Hoorcolleges - Samenvatting
van Genoom tot Populatie
HOORCOLLEGE 1 POSITIONERING VAN DE CURSUS EN DNA-STRUCTUUR EN
FUNCTIE
- In 1953 door Watson en Crick een model gemaakt door de structuur van DNA. DNA is een dubbele helix,
bindingen ertussen noemen we ook wel Watson en Crick bindingen.
- DNA is een polymeer die bestaat uit allerlei nucleotiden. De nucleotide is de eenheid van zowel DNA als
RNA, zijn de bouwstenen
- Een nucleotide bestaat uit 3 onderdelen:
1. Base: deze verschilt, bepaalt de identiteit, op 1’
2. Suiker (deoxyribose)
3. Fosfaat: op 5’
- Met waterstofbruggen koppel je 2 enkele helixen aan elkaar en krijg je een dubbele helix
- Bij DNA zit op 2’ H (deoxy), bij RNA zit OH (oxy), RNA heeft een ribosenucleinezuur
- DNA maakt een dubbele helix door een binding aan een volgende base te maken
- 2 hoofdsoorten basen:
1. Pyrimidine: enkele ring, kleine basen dus enkele basen
2 waterstofbruggen: thymine (T)
3 waterstofbruggen: cytosine (C)
2. Purine: dubbele ring, grote basen dus dubbele basen
2 waterstofbruggen: adenine (A)
3 waterstofbruggen: guanine (G)
- Koppeling van T met A en C naar G en andersom kan alleen als de helix antiparallel loopt, dus als de ene
streng van 5’ naar 3’ en andere streng van 3’ naar 5’ loopt. Omgekeerd complementair. Anders is de
baseparing niet mogelijk!
- Suiker en fosfaat oftewel de nucleotiden zitten aan elkaar via fosfodiesterbinding, is backbone van DNA en
RNA moleculen
- We schrijven het op van 5’ naar 3’! Dus je schrijft het wel parallel op.
- Waarom is DNA geschikt als drager van genetische informatie?
1. De informatie is dubbel opgeslagen
Maakt herstellen van fouten mogelijk
Maakt kopieren makkelijk
2. DNA is door de dubbele helix structuur stabiel en kan heel veel nucleotiden bevatten en dus heel veel
informatie opslaan
- DNA is een relatief stabiel molecuul.
- Nucleosoom: 1 histoncomplex en DNA eromheen
- Chromatine: totale DNA keten met histonen
- Het wordt opgerold en daarna opgevouwen, histonen
- DNA is een lineaire code.
- DNA is niet symmetrisch, je leest het altijd 1 kant uit
5’ kant = begin = links
3’ kant = eind = rechts
- In praktijk is het altijd dubbelstrengs, maar op papier zie je maar 1 keten, dat is de sense keten. De anti
sense keten wordt niet laten zien. Sense streng is de streng waar de code op zit, anti-sense streng is de
andere streng.
- DNA is een recept/instruct waarmee een organisme zichzelf kan namaken en in stand houden
- DNA bevat informatie over:
Samenstelling van componenten van een cel
Volgorde van maken en hoeveelheid van componenten
- DNA bevat informatie over de samenstelling van DNA, RNA en eiwitten
- Eiwitsequentie en nucleinezuren zitten er rechtstreeks in, eiwitten gaan weer suikers opnemen en lipiden
- DNA is voor een groot deel alleen de informatie om het te maken, eiwitten doen het werk.
- Een gen bevat de informatie voor de samenstelling en regulering van een eiwit of RNA
- Een gen bestaat uit:
Een coderend gedeelte = de samenstelling van eiwit. Omzetten via translatie.
Een regulerend gedeelte = hoeveelheid van een eiwit. Bepaalt hoeveel RNA kopien je maakt en dus
de hoeveelhed eiwitten die je maakt.
- Coderende gedeelte vormt de genetische code. Elk aminozuur heeft ook zijn eigen code. Regulerende code
zit er vaak voor of op hele andere plekken en bepaalt hoevaak het gen afgeschreven kan worden.
