Hoorcollege 27 & 28
Genetische stabiliteit/genomische stabiliteit betekent dat het hele pakket van DNA wordt
gerepliceerd bij een celdeling en door de eeuwen heen is gebleken dat dit heel stabiel en praktisch
foutloos gebeurt (dat is echter niet altijd het geval. Een voorbeeld daarvan is een tumorcel). Dat
komt doordat er allerlei mechanismen zijn die voorkomen dat er fouten ontstaan in het DNA. Al die
mechanismen samen worden het DNA-repair mechanisme genoemd. Die hebben eigen collecties
eiwitten die een bepaalde fout herkennen en die dan proberen om het DNA te herstellen.
Onder DNA repair vallen de volgende mechanismen: mismatch repair, BER (base excisie repair) en
NER (nucleotide excisie repair). Mismatch repair vindt al plaats tijdens de replicatie; BER en NER
vinden plaats in iedere cel van het lichaam, de hele dag door, omdat er doorlopend door de
chemische reacties die plaatsvinden in iedere lichaamscel, en door invloeden van buitenaf, schade
aan het DNA ontstaat en die schade moet gerepareerd worden.
Daarnaast bestaat er DNA-recombinatie. Recombinatie treedt bijvoorbeeld ook op bij de
voortplanting. Het houdt in dat er nieuwe combinaties van stukken chromosoom worden gemaakt,
zodat de kinderen niet identiek zijn aan de ouders. Dit geeft diversiteit, maar er gaat geen informatie
bij verloren.
Als bij replicatie het DNA verdubbeld wordt, worden beide ouderstrengen als template gebruikt en er
wordt langs iedere ouderstreng een nieuwe complementaire streng gevormd. Dit heet semi-
conservatieve replicatie.
Hoewel het DNA gedurende het leven van iemand ontelbare keren gerepliceerd wordt, is er in iedere
cel (bijna) dezelfde sequentie aanwezig van het DNA. Dat komt door de volgende mechanismen:
DNA-polymerase kan zowel polymeriseren (bij replicatie steeds nieuwe nucleotiden inbouwen) als
proofreading doen. DNA-polymerase herkent een verkeerd ingebouwd nucleotide door distorsie van
de dubbele helix. De distorsie wordt veroorzaakt doordat er, als er een verkeerde nucleotide wordt
ingebouwd, geen perfecte baseparing is. Als DNA-polymerase distorsie opmerkt, wordt het DNA iets
teruggetrokken in het eiwitcomplex, dan wordt de foute nucleotide weggeknipt, waarna DNA-
polymerase opnieuw – en dit keer waarschijnlijk de goede – een nucleotide kan inbouwen.
Hiermee is ook uit te leggen waarom een nucleotide de energie voor de koppeling bij zich moet
hebben. Op die manier is er namelijk niks aan de hand als er een foute nucleotide uit geknipt moet
worden. De volgende nucleotide heeft namelijk gewoon weer drie fosfaten bij zich om energie te
leveren voor zijn eigen koppeling.
DNA-polymerase maakt niet heel veel fouten bij replicatie van DNA: 1 op de 107 nucleotiden wordt
verkeerd ingebouwd. Maar in vergelijking met de hoeveelheid nucleotiden in het menselijke DNA-
molecuul is dat nog best veel. Dat hele DNA bevat namelijk 6,4 x 109 baseparen. Dat betekent dat er
bij verdubbeling van dit hele DNA nog steeds 640 fouten per replicatie zouden worden gemaakt – als
er alleen gebruik gemaakt zou worden van het proofreading mechanisme van DNA-polymerase. Om
te veel fouten in het DNA te voorkomen, is er nog een tweede mechanisme om tijdens de replicatie
het DNA op orde te houden: mismatch repair.
Mismatch repair zorgt ervoor dat er in plaats van 600 ongeveer 6 fouten per replicatie optreden. Er
worden dus nog steeds fouten gemaakt tijdens het repliceren van DNA, maar het grootste deel van
het DNA is niet coderend. Daarom is de kans dat er ergens in een coderend exon een fout voorkomt
die ook nog duidelijke gevolgen heeft, niet erg groot.
