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

Over de evolutie van de genetische code

Tot nu toe gingen mijn blogs vaak over de abiogenesis, ofwel het ontstaan van de eerste macromoleculen (DNA, RNA en eiwitten) uit de beschikbare moleculen in de ‘primordiale soep’. Daarbij springt vooral het werk van Ernesto Di Mauro (1, 2) in het oog, die liet zien dat zich in water zonder katalyserende enzymen spontaan lange ketens van nucleotiden (ofwel basen) kunnen vormen. In zijn experimenten ging het om heel eenvoudige ketens van maar één van de vier basen.

De genetische code: A, G, C en U zijn de vier basen van het RNA die de drieletterig code vormen voor de aminozuren (aangegeven met kleine letters)

Nucleotiden ofwel basen zijn de letters van het DNA en het RNA. DNA kent iedereen als de moleculen waarin onze genen opgeslagen liggen. De genen worden gelezen en zo wordt er in de celkern mRNA van gemaakt dat een bijna exacte kopie is van het DNA. Het DNA en het RNA bestaan uit vier verschillende letters (A, G, C en T of U). Bij de productie van eiwitten, wordt het mRNA afgelezen waarbij de letters in groepjes van drie worden herkend door het transferRNA ofwel het tRNA. Die groepjes van drie zijn de codons. Deze zijn complementair aan een tRNA dat een specifiek aminozuur draagt. Aangezien we vier ‘letters’ hebben die zich in groepjes van drie kunnen combineren, bestaan er 4^3 = 64 verschillende codons. De eiwitten, die uit ketens van aminozuren bestaan, zijn uit slechts 20 verschillende aminozuren opgebouwd. In de tabel zijn de codons met hun corresponderende aminozuren te zien; dit is de genetische code. Het blijkt dat de code voor elk aminozuur voornamelijk bepaald wordt door de eerste twee letters. De derde is vaak irrelevant. Deze derde positie wordt ook wel de Wobble positie genoemd en de code zelf is zogezegd gedegenereerd. Het gangbare idee is dat de oorspronkelijke primordiale code slechts uit twee nucleotiden bestond en dat daar vervolgens een code van drie basen uit ontstaan is.

Fig. 1 Translatie: Het tRNA hecht zich met het anti-codon aan het codon van het mRNA (groen). Het gedragen aminozuur wordt vastgehecht aan de groeiende peptide.

Een belangrijke rol heeft het tRNA. Dit tRNA heeft een arm waarvan het uiteinde van de lus complementair is aan het codon van het mRNA. Het tRNA, dat een specifiek aminozuur draagt, hecht zich met zijn anti-codon aan het mRNA zodra ‘zijn’ codon aan de beurt is om vertaald te worden (zie fig. 1). Het aminozuur hecht zich aan de keten aminozuren en is daarmee deel van het groeiende eiwit. De code is gedegenereerd wat betekent dat er verschillende tRNA’s zijn die hetzelfde aminozuur dragen.

De allerbelangrijkste speler is wel de synthase van het tRNA. Dit enzym is verantwoordelijk voor de juiste koppeling van een tRNA aan het bijbehorende aminozuur (zie fig.2) . Het is de ware tweetalige protagonist die de brug legt tussen de vier lettercode van het DNA/RNA en de twintig lettercode van de eiwitten. Hier is een filmpje te zien van hoe dat in zijn werk gaat. Een kant van het enzym leest het anti-codon en de andere kant hecht het juiste aminozuur aan het andere uiteinde van het tRNA. Elk aminozuur heeft zijn eigen tRNA-synthase.

Fig. 2. tRNA synthase (geel), tRNA (rood)

Er bestaan twee groepen tRNA-synthase. Elke groep bestaat uit 10 enzymen. De twee groepen verschillen van elkaar voor wat betreft hun actieve site, hun sequentie, en de plek waar het aminozuur vastgemaakt wordt. Op dezelfde manier kunnen de aminozuren in twee groepen verdeeld worden. Dit heeft geleid tot het idee dat de twee groepen apart van elkaar geëvolueerd zijn of zelfs na elkaar. Het zou kunnen dat er ooit twee codes naast elkaar bestonden en dat deze twee zich samengevoegd hebben. Het zou ook kunnen dat er in eerste instantie heel eenvoudige eiwitten bestaan hebben van slechts 10 aminozuren (groep II) in plaats van 20. Studies van sterk geconserveerde sequenties, die dus erg oud zijn, tonen aan dat deze voornamelijk uit groep II-aminozuren zijn opgebouwd. Deze primordiale verdubbeling van de genetische code laat zien dat de code niet eenvoudigweg een ‘bevroren toeval’ is zoals Crick beweerde, maar wel degelijk een optimale code is.

