Een trade-off is gebaseerd op de beschikbaarheid van een bepaalde hoeveelheid energie. Wordt er veel energie gestoken in een parameter van het bestudeerde systeem dan kan er vanzelf niet al teveel overblijven voor een andere parameter. De term wordt veel gebruikt in economie. In een evolutionaire trade-off is er een balans tussen twee tegenstrijdige selectie-drukken. Een voorbeeld van evolutionaire trade-off is de eendagsvlieg, die in zijn volwassen reproductieve vorm geen functionerende darm heeft en maar één dag leeft. Dit komt doordat de energiebron voor onnodige voedingsapparatuur naar organen voor vliegen en voortplanting gegaan zijn. (Een voorbeeld van Richard Dawkins).
In deze blogpost wordt de mogelijke trade-off van virussen met hun host belicht. Een virus is niet meer dan een relatief korte RNA- of DNA-molecuul verpakt in een omhulsel. Laten we daarom eerst eens bekijken wat deze moleculen zijn en waartoe ze in staat zijn.
De primordiale wereld en de rol van RNA
Sommige wetenschappers veronderstellen dat pre-biologische moleculen chemische reactie-cyclussen ondergingen die zich onafhankelijk konden voltrekken. Er zouden verschillende chemische cyclussen plaatsgevonden kunnen hebben op de vroege Aarde zo rond 3,8 miljard jaar geleden. Als ze dezelfde bouwstenen gebruikt zouden hebben om hun cyclussen te voltrekken, dan moeten ze met elkaar gewedijverd hebben. De meest efficiënte cyclus zou de minder efficiënte cyclussen overvleugeld hebben. Ook bij de eerste zelf-replicerende moleculen was er dus sprake van selectie. Deze chemische evolutie ging vooraf aan de biologische evolutie.
Er is lang gedacht over welke moleculen de eerste en belangrijkste waren in deze primordiale cyclussen. Waren het DNA, RNA of proteïnen? In levende cellen is het het DNA dat de code voor proteïnen draagt die via het mRNA wordt afgelezen. In de jaren ’80 ontdekte Thomas Cech daarentegen dat RNA een soort moleculair hybride is en inderdaad ook code draagt voor proteïnen maar ook enzymatische activiteit heeft en andere moleculen kan veranderen. Maar wat vooral van belang was voor de theorie van de primordiale wereld, was dat RNA ook een loop kon maken en zijn eigen code kon bewerken zonder hulp van enzymen. De bioloog Gerald Joyce nam het RNA van Cech en liet het los op DNA. Hij kreeg natuurlijk vrijwel geen reactie, maar hij liet het evolueren (nam steeds de fractie RNA moleculen die het efficiëntste waren in het splitsen van DNA) en kreeg uiteindelijk, na twee jaar, RNA moleculen die net zo goed DNA konden splitsen als hun eigen RNA. Het bleek later dat RNA veel reacties kan voltooien en aminozuren kan binden en wordt daarom als de hoofdrolspeler gezien van de primordiale wereld ofwel de “RNA-wereld”. Het RNA kon zowel de rol van DNA als de rol van eiwitten vervullen. Met de daadwerkelijk opkomst van door RNA gecodeerde enzymen kon hetzelfde RNA nog vlugger gekopieerd worden en daarmee zijn efficiëntie verhogen. Ook het dubbelstrengs DNA zou door toevoeging en kleine veranderingen uit het enkelstrengs RNA ontstaan kunnen zijn. Het DNA is veel stabieler en heeft de functie van informatieopslag van onder andere onze genen.
Een virus is een streng RNA of een DNA-molecuul dat door een membraan of envelop omhuld is. Om zich te kunnen reproduceren is een virus totaal afhankelijk van zijn gastheer. Dat kan een bacterie, eencellige of meercellige eukaryoot zijn. Reproductie is een van de kenmerken van ‘leven’. Er zijn nog vele andere kenmerken, die ik hier niet wil noemen, om het eenvoudig te houden. Virussen worden beschouwd als niet-cellulair leven. Ze bezitten immers genen, maar voor hun metabolisme zijn ze geheel afhankelijk van een gastheer. Nadat ze gebruik gemaakt hebben van de replicatie machine van de gastheercel, assembleren ze vanzelf. Deze eigenschap versterkt het vermoeden dat ze als zelf-assemblerende organische moleculen aan de wieg hebben gestaan van het eerste leven.
