Biologie - ingangsexamen geneeskunde - m7.1 : genexpressie

transcriptie (wat, waar + namen 3 fases)

mRNA kopie wordt van de DNA-sequentie gemaakt in de celkern (DNA kan celkern niet verlaten, mRNA wel)

• initiatie

• elongatie

• terminatie

transcriptie-initiatie

• RNA-polymerase herkent promotor aan 5’ kant van de gen. Dit is een startsequentie van basen waar de mRNA keten zal ontstaan. Deze promotor is verschillend voor elk gen

• RNA-pol. bindt en breekt plaatselijk de waterstofbruggen zodat er tijdelijk enkelstrengig voorbeeld DNA ontstaat

  • coderende streng die vertaald wordt in RNA

  • voorbeeldstreng: de complementarie streng die RNA zal gebruiken om de complementaire basensequentie te bouwen

transcriptie-elongatie

• RNA - pol. leest nucleotide per nucleotide af, bouwt mRNA complementair aan voorbeeldstreng zodat dit van 5’ → 3’ uiteinde gevormd kan worden

• RNA -transcript bevat dezelfde info als coderende streng.

  • zelfde bouw enkel thymine vervangen door uracil (want RNA vs DNA)

transcriptie-terminatie

• RNA-pol bereikt terminatiesequentie: signaleert dat RNA-transcript volledig is

  • komt los van RNA-polymerase

pre-mRNA

• transcript voor een gen dat codeerd voor een eiwit

• bacteriën: wordt direct als mRNA gebruikt

• eukaryoten: moet nog door verwerkingsprocessen voor het naar translatie kan

  • gefragmenteert: bestaat uit intronen (niet-coderend) en exonen (wel coderend voor aminozuur)

capping en poly-a-staart

pre-mRNA krijgt 5’ cap van aangepaste guanine en een staart van poly-adenine. Deze aanpassingen verhogen de stabiliteit en vermijden afbraak van het mRNA

splicing

• intronen uit pre-mRNA weggeknipt zodat deze niet in aminozuur worden omgezet en fouten in de polypeptiden veroorzaken

• enkel exonen (coderende stukken) blijven over → matuur mRNA gevormd met 5’-cap, poly-a-staart en enkel exonen dat naar translatie kan

genregulatie

proces dat genen aan of uit zet

• expressie elk gen apart gereguleerd

  • enkel transcriptie van relevante genen

• zowel pro- als eukaryoten

genregulatie prokaryoten

• voordeel halen uit veranderende omgeving

• operons in circulair DNA in hun cytoplasma

Lac-operon

in e.coli bacterie

• reguleert de synthese van enzymen om lactose af te breken en te gebruiken als voeding

  • enkel tot expressie wanneer lactose in omgeving is

operons

• verzameling genen die samen gereguleerd worden

• bestaat uit

  • genen: coderende DNA-sequenties eiwitten

  • promotor: plaats waar transcriptie start (DNA-polymerase kan binde)

  • operator: tussen genen en promotor, plaats waar operator eiwit kan binden

    • eiwit zal transcriptie genen in operon reguleren - eiwit zelf gecodeerd door regulator gen

regulator gen

• niet in operon zelf - andere plaats chromosoom

repressie lac-operon

• lactose afwezig

• transcriptie regulatorgen

  • mRNA → translatie → regulator eiwit

  • lac-operon: repressor-eiwit

• bindt op operator-regio

  • blokkade voor RNA-polymerase (zit gebonden op promotor)

  • zal geen transcriptie genen kunnen uitvoeren

• geen mRNA genen gevormd → genen uitgeschakeld (=repressie)

inductie lac-operon

• wel lactose aanwezig

• repressor-eiwit gevormd uit regulatorgen door transcriptie en translatie

• lactose bindt op repressor-eiwit

  • veranderd van vorm, kan niet meer bindne met regulator

  • lactose = inductor, maakt repressor onbruikbaar

• RNA-pol gebonden op promotor niet geblokkeerd → transcritptie en translatie kan plaatsvinden → enzymen die lactose afbreken gevormd

