INTRODUCTION TO THE CELL
H0: CELLS AND GENOMES
The Universal Features of Cells on Earth
a. Alle cellen stockeren hun erfelijk materiaal in DNA
- Structuur DNA → hoofdstuk 1
- DNA replicatie: steeds opnieuw synthetiseren
- DNA → RNA → proteïne: transcriptie + translatie
b. Alle cellen gebruiken proteïnes als katalysatoren (enzymen)
- Bv. een polysaccharideketen dmv een lysozym breken
c. Alle cellen vertalen RNA naar proteïnen op dezelfde manier
- Bv. het tRNA-molecule met een specifiek anticodon dat op mRNA zal binden → aminozuurketen maken
d. Eén gen codeert meestal voor één eiwit
e. Een levende cel kan met minder dan 500 genen bestaan
The diversity of genomes and the tree of life
Grootste biochemische diversiteit = binnen de prokaryoten
- Verschillende vormen cellen: spiraal, ovaal (bv. E. coli), mini, sferisch…
- Bacteria & Archaea
- Meestal 1000-6000 genen
- Algemene opbouw:
Tree of life en Evolutie
- 3 grote takken
Bacteria
Archaea
Eukaryota
- Meer dan 200 genenfamilies
- Sommige genen evolueren heel snel, anderen zijn erg geconserveerd
- Nieuwe genen zijn gegenereerd uit al eerder bestaande genen
Intragenetische mutatie
Genduplicatie
o Zorgen voor families van verwante genen binnen een cel
DNA segment shuffling
Horizontale transfer (genetisch materiaal uitwisselen zonder dat er een familierelatie is)
- Termen
Homoloog: genen die gelijk zijn omdat ze dezelfde voorouder hebben
Ortholoog: twee genen in twee verschillende soorten dat dezelfde voorouder hebben (na soortvorming)
Paraloog: twee genen dat het resultaat zijn van genduplicatie
1 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 - 2022
,Genetic Information in Eukaryotes
- Kern heeft dubbel membraan!
- Evolutie vanuit symbiose
Ancestrale eukaryotische cel nam 2 keer een bacterie op →
°symbiose
werd…
o Mitochondria met dubbel membraan → eigen DNA!
o Of chloroplast met dubbel membraan → eigen DNA!
- Hybride genoom
Stuk van vader en moeder
- Gigantisch genoom
108 tot 1012 baseparen per haploid genoom
- Veel regulatorisch DNA
Zorgt ervoor dat de expressie van specifieke genen in een organisme kunnen verhogen/verlagen
Essentieel!
- Multicellulair
- Protisten: eukaryoten die als eencellige leven
- Expressie levels van genen van een organisme kunnen gemonitord worden
- Belangrijke modellen
Gistcellen, Aradopsis, C. elegans, Drosophila, muis
- Genoom van vertebraten:
Ontstaan door genduplicaties
BASIC GENETIC MECHANISMS
H1: DNA, CHROMOSOMES AND GENOMES
- Celdeling: DNA splitsen onder de vorm van chromosomen
- DNA stijgt lineair met het verdubbelen van cellen tijdens de embryonale ontwikkeling
Experiment: DNA is drager van genetische informatie
Kolom 1: muizen werden geïnfecteerd met dodelijke smooth pneumonia
(bacterie). Door een mutatie wordt de pneumonia ruw en niet dodelijk.
Deze worden terug getransformeerd naar smooth. Deze zijn terug
dodelijk.
