De cellulaire informatieflow

De cellulaire informatieflow
Hoe de genetische informatie tot concrete kenmerken leidt.
Donderdag 23 januari 2014 – Dr. Peter Roels
Leven is in feite een manifestatie van eiwitten of proteïnen. Keratine in onze nagels, het hormoon
insuline, het zuurstoftransporterende hemoglobine in ons bloed: het zijn allemaal voorbeelden van
eiwitten. Meestal vervullen eiwitten in onze cellen de rol van enzym, die telkens één welbepaalde
chemische reactie van het cellulaire metabolisme katalyseert. Eiwitten bestaan uit een
aaneenschakeling van aminozuren, waarvan er 20 verschillende kunnen voorkomen. De precieze
opeenvolging van de aminozuren bepaalt de algemene structuur en werking van het eiwit. Eén
afwijking in deze aminozuuropeenvolging kan al ernstige gevolgen hebben.
De informatie over de precieze opeenvolging van de aminozuren in de verschillende eiwitten, ligt
opgeslagen in het erfelijk materiaal, meer bepaald in de volgorde van de zogenaamde basen in het
DNA (desoxyribonucleïnezuur). DNA is in de regel een dubbelhelix, waarbij elke streng bestaat uit
een opeenvolging van één van vier mogelijke nucleotiden. Deze verschillen van elkaar naargelang de
base (adenine, cytosine, guanine, thymine) die ingebouwd is. De twee strengen in de dubbelhelix zijn
zijdelings met elkaar “verbonden” doordat een base van de ene streng kan “paren” met een base van
de andere streng. Chemisch kunnen er immers (alleen) interacties optreden tussen een adenine van
de ene streng en thymine van de andere streng. Hetzelfde geldt voor cytosine en guanine. Men
spreekt in dit verband van complementaire basenparing. De informatie die opgeslagen ligt in één
DNA-streng is dus eigenlijk als het ware ook in “spiegelbeeld” aanwezig in de andere streng. Het
grote voordeel hiervan blijkt onder andere bij de replicatie van DNA, het proces waarbij DNA
verdubbeld wordt (voorafgaand aan een celdeling). Beide complementaire strengen komen dan
geleidelijk los van elkaar en via het proces van basenparing kan dan makkelijk tegenover elke streng
een nieuwe complementaire streng aangemaakt worden. Het eindresultaat, voorzover geen fouten
(mutaties) optreden, zijn twee identieke DNA-dubbelhelices. In een eukaryote cel is het DNA
verbonden met eiwitten (o.a. histonen) en vormt zo chromatinevezels die zichtbaar kunnen worden
(op het moment van celdeling) als chromosomen.
Naast de inhoud van het erfelijk materiaal (het genotype) kan ook de omgeving een rol spelen in de
uiteindelijke manifestatie van een kenmerk (het fenotype). Lichaamslengte bijvoorbeeld (een typisch
voorbeeld van een kwantitatief kenmerk) wordt deels genetisch bepaald (door meerdere genen die
een additief effect veroorzaken), deels door de omgeving (bijvoorbeeld de hoeveelheid beschikbaar
voedsel) en ook door de wijze waarop een genotype reageert op de omgeving. Met moderne
technieken wordt het steeds makkelijker het geheel van alle eiwitten die op een gegeven moment in
een cel actief zijn (proteoom) te visualiseren en zo de impact van vele eiwitten op complex kenmerk,
als bv. antibioticumresistentie bij bacteriën, in te schatten (proteomica).
Om nu een eiwit te maken, wordt het overeenkomstig informatiepakketje in het DNA, ook op basis
van complementaire basenparing “overgeschreven” (transcriptie) naar een aan DNA verwant
enkelstrengig nucleïnezuur, namelijk RNA (ribonucleïnezuur), meer bepaald mRNA (messenger RNA).
