Leon Retief. Die DNS-sepie Episode 6

Laslappies

DIE DNS-SEPIE EPISODE 6

Die genetiese kode se laaste woord is in 1967 ontsyfer. Daar is algemeen aanvaar dat die kode universeel is (dieselfde by alle organismes) en dat daar ʼn een-tot-een ooreenstemming is tussen die volgorde van die basisse van ʼn geen en die aminosuurvolgorde van die proteïen waarvoor dit kodeer, bekend as kolineariteit. ʼn Paar verrassings het egter gelê en wag.

Die eerste onverwagte bevinding was dat gene nie koliniêr is nie. Daardie volgordes basisse binne-in ʼn geen wat kodeer vir ʼn proteïen (ʼn ekson) word baie dikwels onderbreek deur ander nonkoderende basisse, bekend as ʼn intron. Meeste DNS is ʼn in werklikheid ʼn laslappiekombers van introns en eksons.

Dit beteken dat selle die genetiese boodskap moet prosesseer deur die introns tydelik te verwyder voordat gene hul funksies kan uitvoer. Toe die meganisme waardeur dit plaasvind ontdek is, is daar tot almal se verbasing gevind dat dit soms behels dat meer as een proteïen deur ʼn enkele geen geproduseer kan word, alhoewel tans beskikbare data daarop dui dat dit nie dikwels gebeur nie en dat heelwat van die alternatiewe proteïene wat gevorm word nie funksioneel is nie.

Mitochondrion

Mitochondria is klein intrasellulêre liggaampies betrokke by energiemetabolisme. Hulle word gevind in alle eukariotiese selle ( met kerne) en beskik oor hulle eie DNS waarvan die kode effens – baie min – verskil van die selle waarin hulle voorkom. Dit beteken dat die kode nie universeel is nie en dat elkeen van ons in werklikheid twee genetiese kodes in ons ronddra: die mitochondriale kode en die kode in ons selkerne. Mitochondria se DNS, asook dié van chloroplaste (die groen liggaampies wat fotosintese uitvoer in plante en groen alge) is sirkelvormig en hul ribosome, waar finale proteïensintese plaasvind, funksioneer anders as in eukariotiese selle. Hierdie en ander eienskappe stem meer ooreen met bakterieë wat prokariote is en nie selkerne besit nie.

Lynn Margulis het reeds in 1967 voorgestel dat mitochondria in werklikheid simbionte is wat in die jaar toet met ʼn voorganger van eukariote saamgesmelt het en dat hierdie verhouding bly voortbestaan omdat dit vir beide voordelig is.

 

The New Biology

 

It almost causes me thrombosis

To think I’m only symbiosis:

A chimney stack of small communes,

Each dancing to its unique tunes,

Oblivious to the harmony

Which, Old Style, they said was me.

 

George Scarbrough

 

Margulis se destyds radikale voorstel word nou algemeen aanvaar, asook dat dieselfde met chloroplaste gebeur het – ongetwyfeld een van die langste verwantskappe in die geskiedenis van biologie.

Alles wat ons van die genetiese kode weet, sowel as elke ander aspek van biologie, dui daarop dat alle organismes afstam van ʼn selpopulasie wat sowat 3,5 biljoen jaar gelede geleef het – LUCA, die Last Universal Common Ancestor, waaruit ander spesies in die grootse tapisserie van die ander wêrelde van die verlede verskyn en verdwyn, verskyn en verdwyn het.

 

Black Straw

 

on the other side of the earth stars hive

in the celery pines       here the sun

is a liquid deletion of space

melting of the present moment

 

noon       and time already gone

nothing but the laziness left to feed the pigeons

and polish idleness to a gleam

 

I imagine far-off galaxies hold desire

as we hold an apple in our palm

here on earth apples and progeny help round off the edges

of pain       the sorrow and sorrows of consciousness

 

also flocks of sandpipers help us get by

and calico asters and the smell of sweetgrass

and I should add the invisible to that

 

the other world with its black straw

changing and contorting       taking their shapes from us

which is a comfort when we feel alone

with nothing else to support us but the ether

 

the earth is a hard place to imagine

if you had to start from scratch       start with apples

and build from there       or a single aster in infinite space

imagine a sandpiper sent forth from darkness

into darkness       returning with this warm afternoon

yet we see it everywhere       there is an aster in infinite space

there is returning       the apples build       there is black straw

turning into men       there is nothing else.

 

Don Domanski

 

Outomatisering en rekenarisering het DNS-analise ongelooflik versnel en ons weet nou dat daar nie so iets soos “die” menslike genoom bestaan nie – elkeen van ons se genome verskil met gemiddeld een basispaar per duisend, in totaal drie miljoen basispare per genoom.

Die ENCODE projek met die dataverwerkingsbioloog Ewan Birney aan die hoof, is in 2003 tot stand gebring om funksionele aspekte van menslike DNS te ondersoek. Hulle het inderdaad nuttige werk gedoen, maar dataverwerkers is bietjie soos die wiskundiges en fisici wat onsuksesvol gepoog het om die DNS kode te ontsyfer – hulle weet meer van die wiskundige en rekenaaraspekte as van die biologie op sig self en dit is presies die slaggat waarin hulle getrap het toe hulle in 2012 aangekondig het dat sowat 80% van die genoom ʼn biochemiese/fisiologiese funksie het.

Sommige konsepte in biologie is nie maklik omskryfbaar nie: lewend versus nielewend – dink aan virusse, wat eienskappe van beide konsepte illustreer, of transposons (sowat 45% van ons genoom) wat nog meer “nielewend” as virusse voorkom; meeste is nie funksioneel nie. Moenie ʼn molekulêre genetikus vra wat ʼn geen is, of ʼn taksonoom wat ʼn spesie is, as jy nie ʼn groot beker koffie byderhand het nie. Sulke begrippe is inherent aan biologie en word gevind op makroskopiese, sellulêre en biochemiese vlak.

Dieselfde is die geval met die biologiese begrippe “funksie” en “aktiwiteit” wat nie noodwendig dieselfde is nie. My nek se biologiese funksie is om my kop te ondersteun en verskeie anatomiese strukture te huisves. Wanneer ek my leesbril se toutjie om my nek hang dan is kan mens dit, as jy wil, dalk beskryf as ʼn aktiwiteit van my nek maar definitief nie as ʼn biologiese funksie nie. Eweneens is my ore en neus se biologiese funksies om te hoor, te ruik en asem te haal, dat hulle help om my bril voor my oë te hou is dalk ʼn aktiwiteit maar geen biologiese funksie nie.

ENCODE se interpretasie van hul resultate het gesentreer op hul definisie van funksie, iets wat tereg fel kritiek ontlok het. Vir hulle was funksie enige biochemiese aktiwiteit wat geïnduseer is deur enige gegewe stuk DNS, vanaf mRNS produksie tot proteïenbinding. Hierdie definisie omvat aktiwiteit maar nie noodwendig biologiese funksie nie. Baie DNS wat geen bydrae lewer tot ʼn organisme se funksie nie produseer byvoorbeeld RNS (onder andere) wat gou weer vernietig word voordat dit eers die selkerne verlaat, het geen effek op die sel se voortbestaan of huishouding nie en is dus funksioneel irrelevant.

Daar is ook geregverdigde kritiek gelewer oor sommige van die groot aantal seltipes wat ENCODE gebruik het. Baie was sogenaamde onsterflike sellyne, onder andere kankerselle, ander is onsterflik gemaak deur hulle te manipuleer met mutageniese chemikalieë, bestraling of die invoeging van onkogene, gene wat die potensiaal besit om kanker te veroorsaak en baie meer uitgedruk word as ander gene. Geenuitdrukking behels dat die informasie in ʼn geen ʼn produk tot gevolg het.

Verder het ENCODE ook stamselle gebruik wat eweneens die vermoë het om aanhoudend te bly verdeel. Al hierdie selle besit wat bestempel word as ʼn transkriptief permissiewe interne milieu – oftewel, hulle is baie meer geneig om onder andere RNS te produseer (transkripsie) as om bydraes te lewer tot die voortbestaan van normale selle. ENCODE het hierdie abnormale omgewing egter as normaal beskou.