Uit: Apoorva Patel (2004); Woese et al. (2000); José et al. (2009)

Onheilsprofeten in de wetenschap

Na 5oo miljoen jaar van evolutie zijn de planten en dieren veel complexer geworden dan hun eencellige voorouders. Deze complexiteit heeft, zo blijkt, ook kosten en zou de huidige soorten weleens kunnen verzwakken. We zijn geneigd te denken dat evolutie steeds beter aangepaste organismen voortbrengt die daardoor ook een grotere ‘fitness’ hebben. Onderzoekers tonen aan dat de toekomst er weleens heel anders uit kan zien.

Evolutie van organismen wordt gedreven door natuurlijke selectie en ‘genetic drift’. Bij natuurlijke selectie gaat het om organismen met een grotere ‘fitness’ die hun genen doorgeven aan de volgende generatie die daardoor nog ‘fitter’ wordt. Evolutie kan daarentegen ook plaatsvinden door ‘genetic drift’, d.w.z. een mutatie wordt doorgegeven aan het nageslacht niet via natuurlijke selectie maar via willekeur. Een schadelijke of nadelige mutatie kan zich zo verspreiden in de genenpool van een populatie en wordt niet weggeselecteerd door natuurlijke selectie. Genetische drift is vooral van toepassing op kleine populaties. Ook al zijn wij mensen met 7 miljard individuen en bijna teveel voor de planeet, we zijn toch een relatief kleine populatie vergeleken met micro-organismen waarvan er miljarden in een vijver passen. Genetische drift is dus ook op ons van toepassing.

fout opgevouwen prion

Eiwitten hebben vele functies in de cel. Zo vormen ze enzymen, structurele eiwitten of kanalen in de celwand bijvoorbeeld. Het goed functioneren van de eiwitten hangt af van zowel hun sequentie van aminozuren waaruit ze opgebouwd zijn als van hoe ze opgevouwen zijn ofwel van hun vorm. De hypothese van de studie is dat eiwitten vanwege genetische drift onstabiel kunnen raken, hun vorm gedeeltelijk verliezen, waarbij ze blootgesteld worden aan het omliggende water. Om dit te vermijden ontstaan er complexen met andere eiwitten waardoor er grote eiwitaggregaten kunnen ontstaan. Deze worden dan op hun beurt geselecteerd door natuurlijke selectie. Op deze manier ontstaat complexiteit binnen de cellen van organismen wat veel nieuwe mogelijkheden geeft voor het ontstaan van nieuwe functies. De eiwitten die door genetische drift onstabiel worden, wat normaal gesproken nadelig is, vormen eigenlijk een weg naar complexiteit.

Het gevaar dat de onderzoekers nu zien is dat door genetische drift en de daaruit voortkomende toename van instabiele eiwitten er steeds meer ziekten als die van Parkinson, Alzheimer en Creuzfeldt-Jakob zullen ontstaan aangezien dit allemaal ziekten zijn waarbij de eiwitten hun oorspronkelijke vorm verliezen, zich ophopen, andere eiwitten aanzetten hetzelfde te doen met als gevolg een complete blokkade van de celfunctie. Ze verwachten daarom dat genetische drift de stabiliteit van onze eiwitten aantast en ons een ziekelijke soort zal maken.

Uit: NatureNews.

Plaatje van internet.

Transcriptie, translatie en ruimteschepen (VK-blog)

Omdat het waarschijnlijk is dat het Vkblog per 1 Maart gaat sluiten heb ik op WordPress een nieuw bericht geplaatst. Het kan hier gelezen worden.

Met vriendelijke groet,

Transcriptie, translatie en ruimteschepen

Dit filmpje laat het centrale dogma zien: de transcriptie van DNA naar RNA en de translatie van RNA naar eiwitten. Het DNA in de celkern vormt de mal voor de aanmaak van messenger RNA of mRNA. Dit mRNA verlaat de celkern en migreert naar het cytoplasma. Hier vindt de translatie plaats: het mRNA wordt door de ribosomen gelezen en vertaald in eiwitten. De transfer RNA’s of tRNA’s die een aminozuur bij zich dragen gaan het ribosoom binnen waar hun aminozuur wordt toegevoegd aan de groeiende polypeptide. Het zo ontstane eiwit neemt zijn driedimensionale structuur aan, wordt uiteindelijk losgekoppeld en vervoerd naar zijn bestemming. (Zet eventueel het geluid uit.) Het stukje over splicing is erg mooi gedaan.

Het filmpje is gemaakt door Japanners die ook in Nature publiceerden over transcriptie. De enzymen die werkzaam zijn in de verschillende processen zien er uit als ruimteschepen. Het is een totaal andere weergave dan die we gewend zijn te zien.