  • genen aangeschakeld (= inductie)

eukaryote genregulatie

• enkel genen overgeschreven waarvan eiwitten nodig zijn

• aantal mRNA’s overgeschreven verschilt gen tot gen

  • afh. van verschillende factoren

  • beschikbaarheid van gen voor transcriptie beïnvloedt door hoe sterk DNA ingepakt is in chromatine-streng

• weefselspecifieke transcriptie

  • veel genen moeten aanstaan in ene orgaan, uit in ander

  • bv. in huidcel moeten uidspecfieke genen tot expressie komen maar leverspecifieke niet en omgekeerd

• naast transcriptie ook tijdens:

  • nabewerking mRNA

  • transport mRNA doorheen kernmembraan

  • translatie

  • modifciatie eiwit na translatie

transcriptiefactoren

• regelen mee transcriptie - helpen bepalen welke genen actief zijn in elke cel van lichaam

• binden aan DNA bij specifieke doelwitsequenties promotor

• eens gebonden; maken makkelijker of moeilijker voor RNA-pol. om te binden aan promotor

  • activatoren: transcriptiefactoren die transcriptie vergemakkelijken - helpen bv. rna pol of algmene transcriptiefactoren om aan promotor te binden

  • repressoren; onderdrukken transcriptie - binden bv ter hoogte van bindingsplaats op promotor waardoor transcr verhinderd wordt
    

• RNA-polymerase: moet binden op promor gen om transcriptie te kunnen laten plaatsvinden, kan enkel in aanwezigheid van:

• algmene transcriptiefactoren: noodzakelijk transcriptie elk gen

• specifiek etrnascriptiefactoren: controleert expressie specifieke individuele genen

enhancers en silencers

• bindingsplaatsen transcriptiefactoren ver weg van gen → dna ‘buigt’

• enhancers: activator bindingsplaats op afstand

• silencers: repressors op afstand

bouw mRNA voor translatie

• opgebouwd uit codons of triplets van 3 nucleotiden

  • startcodon AUG: bepaald leesraam van mRNA zodat de juiste 3 letters samenkomen en juiste aminozuren gevormd worden. Codeert zelf voor methionine

  • coderende codons: bevat info die afgelezen wordt en 1 aminozuur vormt

  • stopcodon: UAG/UAA/UGA 1 van de drie initieert einde van de polypeptideketens, coderen niet zelf voor aminozuur

de genetische code

• relatie tussen codons en hun aminozuren plus de start en stop signalen, weergegeven in tabel.

• gedegenereerd: 64 codons coderen voor 20 aminozuren en 3 stopcodons → meerdere codons coderen voor 1 aminozuur

• universeel: in alle organismen coderen dezelfde codons voor dezelfde aminozuren

transfer-RNA

• klaverbladvormige RNA-enkelstreng

• op 4 plaatsen complementaire basevolgorden → basenparing

• niet-gepaarde delen: 3 lussen + 1 vrij uiteinde aan het 3’ einde tRNA (= acceptorplaats aminozuur)

• lus 2: complementair triplet aan codon op het mRNA (= anticodon) dus ook complementair met code voor aminozuur

• in werkelijkheid opgevouwen dus klaverbladstructuur niet zo duidelijk

het ribosoom

• bestaat uit grote en kleine subeenheid die pas samenkomen voor translatie

  • Grote ribosoom: P en A bindplaats voor tRNA

• in cytosol en endoplasmatisch reticulum

translatie-initiatie

• mRNA bindt met kleine ribosomale eenheid bij startcodon

• methionine tRNA met aminozuur eraan komt tegenover initiatie codon (AUG)