Conclusie: stoffen die in de S zaten kunnen de R
veranderen(/transformeren) in S, dus deze verandering wordt overgeërfd
Kolom 2: S cellen werden gefractioneerd tot RNA, DNA, lipiden… Na een
transformatietest: enkel in DNA blijven het S cellen
Conclusie: DNA is de drager van genetische info
The structure and function of DNA
Dubbele helix DNA (Crick & Watson)
- Suikerfosfaatruggengraat + basenparen
Nucleotide = stukje suikerfosfaat + een base
o Purines = A en G
o Pyrimidine = T, C en U
- Anti-parallelle complementaire strengen
5’ → 3’ en 3’ → 5’
- Enzym leest altijd 5’ → 3’Waterstofbruggen tussen beiden strands
2 tussen adenine en thymine
3 tussen cytosine en guanine
- Template van parentaal DNA zorgt voor polymerisatie van nieuwe strand
- Major & minor groove → °helix (breedte = 2 nm)
Om de 0,34 nanometer een turn
2 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 - 2022
,In eukaryoten: DNA is omsloten door celkern
- DNA zit in celkern (groot organel met membranen)
Behalve mitochondriaal en van chloroplasten
Behalve tijdens celdeling
Samenvatting
- DNA (= lineaire sequentie van nulceotides) is de drager van genetisch materiaal
- Elke DNA-molecule = een dubbele helix van twee complementaire strands van nucleotiden, die samen wordt
gehouden door waterstofbruggen
- Duplicatie van genetisch materiaal gebeurt door 1 strand van parentaal DNA te gebruiken als template
- Genetische materiaal is tezamen “het genoom” en omvat de instructies om proteïnen te synthetiseren in een
organisme
- In eukaryoten: DNA zit (over het algemeen) in de celkern
Chromosomal DNA and its Packaging in the Chromatin Fiber
- DNA komt tezamen met eiwitten opgerold voor (≠ idee van Watson&Crick)
Eukaryotisch DNA is ingepakt in chromosomen
- Mens: 22 chromosomen + X en Y
- Bv twee verwante soorten kunnen ander aantal chromosomen hebben
- Chromosomen bevatten lange reeksen genen
Elke regio codeert voor iets anders
Ook regio’s zonder coderende activiteit
- Goed te zien in metafase
- Mogelijke afwijkingen: trisomie, translocatie, inversies…
Statistieken voor genoom mens
- 3,2 * 109 basenparen
- 25 000 genen
- 3,5% hoog geconserveerd
Evolutionair: chromosomen vergelijken met andere dieren
- 15% van genoom = coderende regio’s
- 50% genoom is hoog repetitief
Andere 50% unieke sequenties met bv regulatorische regio’s
- Intronen en exonen
Chromosomen: verschillende stadia
- Doorheen celcyclus: veschillende vormen waarin chromsomen voorkomen
Meestal gecondenseerd als chromatinedraden
Tijdens mitose goed zichtbaar in typische vorm (metafase)
Langs rand minder
gedeeltelijk gecondenseerd
met wat eiwitten
3 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 - 2022
,Opbouw chromosoom
- Twee zusterchromatiden
- Centromeer: plaats waar microtubuli aan hechten
- Twee telomeren: langs uiteinden
- Meerdere origins of replication: plaats waar polymerase replicatie start
- Prokaryoten: circulair DNA → geen centromeren en telomeren
Packaging
1. DNA
2. Nucleosomen
- + 140 basenparen opgerold rond octameer van histonen (eiwit)
- 1 nucleosoom = 11 nanometer lang
3. Chromatindedraden
- Opgerolde nucleosomen
- + 30 nm lang
- = natuurlijke vorm waarin DNA voorkomt
4. Chromosoom
Histonen
- < H2A, H2B, H3, H4
- Elke histoon heeft een N-staart → belangrijk is bij functionaliteit van DNA bij transcriptie
- H3-H4 vormt een tetrameer
- H2A-H2B vormt een dimeer
- Roos errond = DNA
- Dynamisch
Bv. AA, TT en TA dinulceotides zijn als minor groove langs binnenkant geprefereerd en
G-C als minor groove langs buitenkant geprefereerd
Af en toe opent het een beetje
o Interactie met eiwitten mogelijk maken
- Chaperonen: extra eiwitten die kunnen (ont)binden van de histonen
in samenwerking met chromatine remodeling complex (groen)
