Dictaat Moleculaire Genetica 1
College 1
In de cel zit alle genetische informatie van een organisme. DNA moet worden gerepliceerd want het
DNA moet worden doorgegeven aan het nagelacht. Er kunnen mutaties ontstaan bij het repliceren
van de cel. Er zijn echter methoden, stoffen en andere zaken, om het DNA te repareren van deze
mutaties. Genetische recombinatie is het combineren van verschillende DNA-segmenten tijdens de
replicatie. Dit zorgt voor genetische variatie wat uiteindelijk een grote oorzaak is van evolutie.
DNA wordt afgelezen en omgezet naar RNA. Dit proces heet transcriptie. Om uiteindelijk het RNA te
vertalen naar een eiwit wordt er gebruik gemaakt van translatie. Al deze systemen worden
gereguleerd en eventuele fouten worden opgevangen. Alle organismen maken gebruik van
nucleïnezuren om te vertalen naar aminozuren. Al deze processen worden gekatalyseerd door
enzymen.
Als al deze processen kunnen worden gecategoriseerd en in een stamboom worden geplaatst. Er
kunnen drie groepen worden onderscheiden: eukaryoten, prokaryoten en archaea. Prokaryoten zijn
organismen zonder celkern en de meeste bacteriën vallen hieronder. Eukaryoten zijn organismen
met celkern. Gisten zijn eukaryoten en menselijke cellen vallen hier ook onder. Om verder nog
scheiding te maken kan er gekeken worden naar de methode die door het organisme wordt gebruikt
voor de transcriptie en translatie. Het ribosomaal RNA is een goede manier om overeenkomsten te
bekijken.
Homologe genen zijn genen met een gemeenschappelijke voorouder die ongeveer dezelfde functie
hebben. De archaeabacteriën zijn afgesplitst van een gemeenschappelijke voorouder met de
eukaryoten. De algemene lijn in evolutie is dat er meer genen bij zijn gekomen door de tijd heen. Het
ontstaan van nieuwe genen kan allereerst door een mutatie.
Een voorbeeld is photolyase-activiteit, bij allerlei organismen kan een eiwit (Phr eiwit) energie halen uit
opgevangen licht halen en dit gebruiken om DNA te repareren. Bij zoogdieren is dit gen ook nog aanwezig maar
heeft er een mutatie plaats gevonden waardoor het codeert voor een cryptochroom activiteit waarbij het
opgevangen licht wordt gebruikt voor de biologische klok.
Een andere methode voor het ontstaan van nieuwe genen is gen duplicatie. Van een gen eindigen er
na de duplicatie twee identieke genen in de cel. Vervolgens muteert één of beide genen en zo
ontstaan er twee vergelijkbare genen met net een andere functie.
Voorbeeld: bacillus subtillus heeft een gen dat maar liefst 77 duplicaties heeft van hetzelfde gen, met name
voor transporteiwitten
Voorbeeld: in mensen zijn er genen voor alpha en bèta hemoglobine, in primitieve vissen was er één soort van
dit gen, maar door duplicaties ontstonden er in kikkers twee varianten van het gen voor de twee soorten
hemoglobine. In mensen zijn er maar liefst 11 kopieën van dit gen te vinden, 5 voor het alphaglobine en 6 voor
de bètaglobine. Tijdens de foetale periode wordt er vooral alphaglobine geproduceerd, volwassene vooral
bètaglobine.
Bij homologe genen wordt er onderscheid gemaakt tussen orthologe genen en paraloge genen.
Orthologe genen zijn genen in twee verschillende organismen die een gezamenlijke voorouder
hebben en vervolgens zijn bij één of bij beide organismen deze genen gemuteerd waardoor ze net
,een andere functie krijgen. Paraloge genen zijn genen die binnen één soort zijn gedupliceerd en
vervolgens door mutatie een andere functie ten opzichte van elkaar hebben gekregen.
Nog een manier van het ontstaan van nieuwe genen is door het mengen van genen, stukjes van gen
A worden gemengd met stukjes van gen B en zo ontstaan er twee genen met een andere volgorde.
Voorbeeld hiervan is het Tre2 gen, dit gen komt alleen voor in mensapen en mens en dit gen is een combinatie
van twee genen die te vinden zijn in alle zoogdieren.
Een andere manier is om via horizontal transfer genetische innovatie te krijgen. Bij horizontal
transfer vindt er genoverdracht plaats vanuit het ene naar het andere organisme. Bacteriën kunnen
‘kaal’ DNA opnemen. Daarnaast is het ook mogelijk dat er overdracht van DNA-fragmenten plaats
vindt via virussen of via plasmiden. Het doorgeven van genen aan een volgende generatie wordt ook
wel vertical transfer genoemd.
Bij onderzoek wordt er vaak gebruik gemaakt van de E.coli bacterie. Deze bacterie heeft een verdubbelingstijd
van 20 minuten en het genoom bestaat uit 1 circulair chromosoom. Bij experimenten worden random mutaties
aangebracht en vervolgens werd er gekeken wat het resultaat was. Dit heet ook wel forward genetics
genoemd. Tegenwoordig wordt er vooral gebruik gemaakt van reverse genetics waarbij er eerst naar het
genoom wordt gekeken en dan een gerichte mutatie toegepast.
Gistcellen zijn eukaryoten die een verdubbelingstijd hebben van 1,5 uur. Gist kent een haploïde en een diploïde
fase. Bij de haploïde fase is er van elke chromosoom maar één en in de diploïde fase zijn er van elk gen twee.
Caenorhabditis elegans is een simpele worm die van bevruchte eicel naar volwassen dier 4 dagen zit. Ook deze
worm wordt vaak in het laboratorium gebruikt. Deze worm heeft maar 40 cellen waarvan 2 zenuwcellen.
Drosophila is een vliegsoort die ook vaak in het laboratorium gebruikt wordt. Deze vlieg heeft van bevruchte
eicel 9 dagen nodig tot een volwassen vlieg.
Zebravissen worden ook veel gebruikt, in deze vissen zijn makkelijk mutanten aan te maken omd at het embryo
doorzichtig is en de individuele cellen goed te volgen zijn. Het duurt drie maanden om van een bevruchte eicel
naar volwassen vis te gaan.
Muizen hebben een groot genoom en hebben 80% homologe genen met de mens. De generatietijd van muizen
is maar 10 weken. Vooral voor ziektemodellen worden deze dieren gebruikt.
College 2
DNA staat voor desoxyribonucleïnezuur en RNA staat voor ribonucleïnezuur. Nucleotiden zijn
opgebouwd uit suikers, organische basen en 1, 2 of 3 fosfaten. In de onderstaande figuur is dat te
zien, bij RNA zit er aan de 2’ in plaats van een
waterstofatoom een OH-groep. Aan de 5’ kant
zitten de fosfaten en aan de 1’ kant zit de
base. Er zijn 5 basen in totaal, namelijk
adenine, guanine, cytosine, thymine en
uracil. Thymine komt alleen in DNA voor en
uracil alleen in RNA. Uracil, thymine en
cytosine hebben een pyrimidine vorm en
adenine en guanine hebben een purine vorm.
,De base zit met een
glycosideband aan de 1’ kant
van de suiker. De fosfaatgroep
zit met een esterband aan de 5’
kant van de suiker. Een suiker
met een base is een nucleoside
en een suiker met een base en
een fosfaatgroep is een
nucleotide. In de onderstaande
tabel staan alle namen voor
nucleosiden en nucleotiden.
Desoxyuridine bestaat wel maar
is een intermediair in de
synthese van desoxythymidine.