• beide subeenheden ribosoom komen samen

  • mRNA ingesloten

  • tRNA correct gesitueerd op p-bindingsplaats grote subeeheid

translatie-elongatie

• tRNA dat overeenkomt met tweede codon bindt op A bindplaats van grote subeenheid ribosoom

• adhv peptidyltransferase wordt methiodine losgekoppeld van tRNA 1 en gebonden aan het aminozuur op het tRNA op A-plaats

• ribosoom schuift 1 triplet op langs mRNA → tRNA van A plaats met 2 gebonden aminozurgen gaat naar P plaats. 3e tRNA komt op A plaats, adhv peptidyltransferase wordt eerder gevormde dipeptide gebonden aan dit aminozuur

• proces herhaalt

• tRNA die aminozuur hebben afgegeven worden gerecycleert en opgeladen met hun bijhorende aminozuur

translatie-terminatie

• translatie stopt wanneer mRNA met stopcode tegenover A plaats ligt

• releasefactor zorgt voor loskoppeling polypeptide van laatste tRNA en uit elkaar gaan van ribosoom units

• polypeptide wordt in juiste vorm gevouwen en wordt gebruikt als eiwit

post-translationele modificaties cellen cytoplasma

• geovrmd door ribosomen in het cytoplasma

• opgevouwen maar niet verder gemodificeerd

post-translationele modificaties eiwitten voor lysosomen, transmembraaneiwitten, secretie buiten de cel

Endoplasmatisch reticulum

• eiwitten gevormd via ribosomen aan opp. RER

• tijdens translatie: polypeptideketen naar lumen ER, kan verschillende enzymatische weizigingen of post-translationele weizigingen ondergaan

  • binden suikerketens of fosfaatgroepen

  • opvouwing tot juiste 3D structuur

• vanuit ER → golgi apparaat via vesikels

  • of in ER blijven indien daar nodig

Golgi-apparaat

• vesikels komen aan in cis-zijde

  • verdere modificatie in lumen golgi-apparaat

  • suikerketens toegevoegd of verwijderd

• gemodificeerde cellen gesorteerd per eindbestemming en samengepakt in vesikels

• vertrekken vanuit trans-zijde naar bestemming

  • lisosomen, plasmamembraan, buiten de cel voor secretie, binnen golgi-apparaat indien daar nodig

cellen die veel eiwitten secreteren (kliercellen, immuuncellen die antilichamen aanmaken) hebben uitgebreid RER en golgi-apparaat

post-translationele modificaties

modificaties die na de translatie gebeuren. dit zorgt ervoor dat er uit 1 polypeptideketen verschillende eiwitproducten kunnen gevordm worden

germinale mutaties

mutatie in gameet → in elke cel van het organisme

ook in voortplantingscellen → erfelijke mutatie

somatische mutatie

ontstaat tijdens het leven → in beperkt aantal cellen vh organisme

bv. kanker - niet in de gameten → niet erfelijk

genoommutaties

• verschil in aantal chormosomen

  • bv. trisomie 21 of turner syndroom

• tijdens meiose 1

  • non disjunctie: chromosomenaantal verkeerd verdeeld

  • 2 homologe chromosomen in 1 dochtercel

  • meiose 2: zusterchromatiden verdeeld onder dochtercellen.

  • eindresultaat: 2 zygotes met monosomie, 2 met trisomie

• tijdens meiose 2

  • non-disjunctie tijdens meiose 2 → 2 zusterchromatieden in dezelfde dochtercel

  • resultaat: 1 zygote monosomie, 1 trisomie, 2 normaal

genoommutaties: polyploïdie

tijdens meiose 1 gaat er vanalles fout waardoor er non-disjunctie plaatsvindt voor alle chromosomen tegelijk. Eindresultaat 2 diploïde dochtercellen die na versmelting met een normale gameet elk een triploïde cel vormen.

