Chromosomen

Voor veel technieken die ik toepas, maak ik gebruik van de genetische informatie van het organisme waaraan ik werk. Maar om te begrijpen wat het nu precies is wat ik doe zal ik eerst wat vertellen over die genetica. Ieder organisme is opgebouwd uit cellen, al deze multicellulaire organismen hebben de overeenkomst dat ze een cel en een celkern hebben. In deze celkern zit het DNA, het erfelijke materiaal. Het DNA slingert niet zomaar los door de celkern maar zit netjes in pakketjes die we chromosomen noemen (zie onderstaand figuur). Mensen hebben 46 van deze chromosomen, fruitvliegen hebben er 8, de meelkever waar ik aan werk heeft er 20. Verreweg de meeste dieren zijn diploïd, dit betekent dat je van iedere chromosoom twee kopieën hebt. Dus van de 46 chromosomen die jij hebt, komen er 23 van je moeder en 23 van je vader.
Deze chromosomen bevatten alle erfelijke informatie in de vorm van dubbelstrengs DNA.

Chromosoom_Dutch_text




DNA

DNA staat voor Deoxyribonucleic acid. Alle cellen in een organisme hebben exact hetzelfde DNA in de kern. De enige uitzondering hierop zijn de spermacellen en de eicellen, hierin is slechts de helft van het DNA aanwezig (bij mensen bijvoorbeeld komen slechts 23 van de 46 chromosomen in de eicellen en spermacellen terecht). DNA is opgebouwd uit 4 verschillende basen (nucleotiden), adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). Dit is zo bij alle levensvormen op aarde, dus bij planten, dieren, bacteriën enz. De basen op de ene streng DNA vormen baseparen met de nucleotiden op de andere streng, maar hier zit wel een beperking. Adenine (A) kan namelijk alleen een basepaar vormen met thymine (T) en guanine (G) kan alleen een basepaar vormen met cytosine (C). Wanneer we dus de basen op 1 streng DNA weten, weten we dus ook welke basen er op de andere streng zitten. De volgorde van de basen op een streng DNA noemen we een sequentie. Een voorbeeld van een korte sequentie van een enkele streng DNA is: ATTGCTCAT

Omdat we deze sequentie weten, weten we ook wat er op de andere streng moet komen te staan, namelijk:

Streng 1:ATTGCTCAT
Streng 2:TAACGAGTA

Deze sequenties zullen nog vaak terug komen. Dit is omdat de sequentie van basen bepaald wat voor eiwit er gemaakt moet worden, deze eiwitten doen uiteindelijk het werk in je lichaam. Hoe een sequentie DNA codeert voor een eiwit via RNA kom ik zo op terug. Het belangrijkste om te weten nu is dat de informatie van deze sequentie ons  de mogelijkheid geeft om als het ware het DNA te “lezen”. Nu komt er natuurlijk nog het een en ander kijken bij het DNA “lezen”, maar daar zal ik nu niet op in gaan om het niet onnodig gecompliceerd te maken. Moderne technieken hebben ervoor gezorgd dat we van verschillende organismen de complete sequentie van al het DNA in alle chromosomen weten! Deze complete sequenties van een organisme wordt een genoom genoemd en zijn vrij toegankelijk via deze website: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/
Nu moet ik hier wel bij vermelden dat het DNA in geen 2 individuen hetzelfde is, het menselijke genoom dat dus online beschikbaar is, is niet identiek aan het genoom van jezelf. Echter, we kunnen heel veel leren van het genoom dat wel beschikbaar is. Dit omdat belangrijke stukken van het genoom weinig variëren. Neem bijvoorbeeld oogkleur, of je nu blauwe of bruine ogen hebt is niet van levensbelang. Of je rode bloedlichamen zuurstof kunnen vervoeren is wel van levensbelang. Zo zijn er dus wel mensen met verschillende oogkleuren maar geen mensen waarvan het bloed geen zuurstof kan vervoeren, want deze overleven niet. Variatie in een kenmerk zo belangrijk als zuurstof vervoeren wordt als het ware niet “getolereerd”. Ik zal later in een ander stuk terugkomen op deze selectie.

Van DNA tot eiwit

Hoe codeert DNA dan voor eiwit? Om van DNA naar eiwit te komen maken we eerst nog een tussenstap, het RNA. RNA is voor tal van redenen belangrijk in het lichaam, maar ik zal me hier beperken tot messenger RNA, het RNA waar eiwit van gemaakt wordt. RNA (Ribo Nucleic Acid) wordt gemaakt in de celkern en lijkt erg veel op DNA. Echter, bij RNA is de base thymine (T) vervangen voor de base uracil (U). De sequentie van het RNA correspondeerd met de sequentie van het DNA waar het RNA van gemaakt is (zie onderstaand figuur).