Trade-off in virussen
Er bestaat de hypothese van een trade-off voor virussen. Daarbij gaat een toename in virulentie ten koste van besmettingskans en andersom. Er ontstaat een balans, een trade-off van twee tegenstrijdige selectiedrukken: één die de pathogeen aanzet om meer te groeien en zodoende de gastheer meer uit te buiten, en één die ervoor zorgt dat de gastheer lang genoeg kan overleven om soortgenoten te besmetten. Wanneer als gevolg van een genetische mutatie een virus virulenter wordt en zijn gastheer zo ziek maakt dat hij overlijdt, dan verdwijnt het virus met de dood van zijn gastheer. Is het virus afhankelijk van een levende gastheer die rondloopt om zoveel mogelijk mensen te besmetten, dan moet het virus niet dodelijk zijn. Het griepvirus maakt de gastheer licht ziek omdat zijn levenscyclus afhangt van het niezen van zijn gastheer op een volgende gastheer. Voor een aantal virus-gastheer systemen is de hypothese aangetoond (waaronder HIV bij mensen en myxomatose in konijnen ). Deze systemen vinden een positieve correlatie tussen virulentie en besmetting.
Fig. 1 Trade-off van een virus Elke toename van virulentie (groen) zou moeten worden gecompenseerd door een afname in besmettelijkheid (rood) en andersom. Gaat een van deze twee paramaters buiten de range (stippellijn) van optimale fitness (blauw) dan heeft het virus een lage fitness (ook in blauw), wat kan betekenen dat het virus verdwijnt.
Het is daarentegen ook mogelijk dat het virus vooral wedijvert met andere ziekteverwekkers in de gastheer. In dat geval wordt het lastig om de trade-off hypothese te bestuderen.
Op Twitter kwam ik deze grafiek tegen gepost door @AdamJKucharski, mathematicus en epidemiologist
Adam Kucharski illustreert hier dat wanneer een parameter zoals besmettelijkheid 50% toeneemt dan neemt het aantal doden exponentieel toe. Wanneer uitsluitend de virulentie met 50% toeneemt dan gaat het aantal doden recht evenredig omhoog. Als de besmettelijkheid hoog is, en als de trade-off van toepassing is op dit virus, dan zou de virulentie moeten dalen. Het zou kunnen dat wanneer de besmettelijkheid toeneemt en de virulentie inderdaad vermindert het virus minder doden veroorzaakt. Om te weten of er in het geval van Covid19 een trade-off systeem is tussen SARS-Cov-2 en de mens, moet er bijgehouden worden hoeveel mensen er sterven ten opzichte van het aantal positieven. Gegevens zoals het aantal mensen dat sterft, dat wordt opgenomen in het ziekenhuis of dat in de loop van de tijd positief test op het virus, worden gebruikt om in te schatten hoe gemakkelijk het virus zich verspreidt. Deze gegevens bepalen de R-waarde. Als de R-waarde hoger is dan één, neemt het aantal gevallen exponentieel toe, maar als het R-nummer lager is, zal de ziekte zich uiteindelijk niet meer verspreiden, omdat er niet genoeg nieuwe mensen worden geïnfecteerd om de uitbraak in stand te houden.
Gezien vanuit het virus is de trade-off een prima deal, het reproduceert zich net zo goed en behoudt dus zijn fitness zowel met hoge besmettingskans en lage virulentie als met het omgekeerde. Natuurlijke selectie bepaalt hoe deze waarden liggen. De interactie virus-gastheer is afhankelijk van vele factoren die mij onbekend zijn, maar die zeker te maken hebben met waarden aan de kant van de gastheer zoals bevolkingsdichtheid, immuniteit van de mensen, seizoen, bewegingsvrijheid van de mensen en waarden aan de kant van het virus zoals de besmettelijkheid en virulentie.
Het is te hopen dat er voor SARS-Cov-2 en de mens ook een trade-off bestaat en dat we deze kunnen doorbreken door de besmettelijkheid zodanig te verlagen dat deze een extreem lage fitness oplevert. Dat gebeurt wanneer we immuun oftewel gevaccineerd zullen zijn.
