Terugkeer van junk DNA

Carl Zimmer heeft met zijn artikel in de New York Times over junk DNA weer veel stof op doen waaien. Er ontstaan daarom opnieuw interessante discussies over of het zogenaamde junk DNA, dat niet codeert voor eiwitten, toch een functie zou kunnen hebben. Deze discussies laaien zo af en toe op, en waren erg fel ten tijde van de publicatie van ENCODE (waarover ik eerder blogde 1, 2, 3, 4, 5).

Er werd, voordat het ENCODE project nu bijna 3 jaar geleden haar resultaten publiceerde, vanuit gegaan dat het genoom voor 2 procent functioneel is. 98 procent zou gevormd worden door junk DNA. Nu toonde het ENCODE project aan dat met de bestudering van affiniteit van transcriptiefactoren voor het DNA, wel zo’n 80 procent van het genoom functioneel zou zijn. Er laaide enorm veel verontwaardiging op – niet alleen omdat alle schoolboeken veranderd zouden moeten worden, maar ook omdat de methodes die gebruikt werden om dit resultaat te verkrijgen niet adequaat waren, zowel de methode zelf als de interpretatie ervan (zie ook een voorgaand blog). Het ging in veel gevallen om aspecifieke binding van transcriptiefactoren, kortom het ging volgens Mike White om ruis. Omdat ik zelf van mening ben dat in de intracellulaire biochemie en biologie een overdreven idee gegeven wordt van perfecte afstemming op elkaar van de verschillende macromoleculen en de verschillende chemische processen kon ik me goed vinden in het idee van ruis. ENCODE was een enorme mediahype. Het project werd uitgevoerd in een groot samenwerkingsverband met enorm veel wetenschappers en moet handen vol geld gekost hebben.

Een ander argument, behalve dat van ruis in het ENCODE-experiment, is de onion test van T. Ryan Gregory, die stelt dat het genoom van een simpele ui zo enorm groot is tegenover het genoom van een mens dat het wel heel veel junk moet bevatten.

Het idee dat het hele genoom vol zou zitten met ‘knoppen’ die de expressie van de genen regelt, en dat het dus in zijn geheel functioneel is, is een argument dat door creationisten gebruikt wordt en dat zou moeten bevestigen dat de schepping perfect is, waarin alles een functie heeft. Het is eigenaardig dat het hoofd van het N.I.H, Francis Collins, beweert dat het junk DNA zeer waarschijnlijk veel functies heeft, die we nog moeten ontdekken. Hij wil af van de term ‘junk DNA’.

Een interessant gegeven is wel dat er sinds kort RNA’s in cellen gevonden zijn die een belangrijke rol lijken te spelen in het onderdrukken van de expressie van bepaalde genen. Maar T. Ryan Gregory blijft sceptisch. Behalve deze specifieke RNA-moleculen, verwacht hij dat er veel andere RNA’s gevonden zullen worden die niets anders zijn dan aspecifieke transcriptie van het junk DNA. Het zou dus ook in deze gevallen gaan om ruis.

Uit: Carl Zimmer, Is most of our DNA garbage?, New York Times

De voorlopers van onze hormoonreceptoren

Figuur 1: Covalente bindingen en waterstofbruggen. De eerste vergen een chemische reactie terwijl de laatste nauwelijks energie kosten. Ze bepalen de affiniteit van het hormoon voor de receptor.

Joe Thornton bestudeert al vele jaren de oorsprong en de evolutie van eiwitten, waaronder hormoonreceptoren. Hij bestudeert daarbij de sequentie van het DNA van deze receptoren van nog bestaande hedendaagse organismen en legt al deze sequenties langs elkaar. Het is dan mogelijk de mutaties terug te volgen in de tijd langs de fylogenetische boom en de oorspronkelijke sequenties af te leiden. Zijn werk bestaat vervolgens vooral uit de reconstructie middels cDNA van de voorouderlijke eiwitten. Daarmee kan hij experimenteren om te bestuderen welke mutaties verantwoordelijk zijn voor de verschillende veranderingen in functie.

