Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: codon

Optimalisatie en selectie van ‘the fittest’

In snelgroeiende organismen als bacteriën en gist, kan er een verschil in ‘fitness’ gemeten worden door het vervangen van codons door een corresponderend synoniem codon. Vrijwel alle codons hebben synoniemen. Een codon, dat bestaat uit een triplet van DNA, codeert voor een aminozuur, de bouwsteen van proteïnen.

amino-acid-table-singlet-code

 

Elk aminozuur wordt gecodificeerd door meerder tripletten omdat de code redundant is. Er zijn namelijk 4^3 mogelijke tripletten of codes, aangezien het DNA uit vier verschillende ‘letters’ bestaat. Dit geeft 64 mogelijke codons terwijl er slechts 20 aminozuren zijn. Gemiddeld heeft elk aminozuur dus ongeveer 3 codons waardoor het gecodeerd wordt. In werkelijkheid worden sommige aminozuren door wel zes codons gecodeerd en sommige door slechts twee. Dit betekent dat een aminozuur als Glycine, dat gecodeerd wordt door vier codons (GGA, GGT, GGC en GGG), vier synoniemen heeft. In principe coderen ze alle vier voor Glycine, maar in de praktijk, althans in de bestudeerde micro-organismen, blijkt er vaak een codon gebruikt te worden. Zodra deze codons in het laboratorium vervangen worden door een synoniem, verlaagt dat de fitness van het organisme.

 

Nu opperen de onderzoekers dat het eerder de snelheid is waarmee de eiwitten gevormd worden die bepalend is voor de fitness. Deze snelheid kan dalen door een indirect mechanisme, waarbij de synoniemen de elongatie van het eiwit vertragen, en de ribosomen daardoor langer op de mRNAs blijven zitten. Er zijn daardoor minder vrije ribosomen beschikbaar en de gehele eiwitproductie wordt vertraagd.

Een andere mogelijkheid zou kunnen zijn dat er meer van een bepaald tRNA is dan van zijn synonieme tRNAs waardoor het eiwit sneller en efficiënter aangemaakt wordt. Een voorbeeld is opnieuw Glycine. Stel dat het GGT het optimale synoniem vormt, dan zou het kunnen zijn dat het tRNA dat Glycine aandraagt met het anticodon CCA het meest overvloedig aanwezig is. Zodra dit codon vervangen wordt door een synoniem, bijvoorbeel GGG, dan wordt de efficiëntie van eiwitproductie plotseling beperkt door een schaars tRNA met anticodon CCC en vertraagt de eiwitproductie. De snelheid van eiwitproductie is rechtevenredig met het selectieve nadeel van de populatie met een synoniem melden de auteurs.

salmonella

Salmonella

Het verschil in fitness voor de vervanging van een codon door een synoniem kan 0,01 procent per generatie bedragen in Salmonella meten de onderzoekers. Dit zou aantonen dat het in de natuur gebruikte codon het optimale codon is. De bestudeerde genen waren tufA en tufB, beide betrokken bij de productie van een elongatiefactor.

Dit soort studies laten zien dat in een cel de codons niet willekeurig zijn, dat er een zogenaamde synonymous codon usage bias bestaat. Deze studie kwantificeert daarbij ook het selectiepotentiaal van de optimalisatie van een codon.

Wat ik niet goed begrijp is waarom er voor deze studie het gen voor elongation factor bestudeerd is, een gen dat tenslotte directe consequenties heeft voor de snelheid van eiwit productie. Waarom is er niet gekozen voor een gen dat een eiwit codificeert dat niet direct betrokken is bij de translatie. In dit geval bestaan er namelijk niet alleen de ‘negatieve’ gevolgen van de synonymous codon usage bias, maar ook de verlaging van de productie van een eiwit door effecten op de productie van de elongation factor dat direct van belang is voor de eiwitproductie.

h/t Rob van der Vlugt

Uit:

Brandis G, Hughes D (2016) The Selective Advantage of Synonymous Codon Usage Bias in Salmonella. PLoS Genet 12(3): e1005926. doi:10.1371/journal.pgen.1005926

