Samenvatting moleculaire celbiologie
Hoofdstuk 4 – DNA, chromosomen en genoom
Structuur en functie van DNA
Genoom = al het DNA dat informatie voor eiwitten (functies) bevat
Chromosomaal DNA en de verpakking in chromatine vezels
Chromosoom = lineair DNA molecuul verpakt in een compactere structuur. Het DNA samen met de
eiwitten die het strak verpakken = chromatine. In elke cel bevinden zich 2 kopieën van elk chromosoom
(1 van de moeder, 1 van de vader), dit zijn homologen.
Vooral in de niet-coderende stukken van het DNA bevinden zich grote verschillen in de hoeveelheden
DNA van verschillende organismen. Ook: verschillen in de hoeveelheden genen en het aantal
chromosomen. Er is geen simpele relatie hiertussen.
Van het menselijk DNA codeert eigenlijk maar erg weinig DNA voor eiwitten, daarbij zitten er in genen
ook nog veel introns tussen en heeft elk gen regulerende DNA sequenties.
Een volledig functioneel chromosoom moet zichzelf kunnen repliceren -> cel cyclus. Het dupliceren van
de chromosomen start altijd bij een replication origin and vormt twee zuster chromatiden. De
centromeer zorgt ervoor dat een kopie van elke in een dochtercel getrokken kan worden. Aan het eind
van de chromosomen vind je telomeren: lange herhalingen van nucleotide sequenties welke ervoor
zorgen dat de chromosomen efficiënt gerepliceerd kunnen worden.
,Het DNA van de chromosomen is samengepakt op een specifieke manier waarbij 2 eiwitten een
belangrijke rol spelen:
• Histonen
• Niet-histon chromosomale eiwitten
De histonen zijn verantwoordelijk voor de ‘basic’ level van
verpakken: het nucleosoom. Twee eiwitten van elk histon
eiwit (H2A, H2B, H3 en H4) vormen een eiwit center
waarom het DNA twee keer gewikkeld wordt. Tussen de
histonen vind je linker DNA.
De paren van histoneiwitten (H2A/H2B, H3/H4)
hebben eenzelfde structureel motief (histon fold)
waardoor ze een octameer kunnen vormen. 3 + 4
binden, daar rolt het DNA omheen, 2A + 2B binden en
vormen octameer.
Door waterstofbruggen, positieve zijketens (basisch)
en andere hydrofobe interacties blijven het DNA en
de eiwitten aan elkaar vastzitten. Deze histoneiwitten
zijn goed geconserveerd. Ze moeten namelijk aan elk
soort DNA kunnen binnen en zijn niet specifiek.
Nucleosomen zijn dynamische structuren. Dit is nodig om het DNA goed uit te kunnen lezen. Hiertoe
laat het DNA om de zoveel tijd even los van het histon (1) en er zijn chromatine remodelling complexen
die met behulp van ATP het DNA relatief tot de kern kunnen verplaatsen om zo specifieke stukken van
het DNA bloot te leggen (2). Sommige van deze complexen kunnen zelfs (stukken van) histonen
verwijderen samen met chaperone eiwitten.
In de meeste gevallen zijn de nucleosomen op elkaar gestapeld. Hierbij speelt histon eiwit H1, ‘linker
histon’, een belangrijke rol.
Chromatine structuur en functie
Epigenetische overerving = overerving niet gebaseerd op verandering in de DNA sequentie, maar
bijvoorbeeld de chromatine structuur.
Twee typen chromatine:
, 1. Heterochromatine: heel strak verpakt, kunnen geen genen worden uitgelezen
2. Euchromatine: losser verpakt, kunnen wel genen worden uitgelezen
Uit onderzoek bleek dat euchromatine getranslocated kan worden dichtbij heterochromatine en zo
gesilenced wordt (eigenlijk ook heterochromatine wordt) = position effect. Dit wordt vaak ook zo
overgeërfd en laat zien dat heterochromatine de aanmaak van meer heterochromatine triggered.
De zijketens van histonen kunnen verschillen modificaties ondergaan. Deze modificaties zijn reversibel
door erg specifieke enzymen welke de modificaties plaatsen en weghalen. Drie soorten acties:
1. Acetylering: Verwijdert de positieve lading van histon, DNA komt losser te zitten, hetero -> eu
2. Fosforylering: Plaats negative lading op histon, DNA komt losser te zitten, hetero -> eu
3. Methylering: Legt positieve lading vast, is een bindingssite, eu -> hetero
De combinatie van modificaties bepaalt hoe en wanneer genen
tot expressie komen en waar dus welke eiwitten worden
gemaakt. Deze combinatie wordt ook wel de ‘histon-code’
genoemd. Sommige eiwitten kunnen aan zulke histon-codes
binden = reader complex. De reader complex trekt additionele
eiwitten/enzymen aan, zo ook enzymen welke modificaties
kunnen aanbrengen/weghalen = reader-writer complex, dit
complex schrijft de modificaties door op omliggende histonen.
