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.

 

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

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

Moleculaire demonen, de cognitieve eiwitten

Zoals beschreven in ‘Physics in Mind’ van Werner R. Loewenstein, waar ik de drie voorgaande blogs aan wijdde (1,2,3,), wordt er informatie doorgegeven via cognitieve demonen of eiwitten naar andere intracellulaire structuren. Dit idee is eigenlijk al best oud en werd voor het eerst duidelijk beschreven door Jacques Monod, in zijn beroemde boek ‘Toeval en onvermijdelijkheid’ (1970) in het hoofdstuk over Maxwell’s demons. Daarin beschrijft hij hoe deze cognitieve moleculen te werk gaan om tot slot te verwijzen naar Maxwell’s demons.

Maxwells demon

Voor de duidelijkheid een korte schets van Maxwell’s demons. Deze ogenschijnlijke paradox werd ontworpen door de natuurkundige James Clerk Maxwell die het bestaan van microscopische duiveltjes veronderstelde. Een dergelijk duiveltje zou in staat zijn tussen twee door een schot van elkaar gescheiden compartimenten selectief moleculen met een hoge snelheden (met hoge energie) door te laten. Deze laatsten accumuleren zodoende aan een zijde van het schot en de temperatuur van het betreffende compartiment zou daardoor rijzen ten opzichte van het compartiment met langzame deeltjes. Dit zou allemaal zonder energieverbruik gaan. Nu is dit natuurlijk onmogelijk en inderdaad Léon Brillouin en Szilard begrepen dat het duiveltje onderscheid moet kunnen maken tussen de snelle en langzame deeltje. Dit vooraf verkrijgen van informatie kost energie die in dit geval gelijk is aan de vermindering van entropie als gevolg van de differentiële selectie van de snelle en langzame moleculen. Een andere zienswijze, meer vanuit de informatica-wereld, veronderstelt dat het duiveltje elke keer gereset dient te worden om opnieuw een snel molecuul te kunnen herkennen. En ook dat kost energie. Het duiveltje gaat dus niet gratis te werk.

Dit soort demons met cognitieve eigenschappen bevinden zich in onze cellen als eiwitten die een substraat herkennen door er een stereospecifieke en niet covalente binding mee aan te gaan. Zij zijn in staat deze moleculen uit een myriade aan andere moleculen te herkennen. Ze zijn dus in staat deze moleculen te herkennen en te discrimineren. In dit verband lanceert Monod ook het concept van teleonomie. Hij stelt dat levende organismen zich onderscheiden van alle andere systemen in het universum omdat ze gekenmerkt worden door een project. Teleonomie is een typische eigenschap van globulaire eiwitten (en enkele RNA’s) die in staat zijn eiwitten te herkennen in tegenstelling tot de invariantie van het ‘dode’ DNA. Ze herkennen hun substraat, ondergaan een verandering van conformatie (vorm), laten het eventueel afgeleverde of veranderde substraat weer los en nemen hun oorspronkelijke conformatie aan door de consumptie van energie in de vorm van een chemisch potentiaal (meestal een ATP). Dit is analoog aan het resetten van Maxwells demon.

Nu is er in het boek van Loewenstein geen enkele verwijzing naar Monod en dat is op zijn minst vreemd zoniet een ernstige nalatigheid. Deze demons staan aan de basis van de teleonomie ofwel het vergaren van informatie en de verwerking daarvan – een centraal punt in het boek van Loewenstein. Zoals Monod zegt gaat het hierbij om de gelijkstelling tussen informatie en negatieve entropie. Dit is voor de demons van essentieel belang omdat zij orde creëren. Elke demon voert een programma uit waarbij deze orde creëert en energie consumeert.