ScienceDaily

Het laatste stukje van de puzzel

primordial soup
Van internet. Primordial soup

In het begin waren er Ida en Luca. Ida (the initial Darwinian ancestor) was de eerste molecuul die in staat was tot zelfreplicatie. Deze molecuul maakte vele kopieën van zichzelf, ontwikkelde de eigenschap genetische informatie op te slaan, wat uiteindelijk leidde naar het ontstaan van Luca (last universal common ancestor). Deze laatste gemeenschappelijke voorouder maakte waarschijnlijk gebruik van een RNA molecuul. RNA kan namelijk kopieën van zichzelf maken zonder gebruik van een catalysator. Het is lang de vraag geweest hoe zich spontaan strengen van oligonucleotiden, oftewel RNA, konden vormen vanuit losse nucleotiden. Ernesto Di Mauro toont aan dat dit spontaan kan gebeuren. In het on-line wetenschapsjournal NewScientist wordt zijn baanbrekend werk binnen de oorsprong van genetisch materiaal en het leven geplaats; de puzzel is nu opgelost.

Twee weken geleden gaf Ernesto Di Mauro een lezing aan de Universiteit van Padova. In een voorgaand bericht heb ik daar verslag van gedaan. Dit bericht is een vervolg op het voorgaande en plaatst het werk van Di Mauro in breder perspectief.

RNA kan als enzyme te werk gaan. Dit betekent dat het metabolisme al kon aanvangen voordat er proteïnen bestonden. Luca ontstond zo’n 4 miljard jaar geleden, een half

rna-code
Van internet. RNA-code

miljard jaar na het ontstaan van de Aarde. Deze eerste vorm van leven gebruikte waarschijnlijk RNA-moleculen zowel als drager van genetische informatie als vorm van enzyme.
De genetische code is gebaseerd op codons. De vier nucleotiden A,U (of T in DNA), C en G bepalen de volgorde en worden door ribosomen gelezen in codons van drie nucleotiden. Elk codon correspondeert met een aminozuur. De ribosomen lezen de genetische code af en vormen naar gelang de codons voorbijschuiven een keten van aminozuren, ofwel een proteïne. Een recente studie toont aan dat deze code voor elk aminozuur bepaald wordt door een bijzonder hoge affiniteit van het specifieke aminozuur voor het corresponderende codon. Dit proces baseerde zich uitsluitend op eenvoudige chemische mechanismen. De code die Luca kenmerkte geldt nu nog voor al het leven, van dinosaurus tot gist, van plant tot mens.

De vraag die tot nu toe open bleef is hoe Ida lange ketens van RNA kon vormen vanaf

cgmp

Van internet: cyclisch GMP: de fosfaatgroep vormt

een ring met het suiker

losse nucleotiden. Al lang wordt er gesproken van een ‘missing link’: een catalysator die van nucleotiden een keten van RNA kan vormen. En hier komt het onderzoek van de groep van Ernesto Di Mauro naar voren. Hij toont aan dat cyclische nucleotiden, die chemische varianten zijn van nucleotiden, zonder catalysator in warm water (van 40°C tot 90°C) RNA-strengen kunnen vormen. Cyclische nucleotiden kunnen net zo makkelijk in een primordiale omgeving voorkomen als gewone nucleotiden.

Deze reacties konden zich voordoen in de hete thermale bronnen of beter in de rustig bubbelende alkalische bronnen op de bodem van de oceaan. (Zie een voorgaand blog). Daar bestaat geen experimenteel bewijs voor, maar recentelijk ontdekte eigenschappen van de bronnen tonen aan dat er kleine ‘microcellen’ in de structuur van deze bronnen bestaan die een micro-omgeving creëren waar zich deze chemische reacties afgespeeld kunnen hebben. Het RNA vormde zich, kopieerde zich, codeerde voor aminozuren en vanaf dat moment nam het leven haar aanloop.

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers liken dit: