DNAlabs RSC - rshbiologie

Module MOLGEN1
Een aardig overzicht waar het bij DNA en RNA om draait.
Module: Molgen1
1
Module MOLGEN1
Module MOLGEN1
•
•
•
•
•
•
•
Historie van DNA
DNA als chemische stof
DNA replicatie.
DNA als matrijs voor prot.synthese
Transcriptie en translatie
Eukaryoten: exonsplicing
Genomics
Module: Molgen1
2
Module MOLGEN1
DNA nader bekeken..
Wat is DNA?
Hoe ziet DNA eruit?
Wie ontdekte DNA?
Wie ontdekte dat DNA iets met erfelijkheid te maken had
Kan je DNA zien?
Kan je DNA zichtbaar maken?
Wat doet DNA eigenlijk
Zijn er cellen die geen DNA hebben
Wat is een DNA-test?
Module: Molgen1
3
Module MOLGEN1
Wat is DNA?
Een molecuul met de dure naam: Desoxyribo Nucleine Acid
Hoe ziet DNA eruit?
Als een dubbele wenteltrap.
Eiwitten met hun alfa-helix-structuur lijken hierop.
Wie ontdekte DNA?
Meerdere onderzoekers en niet één.
Wie ontdekte dat DNA iets met erfelijkheid te maken had
Eigenlijk Thomas Hunt Morgan.
Kan je DNA zien?
Nee. Veel te klein. Er passen miljoenen moleculen in een
eierdopje!
Kan je DNA zichtbaar maken?
Ja. Met kleurstof die zich eraan bindt…
Wat doet DNA eigenlijk?
Matrijs voor eiwitsynthese
Zijn er cellen die geen DNA hebben?
Feitelijk alle zoogdiercellen hebben DNA.
Wat is een DNA-test?
Module: Molgen1
De vraag beantwoorden of bepaalde sequenties overeenkomen
(vader-moeder-kind) of (daders 4– bloedvlekken)
Module MOLGEN1
Basale feitenkennis DNA (voor iedereen)
•
•
DNA zit in elke lichaams CEL.. Elke dus!
•
RNA wordt gemaakt aan de hand van DNA
en dient als matrijs voor de eiwitsynthese
•
Veel eigenschappen zijn functionele eiwitten:
(oogkleur, haarkleur, afweerfuncties, enzymen etc..)
•
Het menselijk DNA bevat 30.000 genen(= stukjes DNA
die coderen voor stukken eiwit) .
•
Een gen is ál dat DNA dat bijdraagt tot de expressie
van dat gen. (ook dus de non-coding delen!)
•
Een fout in het DNA kan leiden tot een fout eiwit en
dus tot een foute functie (=ziek).
Celdeling (groei, herstel, vorming geslachtscellen)
wordt vooraf gegaan door DNA-duplicatie.
Module: Molgen1
5
Module MOLGEN1
Basale feitenkennis DNA (voor iedereen)
•
DNA ondergaat mutaties = verandering die worden
doorgegeven aan de volgende cellen na deling.
•
Een mutatie in je geslachtscellen wordt doorgegeven
aan je nageslacht.
•
Een mutatie in je lichaamscellen wordt niet
doorgegeven.
•
Kanker ontstaat door schade aan het DNA en de
chromosomen die niet wordt hersteld.-> Op hol
geslagen celdeling.
•
•
DNA gaan we zichtbaar maken in onze practica.
DNA kunnen we ook aan een test onderwerpen in
onze practica.
Module: Molgen1
6
Module MOLGEN1
Eerst kort overzicht geschiedenis DNA
•
•
Vader geneeskunde: Hippocrates: zaad komt uit het hele lichaam.
•
•
•
•
•
Microscoop door Anthonie van Leeuwenhoek (1632-1723)
•
•
Correns, Hugo de Vries herontdekken werk van Mendel rond 1900.
•
Alfred Kossel (1853-1927) ontdekt vier basen: guanine, adenine, cytosine en
thymine.
Aristoteles stelde dat erfelijkheid in het bloed was gelegen; wij spreken nog
steeds over blauw bloed, en bloedverwanten…
Darwin (1809-1882) sprak over erfelijkheidsdeeltjes in het hele lichaam
Celtheorie dateert uit 1839 (Schleiden en Schwann)
Hartsoeker dacht dat in zaadcellen kleine mannetjes zaten (homunculus)
Mendel brengt licht in de zaak en experimenteert met 7 eigenschappen van
erwtenplanten : Had geluk: planten waren homozygoot en factoren op andere
chromosomen..
Zwitserse arts Miescher toonde aan dat hemoglobine uit bloedcellen voor
zuurstoftransport verantwoordelijk waren. In die tijd geloofde niemand in
onderzoek naar celinhoud..die is immers dood..
Module: Molgen1
7
Module MOLGEN1
Kort overzicht geschiedenis DNA
•
Thomas Hunt Morgan exp met fruitvliegin 1907 en creert mutanten
en bevestigde de uitkomsten/wetten van Mendel
•
Morgan identificeert genen op chromosomen en krijgt het inzicht dat de
erfelijkheid dáár gezocht moest worden
•
Oswald Avery (1877-1955) onderzoekt bij bacterien en voert beroemde proef
uit waaruit blijkt dat de transformerende in bacterien zit en van gewone
bacterien ziekteverwekkende kan maken.
•
Andere onderzoekers komen bij schimmels erachter dat bepaalde soorten op
bepaalde media (agar) niet konden groeien. Andere mutanten wel.
•
•
Amerikanen ontdekken bacteriofagen (virussen die bacterien infecteren)
•
Alexander Todd doet poging om de structuur van DNA te schetsen: basen,
phosfaat, suikers…
•
Linus Pauling doet voorstel dat eiwitten nog wel eens een a-helix kunnen zijn
(spiraal)
Hershey en Chase (1927-2003) doen wereldberoemde proef die duidelijk
maakt dat fagen uit een eiwitmantel bestonden gevuld met DNA. Middels
radioactief Zwavel (eiwitbouwsteen) en fosfor (DNA-bouwsteen) konden zij
aantonen dat DNA van de virus in de bacterie werd gespoten. (zie verderop)
Module: Molgen1
8
Module MOLGEN1
Kort overzicht geschiedenis DNA
•
•
•
Pauling had hierin gelijk, maar voor DNA was het toch iets anders
Rosalind Frank ontdekt de dubbele helix van DNA middels rontgendiffractie
Watson en Crick ontdekken in 1952 de structuur van DNA en besluiten hun
vondst met de suggestie dat dit model een replicatiemogelijkheid in zich
draagt.
Watson & Crick schrijven in hun artikel dit:
Module: Molgen1
9
Module MOLGEN1
Module: Molgen1
10
Module MOLGEN1
DNAstructuur
Eigenlijk is de
rechter tekening
niet juist: de
spiralen zitten
niet recht
tegenover elkaar;
zij zijn 90 graden
verschoven.
Plaatje hieronder
is beter.
Module: Molgen1
11
Module MOLGEN1
DNAstructuur:
Module: Molgen1
12
Module MOLGEN1
DNAstructuur: DNA
Module: Molgen1
13
Module MOLGEN1
DNAstructuur: opbouw DNA
Module: Molgen1
14
Module MOLGEN1
DNAstructuur: verschil DNA/RNA
Module: Molgen1
15
Module MOLGEN1
DNAstructuur
De figuur hiernaast toont
de complementariteit van de
beide strengen in DNA.
Tegenover A zit T,
Tegenover C zit G
Als je één streng kent, ken je
ook de andere.