→ maar 2 ipv 4 dochtercellen die elk 3n hebben

→ lethaal voor de mens, kan wel bij planten voorkomen

chromosoommutaties (wat + 4 soorten)

verandering in de structuur van de chromosomen

• deletie

  • deel van het chromosoom valt weg. Meestal uiteinde, kan ook dubbele breuk zijn waardoor een middenstuk wegvalt

• inversie

  • dubbele breuk in het midden vh chromosoom, stuk wordt er ondersteboven weer in geplaatst

• duplicatie

  • deel van het choromsoom wordt dubbel gekopieërd, bv. lange repetitieve sequentie

• translocatie

  • 2 niet-homologe chromosomen hebben tegelijk een breuk en de stukken worden er bij het foute chromosoom weer aan geplakt

genmutaties (wat)

• mutaties op niveau van individuele nucleotiden

  • invloed op 1 gen

• puntmutatie: 1 enkele nucleotide weizigt

• vaak invloed op leesraam

  • indien verschuiving invloed op alle eiwitten die ontstaan

  • 3 mogelijke leesramen → 3 verschillende eiwitsequenties

Genmutaties (4 soorten)

deletie

• 1 of meerdere basenparen vlalen weg

• sequentie veranderd → verschuiving v/h leesraam

• soms vroegtijdig stopcodon gevormd → polypeptideketen te vroeg afgebroken

insertie

• extra basenpaar toegevoegd → ander codon gevormd

• verschuiving v/h leesraam
  

substitutie: basenparen vervangen

soms geen invloed → meerdere codons coderen voor hetzelfde aminozuur

transversie

• omkering van het basenpaar (AT → TA)

• invloed op 1 enkel eiwit

transitie

• 1 basenpaar vervangen door een ander

• invloed op 1 enkel eiwit

stille mutaties

mutatie leidt tot codon dat voor hetzelfde aminozuur codeert dankzij de degeneratie van de genetische code

→ geen invloed op het proteïne

missense mutaties

mutatie leidt tot een ander aminozuur → invloed op 3D structuur en functie van een proteïne. Effect afhankelijk van plaats mutatie en welke aminozuren

missense mutatie: verliesmutatie

• verlies of verstoring van functie eiwit bv. verstoring vouwing of stabiliteit

• bv. enzym kan door mutatie niet meer binden met zijn substraat

• bv. sikkelcelannemie

  • puntmutatie in hemoglobinegen: ipv glutaminezur wrodt valine aangemaakt → sikkelvormige rode bloedcellen eliden tot verstopping van het bloedvat met pijnlijke crisis en schade aan organen tot gevolg. Maar ook resistent tegen malaria

missense mutatie: winstmutatie

nieuwe of verbeterde functie → drijvende kracht voor evolutie

• bv. bacteriën ontwikkelen resistentie tegen antibiotica dankzij mutaties in enzymen dat deze antibiotica kunnen afbreken

missense mutatie: neutrale mutatie

mutatie leidt tot incorporatie van aminozuur met geljkaardige eigenschappen als oorspronkelijke aminozuur → geen effect op proteïne

nonsense mutatie

• stopcodon wordt geïncorporeerd in plaats van aminozuur

  • verkort proteïne dat meestal niet functioneel is (verlismutatie)

  • in uitzonderlijke gevallen winstmutatie

• bv. taaislijmziekte

  • ontstaat o.a. door mutatie in CFTN gen (codeert voor chloride transporters). Verkort CFTR proteïne → verstoring van de slijmfunctie

frameshift mutaties

veroorzaken verschuiving in het leesraam door deleties of inserties die geen veelvoud zijn van drie

• meestal niet funcitoneel proteïne

• andere codons downstream van mutatie

• bv. ziekte van Tay-Sachs

  • insertie 4 basenparen in hexagen → frameshift → ophoping van een stof in de hersenen → ernstige neurologische schade

multifactoriële kenmerken

kenmerken die beïnvloedt worden door zowel nature (genetische factoren die invloed hebben op fenotype) als nurture (omgevingsfactoren die invloed hebben op fenotype)

nature vs nurture kenmerken

Nature

• genetische aanleg voor iets

• bv. ACTN3 gen zorgt voor snel samentrekkende spiervezels met inlvoe dop krachtig een explosieve bewegingen