Base Nucleoside Nucleotide Afkorting
nucleotide
adenine adenosine (deoxy)adenosinemonofosfaat (d)AMP
(deoxy)adenosinedifosfaat (d)ADP
(deoxy)adenosinetrifosfaat (d)ATP
guanine guanosine (deoxy)guanosinemonofosfaat (d)GMP
(deoxy)guanosinedifosfaat (d)GDP
(deoxy)guanosinetrifosfaat (d)GTP
cytosine cytidine (deoxy)cytodinemonofosfaat (d)CMP
(deoxy)cytodinedifosfaat (d)CDP
(deoxy)cytodinetrifosfaat (d)CTP
thymine thymidine deoxythymidinemonofosfaat dTMP
deoxythymidinedifosfaat dTDP
deoxythymidinetrifosfaat dTTP
uracil uridine uridinemonofosfaat UMP
uridinedifosfaat UDP
uridinetrifosfaat UTP
Wanneer een DNA keten wordt gemaakt wordt er een
koppeling gemaakt tussen de 5’ kant en 3’ kant van twee
nucleotiden. De ppi groep is een goede vertrekkende groep.
De binding tussen de nucleotiden wordt de fosfodiesterband
genoemd. De band waarmee de fosforgroepen aan elkaar
zitten wordt de fosfoanhydrideband genoemd. Wanneer een
DNA sequentie wordt uitgeschreven wordt dit gedaan van de
5’ kant naar de 3’ kant. DNA bestaat uit twee strengen en
RNA uit één streng. De twee strengen in DNA zijn met elkaar
verbonden door middel van waterstofbruggen. Hiervoor zijn
NH- en OH-groepen uitermate voorgeschikt omdat ze een
grote elektronegativiteit hebben. In DNA vormen purines
waterstofbruggen met pyrimidines. Guanine vormt drie
waterstofbruggen met cytosine en adenine vormt twee waterstofbruggen met thymine. Wanneer er
een helix is met veel AT baseparing dan is de helix dus minder stabiel dan wanneer er veel GC
,baseparing is. De ene streng loopt anti-parallel ten opzichte van de andere. Dit betekend dus dat de
ene streng van 5’ naar 3’ loopt de andere van 3’ naar 5’. Als je van één streng de sequentie weet,
weet je door de vaste baseparing ook de sequentie van de andere streng, de strengen zijn dus
complementair. De keten suikers en fosfaten waar de basen aanzitten wordt ook wel de backbone
genoemd.
De DNA strengen vormen samen een dubbele helix. De afstand tussen de basen is 0.34 nm en een
DNA-helix heeft ongeveer 10 baseparen per turn. Deze strengen draaien rechtshandig om elkaar
heen. Er zijn twee groeven in het DNA de minor groove en de major groove. De minor groove is een
stuk smaller dan de major groove. Basen stapelen op de manier dat ze doen door hun orbitalen. Als
ze loodrecht op elkaar zouden stapelen, dan zouden de elektronen elkaar teveel afstoten en dit is
energetisch ongunstig. Aromatische systemen zijn wel energetisch gunstig als ze enigszins
verschoven zijn en dit veroorzaakt de draaiing. De basen in een helix zitten dicht op elkaar gestapeld.
De waterstofbruggen in de helix kunnen worden verbroken door enzymen. Daarnaast kunnen de
waterstofbruggen ook verbroken worden door het verhogen van de temperatuur. Ook kan de pH
verhoogt worden. Bij een hoge pH zijn namelijk veel OH —ionen aanwezig die competeren met de
OH-groepen in het DNA. Het verbreken van de waterstofbruggen heet uitsmelten of denatureren.
Deze strengen zitten dan los in de cel, maar kunnen ook weer aan elkaar binden en dit wordt ook
wel hybridiseren of renatureren genoemd. Het complex tussen twee gehybridiseerde strengen
wordt ook wel duplex genoemd.
