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

In de afgelopen jaren heb ik DNA bekeken vanuit verschillende invalshoeken. In dit blog een aanvulling plus een 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 erfelijkheidsmolecuul
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 ruggengraat); 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 chemicaliën, was er geen reden om te vermoeden dat DNA spontaan zou degraderen onder normale fysiologische omstandigheden (lichaamstemperatuur!). Water en zuurstof zijn sterk mutageen! 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 geëxtraheerd 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

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.

Albert Eschenmoser

 
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 alle drie het Watson-Crick model van DNA accepteren 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, klinisch 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, 2013.  Wiki:  mitochondrial 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!
• Instabiel DNA: "Water and oxygen are highly mutagenic to DNA, but essential for life. Hydrolysis and oxidation continuously cause DNA modifications that could become permanently embedded in the genome, as mutation." from Science, 15 Nov 2019 'Cellular survival over genomic perfection'. De auteurs stellen dat "The repair of DNA lesions has a cost: It requires time and cellular resources". Daardoor zullen die cellen overleven die een plafond gesteld hebben aan DNA reparatie. Het meeste DNA (98%) is sowieso niet functioneel. Cellen die alle schade zouden repareren zullen een lagere celdelingssnelheid hebben, en dus in frequentie dalen ten opzichte van cellen die niet tot het uiterste gaan in reparatie.
• Watson en Crick paradigma: Watson en Crick, 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. 
• 
  

Update 15 Nov 2019: kleine update in Instabiel DNA. 

Update 24 nov: kleine update in de tekst en noten over alternatief DNA (triple-stranded en quadruple-stranded vormen van DNA).