Hoorcollege 3 – Genoom
Het DNA in een cel, bevindt zich in de celkern. Er is ook wel wat mitochondriaal DNA aanwezig in de
mitochondriën. Het DNA dat zich in de kern bevindt, is verdeeld over 46 chromosomen, oftewel over
23 chromosomenparen. Hiervan zijn er 22 homologe paren (autosomale chromosomen) en één paar
met geslachtschromosomen. Bij vrouwen bestaat dit paar geslachtschromosomen uit twee X-
chromosomen en bij een man uit een X- en een Y-chromosoom.
Van elk chromosomenpaar is er één chromosoom afkomstig van de vader en één van de moeder.
Elke gewone cel in ons lichaam (somatische cel) is diploïde en bevat 46 chromosomen.
Geslachtscellen daarentegen zijn haploïde en hebben 23 chromosomen. Rode bloedcellen bevatten
helemaal geen DNA en dus ook geen chromosomen.
Het haploïde genoom bevat 3,2 x 109 baseparen. Het aantal genen dat codeert voor eiwitten, is
ongeveer 21.000. Dit aantal is echter lastig in te schatten, want sommige genen coderen ook voor
functionele RNA’s. Slechts 1,5 % van het genoom is eiwitcoderend en slechts 3,5 % is DNA dat zeer
goed behouden is gebleven, maar dat niet codeert voor eiwitten. Deze goed behouden regio’s van het
DNA coderen bijvoorbeeld voor de 5’ UTR (untranslated regions van mRNA), de 3’ UTR, structurele
en functionele RNA’s en deze behouden regio’s uit het DNA kunnen ook belangrijke eiwitbindende
gebieden zijn.
Men kan chromosomen aankleuren. Dit gebeurt als volgt:
Als cellen overgaan naar de M-fase van de celcyclus, worden ze sterk gecondenseerd. Op dat moment
kan men de chromosomen fixeren. Vervolgens worden de chromosomen aangekleurd met een stof die
aangrijpt op AT-rijke gebieden (de g-banden). Aangezien de AT-rijke gebieden specifiek zijn voor
ieder chromosoom, kan men de chromosomen identificeren aan de hand van deze kleuring.
Met behulp van een dergelijke kleuring die aangrijpt op AT-rijke gebieden, kunnen grove afwijkingen
opgespoord worden. Zulke afwijkingen zijn bijvoorbeeld trisomieën (zoals trisomie 21), waarbij er
drie dezelfde chromosomen aanwezig zijn in plaats van twee; en translocaties, waarbij stukken van het
ene chromosoom aan het andere vast zijn komen te zitten.
De korte arm van een chromosoom wordt de p-arm genoemd; de lange arm de q-arm. Er zijn meerdere
clusters van rRNA-genen aanwezig op de korte armen van chromosomen 13, 14, 15, 21 en 22. Er zijn
dus regio’s op sommige chromosomen die coderen voor ribosomale RNA’s en die veel afgelezen
worden, doordat er steeds ribosomen gemaakt moeten worden.
Ieder chromosoom heeft drie kenmerkende onderdelen. Er zitten altijd telomeren aan eukaryote
chromosomen; elk chromosoom heeft een centromeer en op ieder chromosoom zitten meerdere ori’s
(gemiddeld 800 per chromosoom). Prokaryoten daarentegen hebben een circulair DNA-molecuul dat
slechts één ori bevat.
Regulatory DNA behoort ook tot een gen. Vaak zit dit DNA voorafgaand aan een gen, maar het kan
ook binnenin een gen zitten, zoals middenin een intron (waar het bijvoorbeeld een bindingplaats kan
zijn voor een eiwit dat betrokken is bij de regulatie van de genexpressie).
Slechts 1,5 % van het genoom codeert voor eiwitten. Een deel van het genoom hoort wel bij een
eiwitcoderend gen, maar codeert zelf niet voor een eiwit (bijvoorbeeld: introns, promoter).
Ongeveer de helft van het genoom bestaat uit unieke sequenties (hiertoe behoren onder andere de
eiwitcoderende genen en de introns). De unieke sequenties worden maar één keer aangetroffen in het
haploïde genoom.
Naast de unieke sequenties zitten er repeated sequences in het genoom. Deze sequenties komen
meerdere malen voor. Van de repeated sequences is niet helemaal bekend wat de functies zijn.
Vroeger gaf men aan deze sequenties de naam ‘junk-DNA’. Deze term wordt nu niet meer gehanteerd
omdat er langzaamaan steeds meer bekend wordt dat dit ‘junk-DNA’ waarschijnlijk wel bepaalde
functies heeft.
, Om het beter samen te vatten: het genoom bestaat voor 50 % uit unieke sequenties en voor 50 % uit
herhaalde sequenties. De unieke sequenties bestaan voor 1,5 % uit eiwitcoderend DNA (exons) en
voor 26 % uit introns. De andere unieke sequenties maken dus 22,5 % uit van het genoom. Deze
andere unieke sequenties zijn bijvoorbeeld: 3’ UTR mRNA, 5’ UTR mRNA, tRNA’s, snRNA’s,
snoRNA’s (micro-RNA’s, long non-coding RNA’s), regulatoir DNA (promoters en enhancers) en
pseudogenen.
Herhaalde sequenties zijn bijvoorbeeld: transposons (verschillende families verspringende en
replicerende DNA-elementen), genoom duplicaties (segmenten van 1-200 kb die meer dan één keer
voorkomen), eenvoudige herhalingen (lange herhalingen van veelvouden van 2-14 bp achter elkaar),
telomeren, centromeren en origins of replication.
Pseudogenen zijn sequenties die een gen lijken te zijn, maar die toch niet meer gebruikt worden (een
verklaring hiervoor is dat deze pseudogenen in de loop van de evolutie hun functie zijn kwijtgeraakt).
Hoewel mensen erg complexe organismen zijn, laat de grootte van het humane genoom dat niet
duidelijk zien. Er zijn namelijk planten met veel grotere genomen dan de mens.
Bacteriën en andere prokaryoten hebben over het algemeen veel kleinere genomen dan de mens. Ze
hebben dan ook minder genen.
Mycoplasma genitalium heeft het kleinste genoom. Het genoom bevat 480 genen, waarvan er 40
coderen voor tRNA’s en ribosomale RNA’s. Daarnaast zijn er 300 eiwitcoderende genen, waarvan de
functie ook bekend is.
Het genoom van mycoplasma genitalium bevat natuurlijk ook genen die coderen voor eiwitten die een
functie hebben in de basismachinerie van de cel (essentieel voor leven). Zo bevat het genoom 150
genen die betrokken zijn bij replicatie, transcriptie en translatie en 30 genen die coderen voor
membraaneiwitten. Toch is mycoplasma genitalium erg afhankelijk van zijn omgeving en zeer
selectief wat betreft de plaatsen waar het wel of niet kan leven.
Men kan genen indelen naar de processen waar ze bij betrokken zijn. Aangezien alle cellen in de basis
dezelfde processen moeten kunnen uitvoeren, zijn er groepen genen die in de cellen van ieder
organisme worden aangetroffen. Voorbeelden van zulke groepen genen, zijn genfamilies die betrokken
zijn bij metabolisme, replicatie en transport.
Als men eiwitten bekijkt die in verschillende organismen dezelfde functie hebben, zijn de genen die
coderen voor die eiwitten, wat betreft sequentie vaak redelijk gelijk (homoloog).
Vanwege deze overeenkomsten kan men andere organismen als modelorganismen gebruiken als men
wil kijken naar fundamentele processen in humane cellen.
Een mitotisch chromosoom is sterk gecondenseerd. Maar als een cel in de interfase zit, zijn de
chromosomen minder gecondenseerd. Dan nog zijn de chromosomen echter op vaste plekken in de
celkern terug te vinden. Met behulp van fluorescentie kunnen deze ‘vaste plekken’ zichtbaar gemaakt
worden. Het is echter niet zo dat de chromosomen vastgeplakt zitten op deze vaste plekken, maar ze
hebben wel enigszins hun eigen plek in de celkern. De homologe chromosomen liggen niet per
definitie bij elkaar. Dit blijven hangen rondom een vaste plek, heeft te maken met interactie met de
kernmembraan.
Op de ‘vaste plekken’ in de celkern liggen de chromosomen als een soort spaghettislierten bij elkaar,
tegen de kernmembraan aan. Er vinden dan ook interacties plaats tussen de chromosomen en de
kernmembraan.
Aangezien de chromosomen als ‘spaghettislierten’ door elkaar heen liggen, kunnen delen van de
chromosomen die normaal gesproken ver van elkaar af zitten, in de celkern (in de interfase) toch
dichtbij elkaar liggen. Dit is belangrijk, omdat er soms delen van verschillende chromosomen of van
dezelfde chromosomen bij elkaar moeten komen om transcriptie mogelijk te maken.
Ondanks het feit dat de chromosomen in de interfase niet erg gestructureerd zijn, raken ze niet in de
knoop. Hierbij spelen onder andere bepaalde eiwitten een rol.
