De evolutie van transposable elements in primaten

Evolutie van het transposable element ALU in primaten
©Bergstrom, Dugatkin (2012) Evolution, p.358. [1]

Naar aanleiding van een blog van Marleen over transposable elements, laat ik dit plaatje zien met de evolutie van het transposable element ALU in primaten. (Het ALU transposable element lijkt op het L1 transposon). We zien dat er steeds gedurende de laatste 55 miljoen jaar nieuwe ALU elementen toegevoegd worden aan het primaten genoom. Soms ontzettend veel (een uitbarsting) en soms minder. 

Alle primaten hebben dus ALU elementen. De mens is niet uniek in dat opzicht. Ik vermoed dat dit plaatje niet volledig is. Alléén voor de mens zijn alle ALU expansies weergegeven, inclusief de meest recente. De mens is kennelijk een heel belangrijke soort. Ik neem aan dat er ook in de evolutionaire geschiedenis van de andere primaten ALUs bijgekomen zijn. De optelsom voor de mens is 1.094.987 ALUs. Ik denk dat de evolutie van L1 transposons zich op soortgelijke wijze heeft ontwikkeld. De laatste uitbreidingen van ALU zijn bescheiden vergeleken met de oorspronkelijke.
Primaten is ook niet de enige groep die transposons heeft. Bekend geworden door het baanbrekende onderzoek Barbara McClintock (10 jaar vóór de ontdekking van de dubbele helix door Watson en Crick) is bijvoorbeeld mais. Het genoom van mais bestaat voor 50% uit retrotransposons [2].

Nota bene: het primaten genoom had kennelijk geen verdedigingsmechanisme (vergelijkbaar met DNA-repair) om zich tegen ALU te verdedigen.

Nota bene: hoewel transposons parasitair DNA zijn, hebben ze een perfecte Watson-Crick dubbele helix structuur (zie vorige blogs) die niet te onderscheiden is van 'gewoon' DNA.

Inhoud menselijk genoom

Hier een plaatje van percentages van verschillende elementen in het menselijk genoom:

©Bergstrom, Dugatkin (2012) Evolution, p.357. [1]

 

Zo te zien is het beroemde percentage van het menselijk genoom dat genen in beslag nemen, nl. 1,5%, kennelijk uitsluitend exons. Dat had ik mij nooit zo gerealiseerd. Exons zijn de voor eiwit coderende gedeeltes van genen. De introns zijn stukken parasitair DNA in het gen die worden verwijderd nog vóórdat ze vertaald worden naar eiwitten. Als je introns optelt bij de exons om het percentage te berekenen dat genen in beslag nemen kom je op 27,4%. Maar als je bedenkt dat je het grootste gedeelte van introns kunt missen, en niet vertaald worden naar eiwit, is het percentage van 1,5% nog steeds een goede maat voor hoeveel DNA er nodig is om alle eiwitten te coderen.

Literatuur

1. Bergstrom, Dugatkin (2012) Evolution. W.W. Norton. (dit is het meest recente evolutie leerboek voor studenten)
2. website Transposons

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).