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

Darwin Day 2014 in Venetië

Darwin Day 2014; de dia met de genoomgrootte van de ui

Voor deze dag was mooi weer voorspeld en laag water. Het was daardoor een aanlokkelijk vooruitzicht om weer eens naar Venetië te gaan. De lezingen van de Darwin Day werden georganiseerd door de ‘Unione degli Atei e degli Agnostici Razionalisti’ en zouden om kwart over tien beginnen dus dat was rennen richting La Fenice alwaar de Aula Magna van het ‘Ateneo Veneto’ zich tegenover bevindt. De inleiding heb ik gemist, maar begreep later dat de zaal voornamelijk gevuld was met scholieren van de middelbare school.

De volgende overdenkingen betreffen de eerste lezing over het menselijk genoom en het junk DNA. Wat opviel was dat er allereerst gesproken werd over het enorme genoom van de ui. Dit als inleiding naar de geschiedenis van het project ENCODE dat de functionaliteit van het junk DNA onder de loep genomen heeft. De hele lezing was vervolgens gegrond op de bevindingen van ENCODE welk project aangetoond zou hebben dat junk DNA wel degelijk een functie heeft. Ongeveer 80 % van het genoom zou volgens die bevindingen een functie hebben in tegenstelling tot de veronderstelde 1,5 % die gevormd worden door genen, het zogenoemde codificerende deel.

Het project ENCODE bekeek de aanwezigheid van proteïnen op het DNA (transcriptiefactoren), de afgeschreven RNA’s en gemethyleerd DNA. De overvloedige binding van transcriptiefactoren aan het DNA van het zogenaamde junk DNA zou betekenen dat daar transcriptie plaatsvindt. Er werd ook een myriade aan RNA van verschillende lengten gevonden in de cellen. De lezing baseerde zich helemaal op de vondst van deze RNA’s en ging uit van het feit dat deze ook een functie hebben. Zo werd er bijvoorbeeld gesproken over het feit dat lange transcripten (lncRNA’s) de kortere (miRNA’s, siRNA’s, piRNA’s en snoRNA’s) die allemaal een eigen specifieke functie hebben, kan sekwestreren en daarmee een belangrijke regulerende werking kan hebben op de expressie van DNA. Er werd aangegeven hoe belangrijk RNA wel niet is en dat men eigenlijk tegenwoordig niet meer zomaar kan stellen dat onze kenmerken bepaald worden door DNA alleen. De uitdrukking ‘het zit in mijn genen’ zou daarom niet meer gebruikt moeten worden.

Een punt dat niet behandeld werd daarentegen was de binding van transcriptiefactoren. Transcriptiefactoren binden zich aan het DNA daar waar transcriptie gestart moet worden. Als er inderdaad zo’n grote hoeveelheid aan RNA’s afgeschreven wordt dan wordt dit veroorzaakt door deze transcriptiefactoren. Direct na de publicatie van ENCODE waren er bijzonder veel sceptici die niet konden accepteren dat bijna al het junk ineens geen junk meer was. Een argument was dat transcriptiefactoren ook aspecifiek kunnen binden en dat er een soort ruis bestaat omdat deze eiwitten ‘plakkerig’ zijn. Over dit onderwerp verscheen hier een eerder blog. Daarin legt Mike White haarfijn uit dat het er in cellen wellicht heel rommelig aan toe gaat.

De vraag bleef hangen: hoe kan het genoom van de ui zoveel junk bevatten en dat van de mens die zoveel complexer is zoveel minder. Hoe kan het dan toch een functie hebben? Omdat de hele lezing er van uitging dat de bevindingen van ENCODE correct waren heb ik deze vraag niet gesteld. Er waren geen vragen na afloop.

Junk DNA en de uientest

Dit blogbericht werd voorafgegaan door vier (1, 2, 3, 4) blogberichten over ENCODE: de encyclopedie van DNA-elementen, waarin aan zeker 80% van het DNA een functie toebedeeld werd. Er ontstond veel ophef over dit hoge percentage en het bleek dat ‘functioneel’ een erg ruim begrip was. De belangrijkste groep functionele elementen zijn natuurlijk allereerst de genen die als RNA afgelezen worden en vervolgens vertaald worden in proteïnen. Een andere groep was het DNA dat als RNA afgelezen werd maar dat niet voor proteïnen codeerde. Een derde groep waren de DNA sequenties die min of meer specifiek gebonden werden door transcriptiefactoren. Ook in het geval van een zwakke en aspecifieke binding werd er gesproken van functionele elementen. De rest, 20%, bestond uit junk DNA, dat voornamelijk gevormd werd door transposons en pseudogenen ofwel inactieve overblijfselen van virussen.

Dit is de situatie zoals die door ENCODE voorgesteld werd met de publicatie van de resultaten op 5 september van dit jaar. Voor die tijd wist men dat het functionele DNA bestond uit coderende genen en genen die RNA produceerden dat een mogelijke rol had in de regulering van de transcriptie zelf en in andere regulerende processen. In de tijd die voorafging aan ENCODE besloeg het functionele DNA iets meer dan de hoeveelheid coderende genen. Zonder dat daar ooit precies onderzoek naar gedaan was ging men er van uit dat veel DNA, tenminste zo’n 90 % junk was in plaats van de 20% die er met ENCODE overbleven.

Genoomgrootte. Let op de enorme afmetingen bij planten en amfibien.

Er werd door veel wetenschappers geprotesteerd tegen dit hoge percentage functioneel DNA maar vooral tegen dit lage percentage junk DNA. Ewan Birney, een van de leiders van het project ENCODE, werd aangeraden de ‘onion test‘ te heroverwegen. In de ‘onion test’ wordt er herinnerd aan het feit dat er organismen zijn die een genoom bezitten dat veel groter is dan het onze, zoals de ui of de salamander die een genoom hebben dat wel 10 tot 20 keer groter is. Dit zijn niet bijzonder complexe organismen waardoor het onduidelijk is wat deze met zo’n groot genoom doen. Dit verschil wordt des te moeilijker te verklaren wanneer het grootste deel van dit DNA functioneel zou zijn. Alleen met het uitgangspunt dat het grootste deel van het genoom hoe dan ook junk is, wordt het functionele gedeelte van het DNA vergelijkbaar tussen de verschillende soorten organismen. Het genoom moet dus wel voornamelijk uit junk bestaan. Alleen in dat geval is het functionele deel ongeveer van dezelfde afmeting in alle soorten organismen.

Dit is eigenlijk een ander argument dan dat van de uitvinder van de ‘onion test’ Ryan Gregory zelf die het probleem als volgt stelde: “Can I explain why an onion needs about five times more non-coding DNA for this function than a human?” als vraag aan degene die dacht een functie gevonden te hebben voor junk DNA. Een erg goede vraag omdat je zoiets zeker nooit verklaren kunt hetgeen betekent dat het grootste deel van het genoom wel junk moet zijn.

Uit: The Curious Wavefunction

Vandaag werd bekend dat de Nobelprijs geneeskunde gegaan is naar John Gurdon en Shinya Yamanaka voor hun onderzoek op stamcellen. Er staan twee uitgebreide artikelen in de Volkskrant en in de NRC. Wie nog meer wil weten over details van het onderzoek van Yamanaka kan mijn blog over de problemen met zijn methode in verband met epigenetische factoren hier lezen en er een mooi filmpje bekijken over het belang van deze methode.

 

 

Hype in de media en blogsfeer

Het ENCODE project, de twee weken geleden gepubliceerde encyclopedie van DNA-elementen, is op het moment een belangrijk onderwerp binnen de wetenschap in Amerika. Tot aan de publicatie van ENCODE ging men er van uit dat ons DNA voor zo’n 1,5% uit coderend DNA bestaat en dat het voor de rest junk is. Nu er zoveel discussie is rond junk DNA wordt dit allemaal erg genuanceerd. Men wist immers allang dat het junk DNA ook functioneel is en dat het regulerende sequenties bevatte, maar soms blijft het onduidlijk wat er nu precies onder junk DNA werd en wordt verstaan. Soms wordt junk DNA gelijk gesteld met niet-coderend DNA en zou het dus 98,5 % van ons genoom zijn. Veel wetenschappers beweren echter dat ze heel goed wisten dat het zogeheten junk DNA functies had en dat het daarbij vaak om regulerende functies gaat. Volgens een tabel van Larry Moran uit 2011 is 8,7% van het junk DNA essentieel ofwel functioneel (wat volgens hem hetzelfde is) waarbij regulerende sequenties voor 0,6% deel uitmaken van het junk DNA. Hij beschouwt junk DNA dus als niet coderend DNA waarvan 8.7% toch een functie heeft en/of essentieel is.

Enkele tweets van Larry Moran waarin hij anderen vraagt om hun opninie ten aanzien van junk DNA

Het ENCODE project, ofwel het project dat de encyclopedie van DNA-elementen in kaart heeft gebracht, liet volgens zijn auteurs zien dat het junk DNA (98,5% van het totale genoom) voor 80% uit functionele DNA-elementen bestaat. (Slechts 1,5% van het genoom bestaat uit genen en codeert voor eiwitten.) Daarop volgde een enorme mediahype. Volgens de pers zouden wetenschappers dit junk DNA altijd als ‘rommel’ beschouwd hebben en de belangrijke functies die het nu blijkt te hebben over het hoofd hebben gezien. Vervolgens kwamen natuurlijk de reacties van wetenschappers waarvan er veel een eigen blog bijhouden. Deze laatsten beweerden dat junk nooit beschouwd is geweest als DNA zonder enige functie ondanks de ongelukkige naam die het ooit ontving. De wetenschapsbloggers stellen dat het junk DNA vast en zeker regulerende functies heeft, maar kunnen de juiste definitie niet vinden en komen dus op verschillende getallen ‘functioneel’ junk DNA uit, van 8,7 tot 20 %.

Het is verrassend te zien hoe zowel de media als de wetenschap een foute voorstelling van zaken geeft. De media hypet dat de wetenschap 98,5 % van het genoom als onnuttig junk beschouwde terwijl het nu voor 80% functioneel blijkt te zijn. Dit argument klopt natuurlijk niet, want diezelfde wetenschap is gaan zoeken naar de mogelijke functies in het junk DNA. Ze moesten dus al een redelijk gefundeerd vermoeden hebben dat er heel wat functies verborgen lagen in dit DNA. Anders zouden ze niet voor meer dan 5 jaar bezig geweest zijn met deze zoektocht.

De wetenschap (de meeste wetenschapsbloggers) daarentegen beweert dat het het junk altijd al functies toedichtte, maar kan niet verder komen dan 20% functioneel DNA en als het aan Larry Moran ligt slechts tot 8,7%. De wetenschappers kunnen dus moeilijk afscheid nemen van hun geliefde junk DNA. Ze houden daarbij zoveel mogelijk vast aan het idee dat tenminste 50-60 % van het DNA junk is. ENCODE laat echter zien dat 80% van het DNA ‘functioneel’ is. Wat er onder ‘functioneel’ verstaan wordt is duidelijk aangegeven. (Zie figuur in mijn 1e en 2e blogbericht over ENCODE). Het is schijnbaar niet mogelijk om junk DNA en ‘functioneel’ DNA met woorden te definiëren. Men is uitsluitend in staat lijsten van functionele en niet-functionele soorten sequenties te produceren.

Het gaat in ENCODE grotendeels om sequenties in het DNA die een regulerende functie hebben, zoals DNA dat transcriptiefactoren bindt en de expressie van genen beïnvloedt. Het valt op hoe weinig er geblogd wordt over de exacte resultaten van ENCODE.

Het zou misschien geen kwaad kunnen junk DNA eens en voor altijd goed te definiëren. Gaat het om DNA dat niet essentieel is (kun je het weghalen zonder dat het organisme er schade van ondervindt ?), is het wel of niet geconserveerd (heeft het de tand des tijds niet doorstaan en heeft het dus geen belangrijke functie) of is het niet ‘functioneel’. Aan dat laatste moeten duidelijke criteria gesteld worden.

Larry Moran, een wetenschapsblogger, heeft naar eigen zeggen een duidelijk idee van wat junk DNA is. Andere wetenschappers snappen het volgens hem niet en realiseren zich het belang van junk DNA binnen de evolutietheorie niet. Hij houdt vol dat wanneer wetenschappers verwachten dat junk een functie heeft, ze deze verwachting hebben omdat het junk nog steeds aanwezig is na miljoenen jaren evolutie. Hun overtuiging en zoektocht naar een functie voor junk DNA zou dus alleen bestaan als gevolg van deze misvatting. Hij schijnt niet de hierboven beschreven reden te kunnen omvatten dat een groot deel van het junk nu eenmaal een functie moét hebben aangezien de regulerende sequenties niet bij de coderende 1,5% zijn inbegrepen. Hij geeft in zijn tabel aan dat regulerende sequenties 0,6% van het junk vormen en dat is wel heel wat minder dan 80%. Larry Moran is momenteel een van de weinig overgebleven bloggers die zich inzet voor ‘het behoud’ van junk DNA. Ik denk dat hij zijn definitie van junk DNA duidelijker moet stellen en dat hij de percentages zal moeten bijstellen. We zullen zien of hij dat vroeg of laat ook zal doen.

Een rol voor junk DNA

De twee voorgaande blogberichten (1, 2) gaan over het project ENCODE. Deze Encyclopedie van DNA-elementen, die afgelopen week vrijkwam, laat zien dat het DNA dat tot dan toe als ‘junk’ werd beschouwd toch voor een bijzonder groot deel ‘functioneel’ is. Men had het over paradigm-shift en Kuhniaanse revoluties, maar langzaamaan worden de resultaten van het onderzoek wat gerelativeerd. Er zijn nog steeds kranten die het nieuws op sensationele wijze brengen, maar de blogs van de verschillende geïnteresseerde wetenschappers laten zien dat het een kwestie is van goed definiëren wat ‘junk’ is en wat er onder ‘functioneel’ verstaan moet worden.

Een artistieke weergave van junk DNA

Het DNA van ons genoom bevat circa 1,5% genen die voor eiwitten coderen. De rest van het DNA (98,5%) werd door sommigen als ‘junk’ bestempeld en gezien als DNA zonder enige rol of functie. Toch wist men dat het zogenaamde ‘junk’ DNA veel sequenties bevatten die belangrijk zijn voor de regulatie van de expressie van de genen. Het ‘junk’ DNA omvat dus eigenlijk minder dan 98,5% van het totale genoom. Eigenlijk moet er gesproken worden van 98,5% niet-coderend DNA dat bestaat uit regulerende sequenties, junk DNA en DNA met onbekende functie. Junk DNA is daarom niet synoniem aan niet-coderend DNA.
ENCODE liet zien dat 80 % van ons DNA bestaat uit ‘functionele’ elementen. Het echte junk DNA zou dan slechts 20 % zijn. Voor velen kwam deze verschuiving van 1,5%-98,5% naar 80%-20% als een harde klap. Maar de meeste wetenschappers realiseerden zich dat de definitie van ‘functionele’ elementen wel erg breed is. Alles dat ‘biochemisch’ actief is wordt er toe gerekend. Strikt genomen zou dan het hele genoom ofwel 100% functioneel kunnen zijn, aangezien al het DNA tijdens replicatie door polymerasen ‘gelezen’ wordt. Transposons, die zelf repliceren en zich verplaatsen in het genoom, behoren tot het ‘junk’ DNA, maar kunnen wel als functioneel gezien worden zodra zij terecht komen in een actief gen. Eigenlijk is het experiment ENCODE niet goed opgezet. Er bestaat namelijk geen nulhypothese. Men zou kunstmatig DNA ter grootte van een chromosoom moeten creëren waarvan de sequentie random is en dit onderwerpen aan het ENCODE experiment. Het spreekt vanzelf dat er dan altijd wel ergens een sequentie bestaat die een regulerende functie lijkt te hebben omdat transcriptiefactoren zich daar aan het DNA binden.

Nu zou de definitie van ‘junk’ DNA kunnen zijn, ‘niet-functioneel, ‘zonder rol, of ‘niet essentieel’. Dat laatste zou betekenen dat ‘junk’ DNA zomaar weggelaten of weggehaald kan worden, zonder dat het organisme daar fenotypisch door verandert. Het is op dit punt van belang zich te realiseren dat er organismen zijn met een genoom dat qua grootte 3 keer dat van ons mensen is. Een voorbeeld is de ui. Deze plant heeft een enorme hoeveelheid DNA. Zou ook de ui door een project als ENCODE onderzocht moeten worden en zou dan ook blijken dat er ‘slechts’ 20% junk is ?. Het is daarom niet juist te spreken van de ‘Onion Test’ die alleen maar kijkt naar de enorme hoeveelheid DNA en niet naar het percentage junk. Een ander organisme is de kogelvis. Dit dier heeft een bijzonder klein genoom en daarom ook erg weinig ‘junk’ DNA. Dit dier wordt gezien als het bewijs voor het feit dat ‘junk’ nauwelijks of geen rol zou hebben. Helaas kan ik hier, net als voor de ui, niet bepalen of er gekeken wordt naar het percentage ‘junk’ DNA.
Toch is het mogelijk een belangrijke rol en wellicht zelfs een functie aan het junk DNA te verbinden. Het zou een mechanische rol kunnen hebben in de stabilisatie van de driedimensionale structuur van de chromosomen. Het zou de dynamica van het transcriptie-proces kunnen beïnvloeden. De transcriptie van genen kan immers langer duren als er zich een transposon in bevindt. Het is ook mogelijk dat ‘junk’ als eiwitbindend DNA beschouwd moet worden. Het onttrekt eiwitten aan de rest van het DNA. Zou je dit junk weghalen dan zouden deze transcriptiefactoren zich in hoge concentratie op het overgebleven ‘functionele’ DNA werpen. In embryo’s van fruitvliegjes is het mogelijk een mechanisme te bespeuren waarin ‘junk’ DNA de transcriptieduur van bepaalde genen bepaalt.
Dat er gezonde organismen als de kogelvis zijn die vrijwel zonder ‘junk’ DNA kunnen leven is op zich niet verrassend. Ze bezitten een mechanisme waarmee inserties van transposons meteen weggeknipt worden. Het ontstaan van nieuwe kopieën van transposons wordt precies gecompenseerd door dit mechanisme waardoor er geen extra ‘junk’ DNA gevormd wordt. Het spreekt vanzelf dat dit organisme geëvolueerd is met deze eigenschappen en dat die kleine hoeveelheid junk DNA een kenmerk is van deze vis. Maar ook hier zou men zich kunnen afvragen wat het percentage van ‘junk’ DNA in de vis eigenlijk precies is volgens de normen van ENCODE.
Het zal nog wel even duren voordat het genoom van de ui en de kogelvis precies ontleed wordt. Ondertussen gaat de discussie over het project ENCODE voort met elke dag wel een nieuwe update van een blogger ergens uit de blogosfeer.