?????
De vertaling van DNA naar RNA wordt transcriptie genoemd. In deze figuur wordt RNA gemaakt van de rode streng DNA (deze dient als “template”of mal), deze begint met de base T. Het RNA begint vervolgens met de enige base die hier een basepaar mee kan vormen, namelijk de base A. Dit gaat zo door tot het volledige RNA gemaakt is. Omdat de rode streng DNA dient als “template”, zal de sequentie van het RNA gelijk zijn aan de sequentie van de blauwe streng DNA met de base U op de plekken waar een T in het DNA zit.

Nu hebben we dus een RNA streng. Hiervan wordt het eiwit gemaakt, deze vertaling noemen we translatie. Een eiwit is opgebouwd uit aminozuren, deze vormen een streng. De sequentie van aminozuren geef ik weer als een lineare streng van aminozuren, in de werkelijkheid vormen eiwitten complexe strukturen door interacties tussen de verschillende aminozuren. De vorm die een eiwit aanneemt is afhankelijk van de sequentie van aminozuren, de vorm is belangrijk voor de functie van het eiwit. De vertaling van RNA naar eiwit is anders dan de vertaling van DNA naar RNA. Bij het maken van RNA (transcriptie) werd voor iedere base in het DNA een base gemaakt in het RNA, deze 1 op 1 vertaling is niet van toepassing op eiwitten. Bij de vertaling van RNA naar eiwit (translatie) wordt voor iedere 3 basen 1 aminozuur geplaatst. Dit betekent dat een sequentie RNA van 48 basen vertaald wordt naar een eiwit van 16 aminozuren. Dezelfde combinatie van 3 basen geeft altijd hetzelfde aminozuur en de vertaling kunnen we dus mooi weergeven in de vorm van een schema. We nemen als voorbeeld de eerste 3 basen uit bovenstaande figuur, AUG. De eerste base is A, die zoeken we in de tabel aan de linkerkant op, we zoeken dus in de 3de rij. De tweede base is U, we zoeken deze bovenaan op, we moeten dus kijken in de 1ste kolom van de derde rij. Hier kunnen we terug vinden dat de combinatie AUG codeert voor het aminozuur Methionine (Met). Op deze manier kunnen we onze complete RNA sequentie vertalen naar de eiwit sequentie.

codon_table
In de cel

Hoe werkt dit allemaal in een cel? Waarom de tussenstap van het RNA en niet gewoon direct van het DNA eiwit maken? In een cel zit het DNA dus in de celkern, hier wordt wel RNA gemaakt maar geen eiwit (wel transcriptie, geen translatie). Het RNA wordt na transcriptie uit de celkern getransporteerd en komt terecht in het cytoplasma van de cel. Daar vindt translatie plaatst en wordt dus het eiwit gemaakt. Dus de scheiding van de celkern en cytoplasma voorkomt dat eiwit direct van het DNA gemaakt kan worden. Maar er zijn nog meer redenen waarom RNA belangrijk is als tussenstap. Ik zal er een aantal noemen. Ten eerste is het DNA goed beschermt in de celkern van alle dingen die in het cytoplasma ronddrijven, dit zorgt ervoor dat het DNA minder snel beschadigd. Het DNA kopieren in RNA vorm voorkomt dat het DNA zelf beschadigd. Een andere reden is dat we maar 1 kopie van het DNA in iedere cel hebben zitten, maar soms willen we heel veel van een bepaald eiwit maken. Hiervoor is het dan handig dat er meerdere eiwitten tegenlijk gemaakt kunnen worden. Wanneer er van hetzelfde stuk DNA 10 keer RNA gemaakt wordt, kan er 10x zo snel eiwit gemaakt worden. Dus de RNA-stap tussen DNA en eiwit maakt het veiliger en geeft meer flexibiliteit in hoe snel en hoe veel eiwit gemaakt wordt (zie onderstaande figuur).

???
 

Deze eiwitten zijn uiterst belangrijk in alle levenden organismen, eiwitten zijn essentieel om DNA te kopiëren, RNA te maken, de immuunrespons, de opbouw van het lichaam en nog veel meer. Kortom, bij bijna alles zijn eiwitten van belang. De weg vanuit het genoom naar eiwit is een heel proces. Er komt erg veel bij kijken en ik heb lang niet alles besproken omdat dit veel te veel informatie is. Ik hoop dat het nu wel iets duidelijker is hoe DNA vertaald wordt naar eiwitten en dat informatie over de DNA sequentie handig kan zijn bij onderzoek omdat deze DNA sequenties direct gerelateerd zijn aan de eiwitten die ze coderen. Later wanneer ik concreter vertel over mijn specifieke onderzoek zal duidelijk worden hoe we deze kennis over DNA, RNA en eiwitten kunnen toepassen om wetenschappelijke vragen te beantwoorden.

Hier is een video van Nature over dit proces:

 

Geef een reactie