Die dataverwerkingsbioloog Sean Eddy, wat darem meer van biochemie geweet het as Birney en die rekenaarwetenskaplikes, het in ʼn uitstekende artikel “The ENCODE project: Missteps overshadowing a success” geskryf: “Thus all reproducible biochemical events were claimed to be ‘critical’ and ‘needed.’ But ENCODE had not shown what fraction of these activities play any substantial role in human gene regulation, nor was the project designed to do that. There are other well-studied explanations for reproducible biochemical activities besides crucial human gene regulation, including residual activities (pseudogenes), functions in the molecular creatures that infest eukaryotic genomes (transposons, viruses, and other mobile elements), and noise. Far from disproving junk DNA, ENCODE’s operationalized definition of function included junk DNA.”

Eddy en ander het ook daarop gewys dat nooit van negatiewe kontroles gebruik gemaak is nie – daar was nooit DNS volgordes gebruik wat volgens enige definisie geen funksie gehad het en waarmee hul resultate vergelyk kon word nie. Wanneer dit enigsins moontlik is om negatiewe kontroles te gebruik dan moet dit gedoen word, dit is ʼn basiese en baie eenvoudige beginsel van die natuurwetenskappe en van biologie in die besonder. In 2013 het Mike White en sy medewerkers 1 300 lukraak saamgestelde DNS volgordes gesintetiseer – in werklikheid “nonsensgene” – wat as negatiewe kontroles in ENCODE se eksperimente sou kon gedien het. Al hierdie DNS het volgens ENCODE se kriteria funksie getoon. Alle beskikbare resultate dui dus daarop dat die grootste gedeeltes van genome nonfunksioneel is.

Die menslike genoom bevat 3,2 biljoen basispare. Verskillende organismes se genome bevat verskillende hoeveelhede DNS – dit varieer met ʼn faktor van 350 net in vertebrate en 7 000 in diere oor die algemeen. Uie se genoomgroottes varieer met ʼn faktor van 4,5, met A. cepla se genoom vyf keer groter as dié van mense. Meer as 200 spesies salmaders se genome is al analiseer en hulle bevat almal tussen vier en 35 keer meer DNS as die menslike genoom. Die blommetjie P. japonica se genoom bevat 50 keer meer basispare as die mens. Die eerste en tweede plekke word beklee deur eensellige amoebas: A. proteus met 290 biljoen basispare en A. dubia met ’n verstommende 670 biljoen. Daar is geen rede waarom ʼn eenvoudige, eensellige mikroskopiese organisme 209 keer meer funksionerende DNS as mense moet besit nie, nog minder is dit waarskynlik dat al hierdie DNS funksioneel is want dan sal dit beteken dat hierdie eensellige organisme, slegs onder ʼn mikroskoop sigbaar, baie meer kompleks moet wees as mense of walvisse.

Kan organismes oorleef wanneer nonfunksionerende DNS verwyder word? In 2004 is meer as twee miljoen sulke basispare uit die muisgenoom verwyder (ongeveer 1,5%); in 2007 is 3% verwyder, in beide gevalle sonder enige merkbare effek op ontwikkeling, fisiologie of reproduksie.

ENCODE moes op die ou end terugkrabbel: “… it is not at all simple to establish what fraction of the biochemically annotated genome should be regarded as functional,” en: “… a significant portion of (RNA transcripts) are of low abundance. For polyadenylated RNA… 70% of the documented coverage is below approximately one transcript per cell. The abundance of complex nonpolyadenylated RNAs and RNAs… which account for half of the total RNA coverage of the genome, is likely to be even lower…” Een molekuul per sel kan nie maklik as funksioneel beskou word nie.

 

Mapping the Genome

 

Geneticist as driver, down the gene

codes in, let’s say, a topless coupe

and you keep expecting bends,

 

real tyre-testers on tight

mountain passes, but instead it’s dead

straight, highway as runway,

 

helix unravelled as vista,

as vanishing point. Keep your foot

down. This is a finite desert.

 

You move too fast to read it,

the order of the rocks, the cacti,

roadside weeds, a blur to you.

