Opdracht 4 genetische variabiliteit en biotechnologie

Provinciale Hogeschool Limburg
Departement Biotechniek
Van gen tot populatie
Deel 1 – opdracht 4
Opdracht 4:Genetische variabiliteit en biotechnologie
Doelstelling
1. De student kan verklaren op welke wijze seksuele voortplanting bijdraagt aan de genetische
variabiliteit.
2. De student kan een overzicht geven van de verschillende soorten van mutaties.
3. De student kan uitleggen welke de gevolgen zijn van de verschillende soorten van genmutatie.
4. De student kan het proces genduplicatie kaderen i.f.v. genetische variabiliteit
5. De student kan de terminologie die in de biotechnologie gebruikt wordt vlot hanteren.
6. De student kan de verschillende stappen in het proces voor de aanmaak van recombinante DNAmoleculen uitleggen.
7. De student kan vlot een aantal voorbeelden geven van biotechnologie in het dagelijkse leven en in
de medische en agrarische wereld.
8. De student kan het gebruik, voor- en nadelen van de verschillende soorten DNA-bibliotheken
aangeven.
9. De student kan de principes van de belangrijkste biotechnologische principes uitleggen.
Uitvoering
Duur:
1. Beantwoord de vragen A en B:
A. Terminologie
Verklaar volgende begrippen of zoek een definitie:
1. repetitief DNA
stukjes DNA die regelmatig terugkomen in het DNA hierin onderscheidt men tandemrepeats
en verspreid repetitief DNA : Verspreid repetitief DNA : stukjes DNA die herhaald worden,
maar niet achter mekaar liggen, maar verspreid over het chromosoom.
2. tandemrepeats
stukjes DNA die een aantal keer achter elkaar herhaald worden. 1 tot 10 basenparen, 3
soorten (satelliet, minisatelliet en microsatelliet)
3. genpool
/
4. puntmutatie
mutaties waarbij 1 chemische verandering is van 1 basenpaar.
5. Insertie
1 of meer basenparen worden toegevoegd.
1
6. deletie
1 of meer basenparen worden verwijderd.
7. leesraammutatie
een deletie of insertie kan een leesraammutatie veroorzaken : d.w.z. dat de tripletten na de
deletie of insertie fout worden afgelezen, wat aanleiding geeft tot andere eiwitten.
Verschuiving van het aflezen van tripletten.
8. chromosoommutatie
kunnen ontstaan door breuken en herschikkingen tijdens de meiose, dikwijls als gevolg van
een foutieve crossing-over. Soorten: deletie, duplicatie, inversie, reciprocale translocatie.
9. genduplicatie
door foutieve recombinatie tijdens de crossing-over van de meiose kunnen chromosomen
ontstaan met achter elkaar liggende kopieën van eenzelfde gen.
Dit leidt tot multigene families.
Voordeel: als er een mutatie gebeurt in 1 van de genen zodat dit gen een andere eigenschap
heeft, is er nog een kopie van het oorspronkelijke gen en blijft het oorspronkelijke kenmerk
dus ook bestaan.
10. Insertiesequentie
dit is het kleinste transposon, bestaat uit het gen voor het enzym transposase begrensd door
de sequentie die zorgt voor de insertie.
11. aneupoliploïdie
ontstaat door nondisjunction: een foutieve scheiding van 1 of enkele homologe chromosomen
of zusterchromatiden => gameten met een abnormaal aantal chromosomen.
(2n+1; 2n-1) een duidelijk voorbeeld hiervan is: syndroom van down
12. nondisjunction
een foutieve scheiding van 1 of enkele chromosomen of zusterchromatiden.
