DNA, Chromosomen en Genomen PDF

GENETICA (03-10 + 17-10) HOOFDSTUK 1: DNA, CHROMOSOMES AND GENOMES DNA Inleiding  niet-delende cel en delende cel  DNA zit in de kern in identieke chromosomen  bij een niet-delende cel zijn deze chromosomen in een extended fo...

GENETICA (03-10 + 17-10) HOOFDSTUK 1: DNA, CHROMOSOMES AND GENOMES DNA Inleiding  niet-delende cel en delende cel  DNA zit in de kern in identieke chromosomen  bij een niet-delende cel zijn deze chromosomen in een extended formation  als de cel gaat delen wordt het DNA gecondenseerd tot echte chromosomen worden doorgegeven aan de dochtercellen na celdeling Experimenteel  Jean Brachet  deed onderzoek naar DNA gedurende de embryologische ontwikkeling  zag dat DNA gedurende de tijd verdubbelde  RNA bleef vrij constant  starten met kolonie van smooth (S strain) ziekteverwekkende bacteriën => veroorzaakt pneumonia bij muis  door een random mutatie => rough (R strain) bacteriën  R strain bacteriën waren niet pathogeen => geen pneumonia  R strain bacteriën laten groeien in het bijzijn van dode S strain cellen => werden gedood dood verhitting  sommige R strain cellen werden getransformeerd tot S strain cellen => opnieuw ziekteverwekkend hypothese is dat de R strain bacteriën het erfelijk materiaal opnamen  S strain cellen werden gefractioneerd  enkel in DNA fractie werd na onderzoek S strain cellen gevonden DNA kan een de cellen transformeren Structuur en functie van DNA  DNA bestaat uit 2 antiparallelle en complementaire strengen die samengehouden worden door H-bruggen  complementaire strengen zijn handig voor het kopiëren => 2x zoveel informatie  2 H-bruggen tussen A (purine) en T (pyrimidine)  3 H-bruggen tussen C (pyrimidine) en G (purine)  suiker-fosfaat backbone aan buitenkant + basen zitten binnen  wordt spontaan opgevouwen tot dubbele helix  major groove en minor groove  elke turn bestaat uit ongeveer 10 nucleotiden paren  0,34 nm tussen 2 nucleotiden => 1 complete turn = 3,4 nm  DNA heeft een breedte van 2 nm  nucleotide sequentie  wordt geschreven van 5’ naar 3’  DNA replicatie is semi-conservatief  parentale streng DNA => uit elkaar gehaald + elke streng gebruikt als template voor de nieuwe strengen  exact 2 kopies van hetzelfde DNA in eukaryoten  DNA zit in de nucleus => enkel bij eukaryoten  nucleus heeft een dubbel membraan met poriën = nucleaire envelop  in nucleus: nucleolus, nucleaire lamina, heterochromatine nucleaire lamina => opgebouwd uit eiwitten + bindt met heterochromatine heterochromatine in cel => inactief (zit tegen de kern aan) 1 CHROMOSOMAAL DNA Eukaryotisch DNA zit verpakt in chromosomen  tijdens de mitose is het DNA verpakt in chromosomen  elk mens heeft 2 kopies van elk chromosoom => 1 van de moeder en 1 van de vader => homologen  de geslachtschromosomen zijn niet homoloog  de chromosomen kunnen gekleurd worden => gebruik van probe (probe zoekt complementaire DNA sequentie  chromosomen worden blootgesteld aan menselijk DNA die gekoppeld zijn aan kleurstoffen  gelabelde DNA kan enkel basenparen vormen met het chromosoom waarvan het DNA afkomstig was elke chromosoom krijgt een andere kleur  gekleurd DNA kan binden aan de chromosomen omdat de dubbele helix een beetje ontbonden wordt structuur van chromosoom wordt zo intact mogelijk gehouden  karyotype opstellen = een volledige set chromosomen => gekleurd karyogram  alle chromosomen met hun fluorescentie naast elkaar zetten tegenwoordig veel minder gebruikt  DNA sequentie gebruiken om te kijken naar de chromosomen  er kan bijvoorbeeld gezien worden of er te veel is van een bepaald chromosoom  aneuploidy => te veel of te weinig chromosomen  22 autosomen en 2 geslachtschromosomen  banding patterns  speciale kleuring waarbij banden op de chromosomen gekleurd worden  banden kunnen herkend worden => afwijkingen herkennen stel dat er een stuk van een chromosoom naar een ander chromosoom gaat  geïdentificeerd worden door naar de banden te kijken  chromosomen bestaan uit lange strengen van genen => elk been van een chromosoom codeert voor genen!  