoretische bovengrens aan de hoeveelheid nuttige informatie dat een genoom kan bevatten, maar er is (kennelijk) geen bovengrens aan hoeveelheid nutteloos DNA. Volgens berekeningen ligt de bovengrens aan nuttige informatie voor het genoom van de mens op 15%. Dat zou neerkomen op een genoom van 500 miljoen baseparen. Volgens Ohno (1972) is het maximum 40.000 genen. Volgens Ensembl (2013) hebben we 20.848 eiwit-coderende plus 22.486 niet-coderende genen, totaal: 43.334 genen! 
Bij mijn weten heeft niemand een bovengrens aan nutteloos DNA berekend. Het kan uit de hand lopen (zie grafiek met hoeveelheden DNA in dit blog). Het is niet uit te sluiten dat de ene mens een miljoen baseparen méér heeft dan de ander (minder dan 0,1% verschil).

Noten

  1. Alexander F. Palazzo, T. Ryan Gregory (2014) The Case for Junk DNA, PLOS genetics. Open Access.
  2. DNA transposon-based gene vehicles - scenes from an evolutionary drive
  3. Transposable element (wiki) (zoek op defense)
  4. Bij toeval werd rond 1940 ontdekt dat kippen beter groeiden als kleine hoeveelheden antibiotica aan het voer waren toegevoegd. Dit zorgde dat ongewenste bacteriën in de darm werden ingeperkt en goede bacteriën de overhand kregen. 
  5. Behalve de bouwstenen van DNA zelf (bases, fosfaat, suiker) bestaan chromosomen ook uit eiwitten (histonen). En vergeet niet dat er bij iedere celdeling ruim 6 miljard bases gekopieerd moeten worden! (2n=46)
  6. Eli Eisenberg (2016) Proteome diversification by genomic parasites, Genome Biology,  30 January 2016. Open Access. Leesbaar.

Vorig blogs over dit onderwerp:

Verder lezen:

12 opmerkingen:

Roeland Heeck zei

Gert,

De hele schepping aan een efficiency-onderzoek onderwerpen is geen geringe klus.
Over de koekkoek het volgende:

http://www.sciencedaily.com/releases/2014/04/140417124507.htm

"If the host birds throw the cuckoo's egg out, the brood parasites take their revenge by destroying the entire nest. Consequently, it is beneficial for hosts to be capable of learning and to cooperate. Previously seen only in field observations, scientists at the Max Planck Institute for Evolutionary Biology in Plön have now modelled this behaviour mathematically to confirm it as an effective strategy."

Wie weet komen er nog wat associaties bovendrijven waarvan ik de bron kan lokaliseren.
Roeland

gert korthof zei

Roeland, ik kende de maffia hypothese inderdaad, maar wist niet dat het ook mathematisch bewezen was. Toch vraag ik me af: wat houdt het aantal koekoeken binnen de perken die allemaal dit kunstje uithalen? en wat beperkt het aantal nesten in een seizoen dat een koekoek parasiteert? is het einde zoek? de geparasiteerde individuen zullen in aantal afnemen door dit heftige maffia gedrag.
Andere opties: wel het ei uitbroeden maar het koekoeksjong niet al te veel eten geven zodat het geen sterke gezonde koekoek wordt. Dat valt minder op en daar kan de koekoek vrijwel niets aan doen. Want het is te laat om het nest te vernietigen.
Tjsa, ik probeer altijd alternatieven te bedenken. Ik kan het gewoon niet accepteren dat parasitisme werkt. Waarom is het niet fataal voor de geparasiteerde soort? Ik zie vele paralellen met parasitair DNA, maar er is 1 groot verschil: het slachtoffer van de koekoek wordt er NOOIT beter van, terwijl parasitair DNA soms voordeel oplevert voor de gastheer. Tsja, de natuur is wreed en dus niet geschapen zou een filosoof moeten concluderen.

Roeland Heeck zei

Gert,
Je reactie verbaast me intens.
Het is alsof het gebruiken van het woord "parasitisme" je helemaal op het verkeerde spoor gooit van denken in termen van uitgebuite en profiteur.

Juist de Selfish Gene, en denk ook nog aan Darwins Acid, leerden mij denken in termen van relatieve fitness van reeds bestaande combinaties van roeiers in teams.

