Voor belangrijke formules, zie bijlage.

1. De genetische revolutie in de levenswetenschappen

De genetica gaat over het bestuderen van alle aspecten van genen. Daarbij zijn genen de kern van biologische informatie. De ontdekking van het molecuul deoxyribonucleic acid (DNA) heeft voor de moleculaire genetica gezorgd. De genomica is de studie van de genomen (volledig set van genen).

1.1 Biologische informatie

Doordat levende organismen gebruik maken van informatie uit het DNA, wat nodig is om vorm te geven aan zo een organisme, zijn er sinds het ontstaan van de aarde vele generaties ontstaan. Watson en Crick hebben in 1950 ontdekt dat DNA informatie bevat dat geschreven staat in een genetische code. DNA bevat vier moleculaire bouwblokken (nucleotiden) die een bepaalde volgorde kunnen vormen; wat de taal is van de genetische code.

DNA bestaat uit twee lange strengen nucleotiden, die een dubbele helix vormen. Daarnaast bestaat elke nucleotide uit een suikergedeelte, een fosfaatgroep en een base. De suikergedeelten en de fosfaatgroepen zijn altijd hetzelfde, maar er zijn vier soorten basen. Deze zijn adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). Daarbij horen A en T, en G en C bij elkaar.

De complete set van genetische informatie is het genoom. Bij een eukaryoot, organisme met een celkern, zit het genoom in de celkern. Wanneer een celkern voor elk chromosoom, een tweede identiek chromosoom heeft, heet dit diploïde (2n). Wanneer een celkern een enkel chromosoom heeft, en dus geen dubbele, heet dit haploïde (n). Het haploïde aantal kan ook betrekking hebben op een diploïde organisme. Dit getal telt het aantal dubbele chromosomen niet mee. Daarnaast worden de twee identieke chromosomen homologe chromosomen genoemd.

Een organisme codeert met het DNA voor een bepaald gen, maar ook voor een intron. Dit is een pauze tussen de coderende genen. Aangezien homologe chromosomen op het oog hetzelfde zijn, (op moleculair gebied verschillen ze wel iets) zijn er ook genen paren. Nucleosomen worden gebruikt om de chromosomen compact op te rollen; samen heet dit de chromatin. Deze nucleosomen bestaan weer uit acht eiwitten die histonen worden genoemd. Histonen vouwen niet alleen het DNA op, maar bepalen ook of regulerende eiwitten (zie 1.2) hun werk kunnen doen op dat stukje DNA rondom de histoon. Wanneer het DNA gekopieerd wordt, moet de helix tijdelijk uit elkaar. Hier helpt het centromeer bij. De uiteinden van de chromosomen heten telomeren en die houden de chromosomen netjes bij elkaar. In de celkern zit niet alleen het DNA, maar ook andere celorganellen zoals de mitochondriën bijvoorbeeld. Deze heten extranucleaire genomen.

Bij prokaryoten, organismen zonder celkern, zweeft het DNA in het plasma rond. Daarbij zijn de chromosomen haploïde.

1.2 Van informatie naar biologische vormgeving

Wanneer je naar een organisme kijkt zie je eiwitten en het werk van eiwitten: de belangrijkste bouwstoffen in ons lichaam. Er zijn drie soorten eiwitten:

• Structurele eiwitten zorgen voor de fysieke structuur van een organisme zoals haar, nagels, spieren, cytoskelet, et cetera.

• Enzymatische eiwitten zorgen voor de katalisatie van reacties zodat moleculen, eiwitten en hydraten kunnen worden gevormd.

• Regulerende eiwitten zorgen voor het aan- of uitzetten van genen op de juiste plaats en tijd.