,Als er een mismatch is opgetreden en als er al opnieuw dubbelstrengs DNA is gevormd (vlak nadat
DNA-polymerase is langsgekomen om een DNA-streng te repliceren), moet een groep van repair
eiwitten onderscheid kunnen maken tussen de ouderstreng (template) en de nieuw gesynthetiseerde
streng om te weten waar de fout zit en welke base aangepast moet worden. Daar zijn verschillende
mechanismen voor. Voor eukaryoten is echter nog niet echt bekend welke mechanismen een rol
spelen bij herkenning van de template en de nieuwe streng. Voor prokaryoten is dat al wel duidelijk:
daar is het DNA in principe gemethyleerd op bepaalde C-residuen (soms ook op aan A-residu, het
hangt af van het type). De methylgroepen zitten normaal gesproken op beide strengen, maar vlak na
replicatie is er nog geen methylering opgetreden bij de nieuw gesynthetiseerde strengen. De streng
waar nog geen methylering heeft plaatsgevonden, is de nieuwe streng. Daarmee maakt de
machinerie van eiwitten die de fouten in de nieuw gesynthetiseerde streng moet herstellen,
onderscheid tussen de ouderstreng en de nieuwe dochterstreng. Bij eukaryoten is het nog niet
helemaal duidelijk hoe het onderscheid tussen de template en de nieuwe streng plaatsvindt. Het
heeft wel wat te maken met methylering, maar daar zijn bijvoorbeeld ook de structuur van
histoneiwitten (bijvoorbeeld: zitten alle histoneiwitten al op de juiste plek bij de nieuwe streng?) en
de pakking van het DNA heel belangrijk.
Er zijn twee hoofdtypen van cellen waar mutaties kunnen optreden:
• Mutaties in geslachtscellen (germ cells): in alle cellen van de nakomelingen zitten de
mutaties (in iedere lichaamscel is de mutatie aanwezig). Dit is vaak heel ernstig
• Mutaties in een lichaamscel (somatic cells): in één bepaald celtype treedt een mutatie op. Als
die cel deelt, zal de volgende cel ook die mutatie hebben, maar het zal niet het hele
organisme betreffen (de mutatie zal niet in iedere lichaamscel aanwezig zijn). Dit is minder
ernstig dan een mutatie in een geslachtscel
Er zijn veel typen mutaties die kunnen ontstaan:
• Mismatches: er ontstaan niet de gebruikelijke baseparingen (dus: A & G en T & C in plaats
van A & T en G & C). Als dat gebeurt, kan het leiden tot een insertie of een deletie.
Mismatches gebeuren tijdens de replicatie.
• Schade aan het DNA in één van de twee strengen (bijvoorbeeld deaminering of thymine
dimeren). Die schade ontstaat door invloeden van buitenaf, zoals roken of UV-straling of vrije
radicalen, etc. Die schade ontstaat vrij regelmatig.
• Dubbelstrengs breuken
Mutaties kunnen ontstaan door:
• Chemische reacties in een cel (o.a. ontstaan van vrije radicalen)
- Depurinering. Dit gebeurt een paar duizend keer per cel per dag.
- Deaminering: de aminogroep wordt weggehaald. Dit gebeurt honderden keren per dag
per cel.
• UV-licht/UV-straling. De hoeveelheid die iemand hiervan ontvangt, hangt van de
omstandigheden af.
- Thymine dimeren
• Fouten van DNA-polymerase tijdens de replicatie
- Iedere nucleotide kan muteren
Doorlopend zijn er complexen van eiwitten die het DNA scannen. Ze scannen dan op een
distorsie/vervorming van het DNA. Deze eiwitten die betrokken zijn bij reparatie, zijn dus al in de cel
aanwezig in de cel en doen niet anders dan het DNA scannen op een fout. Als er een fout wordt
gevonden, komen er andere eiwitten bij die het probleem gaan oplossen.
Bij depurinering worden er G’s en/of A’s gehydrolyseerd. Hierdoor verdwijnen dus guanines en
adenines en er blijft alleen een OH-groep over.
, Voor deaminering is water nodig. Het zuurstofatoom van een watermolecuul wordt gebruikt om een
NH2-groep te vervangen door een dubbelgebonden O. Als er deaminering plaatsvindt bij een
cytosine, ontstaat er een uracil. Uracil basen zitten normaal niet in DNA, dus in het DNA ontstaat er
door deaminering ook een foute nucleotide. Deaminering vindt het vaakst plaats bij cytosines, maar
het kan ook voorkomen bij een guanine of een adenine. Bij deaminering van G of A ontstaan er basen
die normaal gesproken niet in het menselijk lichaam aanwezig zijn (xanthine en hypoxanthine).