13. polyploïdie
genoomduplicatie : het organisme bevat meer dan 2x het haploïd chromosomenstel/ triploïd
(3n) of tetraploïd (4n)
14. Klassieke biotechnologie
Planten en dieren worden al eeuwen gekweekt, veredeld of gefokt om ze aan te passen aan
onze behoeften. Ook gebruiken we al eeuwen lang bacteriën en gist om bijvoorbeeld kaas en
bier te maken. Dit type biotechnologie is het klassieke biotechnologie. ( voor kennis over DNA)
15. Moderne biotechnologie
De afgelopen decennia is onze kennis over erfelijkheid, de werking van DNA en genen enorm
toegenomen. ( DNA manipulatie, kennis over DNA, genetica)
16. Recombinant DNA
Een DNA molecule dat bestaat uit DNA afkomstig van verschillende bronnen
17. Vector
= Elke restrictie fragment wordt op een bepaalde plaats geinsereerd in een dragermolecule,
ookwel vector genoemd
Dit is een plasmide, bacteriofaag,virus of een aantal kleine artificiële chromosomen. Ze
hebben de eigenschap om sequenties die autonome replicatie in geschikte gastheercellen te
2
vergemakkelijken of sequentie die intergratie vergemakkelijken. Deze kan je knippen met een
restrictie-enzyme
18. Restrictie-enzym
Restrictie: deze enzymen werden ontdekt in E. coli stammen die de infectie van zekere
bacteriofagen bleken te beperken. Endo: binnen
Nucleasen: enzymen die de hydrolyse katalyseren van fosfodiësterbindingen tussen
nucleïnezuren in DNA-moleculen.
19. Transgeen organisme
Organisme met een vreemd gen in zijn erfelijk materiaal
20. cDNA-bibliothee
DNA bibliotheek startend van alle mRNA moleculen aanwezig in een bepaald celtype of
weefsel. Dit is dubbelstrengig DNA gemaakt door reverse transcriptase, een enzyme dat DNA
kan synthetiseren vertrekkende van een mRNA templtate
Verschillende vectoren gemaakt uit: alle (recombinante) cDNA-moleculen verkregen door alle
restrictie-fragmenten van een specifieke DNA-staal
B. Verwerkende vraagstukken
1. Wat gebeurt er als er een basenpaar verloren is (deletie) in het midden van het coderend deel van
een gen?
Er zal een verschuiving plaats vinden in het aflezen van de tripletten en dit nog verder over het gehele
gebied achter de deletie. We krijgen dan een heel andere leesraam.
Het is een heel ernstige verschuiving, substitutie zou maar 1AZ veranderen, maar dit zou een heel
leesraam verschuiven en dus een heel ander eiwit vormen (alle AZ zijn anders)
2. Wat zou er kunnen gebeuren als een mutatie een startcodon muteert in een ander codon?
Startcodon verandert, AUG, wordt gemuteerd. Translatie zal foutlopen, transcriptie niet ( er zit geen
fout in promotor) loopt pas fout in translatie want er is geen startcodon te vinden, dus translatie kan
niet starten.
3. Wat zijn de gevolgen zowel voor een katabolisch als voor een anabolisch operon als het regelgen
dusdanig gemuteerd wordt dat er geen repressoreiwit meer gemaakt wordt?
Katabolisch operon: de repressor zit erop, als er een stof aanwezig is gaat de repressor eraf, dan
gebeurd transcriptie
1 geen gevolgen, mutatie is zo klein dat repressor nog werkt kan doen
2 kan niet meer binden op operator
3 muteren op de plaats waar hij moest interageren met inducer, kan niet meer inactief gemaakt
worden en blijft permanent gebonden op operator en is er nooit meer transcriptie
Anabolisch operon:
1 altijd onmiddellijk actief: direct binden op operator, blijft erop gebonden en gaat geen transcriptie
meer mogelijk zijn
4. Waarom zijn letale mutaties (mutaties die celdood veroorzaken) in volwassen lichaamscellen
helemaal niet schadelijk?
De cellen worden na afsterven opgeruimd en vervangen. Ze hebben dus geen blijvend effect.
Bij kiemcellen zou dit wel ernstig zijn, dit geeft aanleiding tot gameten en dan verlies je capaciteiten
om nakomelingen te maken.