Te testen speculaties zijn dan of koekkoeken wel makkelijk gastnesten vinden. Wie weet zijn ze daarin helemaal niet hoogbegaafd. Iets dat de specialisering op karekiet OF heggemus doet vermoeden. En mocht de gastpopulatie te ver onder druk komen dan kakt die van koekkoeken vanzelf ook in elkaar.
En wie weet zijn er nog voedselaanbodafhankelijkheden met weer andere koppelingen aan weer en/of andere levensvormen.

Algenbloei leert dat soms de hele omgeving mee de pijp uitgaat en dan gaat het niet eens om een parasiet.

Als jij niet kunt accepteren dat parasitisme werkt dan kom je toch aardig knel met je obsessie voor de waarheid, want die begint met feiten.

Roeland

gert korthof zei

Roeland, nu sla je door me toespelingen op de waarheid en zo! Mijn hele stuk ben ik op zoek naar harde data en neem geen genoegen met makkelijke antwoorden van Dawkins of van wie dan ook.
De Selfish Gene theorie kan je niet vertellen HOE de koekoek en de karekiet zich moeten gedragen. Als vogel heb je een zekere creativiteit nodig om een strategie te bedenken HOE je te verweren tegen parasitisme en HOE je het best kunt parasiteren. Dat de koekoek wraak neemt heeft niemand voorspelt op basis van The Selfish Gene! Volgens mij is dat een volkomen onverwachte observatie in het veld. Je moet wel allerlei wilde hypothese bedenken, maar die vertelt The Selfish Gene je niet.
Er zijn nog zo veel vragen onbeantwoord. Waarom zijn er niet meer vogelsoorten met broedparasitisme als het zo succesvol is? En inderdaad: waarom weigert de karekiet niet het koekoeksjong te voeren? Hij heeft in die fase toch niets meer te verliezen. Hij zou zijn tijd beter kunnen gebruiken en een nieuw nest beginnen. DAT zou (achteraf!) begrijpelijk zijn volgens The Selfish Gene. Maar waarom geberut dat niet? Dat zou in het belang zijn van de karekiet.

Roeland Heeck zei

Gert,

Je dicht de karekiet een wijdser denkhorizon toe dan er kennelijk aanwezig is.
Andere vogels/vissen hun eieren uitbroeden komt in allerlei gradaties voor. Van vreemdgang tot andere hun eieren in het eigen nest verzamelen en alfavrouwtjes toe.

Dat de karekiet onmachtig is om de voedselvraag van het koekkoeksjong te weerstaan lijkt me een duidelijk feit. Geen enkele vorm van selectiedruk kan een nuttige(r) mutatie laten ontstaan.


Waarom zijn er geen vogelsoorten met een slurf, maar wel met kurketrekkerpenissen?
Waarom eten mensen hun zaaddonors niet op?
Lijkt me even efficient als het voedselweigeren aan een koekkoeksjong, maar het komt er maar niet van . . .

Roeland

gert korthof zei

Roeland zei "Geen enkele vorm van selectiedruk kan een nuttige(r) mutatie laten ontstaan."
Dat is helemaal juist, maar gaat er van uit dat er een mutatie nodig is.
vogels hebben behalve genen ook hersenen.
Echte wetenschap begint pas als je kunt aanwijzen welke mutatie en/of
als je in laboratorium of veld experimenten kunt onderzoeken wat de psychologische capaciteiten van de moedervogel zijn.
Bijvoorbeeld: leg een mereljong in het nest en kijk wat de karekiet doet, zo kom je erachter of het specifiek een koekoeksjong is of dat hij jongen van iedere soort voert, etc
Of: voert de karekiet ook het koekoeksjong als er geen koekoek-ouder in de buurt is? etc
Zo kom je verder dan alleen te constateren: "Dat de karekiet onmachtig is om de voedselvraag van het koekkoeksjong te weerstaan lijkt me een duidelijk feit"
Zo'n constatering is geen verklaring. De vraag is hoe het zover is gekomen! Het zou evolutionair zeer voordeling zijn als hij het koekoeksjong niet zou voeren en een ergens anders een eigen nest zou beginnen.