Virussen communiceren met elkaar en met hun nakomelingen door middel van een korte proteïne. De hoeveelheid van dit eiwit bepaalt of de gastheercel lyse ondergaat of dat het virus de cel spaart. Dit eiwit, dat kort geleden ontdekt is, wordt arbitrium genoemd.
bacteriofagen (groen) op een bacteriecel (oranje)
Wanneer virussen hun gastheer infecteren, gaat dit een veel gevallen gepaard met de kaping door het virus van de replicatie- en translatieprocessen van de gastheercel. Er worden dan opnieuw alle bestanddelen van het virus aangemaakt die zich samenstellen tot nieuwe virussen. Wanneer deze vrijkomen barst de cel open; er vindt lyse plaats en de cel gaat dood. Maar het genetisch materiaal van het virus kan ook deel uit gaan maken van dat van de gastheer. Het plaatst zich in het DNA van de gastheer en blijft slapende. Het virus veroorzaakt dan geen dood van de geïnfecteerde cellen, maar wordt na iedere celdeling doorgegeven aan de dochtercellen. Het virus lift zo mee op het DNA van de gastheercel. Dit is de lysogene cyclus, niet te verwarren dus met de eerder beschreven lyse cyclus.
lytische cyclus en lysogene cyclus
Jaren heeft men onderzoek gedaan naar hoe deze keuze gemaakt werd. Men zocht vooral naar intracellulaire signaalwegen en genetische circuits in de gastheercel. Ook de onderzoekers van deze studie zochten naar moleculaire signalen tussen bacteriecellen en ontdekten zo het relatief korte eiwit verantwoordelijk voor de keuze (“arbitrium”) tussen lyse en lysogeen. Zij werkten niet zoals gewoonlijk met het bacteriofaag lambda, het meest bekende bacterievirus, en het bacterie E. Coli, maar met Bacillus subtilis en vier verschillende fagen. Ze infecteerden de bacteriën met de fagen en screenden het medium op zoek naar molecuulsignalen geproduceerd door de bacteriën. In plaats daarvan vonden ze een molecuul dat geproduceerd werd door een van de vier fagen: phi3T. Ze noemden het arbitrium.
Arbitrium wordt vrijgegeven na digestie met enzymen van een proteïne die door de faag gecodeerd is. Het korte eiwit arbitrium verspreidt door het medium en wordt vervolgens door specifieke kanalen in het membraan doorgelaten tot het plasma van een nabijgelegen bacteriecel. Arbitrium inhibeert een faagfactor die op haar beurt een gen activeert dat het lyse-proces stimuleert via een onbekend mechanisme. Het lyse-proces wordt door arbitrium dus verminderd of stilgelegd.
De onderzoekers zagen dat er vergelijkbare arbitrium systemen zijn in wel 100 bestudeerde fagen, waarbij elke faag alleen door zijn eigen geproduceerde arbitrium geregeld werd. De verschillende arbitrium-peptiden verschillen immers in hun samenstelling van aminozuren. Het is dus duidelijk dat een bepaalde faag in eerste instantie zich door lyse snel vermenigvuldigt, maar naarmate de concentratie van arbitrium toeneemt zal de lysogene cyclus de overhand krijgen. Dit overlevingsmechanisme is gebaseerd op het feit dat de faag zich alleen blijvend kan handhaven mits er genoeg gastheercellen overblijven. De lyse doodt de cellen en het tijdig stopzetten daarvan verzekert het virus van overleving omdat zijn gastheer blijft doorleven.
Vooralsnog is dit mechanisme van betekenis in bacteriofagen en bacteriën, maar het is waarschijnlijk dat er ook voor virussen en eukaryoten een dergelijk mechanisme bestaat.
Dit feedbacksysteem waarin elke faag zich vermenigvuldigt door productie van een eigen eiwit waaraan alleen hijzelf en zijn eigen nakomelingen gehoorzamen, geeft aan dat fagen uiterst bepalend zijn voor de biosfeer. Zij hebben hun evolutie onder eigen controle. Daarbij is het interessant te bedenken dat virussen zich samen met de eerste preprokaryoten ontwikkelden, zoals de hypothesen van Patrick Forterre stellen. Kunnen we, nu we weten dat ze communiceren met hun nakomelingen, ook spreken van levende virussen? Zou de kennis over het arbitrium systeem kunnen helpen in de strijd tegen resistente bacteriën?
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.