Uit: Physics in Mind. A Quantum View of the Brain (2013) door Werner R. Loewenstein (2013)

Toeval en onvermijdelijkheid (1970) Jacques Monod

Het wonderlijke ribosoom

Vanmorgen was er een lezing van Ada Yonath aan de Universiteit van Padua. Zij ontving in 2009 de Nobelprijs voor Scheikunde voor haar onderzoek op het ribosoom. Haar groep bestudeerde met kristallografie de structuur van het ribosoom en ontdekte veel nieuws over de symmetrie ervan en over de gevoeligheid voor antibiotica.

 

Van internet: in de celkern vindt transcriptie plaats met vorming van mRNA. Dit migreert naar het cytoplasma waar het mRNA vertaald wordt door de ribosomen (lichtblauwe bollen langs het mRNA). De tRNA met hun anti-codon en aminozuur plaatsen zich in het ribosoom waar het aminozuur verbonden wordt met de groeiende peptide.

Het DNA bevat de genetische informatie die tijdens de transcriptie omgezet wordt in RNA (mRNA ofwel messenger RNA). Het RNA wordt door de ribosomen vertaald in eiwitten. De eiwitten vouwen zich en worden dan functioneel; ze voeren alle chemische reacties uit die de cel nodig heeft (enzymen) of vormen structurele elementen, hormonen of receptoren.

Het ribosoom zelf bestaat ook uit RNA en een aantal eiwitten.

RNA is het belangrijkste onderdeel van het ribosoom. De eiwitten die er ook deel van uitmaken hebben vaak een stabiliserende functie. Sommige eiwitten zijn sterk geconserveerd wat aangeeft dat hun functie erg belangrijk is voor de activiteit van het ribosoom. Maar het ribosomale RNA heeft op zichzelf een catalyserende functie en kan zonder hulp van deze eiwitten functioneren. Dit wordt het ribozyme genoemd. Eiwitten kunnen alleen door RNA gemaakt worden; niet door andere eiwitten.

 

De studies van Yonath en haar medewerkers laten precies zien wat de fijne structuur van het ribosoom is. Ze konden aantonen dat het ribosoom een symmetrische kern heeft. Deze kern van RNA is sterk geconserveerd en komt voor 98% overeen in alle levensvormen. Dit betekent dat deze kern een bijzonder essentiële functie heeft. Ze veronderstellen dat deze actieve site van het ribosoom door genfusie van twee gescheiden maar vergelijkbare domeinen tot stand is gekomen, waarbij elk voor de helft van de catalytische activiteit zorgde. Deze sterke conservatie geldt niet de sequentie van het RNA in deze vitale symmetrische kern, maar de driedimensionale structuur. Dit wijst erop hoe belangrijk de positie van de substraten is in de stereochemie bij de vorming van peptidebindingen.

 

Ook Yonath veronderstelt dat er ooit een RNA-wereld bestond waarin het ribozyme het eerste ‘enzyme’ was. Zij stelt wel de vraag waarom het RNA ooit begonnen is met het produceren van eiwitten.

De eiwitten die zich later bij het ribozyme voegden verhoogden er de efficiëntie en de nauwkeurigheid van. Huidige ribosomen maken 1 fout op een miljoen.

 

Hun studie heeft ook veel aan het licht gebracht over rotatie en antibiotica.

De rotatie van het tRNA (het transfer RNA dat aminozuren aanvoert die één voor één gekoppeld worden aan de peptide) binnen het ribosoom is belangrijk voor de stereochemische vorming van de peptidebinding.

Antibiotica binden aan de ribosomen van bacteriën. De ribosomen van hogere organismen hebben een andere structuur en zijn ongevoelig voor antibiotica. Door de binding van het ribosoom met antibiotica wordt de vertaling van het mRNA ofwel de eiwit-synthese stopgezet en de bacteriën sterven. Ze konden waarnemen waar de verschillende antibiotica zich precies vasthechtten en hoe ze de synthese verstoorden.

 

Ada Yonath liet ons ook het volgende filmpje zien dat gelukkig op youtube terug te vinden was. Er is een lang molecuul van mRNA te zien dat door de twee subuniteiten van het ribosoom vertaald wordt. Er wordt ingezoomd op de tRNA die met hun aminozuren het ribosoom binnenkomen, hun aminozuur afleveren en zonder aminozuur uitgestoten worden.

