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 of een beschrijving? 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

 

Karekiet voert jonge koekoek
(foto van Wiebe Boogaard)

 

Laten we het probleem van parasitair DNA eens vergelijken met andere gevallen van parasitisme. Bijvoorbeeld broedparasitisme. 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 bacteriën in onze darmen. De meeste zouden nuttige dingen doen, sommigen zijn schadelijk, sommigen zullen neutraal zijn. Maar kunnen we het niet zonder? Al die bacteriën 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 per se 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)

3 054 815 472 baseparen (wikipedia) (dd 5-10-2023)

3,099,750,718 baseparen (ENSEMBL)

(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 van 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

• The Selfish Gene van Richard Dawkins 40 jaar geleden verschenen. Een terugblik 1 Feb 2016
• Evolutie blog: Introns voor beginuitknippenners (25 Jan 2011) gevolgd door een hele serie over introns.

 

Verder lezen

• Alu elements as regulators of gene expression Published online 2006 Oct 4
• Alu element wikipedia