De hypothesen over de oorsprong van leven lopen nog steeds uiteen. Ook de omstandigheden waaronder het leven zich ontwikkeld zou hebben kent vele versies. De bekendste zijn de primordiale soep en de alkaline hydrothermale bronnen op de oceaanbodem. Deze laatste heeft tegenwoordig een grote voorkeur, onder andere omdat de hete bronnen schoorstenen vormen van poreus materiaal waarin de eerste cellen gevormd en genesteld zouden kunnen zijn geweest. Bovendien bestaat daar een verschil in pH tussen de binnen- en buitenwand van de schoorsteen, waardoor er een stroom aan protonen beschikbaar was als energiebron voor dit eerste leven.
De protocellen moeten ook DNA of RNA opgebouwd hebben. Men gaat er van uit dat er eerst RNA ontstond en spreekt dan van de RNA-wereld. RNA is niet alleen een eenvoudiger molecuul dan DNA, het heeft ook de mogelijkheid tot auto-replicatie via de ribozymen. Patrick Forterre lanceerde de hypothese dat retrovirussen vervolgens dit inmiddels cellulaire RNA omzetten in DNA, dat veel stabieler is en als informatieopslag dient.
2,4,6-Triaminopyrimidine
Maar hoe werd het eerste RNA gevormd. Tot nu toe hielden veel onderzoekers zich bezig met hoe de verschillende
cyanuurzuur
‘onderdelen’ zich kunnen vormen en hoe daaruit het RNA kan ontstaan. Hoe komen het ribose en de base tot een nucleoside en met fosfaat tot een nucleotide? Dit onderzoek is al vele decennia bezig, maar werpt niet veel vruchten af. Nicholas Hud zoekt momenteel naar een heel andere oorsprong. Hij heeft bepaalde moleculen bij elkaar geplaatst en zag dat deze ook polymeren konden vormen. Deze reactie verloopt geheel spontaan. Hij liet zien dat een licht gewijzigde vorm triaminopyrimidine (TAP) en cyanuurzuur (CA) vanzelf assembleren en daarmee op de klassieke basenparen lijken. Ze vormen dan hexameren die zich opstapelen en lange polymeren vormen. Ze toonden ook aan dat TAP heel eenvoudig een binding aangaat met ribose, en zodoende spontaan nucleosiden vormt. Zodra daaraan CA toegevoegd werd ontstonden er lange polymeren, de lengte van genen (meerdere duizenden basenparen).
Structuur van TARC (een licht veranderde vorm van TAP) en CA met R (ribose). Deze opeengestapelde hexameren of rosetten vormen lange polymeren van ongeveer 100 nm (0,1 micrometer; dat is erg lang).
Deze studie laat zien dat het in principe relatief eenvoudig kan zijn een voorloper van RNA te creëren. Of de evenementen zich werkelijk zo en met deze ingrediënten hebben voorgedaan blijft ook voor de auteurs de vraag. Het is echter van belang op te merken dat er nu een verschuiving is ontstaan in het hele concept van de RNA-world. De vraag is nu niet meer hoe de verschillende onderdelen (ribose, fosfaat en base) een nucleotide konden vormen en vervolgens een RNA-streng, maar hoe een voorloper van een auto-replicerend polymeer vorm kon geven aan een polymeer van RNA. Dit betekent een heel andere manier van denken en experimenteren en Nicholas Hud heeft daarmee een verandering in het concept van de RNA-wereld gecreëerd. In zijn concept lijkt er sprake te zijn van een ware evolutie van polymeren, met als eindpunt RNA en niet een recht-toe-recht-aan chemische reactie van de bouwstenen van een nucleotide en de polymerisatie daarvan tot RNA.
De proto – RNA theorie. Let op de veranderingen die stapsgewijs plaatsvinden in respectievelijk de ribose, de base en het fosfaat. Door Nicholas Hud. (Klik voor een grotere weergave op het plaatje)
Het ging wellicht om een primordiale melange aan moleculen, waar de meest stabielste en efficiëntste replicatoren de boventoon gingen voeren. Als de polymeren van Hud inderdaad zo eenvoudig tot stand komen, kunnen deze deel uitgemaakt hebben van een verscheidenheid aan polymeren, waaruit de ‘beste’ overbleven. Er zijn momenteel veel hoeken van waaruit het ontstaan van de eerste replicatoren bekeken wordt. Zo is er bijvoorbeeld het werk van Jeremy England dat berekent hoe alle replicatoren (al het leven) energie vrijgeven gedurende de replicatie en daarmee aan de Tweede wet van de thermodynamica gehoorzamen, of dat van Addy Pross (zie ook blog van Gert Korthof), die spreekt van dynamic kinetic stability (DKS) in contrast met de Tweede wet van de thermodynamica. Recente ontwikkelingen zijn er ook met in silico experimenten, waarbij strings binnen een binair polymeer model na verschillende replicatie-cyclussen voortdurend dezelfde combinaties opleveren, alsof er een interne selectie plaatsvindt. Al dit onderzoek staat in de kinderschoenen, maar het belooft heel wat en er zullen nog meerdere blogs op volgen.