aantal chromosomen kan verschillen per soort  2 zeer verwante species hebben een verschillend aantal chromosomen die er ook helemaal anders uitzien  opbouw van een chromosoom  middenin = centromeer => hechtingsplaats voor kinetochore microtubuli = chromosoom uit elkaar te halen  aan de uiteinden = telomeren (2 per chromosoom)  vormen speciale caps aan het uiteinde van de chromosomen uiteindes worden goed gekopieerd + zorgt dat cel niet denkt dat DNA hersteld moet worden  opbouw van een gen  grijze delen = introns  rode delen = exonen => vormen mRNA als ze aan elkaar gehecht worden  oranje deel = regulatorische sequentie 2 Human genome  3,2 109 basenparen  25 000 genen  meer dan 20 000 pseudogenen  gen door duplicatie of andere fenomenen + onderging een mutatie en codeert nu voor niks meer gen is ook niet meer nodig  het is niet meer nodig dat we een leeuw kunnen ruiken vanop een kilometer afstand  protein coding sequences  1,5 % van al het DNA codeert voor eiwitten  genen coderen niet noodzakelijk voor een eiwit  highly conserved sequences  3,5 % => zijn niet coderende delen  bevatten regulatorisch DNA, functioneel RNA  kan gebruikt worden om te kijken welke delen aanwezig zijn bij welke organismen  bewaard bij bepaalde organismen => bepaalde functie die evolutionair belangrijk bleef  50% repetitive DNA  steeds dezelfde sequenties => repeated elements  retroviral-like elements  de gemiddelde grootte van een gen dat codeert voor een eiwit = 27 000 basenparen  enorm grote hoeveelheid => slechts 1300 basenparen nodig voor een eiwit van een goede grootte  heel veel noncoding DNA dat tussen de segmenten DNA zit die wel coderen voor het eiwit  heel veel regulatorische segmenten  unieke sequenties  protein-coding regions  introns => vormen samen de genen  non-repetitive DNA that is neither in introns nor codons  bevat vooral de regulatorische en functionele elementen  repetitieve sequenties  LINEs en SINEs  long interspersed nuclear elements  short interspersed nuclear elements  retroviral-like elements  retrovirussen die zich hebben geïnserteerd in het genoom en daarna inactief zijn geworden  transposon fossils  kunnen niet meer springen maar zijn er nog => vormen samen transposons  repeated sequenties  segmental duplication = grote stukken die herhaald worden  evolutionaire geschiedenis van chromosomen  wat is er gebeurd doorheen evolutie met genen op chromosomen  inversies, translocaties, … 3 Levenscyclus van een eukaryote cel  chromosoom is enkel tijdens de metafase opgebouwd uit 2 delen  chromosomen zijn meestal lange stranden = chromatinedraden (30 nm dik)  actieve vorm waarbij transcriptie mogelijk is  tijdens de interfase worden de chromosomen gerepliceerd  verschillende replication origins => zorgen voor replicatie bubbels met steeds 2 replicatievorken kunnen meer dan 2 replication origins zijn 2 kopies van DNA worden aan elkaar gehecht ter hoogte van centromeer  kunnen tijdens de mitose uit elkaar getrokken worden door kinetochore microtubuli Histonen  DNA is gewikkeld rond histonen => vorming van nucleosomen  nucleosoom = histone eiwitten en 147 nucleotiden aan DNA  1,7 turns DNA gewikkeld rond histonen = 147 nucleotiden  enkel aanwezig in eukaryoten  DNA is altijd opgerold => basis structuur van DNA in de kern  histone eiwitten bestaan uit 8 subeenheden => octameer  2 histonen H2A  2 histonen H2B  2 histonen H3  2 histonen H4  histonen hebben staarten die buiten het nucleosoom zitten  vergelijken van de histonen via aminozuursequentie  sequentie van N-terminus naar C-terminus  regio’s die terugkomen in sequenties van verschillende histonen = histone fold (kunnen licht verschillen)  regio’s worden aangeduid als box  vorming van octameer  H3 en H4 vormen een dimeer => 2 H3-H4 dimeren vormen een tetrameer  H2A en H2B vormen