 

Every hour or so, you pass a shack

which passes for a motel here:

tidy faded rooms with TVs on

 

for company, the owner pacing out

his empty parking lot. And after

each motel you hit a sandstorm

 

thick as fog, but agony.

Somewhere out there are remnants

of our evolution, genes for how

 

to fly south, sense a storm,

hunt at night, how to harden

your flesh into hide or scales.

 

These are the miles of dead code.

Every desert has them.

You are on a mission to discover

 

why the human heart still slows

when divers break the surface,

why mermaids still swim in our dreams.

 

Michael Symmons Roberts

 

Die briljante Sweed-Estoniese paleogenetikus Svante Pääbo het gevind dat die genome van Europeërs sonder ʼn (relatiewe) onlangse Afrika-agtergrond sowat 3-4% Neanderthal DNS bevat. Dit dui daarop dat mense en Neanderthallers in die verlede seksuele kontak gehad het. Daar is net ongeveer negentig genetiese verskille tussen ons en hulle, dws net negentig proteïene – inderdaad maar min, maar mens moet darem ook in gedagte hou dat die tyd wanneer gene tydens embrionale ontwikkeling aan- en afgeskakel word ʼn baie groot invloed op morfologie en anatomie het en dat dit beslis ook verantwoordelik is vir die ooglopende verskille tussen H. sapiens en H. neanderthalensis.

Ons DNS bevat ook dele van die Denisovane van Siberië, waarvan net ʼn vingerbeentjie, ʼn tand en ʼn stukkie toon gevind is, darem genoeg te kon ondersoek. Tibetane, wat hoog bo seespieël leef, het van die Denisovane ʼn mutasie gekry wat hulle kon laat aanpas by hierdie lewenswyse.

Omdat sjimpansees ons naaste familie is beteken dit dat ons en hulle ʼn gemeenskaplike voorouer deel. Dit is dus nie verbasend dat mense en sjimps se chromosome groot ooreenstemmings toon nie, maar met een verskil: mense, Denisovane en Neanderthallers besit 46 chromosome terwyl sjimpansees, gorillas en so voorts almal 48 chromosome het. Iewers in die verlede, nadat ons en sjimps se paadjies geskei het, twee chromosome saamgesmelt om een te vorm.

In 1982 het Yunis en Prakash die sondaars gevind: chromosome wat in die sjimpansee bekend staan as 12 en 13 (soms 2A en 2B genoem), het in mense saamgesmelt om menslike chromosoom 2 te vorm. Aan die eindes van alle chromosome is liggaampies bekend as telomere en elkeen het ʼn sentromeer so in die omgewing van die middel. Menslike chromosoom 2 het ontstaan deur die end-aan-end samesmelting van voorouerlike chromosome 12 en 13 wat die 2p- en 2q-arms van chromosoom 2 vorm.

Menslike en Sjimpanseechromosome

Presies soos mens van so ʼn samesmelting sou verwag, is daar twee funksionele telomere aan beide punte van die menslike chromosoom, sowel as ʼn funksionele sentromeer. Tussenin is daar nonfunksionele telomeeroorblyfsels en ʼn nonfunksionele sentromeer. Alhoewel hierdie struktuurtjies met verloop van tyd en soos mens sou verwag, so effens verrinneweer geraak het, is die ooreenkomste in die basisvolgordes van die nonfunksionerende sentromeer en telomere tussen mens en sjimpansee ʼn onmiskenbare bewys van samesmelting. Nie net dit nie: die liggame van die chromosome as geheel, in mense en sjimpansees, toon merkwaardige ooreenstemming nie net in die volgorde van gene nie, maar ook in die basisvolgordes van die DNS.

Die foto bo is ʼn gestileerde weergawe van wat mens sien as ʼn chromosoom met kleurstowwe gemerk word en gee ʼn aanduiding van hoe die segmente van die chromosome in mense en sjimps ooreenstem. Latere en meer gesofistikeerde metodes het die ooreenstemmings tussen die basisvolgordes van die betrokke chromosome by mense en sjimpansees nog duideliker getoon soos in die volgende foto aangedui word.