In het echt ligt het wel iets ingewikkelder, zo zijn er bijv ook
remodelling enzymen involved. Omdat de modificaties zich niet
over de gehele DNA streng moeten verspreiden, zijn er barrière
sequenties aangebracht.
De modificaties kunnen lang blijven bestaan en zo als een soort
‘memory’ fungeren welke direct overgeerfd kan worden van de
ene cel op de andere = epigenetica. Wanneer het DNA
gedupliceerd wordt, worden de markeringen verdeeld over de
zuster chromatiden. De markeringen kunnen weer over worden
geschreven door reader-writer complex.
Globale structuur van chromosomen
Euchromatine is eigenlijk (net al euchromatine) ook redelijk compact, maar bevat ‘looped domains’,
waar een hoge mate van transcriptie plaats kan vinden. De expressie van genen in zo’n loop zorgen
ervoor dat de loop zich uitvouwt.
, Chromosomen bezetten discrete gebieden in de celkern: bijv, vooral heterochromatine bij het
membraan. Dit is erg dynamisch, loops of chromatine kunnen naar of weg van domeinen bewegen waar
veel expressie plaatsvindt = een reguleringsmechanisme van euchromatine.
Tijdens de mitose zijn de chromosmen highly condensed en kan er geen gen expressie plaatsvinden. Dit
wordt gefaciliteerd door histonmodificaties en additionele eiwitten.
How genomen evolve
Homologen genen zijn genen welke gelijk zijn in functie en sequenties en dus van een
gemeenschappelijke voorouder komen.
DNA sequenties met een functie (exonen) hebben een grotere kans om geconserveerd te blijven, want
mutaties daar leiden vaak tot het defunctioneren van een eiwit.
Veranderingen in het DNA kunnen plaatsvinden door puntmutaties, deletie, duplicatie etc, maar ook
door ‘mobiele DNA elementen’ genaamd transposons. Deze kunnen zich (van het ene naar het andere
chromosoom) verplaatsen.
In soorten die dicht bij elkaar liggen zien we dat de DNA sequenties nog aardig hetzelfde zijn geblven
(zelfs wiebelbasen!), omdat de tijd tussen wanneer ze divergde kort geleden is en er dus maar weinig
mutaties plaats kunnen hebben gevonden. In soorten die verder van elkaar afstaan zijn we dat de enige
conservatie vaak de belangrijke genen zijn om te leven = purifying selection. Hoe snel het DNA van een
organisme muteert, ‘the molecular clock’, hangt of van de purfiying selection en de mutation rate.
Dus, vaak zijn sequenties van belangrijke genen, maar weinig veranderd over de tijd. Wanneer een
snelle verandering te zien is (human accelerated regions) is dat waarschijnlijk evolutionair voordeling
geweest en belangrijk om het ene soort van de ander te onderscheiden.
Genen hebben bijna altijd wel een homologue, maar het kan voorkomen dat genen zich dupliceren. Het
is dan niet belangrijk om beide kopieen te houden, waardoor vaak 1 van de 2 in een pseudogen, een gen
geinactiveerd door mutaties, verandert. Het kan ook voorkomen dat de allebei functioneel blijven,
langzaam divergen (door mutaties) en verschillende rollen aannemen. Het kan ook zijn dat exonen
gedupliceerd worden waardoor multidomein eiwitten kunnen ontstaan. Dit beiden kan bijdragen aan de
evolutie van een organisme.
Copy number variation (CNVs) zijn lange sequenties die verloren of juist erbij gekomen zijn bij
individuen, dit maakt individuen makkelijker te identificeren.
Single-nucleotide polymorphisms (SNPs) zijn plaatsen in het genoom waar een grote groep mensen de
ene nucleotide heeft en een andere grote groep de ander (is ongeveer 1:1300 bp).
Hoofdstuk 5 – DNA replicatie, herstel en recombinatie
Het onderhouden van DNA sequenties
De mutatie snelheid van DNA is ongeveer 1:10^10 baseparen per replicatie waardoor het menselijk
genoom ongeveer onveranderd blijft elke celcyclus. Dit zorgt ervoor dat mensen accurate informatie
door kan geven aan de volgende generatie (germ cellen) en dat ook het aantal mutatie in somatische
cellen beperkt blijft