Uit: Sean Eddy’s blog and the Onion test.

h/t  to 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

Van sequentie naar functie

Sinds zo’n 10 jaar wordt er gewerkt aan een project om alle functies van het DNA in kaart te brengen. Dit project, ENCODE genaamd, is nu klaar en is twee dagen geleden op 5 september 2012 gepubliceerd. Het gaat om een dertigtal publicaties verspreid over drie verschillende tijdschriften waaronder Nature.
Misschien is men meer bekend met het Menselijke Genoom Project dat in 2003 voltooid werd en waarin de hele sequentie van ons DNA ontcijferd is. Wetenschappers verwachtten toen erg veel van de resultaten en hoopten meer te ontdekken over genen en bijbehorende functies en ziekten. Van dat laatste was nauwelijks sprake. Het ENCODE project daarentegen zou meer kunnen betekenen in die zin, maar men is dit keer erg voorzichtig zich daar over uit te laten.
Het project ENCODE dat staat voor Encyclopedie van DNA-elementen vormt een beschrijving en definitie van al deze elementen. Tot deze functionele elementen wordt een bijzonder grote hoeveelheid biochemische functies gerekend en het percentage van het genoom dat biochemisch ‘actief’ is blijkt volgens deze criteria wel 80% te bedragen, terwijl men voorheen slechts 1% van het genoom als ‘actief’ beschouwde. De rest werd beschouwd als junk DNA. Er wordt daarom binnen de wetenschap de laatste twee dagen nergens anders over gepraat en heen en weer geblogd.

Deze 1% van het genoom is het gedeelte dat voor eiwitten codeert. Men wist al sinds geruime tijd dat veel sequenties uit het zogenaamde junk-DNA (de resterende 99%) bepaalde functies hadden, vooral wat betreft de regulering van transcriptie. Dat het percentage functioneel DNA hoger zou uitvallen is dus niet verrassend. Maar dat het wel 80% blijkt te zijn is voor veel wetenschappers een enorm probleem. Of de definitie van functioneel DNA is niet correct of men moet het hele paradigma van junk-DNA herzien. Alsof dit nog niet genoeg was zou het volgens de auteurs nog best meer dan 80% kunnen zijn, want de gescreende celtypen zijn er 147 terwijl de mens er wel duizend heeft. In elk celtype zijn andere genen actief dus dat zou kunnen betekenen dat het naar de 100% gaat. Vooralsnog is er nog niet veel te horen uit de creationisten-hoek. Zij zouden graag zien dat elke base in het genoom een functie had, omdat dat zou aantonen dat het om goddelijk ingrijpen gaat of om Intelligent Design.

Een duidelijke weergave van alle functionele elementen in het genoom. Uit Nature.

Veel wetenschappers zijn bijzonder sceptisch ten aanzien van de functie van de verschillende elementen. In het bijzonder het feit dat alle transcripten tot functionele elementen gerekend worden, terwijl men weet dat veel RNA in de cel geen specifieke rol heeft en bijproducten zijn van knip- en plakwerk van RNA.
Er wordt momenteel voornamelijk gediscussieerd over wat de term ‘functioneel’ zou moeten inhouden. Ondanks al deze kritiek is het wel duidelijk dat er tot nu toe vele functies over het hoofd gezien zijn. Ewan Birney, de coördinator van de studie geeft aan dat 8% van het genoom actieve sites vormt waar DNA gebonden wordt door regulerende eiwitten. Samen met 1% van coderend DNA kom je uit op 9%. Aangezien de celtypen niet allemaal vertegenwoordigd zijn denkt hij dat alleen dit soort elementen rond de 19% kan vertegenwoordigen bij een complete screening van alle celtypen. Zou je dus alleen dit element als functioneel beschouwen, samen met de voor eiwit coderende DNA-elementen, dan kom je met 20% al een heel eind, ook al is het dan geen 80%. Het is duidelijk dat de hoeveelheid ‘functioneel DNA’ afhangt van wat je precies verstaat onder ‘biochemische activiteit.’ De figuur laat alle elementen in de cel zien die als functioneel beschouwd worden.

Er kan hier meer over gelezen worden:

Nature main article; Nature News and Views; Natureblog; Ed Yong; Ewan Birney

De discussie is voorlopig nog niet gesloten en dit bericht zal voortdurend geupdate worden.

Update: 7/9/2012: Soapbox Science

ENCODE details (The finch & pea of Mike White)

8/9/2012 Wikipedia is aangepast.

Kritiek van Larry Morgan op David Ropeik