Biofysici ontdekken vier nieuwe regels voor DNA-grammatica

De Oostenrijkse biochemicus Erwin Chargaff staat bekend om de twee regels die hij ontdekte en die nu zijn naam dragen. Ten tijde van deze ontdekking, in 1950, was het grootste probleem in de biologie het begrijpen van de structuur van DNA. De regels van Chargaff bleken een belangrijke aanwijzing in deze puzzel.

Biologen wisten al lang dat DNA was opgebouwd uit vier moleculen: adenine, guanine, thymine en cytosine. Ze gingen ervan uit dat deze moleculen in gelijke hoeveelheden voorkwamen en verwierpen alle metingen die anders suggereerden als experimentele fouten.

Chargaff toonde door zorgvuldige meting aan dat deze veronderstelling onjuist was. Hij ontdekte dat de hoeveelheid adenine gelijk was aan die van thymine en de hoeveelheid guanine gelijk aan die van cytosine, maar deze waren niet gelijk aan elkaar. De ruwe cijfers zijn: A=T=30% en G=C=20%.

De eerste pariteitsregel van Chargaff, zoals deze nu wordt genoemd, was een belangrijke aanwijzing die James Watson en Francis Crick gebruikten om hun basenpaarmodel voor de dubbele helixstructuur te ontwikkelen. Biologen weten nu dat aangezien A bindt met T en G bindt met C om een ​​dubbele helix te vormen, deze regel geldt voor al het dubbelstrengs DNA.

Chargaff ontdekte verder dat een geschatte versie van zijn regel ook geldt voor het meeste (maar niet alle) enkelstrengs DNA. Dat is veel meer een puzzel en biologen weten nog steeds niet precies waarom het waar is.

De regels van Chargaff zijn belangrijk omdat ze verwijzen naar een soort biologie-grammatica, een reeks verborgen regels die de structuur van DNA bepalen. Deze grammatica zou zich moeten openbaren als patronen in het DNA die invariant zijn voor alle soorten.

Maar in de 60 jaar sinds Chargaff zijn invariante patronen ontdekte, zijn er geen andere ontstaan. Tot nu.

Vandaag zeggen Michel Yamagishi van het Applied Bioinformatics Laboratory in Brazilië en Roberto Herai van Unicamp in Sao Paulo dat ze verschillende nieuwe patronen hebben ontdekt die de grammatica van DNA aanzienlijk verbreden.

Hun aanpak is rechttoe rechtaan. Deze jongens gebruiken de verzamelingenleer om aan te tonen dat de bestaande regels van Chargaff het bestaan ​​van andere patronen van hogere orde impliceren.

Hier is hoe. Een manier om over de patronen in DNA na te denken, is door een DNA-sequentie op te delen in woorden met een specifieke lengte, k. De regels van Chargaff zijn van toepassing op woorden waarbij k=1, met andere woorden, op enkele nucleotiden.

Maar hoe zit het met woorden met k=2 (bijv. AA, AC, AG, AT enzovoort) of k=3 (AAA, AAG, AAC, AAT enzovoort)? Biochemici noemen deze woorden oligonucleotiden. De verzamelingenleer houdt in dat de hele verzamelingen van deze k-woorden ook moeten gehoorzamen aan bepaalde fractal-achtige patronen.

Yamagishi en Herai distilleren ze in vier vergelijkingen.

Het is natuurlijk alleen mogelijk om deze patronen te zien in enorme DNA-datasets. Ja hoor, Yamagishi en Herai hebben de DNA-sequenties van 32 soorten doorgecijferd op zoek naar deze nieuwe fractale patronen. En ze hebben ze gevonden.

Ze zeggen dat de patronen met grote precisie verschijnen in 30 van deze soorten, waaronder mensen, e coli en de plant arabidopsis. Alleen het humaan immunodeficiëntievirus (hiv) en Xylella fastidiosa 9a5c, een insect dat perziken aanvalt, voldoen niet.

Deze nieuwe regels laten voor het eerst zien dat oligonucleotidefrequenties onveranderlijke eigenschappen hebben over een groot aantal genomen, zeggen ze.

Dat zou heel nuttig kunnen blijken te zijn voor het beoordelen van de prestaties van nieuwe technologieën voor het met hoge snelheid sequencen van hele genomen.

Een probleem met deze technieken is te weten hoe nauwkeurig ze werken. Yamagishi en Herai suggereren dat een eenvoudige test zou zijn om te controleren of de nieuw gesequenced genomen deze invariante patronen bevatten. Als dat niet het geval is, is dat een teken dat de technologie mogelijk een soort vooroordeel introduceert.

Dit lijkt een beetje op een checksum-test voor het opsporen van onbedoelde fouten in gegevensblokken en een mooi stukje wetenschap om op te starten.

Referentie: arxiv.org/abs/1112.1528 : Chargaff's Grammar of Biology: nieuwe fractal-achtige regels

zich verstoppen