3
5. Wat zou je kunnen zeggen van twee eiwitten met een totaal verschillende functie, waarvan de
genen toch behoren tot eenzelfde genfamilie?
De gen van die bepaalde familie zal in de loop van de evolutie gesplitst zijn geweest in 2 andere
genen. We krijgen dan 2 verschillende eiwitten, die toch behoren tot eenzelfde familie.
Genduplicatie: allebei hun eigen mutaties, dus 2 eiwitten met 2 totaal andere functies, maar
heel vroeger was het toch van hetzelfde gen.
Mutaties vb. foetaal hemoglobine- volwassen hemoglobine
6. Hoe zou je dit stukje DNA (slechts één enkelstreng weergegeven) noemen:
 ATCTAATCTAATCTAATCTAATCTA: microsateliet DNA
 (ATCTAATCTA)94: minisateliet DNA
(ATCTAATCTA)22.000 : satelliet DNA

7. Volgende puntmutaties doen zich voor in de coderende streng van het DNA
 TAC => TAA:
 GCC => GCA:
 ATT => ATC:
Welk zijn de gevolgen van deze mutaties?
8. Hieronder is een mRNA-molecuul afgebeeld. Alleen van het begin, een middendeel en het einde
van het mRNA-molecuul zijn enkele codons afgebeeld.
'5
AUG CCU AAU GAU ... ... CCC AUU ACG GAA ... ... UCC AAA CCA UAA '3
Hieronder zijn enkele mogelijke mutaties afgebeeld:
1: '5 AUG CCA AAU GAU ... ... CCC AUU ACG GAA ... ... UCC AAA CCA UAA '3
2: '5 AUG CCU AAA GAU ... ... CCC AUU ACG GAA ... ... UCC AAA CCA UAA '3
3: '5 AUG CCU AAU GAU ... ... CCC AUU ACG GAU ... ... UCC AAA CCA UAA '3
4: '5 AUG CCU AAU GAU ... ... CCC AUU ACG GAA ... ... UCG AAA CCA UAA '3
De mutatie die bij | 1 || 2 || 3 || 4 | is afgebeeld veroorzaakt mogelijkerwijs de grootste afwijking in de
werking van het gesynthetiseerde eiwit.
| 2 | want deze wordt dan omgezet van Asp naar Lys (brengt de sterkste verandering teweeg)
| 3 | want deze wordt dan omgezet van Glu naar Asp
Bij 1 en 4 blijven de aminozuren hetzelfde
9. Verklaar hoe het komt dat van alle mutaties die zich voordoen, er slechts een heel klein aantal
wijdverspreid geraakt in de genenpool van een populatie.
Alleen mutaties die optreden in de cellen die aan de basis liggen van de gameten kunnen
doorgegeven worden aan de nakomelingen. Ze moeten nog levensvatbaar zijn.
De meeste fouten in het DNA worden hersteld door het DNA repair
• We hebben veel nonsence DNA, als hier mutatie gebeurd, zie je er niks van.
• Moet in de gameten zijn, anders wordt het niet doorgegeven aan de nakomelingen. In
lichaamscellen maakt niet uit voor nakomelingen
• Veel mutaties brengen geen veranderding, geen nieuwe eigenschappen
10. Hoe zorgt geslachtelijke voortplanting voor genetische variabiliteit?
Onafhankelijk scheiden van homologe chromosomen (tijdens meiose 1) en niet gelijke
zusterchromatiden (tijdens meiose 2)
Crossing over tussen homologe chromosomen tijdens de profase van meiose 1
4
Willekeurige (random) bevruchting van een eicel met een zaadcel
Meiose (willekeurig zaad en eicel), Crossingover, onafhangkelijk scheiden van homologe
chromosomen
11. Aneuploïdie (zoals een chromosoom te veel of te weinig) en veranderingen in de structuur van
chromosomen (zoals een translocatie of inversie) zijn bij de mens de belangrijkste typen
chromosoomafwijkingen.
a. een cel met een chromosoom te veel of te weinig ontstaat door een type fout tijdens mitose en
meiose dat men non-disjunctie noemt. Wat wordt daaronder verstaan (verduidelijk eventueel
met een tekening).
