Genetica | genexpressie
English: Genetics

Genexpressie

1rightarrow blue.svg Zie genexpressie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.
Schematische weergave van gen-expressie door de aanmaak van messenger RNA en translatie van de code naar eiwitten. De letters bij het DNA en RNA staan voor bepaalde nucleotiden. Drie nucleotiden in het RNA vormen samen een codon, dat een bepaald aminozuur codeert in het eiwit. Aminozuren in het eiwit zijn aangegeven met de letters V, H, L, T, P en K.
Schematische voorstelling van de transcriptie van het DNA (zwart) naar mRNA (blauw). Het enzym RNA-polymerase (RNAP) zorgt voor het uit elkaar bewegen van de twee DNA-strengen.

Transcriptie en translatie

Het DNA bepaalt het functioneren van een cel door de aanmaak van eiwitten. Eiwitten zijn lange complexe moleculen, die bestaan uit ketens van aminozuren. Ze worden niet aangemaakt door het DNA zelf, maar door zogenaamd messenger RNA (mRNA). Dit is een RNA-molecuul dat langs het DNA wordt aangemaakt, waarbij het DNA als sjabloon dient. RNA bestaat meestal uit een enkele keten van ribose-fosfaat (in tegenstelling tot de dubbele keten van desoxyribose-fosfaat bij DNA), waaraan net als bij DNA nucleobasen zitten. In RNA is de complementaire base voor adenine (A) niet thymine (T), maar uracil (U). Het proces waarbij het DNA uitgerold en messenger RNA aangemaakt wordt heet transcriptie. Het aangemaakte messenger RNA heeft een overeenkomende volgorde van nucleotiden als het DNA.

Na de transcriptie van het DNA wordt het aangemaakte messenger RNA-molecuul gebruikt om eiwitten aan te maken. De volgorde van de nucleotiden op het RNA wordt daarbij gebruikt als sjabloon voor de volgorde van de aminozuren in het betreffende eiwit. Dit proces wordt translatie genoemd. Elke groep van drie nucleotiden (een codon genoemd) correspondeert met een van de twintig mogelijke aminozuren in het eiwit. Deze correlatie tussen RNA en het aangemaakte eiwit wordt de genetische code genoemd.[18] De genetische code werkt maar in een richting: informatie wordt van het RNA omgezet in eiwitten, maar niet van eiwitten in RNA. Dit principe wordt het centrale dogma van de moleculaire biologie genoemd.

De volgorde van aminozuren in een eiwit bepaalt de ruimtelijke structuur van het eiwit. De ruimtelijke structuur bepaalt op zijn beurt de functie van het eiwit.[19] Eiwitten kunnen bindingen aangaan met andere eiwitten en simpelere moleculen, of als enzym werken door een reactie tussen de stoffen waarmee het gebonden is mogelijk te maken (zonder dat de structuur van het eiwit zelf daarbij verandert). De structuur van eiwitten is dynamisch: het eiwit hemoglobine kan buigen bij het vangen, transporteren en weer loslaten van zuurstof in het bloed van zoogdieren.

Niet-coderend DNA

Sommige delen van messenger RNA worden niet gebruikt om eiwitten te coderen. Het niet-coderende RNA heeft soms een andere functie in de cel, zoals ribosomaal RNA en transfer RNA. Deze twee vormen van RNA helpen de juiste aminozuren aan te voeren bij de productie van eiwitten tijdens de translatie van het messenger RNA. RNA kan ook helpen bij het functioneren van andere RNA-moleculen. MicroRNA bijvoorbeeld kan messenger RNA "stoppen" in het aanmaken van een bepaald eiwit.