De transcriptie van het DNA begint met het overnemen van de informatie door het ribonucleic acid (RNA). De RNA bestaat ook uit dezelfde onderdelen als het DNA, maar uracil (U) vervangt de base thymine. Ook is RNA niet een dubbele helix, maar een enkele streng en de intronen zijn eruit gelaten. Daarna wordt het overgeschreven op het mRNA, waarna het buiten de celkern terecht komt. Hier komt het mRNA langs een ribosoom die de codons (drie basen combinaties) vertaalt naar de juiste aminozuur. Hier komt een polipeptide met heel veel aminozuren uit. Deze codeert dan weer voor een bepaalt eiwit.

Er zijn meerdere soorten RNA. De fundamentele RNA hierboven beschreven, net zoals de messenger RNA. Daarnaast is er de tRNA voor het transporteren en de rRNA voor de ribosomen.

Genomen kunnen zichzelf verdubbelen. De helix gaat hierbij open en de ontbrekende basen worden bij elke aparte helix toegevoegd. Hierdoor ontstaan er twee dochter chromosomen met precies dezelfde informatie.

Variaties in het DNA tussen soorten is een groot discussiepunt in de biologie. Een mutatie is zo een variatie. Dit is door een kleine fout bij de transcriptie van DNA of door omgevingsfactoren. Deze mutaties kunnen doorgegeven worden als het in een sperma- of eicel zit. Deze kunnen dan geërfde ziektes ontwikkelen in de nakomelingen. Non-genetische veranderingen zijn epi-genetisch.

1.3 Genetica en evolutie

Natuurlijke selectie is het proces waarbij individuen met een bepaalde karakteristiek, die bij een bepaalde omgeving hoort, beter kunnen presteren. Deze individuen zullen meer nakomelingen krijgen met deze zelfde karakteristiek, waardoor het aantal individuen mét dat karakteristiek toeneemt. Gelijkheid door eenzelfde voorouder met een andere soort heet homologie. Deze homologie kan in een evolutie boom uitgezet worden. Dit alles, over de natuurlijke selectie, heet de evolutietheorie.

De neanderthaler staat zelfs nog dichterbij ons dan de chimpansee. Deze hebben, net zoals ons, de mogelijkheid gehad om te spreken. Daarnaast zijn de homo sapiens ontstaan in Afrika en zijn verder ontwikkeld in andere delen in de wereld. Genetica heeft bijgedragen aan het begrijpen van de evolutie. De kennis van homologie op DNA level helpt bij het begrijpen van andere soorten.

1.4 Genetica: een krachtige, nieuwe benadering voor biologisch onderzoek

De onderzoeker begint met een onderwerp wat hij/zij graag wil weten. De goede genen worden vergeleken met de slechte genen. Zo kunnen er ontdekkingen gedaan worden over het ontstaan van die mutatie of over andere aspecten. Elk gen kan dan worden geïdentificeerd om zo de code te begrijpen. Dit kan op twee manieren: 1) vooruit genetica en 2) omgekeerde genetica. Vooruit genetica manipuleert een gen uit de natuur door middel van X-rays, chemicaliën of andere producten die mutaties veroorzaken. Vervolgens wordt er gekeken hoe deze mutatie tot uiting komt in nakomelingen. De volgende stap is om het gen en de functie te bepalen. De omgekeerde genetica werkt met een bepaald gen waarvan de locatie al bekend is, maar de functie nog niet. Vervolgens wordt er gekeken wat er gebeurd. Hieruit kan dan de functie bepaald worden.

Onderzoekers kijken over het algemeen naar een gemuteerd gen en hoe dat resulteert in de natuur. Door het DNA te klonen kunnen hiervoor kleine segmenten gebruikt worden. Kleine stukjes gen worden geknipt. Deze worden in een vector gestopt, een huls, die in een levende cel wordt gestopt waardoor die cel dat DNA als zijn eigen overneemt. Zo worden er heel veel cellen, kolonies, gevormd met dat bepaalde gen; dat eventueel gemuteerd is.