ATATTAGA heeft als tegenligger
TATAATCT
Module: Molgen1
16
Module MOLGEN1
DNAstructuur en chromosoom
Module: Molgen1
17
Module MOLGEN1 DETAILS voor FIJNPROEVERS
DNAstructuur en chromosoom
Module: Molgen1
18
Module MOLGEN1 DETAILS voor FIJNPROEVERS
Module: Molgen1
19
Module MOLGEN1 DETAILS voor FIJNPROEVERS
Module: Molgen1
20
Module MOLGEN1 DETAILS voor FIJNPROEVERS
Module: Molgen1
21
Module MOLGEN1 DETAILS voor FIJNPROEVERS
Twee methylerings-vormen: Histonmethylering en DNA-methylering.
Module: Molgen1
22
Module MOLGEN1
Verder met de DNA-replicatie.
Module: Molgen1
23
Module MOLGEN1
DNA replicatie
DOEL: de dubbele helix dupliceren zodat de dochtercellen na de
celdeling elk hun eigen kopie hebben.
Hieronder zie je het replicatieproces. Behoorlijk ingewikkeld. Uitkomst is dat er
twee identieke DNA structuren bestaan die elk in een dochtercel terecht
komen. Er zijn (waren) drie modellen:
Module: Molgen1
24
Module MOLGEN1
Module: Molgen1
25
Module MOLGEN1
DNA replicatie
DOEL: de dubbele helix dupliceren zodat de
dochtercellen na de celdeling elk hun eigen kopie
hebben.
Hieronder zie je het replicatieproces. Behoorlijk ingewikkeld. Uitkomst is dat er
twee identieke DNA structuren bestaan die elk in een dochtercel terecht
komen. Essentieel is dat de ouderstrengen dus voor 50% in de dochtercel
terecht komen. Semiconservatieve replicatie dus.
Module: Molgen1
26
Module MOLGEN1
DNA-duplicatie
Bij dit proces zijn tal van enzymen betrokken die DNA opensplijten (helicase),
afschermen(ssDNAbp), voorzien van een primer(primase), aaneenrijgen
(polymerase), ontwarren (topo-isomerase), gaatje dichten (ligase)..etc…
Module: PCR analyse en Gelelectroforese
27
Module MOLGEN1
Module: Molgen1
28
Module MOLGEN1
Het replicatieproces van DNA
•
Het replicatieproces moet zo foutloos mogelijk geschieden. DNA polymerase
maakt heel weinig fouten, met name door proofreading; het enzym
corrigeert fout geplaatste nucleotide zelf. Blijft een foutmarge van 1: 10E8
over, wat heel weinig is.
•
•
Resultaat van fouten -> veelal niks omdat 98% van ons DNA non-coding is!!!
•
•
Tijdens de S1 fase van de mitose wordt het DNA zo verdubbeld.
•
Dit principe geldt voor meer materiaal in de cel; sterker: bij de
celdifferentiatie is dit juist erg belangrijk; zo ontstaan cellen met veel stof
A, en andere dochtercellen met weinig stof A.
•
•
Mitose is een cyclus. Sommige cellen delen zich bijna 200x, anderen 30x.
Soms treed er zo een mutatie op… Meestal zijn die NIET gunstig en worden
deze door selectie vanzelf verwijderd.
Wat niet wordt verdubbeld: DNA in mitochrondrien en in chloroplasten.
Deze organellen worden “ongeveer” verdeeld over de dochtercellen.
Meiose is geen cyclus: een eenmalig vormen van gameten.
Module: Molgen1
29
Module MOLGEN1
Onthoudt dus:
•
Een cel kan zich door deling vermenigvuldigen. Hiervoor is het nodig dat he
DNA zich (eerst) verdubbelt en daarna verdeelt over beide dochtercellen.
•
Die dochtercellen zullen op hun beurt weer delen ….
•
Bij de vorming van geslachtscellen, gebeurt iets eenmaligs: een slimme
splitsing van DNA-materiaal: er ontstaat cellen met slechts de helft van de
normale hoeveelheid.
•
Als deling niet aan de orde is, worden genen (die niks anders zijn dan
stukjes DNA) overgeschreven in RNA dat op zijn beurt weer wordt vertaald in
eiwitten. Dit gebeurt dus in ELKE lichaamscel.
•
Maar…. In levercellen worden andere genen geactiveerd dan in bloedcellen…
Module: Molgen1
30
Module MOLGEN1
Het transcriptieproces van DNA
Module: Molgen1
31
Module MOLGEN1
Het transcriptieproces van DNA: Centrale Dogma.
Niet altijd worden eiwitten gemaakt…
Dus: One Gene… One RNA?
Module: Molgen1
32
Module MOLGEN1
Het transcriptieproces van DNA
• Bij transcriptie wordt een vertaalslag gemaakt van DNA naar
RNA.
DOEL? Omdat stukken DNA een coderende functie hebben voor eiwit~, en
eiwitten vele functies in het lichaam verzorgen.
•
Het transcriptieproces heeft tot doel om een stuk gen af te lezen en te
vertalen in een werkzaam eiwit. Feitelijk is dit het bestaansrecht van DNA.
•
Het kent drie fasen:
•
•
•
Initiatie
Elongatie
Terminatie
•
Initiatie is het starten van de transcriptie: waar moet RNA-polymerase
beginnen?
•
Elongatie: Eenmaal het beginpunt gevonden, wordt DNA getranscribeert in
een RNA-streng
•
Terminatie: impliceert dat de verse RNA-streng modificaties ondergaat die
het beschermen tegen de afbraakenzymen die altijd in het cytosol aanwezig
zijn. (5`G-cap structuur en Poly-A-tail)
•
Pas verderop wordt het RNA afgelezen en vertaald (translatieproces) in
eiwit. (hierover later meer)
Module: Molgen1
33
Module MOLGEN1
Het transcriptieproces van DNA
• Bij de transcriptie wordt de ene streng gebruikt voor
herkenning (sense) en de andere streng van DNA gebruikt als
matrijs.
Module: Molgen1
34
Module MOLGEN1
DNA-gebieden
DNA kent een aantal gebieden:
•
Coderende stukken
Deze coderen voor o.a. eiwitten.
•
Niet coderende stukken:
•
•
Besturingsdelen die de genen “aansturen”
Noncodings region: vroeger Junk-DNA genoemd.
Men vermoedt dat dit DNA een regulerende werking
heeft.
•
Transcriptie is het proces waarbij DNA wordt
overgeschreven in RNA.
•
Translatie is het proces dat RNA vertaald in een
eiwit. (in cytosol)
•
Transcriptie vindt in de kern plaats (eukaryoot)
Bij bacterien kunnen deze processen tegelijk plaatsvinden. Er is geen kernmembraan…
Module: Molgen1
35
Module MOLGEN1
DNA-gebieden
TRANSCRIPTIE bij prokaryoten (bacterien).
Module: Molgen1
36
Module MOLGEN1
DNA-gebieden TRANSCRIPTIE.
•
•
DNA: sense-streng lezen wij van 5’ naar 3’. RNApol leest template van 3’ naar 5’
•
35 posities verderop begint de transcriptie…
Ribosoom is degene die AUG leest als startcodon. RNApol niet
Kenmerken: RNApol zoekt de TATAAbox (promotor) als startpunt. (Iets anders dan TATAA
zal leiden tot minder binding en dus minder expressie, niet nul).
-35
1
5’-CGTATAACA..TAGCGATGACGTAGCGCATGCACGGG..
3’-GCATATTGT..ATCGCTACTGCATCGCGTACGTGCCC..
RNA:
5’-CGTUCGCGAUGGUGGGG..
•
5’-CGTUCGCGAUGGUGGGGGUUGAGGGUAAC.....
Wordt later vertaald in:
5’-CGTUCGCGAUGGUGGGGGUUGAGGGUAAC.....
.M..V..G..L..E..G..A.
Methionine->Valine->Glycine->Leucine etc
Module: Molgen1
37
sense
template
Module MOLGEN1
DNA-gebieden TRANSCRIPTIE. Na DELETIE van 1 bp.
•
•
Door een mutatie verdwijnt er een bp. GEVOLGEN?
•
-35
Het was:
1
5’-CGTATAACA..TAGCGATGACGTAGCGCATGCACGGG..
3’-GCATATTGT..ATCGCTACTGCATCGCGTACGTGCCC..
RNA:
5’-CGTUCGCGAUGGUGGGG..
•
WORDT:
•
-35
•
template
1
5’-CGTATAACA..TAGCGATGACGTAGCGCATGCAGGG..
3’-GCATATTGT..ATCGCTACTGCATCGCGTACGTCCC..
RNA:
5’-CGTUCGCGAUGGUGGG..
Was:
sense
sense
template
5’-CGTUCGCGAUG GUG GGG GUU GAG GGU AAC.....
Met Val Gly Val Glu Gly Asn
•
Wordt:5’-CGTUCGCGAUG GUG GGG UUG AGG GUA AC.....
Met Val Gly Leu Arg Val …
Module: Molgen1
38
Module MOLGEN1
DNA-gebieden TRANSCRIPTIE.
•
•
Blijkbaar een zeer gevoelig proces.
•
Recessieve ziekten zijn soms precies het verschil in 1 nucleotide
anders..
•
Ook het verschil in allelen kan soms maar 1 bp zijn. Het verschil
rode of gele bloemkleur bijvoorbeeld.
Eén mutatie (deletie, insertie, frameshift of wat dan ook) kan leiden
tot een te kort, te lang, corrupt of ander type eiwit dat meestal niet
zijn werk doet, schadelijk is ed.
Module: Molgen1
39
Module MOLGEN1
DNA-transcriptie.
DOEL: stukje van het DNA overschrijven in de vorm van
ssRNA opdat dit als matrijs kan dienen voor
eiwitsynthese: (rode streng is RNA, blauw: DNA)
Module: Molgen1
40
Module MOLGEN1
DNATranscriptie
Module: Molgen1
41
Module MOLGEN1
EIWITSYNTHESE (vereenvoudigd)
Het in de kern gemaakte mRNA (een prévorm ondergaat
nog enkele nabewerkingsstappen zoals:
1. Aanbrengen van een 5`cap
2. Toevoegen van een poly-A-staart
3. Verwijderen van stukken mRNA die niet tot eiwit
leiden: zgn introns. Exons blijven over.
Module: Molgen1
42
Module MOLGEN1
EIWITSYNTHESE (vereenvoudigd)
Module: Molgen1
43
Module MOLGEN1
Translatieproces
•
Aangenomen dat het transcriptieproces goed verlopen is, en er een
juiste RNA-kopie gemaakt is, wordt deze gebruikt als matrijs om de
juiste aminozuurvolgorde te maken.
•
Elke drietal RNA-nucleotide corresponderen met één aminozuur:
GGG = Glycine
AUG = Methionine
UGA = Stopcodon
•
Het RNA wordt gevangen door een ribosoom, dat na een paar stappen
start met de synthese van het eiwit.
Proces vergelijkbaar met het draaiboek van een orgel. Het boek schrijft
voor welke aminozuur nu moet komen etc…
•
Als de RNA-streng afgelezen is, is het eiwit klaar en volgt nabewerking
die ervoor moet zorgen dat het op die plaats terecht komt war het
eiwit bedoeld was. (Afweer eiwit-> buiten de cel), (membraaneiwit ->
alleen in het celmembraan) , (nieuw enzym -> in de cel blijven)
Module: Molgen1
44
Module MOLGEN1
Tabel met RNA-codons - aminozuren
Module: Molgen1
45
Module MOLGEN1
Het transcriptie en translatie-proces van DNA
Enkele vragen:
•
Voor deze cursus is het belangrijk dat iedereen snapt dat DNA de matrijs is,
waarmee RNA wordt gemaakt. Aan de hand van RNA worden eiwitten
gesynthetiseerd.