Na in het voorgaand blog de evolutie van geslachtsverschillen in Volvox bekeken te hebben, botste ik in Wikipedia tegen een verwijzing naar artikelen van Philip John Livingstone Bell aan. Zijn werk is puur theoretisch en behandelt de oorsprong van de eukaryotische cel, van mitose, meiose en dus het ontstaan van seks. Eukaryoten zijn alle cellen en organismen die wij gewoonlijk waarnemen, ze hebben een celkern. Prokaryoten zijn voornamelijk bacteriën. Virussen vormen een apart hoofdstuk, maar lijken een enorm belangrijke zo niet fundamentele rol te hebben gespeeld in het ontstaan van de eukaryotische cel zoals Bell in zijn theorie laat zien.
Een blog biedt eigenlijk niet genoeg ruimte voor een uitgebreide verhandeling van mitose en meiose. Kort gezegd is mitose de celdeling in de eukaryotische cel waarbij de lineaire chromosomen (DNA) eerst verdubbeld en vervolgens eerlijk verdeeld worden over de dochtercellen. De meiose daarentegen bestaat uit twee delingen: een die de chromosomen verdubbelt (waarna er het essentiële fenomeen van crossing –over plaatsvindt waarbij de genen van vaders en moeders kant uitgewisseld worden), en een tweede die zonder verdubbeling van de chromosomen plaatsheeft, waardoor er een zogenaamd gehalveerd genoom ontstaan ofwel haploïde cellen, de geslachtscellen.
Mitose van geïnfecteerde cellen en ‘binary fission’ van niet geïnfecteerde cellen.
Dit ingewikkelde maar vrijwel universele mechanisme (althans voor wat betreft de eukaryoten) is volgens Bell ontstaan uit drie organismen: een virus, een Archaea (een soort oerbacteriën zonder dubbel membraan) en bacteriën. De Archaea, of de voorloper ervan, bood het cytoplasma dat het virus kon infecteren en waar het zijn genetisch materiaal kon deponeren en repliceren met behulp van eigen polymerasen en/of reverse transcriptase en ribosomen of met die van de gastheer. Een bacterie, waarschijnlijk de alfa-proteobacterie, vormde de eerste mitochondriën.
De theorie van Bell stelt dat het virus met zijn RNA of DNA de gastcel infecteerde, waarna het lineaire chromosoom (met centromeer) van dit virus repliceerde en, zodra deze cel fuseerde met een niet geïnfecteerde cel, zich deelde zodat de twee chromosomen zich over de twee dochtercellen verdeelden. Door meerdere infecties met verschillende maar verwante virussen zou het aantal chromosomen toegenomen zijn. Deze proto-eukaryotische, of eigenlijk reeds volwaardige eukaryotische cellen konden daardoor licht verschillen in genetische opmaak (we noemen ze + en – cellen met elk n chromosomen). Hun cellen konden fuseren (lees ‘bevruchten’) en zo een cel voortbrengen met 2n chromosomen. Zodra daar wederom twee celdelingen op volgden hebben we opnieuw twee haploïde cellen + en twee haploïde cellen -. Dit is exact hetzelfde als meiose.
Meiose in geïnfecteerde cellen. a en alfa corresponderen met + en – in de tekst
Dit is een pure theorie die zich echter wel baseert op wat men nu nog terugziet in de tegenwoordige wereld tijdens infectie met het pox-virus. De theorie stelt dus niet alleen dat zowel mitose als meiose een ‘uitvinding’ zou zijn die dankzij de virussen heeft kunnen voorvallen, maar ook dat de celkern van oorsprong vrijwel uitsluitend viraal RNA of DNA bevatte. Op het blog van Gert Korthof is er een levendige discussie over of virussen nu wel of niet als levende organismen moeten worden beschouwd. Patrick Forterre, een gevierd viroloog, is daar een voorstander van en gezien hun mogelijke belang in het ontstaan van mitose en meiose, hebben de virussen wel een speciaal ereplaatsje verdiend.
