Neanderthaler DNA toont sterke en zwakke plekken van DNA

Neanderthal (bron)

'Ancient DNA' of fossiel DNA is een ideale testcase voor de stabiliteit van de Watson-Crick dubbele helix. De reden: het bestaan van ancient DNA betekent dat DNA gedurende duizenden jaren intact kan blijven, maar tegelijk blijken de zwakke plekken in DNA uit het soort schade dat DNA heeft opgelopen.

Een beroemd en recent voorbeeld van ancient DNA is de complete opheldering van het Neanderthal genoom [1]. Het DNA moet tenminste 30.000 jaar oud zijn, want rond die tijd zijn de Neanderthalers uitgestorven. Blijft DNA 30.000 jaar intact? Gedeeltelijk. Het DNA fragmenteert tot fragmenten van gemiddeld 200 baseparen lang. Intact DNA is miljoenen bases lang. Bijvoorbeeld: ons chromosoom 1 is 249 miljoen baseparen lang. Met die lengte zou dat ruim 1 miljoen fragmenten opleveren! Door een reconstructie te maken van alle fragmenten kan men het complete genoom reconstrueren. Het is dus zeker niet zo dat het complete intacte DNA van een Neanderthaler gevonden is! Een Neanderhal tot leven wekken kun je voorlopig wel vergeten. Interessanter is dat bleek dat het fossiel Neanderthal DNA chemisch was gemodificeerd:

Patterns of damage in genomic DNA sequences from a Neandertal

Opvallende zwakke plekken zijn wijzigingen van base C naar base T. Hierbij gaat er een aminogroep van Cytosine af. Dit heet deamination (wiki). De bases C, G, A komen in aanmerking voor deamination omdat ze een NH2 groep bezitten.

deaminering van bases. (bron)

De reactie van C naar U gebeurt spontaan in het DNA van levende cellen. Uracil zit normaal alleen in RNA en niet in DNA. Het is een mutatie. Als het goed is wordt het weer verwijderd uit DNA door speciale repair enzymen.
Cytosine kan ook voorkomen in DNA in een gemethyleerde vorm:  5-methyl-Cytosine. Als de amine NH2 groep van de gemethyleerde vorm van Cytosine wordt verwijderd  ontstaat er Thymine (zie plaatje). Dit gebeurt spontaan in de cel. Dit is een mutatie. Dit wordt ook (gedeeltelijk) weer gecorrigeerd door speciale enzymen. De gemethyleerde vorm van Cytosine speelt vermoedelijk een rol in gen expressie (epigenetics) en is dus niet een mutatie.
Ook Guanine en Adenine kunnen gedeamineerd worden, waardoor een mutatie ontstaat. Ook hiervoor bestaan repair-mechanismes.

Er zijn veel meer vormen van DNA schade. Zo kunnen onder invloed van UV licht twee Thymines een thymine-dimeer vormen. Dit is schadelijk voor het organisme. Als het niet gerepareerd wordt kan er huidkanker ontstaan.

Zeer oud intact DNA

Het bleek mogelijk individuele planten van de soort Silene stenophylla te kweken uit 31.000 jaar oud weefsel [2]. Dit is een record. Men gebruikte een speciaal type weefsel uit zaden die onder droge en permanente bevroren omstandigheden bewaard waren gebleven in de grond in Siberië. Men kon de plantjes zelfs tot bloei brengen. DNA kan dus in bevroren toestand 31.000 jaar lang intact blijven. Eigenlijk geen wonder. Er zijn dan geen chemische reacties, dus ook geen schadelijke chemische reacties. Dit is te vergelijken met DNA in een diepvriezer bewaren. Onder die omstandigheden zullen waarschijnlijk ook eiwitten, vetten en koolhdraten intact blijven. Er gebeurt chemisch gewoon niets. Daarom bewaren we bederfbare zaken in een vriezer.

Conclusie

Onder gunstige omstandigheden kan fossiel DNA heel lang gedeeltelijk intact blijven. Maar zelfs dan zal fossiel DNA fragmenteren en muteren na de dood van de cel. Onder zeer bijzondere omstandigheden zoals zaden die speciaal gemaakt zijn om lang levensvatbaar te blijven, kan het complete DNA zeer lang intact blijven. In alle andere omstandigheden vinden spontane chemische wijzigingen plaats van de bases in het DNA. Deze mutaties zijn een alternatieve manier om natuurlijke zwakke plekken van DNA te achterhalen. In levende cellen ontstaan die mutaties spontaan, maar worden voor een groot deel ook weer gerepareerd (DNA repair). Maar die DNA reparaties zouden niet nodig zijn wanneer de bases niet spontaan zouden muteren.

Bronnen:

1. Richard E. Green et al (2010) A Draft Sequence of the Neandertal Genome, Science 7 May 2010 (gratis)
2. Regeneration of whole fertile plants from 30,000-y-old fruit tissue buried in Siberian permafrost PNAS March 6, 2012

Zijn jumping genes in je hersenen goed voor je reactievermogen?