Door deaminering ontstaat er in plaats van een G-C basepaar een G-U basepaar. Als deze niet
gerepareerd wordt, gebeurt het volgende bij de eerstvolgende replicatieronde: het ene product van
replicatie bevat wel weer gewoon een G-C basepaar, maar het andere bevat een A-U basepaar, dat
zich bij de volgende replicatie zal ontwikkelen tot een A-T basepaar. En dan is een stabiele mutatie
geïntroduceerd. Over het geheel valt dan dus te zeggen dat een G-C verandert in een A-T basepaar.
Bij depurinering wordt één van de basen weggehaald, maar de suiker-fosfaat backbone blijft wel
gewoon intact. Als dit niet gerepareerd is (en er dus geen nieuwe base voor de verdwenen purine in
de plaats is gekomen), zal het ene product wel weer een normaal basepaar hebben, maar het andere
product krijgt een deletie van één basepaar. Als dat in een exonsequentie gebeurt dat codeert voor
een eiwit, kan er een verschuiving van het leesframe optreden.
Deaminering is het makkelijkst te herstellen. Daar is een hele groep van repair eiwitten voor nodig. Al
die eiwitten hebben een eigen naam. Voor het herstellen van een verkeerd ingebouwde uracil, is
bijvoorbeeld een uracil glycosylase nodig. Dit eiwit herkent dat het uracil niet goed kan baseparen
met het guanine. Het klapt het uracil dan naar buiten toe (naar buiten de helix) en knipt het uracil
eruit. Daarna wordt ook de suiker-fosfaat backbone op die plek weggeknipt. Vervolgens vult een
bepaald DNA-polymerase (niet de ‘standaard’ DNA-polymerase, maar een speciale repair DNA-
polymerase!) de leeggevallen plek weer op met de juiste base en DNA-ligase (wel hetzelfde enzym
als bij DNA-replicatie) plakt het geheel weer aan elkaar (sluiting van suiker-fosfaat backbone). Deze
beschreven manier van reparatie van DNA heet base excisie repair.
Een andere soort schade, die ook ernstiger is, is het ontstaan van thymine dimeren (eigenlijk
pyrimidine dimeren, want dimeren van C-C en C-T komen ook voor, al is dat minder frequent). Dit
gebeurt onder andere onder invloed van roken en straling.
Twee thymines op dezelfde streng vormen dan met elkaar een covalente binding tussen de basen.
Covalente bindingen zijn sterk, dus zo’n binding tussen twee thymines is moeilijk weg te krijgen.
Replicatie kan langs zo’n dimeer niet meer verlopen, want geen enkel polymerase kan daarlangs.
Thymine dimeren verwijderen is gecompliceerder dan base excisie repair. Thymine dimeren worden
hersteld door middel van nucleotide excisie repair. Hierbij worden twee knippen gemaakt in het DNA
over een best grote afstand. In eukaryoten is dat ongeveer 30 nucleotiden, bij prokaryoten ongeveer
12-15 nucleotiden.
Bij eukaryoten worden er ongeveer 24 nucleotiden vanaf de 5’ kant van de verkeerde
nucleotide/thymine dimeren en ongeveer 5 nucleotiden vanaf de 3’ kant uitgeknipt. Zo wordt er een
segment van ongeveer 30 nucleotiden uit één van de twee strengen (waarin dus de thymine dimeren
zich bevinden) geknipt. Het stuk wordt weggehaald met behulp van een helicase. Ook dan zijn er
weer specifieke DNA-polymerasen die vervolgens weer opnieuw het stuk waar zojuist een segment is
uitgeknipt, synthetiseren. Daarna moet de fosfaat-suiker backbone weer gesloten worden met
behulp van DNA-ligase.
Het stuk van de DNA-streng dat even blootligt door het wegknippen van het segment van 30
nucleotiden, moet goed beschermd worden om te voorkomen dat het gelijk wordt afgebroken.
Mismatches ontstaan als volgt:
