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

Waarom DNA? (2) Alternatief DNA

Even een kort blogje in telegramstijl naar aanleiding van vragen en opmerkingen van blogbezoekers. Wat ik bedoel met 'alternatieven voor DNA' zijn niet de DNA-vormen als Z-DNA of B-DNA, want dat is nog steeds DNA. Wat ik bedoel zijn chemische alternatieven voor DNA. Ik heb hieronder een lijstje gemaakt van alles wat ik gevonden heb (méér dan ik aanvankelijke dacht):

• DNA: Deoxy-ribo Nucleic Acid (bevat deoxy-ribose in de backbone)
  Dit is de huidige universele standaard voor informatie opslag in het leven op aarde
• RNA: Ribo Nucleic Acid (deoxy-ribose is vervangen door ribose)
  Dit is de huidige standaard voor duizend nuttige andere taken! Zie ook [7]
• pRNA: pyranosyl-RNA (kan niet met RNA paren?)
  "the pyranosyl isomer of RNA (p-RNA), exhibits Watson-Crick pairing that is far stronger than that in RNA" [2].
• TNA: Threose Nucleic Acid  (-ribose vervangen door threose, tetrose)
  Tetrose sugars with their four-carbon ring structure could be more readily synthesized in a prebiotic world than the pentose sugars of DNA and RNA because they can be assembled directly from two identical two-carbon fragment [1]. "It was possible to match the geometry of the analog to that of RNA" [1]
• PNA: Peptide Nucleic Acid (-ribose vervangen door N-(2-aminoethyl)-glycine) [4][5]
  "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)
• GNA: Glycol Nucleic Acid (-ribose vervangen door glycerol)
  "Interestingly, the Watson-Crick base pairing is much more stable in GNA than its natural counterparts DNA and RNA as it requires a high temperature to melt a duplex of GNA. It is possibly the simplest of the nucleic acids, so making it a hypothetical precursor to RNA". (wiki). "GNA is structurally the most simplified solution for a phosphodiester-containing nucleic acid backbone and thus constitutes a promising candidate for initial genetic molecules of life. Unique combination of high duplex stability, base pairing fidelity, and easy synthetic access of its nucleotides" (Duplex Structure of a Minimal Nucleic Acid), (A Simple Glycol Nucleic Acid) [15 Feb]
• HNA: hexitol nucleic acid
  hexitol is een 6-ring i.t.t. ribose dat een 5-ring suiker is. Alternatieve backbone: suiker vervangen door hexitol. HNA duplexes are even more stable. Normal Watson−Crick base pairing, similar base stacking patterns
• As-DNA: DNA waar fosfaat is vervangen door Arseen! Dit is erg controversieel en onbewezen! Zie een paar oude blogs: [3] Maar is erg nuttig om flexibel te blijven denken.

Merk op dat steeds de -ribose, of in ieder geval iets in de backbone, is vervangen. Ribose is onderdeel van de 'backbone' (ruggegraat) die de bases (A,T,C,G) in het DNA verbinden. De basevolgorde (niet de bases zelf) is de genetische code die de informatie bevat voor de aanmaak van eiwitten. Wanneer je iets in de backbone vervangt, tast je niet de genetische informatie aan. Dus: waarom zou je de backbone niet mogen wijzigen? Dat mag wel. Je kunt het proberen en kijken wat er gebeurt.

Alternatieven scheppen keuzevrijheid
Juist omdat er chemische alternatieven voor DNA bestaan, ontstaat de vraag: Waarom DNA? Waarom heeft het leven DNA gekozen? Omdat er toen (bij het ontstaan van het leven) niets anders voorhanden was? Maar als de alternatieven TNA, PNA, GNA spontaan op de prebiotische aarde gesynthetiseerd konden worden, dan waren er wel degelijk alternatieven, en waarom zijn die dan niet gebruikt? Of zijn ze wel gebruikt maar hebben ze geen sporen achtergelaten? Is DNA de winnaar van vele andere erfelijkheidsmoleculen?

Eisen aan levensvatbare alternatieven voor DNA

1. moeten als backbone voor de 4 bases kunnen dienen
2. moeten dubbele helix kunnen vormen met bases in het midden
3. moeten zichzelf kunnen repliceren
4. moeten makkelijker dan RNA pre-biotisch gesynthetiseerd kunnen worden
5. moeten kunnen paren met RNA om als overgangsfase te kunnen dienen naar een DNA wereld (compatibiliteits eis)

Voorbeeld TNA
TNA voldoet aan eis 1, 3, 4, 5. Eis 2 waarschijnlijk ook, maar weet ik niet zeker. Eis 5:  TNA kan met RNA paren, een TNA-RNA dubble helix vormen. Hieronder Threose en Ribose vergeleken:

De pre-biotische synthese van TNA
is makkelijker dan die van RNA. [1]

Omdat TNA (met threose in plaats van ribose) makkelijker abiotisch is te synthetiseren is het een kandidaat voor een voorloper van RNA. Eis 5 (compatibilitiets eis) is natuurlijk een beperking die we met terugwerkende kracht moeten opleggen omdat we nu eenmaal weten dat RNA en DNA de winnaars zijn. Maar dat wil niet zeggen dat er toen geen andere alternatieven zijn gevormd.

DNA is niet vanzelfsprekend
Het lijkt erop dat er alternatieven zijn die voldoen aan de 5 bovengenoemde eisen Maar ik moet dat nog beter uitzoeken. Zoveel is duidelijk dat we deze alternatieven voor DNA serieus moeten nemen. Zeker is wel dat we niet meer als vanzelfsprekend of onvermijdelijk mogen aannemen dat alle leven op DNA en RNA gebaseerd moet zijn. Alsof de prebiotische chemie onvermijdelijk DNA of RNA als eindresultaat zou hebben. Op andere planeten kan het eindresultaat anders uitgevallen zijn.

Evolutie handboeken
 

Als je eenmaal dit inzicht hebt, is het best verbazend dat evolutiehandboeken nauwelijks aandacht besteden aan dit fundamentele probleem en soms net doen alsof DNA of RNA het enige molecuul is dat geschikt is als erfelijkheidsdrager. Alsof er geen keuze was. Bij een inclusieve evolutietheorie (dus inclusief ontstaan van het leven) hoort een verklaring waarom RNA en DNA het hebben gewonnen. De evolutietheorie mag niet beperkt zijn tot een verklaring van de genetische code (lastig genoeg!) of base volgorde (A,T,C,G) of aminozuurvolgorde in eiwitten. Op zijn minst zou ik een evaluatie willen zien van de voor- en nadelen van DNA en haar alternatieven. Het evolutiehandboek dat nog het beste uit de bus komt is Freeman, Herron (2007) Evolutionary Analysis dat op p. 657 kort een aantal alternatieven noemt als voorlopers van de RNA-world. Strickberger's Evolution Fourth edition (2008) noemt kort de mogelijkheid van ribose-like analogues (ribose vervangers) op p. 130 -131. Toegegeven: je leest er makkelijk overheen. Zeker als je niet de vraagstelling en inzichten hebt, die ik nu heb. In Barton et al (2007) kon ik niets vinden. Excuus voor biologen: je hebt hier diepgaande biochemische kennis voor nodig om hier iets zinnigs over te zeggen...

DNA is niet perfect
Wat me verbaasde bij dit onderzoek is dat sommige alternatieven een sterkere base paring (base pairing) hadden dan DNA! Dus DNA is niet perfect! In dat opzicht tenminste. Is DNA een compromis? Dit alles maakt het hele verhaal bijzonder spannend.

RNA toch spontaan?
Later vond ik nog een publicatie [8,9,10] waarin aangetoond werd dat ondanks alle mislukte pogingen om RNA abiotisch te synthetiseren, het toch mogelijk bleek. Op een zeer onorthodoxe manier, waar nog niemand de afgelopen tientallen jaren aan gedacht had. Dit is wat je noemt thinking outside the box. Zijn de alternatieven overbodig? Maybe, maybe not. Als de alternatieven makkelijk(er) gevormd worden op de primitieve aarde, dan is en blijft er een keuze probleem. De vraag blijft: Wat is de meest waarschijnlijke route temidden van alle chaos naar RNA en DNA?

Wat was de chemicalieën inventaris?
Als je de literatuur leest valt op dat men het niet echt eens is over welke chemische vrbindingen er aanwezig waren op de vroege aarde. Het lijkt alsof men top-down terugredeneert vanaf DNA en RNA en dan beredeneert 'wat er nodig is'. Begrijpelijk, maar niet helemaal correct. Als je het DNA keuze probleem echt wilt begrijpen moet je de chemische verbindingen bottom-up voorspellen die gevormd konden worden uitgaande van eerste beginselen. En het is ook wel handig om te weten of het leven op de bodem van de oceaan, langs de randen van een vulkaan, in een getijden-zone of in een 'warme vijver' is ontstaan.

Conclusie
Dat er maar één erfelijkheids molecuul (DNA) kan zijn is onbewezen en zeer twijfelachtig. Ook is onbewezen dat DNA niet te verbeteren is. Echter, de alternatieven zijn niet even grondig getest als DNA. Dat er goede alternatieven kunnen zijn, zeker niet alleen in de prebiotische fase, maar óók om het leven op een planeet op te baseren, opent een heel nieuw gezichtspunt in de evolutietheorie. Op de implicaties daarvan zal ik zeker nog eens terugkomen. 

Bronnen

1. Leslie Orgel (2000) A Simpler Nucleic Acid, Science 17 November 2000: Vol. 290 no. 5495 pp. 1306-1307 (belangrijk artikel van de beroemde biochemicus en Origin of Life onderzoeker)
2. M. Beier et al (1999) Chemical Etiology of Nucleic Acid Structure: Comparing Pentopyranosyl-(2'→4') Oligonucleotides with RNA) Science 29 January 1999: Vol. 283 no. 5402 pp. 699-703
3. Bacterie ontdekt die arsenicum in plaats van fosfor gebruikt mijn blog 2 dec 2010 (de titel had moeten zijn: ...arsenicum in DNA...!)
4. Triple Helix: Designing a New Molecule of Life, Scientific American, December 2008 (gaat over Peptide nucleic acids) (gratis)
5. PNA Peptide Nucleic Acid 
6. Aaron E. Engelhart and Nicholas V. Hud (2010) Primitive Genetic Polymers (lang artikel, maar gratis. Betoogt dat DNA ge-optimaliseerd is voor haar taak door een evolutionair proces)
7. Biochemistry Revisited Blogspot Why is DNA (and not RNA) a stable storage form for genetic information? January 26, 2008 (is een net iets andere probleemstelling) 
8. Matthew W. Powner, Béatrice Gerland, John D. Sutherland (2009) Synthesis of activated pyrimidine ribonucleotides in prebiotically plausible conditions, Nature 459, 239-242 (14 May 2009)
9. Met begeleidend commentaar: Jack W. Szostak (2009) Origins of life: Systems chemistry on early Earth, Nature 459, 171-172 (14 May 2009) (News and Views): "Of course, much remains to be done. ... it will stand for years as one of the great advances in prebiotic chemistry." 
10. Chemist Shows How RNA Can Be the Starting Point for Life (NewYorkTimes, 13 mei 2009) leesbaar artikel, voorbeeld van outside the box thinking, gaat over #8 en #9.

Met dank aan Martin en Nand.
Update (GNA, HNA): 15 feb 2012

Waarom DNA?

Waarom DNA? Een kort blogje naar aanleiding van een opmerking van een vaste blogbezoeker.

Waarom DNA? Wat is dat nu voor een stomme vraag! Zonder DNA geen erfelijkheid! Zonder DNA geen leven! Zonder DNA geen evolutie! Daarom DNA! Maar wat ik met de vraag bedoel is: is DNA het enige molecuul dat de functie van erfelijkheidsmolecuul kan vervullen? Nee! Tenminste, er zijn kandidaten zoals TNA die het ook zouden kunnen. Het gedraagt zich in vele opzichten als DNA, maar komt niet in de natuur voor. Men treft het uitsluitend in laboratoria aan. Zondermeer interessant.

Nu de aansluiting met Stuart Kauffman (zie vorige blog). Zoals we gezien hebben probeerde Kauffman de oorsprong van het leven te verklaren zonder DNA. Zijn motivatie was als volgt. Het kan wel zijn dat DNA een zeer succesvol molecuul is (het heeft een duurzaamheidstest van 3,5 miljard jaar doorstaan!), maar als DNA ook een uniek molecuul is, dan is de kans erg klein dat de natuur het door trial en error zou vinden. Immers, als er veel mogelijkheden zijn vind je een oplossing sneller. Als er maar één oplossing is, duurt het misschien wel oneindig lang. Bovendien vormt DNA zich niet spontaan uit haar losse componenten, ondanks dat die componenten zelf wel spontaan kunnen ontstaan. Daarom probeerde Kauffman het met een netwerk van simpele stofjes (peptiden bijvoorbeeld) dat makkelijk spontaan kon ontstaan en zichzelf in stand hield. Je zou dan een primitief metabolisme hebben. Een levend 'iets'. Het voordeel zou kunnen zijn dat zo'n systeem een grotere diversiteit aan chemicaliën zou produceren. En de onuitgesproken veronderstelling was dat er dan uiteindelijk RNA of DNA gesynthetiseerd zou worden. Of dat scenario levensvatbaar is weten we nog niet.

Het nut van TNA is dat het überhaupt een alternatief voor DNA zou kunnen zijn. D.w.z. alle functies van DNA vervult, maar makkelijker abiotisch gevormd wordt. Zo'n simpeler alternatief voor DNA zou dus een belangrijke rol bij het ontstaan van het leven vervult kunnen hebben. Het zou dus een voorloper van DNA of RNA kunnen zijn. Maar waarom is de natuur dan niet bij TNA gebleven als het simpeler is dan DNA? Misschien is het niet zo 'perfect' als DNA. Misschien is het vervangen door het betere DNA in de loop van de zeer vroege evolutie. Dat we ooit fossiel TNA vinden lijkt mij uitgesloten. Maar, zoals het persbericht van de Arizona State University laat zien, kunnen wetenschappers de eigenschappen van TNA in het lab onderzoeken. En het is al gebleken dat TNA en DNA kunnen samenwerken.

Een andere interessante vraag blijft open: zijn er betere erfelijkheidsmoleculen dan DNA? Goede vraag, maar dit zou een klein tussendoor blogje zijn...

 

Bronnen

• Richard Harth (2012) Simpler times: Did an earlier genetic molecule predate DNA and RNA?  (met dank aan Harry. Toch kostte het enige moeite de oorspronkelijke bron van het nieuwsbericht te vinden) 
• Mijn review van Michael Denton's (1998) Nature's Destiny. - Is DNA uniquely fit for its task? (TNA is al 10 jaar bekend, maar de eigenschappen worden nog steeds onderzocht).
• Mijn blog Stuart Kauffman's comeback.