De aanhangers van Intelligent Design, die in het leven een ontwerper zien, zullen nu zeggen dat dit inderdaad lijkt op machines, de voorstelling die zij hebben van de levende materie.

DNA-eiwit hybride repliceert in vitro

Er wordt veel onderzoek gedaan naar de spontane vorming van moleculen die essentieel zijn voor het ontstaan van leven. Zo heeft het Miller-Urey experiment aangetoond dat alle 22 aminozuren, bouwstenen van eiwitten ofwel proteinen, in een zogenaamde oersoep, bij bepaalde temperatuur en met electrische ontlading, zich spontaan kunnen vormen uit eenvoudige moleculen als waterdamp, ammoniak, methaan en waterstof. Het ontstaan van nucleotiden daarentegen, de bouwstenen van DNA en RNA, heeft nooit op analoge wijze aangetoond kunnen worden, ook al is er een recent onderzoek dat laat zien hoe deze moleculen zich wel spontaan kunnen vormen onder specifieke omstandigheden (zie ook voorgaand blog: De spontane vorming van nucleotiden)

Al het leven wat we kennen is gebaseerd op de replicatie van DNA, de transcriptie van RNA en de translatie van RNA in eiwitten met behulp van enzymen (catalyserende eiwitten of proteinen). Eiwitten, ofwel diezelfde enzymen, komen voort uit de translatie van RNA. Om die reden blijft de vraag bestaan wat er nu eerder was; de eiwitten of RNA/DNA. Sinds vele jaren is de hypothese van een ‘RNA-wereld’ populair, omdat het RNA zowel de genetische code kan bewaren, voor eiwitten kan coderen, als reacties kan catalyseren (zie ook voorgaand blog Het ribosoom: van een RNA- naar een eiwitwereld).

Veel onderzoeken die trachten te achterhalen welke van deze moleculen er eerst waren, werken met vereenvoudigde dna-moleculen. in een onderzoek, dat 12 juni in science gepubliceerd is, laten onderzoekers zien dat de ruggegraat van DNA, die normaal opgebouwd is uit fosfaten en suikers (zie afbeelding), met een dimeer van aminozuren vervangen kan worden. Dit hybride, opgebouwd uit een base en twee aminozuren, kan een soort van streng vormen die zich bindt met echt DNA en daar ook de complementaire code van weerspiegelt. Er zijn vier verschillende basen in het DNA, die door hun volgorde de genetische code bepalen. Deze basen die als met ‘klitteband’ bevestigd zijn aan een cysteine-residu (dat een aminozuur is), kunnen makkelijk veranderd worden terwijl ze een complementaire streng aan het vormen zijn met echt DNA. Deze streng kan ook de complementaire code bepalen van een nieuw hybride-streng, hetgeen aantoont dat deze moleculen zelfreplicerend zijn.

De oorsprong van het leven: lezing

John Maynard Smith (1920-2004) was een Engelse evolutiebioloog en geneticus, en vertelt in de volgende lezing eigenlijk alles wat je over evolutie zou moeten weten. Dit Royal Institution Discourse uit 1995 duurt ongeveer een uur.

Ten eerste definieert hij wat leven is en legt de nadruk op het feit dat informatie erfelijk moet zijn. Daarna legt hij uit hoe het leven heeft kunnen ontstaan en spreekt over het eeuwige ‘kip en ei’-probleem: wat was er nu eerst; de proteïnen (eiwitten) of het RNA dat voor de proteïnen codeert. Hij belicht dan de grote rol die ribozymen mogelijk hebben gespeeld. Ribozymen zijn RNA-moleculen die ook kunnen functioneren als enzymen (zie ook voorgaande blog). Gewoonlijk zijn enzymen proteïnen (eiwitten), maar dit oer-RNA kon dus zowel informatie vasthouden als translatie bewerkstelligen. Hij merkt op dat aminozuren (de bouwstenen van proteïnen) makkelijk deel uit konden maken van de oersoep (zie experiment van Urey-Miller), maar legt niet uit waar de eerste nucleotiden vandaan kwamen (de bouwstenen van DNA en RNA). Daarna zet hij uiteen wat de grote evolutionaire stappen waren die uiteindelijk de kenmerken van onze soort bepaald hebben: de evolutie van het chromosoom, van sex, taal, schrift en de uiteindelijke ‘electronische’ evolutie.

De lezing voltrekt zich binnen een echte oude britse academische sfeer, maar de ideeen zijn springlevend.
http://video.google.com/googleplayer.swf?docid=4961537793081085343&hl=it&fs=true