Specifieke moleculen in het DNA kunnen worden gedetecteerd door middel van probing (het afzonderen van). Deze methode maakt gebruik van de specifieke inter-moleculaire binding. Een mix van macromoleculen zijn blootgesteld aan een molecuul (de probe), die alleen zal binden aan het gezochte macromolecuul. Dit wordt gedaan terwijl de DNA streng open is zodat er ruimte is om te binden. Deze wordt gelabeld waarna deze gedetecteerd kan worden.

1.5 Model organismen: cruciaal voor de genetische revolutie

Model organismen, zoals muizen, fruitvliegjes, bacteriën en gist, zijn makkelijk te onderhouden en er zijn veel van te verkrijgen in een korte tijd. Daarnaast hebben ze eigenschappen die goed zijn voor onderzoek. Omdat ze zo klein zijn, kunnen ze in grote hoeveelheden gebruikt worden. Bacteriën kunnen ook makkelijk uitgesmeerd worden voor het detecteren van een bepaald gen; wat hierboven beschreven staat. Ook kunnen bacteriële virussen gebruikt worden als vector. Gist en schimmels zijn handig, aangezien hun meiose verdeling in een zakje plaatsvindt. Zo zijn er nog veel meer in het boek verwerkt met vele voordelen.

1.6 Genetica verandert de samenleving

De genetica heeft de agricultuur verandert met haar gemodificeerde voedsel. Daarnaast zijn er ook oneindig veel gencombinaties te maken voor allerlei vakgebieden. De dieren worden gemanipuleerd om te zorgen dat ze beter en/of meer produceren. De medicijnen zijn verbeterd doordat we meer weten waar de ziektes vandaan komen. Ook zijn de wetenschappers bezig met gentherapie: zieke genen vervangen door gezonde genen. De politie werkt met DNA en vingerafdrukken om de boeven op te pakken.

1.7 Genetica en de toekomst

Veel is er al ontdekt in de afgelopen jaren, maar er zijn nog steeds aspecten onduidelijk. De voedselindustrie zal meer moeten gaan produceren om iedereen gevoed te houden. Dit kan mogelijk met de genetica. Verder willen de wetenschappers het DNA vanaf de geboorte goed hebben, oftewel, zonder zieke genen.

2. Enkel-gen erfelijkheid

Wetenschappers hebben het doel om te begrijpen hoe twee geslachtscellen tot een individueel volwassen wezen worden. Dit wordt dan in onderdelen verdeeld om onderzoek te kunnen doen. Hierbij kunnen wetenschappers genen met bepaalde functies ontdekken (gene discovery). De meest gebruikte analyse is de methode enkel-gen erfelijkheid (single-gene inheritance). De erfelijkheid kan bepaald worden uit kruisingen (gecontroleerde paringen) door middel van mutanten (alternatieve eigenschap ten opzichte van normale genen) en het “wild type” (normale genen uit de natuur). Er wordt gekeken hoe de mutant verschilt van het “wilde type”. Maar ook hoe zich dit uit in kruisingen tussen de mutant en “wild type”.

2.1 Enkel-gen erfelijkheidspatronen

De termen karakter en trek worden in de genetica hetzelfde gebruikt als de term eigenschap. Als er een karakter wordt gekozen om te vergelijken, worden er twee of meerdere contrasterende fenotypen gekozen. Een pure lijn houdt in dat, voor elk fenotype van belang, alle nakomelingen zijn geproduceerd door paringen waarbij de familieleden identiek waren. Twee soorten paringen die in het boek worden genoemd zijn: 1) kruisingen en 2) zelfbevruchting. Kruisingen worden gedaan door de stamper van een plant door een andere plant te laten bevruchten door stuifmeel. De zelfbevruchting vindt plaats doordat een plant zijn eigen stamper bevrucht met zijn eigen stuifmeel. Bij het paren heten de ouders P van “parents”. De volgende generatie heet F1, van “filial generation”. De tweede generatie heet F2 en ga zo maar door.