Chromatiden of chromosomen worden ipv gescheiden, helemaal naar 1 plaats getrokken!!!!
Tekening maken
b. Bij translocaties en inversies verandert er niets aan de hoeveelheid DNA, alleen de positie van
groepen van genen verandert. Iemand die in al zijn cellen een translocatie of inversie heeft zal
er niets van merken, alle genen kunnen normaal functioneren. Wel kunnen mensen met zo
een chromosoomafwijking vruchtbaarheidsproblemen hebben en/of een grotere kans hebben
op kinderen met een (meestal ernstige) aangeboren afwijking. Probeer te verklaren waarom
een translocatie of inversie vruchtbaarheidsproblemen kan veroorzaken.
Omdat hier 2 chromosomen willen paren met deze chromosoom .
12. veronderstel dat onderstaande zin overeenkomt met een DNA sequentie:
EEN MUS ZAG HET HOK MET DIE KAT HOO
HOO is hierin het stopcodon.
Hieronder zie je drie mogelijke mutaties in deze DNA-sequentie. Koppel de juiste soort mutatie aan de
juiste zin.
1 = mis-sense mutatie (andere AZ met andere betekenis)
2 = same sense mutatie (verandert niets aan de betekenis, maar is toch verschillend)
3 = non-sense mutatie (midden van de zin een stopcodon)
13. Stel je voor dat je het humane eiwit β-globine aanwezig in rode bloedcellen wilt bestuderen. Om
genoeg eiwit te verkrijgen om te kunnen bestuderen, besluit je het β-globine gen te kloneren. Zou je
hiervoor een genomische bibliotheek of een cDNA bibliotheek voor aanwenden? Welk materiaal zou je
gebruiken als bron voor DNA of RNA?
cDNA (= voor rode bloedcellen) → vermijden van complexiteit (minder complex) en specifieke werking
+ begint bij/ vertrekt van RNA uit bloedcellen en dan vormt zich cDNA
14. Men brengt het gen van de A-keten van insuline, voorzien van zijn eigen promotor, door insertie in
een colibacilplasmide. Daarna plaatst men die plasmide in een bacterie.
5
a. Zal de bacterie het gen repliceren?
Plasmide = vector. Een vector kan zelfstandig repliceren. Ja dus
b. Zal de bacterie het gen tot expressie brengen?
Verantwoord telkens je antwoord.
Replicatie is het verdubbelen van DNA. Bij plasmide altijd autonome replicatie (anders
insereren in bacterieel gastheergenoom) Een eukaryote promotor gaat zelden werken in
bacterieel genoom. Er zal geen genexpressie plaatsvinden.
(genexpressie := transcriptie en translatie)
15. Bewijs a.d.h.v. de definitie dat de toepassingen uit activity “applications of biotechnology” wel dalle
technieken waarbij levende organismen worden gebruikt om allerlei producten te maken
Maïs → Gen introductie zodat ze resistent zijn tegen bepaalde herbiciden
SnowMax → proteïnen kweken die in aanraking met water een sneeuwachtige substantie vormt
Tomaat → Genetisch gemanipuleerd om de verliezen tegen te werken, tomaten die langer houdbaar
zijn, smaak langer behouden
Insuline → Komt van dieren af bacteriën gebruiken om dit te maken
Jeans Broek → met enzymen (uit planten) behandeld voor coole lookegelijk via biotechnologie werden
geproduceerd.
Verwerking
Duur:
Na de werkzitting ga je de de animaties en activities opnieuw herhalen Ook de reproducerende en
kennisverwerkende vragen dienen herhaald te worden en volledig begrepen.
6