Darwin, Dawkins, Junk-DNA.

Und mal wieder ein Beweis völliger Ahnungslosigkeit auf Evolution & Schöpfung ('ENCODE - Wissenschaftliche Vorhersage des ID bestätigt'). Es werden drei Behauptungen aufgestellt:

1. Die Erwartung der "darwinistische" Evolutionstheorie wird werden durch Funktionen in "Junk"-DNA widerlegt. [in fett: Änderung vom 25.07., 21 Uhr irischer Zeit]
2. ID sagt voraus, dass (alle) "Junk"-DNA eine Funktion hat.
3. Das ENCODE-Projekt zeigt, das die meiste "Junk"-DNA eine Funktion hat und bestätigt damit die Voraussage von ID.

Lustigerweise sind alle diese Behauptungen falsch. Für die Erste zeige ich das in diesem Post. [Update 20. Juli 2007: Und für die zweite Behauptung zeige ich hier: 'Warum ID keine Funktion in "Junk"-DNA voraussagt.' und 'Nachtrag: Casey Luskin "erklärt", warum ID Funktionen in Junk-DNA voraussagt'.

Die "darwinistische" Evolutionstheorie ist adaptionistisch. Sie betont natürliche Selektion als treibende Kraft der Evolution. Das Auftreten von Mutationen ist nicht limitierend, jede Mutation tritt früher oder später auf. Mutationen, die einen Vorteil darstellen, werden durch natürliche Selektion in der Population fixiert, wohingegen neutrale oder gar negative Veränderungen aus der Population eliminiert werden. Bezogen auf funktionslose DNA bedeutet dies, dass sie einen "Kostenfaktor" darstellt (bei jeder Zellteilung muss sie verdoppelt werden) und ihr Anteil durch deletierende Mutationen "klein gehalten" wird. Pure Adaptionisten gingen davon aus, dass das mehr oder weniger das gesamte Genom eine Funktion für die Zelle/den Organismus hat und damit die Genomgröße einen Hinweis auf die Anzahl der enthaltenen Gene wäre. Diese Ansicht führte zur Formulierung des C-Value-Paradoxes. Organismen, die als weniger "komplex" angesehen wurden (und nach der damals herrschenden Ansicht weniger Gene enthalten sollten), hatten teilweise größere Genome als Organismen mit einer anscheinend höheren "Komplexität".

In 1948, Thomas and Vendrely reported a "remarkable constancy in the nuclear DNA content of all the cells in all the individuals within a given animal species", which they took as evidence that DNA, rather than protein, was the substance of which genes are composed. The term C-value reflects this observed constancy. However, it was soon found that C-values (genome sizes) vary enormously among species and that this bears no relationship to the presumed number of genes (as reflected by the complexity of the organism). For example, the cells of some salamanders may contain 40 times more DNA than those of humans. Given that C-values were assumed to be constant because DNA is the stuff of genes, and yet bore no relationship to presumed gene number, this was understandably considered paradoxical; the term C-value paradox was used to describe this situation by C.A. Thomas, Jr. in 1971.

[Quelle: Wikipedia]

Mit anderen Worten, die streng adaptionistische Sichtweise erfordert ein "stromlinienförmiges" Genom, mit einem geringen Anteil funktionsloser DNA, oder einer Funktion dieser DNA, die unabhängig von der Sequenz ist.

The first [Anm.: group of people which has been driven by a philosophical need to identify functions for all non-coding DNA] includes strict adaptationists, among whom it was often assumed that all non-coding DNA, by virtue of its very existence, must be endowed with some as-yet-unknown function of critical importance: “The very fact that amplified sequences have been maintained, withstanding rigours of selection, indicates some adaptive significance” (Sharma 1985).

[Quelle: Genomicron]

Eine ganze Reihe von Funktionen ist (auch) darum für nicht-codierende DNA vorgeschlagen worden. Einige Beispiele dafür finden sich in der folgenden Liste (die vollständigen Literatur-Referenzen finden sich hier; man beachte die Jahreszahlen).