• vergroot talent in snelle contractie zoals gewichtheffen

Nurture

• omgevingsfactoren die een kenmerk verstekren of juist niet

• bv. als sport thuis belangrijk is en er gezonde voeding is heb je meer kans om je talent in sport te ontwikkelen

modificaties

verandering van het fenotype zonder een verandering van het genotype

• vaak tijdelijk of locatiegebonden en niet overerfbaar

• bv. verschillende bladvormen van een plant afhankelijk van of het in een zonnige of schaduwrijke omgeving groeit

• bv. aanmaak van melatonine in onze huid die ons doet bruinen wat de schade van uv aan ons dna verhindert

epigenetische modificaties

modificaties die wel overdraagbaar zijn, bestudeerd op vlak van epigenetica

• omgevingsfactoren beïnvloeden genexpressie zonder dna-sequentie te veranderen

• chemische veranderingen op DNA of histonen hebben invloed op al dan niet actief zijn van een gen

epigenetische modificaties: chromatine

• epigenetische modificaties bepalen mee hoe sterk DNA opgerold is

  • euchromatine (niet hard opgerold): DNA beschikbaar voor enzymen van de transcriptie → genen aan

  • heterochromatine (wle hard opgerold): DNA niet bereikbaar voor transcriptie → genen staan uit

epigenetische modificaties op histonen

• histonen hebben lange staarten waarop chemische modificaties kunnen plaatsvinden

• verschillende groepen binden, histoncode = geheel aan chemische veranderingen

  • acetyl, methyl en fosfaatgroepen

  • invloed op hoe sterk DNA gebonden zit rond histonen

histonacetylase

• bindt acetyl aan histonen

• losse chromatineketen euchromatine

• genen staan aan

histondeacetylase

• acetyl verwijdren van histonen

• heterochromatine = vast gebonden

• genen uit

DNA-methylase

• methyl bindt op de base cytosine adhv dna-methyltransferase

• meestal op cytosine die gevolgd wordt door guanine → CpG-dinucleotide

  • vaak hoge frequenties rond promotor regio’s van de genen

• binding van de methylgroepen vrhindert binding van de transcriptiefactoren

  • onderdrukking gen-expressie

  • bv. in bepaalde cellen of tijdens bepaalde fasen van de ontwikkeling

barr-lichaampje

• een van de X-chromosomen van de vrouw wordt uitgeschakeld om te voorkomen dat ze alle eiwitten op x choromosoom dubbel zo veel als man produceren

  • inactief x-chromosoom = barr lichaampje

• geïnactiveerd adhv DNA-methylatie

epigenetische overerving

Mitose

• Moedercel geeft het methyleringspatroon van het DNA door aan haar dochtercellen

Meiose

• worden doorgegeven aan nakomelingen

• levensstijl en omgevingsfactoren ouders hebben invloed op gezondheid van latere generaties

epigenetische overerving: hongersnood hongerwinter WOII

• Nederland na WOII: grote hongersnood. Veel zwangere vrouwen ook voedseltekort, grootschalig onderzoek gedaan naar effect op embryo en verdere nakomelingen

• resultaat: verhoogd risico op

  • diabetes type II

  • obesitas

  • hart en vaatziekten

  • psychische aandoeningen

• DNA-methylering van genen met betrekking op groei en metabolisme, lichaam slaat energie anders op

• ook doorgegeven aan kleinkinderen: erven hetzelfde DNA-methyleringspatroon zonder zelf blotgesteld te zijn aan de hongersnood

epigenetische therapieën

• epigenetische veranderingen zijn omkeerbaar → toekomst voor therapie

• bv. DNA-methylatie indicatoren en histon D asethylaseremmers voor kankerbehandelingen