Ooreenstemming van chromosome 2 (bo) en 7 (onder) by die mens, sjimpansee en makaak. Mens: blou stippeltjies; sjimpansee: rooi; makaak: bruin.

Soos gesien kan word stem die basisvolgordes van menslike en sjimpansee-DNS in hierdie twee chromosome met meer as 98% ooreen. Hierdie syfer is nie net van toepassing by chromosome 2 en 7 nie. ʼn Artikel wat in 2005 in Nature gepubliseer is, het ʼn volledige vergelyking getref tussen 2,9×109 basispare in mense en sjimpansees – byna die volledige genome van beide spesies. Die resultate het ooreengestem met vorige navorsing: ʼn ooreenstemming van meer as 98%, as indels buite rekening gelaat is was die syfer 95%. Die verskille tussen mense en sjimpansees kan nie net aan hierdie klein persentasie toegeskryf word nie en is, soos in die geval van Neanderthallers, tot ʼn groot mate te wyte aan wanneer gene tydens embrionale ontwikkeling aan- en afgeskakel word.

Toe die eerste resultate van die Menslike Genoomprojek vrygestel is, het almal, ek inkluis, gedink dat ons nou in staat sal wees om siektes en gedrag met een of ʼn paar gene te kan korreleer. Sommige eienskappe is inderdaad gebonde aan een of enkele gene, maar dit het gou duidelik geword dat die interaksie tussen gene en die omgewing, gene en siektes, asook gene en gedrag veel meer kompleks is. Daar is inderdaad ʼn korrelasie tussen sommige gene en byvoorbeeld intelligensie, die geneigdheid tot gewelddadige gedrag, tipe 2 diabetes en so meer, maar dit is slegs ʼn korrelasie – weliswaar soms ʼn groot korrelasie – maar dit beteken nie dat die besitters van sulke gene soos op ʼn treinspoor onafwendbaar op pad is na ʼn sekere siekte of gedragspatroon nie.

Ons is wel almal, elkeen van ons, die produk van ons DNS maar nie noodwendig die prisoniers daarvan nie. Baie, baie meer interessante ontdekkings lê nog en wag, soos byvoorbeeld die waarskynlike ooreenstemming tussen honde se vriendelikheid en mense met Williams-Beuren sindroom.

 

Age of Discovery

 

How our conceptions crack; constructions fall.

The narrow world walked darkly and well-known

Will burst asunder, strangely beautiful

For all our fear as favourite walls come down.

 

What is it shines upon the distant sea –

Mermaid or monster, some outrider of

Lost continents whose gold eternity

Renders a shambles of our world of love?

 

We had not looked because it might disturb;

Speak a strange language, or tear down the fear

Which clothed our safety. Someone took that word,

Gave a new meaning to the question: “Where?”

 

Suddenly all is broader: there’s more light.

But mind will split beneath the impact’s weight.

Give us more darkness to conceal our fright!

Man was not meant to move from his front-gate.

 

What he will make of this will profit Death

Who owns most shares in all discovery.

New-rising lands will blench as that pale breath

Touches their frontiers from the aching sea.

 

But look! There’s gold: strange fruits and dreams:

Brown limbs and breasts wake in the conscience free

Of fear of sacrilege. Give wishes names –

All will come true! This is discovery!

 

Progress leaves prints across the beaten world.

Tracks, maps, cathedrals, and the ports of call

To ravage the instructions of the child

Quite, like ourselves, bewildered by it all.

 

Louis Johnson.

 

Bookmark and Share

2 Kommentare op “Leon Retief. Die DNS-sepie Episode 6”

  1. Ivan Mocke :

    Liewe hemel, Leon. Hierdie reeks essays van jou is enorm. Nog nooit het ek die DNS-ding heeltemal begryp nie, maar soos jy skryf volg ek dit maklik. Dankie ook vir die gedigte. Dit blaas my kop elke keer.

  2. Leon Retief :

    Baie dankie Ivan. Die spreekwoord sê mos: waar die hart van vol is, loop die mond van oor. Dis altyd lekker om te vertel van iets wat jou fassineer, en andersom natuurlik ook.

Los kommentaar