Those who complain about a supposed unilateral neglect of potential functions for non-coding DNA simply have been reading the wrong literature. In fact, quite a lengthy list of proposed functions for non-coding DNA could be compiled (for an early version, see Bostock 1971). Examples include buffering against mutations (e.g., Comings 1972; Patrushev and Minkevich 2006) or retroviruses (e.g., Bremmerman 1987) or fluctuations in intracellular solute concentrations (Vinogradov 1998), serving as binding sites for regulatory molecules (Zuckerkandl 1981), facilitating recombination (e.g., Comings 1972; Gall 1981; Comeron 2001), inhibiting recombination (Zuckerkandl and Hennig 1995), influencing gene expression (Britten and Davidson 1969; Georgiev 1969; Nowak 1994; Zuckerkandl and Hennig 1995; Zuckerkandl 1997), increasing evolutionary flexibility (e.g., Britten and Davidson 1969, 1971; Jain 1980; reviewed critically in Doolittle 1982), maintaining chromosome structure and behaviour (e.g., Walker et al. 1969; Yunis and Yasmineh 1971; Bennett 1982; Zuckerkandl and Hennig 1995), coordinating genome function (Shapiro and von Sternberg 2005), and providing multiple copies of genes to be recruited when needed (Roels 1966).

[Quelle: Genomicron]

Dem aufmerksamen Leser wird möglicherweise aufgefallen sein, dass ich plötzlich von *funktionsloser* DNA zu *nicht-codierender* DNA übergegangen bin. Das liegt daran, dass die von mir zitierte Liste auch eindeutig Sequenz-abhängige Funktionen beinhaltet, wie beispielsweise "serving as binding site for regulatory molecules" oder potenziell Sequenz-abhängige Funktionen wie "maintaining chromosome structure".
Wenn ich von funktionsloser DNA spreche, dann meine ich damit DNA, die keine Sequenz-abhängige Funktion für den Organismus/die Zelle hat. Also z. B. Introns, die (i. d. R.) nicht-(Protein-)kodierenden Bereiche in einem Gen, die nach der Transkription des Gens zu prä-RNA durch Splicing entfernt werden, können eine "Funktion" haben, in dem sie beispielsweise Exon-Shuffling, alternatives Splicing oder Trans-Splicing ermöglichen. Diese "Funktion" ist aber i. d. R. nicht Sequenz-abhängig (bis auf die Sequenz an der "Splice site"), d. h. das Intron kann experimentell verkürzt oder durch eine andere Sequenz ersetzt werden, ohne die "Fitness" der Zelle zu beeinträchtigen.

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Alternatives Splicing. Die blauen Kästen symbolisieren Exons, das orange-farbene Kästchen den Transkriptionsstartpunkt und die Bereiche zwischen den Exons Introns. Bei der Transkription (dem Umschreiben der DNA in RNA) wird zunächst der gesamte Bereich zwischen Transkriptionsstart- und Endpunkt in prä-RNA umgeschrieben. Aus dieser prä-RNA werden die Introns ausgeschnitten, so dass die Exons direkt aufeinander folgen (d. h. die Exons werden zusammen "gespleißt"). Diese RNA wird dann als Boten- oder messengerRNA (mRNA) bezeichnet und erst dann in eine Aminosäuresequenz/Protein translatiert ("umgeschrieben"). Beim alternativen Splicing können aus einer prä-RNA verschiedene mRNAs und damit auch verschiedene Proteine entstehen, indem z. B. wie im Bild ein Exon (der dritte Kasten von links) entweder in die entstehenden mRNA mit eingeht (rechts oben) oder nicht (rechts unten).

[Bild-Quelle: Wikipedia]

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Noch ein weiteres Wort zu "funktionslos". Wie aus dem obigen Abschnitt schon hervorgegangen sein sollte, sind darin zwei verschiedene Bedeutungen enthalten. Die Bedeutung im allgemeinen Sinne wäre: keine Funktion whatsoever, also auch keine Sequenz-unabhängige Funktion wie die für Introns beschriebene. Die Bedeutung im engeren Sinne ist dementsprechend: keine Sequenz-abhängige Funktion für den Organismus/die Zelle. Diese Unterscheidung ist eine sehr wichtige, wenn man über "Junk"-DNA spricht, da grundsätzlich nur funktionslos im Sinne einer Sequenz-abhängigen Funktion gemeint ist.

Bevor ich zum Begriff "Junk"-DNA selbst komme, noch ein Wort zur "Funktionslosigkeit". Selbst wenn man allgemeine Bedeutung von "funktionslos" nimmt, ist das im Rahmen der modernen Evolutionstheorie kein wirkliches Problem. Es gibt keinen (bekannten) Mechanismus, der funktionslose DNA gezielt aus dem Genom entfernen kann. Die einzige Möglichkeit sind Deletionen, d. h. ein Stück des Genoms geht durch Kopierfehler verloren. Um wirklich alle oder wenigstens große Bereiche funktionsloser DNA zu entfernen, müssten a) diese Mutationen mindestens so häufig auftreten wie die Vorgänge, die zu einer Zunahme funktionsloser DNA führen und b) der Vorteil durch die Deletion (die Energieersparnis) groß genug sein, um zu einer Fixierung in einer Population zu führen. Eine Deletion, die groß genug ist, einen solchen Vorteil zu bieten, würde aber wohl häufig auch funktionelle Bereiche betreffen und der Vorteil der "Kostenersparnis" durch den Verlust des funktionellen Bereiches mindestens aufgehoben werden.
Das Auftreten von völlig funktionsloser DNA ist umso mehr ein "Problem", je mehr Gewicht man der natürlichen Selektion zumisst. Wenn man annimmt, dass im Grunde alle möglichen Mutationen auch irgendwann mal auftreten und natürliche Selektion "immer" eine Fixierung auch nur minimal vorteilhafter Veränderungen bewirkt (je mehr man also "Adaptionist" ist), um so weniger ist das Vorkommen völlig funktionsloser DNA erklärbar und umso eher muss man vermuten, dass eine Sequenz-unabhängige Funktion vorliegt. Auf der anderen Seite, wenn man Mutationen als den bestimmenden Faktor ansieht, also annimmt, dass *nicht* alle möglichen Mutationen irgendwann mal auftreten und natürliche Selektion eben nur aus den vorhandenen Variationen "auswählen" kann, also den "zufälligen" Charakter von Evolution mehr im Vordergrund sieht, umso weniger ist das Vorkommen völlig funktionsloser DNA überraschend. Es sind einfach nicht genug große Deletionen aufgetreten, um den Anteil funktionsloser DNA gering zu halten. Für eine (etwas sehr polarisierte) Ausführung zu dem Thema kann man bei Larry Moran (Evolution by Accident) nachlesen.

Ironischerweise nennt der Autor des Evolution & Schöpfung-Posts ausgerechnet Dawkins als Vertreter der "darwinistischen" Evolutionstheorie. Dawkins ist nach L. Moran tatsächlich ein Vertreter der "modernen" Adaptionisten, aber als solcher wäre es für ihn eher schwieriger, völlig funktionslose DNA zu akzeptieren, als für Leute, die weniger Gewicht auf natürliche Selektion legen (zudem spricht Dawkins in dem Artikel-Abschnitt, aus dem das E & S Zitat stammt, hauptsächlich von Genduplikationen, die sowohl zu neuen Funktionen als auch zur Entstehung von Pseudogenen führen können - ersteres bestreiten IDler, letztere sind tatsächlich funktionslos, also Junk im eigentlichen Sinne, und dürfte es nach dem, was in dem E & S Post steht, auch nicht geben).

Was ist nun aber "Junk"-DNA? Bisher habe ich mich um den Begriff herumgemogelt, einfach weil seine Bedeutung nicht ganz eindeutig ist, bzw. sich mit der Zeit gewandelt hat.

Eingeführt wurde der Begriff von Ohno 1972. T. Ryan Gregory von Genomicron hat ein ausführliches Post (A word about Junk DNA) zu Ohno im Besonderen und den Begriff "Junk"-DNA im Allgemeinen geschrieben, das ich jedem empfehle zu lesen, der sich für dieses Thema interessiert (weitere "Junk"-DNA bezogene Posts von Genomicron). Ohno verwendete "Junk"-DNA als Begriff für das, was wir heute als Pseudogene bezeichnen:

The points I wish to make are: 1) Natural selection is an extremely conservative force. So long as a particular function is assigned to a single gene locus in the genome, natural selection only permits trivial mutations of that locus to accompany evolution. 2) Only a redundant copy of a gene can escape from natural selection and while being ignored by natural selection can accumulate meaningful mutation to emerge as a new gene locus with a new function. Thus, evolution has been heavily dependent upon the mechanism of gene duplication. 3) The probability of a redundant copy of an old gene emerging as a new gene, however, is quite small. The more likely fate of a base sequence which is not policed by natural selection is to become degenerate. My estimate is that for every new gene locus created about 10 redundant copies must join the ranks of functionless DNA base sequence. 4) As a consequence, the mammalian genome is loaded with functionless DNA.

[Quelle: Ohno 1973, vollständige Literatur-Referenz bei Genomicron]

Wie Ryan weiter ausführt:

In Ohno’s usage, as in the vernacular, “garbage” refers to both the loss of function and the lack of any further utility (it was once useful, but now it isn’t). “Garbage DNA” proved to be an unsuccessful meme, but its essence remains in the wildly popular term coined by Ohno two years later – “junk DNA”. Thus, as Ohno (1972b) stated, “at least 90% of our genomic DNA is ‘junk’ or ‘garbage’ of various sorts”.

Wie sich später (und nicht zuletzt auch erst durch die Sequenzierungsprojekte ganzer Genome in den letzten Jahren) herausgestellt hat, überschätzte Ohno damit den Anteil, den Pseudogene am Genom einnehmen. Pseudogene sind aber tatsächlich funktionslos (im engeren Sinne, d. h. erfüllen keine sequenz-abhängige Funktion). Dies muss noch nicht mal bedeuten, dass sie nicht mehr transkribiert, also in RNA umgeschrieben werden, sondern nur, dass kein funktionsfähiges Protein entsteht (dies ist wichtig zu wissen, wenn man die ersten Ergebnisse des ENCODE-Projekts anschaut). Mehr zu Pseudogenen findet man beispielsweise im TalkOrigins-Archive: Plagiarized Errors and Molecular Genetics.

Der Begriff "Junk"-DNA wurde später auch auf andere Genombestandteile ausgeweitet, insbesondere repetitive Elemente und Transposons (siehe dazu auch ein weiteres Genomicron-Post 'Function, non-function, some function: a brief history of junk DNA'; zu repetitiven Elementen und Transposons kann man z. B. hier [aus: T. A. Brown, Genomes 2. BIOS Scientific Publishers Ltd, 2002, First published 1999, Second Edition 2002] oder bei TalkOrigins nachlesen) und wird von manchen als Bezeichnung für alle nicht-kodierende DNA verwandt, *für die keine Funktion bekannt ist* - darin ist aber natürlich keinesfalls beinhaltet, dass diese keine Funktion haben *dürfen*. Ein schönes Beispiel für diese Verwendung findet sich in "Sequence – Evolution – Function. Computational Approaches in Comparative Genomics" von Koonin & Galperin (Springer Verlag 2002): 'Digging Up Genomic Junkyards'.

What is all this non-coding DNA for? An astonishing (and probably humiliating for those with a feeling of eukaryotic supremacy) explanation appeared in the classic 1980 article of W. Ford Doolittle and Carmen Sapienza [197] and was reaffirmed in the eloquent accompanying paper of Leslie Orgel and Francis Crick [634]. These researchers hypothesized that the bulk of non-coding DNA in multicellular eukaryotes is selfish, has no function useful for the organism, and is there simply because the organism does not know how to get rid of it (or finds it too expensive) and has learned to live with all that junk. This is certainly a powerful idea and, to a degree, it is definitely correct: the basic selfishness of mobile elements such as ALUs and LINEs, which comprise a significant fraction of the human genome, is beyond doubt. However, even with these selfish elements, the matter is not quite that simple.

Recent genome-wide analyses showed that a small fraction of transposable elements become exapted to function as protein-coding sequences [539,609] or, to an even greater extent, for regulatory elements of mammalian genes [409]. Obviously, these exapted sequences contribute to innovation, which may be critically important in evolution. So why are complex eukaryotes so tolerant to mobile elements: simply because they cannot get rid of them or because, despite their selfishness, these elements are repeatedly put to a good use? We do not have the answer. Perhaps the most balanced viewpoint is that these explanations are not alternative but rather give us complementary aspects of the real story. The mobile elements might have started off as pure genomic parasites, but later have been exploited by the host and now should be most properly regarded as symbionts.

More generally, recent comparisons of the non-coding DNA sequences in two nematode species and in humans and mice have shown that 20–30% of the “junk” non-coding DNA evolves under purifying selection, i.e. is not junk at all [762,763]. The impetus of these findings, if supported by further analysis, is hard to overestimate: they indicate that ~93% of functionally important DNA in our genomes does not code for proteins. What are the functions of this “dark matter”? As of today, we are not even close to an answer (note that, if the above estimates are correct, we have to account for ~600 megabase of DNA in the human genome, an equivalent of ~50 yeast genomes!). Most likely, there is no single solution to the puzzle because the functions of non-coding DNA are likely to be versatile. Some recent hints are most tantalizing: it seems that a huge fraction of the non-coding DNA is transcribed at some level, and some of the transcripts are previously unidentified microRNAs, which are likely to perform a plenitude of regulatory functions (see [180] and the references therein).

[Quelle: 'Digging Up Genomic Junkyards'. aus: Koonin & Galperin, Sequence – Evolution – Function. Computational Approaches in Comparative Genomics. Springer Verlag 2002]

Schon vor 15 Jahren waren einige Evolutionsbiologen mit der Verwendung des Begriffs Junk-DNA selbst für Pseudogene und repetitive Elemente nicht einverstanden, da er ihrer Meinung nach missverständlich (es waren auch schon damals Pseudogene und repetitive Elemente bekannt, die (sekundär) eine Funktion hatten) und abwerten war. Darunter z. B. Stephen J. Gould, der 1992 zusammen mit J. Brosius einen Artikel veröffentlichte, in dem er eine Umbenennung vorschlug: On "genomenclature": A comprehensive (and respectful) taxonomy for pseudogenes and other "junk DNA" [PNAS (1992) Vol. 89, pp. 10706-10710; .pdf].

We focus in this paper on pseudogenes and dispersed repetitive elements, since their current names reflect the prevalent view that they constitute dispensable genomic noise (trash), rather
than a vast repertoire of sequences with the capacity to shape an organism during evolution.

[Quelle: Brosius & Gould (1992), On "genomenclature": A comprehensive (and respectful) taxonomy for pseudogenes and other "junk DNA". PNAS (1992) Vol. 89, pp. 10706-10710]

Die vorgeschlagene Nomenklatur wurde eher belächelt und konnte sich nicht durchsetzen, aber inhaltlich spiegelt der Artikel wieder, was natürlich auch schon zu der Zeit bekannt war: Nicht alle unter dem Begriff "Junk"-DNA zusammengefasste Elemente sind funktionslos.

Auch in einem späterer Artikel in JNCI [Kuska (1998). Should Scientists Scrap the Notion of Junk DNA? JNCI 90(14):1032-1033] wird das betont:

"I don't think people take the term junk DNA very seriously anymore," said Eric Green, M.D., Ph.D., a scientist with National Institutes of Health's National Human Genome Research Institute, whose group is mapping chromosome 7 as part of the Human Genome Project. "I mean, within the 'junk DNA' are all of the regulatory elements. So, if people don't think that regulatory elements are important in the complexity of genetic networks, then that's just naive."
[...]
What remains murky is just how much of the human genome is dispensable. "I'm sure there is some junk DNA in the human genome, but I would be real hesitant to say which proportion it is," said Katheleen Gardiner, Ph.D., a scientist at the Eleanor Roosevelt Institute in Denver, who studies human chromosome 21.
[...]
"The fact that we don't know something has a function doesn't mean that in reality it does nothing," said Carl Schmid, Ph.D., a chemist at the University of California at Davis, who recently published a paper indicating that Alu repeats are involved in regulating human protein synthesis in response to certain cellular stresses.

[Quelle: Kuska (1998). Should Scientists Scrap the Notion of Junk DNA?, JNCI Journal of the National Cancer Institute 90(14):1032-1033]

Zusammenfassend stelle ich fest: die strikt adaptionistische Sichtweise ("Darwinistisch") erfordert eine Funktion für (große Teile der) DNA. Große Bereiche funktionsloser DNA bestätigen eher die Neutrale Theorie. Larry Moran:

When sequences in noncoding DNA are conserved, this is taken as evidence of negative selection. In that sense, it supports the theory of natural selection. However, most of the sequence comparisons show that junk DNA is not conserved. This does not support the theory of natural selection. It supports Neutral Theory and the mechanism of evolution by random genetic drift.

[Quelle: Sandwalk]

Biologen haben noch nie angenommen, dass alle nicht-kodierende DNA funktionslos ist. Beispielsweise wies nahm Barbara McClintock schon 1948 nach an, dass Transposons regulatorische Elemente beinhalten, eine Entdeckung für die sie 1983 den Nobelpreis für Medizin erhielt.

Noch hat sie der Begriff Junk-DNA jemals davon abgehalten, nach Funktionen in Junk-DNA zu suchen. Sonst *gäbe* es die ganzen Artikel, die die Ausnahmen von der Regel beschreiben (z. B. Lowe et al. (2007), Thousands of human mobile element fragments undergo strong purifying selection near developmental genes. PNAS 104(19):8005-10, Nishihara et al. (2006), Functional noncoding sequences derived from SINEs in the mammalian genome. Genome Res. 16:864-874), gar nicht.

Die Behauptung, die Erwartungen der "darwinistische" Evolutionstheorie würden durch Funktionen in "Junk"-DNA widerlegt, ist also gleich auf mehreren Ebenen totaler Unsinn. [in fett: Änderung vom 25.07., 21 Uhr irischer Zeit]

MfG,
JLT