Uit: Sex and the eukaryotic cell cycle is consistent with a viral ancestry for the eukaryotic nucleus. Philip John Livingstone Bell. Journal of Theoretical Biology 243 (2006) 54–63.
Foto door Chantal Abergel en Jean-Michel Claverie Drie recent ontdekte reuzevirussen — mimivirus (boven), pandoravirus (midden) and pithovirus (onder)
De theorieën over de oorsprong van het leven lopen uiteen, maar over één ding is men het eens. Er bestond ooit een RNA-wereld waarin er zowel polymeren als ribozymen bestonden, beide opgebouwd uit RNA. De laatste katalyseerde de replicatie van de eerste en zo ontstonden er de eerste replicatoren. Nu bevatten onze cellen DNA (deoxyribonucleic acid) als opslag voor informatie, terwijl veel verschillende soorten RNA (ribonucleic acid) bijvoorbeeld als boodschapper (RNAm) of drager van aminozuren (RNAt) dient. Er is blijkbaar een moment geweest waarop het RNA omgezet is in DNA. Nu geldt het dogma in de biologie dat DNA omgeschreven wordt in RNA dat op haar beurt weer afgelezen wordt voor de vorming van eiwitten. Er bestaat slechts één uitzondering, en dat is het enzym reverse transcriptase dat alleen door retrovirussen gecodeerd wordt. (Er is een andere reverse transcriptase die telomeren synthetiseert, zie de reactie van Gert Korthof).
Al een tijdje bestudeert de viroloog Patrick Forterre de mogelijkheid dat retrovirussen aan de oorsprong van de eerste cellen heeft bijgedragen. Ik schreef al eerder over zijn werk en theorie en de details kun je in dit eerdere blog lezen. Hij stelt dat de retrovirussen DNA maakten en daarmee cellen infecteerden die vervolgens dit stabielere DNA gebruikten als informatieopslag.
Nu is er recent een enorm virus ontdekt, het pithovirus, dat nog groter is dan veel bacteriën. De afmeting is meer dan 1,5 micron en het draagt zo’n 500 genen waarvan vele niet gerelateerd zijn aan de ons reeds bekende genen. Voordat dit virus werd gevonden, wist men al van andere grote virussen zoals het mimivirus en pandoravirus die ook veel niet gerelateerde genen bevatten. Zo langzaamaan begon zich een andere theorie te vormen.
Men dacht vroeger dat virussen zich later hebben ontwikkeld dan cellen, omdat alle toen bekende virussen voor hun replicatie of vermenigvuldiging afhankelijk waren van cellen. Het zou dus wel eens omgekeerd kunnen zijn, namelijk, dat virussen eerder ontstonden dan cellen. Ze zouden in eerste instantie in de RNA-wereld geleefd hebben die bestond uit zelfzuchtige RNA’s die de boventoon gingen voeren. Deze werden omsloten door capsiden, bestaande uit proteïnen.
Een argument voor de The Virus World Theory stelt dat virussen genetisch gezien een grotere diversiteit hebben dan cellen. Waren ze afgeleid van cellen, dan zou er een kleinere diversiteit zijn dan die we aantreffen bij cellen. Eugene Koonin is voorstander van The Virus World Theory, terwijl Patrick Forterre denkt dat virussen hun opmars maakten nadat er voorlopers van bacteriën, Archaea en Eukaryoten, die hij protoeucaryoten noemt, hun intrede deden. Hij onderstreept daarbij dat virussen op het toneel verschenen voordat LUCA (Last Universal Common Ancestor) bestond. Abergel en Claverie, een echtpaar van virologen, beweren daarentegen dat virussen afstammen van uitgestorven cellijnen. Er was geen unieke cellijn volgens hen, maar een waren een heleboel verschillende cellijnen die allemaal uitgestorven zijn. De virussen bevatten nog steeds de antieke genen van deze uitgestorven cellen.
Kortom, er is in Frankrijk een flinke discussie gaande rond dit onderwerp. Daar wordt heel wat ge-e-maild over virussen. Het zou leuk zijn als deze discussie wat meer open was, zodat wij hem konden volgen. Misschien hebben ze allemaal gelijk en verschenen virussen tegelijk met cellen, met het daarop volgende uitsterven van bepaalde cellen waar antieke infecterende virussen nog steeds een overblijfsel van zijn. Het zou zomaar kunnen.