Dit is mogelijk door de werking van onder andere het enzym RNA-polymerase dat bindt ter hoogte
van de zogenaamde promotor vóór het informatiepakketje op het DNA. Het informatiepakketje zelf
tesamen met de promotor vormt dan wat we een gen noemen. Vanaf DNA kunnen nog andere RNA’s
gemaakt worden. In ons verhaal van eiwitsynthese (zie later) zijn vooral tRNA (transfer RNA) en rRNA
(ribosomaal RNA) van belang.
De volgende stap, de translatie, is de “vertaling” van mRNA naar eiwit (polypeptide). De vraag is
echter hoe de nucleïnezuurtaal, met slechts vier “letters” (de basen) de opeenvolging van de 20
mogelijke aminozuren in een polypetide kan bepalen. Dit blijkt mogelijk doordat de basen
gegroepeerd “gelezen” worden. Drie opeenvolgende basen vormen namelijk een codon, de code
voor één aminozuur. Omdat je 64 verschillende codons kan maken en er maar 20 aminozuren dienen
gecodeerd te worden, mag je ervan uitgaan dat er voor heel wat aminozuren meerdere codons
bestaan (gedegenereerde genetische code).
De eigenlijke translatie gebeurt in de ribosomen, kleine supramoleculaire structuren die naast
eiwitten bestaan uit rRNA, dat een cruciale rol speelt in de eiwitsynthese. Hier zal op elk codon in het
mRNA achtereenvolgens een tRNA binden (met zijn complementair anticodon). Op het tRNA is zelf
door een enzym specifiek een bepaald aminozuur (één type aminozuur per type tRNA). Dit
aminozuur wordt nu in het ribosoom gekoppeld aan de groeiende polypeptideketen, waarna het
proces herhaald wordt tot het hele mRNA gescreend is en het polypeptide afgewerkt is.
Niet elke eiwit is op elk moment in de cel nodig. Met andere woorden, er dient een regeling te zijn
van de genen en hun producten. Het belangrijkste aspect hiervan is de transcriptionele regeling. In
de (buurt van de) promotor kunnen bijkomende regelsequenties zitten die bepaalde eiwitten,
transcriptiefactoren genaamd, kunnen binden die net nodig zijn om een vlotte transcriptie te krijgen
of deze onmogelijk maken. De genen worden m.a.w. bediend door een soort ON/OFF switchen. Bij
prokaryoten is deze regulatie eenvoudiger dan bij eukaryoten, waar vaak vele regelsequenties, ook
op grote afstand van het eigenlijke gen, kunnen aanwezig zijn. Daarnaast is een promotor van een
eukaryoot gen in principe standaard ontoegankelijk voor het polymerase, aangezien het DNA stevig
gebonden is met de histoneiwitten (zie hoger). Sowieso moet het DNA hiervan deels “losgeweekt”
worden door enzymen alvorens de genpromotor toegankelijk wordt. Hiervoor worden het DNA en/of
de histonen chemisch gewijzigd worden. Belangrijk hierbij is dat deze chemische wijziging (bv.
methylatie) ook kan doorgegeven worden aan toekomstige DNA-dubbelhelices, zelfs over de
generaties heen. Op deze wijze kan een individu een gen erven dat door zijn ouder als het ware is uitof aangeschakeld. Dit is wat we verstaan onder epigenetica, een “hot” item trouwens.
Eigenlijk zitten we met betrekking tot de eiwitsynthese evolutionair gezien met een serieus kip-eiprobleem: DNA-replicatie kan maar onder begeleiding van enzymen, maar het maken van enzymen
vergt DNA. Hoe kon dit dan ontstaan in de evolutie? Een mogelijke uitweg uit deze paradox bestaat
erin ervan uit te gaan dat miljarden jaren geleden, vooraleer er cellen waren, er vóór de DNA-wereld
een RNA-wereld bestaan heeft. Er is aangetoond dat RNA zowel de functie van katalyse als replicatie
op zich kan nemen. Het is niet onlogisch dat op termijn de functie van replicatie vervolgens
overgenomen is door het veel stabielere DNA en de rol van katalyse door eiwitten die met hun 20
aminozuren veel diverser kunnen zijn dan het RNA. Deze taakverdeling liet specialisatie toe, een
fenomeen dat we ook elders in de biologie aantreffen.