 

 

 

Meer informatie en prachtige afbeeldingen zijn te vinden op de website van Ada Yonath.

 

 

Terugwaartse evolutie

Een onderzoeksteam aan de Universiteit van Oregon laat zien dat moleculaire evolutie niet teruggedraaid kan worden. Ze onderzochten twee receptors voor cortisol; een voorouderlijke versie van zo’n 400 miljoen jaar geleden en een modernere versie die gedurende de daaropvolgende 40 miljoen jaar evolueerde. De mutaties, die de huidige versie zijn specifieke taak verschaften, werden gevolgd door ‘permissieve’ mutaties, die van geen belang zijn voor de functie van de receptor, maar die wel verhinderden om de huidige receptor zijn voorouderlijke functie terug te geven.

Er bestaat veel discussie rond de vraag of evolutie wel dan niet omkeerbaar zou zijn. Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat walvissen en dolfijnen niet meer terug kunnen naar het gebruik van kiewen; hun evolutionaire weg is te lang geweest om dit mogelijk te maken. Tot nu toe is het nooit mogelijk geweest de (on)omkeerbarheid van de evolutie te toetsen. De onderzoekers bestudeerden daartoe de structuur van een enkel eiwit: de glucocorticoidreceptor (GR) die zich bindt aan het hormoon cortisol, een stresshormoon dat o.a. belangrijk is voor het functioneren van het afweersysteem. GR is een eiwit en dus opgebouwd uit aminozuren. Door de volgorde van deze aminozuren te vergelijken in verschillende huidige diersoorten, zijn de onderzoekers erin geslaagd een ‘stamboom’ van dit eiwit te maken en de voorouderlijke vorm te reconstrueren.

Van het internet: protein structure

Het blijkt dat de GR zo’n 450 miljoen jaar geleden (toen de kraakbeenvissen zoals haaien zich afsplitsten van de beenvissen) zowel affiniteit had voor cortisol als aldosterone, een ander hormoon. Zo’n 40 miljoen jaar later (toen de eerste viervoeters aan land gingen), werd deze receptor specifiek voor cortisol alleen.

Gedurende die 40 miljoen jaar zijn er 37 aminozuren veranderd (door mutatie). Slechts twee veranderingen (de X mutaties) waren nodig om de functie te veranderen ofwel om specifiek te worden voor cortisol: de één zorgde dat de proteïne (het eiwit GR) zich vouwde, waardoor het zijn affiniteit voor beide hormonen verloor, en de tweede zorgde ervoor dat de receptor specifiek werd voor cortisol alleen. De onderzoekers vroegen zich af of het mogelijk was de latere vorm van GR terug te brengen in de voorouderlijke vorm waarin het zowel cortisol als aldosterone kan herkennen, door de mutaties van deze twee aminozuren terug te draaien. Ze melden dat het niet mogelijk was de ancestrale functie terug te krijgen en dat bovendien de receptor geen enkel hormoon meer herkende.

Het blijkt nu dat er van de 37 mutaties vijf zijn die zich na de twee eerder genoemde (X-mutaties) voordeden; deze waren willekeurig en hadden geen effect op de verandering in functie van de proteïne. Zodra de onderzoekers probeerden de twee hoofdmutaties terug te draaien, bleken deze vijf willekeurige mutaties verantwoordelijk voor het in elkaar storten van de structuur van de proteïne. Eerst zouden dus deze vijf mutaties omgekeerd moeten worden, maar in de werkelijke wereld bestaat er geen selectieve druk om deze mutaties terug te draaien; ze hebben immers geen effect op welk hormoon de proteïne herkent en dus geen waarde voor het functioneren van de receptor. Op neutrale mutaties wordt geen evolutionaire druk uitgeoefend.

Bronnen: New Scientist
Nu.nl
ScienceDaily