Waarom DNA? (3) Optimale DNA structuur door Natuurlijke Selectie?

Als DNA superieur is als erfelijkheidsmolecuul aan alle mogelijke chemische alternatieven dan moet dit verklaard worden door natuurlijke selectie. Dan moeten er dus alternatieven uitgeprobeerd zijn, waarbij uiteindelijk DNA als beste uit de bus is gekomen. Nou en? Niks bijzonders? Pas op! Dit soort natuurlijke selectie –als het bestaat– is in een belangrijk opzicht totaal anders dan de gebruikelijke Darwiniaanse natuurlijke selectie. Onvergelijkbaar anders. Wat is er zo anders?

Evolutie = verandering van base volgorde
Natuurlijke selectie wordt geacht te werken op basis van mutaties. Mutaties 'in het DNA': puntmutaties van één base, of mutaties van grotere stukken DNA: inserties, deleties, duplicaties, etc. etc. Door een puntmutatie ontstaat er een nieuw gen (allel). De gangbare definitie van evolutie is verandering in gen (allel) frequenties. Maar alles is gebaseerd op een verandering in de volgorde van steeds dezelfde 4 bases A, T, C, G.

Natuurlijke selectie zonder dat de basevolgorde in het DNA verandert is moeilijk voor te stellen. In feite zou dat niet eens onder de gangbare definitie van evolutie vallen. Ook de zgn. 'neutrale mutaties' zijn gebaseerd op het vervangen van de ene base door de andere.

Erfelijkheid = base volgorde
Het doorgeven van erfelijke informatie is het doorgeven van de base volgorde in het DNA. Watson en Crick suggereerden al in 1953 dat dat gebaseerd was op de paring van A bases met T bases, en van C bases met G bases. Deze base paring wordt gebruikt als DNA gecopieerd wordt. Maar hoe zit het met de backbone van DNA: fosfaat en ribose? De backbone moet ook iedere keer nieuw gesynthetiseerd worden. Hoe gaat dat? Hoe wordt voorkomen dat ribose in plaats van deoxyribose in de nieuwe DNA streng wordt ingebouwd? Dat kan niet met een specifieke paring zoals de bases. Eerlijk gezegd: geen idee! Daar hoor ik nooit over. Een vraag die ik me nooit eerder gesteld heb, en die vele dagen literatuur onderzoek zou kosten om te beantwoorden...

The Human Genome = base volgorde
Toen in 2001 het menselijk genoom bekend gemaakt werd, werden er ruim 3 miljard bases bekend gemaakt! Dat was de essentie van wat een mens een mens maakt. En dat geldt voor alle organismen. Sequencing = base volgorde vaststellen. Evolutionary Genomics en Comparative Genomics (zie boek van Koonin!) gaat allemaal over de base volgorde van steeds dezelfde 4 bases [8].

Erfelijke ziekte = verandering base volgorde
Erfelijke ziektes worden veroorzaakt door mutaties in de basevolgorde van het DNA. Denk aan: PKU, CF, Huntington. We zeggen meestal mutaties 'in het DNA', maar in feite is dat dus fout.

Komt een vrouw bij de dokter
Dokter, ik heb last van glucose in mijn DNA!  Ik heb op evolutieblog gelezen dat ribose vervangen kan worden door glucose. Ik voel het. Hoe kom ik er af?Moet ik op dieet?
Helaas. Er zijn mij géén ziektes bij de mens bekend die veroorzaakt worden door alternatief DNA. Dat zou wereldnieuws zijn. De enige uitzondering die ik ken is de alternatieve base J die de Nederlandse medisch-biochemicus Piet Borst vond in het DNA van de eencellige parasiet Trypanosoma brucei [1]. Deze base is een afgeleide van Thymidine (T). Nota bene: als ik het goed begrijp ontstaat base J door koppeling van glucose aan base T! Dus toch letterlijk glucose in DNA! Maar dit is een extreme uitzondering en komt niet bij de mens of andere dieren voor. Ook komt base-J niet voor in DNA dat codeert voor eiwitten, maar alléén in de uiteinden van chromosomen (telomeren). Dus: zeer uitzonderlijk en beperkt in reikwijdte.

Natuurlijke selectie van DNA structuur?
Regel is dat een organisme zich niet aanpast door de structuur van zijn DNA te wijzigingen. Bij Darwiniaanse natuurlijke selectie gaat het nooit om de structuur van DNA zelf. De structuur van DNA blijft altijd hetzelfde: de overbekende 4 bases A,T,C,G [2], suiker [3] en fosfaat [4]. De backbone (ruggegraat) van DNA wordt gevormd door suikers (ribose) en fosfaat:

ruimtelijke structuur van DNA (wiki)
de 'ruggegraat' is de zijkant van de ladder,
de treden van de ladder zijn de 4 bases.

Het lijkt wel of er sinds 1953 na de ontdekking van Watson en Crick een stilzwijgend axioma in de biologie bestaat dat de structuur van DNA voor eens en altijd vastgelegd is, en optimaal is, en geen varianten bestaan. Maar waar is het bewijs? Zo'n claim kun je niet maken zonder bewijsmateriaal. Hoe bewijs je dat?