- Lineaire code is vooral coderend gedeelte, structurele/ruimtelijke informatie is de regulerende code
- Het is niet altijd zo dat hoe complexer het organisme is hoe meer genen erbij komen. Wel kan het aantal
baseparen omhoog gaan, wat meer mogelijkheden geeft om ze te gebruiken.
HOORCOLLEGE 2 DNA REPLICATIE
,- Watson en Crick stelden voor dat er baseparing is die ervoor zorgt dat je een kopieermechanisme hebt.
- DNA replicatie gebeurt in de S fase van de celdeling. Afhankelijk van het celtype, de periode (embryogenese
of niet) en soort (bacterien delen veel) vindt er meer of minder replicatie plaats.
- Bij de replicatie wordt ATP gebruikt als energiebron (trifosfaten) om de binding met het voorafgaande te
maken. Er vallen 2 fosfaten af die de energie leveren voor binding en dan in het cytosol weer herbruikt worden
- Nodig voor DNA replicatie:
1. Deoxynucleosidentrifosfaten (dATP, dCTP, dGTP, dTTP)
2. Enzym dat deoxyribose-fosfaat binding in DNA keten maakt: DNA polymerase.
- DNA polymerase zorgt ervoor dat OH op 3’ positie bindt aan P op 5’, OH valt de P aan en verstoot andere
fosfaten wat we nucleofiele substitutie noemen. Je krijgt telkens een fosfodiesterbinding. Pyrofosfaat
komt telkens vrij en wordt 2 fosfaat. Zo loopt DNA polymerase over de strand als een copy cat en klikt
continue nucleotiden vast op de juiste positie.
- Als DNA polymerase een fout maakt herstelt hij dit zelf, heeft een fout herstellend vermogen. Als de
verkeerde base geplaatst is steekt dit uit en polymerase loopt vast, hij voelt daardoor dat er foute baseparing
heeft plaatsgevonden. Verkeerd gepaarde nucleotide wordt verwijderd door 3’ tot 5’ proofreading. Wordt
gedaan met katalytische activiteit van DNA polymerase, katalyseert dus ook de nuclease reactie.
Proofreading/editing activiteit van DNA polymerase is het verwijderen van foute basen gelijk na de inbouw.
- DNA polymerase heeft een enkelstrengs DNA template nodig, DNA is dubbelstrengs dus moet uit elkaar
gehaald worden. Initiator eiwitten die geactiveerd worden door celcyclus signalen gaan op zoek naar
bepaalde stukken DNA, binden en trekken DNA uit elkaar zodat je enkele strengen krijgt. Deze bepaalde
stukken zijn de replicatie origin, hier begint de opening van DNA.
- DNA replicatie verloopt vanaf replicatie origin in beide richtingen. De replicatievork zijn de 2 strengen
waarin de DNA polymerase loopt. Helicase loopt vooruit op DNA polymerase en verbreekt telkens de dubbele
binding aan de voorkant van de replicatievork.
- DNA polymerase kan zelf geen begin maken, daarvoor is een primer nodig (klein stukje dubbelstrengs DNA).
Dan heeft hij een vrije 3’ en kan DNA polymerase beginnen. Primase is een enzym dat de primer aanmaakt,
de primer is eigenlijk RNA. Primase is dan ook een RNA polymerase.
- Omdat het een helix is gaat het wentelen als polymerase eroverheen raced, vliegt er dan af. Sliding clamp
houdt DNA polymerase gebonden aan de DNA streng zodat dit niet gebeurt.
- DNA polymerase loopt van 5’ naar 3’ dus wil per definitie graag een strand die van 3’ naar 5’ loopt.
- DNA bestaat uit 2 strengen:
1. Leading strand: loopt van 3’ naar 5’, wordt continue gerepliceerd. DNA polymerase loopt achter
helicase aan, gaat makkelijk.
2. Lagging strand: loopt van 5’ naar 3’, wordt discontinue gerepliceerd. DNA polymerase gaat andere
kant op als helicase, moet telkens wachten tot er een nieuw stukje beschikbaar is om een nieuwe
primer te maken door primase en DNA polymerase erlangs te laten gaan. Maakt de nieuwe streng
steeds in kleine stukjes; okazaki fragmenten. Tijdens het wachten is het stukje enkelstrengs DNA
onbeschermd, is onstabiel dus wordt beschermd door single strand binding proteins. Worden
daarna weer verdrongen, beschermen lagging streng voordat de replicatie begint.