een dimeer  alle staarten naar buiten => toegankelijk voor eiwitten/enzymen voor modificaties  DNA rond nucleosoom  minor groove die tegen het histone eiwit zit is geplet  dinucleotiden AA, TT en TA => graag in kleinere minor groove = stevigere binding  DNA kan ontrollen van het nucleosoom => DNA binding proteins (transcriptiefactoren) kunnen binden  nucleosomen zijn dynamisch => worden steeds ontrolt en opnieuw opgerold  genen worden toegankelijk gemaakt of afgesloten  ATP-dependent chromatin remodeling complex = heel veel eiwitten samen  histonen kunnen (deels) verwijdert worden + andere histonen kunnen in de plaats komen (via chaperones)  H1 = linker proteïne (om alles samen te houden)  bindt aan linker DNA dat los hangt van het nucleosoom  zorgt ervoor dat het DNA compact blijft  enige histoom dat niet in een nucleosoom zit 4 REGULATIE VAN CHROMATINE STRUCTUUR Genetica vs. epigenetica  genetica  gen is een mutatie ondergaan + het gen werkt niet meer  tijdens mitose worden er 2 kopies van gemaakt wordt doorgegeven aan de nakomelingen  epigenetica  niet DNA gebonden => DNA sequentie verandert niet MAAR modificatie van de chromatine  gen is aan, maar is zo sterk verpakt in de chromatinestructuur dat er geen transcriptiefactor bij kan  gen zal dus niet overgeschreven worden  de structuur van het DNA blijft tijdens de mitose hetzelfde => de structuur zal ook zo zijn bij 2 dochtercellen  bij productie van eicellen en zaadcellen => reset gen zal terug bereikbaar zijn en uitgedrukt kunnen worden Soorten chromatine  heterochromatine (komt door een modificatie van de chromatine => epigenetica)  zeer compact deel van DNA => geen genuitdrukking  vaak aanwezig in centromeer en telomeer regio  heterochromatine verder verspreid => genuitdrukking wordt stopgezet = genen worden geïnactiveerd  euchromatine  minder compact => laat genuitdrukking wel toe (wilt niet zeggen dat alle genen uitgedrukt worden)  experiment  white gene => gen staat aan = rode ogen, gen staat uit = witte ogen  wit gen zit in euchromatine + heterochromatine kan niet verder verspreiden door de barrière  white gene staat aan => ogen krijgen een rode kleur  inversie van chromosoom zorgt ervoor dat white gene naast heterochromatine ligt  spreiden van heterochromatine zorgt ervoor dat white gene geïnactiveerd werd => geen uitdrukking deel van het oog kleurt wit  heterochromatine zal niet volledig over het gehele gen liggen stukjes van het gen blijven beschikbaar => oog heeft witte vlekken, maar niet volledig wit Staart van de histonen  staart = toegankelijk voor eiwitten => code kan gelezen worden  methylatie  vaak ondergaan door lysine en arginine => kunnen op verschillende manieren gemethyleerd worden lysine 9 kan aangepast worden door methylatie OF acetylatie => NOOIT beide tesamen  fosforylatie  acetylatie  ubiquitylatie => toevoegen van ubiquitine (een klein eiwit van 76 AZ)  gebruikt als marker voor degradatie => zegt dat het aminozuur gedegradeerd moet worden  zorgen voor modificaties aan de histonen => histone code  histonen hebben verschillende varianten 5   andere histonen die van dezelfde familie zijn als andere histonen  vb: CENP-A neemt de plaats in van H3 bij centromeer wordt H3 vervangen door CENP-A  kinetochoor wordt verankerd aan het nucleosoom  kinetochore microtubuli kunnen aan het kinetochoor binden  vb: H2A vervangen door H2AX signaal aan de cel zodat de cel weet dat er daar op die plaats een herstelling moet gebeuren Code reader  code-reader complex herkent modificatie aan histonenstaart  vb: methylatie op lysine 9 => formatie van heterochromatine en uitschakeling van gen  kan zo doorgegeven worden aan de dochtercellen epigenetica  code zorgt ervoor dat bepaalde delen uitgedrukt worden en andere delen inactief zijn  in bepaalde cellen wordt gen wel uitgedrukt in andere delen wordt gen verpakt in heterochromatine vb: enkel insuline aanmaken in beta-cellen in pancreas  