Receptoren zijn eiwitten (proteïnen) en de hier beproefde hormonen zijn steroïden. De bekendste zijn oestrogeen en testosteron. Deze hormonen binden specifiek hun eiwitreceptoren waarna ze zich als complex met DNA binden om aldaar, na eventuele tussenkomst van andere transcriptiefactoren, de transcriptie te regelen. De receptoren binden hun hormonen met een bepaalde affiniteit. Een hoge affiniteit betekent dat de binding erg sterk is wat duidt op een hoge specificiteit van het hormoon voor de receptor of andersom. De sterkte van de binding wordt in veel gevallen bepaald door het aantal waterstofbruggen tussen de twee moleculen. Dit hangt op zijn beurt weer af van de sequentie van aminozuren in de eiwitketen. In figuur 1 zijn waterstofbruggen te zien.

Het blijft lastig te verklaren en aan te tonen hoe complexe systemen zich geleidelijk kunnen vormen. Darwin zelf schreef dat zijn theorie zou vallen als er complexe organen bestonden die niet door meerdere, kleine, opeenvolgende veranderingen tot stand gekomen waren. Elk afzonderlijk deel van een complex systeem heeft geen functie en er kan dus niet voor geselecteerd worden totdat het hele systeem bestaat.

Joe Thornton noemt het proces dat aan de basis staat van de toename aan complexiteit “molecular exploitation”: er ontstaan als gevolg van duplicaties nieuwe moleculen (receptoren) die interacties aangaan met oudere reeds bestaande moleculen (hormonen).

De experimenten van Joe Thornton zijn gebaseerd op de reconstructie van de uitgestorven voorouders van onze hormoonreceptoren. Je zou het kunnen zien als een Jurassic Park van prehistorische moleculen. In een van zijn eerste studies kaart hij het probleem aan van wat eerst kwam, het hormoon of de receptor. Daar bestudeert hij de oudste hormoonreceptoren die er te vinden zijn. Dit zijn receptoren voor oestrogeen geweest. Oestrogeen wordt aangemaakt als laatste stap van een pathway met als tussenstap de vorming van testosteron en progesteron (zie figuur 2). Deze hormonen bestonden dus al voordat hun receptoren zich vormden. Ze kregen pas hun rol als hormoon toebedeeld na de evolutie van hun specifieke receptoren.

Figuur 2 Aromatisch verwijst naar de aromatische ring linksonder in het oestrogeen-molecuul. De androgenen hebben geen aromatische ring.

In de laatste publicatie experimenteren Thornton en zijn medewerkers met twee voorouderlijke receptoren. De eerste is AncSR1 en is vergelijkbaar met de eerste oestrogeenreceptoren. Deze receptor is specifiek voor gearomatiseerde (zie figuur 2) steroïden zoals oestrogeen. De tweede is AncSR2 die hoge affiniteit heeft voor niet gearomatiseerde steroïden (zoals androgenen). Bij nadere analyse blijkt dat AncSR1 de gearomatiseerde ring vereist terwijl AncSR2 dit type ring afstoot. Er blijken twee aminozuren te zijn (glu41GLN en leu75MET: hoofdletters afgeleid residu; kleine letters voorouderlijk residu) die veranderd zijn. Dit zijn precies de residuen die contact hebben met de aromatische ring van het hormoon. Worden deze voorouderlijke residuen geplaatst in AncSR2 dan verkrijgt deze de capaciteit een gearomatiseerde stof (oestrogeen) te binden. Worden de afgeleide residuen geplaatst in AncSR1 dan verliest deze de mogelijkheid gearomatiseerde moleculen te binden en kan dan niet-gearomatiseerde moleculen binden (androgenen). Deze twee substituties zijn dus verantwoordelijk voor de evolutie van de androgeenreceptoren met als vertrekpunt de voorouderlijke oestrogeenreceptor. Het blijkt na nog zorgvuldiger analyse dat er subtiele veranderingen zijn op het niveau van de waterstofbruggen met als gevolg veranderingen in de energiestaat. Deze subtiele veranderingen in de biochemie van een paar aminozuren kan zodoende uitvergroot worden en veroorzaakt grote verstoringen in het biofysieke gedrag van de proteïne wat leidt tot belangrijke evolutionaire verschuivingen in functie.

De wetenschappers laten zien dat evolutie inderdaad plaatsheeft met kleine stapjes die enorme gevolgen kunnen hebben. Zonder deze hormoonreceptoren waren we nog lampreien geweest.