Mendel’s wet van gelijke scheiding:

• Een erfelijkheidsfactor, genaamd gen, is nodig voor het produceren van een erwt-kleur.

• Elke plant heeft een paar van dit gen.

• Het gen komt in twee vormen voor; dit heten een allel (mv. allelen). Deze kunnen aangegeven worden door letters. Voorbeeld: Y of y.

• Een plant kan de allelen Y/Y, y/y of Y/y hebben. Deze allelen zijn homozygoot (Y/Y of y/y) of heterozygoot (Y/y). Deze combinatie van allelen heten genotypen.

• Daarbij zit er een verschil in kracht van de allelen. Y is het dominante gen; wat altijd tot uiting komt. Het allel y is het recessieve gen; wat alleen tot uiting komt als er geen dominant gen aanwezig is.

• De eerste wet van Mendel houdt in dat tijdens de meiose, de leden van het genenpaar zich gelijk scheiden in de sperma- en eicellen.

• Een enkele gameet (sperma- of eicel) bevat een enkel lid van het genenpaar.

• Tijdens de bevruchting, mixen de gameten hun allelen random. Een bevrucht ei heet een zygote.

Het algemene genotype heeft een ratio van 1:2:1. Dit houdt het volgende in: 1/4 is Y/Y, 2/4 is Y/y en 1/4 is y/y. Y/- betekent dat het dominante allel tot uiting komt en waarbij het niet uitmaakt of het streepje ingevuld wordt door een Y of een y. Ook zijn 1:1 en 3:1 ratio’s die door de eerlijke scheidingswet van Mendel kracht krijgen.

2.2 De chromosomale basis van enkel-gen erfelijkheispatronen

Bij het delen van cellen voor het ontstaan van een volgende generatie, horen twee belangrijke delingen: mitose en meiose. Mitose is een geprogrammeerde cyclus van eukaryote celdeling. Hierbij horen de fases G1 (pauze), S (DNA verdubbeling in de cel), G2 (pauze) en M (mitose: de cel met de dubbele DNA informatie deelt in twee cellen, die een enkele DNA informatie bevat). Mitose vindt plaats bij diploïde cellen (2n --> 2n + 2n) en bij haploïde cellen (n --> n + n). Een meiocyte is een cel die zich onderscheidt in een gameet tijdens de meiose. De meiose zorgt ervoor dat alle allelen, van het genenpaar van de ene ouder en van de andere ouder, bij elkaar komen.

Het plaatje 2-8 maakt de fasen van de meiose en mitose duidelijk. Belangrijke begrippen hierbij zijn de dyade (gekopieerde zussen chromosomen samen), bivalent (twee dyaden) en een tetrade (de vier chromatoiden die de bivalent maken). Het einde van de meiose, waarbij vier individuele, haploïde cellen uit zijn gekomen, heet het eindproduct van de meiose. De meiose is samen te vatten in het volgende:

• Start: twee homologen. Een homoloog draagt A en de andere homoloog draagt a.

• Kopiëren: twee dyaden. Een dyade is AA en de andere dyade is aa.

• Paren: tetrade is A/A/a/a.

• Eerste deling: een dyade naar elke dochtercel. In een dochtercel zit AA en in de andere dochtercel zit aa.

• Tweede deling: een chromatide naar elke dochtercel. Hier komen vier cellen uit die A, A, a en a bevatten.

De mitose-fase vindt niet plaats bij een haploïde cel. Twee haploïde cellen vormen samen één cel met beide chromosomen, waardoor deze cel diploïde wordt. Deze chromosomen kopiëren zichzelf waardoor er twee chromosomen paren in één cel zitten. Vervolgens deelt de cel zichzelf waardoor de chromosomen paren in aparte cellen zitten. Deze cellen delen zichzelf, waardoor de cellen weer haploïde worden. Nu zijn er vier haploïde cellen in plaats van twee. Deze vier cellen bevinden zich in de ascus (membraanzak).

