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

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.

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.

 

 

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.