•
•
Waarom worden geen eiwitten gemaakt adhv DNA?
•
•
Hoe en waar zou je dit hele proces kunnen blokkeren/belemmeren?
Hoe zou je als cel de hoeveelheid eiwit (enzym, signaalstof, etc) kunnen
regelen?
ANTWOORDEN:
1.
2.
DNA-methylering = onmogelijk maken voor RNA-pol om érbij te kunnen
3.
4.
Het corrupt zijn van het startpunt… Hele gen is niet meer afleesbaar
Module: Molgen1
Blokkerende stoffen die bovenop het DNA klimmen (eiwitten) die voorkomen dat
het DNA wordt afgelezen
Etc..
46
Module MOLGEN1
EXONSPLICING
•
Een gen in het (menselijk) eukaryorisch genoom is vaak opgedeeld in
stukken (exonen). Daartussen zitten stukken die wel worden getranscribeerd
tot RNA, maar later eruit worden geknipt.
•
•
•
Een gen: ……ooooooooo-----ooooooo------oooooooo---ooo---oooooo………
•
•
•
Wat blijkt: Een gen dat bestaat uit A B C D E F G kan worden vertaald in
•
Bacterien (prokayryoten) kunnen/doen dat niet; er is immers geen kern.
Alleen de stukken met de oooo’tjes wil je hebben.
RNA-post-processing sloopt de streepjes er tussenuit zodat de zinvolle RNAstreng overblijft.
RNA: A B D G
of B C D G
of A B D F G
Deze alternatieve vorm van ‘splicing’ leidt tot verschillende eiwitten op
basis van één gen. De mens heeft ca 20000 genen, maar kan dus toch veel
meer soorten eiwit maken.
Module: Molgen1
47
Module MOLGEN1
GENOMICS
•
Met de komst van de computer is het heel snel gegaan met de volgorde
bepaling van o.a. het menselijk DNA. Wij hebben 3 miljard baseparen…
•
•
•
Men schatte anno 2001 in , dat dit 10 jaar zou duren.
•
•
Ook van stukje DNA weten we het.
•
In ons volgende blok kijken we naar het genoom van de aardappelplant:
Solanum tuberosum. Hiervan kennen we ook het gehele genoom!
Krap twee jaar later was men klaar.
Nu hebben we de volledige sequentie van veel organismen.
In elk geval van de modelorganismen van de biologie:
E.Coli, D.melanogaster, C. Elegans, Aribidopsis thaliana, etc.
Besef dat het kennen van de hele sequentie net zoiets is als weten welke
letters er in een woordenboek staan. De betekenis is dan nog geheel
onduidelijk. We weten nog LANG nietwaar alle genen zitten.
Module: Molgen1
48
Module MOLGEN1
GENOMICS: een voorproefje:
Een gen dat de aardappel beschermt tegen aardappelziekte:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/74040323?report=gra
ph
Module: Molgen1
49
Module MOLGEN1
GENOMICS: een voorproefje:
Grasduinen in de ncbi-database
Zomaar een gen van de erwt:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/6855710?report=graph
Chromosoom 3R van Drosophila:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/nuccore/?term=drosophila+melanogaster
+chromosome
Resistentiegenen van de aardappel: komen in de derde week!
Overzicht over Genetica en DNA:
http://nl.wikipedia.org/wiki/Genetica
Module: Molgen1
50
Module MOLGEN1
GENOMICS: een voorproefje:
Nu:
•
Geen practicum; Morgen wel: voorbereiden practicum DNAisolatie (kiwi en banaan)
•
Vandaag: In groepen van 2-4 maken van de vragen die bij
deze module horen
•
De uitwerkingen van alle vragen staan bij de verslagen en
tellen behoorlijk mee in de beoordeling.
•
Ga je gang. Gebruik de site, de bronnen en dergelijke
Module: Molgen1
51