Een opvallend positief artikel What Makes Each Brain Unique over de effecten van jumping in genes in het maart nummer van Scientific American. De effecten van jumping genes (L1) in de hersenen zouden verklaren waarom identieke tweelingen toch genetisch verschillen.

Verder suggereren de auteurs op het eind van hun artikel dat jumping genes (ik citeer maar letterlijk omdat het nogal een vage, geheimzinnige formulering is):

"That finding lends credence to the notion that the L1 elements may have helped build brains that can process information about the environment rapidly and that can thus more readily meet the challenges of ever changing environmental and climatic conditions." (p.25).

Behalve ontzettend vaag en algemeen, komt het er op neer dat willekeurige wijzigingen toebrengen aan genen en gen activiteit in de hersenen heel nuttig kan zijn voor uw reactie vermogen! Klimaat? Zondermeer bizar. Het verhaal is zelfs gepromoveerd tot coverstory. Op de omslag staat (vertaald): hoe jumping genes in de hersenen ieder persoon uniek maken. (bedoelen ze unieke beschadigingen?) Er wordt nog wel gewezen op een relatie met Rett syndrome, autisme en schizofrenie, maar de toon van het artikel is dat jumping genes vooral positieve effecten hebben, en variatie introduceren.

Dit alles staat haaks op het idee dat de integriteit van het menselijk genoom bewaakt wordt door uitgebreide DNA-repair systemen, het onderwerp van mijn vorige blogs. Al deze jumping genes brengen een hoop verwarring in een onderwerp wat tot nu toe begrijpelijk leek.

Er is een begeleidend web-only verhaal Jumping Genes in the Brain Are Tied to Autism (February 2012) dat wel aandacht besteedt aan nadelige effecten van jumping genes.

In 2011 had Scientific American ook al (positieve) aandacht voor jumping genes: The Ductile Helix: "Jumping Genes" May Influence Brain Activity  - Mobile DNA elements called retrotransposons may be a source of genetic variation in nerve cells. (gratis artikel op website). [ductile = plastisch, vervormbaar]

Op het blog van Marleen staat nog een link naar: Mobile DNA transposition in somatic cells (is een gratis pdf).

DNA beoordeeld vanuit informatietheoretisch perspectief

Om de betrouwbaarheid van DNA als informatiedrager op een onafhankelijke manier te kunnen beoordelen gebruik ik de theorie van 'Error-Correcting Codes' zoals beschreven wordt door John MacCormick (2012) Nine Algorithms That Changed the Future: The Ingenious Ideas That Drive Today's Computers. We hebben het immers over DNA als informatiedrager en het onderzoeksveld informatica beschikt over een goed uitgewerkte mathematische theorie van informatie overdracht. Dus bij de informatica zijn we bij het juiste adres. 

Dat wil niet zeggen dat we informatietheorie blindelings kunnen toepassen op DNA. Maar we voorkomen in ieder geval dat we, zoals gebruikelijk, DNA opvatten als het beste middel van informatie overdracht dat de natuur ons te bieden heeft. Als DNA het enige informatie opslagmiddel is, hoe zouden we het dan met iets anders kunnen vergelijken?

De eerste en meest simpele methode om fouten in informatie overdracht te detecteren is domweg de informatie te herhalen. (Tussen haakjes: een favoriet fragment uit een interview op tv van een man die letterlijk zei: 

"Ik zeg alles maar één keer. Ik zeg alles maar één keer. Ik zeg alles maar één keer."

MacCormick noemt dit 'the repetition trick' (p.62). Als je de hele boodschap tweemaal herhaalt is de kans klein dat ze allebei dezelfde fout bevatten. Maar je weet niet welke van de twee de foutloze is. Daarom moet je de boodschap drie maal of nog vaker herhalen en kijken welke het vaakst voorkomt. Dat zal de juiste zijn. Dit is natuurlijke een nogal kostbare en inefficiënte methode. Het verbazingwekkende is dat de natuur deze methode heeft toegepast: DNA is dubbelstrengs. De boodschap is in tweevoud aanwezig. We zouden niet zo gauw op dit idee komen, omdat we zo gewend zijn aan het feit dat DNA een geniale dubbele helix is. We zeggen dan: uiteraard is DNA dubbel omdat enkelstrengs DNA veel te instabiel en dus onbetrouwbaar is als opslagmedium. Maar dat is precies het punt. Het kan wel zijn dat dubbelstrengs DNA stabieler is, maar deze methode is 100% redundant en kost bovendien tweemaal zoveel aan bouwstenen die ook gesynthetiseerd moeten worden. Je kunt dus ook zeggen dat dubbelstrengs DNA een compensatie is voor een zwakheid in plaats van een genialiteit. De volledige informatie zat immers ook al in enkelstrengs DNA. Denk aan mRNA dat enkelstrengs is en de volledige informatie voor het eiwit bevat. Dus we hebben 100% herhaling van de informatie in dubbelstrengs-DNA.