- Vanuit origin of replicatie wordt er 2 kanten uit gerepliceerd, er zijn 2 replicatievorken en elke replicatievork
bevat 2 stukken DNA die nagemaakt worden. Dus er zijn telkens 4 polymerases bezig, 2 aan elke kant.
- Op de lagging strand moeten na replicatie nog wat dingen worden hersteld. Je hebt RNA primers en ook
gaten. Verschillende enzymen nodig om de lagging strand goed te maken:
1. Nuclease: RNA weghalen
2. DNA polymerase: reparatie polymerase om het gat te vullen
3. DNA ligase: koppelen van 5’ aan 3’, repareert “nick” (gat) tussen 3’ einde en 5’ P. Gebruikt hierbij
ATP, haalt de energie uit om ze te koppelen.
- Aan het eind heb je 2 DNA strengen maar nog een probleem. Leading strand veroorzaakt dit probleem niet,
repliceert netjes tot het eind, maar lagging strand mist vaak een stukje DNA wat niet gerepliceerd kan worden.
Lagging strand heeft de neiging elke replicatie ronde korter te worden. Telomerase zorgt ervoor dat het einde
van een DNA streng ook gerepliceerd wordt. De telomeren vormen kapjes aan de einden van de
chromosomen, ze bevatten een DNA sequentie die meerdere keren herhaald wordt. Deze DNA sequentie wordt
bepaald door de RNA template van telomerase, is een nutteloze herhaling van nucleotiden. Maakt DNA op
RNA template, noemen we reverse transcriptase.
- Geslachtscellen, embryonale cellen en kankercellen hebben veel telomerase. Bij andere cellen wordt DNA bij
elke deling korter, dit zorgt voor een beperkt aantal delingen en veroudering.
HOORCOLLEGE 3 MUTATIES IN DNA EN DNA-REPARATIE
Naamgeving
- Mutatie: een verschil tussen origineel en nieuwe kopie
- De soorten mutaties kan je op vele manieren classificeren en daarmee ook de naamgeving
1. Celtype
Somatische cellen/lichaamscellen: mutatie kan tot verouderingsziektes leiden of kanker. Bij beiden
lijdt degene zelf.
Germ-line cellen/geslachtscellen: Zelf geen last van maar nageslacht wel omdat het doorgegeven
wordt. Kunnen een erfelijke aandoening veroorzaken, zelfs al een mutatie van 1 base kan dit al doen.
2. Omvang van de mutatie
, Punt mutaties: mutaties in één of een paar baseparen
Insertie: invoegen van een base. Meestal effect.
Deletie: verwijderen van een base. Meestal effect.
Indels: zowel bases ingevoegd als verwijderd (complexer). Effect want er is alsnog bij of af.
Substitutie: vervanging van een base. Komt veel voor dus weer verder opgedeeld
Transitie: binnen zelfde categorie, purine > purine of pyrimidine > pyrimidine
Transversie: niet binnen zelfde categorie, purine > pyrimidine of andersom
“Chromosoom mutaties”/Large scale: mutaties waarbij grote DNA fragmenten veranderen
(recombinaties, (retro)transponsons). Zie hc 6, nu vooral puntmutaties behandelen
Als je 1 of 2 basen meer of minder hebt krijg je frame shift. Je krijgt veel andere aminozuren, meestal effect
op de functie.
Als je 3 basen meer of minder heb is er een mogelijk effect maar vaak minder groot.
3. Coderende mutaties; aminozuurcodes. Grootste gedeelte van DNA bestaat uit niet coderende sequenties
(98-99%), maar deze naamgeving geldt alleen voor mutaties die wel coderen voor eiwitten. Bij elke
aminozuur hoort een aminozuurcode, elke code kan je herleiden tot één aminozuur maar één aminozuur
heeft vaak meerdere codons.