Bij veel organismen bestaan daarnaast grote delen van het genoom uit DNA dat niet getranscribeerd wordt naar messenger RNA. Van de delen die wel voor transcriptie van RNA worden gebruikt, worden vervolgens ook niet alle delen voor translatie gebruikt. mRNA wordt namelijk na aanmaak ontdaan van bepaalde stukken, door een proces dat splicing genoemd wordt. De delen die uiteindelijk voor translatie gebruikt worden worden exons genoemd; delen die bij splicing verwijderd worden uit het mRNA heten introns. Door een proces dat splicing genoemd wordt worden de introns niet in het RNA vertaald. Delen van het DNA die geen duidelijke functie hebben worden samen junk-DNA genoemd.

Er is geen verband tussen de complexiteit, grootte of intelligentie van een organisme en de grootte van het genoom. Sommige salamanders hebben bijvoorbeeld 40 maal zoveel DNA als de mens in elke cel. Zoogdieren en bedektzadigen hebben relatief veel junk-DNA. Het gebrek aan overeenkomst tussen complexiteit en de grootte van het DNA van een organisme wordt de C-value paradox genoemd. De verklaring is dat sommige organismen blijkbaar meer niet-coderend DNA hebben dan andere.

De werking van een erfelijke aandoening die wordt doorgegeven met een recessief allel op het X-chromosoom. De aandoening komt alleen tot uiting bij mannelijke nakomelingen, omdat deze geen homoloog X-chromosoom hebben dat de aandoening kan onderdrukken.

Werking van erfelijke aandoeningen

Wanneer een enkel nucleotidenpaar in het DNA van volgorde verwisselt, kan dit een verandering in de volgorde van aminozuren in het aangemaakte eiwit hebben. Omdat de volgorde van de aminozuren de ruimtelijke structuur van het eiwit bepaalt, betekent dit dat de verandering tot gevolg kan hebben dat andere delen van het eiwitmolecuul naar buiten gedraaid liggen. Dit kan de interactie van het eiwit met andere moleculen veranderen. Omdat de verandering (mutatie) zich in het DNA bevindt, kan deze worden doorgegeven aan nakomelingen. Men spreekt dan van een erfelijke aandoening of ziekte.

Zo is bij de mens de erfelijke aandoening sikkelcelanemie het gevolg van een enkele verwisseling van twee nucleotiden op het DNA, die toevallig op de plek liggen die de aanmaak van het β-globinedeel van hemoglobine bepaalt. Dit zorgt ervoor dat een enkel aminozuur in de aangemaakte hemoglobine anders ligt, waardoor het eiwit een andere structuur heeft.[20] Sikkelcel-versies van hemoglobine maken bindingen met elkaar, waardoor ze de vorm van rode bloedcellen die de hemoglobine door het lichaam vervoeren veranderen. De rode bloedcellen kunnen daardoor niet goed meer door de bloedvaten bewegen en vormen opstoppingen, die de symptomen van de ziekte veroorzaken.

Nature en nurture

Een Siamese kat. Het verschil in donkere en lichte delen van de vacht wordt veroorzaakt door een mutatie in het enzym dat pigment aanmaakt. In warme lichaamsdelen functioneert het enzym niet, zodat de vacht daar licht blijft.
1rightarrow blue.svg Zie nature-nurture-debat voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Hoewel genen alle informatie bevatten die een organisme nodig heeft om te kunnen functioneren, heeft de omgeving waarin het organisme zich bevindt een belangrijke invloed op het fenotype. De interactie tussen genotype en fenotype wordt wel "nature" (aanleg) versus "nurture" (opvoeding) genoemd.

De invloed van de omgeving kan zich bijvoorbeeld uiten dankzij de temperatuurgevoeligheid van sommige mutaties. Een kleine verandering in de volgorde van aminozuren in een eiwit heeft meestal geen gevolg voor de interactie tussen het eiwit en andere stoffen, maar het kan de structuur van het eiwit wel instabiel maken. Bij een hogere temperatuur loopt een instabiel eiwit een grotere kans uiteen te vallen door denaturatie, waardoor het zijn functie verliest. Hetzelfde eiwit kan onder een lagere temperatuur wel normaal blijven functioneren. Bij Siamese katten bijvoorbeeld zorgt een temperatuurgevoelige mutatie ervoor dat het enzym dat pigment aanmaakt alleen functioneert bij lagere temperatuur. Op de warmste plekken van het lichaam wordt daarom geen pigment aangemaakt en heeft de kat een lichte kleur. In lichaamsdelen die uitsteken en daarom kouder zijn, zoals poten, staart, snuit en oren, functioneert het enzym wel, waardoor deze een donkere kleur hebben.[21]

Een ander voorbeeld is de menselijke erfelijke aandoening fenylketonurie. De mutatie zorgt ervoor dat het lichaam het aminozuur fenylalanine niet kan afbreken. Het teveel aan fenylalanine wordt dan omgezet in het giftige fenylpyruvaat, wat tot mentale retardatie en hersenschade kan leiden. Een patiënt die een dieet zonder fenylalanine volgt, zal de symptomen echter voorkomen.

Om vast te stellen welke omgevingsfactoren een rol spelen bij een bepaalde aandoening, worden vaak eeneiige tweelingen bestudeerd. Omdat een eeneiige tweeling uit dezelfde zygote is gegroeid, hebben ze hetzelfde genetisch materiaal. Door te vergelijken hoe vaak beide leden van de tweeling de aandoening hebben vergeleken met gewone broers en/of zussen, kan worden bepaald hoeveel invloed de omgeving heeft op de aandoening.

Genregulatie

Voorbeeld van hoe een assemblage van verschillende histonen op moleculaire schaal het DNA helpen oprollen tot een nucleosoom.
1rightarrow blue.svg Zie Genregulatie voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Een gen is actief wanneer het door transcriptie in messenger RNA wordt omgezet en voor de codering van eiwitten gebruikt wordt. Organismen hebben duizenden genen, maar niet elke gen is op elk moment actief. De mechanismen waarmee in een cel alleen eiwitten aangemaakt worden die voor het functioneren van de cel van pas komen, worden genregulatie genoemd.

Genregulatie verloopt in eukaryoten door middel van transcriptiefactoren. Dit zijn eiwitten die zich aan het begin van een gen binden, waardoor ze de transcriptie van het gen ofwel stimuleren, ofwel onmogelijk maken. Bij bacteriën, zoals Escherichia coli, zijn genen gegroepeerd in een serie (operon). Een operon is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor de productie van het aminozuur tryptofaan. Wanneer er al tryptofaan in de cel aanwezig is, zijn deze genen niet nodig. Tryptofaan vormt bindingen met een repressor-eiwit, dat daardoor zodanig van ruimtelijke structuur verandert dat het met de genen bindt. Dit maakt de genen inactief zodat geen tryptofaan meer aangemaakt wordt.[22]

Genregulatie is bij complexe meercellige organismen zoals dieren en planten een belangrijke factor. Omdat in zulke organismen de cellen zeer uiteenlopende functies kunnen hebben, worden sommige genen alleen in bepaalde cellen gebruikt, terwijl ze in andere cellen inactief blijven. Hoewel alle cellen van het organisme hetzelfde DNA hebben, gebruiken ze afhankelijk van hun functie verschillende delen van het DNA.

In eukaryoten geven cellen bij de celdeling bepaalde structuren in het chromatine door aan hun dochtercellen. Zulke structuren liggen in feite op het DNA, maar zijn geen onderdeel ervan. Ze worden epigenetisch genoemd. Cellen van hetzelfde organisme hebben dan wel hetzelfde DNA, maar kunnen verschillende epigenetische structuren hebben, waardoor ze zich ook onder dezelfde omstandigheden verschillend kunnen ontwikkelen en gedragen. Sommige epigenetische kenmerken veranderen in de loop van de ontwikkeling van het organisme. Andere zijn zelfs overerfbaar en vormen daarmee een van de weinige uitzonderingen op het principe dat alleen DNA erfelijke eigenschappen bepaalt. Een voorbeeld van een dergelijke uitzondering zijn paramutaties, veranderingen in de ruimtelijke structuur van een allel die door het homologe allel worden veroorzaakt.[23]