In de informatietheorie is herhaling de simpelste methode. Maar die wordt eigenlijk niet gebruikt omdat die zo ontzettend verspillend is. Vooral als het om megabyte en gigabyte hoeveelheden gaat. Een bekend evolutiehandboek [1] schrijft dat de worm Caenorhabditis elegans een verbazingwekkend lage mutatiefrequentie heeft van één puntmutatie op de 100 miljoen bases. Dat is een hele goede score, maar er wordt niet bij gezegd dat de kosten een 4-voudige genoomredundantie, en verder nog ongeveer 10% overhead aan DNA-repair genen zijn. Want het DNA-repair systeem moet je ook als overhead rekenen. Het zou immers niet nodig zijn als DNA foutloos gerepliceerd zou worden. Voor een eerlijke vergelijking zou je ook de software die checksums berekent er ook bij moeten tellen. Ik weet niet hoe groot die is. Ik denk redelijke kort, want het zijn elementaire berekeningen.
Bedenk verder dat het  menselijk chromosoom 1 (het grootste) alleen al 247 miljoen bases telt. Voor het menselijk genoom totaal zou dat neerkomen op ruim 30 mutaties als het 1x gekopieerd zou worden [2].

In de evolutieleerboeken zie je vaak staan dat de cel feitelijk gebruik maakt van die redundantie bij het repareren van DNA (mismatch van bases) [3]. In feite heeft een diploid organisme dus een 4-voudige herhaling van genetische informatie. Ieder chromosoom is in tweevoud aanwezig en ieder chromosoom bestaat weer uit dubbelstrengs DNA. In totaal 4 maal. De cel schijnt ook gebruik te maken van de diploïde informatie. Dit wordt recombinational dna repair genoemd [6]. Dit kun je allemaal slim noemen, maar uit informatietheoretisch oogpunt is dit de methode met de grootste overhead. In de informatica kan het met véél minder overhead, zoals de redundancy methode [4] en de nog efficiëntere checksum en pinpoint methodes (zie MacCormick hoofdstuk 5). Deze methode voegt extra bitjes toe aan het einde van de informatie die het mogelijk maken vast te stellen of er fouten in de boodschap zitten. Het mooie van deze methodes is dat ze niet alleen foutdetectie maar ook foutcorrectie mogelijk maken [5]. Bij informatie overdracht in computers kan de overhead van checksums minder dan 1 duizendste van een procent van de totale informatie zijn, terwijl er vrijwel 100% garantie is op een foutloze informatie overdracht. En er worden nog betere fout correctie methodes ontwikkeld. Die zijn wel weer ietsje groter.

Dit alles kan verder uitgediept worden, maar ik hoop de lezer op een spoor gezet te hebben. Informatietheorie biedt een onafhankelijke theorie waarmee je de prestaties van DNA als opslagmedium kunt beoordelen.

Opmerkingen

1. Scott Freeman, Jon Herron (2007) Evolutionary Analysis, p. 149. 
2. Nu kun je wel zeggen die fouten zijn juist nuttig voor evolutie, en genetische diversiteit, evolvability, adaptability, maar we hadden het over betrouwbare informatieoverdracht. Het nut en de efficiëntie van mutaties is een heel ander verhaal. De overgrote meerderheid van mutaties zijn geen verbeteringen.
3. Het is mij nog niet duidelijk hoe de cel bepaalt welke van de twee bases de foute is en alleen de foute corrigeert. Mogelijk gaat de cel er van uit dat bij replicatie de oude streng correct is en alleen de mismatch in de nieuwe streng corrigeert. Dit lijkt me tenminste een mogelijkheid.
4. De genetische code maakt ook gebruik van redundantie: de meeste aminozuren worden door meerdere base tripletten in DNA gecodeerd. Dit voorkomt een groot aantal fouten in de aminozuurvolgorde van eiwitten. Strikt genomen worden hier geen fouten in DNA gecorrigeerd, maar de gevolgen van fouten geneutraliseerd. Dit lijkt op de Redundancy trick van MacCormick (p. 64)
5. Doet de natuur aan checksums? Mogelijk is Nonsense-mediated mRNA decay waarbij een door mutatie ontstaan stopcodon midden in een eiwit herkend wordt en vervolgens het mRNA vernietigd wordt. Dit kun je slim noemen. Dit is altijd beter dan het ingekorte foute eiwit produceren, maar beter was het om de fout eerder te herkennen en het stopcodon te corrigeren. Het probleem is: hoe weet je wat het originele codon was? Gokken wat het meest waarschijnlijke codon was? Een andere mogelijke foutdetectie methode is detecteren of een exon door 3 deelbaar is omdat codons uit 3 bases bestaan. Maar hoe moet je zo'n fout herstellen als je hem al gedetecteerd had?
6. Een ander mechanism dat gebruikt schijnt te maken van de 4-voudige redundantie is meiotic silencing by unpaired DNA (MSUD). Het is begrijpelijk dat het gedurende meiosis gebeurt omdat dan de homologe chromosomen paren. Er wordt geen repair verricht, maar silencing van het DNA. (toegevoegd: 11 april)

 

Postscript 17 april:
Een goed en gratis overzicht over DNA repair vind je hier:
http://www.web-books.com/MoBio/Free/Ch7G.htm
Het is onderdeel van een website met gratis ebooks, waaronder Molecular Biology Web Book

Chapter 7: DNA Replication, Mutation and Repair