Niet synonieme mutatie: missense mutatie (wel effect op functie) of neutrale mutatie (geen
effect op functie), ander aminozuur erin geplaatst.
Synonieme mutatie: silent mutatie, zelfde aminozuur. Nooit een effect.
Nonsense mutatie: verandering naar een stopcodon. Meestal een effect op de functie.
4. Functie van het eiwit
Loss-of-function: Eiwit is minder actief of zelfs inactief. Gedefinieerd op eiwit waarvoor mutatie
codeert. Komt meest voor.
Gain-of-function: Eiwit is actiever. Bijvoorbeeld oncogen, eiwit is normaal inactief behalve bij
groeifactor maar door mutatie altijd actief
Geen effect
5. Genetische definitie
Dominant: Mutatie in 1 van de 2 chromosomen heeft effect op het fenotype, er hoeft maar 1 gen
gemuteerd te zijn. Dominante mutatie is meestal gain-of-function.
Recessief: Alleen mutatie in beide chromosomen heeft effect op het fenotype, je moet in beide
kopien van het gen een mutatie hebben. Recessieve mutatie is meestal loss-of-function.
Oorzaken van (punt)mutaties
1. Spontaan
Fouten bij replicatie (mismatch): mutaties door fouten van DNA polymerase, ook nog met
proofreading zijn er fouten. Apart reparatiesysteem om deze fouten te herstellen. We noemen het pas
een mutatie als de fout permanent is na een volgende replicatie, dus als hij niet hersteld is, niet gelijk
als DNA polymerase een fout maakt. Originele mutatie kan in de volgende ronde van DNA replicatie
permanent gemuteerd worden of onveranderd na herstel.
Deaminering (cytosine > uracil): Komt erg veel voor, cytosine raakt eens in de miljoenen keer zijn
NH2 groep kwijt en dit wordt vervangen door O, dan wordt het uracil. U is geen onderdeel van DNA
maar zit er nu wel in. U heeft zelfde bindingscapaciteit als T in DNA en lijkt er sprekend op, gaat
volgende ronde met A paren en je krijgt een UA paar. Na nog een aantal rondes als A aan T gepaard is
heb je de echte permanente mutatie; TA mutatie. Dus uiteindelijk leidt deaminering tot een C > T
mutatie. Meest voorkomende mutatie in DNA.
Depurinering (deletie G of A): hele purine valt van de suiker af, je krijgt een gat in DNA. Komt
minder vaak voor, je krijgt deletie en mist G of A. Purine die er zat is weg, volgende ronde schuift hij
beetje op en het wordt overgeslagen > deletie.
2. Door mutagenen:
Chemische mutagenen
Base analogs: stoffen die lijken op basen
Base modifying: veranderen basen door oxidatie
Intercalating: gaan tussen basen zitten
UV/röntgenstraling: UV licht zorgt voor productie van thymine dimeren doordat 2 thymines gaan
samenklitten. Replicatie kan niet verder. Apart reparatiemechanisme die dit herstelt ontstaan in de
evolutie, anders Xeroderma pigmentosum (huidziekasqw2te met tumoren). Andere straling kan soms
hele DNA stukken wegslaan, nog ernstiger
Mechanismen van DNA reparatie
- Reparatiemechanisme werkt alleen als mutatie net is aangebracht, NIET als hij permanent is
- Mutatie reparatiemachines gaan over DNA en voelen precies of hij goede dikte en geen gaten heeft.
Verschillende DNA reparatie eiwitten scannen DNA voortdurend op onregelmatigheden.
- Weten dat U fout is omdat dit niet in DNA voorkomt. Thymine is in de evolutie ontstaan om deaminaties in
DNA te kunnen repareren. Aan de hand van methylgroep; thymine heeft methylgroep en uracil niet.
- Verder kan mechanisme zien wat originele streng is en wat nieuwe streng, door nicks die er soms in zitten
door okazakifragmenten op nieuwe streng. Hele nieuwe streng weghalen en opnieuw invullen met DNA
polymerase, want grote kans dat fout is ontstaan in de nieuwe streng tijdens repliatie
- Stappenplan:
