Geen leven zonder DNA-repair. De Lindahl paradox en de Eigen paradox

Tomas Lindahl

Een bepaald type DNA schade komt voor in een frequentie van 1 op 10,000 bases per dag. Als je dat omrekent naar het menselijke genoom kom je op 300.000 foute bases per dag! Dit soort gegevens zijn de basis voor wat Lindahl zelf 22 jaar geleden beschreef in een artikel in Nature:

 
Instability and decay of the primary structure of DNA  [1].
 

(de instabiliteit en verval van de primaire structuur van DNA). Naar aanleiding van de Nobelprijs zien we de echo van deze subversieve kijk op DNA: 'alarmingly fragile molecule'  in Nature [2] en Science [3]). Een andere bron schrijft het op niet mis te verstane wijze: “There’s no way to establish life based on such a fragile molecule" [4]. Het leven kan onmogelijk op zo'n kwetsbaar molecuul gebaseerd zijn. De Nobelprijs commissie schrijft zelfs: "a DNA molecule is inherently unstable". DNA is uit zichzelf onstabiel, dus niet door externe factoren. Dit is –vrij vertaald– de beschrijving door de Nobel commissie:

De stabiliteit van DNA is onder normale fysiologische omstandigheden zo laag dat het de evolutie van het leven op aarde onmogelijk zou moeten maken. Anders gezegd: niet verenigbaar met het leven zoals wij dat kennen. Desondanks is er complex leven op deze planeet ontstaan. Hoe kan dat? [5]

Dit heb ik de 'Lindahl paradox' genoemd, hoewel ik nog niet heb kunnen ontdekken of Lindahl zich met het ontstaan en evolutie van repair heeft beziggehouden.

In dit blog beschrijf ik de oplossing voor de eerste paradox en voeg ik er zelf een tweede paradox aan toe. En ik doe tenslotte een poging deze op te lossen.

Oplossing: repair

De paradox was voor Lindahl aanleiding om te zoeken naar en de ontdekking van mechanismes waarmee cellen de schade aan DNA herstellen. Dat was een revolutionaire gedachte voor de 70-er jaren [6]. Die 300.000 foute bases per dag worden vrijwel volledig hersteld. De overblijvende schade noemen we mutaties. DNA-repair is een complex systeem. We weten nu dat de mens 178 DNA-repair genen heeft [7]. Het wetenschappelijk-medisch belang van DNA-repair is alleen maar toegenomen. Defecten in DNA-repair zijn betrokken bij erfelijke ziektes, veroudering en kanker.

— Op Kennislink.nl leest U een prachtig verhaal over wat DNA-repair nu precies inhoudt.

De tweede paradox

Het leuke is dat iedereen om het hardst roept dat DNA een fragiel molecuul is, maar niemand realiseert zich dat dit serieuze consequenties heeft voor de oorsprong en evolutie van het leven. Immers, als DNA zó instabiel is dat er een hele batterij DNA-repair enzymen nodig zijn om betrouwbare erfelijkheid mogelijk te maken, dan heeft het leven een moeilijke, zo niet onmogelijke start. Lindahl heeft zich die vraag niet gesteld. Hij was geen evolutiebioloog. Maar zelfs in evolutiehandboeken wordt de vraag naar de oorsprong en evolutie van repair-mechanismes niet gesteld, laat staan dat geschetst wordt hoe die evolutie is verlopen.

Eigen paradox

Nobelprijswinnaar Manfred Eigen

Na mijn vorige blog [8] schoot me te binnen dat mijn eigen paradox, de tweede, die ik in mijn eigen woorden omschreven had, bekend staat als: de Eigen paradox. Die paradox was al in 1971 beschreven door de Nobelprijs winnaar Manfred Eigen. Daarin stelt Eigen dat er een maximum grootte bestaat voor ieder genoom waarboven kopieerfouten de informatie in het genoom onvermijdelijk in de loop der generaties zullen eroderen. De soort sterft uit. De maximum grootte wordt begrensd door de frequentie waarmee kopieer fouten gemaakt worden. De maximum grootte stelde Eigen op ongeveer honderd bases. De paradox bestaat hieruit: zelfs de meest eenvoudige levensvormen hebben veel grotere genomen dan 100 bases. Een groter genoom is alleen mogelijk met hogere replicatie nauwkeurigheid.
Ter illustratie: als er een replicatiefout is van 1 op de 100, dan kan het DNA maximaal 100 bases lang zijn; als de replicatiefout 1 op 1000 is kan het DNA maximaal 1000 bases lang zijn [9].

replicatie fout:	nauwkeurigheid:	maximaal genoom:
1 op de 100	99%	100 bases
1 op de 1000	99,9%	1000 bases

Dus: zodra de kans 100% is dat er tenminste 1 kopieerfout zal optreden, zal er geen exacte kopie geproduceerd kunnen worden. Er is tenminste 1 correctie kopie nodig om mee verder te gaan.
Eigen heeft zijn paradox geformuleerd in een tijd dat DNA-repair enzymen nog (net) niet bekend waren. Dat maakt niet uit, want de wetmatigheid geldt met wiskundige zekerheid voor ieder informatie systeem met copieer fouten. Eigen beschreef de netto replicatie nauwkeurigheid. Tegenwoordig weten we dat de uiteindelijke mutatiefrequentie de som is van replicatie-nauwkeurigheid en DNA-repair. 
Het grappige is dat Lindahl niet wist van de relatie kopieerfouten en maximale genoomgrootte en Eigen wist niet van het bestaan van DNA-repair-enzymen. Maar als je Lindahl en Eigen optelt krijg je een interessant evolutionair probleem.

Evolutie van repair systemen

Evolutie is een proces van geleidelijke stapsgewijze verandering. Is er een geleidelijke evolutie van simpele naar complexe repair systemen mogelijk? In theorie zou dat kunnen: hoe beter de repair, hoe groter het genoom kan zijn. Je kunt dus de vraag stellen: komen er geen repair systemen voor in virussen? is er een elementair systeem in bacteriën? En is het meest complexe repair systeem in (hogere) planten en dieren? Ik doe hier een eerste poging om wat elementaire feiten boven water te krijgen. De evolutie handboeken, wikipedia en de literatuur helpen me niet echt. Integendeel: één auteur [10] maakt het helemaal bont. Hij zegt dat er géén speciale verklaring nodig is, want mutaties gebeuren onvermijdelijk in een bepaalde frequentie die afhangt van de tijd en energie die gestopt wordt aan het corrigeren van fouten! Ja, dank je de koekoek! De vraag is natuurlijk: als ze allemaal hetzelfde DNA molecuul hebben, waarom stoppen organismes verschillende hoeveelheden tijd en energie in DNA-repair? Is DNA-repair een aanpassing of noodzaak? En is het verband met genoomgrootte aantoonbaar?

RNA-world

Het is bekend dat RNA chemisch minder stabiel is dan DNA. RNA-virussen hebben kleine genomen, gemiddeld zo'n 10.000 bases die coderen voor slechts een handvol genen. Kleinere genomen vereisen een minder nauwkeurige replicatie mechanisme dan grotere. Bijvoorbeeld: heb je 1 gemuteerde base op de 1.000 bases, dan is dat nog geen ramp voor genomen tot 1.000 bases, maar een organisme met een genoom van 1 miljoen bases zou dan na 1 replicatie ronde 1.000 mutaties hebben en dat zal zeer waarschijnlijk niet levensvatbaar meer zijn. En inderdaad, RNA-virussen hebben de hoogste mutatiefrequenties. Bijvoorbeeld: het griepvirus heeft een mutatiefrequentie in de range van 1 op de 10.000 dalend tot 1 op de miljoen. Voor DNA virussen ligt dit lager: van 1 op de miljoen tot 1 op de 100 miljoen [10]. Dus RNA-virussen muteren gemiddeld 100 maal sneller dan DNA-virussen. Die mutatiefrequentie van RNA is dus in ieder geval verenigbaar met het voortbestaan van virussen. Of zelfs evolutionair voordelig. Dat RNA-virussen sneller evolueren dan DNA-virussen is niet zo verrassend, als je bedenkt dat RNA minder stabiel is dan DNA. Daar zijn biochemische redenen voor.

Oorsprong van het leven

In bepaalde opzichten kunnen RNA-virussen model staan voor het eerste leven zonder repair [12]. Volgens de RNA-world hypothesis was RNA de voorloper van DNA. Als dat klopt, dan moeten er toen kleine genomen, géén repair systemen en dus onnauwkeurige replicatie, en dus hoge mutatiefrequenties geweest zijn. Net zoals de huidige RNA-virussen. Dit zou moeten verklaren dat het leven zonder repair-systemen gestart zou kunnen zijn en pas langzamerhand, wanneer genomen groter werden, DNA-repair ontwikkeld heeft. Het klinkt logisch. Het lijkt zelfs noodzakelijk.
Het is een intrigerend gegeven dat kleine virussen géén en de grootste RNA virussen een simpel repair systeem hebben [13]. Dat suggereert dat repair al heel vroeg in de evolutie ontstaan moet zijn. Er worden gestaag vorderingen gemaakt met onderzoek naar zelf-replicerend RNA in vitro [14]. Een belangrijke en interessante herziening van de Eigen paradox leert dat de eerste RNA-genomen 7000 tot 8000 bases groot kunnen zijn [15]. Dat betekent 100 genen van 70 bases, of 70 genen van 100 bases. Dat is een grote stap in de goede richting. Het idee is dat niet persé de basenvolgorde van belang is maar de ruimtelijke structuur van het RNA (niet genotype maar fenotype), want die bepaalt de werkzaamheid. Dat geeft meer mogelijkheden.

Slordige reparatie

Je zou zeggen dat het repareren van DNA schade nauwkeurig moet zijn, anders vervang je de ene fout met de andere. Toch blijkt er slordige reparatie te zijn: error-prone reparatie. Het komt voor in bacteriën, maar de mens heeft er ook nog een paar in zijn bezit! [Error-prone polymerase]. Een erfenis uit het verre verleden? Dat suggereert dat de evolutie met slordige repair begonnen zou kunnen zijn. Onder het motto: beter iets dan niets.

In feite hebben Lindahl en Eigen het probleem van het ontstaan van het leven op scherp gesteld. Tot zover deze excursie in een voor mij nieuw gebied. Het echte onderzoek naar het ontstaan en de evolutie van DNA-repair moet m.i. nog beginnen. In ieder geval voor mij zelf.

Noten

1. Tomas Lindahl (1993) Instability and decay of the primary structure of DNA Nature 362, 709 - 715 (22 April 1993) 
2. "DNA is not a stable molecule, but slowly decays over time. For life to exist, as Lindahl first realised while working at the Karolinska Institute in Stockholm in the 1970s, there must be repair mechanisms that fight back against this process.", Daniel Cressey: 'DNA repair sleuths win chemistry Nobel', Nature, 07 October 2015. En dit citaat is ook aardig: "Before his work, “I don’t think anybody really considered the idea that DNA requires active engagement by a set of housekeeping processes to keep it in a stable state."
3. "Considering how much depends on the messages it bears, DNA is an alarmingly fragile molecule. It's vulnerable to UV light and mutagenic chemicals, as well as spontaneous decay. Life has survived through the ages because enzymes inside every cell ensure that DNA remains in proper working order. " "Biologists have long known that DNA wasn't rock solid. Blasts of xrays, for example, could cause mutations in cells. Yet most researchers believed that the molecule was inherently stable. After all, cancer and other genetic malfunctions are the exception, not the rule.". Erik Stokstad Science 16 Okt 2015
4. “There’s no way to establish life based on such a fragile molecule without having sophisticated machinery to keep it in order,” Carell says. If these mistakes or damage don’t get fixed, they can lead to cancer or other diseases. “DNA repair is absolutely important to genome stability and of course to life.” Chemical & Engineering News 7 Oct 2015
5. The Royal Swedish Academy of Sciences: The cells’ toolbox for DNA repair, Press Release 7 Oct 2015. Diepergaande informatie: 'Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2015' (pdf) ook op de website.
6. Het handboek Molecular Biology of the Cell uit 1983 beschreef al DNA-repair! (p.214–220).
7. Human DNA Repair Genes (This table was last modified on Tuesday 15th April 2014). De totaal telling is van mij.
8. zie mijn vorige blog: Nobelprijs voor het repareren van DNA 8 okt 2015
9. John Maynard Smith (1999) The Origin of Life. p.35. Hij legt het kort en bondig uit. Mijn voorbeeld: vergelijk het genoom met een vliegtuig. Als een Boeing747 op 10 km hoogte vliegt en (bijv. door uitvallen van de motoren) 1 km per minuut daalt, dan kun je gegarandeerd binnen 10 min een crash verwachten. Evenzo crasht het genoom.
10. Graham Bell (2014) The Evolution of Life. p.36. (zie: google books)
11. Viral Mutation Rates, Journal of Virology, October 2010. Viral mutation rates.
12. RNA werd gesuggereerd door Ed Roos (AvL) auteur van Kanker, simpel uitgelegd.
13. Eugene Koonin: The Logic of Chance, p.276. Koonin behandelt de Eigen threshold op p.353.
14. Michael P. Robertson, Gerald F. Joyce (2014) Highly Efficient Self-Replicating RNA Enzymes, Chemistry & Biology, 20 February 2014
15. Adam Kun, Mauro Santos, Eörs Szathmáry (2005) Real ribozymes suggest a relaxed error threshold, Nature Genetics 37, 1008 - 1011 (2005). Deze auteurs bouwen voort op de Eigen paradox. Szathmáry is een bekend evolutionair geneticus.