2.3 De moleculaire basis van Mendeliaanse erfelijkheidspatronen

Allelen zitten op dezelfde stukjes op een gen, maar hebben verschillende eigenschappen. Een mutatie is een onbedoelde verandering op het allel. Deze mutatie kan overal op het gen plaatsvinden. Op moleculair niveau veranderen hierbij de basen; A&T worden G&C of andersom.

Een manier om de chromosoom segregatie op moleculair niveau te zien, is om de allelen in een volgorde te zien. Een andere manier om een deel van het DNA op te sporen, is de “restriction fragment length polymorphism” (RFLP). Dit is een techniek om variatie op homologe DNA stukjes te zien. De stukjes gen worden gescheiden door enzym locaties. Een andere manier is om te kijken of er verschillen zijn in het DNA, op dezelfde locaties, is de “polymerase chain reaction” (PCR). Deze methode kijkt of er verschillen zijn in het aantal herhalingen van codes. Ook hierbij wordt gebruik gemaakt van moleculaire markers. Dit zijn markers, die niet per se van biologische interesse zijn, maar gebruikt kunnen worden om de erfelijkheid van een chromosoom gedeelte op een specifieke positie te bepalen.

Het eerste fenotype, vanuit het genotype, is het eiwit dat wordt geproduceerd. De meeste mutaties in een aminozuur reeks voor het produceren van een eiwit, resulteren in een functie die toeneemt of juist absent is. Hierbij zijn nul allelen de gemuteerde allelen en lekkende allelen zijn de allelen die bijna hetzelfde eruit zien als de gemuteerde allelen. Wanneer een gen haplosufficient is, dan kan het gen de mutant opvangen en alsnog de juiste functie uitvoeren. Wanneer een gen haploinsufficient is, dan kan het gen de mutant niet opvangen en ook niet meer de juiste functie uitvoeren.

2.4 Sommige genen ontdekt door het observeren van scheidingsratio’s

In het boek worden drie situaties beschreven, waarbij het uiteindelijke resultaat de standaardratio is (1:3:1 of 1:1). Hierdoor kan er bepaald worden, ook mede door de fenotypen, wat de dominante genen zijn en wat de recessieve genen zijn. Dit is gedaan door middel van vooruit genetica. Deze methode volgt een aantal stappen:

• Kies een interessante, biologische eigenschap;

• Zoek mutanten die deze eigenschap beïnvloeden;

• Kijk bij de mutanten naar enkel-gen overdracht;

• Identificeer de tijd en plaats waarbij de genen actie vertonen;

• Zoom in op de moleculaire level van het gen door middel van DNA analyse.

Een manier om erachter te komen wat de allelen zijn van de ouders, is om de ouder te kruisen met een bekende recessieve ouder met de allelen a/a (tester). Deze manier heet test kruisen. Als het genotype van de onbekende ouder A/a is, dan zal er 1/2 A/a en 1/2 a/a uitkomen. Als het genotype van de onbekende ouder A/A is, zullen alle nakomelingen het dominante gen laten zien. Het is een makkelijke methode om iets ingewikkelds te begrijpen. Ook de meiose kan negeert worden hierbij, aangezien de gameten recessief zijn en dus niet bijdragen aan het fenotype van de nakomelingen.

Je kan dus de principes van overdracht in twee richtingen gebruiken: 1) het afleiden van genotypen vanuit fenotypische ratio’s en 2) het voorspellen van fenotypische ratio’s van ouders met een bekende genotype.

2.5 Sekse gerelateerde enkel-gen erfelijkheidsspatronen

Naast autosomale (niet geslachtsgebonden genen) hebben zijn er ook wezens met sekse chromosomen. Deze bepalen of het wezen een mannetje of een vrouwtje is. Bij mensen is het vrouwtje met twee X chromosomen (homogametisch) en het mannetje heeft een X- en een Y-chromosoom (heterogametisch). In de meiose paren en scheidenRead more