gen voor insuline is niet actief in de lever  wordt gebruikt door de cel zodat er geen transcriptiefactoren gebruikt moeten worden  code-writer = kan modificaties creëren op de histonen  reader-writer complex zorgt voor modificaties van chromatine over hele gen  modificatie wordt afgelezen + opgeschreven => propagatie van epigenetische code  reader-writer complex kan samenwerken met een remodeling complex  repositioneren van nucleosomen in hoog gecondenseerde strengen  barrière proteïnen  verschillende barrière proteïnen mogelijk  zit op DNA + kan spreiding stoppen  binden aan bepaalde sequentie => sequentie kan niet aangepast worden  reader-writer complex weghalen  rond het centromeer zitten eiwitten die het kinetochoor vormen (centromeer bij de mens is in het midden)  kinetochore microtubuli zitten aan het kinetochoor gehecht  2 verschillende chromatines => 1 met H3 variant, 1 met CENP-A variant => steeds een halve turn CENP-A variant zit tegen de kinetochoor  tijdens de DNA replicatie zijn de histonen los, maar in de buurt  worden 50%-50% verdeeld over beide strengen en daarna worden nieuwe histonen toegevoegd  reader-writer proteins zorgen ervoor dat de nieuwe histonen ook hun epigenetische code krijgen  chromatine blijft zichzelf onderhouden => als er acetylatie was = acetylatie blijft 6 GLOBALE STRUCTUUR VAN CHROMOSOMEN Chromosomen zijn opgevouwen lussen van chromatine  lussen = extended chromatine waar genen uitgedrukt kunnen worden  de rest van DNA is vaak wel gecondenseerd zodat er geen expressie optreedt  de chromatine wordt verder gecondenseerd om zo compacte chromosomen te vormen  dit is reversibel zodat de genen opnieuw bereikbaar zijn voor expressie  dynamisch  soms is de lus minder open  soms is de lus enorm open => genen worden uitgedrukt  tijdens mitose = gecompacteerd => geen expressie mogelijk  tijdens interfase = 30 nm chromatinedraden tussen euchromatine ook regio’s van heterochromatine => in die regio’s geen gen expressie  heterochromatine reguleert de expressie van belangrijke genen  heterochromatine komt in verschillende vormen voor => niet 1 soort heterochromatine Chromatinedraden kunnen naar verschillende sites migreren tijdens genexpressie  als we chromosomen kleuren in een interfase kern kunnen we zien waar de chromosomen zitten  maternale en paternale chromosomen zitten in andere delen van de kern  actieve regio’s voor transcriptie bepalen  groen = actief euchromatine  rood = inactief heterochromatine => minder uitdrukking  tegen de nucleaire enveloppe  geel = mengeling van euchromatine en heterochromatine  hoe migreren de chromosomen?  kijken naar 1 specifiek chromosoom  chromosoom = groen  rood = 1 bepaald gen in 1ste cel is het gen niet uitgedrukt in 2de cel is het gen wel uitgedrukt => gen zit verder van chromosoom  open lus gevormd waarbij er transcriptie mogelijk is  de chromosomen veranderen van plaats bij het actief worden  inactieve genen zitten meestal aan de buitenkant (perifeer)  actieve genen migreren naar actieve regio’s (aangeduid in het geel veel RNA polymerase en andere factoren in deze regio’s  specifieke regio’s waar er meer transcriptie activiteit is  oranje = inactief heterochromatine Chromosoom vs. chromatine  chromosoom ziet er enkel uit als een typische chromosoom tijdens de metafase  2 zusterchromatiden die aan elkaar vast zitten ter hoogte van het centromeer  worden daar uit elkaar getrokken tijdens de mitose/meiose centromeer zit niet altijd in het midden  bij muis meer aan het uiteinde van chromosoom  telomeren aan de uiteindes van het chromosoom  naakt DNA bestaat niet in een cel => altijd gewikkeld rond histonen  chromatinedraden = normale structuur (30 nm) => worden nog verder gecondenseerd tot chromosoom  SMC proteïnes in condensins (coiled-coil dimeren)  lussen linken + stapelen => vormen het centrum van het chromosoom  geen transcriptie mogelijk => chromosoom is volledig gecondenseerd 7