kan opbouw van histonen veranderd worden of helemaal
veranderen door iets anders
- Histone H1: zit niet in kern
Trigger voor apoptose
4 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 - 2022
,Samenvatting
- Een gen is een nucleotide sequentie in een DNA molecule dat een functionele unit is voor de productie van een
proteine, structureel RNA of een katalytische/regulatorische RNA molecule
- In eukaryoten: genen die proteïnen coderen bestaan gewoonlijk uit een reeks van intronen en exonen,
geassoscieerd met regulatorische regio’s van DNA
- Chromosoom < DNA-molecule met een grote hoeveelheid genen
- Mensengenoom: 3,2 *109 basenparen ; 22 chromosomen en X en Y
- Slechts een klein deel is coderend
- Chromosomaal DNA: centromeer, telomeren, origins of replication
- DNA is in eukaryoten strak gebonden rond histonen dat per acht een nucleosoom vormen
- Nucleosomen zijn verder opgerold tot chromatinevezels
- Structuur van chromatine moet dynamisch zijn zodat DNA kan interageren met omgeving
Spontaan of door ATP (zoals remodeling complexes)
- De remodeling complexen werken samen met chaperonen zodat nucleosomen herpositioneerd, opnieuw
opgebouwd, of verwijderd kunnen worden
The Regulation of Chromatine Structure
Histonen bepalen densiteit van packaging
- Euchromatine: los → genuitdrukking mogelijk
- Heterochromatine: gecondenseerd → geen genuitdrukking
Epigenetica
= modificaties die niet erfelijk zijn, maar die wel doorgegeven kunnen worden tijdens de celdeling van geslachtscellen
- Bv. veranderingen in chromatine worden doorgegeven aan dochtercellen
Heterochromatine
- Hoog georganiseerd
- Gecondenseerd
- Resistent tegen genexpressie
- In embryonale ontwikkeling: eerst heterochromatine dat zich verspreidt in
euchromatine
- Drosophila
White gen zorgt voor regulatie van rood pigment in ogen
Er is een barrière naast het heterochromatine
Door een chromosoom inversie kwam dit gen naast een
heterochromatine te liggen en verplaatste de barrière zich
Het White gen wordt daardoor minder uitgedrukt
Rode ogen met witte vlekken
Histonen staart: mogelijke covalente modificaties
- Methylatie
- Acetylatie
- Fosforylatie
- Ubiquinatie = reeks aminozuren
5 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 - 2022
, - Enkele mogelijkheden
Methylatie op K9 (locatie)→ °heterochromatine + genuitschakeling (gene silencing)
Methylatie + acetylatie → genexpressie
Fosforlyatie + acetylatie → genexpressie
Methyatie op K27 → Hox genen uitschakelen + X-chromosoom uitschakelen
Extra variatie via site-specifieke invoeging van kleine sets histone varianten
- Naast de standaard histonen bestaan er nog varianten die in mindere mate voorkomen
- Varianten op H3
Bv. CENP-A: functie op centromeer en assemblage kinetochores
- Varianten op H2A
Bv. macroH2A: transcriptionele repressie en inactiveren van X-chromosoom
o Bij vrouwen is 1 vd 2 X-chr altijd inactief
Complex van reader en writer proteïnen
- Kunnen zorgen voor specifieke chromatine modificaties
- Code-reader complex: bv. histonen hebben een covalente modificatie
ondergaan
Reader complex herkent het en bindt erop vast
Andere componenten worden ook aangetrokken en binden mee
Leidt tot: genexpressie, genuitschakeling…
- Reader-writercomplex
Writer = enzym dat voor een bepaalde modificatie zorgt op een
nucleosoom
Reader = bindt op die histone modificatie
Meerdere repeats, adhv ATP
°een golf van chromatine condensatie
Barrière DNA sequenties blokkeren Reader-Writer complexen
- Zorgt ervoor dat chromatine domeinen van elkaar afgescheiden worden
- Bv. dat ene kant gecondenseerd is door reader-writer en vanaf een barrière proteïne niet meer
Chromatine in centromeren
- Toont dat histone varianten speciale structuren kunnen vormen
6 Luna Willems – Biologie – VUB 2021 - 2022