Variatie van DNA structuur
Als je wilt vaststellen of DNA optimaal is voor zijn functie(s) dan moet je variaties vinden. Als we die niet kunnen vinden in de natuur dan moeten we ze zelf maken.
Eén van de weinigen die alternatieve chemische samenstellingen van DNA synthetiseert en onderzoekt is de chemicus Albert Eschenmoser:

"Why did Nature choose pentoses and not hexoses as sugar building blocks in her nucleic acids? Since the potential for constitutional self-assembly for hexoses is comparable to that of pentoses, Nature's choice of pentoses must have had functional reasons." (mijn italics) [5]

Let op: 'de keuze van de natuur' of te wel natuurlijke selectie! Let op: 'functionele redenen'! Een andere chemicus is Martin Egli:

"These molecules are the result of evolution," said Egli, professor of Biochemistry. "Somehow they have been shaped and optimized for a particular purpose."
"how did DNA and RNA come to incorporate five-carbon sugars into their backbone when six-carbon sugars, like glucose, may have been more common?"
"alternatives that nature may have tried out before arriving at the final structure." [6]
"The researchers postulate that stable base-pairing systems are highly
unlikely with hexose-based nucleic acids, and this might explain why nature chose pentose over hexose". [7]

Als de chemische samenstelling van DNA het resultaat is van natuurlijke selectie dan is dat gebeurt vóórdat het leven zoals wij dat kennen ontstond, want al het leven is gebaseerd op hetzelfde DNA en RNA. DNA en RNA zijn de enige structurele varianten. Als dit door natuurlijke selectie ontstaan is dan is het een uitzonderlijk soort natuurlijke selectie. Ik denk dat chemici zich dat niet realiseren. Chemci nemen misschien iets te snel het woord 'natuurlijke selectie' in de mond, zonder te specificeren wanneer en hoe. Je ziet dat chemici als Martin Eglien zich op medische toepassingen van chemisch gemodificeerd DNA bezighouden en niet met het ontstaan van het leven. Het zijn geen evolutiebiologen.

Vragen
Ik wilde in dit blog benadrukken dat alles in (evolutie)biologie en medische genetica draait om base volgorde. Alternatieve DNA structuur komt óf voor in het chemisch laboratorium óf als hypothese over het ontstaan van het leven.
Het is mij nog onduidelijk wat alternatieve DNAs in het chemisch lab ons zeggen over 'de keuze van de natuur' voor de DNA structuur die we nu hebben, en hoe selectie heeft plaatsgevonden bij het ontstaan van het leven (welke structuren zijn uitgeprobeerd? was het vóór of na de RNA-world?), en of we nu in de natuur nog meer varianten in DNA structuur behalve base-J mogen verwachten. Allemaal vragen. We komen alleen verder als evolutiebiologen, chemici en Origin-of-Life onderzoekers samenwerken. En nieuwe vragen stellen.

Noten

1. Piet Borst and Robert Sabatini (2008) Base J: Discovery, Biosynthesis, and Possible Functions, Annual Review of Microbiology, Vol. 62: 235-251 
2. ik heb het hierbij over DNA, en niet RNA. RNA heeft de suiker Deoxy-ribose vervangen door Ribose (vandaar de D in DNA en de R in RNA). Tevens heeft RNA de base T vervangen door U. Dit zijn permanente eigenschappen en varieren niet (voor zover ik weet). Maar ook voor die verschillen zullen functionele redenen voor zijn. Laat ik even zitten.
   
3. Ik vond in: David Deamer (2011) First Life (p.177): "Instead of a complicated sugar as ribose, maybe the earliest life forms incorporated a simpler linking molecule like ethylene glycol or glycerol." Maar hij gaat er verder niet op door. Maak dan DNA met die stoffen!
4. Inderdaad: het was wereldnieuws toen Felisa Wolfe-Simon aankondigde een bacterie ontdekt te hebben die arsenicum in plaats van fosfor in het DNA gebruikt. Het bleek niet waar. Tenminste, ze kon het niet hard maken. (zie mijn eerdere blogs december 2010).
5. Albert Eschenmosel (1993) Hexose nucleic acids, Pure App. Chern., Vol.65, No.6, pp. 117, 1188, 1993.
6. Martin Egli (2006) Uncovering DNA's 'sweet' secret. 
7. 'Rationalizing the Ribose', ACS Chemical Biology Spotlight (Aug 18th, 2006; Vol. 1, No. 7, 404). 
8. Koonin (2011): ""Indeed, at the end of the day, genome sequences are long strings of digital symbols (letters)" (blz 226) en dat zijn 4 letters = 4 bases. En daar is zijn hele boek op gebaseerd. En 99% van de biologen denkt zo. Extreem reductionisme! Koonin kan niet eens aangeven dat er in Trypanosoma brucei een 5e base-J voorkomt. Dat zou zijn berekeningen in de war gooien. Met deze oogkleppen op gaat niemand zoeken naar andere bases of een andere backbone in DNA. [17 jan toegevoegd]

Vorige blogs over dit onderwerp:
Waarom DNA? (2) Alternatief DNA 12 Jan 2012
Waarom DNA? 10 Jan 2012