Uit: Columbia News, PNAS

Zie ook een voorgaand blog over de onmogelijkheid van terugwaartse evolutie naar een artikel van Thornton

Alle publicaties van Thornton zijn hier te downloaden.

h/t Rob van der Vlugt

De moleculaire jungle

Het voorgaande blogbericht behandelde het project ENCODE dat vorige week onder andere in Nature gepubliceerd werd. Door zo’n dertig publicaties tegelijk werden de verschillende onderdelen van het project gepresenteerd. Dit enorme project heeft hetzelfde en misschien wel meer belang dan het Menselijk Genoom Project, aangezien het niet alleen de tweedimensionale sequentie van het DNA weergeeft, maar zelfs een redelijk idee geeft van waar in het genoom bepaalde functies uitgevoerd worden. ENCODE is de encyclopedie van de DNA-elementen. Het gaat hierbij om functionele elementen, dat wil zeggen elementen die ‘biochemisch actief’ zijn. Er bestaat momenteel erg veel discussie over wat verstaan moet worden onder ‘functioneel’ en ‘biochemisch actief’.

De verschillende ‘functionele’ DNA-elementen. Uit Nature.

Zoals duidelijk weergegeven in de figuur zijn er acht verschillende functionele DNA-elementen. Twee daarvan verdienen speciale aandacht. Dat zijn de ‘DNase I hypersensitive sites’ en de ‘Transcription factor binding sites.’

Wanneer een site in het DNA hypergevoelig is voor de DNAase I, een enzym dat DNA degradeert, betekent dit dat het DNA op die plek vrij toegankelijk is. Het DNA zit hier niet strak ingepakt zoals bijna overal elders in het genoom. Op deze plekken kunnen ook sites blootgesteld worden waar transcriptie factoren zich kunnen binden en de transcriptie daarmee in gang zetten. (Transcriptie is de vorming van een complementaire streng van RNA met als blauwdruk het DNA.)

Uit Nature

Op bovenstaande figuur wordt duidelijk dat de vele verschillende transcriptie-factoren zich vaak op dezelfde plek binden. De bovenste regel laat zien waar zich de Dnase I hypersensitive sites bevinden. Dat wil zeggen de plekken waar DNA blootstaat aan het eventueel binden van transcriptiefactoren. De tweede regel laat zien waar de verzameling aan transcriptiefactoren zich bindt. De regels die erop volgen laten voor elke transcriptiefactor zien waar en met welke intensiteit deze zich aan het DNA bindt. Het is te zien dat vele transcriptiefactoren dezelfde sites binden met dezelfde of verschillende intensiteit. Dit betekent dat ze verruild kunnen worden, ze bezitten een zekere promiscuïteit. Met dit gegeven is het makkelijker een voorstelling te maken van een hele hiërarchie aan transcriptie-factoren. Ze zijn blijkbaar aanwezig in allerlei vormen en hebben een grotere of minder grote affiniteit voor de verschillende bindingsplekken. Het ziet er allerminst uit als een specifieke binding en er bestaat waarschijnlijk een heel scala aan transcriptiefactoren die zich wellicht in een soort brij of wolk rond het DNA bevinden. Dit heeft niets van doen met de perfecte machines die ons voorgeschoteld worden door de cleane lijsten van verschillende factoren en de animatiefilmpjes.

Het is zelfs erg waarschijnlijk dat er een enorme zooi is die bestaat uit allerlei varianten transcriptiefactoren. Dit geldt wellicht ook voor andere moleculen en er ontstaan rommelige interagerende netwerken. Het genoom is waarschijnlijk meer een jungle dan een fijn afgesteld klokwerk. De regulatie van transcriptie werkt ondanks de rommel en niet dankzij de complexiteit. Het is daarom onduidelijk hoe het signaal wordt onderscheiden met al deze ruis en hoe de regulatie precies verloopt. Het is wel duidelijk dat dit plaatje goed past in het idee wat ik zelf heb van de omgeving binnen en rond de cellen van ons lichaam. Het is een heel troebele en viskeuze omgeving waarin alle moleculen dicht op elkaar zitten en door affiniteit elkaar vinden. Vervolgens reageren ze op of met elkaar door veranderingen in conformatie waardoor ze geactiveerd worden. Dat heeft ook in dit geval bijzonder weinig te maken met de plaatjes en filmpjes waar meestal voor de duidelijkheid slechts een molecuul tegelijk in beeld is.

Hieronder een filmpje van transcriptiefactor in een bijzonder geordende omgeving.

Voor wie nog meer van dit soort filmpjes wil zien. The inner life of the cell:

Uit een blogbericht van finch and pea door Mike White het corresponderende artikel in Nature