Om een gen te bekijken wordt er een oligonucleotide of primer gebruikt. Dit is een stukje DNA van 2
tot 50 nucleotide en hier kan een fluorescent molecuul aan gehangen worden. Deze methode wordt
Fluorescent In Situ Hybridisation genoemd of FISH.
College 3
Een helix heeft een bepaalde draaiing, baseparing moet regelmatig verbroken worden voor zaken als
replicatie en transcriptie. Die windingen vormen een probleem voor het verbreken van de
baseparing. Wanneer een enzym de helix gaat ontwinden vormen er aan de ene kant teveel
windingen en aan de andere kant te weinig, op een gegeven moment komt het enzym niet meer
door de streng heen. Het DNA vormt dan lussen in de helix en deze lussen worden supercoils
genoemd. Supercoiling ontstaat doordat het DNA terug wil naar de ideale situatie waarbij er 10
baseparen per turn zitten. Er is twee soorten supercoiling: positieve supercoiling en negatieve
supercoiling. Een positieve supercoil ontstaat bij teveel windingen en zorgt ervoor dat er een
winding minder in het DNA komt en een negatieve supercoil ontstaat bij te weinig windingen. In het
onderstaande plaatje is het verschil te zien tussen positieve (links) en negatieve (rechts)
supercoiling. Supercoiling gebeurt alleen als de uiteinden gefixeerd zijn. Supercoiling gebeurd dus in
plasmiden en in een circulair DNA, maar ook in lange DNA-strengen. Bij een paar miljoen baseparen
is het DNA niet heel vrij, ook door interactie met
allerlei eiwitten, dus er ontstaat ook supercoiling.
Supercoiling zorgt voor erg veel druk op het DNA,
dus er kunnen er niet te veel van inzitten. Bij de
replicatie ontstaat er bijvoorbeeld veel
supercoiling, zowel positief als negatief. Dit wordt
eruit gehaald met behulp van topoisomerases.
DNA topoisomeren zijn DNA helices die chemisch
identiek zijn, maar topologisch verschillend, dus
, verschillen in het aantal windingen. Er zijn twee typen topoisomerase: topoisomerase I en
topoisomerase II. Topoisomerase I maakt een breuk in één van de strengen van de DNA helix,
vervolgens bindt de tyrosine in het enzym aan de fosforgroep aan de 5’ kant. Het enzym verandert
vervolgens van conformatie waardoor de ongebroken streng door het gat van de gebroken streng
kan. De fosfaatgroep bindt weer aan de OH-groep aan de 3’ kant en de streng is weer compleet en
er is een winding meer of minder in de helix. De reactie die topomerase I katalyseert heet een
transesterificatiereactie. Dit proces is hieronder afgebeeld. Topoisomerase I kan geen supercoiling
inbrengen, alleen maar supercoiling weghalen. Omdat het DNA van nature naar de 10 windingen per
turn wil, heeft topoisomerase I geen energiebron nodig. Topoisomerase I zorgt er alleen maar voor
dat het weghalen van supercoiling gereguleerd gaat.
Topoisomerase II kan naast supercoiling weghalen ook supercoiling inbrengen. Dit kost echter A TP.
Als het DNA een supercoil vormt dan kruist het DNA over zichzelf heen. Topoisomerase II zoekt een
kruising op bij een supercoil. Hij maakt vervolgens twee breuken in één van de twee dubbele helices
bij die kruising en haalt vervolgens de ongebroken dubbele helix erdoorheen. Hierdoor worden twee
supercoils weggehaald of juist toegevoegd. Topoisomerase II is een dimeer. Dit is een eiwit dat uit
twee subunits bestaat die identiek zijn aan elkaar. Ook topoisomerase II maakt gebruik van tyrosines
voor het katalyseren van deze reactie (zie onderstaande afbeelding). Topoisomerase II gebruikt 2
ATP moleculen voor de katalyse. Een andere functie van topoisomerase II is om twee in elkaar
gehaakte circulair DNA moleculen uit elkaar te halen.