DNA methylatie in planten. De bloem staat op de plaats van een methylgroep in Cytosine
Epigenetica is een vrij nieuwe tak van de genetica en bestudeert veranderingen van het DNA die geen invloed hebben op de sequentie daarvan. Er wordt veel over gediscussieerd om verschillende redenen. Het gaat in de discussies voornamelijk over de mogelijkheid dat de veranderingen erfelijk zouden zijn. Vaak worden er dan studies geciteerd waarin gebleken is dat blootstelling in utero aan chemicaliën of een slechte voeding bijvoorbeeld een (negatief) effect hebben op de volgende generatie. Behalve dat dit uitsluitend een generatie betreft, is er ook geen sprake van ware erfelijkheid want die zou moeten verlopen via de gameten ofwel geslachtscellen.
Naar aanleiding van een discussie met een bioloog kwam er een artikel uit Nature naar voren. In dat artikel wordt netjes ingedeeld wat de moleculaire kandidaten zijn voor epigenetische erfelijkheid. Een belangrijke kandidaat is de methylatie van het DNA. Het DNA bestaat uit vier letters: A, C, T en G die staan voor de nucleotiden Adenine, Cytosine, Tymine en Guanine resp. Methylatie van het DNA is de methylatie ofwel de toevoeging van een methyl-groep aan het residu Cytosine. Methylatie is een essentieel onderdeel van het DNA en bepaalt welk gen en hoeveel van elk gen er afgeschreven wordt. Dit is van fundamenteel belang voor de differentiatie van de verschillende weefsels. Al onze cellen bezitten immers hetzelfde genoom, maar ze zijn allemaal gedifferentieerd in de verschillende cellen zoals in de levercellen, de neuronen of de spiercellen bijvoorbeeld. In al deze cellen staan er verschillende genen ‘aan’ of ‘uit’. Het is recent aangetoond dat deze markering niet overgeërfd wordt. De methylatie wordt door het enzym demethylase verwijderd. Dit kan gebeuren in de geslachtscellen, maar doet zich zeker voor in het eerste stadium van het embryo.
Andere kandidaten zijn verschillende groepen RNA’s. RNA wordt van het DNA afgeschreven, heeft net als DNA een sequentie van nucleotiden A, C, en G, maar in plaats van T bevat het een U (Uracil). Het meest belichte RNA is het mRNA dat codificeert voor de proteïnen. Maar van de totale RNA’s zijn de lncRNA’s (long non-coding RNA’s) het meest voorkomend en vormen vier vijfde van het totale RNA. Ze zijn voor methylatie wellicht van belang omdat ze de methylase (het enzym dat DNA methyleert) sekwestreren. Een gevolg daarvan zou kunnen zijn dat er minder DNA gemethyleerd wordt en er dientengevolge meer DNA tot expressie komt en getranscribeerd wordt in RNA. Ook de small RNA’s spelen een rol in de regulatie van genexpressie. Het is hoe dan ook een kwestie van definieren of je RNA’s ook zou moeten rekenen tot epigenetische markers. Ze zijn overvloedig aanwezig in de eicel waar ze voorzien in alle benodigdheden van deze cel tot aan de tweede celdeling en worden via de moeder geërfd. Het zouden daarom goede kandidaten zijn. Toch wordt RNA soms gerekend tot het fenotype van de cel; het is immers de expressie van het DNA. Bovendien hebben ook eiwitten en steroïde hormonen invloed op de transcriptie van het DNA en worden hoogstwaarschijnlijk doorgegeven via de eicel. Zouden die ook gerekend moeten worden tot epigenetische markering ? Waarom zou je RNA tot epigenetische markering rekenen en eiwitten en hormonen niet ?
Een belangrijke conclusie in de review in Nature is dat epigentische overerfing tot nu bijzonder onduidelijk en zeldzaam is gebleken. Het is van belang dat een embryo dat zich moet differentiëren van een totipotente cel tot een gedifferentieerd en compleet ontwikkeld organisme dit moet kunnen doen vanuit een situatie dat alle markering uitgeschakeld is. Bij planten is recentelijk aangetoond op Arabidopsis dat epigenetische markering doorgegeven wordt tot tenminste de 20ste generatie. Vaak wordt in het nieuws verwezen naar de mogelijkheid dat Lamarck toch gelijk had met de bedoeling een hype te veroorzaken. Mochten de resultaten op Arabidopsis bevestigd worden en wellicht uitgebreid worden naar de wilde planten, dan zou dat wel bijzonder groot nieuws zijn.
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.
In dit blog zijn verschillende berichten opgenomen over het RNA, over het ribozym dat uit RNA bestaat en de RNA-wereld. Er is nu opnieuw interessant nieuws over dit primordiale RNA en daar moet wel een blogbericht op volgen. In deze hypothetische uit RNA-bestaande oerwereld, die bestond voordat het DNA zich vormde, werden RNA-moleculen gerepliceerd. Deze replicatie begon wellicht met de simpele aaneenrijging van de eerste basen tot een enkele streng van RNA. Maar mettertijd ontstonden er langere en complexere moleculen die het ribozym konden vormen. Dit laatste RNA-molecule heeft een enzymatische functie en kan de replicatie van het RNA zelf bespoedigen. Ook in de moleculaire wereld is er sprake van efficiënte en minder efficiënte replicatoren die de strijd om grondstoffen wel of niet ‘winnen’. Dit bepaalt uiteindelijk welke moleculen er ‘overleven’.
Hypercycle
Wiskunde-modellen wijzen uit dat replicatie van het eigen molecuul zou uitlopen op een enorme accumulatie van mutaties die het molecuul stuk zouden doen gaan. Reeds in 1971 kwam men uitsluitend via redeneringen tot de slotsom dat er netwerken moesten bestaan van moleculen die elkaars katalyse stimuleerden. Zo ontstond het idee van hypercyclussen waarin molecuul A molecuul B helpt zichzelf te kopiëren, en B helpt C weer, enzovoort totdat de laatste van de cyclus A weer helpt. Dit was allemaal pure theorie. Nu toont het onderzoek aan dat er inderdaad iets dergelijks plaatsvindt in het laboratorium. Het gaat daarbij niet echt om replicatie maar om kleinere fragmenten van verschillende uit bacteriën-geïsoleerde ribozymen die elkaars assemblage katalyseren. Twee fragmenten vormen het ribozym nummer 1 en stimuleren de assemblage van de fragmenten voor ribozym 2 dat op zijn beurt hetzelfde doet voor ribozym 3. Zonder elkaars hulp assembleren ze ook, maar dan veel langzamer.
Het bleek vervolgens dat ook meerdere varianten van dit type ribozym elkaars fragmenten heel efficiënt assembleerden. Bij het samenvoegen van de fragmenten van 48 verschillende varianten van het ribozym ontstonden er enorme netwerken die de assemblage bespoedigden.
Ondanks het feit dat iedereen het er over eens is dat deze studie een indrukwekkend resultaat heeft opgeleverd, bestaat er de kritiek dat het hier niet gaat om zelf replicerende moleculen. Het gaat inderdaad om de assemblage van bestaande fragmenten. Ook Nick Lane, een autoriteit op het gebied van het ontstaan van leven, is onder de indruk, maar betwijfelt of deze netwerken stabiel genoeg zijn om in de primordiale wereld te overleven.
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.
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.
Elk levend organisme is tegelijkertijd een fossiel. Het draagt tot in de microscopische structuur van zijn proteïnen, de sporen, zoniet de stigma’s van zijn voorouders. Jacques Monod: Toeval en onvermijdelijkheid
The poetry of Science
Twee uitblinkende wetenschappers van vandaag, Richard Dawkins (evolutiebioloog) en Neil deGrasse Tyson (astrofysicus), praten over de schoonheid van de wetenschap. Dit gesprek werd opgenomen aan de Howard University van Washington DC, 28 september 2010. Deze conversatie is zo ontspannen dat ze zo plaats gehad zou kunnen hebben voor een haardvuur, ook zonder publiek. Over waarom de wetenschap niet alleen een optie is, maar de enige werkelijkheid is die we bezitten. Het filmpje duurt ongeveer een uur, daarna zijn er vragen van het publiek.
Why Evolution is True is a blog written by Jerry Coyne, centered on evolution and biology but also dealing with diverse topics like politics, culture, and cats.
Op zoek naar de klepel 
Laatste reacties