Je kunt ook wel constateren dat 90% junk DNA niet nadelig is, anders zouden we uitgestorven zijn. Maar dat is geen echte wetenschap, dat voegt niets toe aan onze kennis. Je zou experimenten kunnen doen met celkweken in het lab met cellen die grote verschillen hebben in heoveelheden parasitair DNA en dan kijken of ze bijvoorbeeld sneller delen. Zo kom je iets te weten. etc

Roeland Heeck zei

Gert,

Zo geheel mee eens.
Omdat we geen van beiden zulk onderzoek uitvoeren kunnen we alleen maar ijverig naslaan wat er wel al is.

Of het nu duidelijke onderzoekspatroon voor koekkoeksevenwichten projecteerbaar is op zg parasitair DNA, daar durf ik maar heel erg weinig over te zeggen.
Vooral omdat voor mij de link tussen gedragsrepertoires en DNA-volgordes een volslagen onbekend oerwoud is.

Dank voor de wederzijdse opheldering,

Roeland

gert korthof zei

Roeland, OK. Vandaag een artikel in de Science dat mijn eindconclusie geheel bevestigt: 'Retrotransposons as regulators of gene expression' met als treffende conclusie: 'Parasitic DNAs help and hinder evolution' !
maw ze helpen soms en elders zijn ze schadelijk!
nb merk op dat ze het woord 'parasitic DNA' gebruiken! erg leuk!

het gaat over een type Mobile DNAs, also called transposable elements (TEs)
die 30% van ons genoom in beslag nemen.
"TEs are molecular parasites" schrijft het artikel, en dat is wat Dawkins suggereerde, maar of hij kon vermoeden dat ze ook nog eens nuttige dingen zouden kunnen doen, of dat cellen een afweet systeem hebben ontwikkeldd, weet ik niet.
TEs blijken invloed te hebben op ontzettend veel moleculaire processen die allemaal te maken hebben met DNA aflezen, processen, eiwit codering, etc.
Dit wil niet zeggen dat een derde van het genoom dat doet, de meerderheid is neutraal (?)
Het meest wonderlijke en misschien beangstigende is dat ze nog steeds actief zijn! speciaal dat ze bijzonder actief zijn in onze hersenen!
Het zou wel eens kunnen dat al dat mobiel DNA meer en ernstiger genoom wijzigingen veroorzaakt dan de traditionele puntmutaties (mijn hypothese)
Behalve in somatische cellen zijn mobiele elementen ook actief in geslachtscellen waardoor het ook nog eens erfelijk is, en bijdraagt aan genetische diversiteit van de menselijke populatie.

Roeland Heeck zei

Gert,

Dat je "parasiic" een leuke toevoeging vindt, verraadt dat teleologisch denken -namelijk afwegen tegenover een doel- nota bene bij biochemische processen een zuigende kracht heeft.
Verdere studies zijn nodig om deze suggestieve aantijging te funderen.

Je verwijzing -dank- ga ik lezen als eerste verkenning van het mij onbekende oerwoud waar jij
je in thuis voelt.

Roeland

gert korthof zei

Roeland, 'parasitic' heb ik niet bedacht, het is een citaat uit Science:
1. "Parasitic DNAs help and hinder evolution"
2. "Transposable elements are parasitic DNAs that can duplicate themselves and jump around their host genomes."
3. "TEs are molecular parasites"
Je mag er zoveel bezwaar tegen hebben als je wilt, maar het staat in Science.

En in de wikipedia
https://en.wikipedia.org/wiki/Selfish_DNA
staat het beroemde artikel van Orgel LE, Crick FHC (1980). "Selfish DNA: the ultimate parasite", Nature

Natuurlijk weten jij en ik dat DNA niets kan willen, maar het woord parasitair beschrijft zo treffend wat ze doen.
Ik schreef niet voor niets in mijn blog over The Selfish Gene:

"Ook erkent Dawkins dat de titel die zijn uitgever suggereerde The Immortal Gene veel beter was geweest omdat het de aanhoudende kritiek dat levenloze moleculen niet egoïstisch kunnen zijn, omzeild had."

misschien ga ik nog wel bloggen over het Science artikel.

Roeland Heeck zei

Een hele reeks koekoek-vragen van hierboven beantwoord in:

http://www.atlascontact.nl/boek/de-koekoek/

Ook nog mooi leesweer. Heerlijk.

Roeland

gert korthof zei

Roeland, bovenstaande reactie heb ik uit de spam folder gevist... daardoor later zichtbaar. excuses voor het oponthoud...