Samenvatting H17.1 DNA: bouw, mtDNA, STR & forensisch onderzoek

Bouw van DNA en moleculaire structuur

Een DNA-molecuul is dubbelstrengs en heeft een spiraalvormige (dubbelhelden) structuur. De buitenzijden bestaan uit afwisselend suiker: deoxyribose en een fosfaatgroep; de treden bestaan uit paren van stikstofbasen (A/T of C/G). Waterstofbruggen houden de twee strengen bij elkaar.
Complementariteit: de volgorde van basen in de ene streng bepaalt de volgorde in de andere streng en andersom.
Een DNA-molecuul is om histonen gewikkeld tot nucleosomen; nucleosomen vormen samen een dikke chromatinedraad. De H1 histon houdt de opgerolde DNA-draad op zijn plaats.
Tijdens metafase van de celdeling verdwijnt de chromatinedraad in een verder samengevouwen chromosoom.
Een nucleotide bestaat uit drie onderdelen: een fosfaatgroep, een suiker (deoxyribose) en een stikstofbase.
Deoxyribose-skelet bevat vijf koolstoffen (C-atomen). De 1' bindt aan de stikstofbase; de 5' bindt aan de fosfaatgroep. Elk nucleotide koppelt via aan het 3'-koolstofatoom van de aangrenzende deoxyribose.
De 3'-kant van de ene streng ligt naast de 5'-kant van de andere streng; dit bepaalt de polaire richting van DNA (5' → 3').
De vier stikstofbasen zijn A, C, G en T. A bindt altijd met T via twee waterstofbruggen; C bindt met G via drie waterstofbruggen. Daardoor blijven de strengen complementair.
Een gen is een stuk DNA met informatie voor de productie van één of meerdere eiwitten. Het totale DNA van een persoon heet het genoom (ongeveer 20 000 genen).
De gencode voor eiwitten omvat slechts ongeveer 1.5 ext{-}2 ext{ ext{%}} van het totale DNA van een organisme.
Een cel bevat 46 chromosomen in de celkern en mitochondriaal DNA (mtDNA) in de mitochondriën.
Cellen bevatten ook mitochondriën met cirkelvormig mtDNA; elke mitochondrion bevat 5 tot 10 moleculen mtDNA. mtDNA bevat 37 genen: 13 coderen voor eiwitten die betrokken zijn bij de aerobe dissimilatie (oxidatieve fosforylering); de overige genen codereren voor rRNA en tRNA.
Net als alle cellen in het lichaam bevatten zaadcellen en eicellen mitochondriën; bij bevruchting dringt meestal alleen de kern van de zaadcel de eicel binnen, zodat het zygote geen mitochondriën van de zaadcel bevat. mtDNA erft via de eicel over van moeder naar zowel zonen als dochters (moederlijke lijn). Dit maakt mtDNA nuttig voor afstammingsonderzoek langs moederlijke lijn (H7).
Mitochondriale overerving kan leiden tot een ander overervingspatroon dan Mendels wetten.
Laboratoriumprocedure voor zuiver DNA: zouten en een eiwitverterend enzym (protease) worden toegevoegd om histonen te verwijderen en DNA geschikt te maken voor verdere verwerking.

Mitochondriaal DNA (mtDNA) en overerving

mtDNA zit als cirkelvormige moleculen in mitochondriën; elk mitochondrion bevat meerdere mtDNA-moleculen. Een mtDNA-molecuul bevat 37 genen: 13 voor eiwitten die betrokken zijn bij aerobe dissimilatie (oxidatieve fosforylering), en de rest voor rRNA en tRNA.
Overerving: mtDNA erft van moeder op zoon en dochter; de vadds wordt via de eicel doorgegeven terwijl het zygote doorgaans geen mitochondriën van de zaadcel ontvangt.
Doel van mtDNA-onderzoek: bepalen van afstamming via de moederlijke lijn; mtDNA heeft een andere erfingspatroon dan Mendelse wetten.
Notities: mtDNA wordt vaak gebruikt in samenhang met andere genealogische en forensische studies; de bron voor mtDNA-informatie is Bron 2.

Niet-coderend DNA en repetitief DNA

Het grootste deel van het DNA codeert niet voor eiwitten maar heeft andere functies: rRNA, tRNA of regulatie van genen in coderend DNA.
Repetitief DNA komt voor in niet-coderend deel van het DNA; deze herhalingen kunnen aaneengesloten voorkomen en verspreid in het chromosoom zijn.
Ongeveer twee derde van het menselijk genoom bestaat uit repetitief DNA.
Aantal nucleotiden in een repeat varieert van twee tot enkele duizenden. Korte repeats van twee tot tien nucleotiden staan bekend als STRs (short tandem repeats).
STR's spelen een belangrijke rol in verwantschapsonderzoek en forensisch onderzoek.
In veel landen worden STR's op 13 loci (plaatsen in het DNA) in kaart gebracht, wat een DNA-profiel oplevert. Een standaard loci-antwoord wordt weergegeven als bijvoorbeeld D7S280 8/10, wat betekent dat er twee allelen zijn: een met 8 repeats en een met 10 repeats van de GATA (A) motif.
Een locus kan meerdere allelen hebben; en omdat chromosomen in paren voorkomen, heeft iedereen twee exemplaren van een STR-locus (de twee allelen kunnen gelijk of verschillend zijn).
Voor forensische toepassingen wordt vaak het tetra-nucleotide GATA als STR-case gebruikt; locus D7S280 bevindt zich op chromosoom 7 en heeft verschillende GATA-repeats.
Voorbeeldinterpretatie: D7S280 8/10 betekent twee allelen met respectievelijk 8 en 10 repeats.
Bron 3 beschrijft de vier allelen van de STR op D7S280 (GATA) en toont een stamboom met mogelijke combinaties in de tweede generatie.

Bouw van chromosomen en nucleosomen

Een chromosoom bestaat uit DNA en histonen. Histonen vormen een octameer waar DNA rondom heen gewikkeld is; het octameer bevat acht histonen.
De histonenkoppen zijn H2A, H2B, H3, H4 (twee kopieën van elk). Het H1 histon fungeert als een verbindend element die de bundeling bij elkaar houdt.
146 basenparen DNA wikkelen rondom een histone bol (nucleosoom) en de histonen koppelen elkaar tot een dikke chromatinedraad.
Het DNA-nucleosoom complex vormt samen de 30 nm-wide chromatin fiber; vervolgens kunnen meerdere nucleosomen zich ordenen tot hogere-orde structuren zoals 300 nm, 700 nm en uiteindelijk 1400 nm chromatinedraden.
De 5' kant ligt tegenover de 3' kant, en de 5' uiteinden bevatten de vrije fosfaatgroepen; de 3' uiteinden bevatten een vrije OH-groep.
Een DNA-draad heeft een lengte-oriëntatie die bepaalt hoe de streng in de celkern wordt gepakt. De basisparen in DNA bestaan uit A–T en C–G koppelingen via waterstofbruggen.
Voorbeeld van de basenparen: $ext{A} ext{ koppelt met } ext{T} ext{ via 2 waterstofbruggen}$ en $ext{C} ext{ koppelt met } ext{G} ext{ via 3 waterstofbruggen}.$
DNA is georganiseerd in chromatine en hele chromosome. Tijdens metafase zijn chromosomen verdubbeld en zichtbaar als afzonderlijke chromatinedraden.

DNA in cellen en genoom

In wangslijmvliescellen wordt DNA gevrijwaard door het verwijderen van membranen en lipiden met een zeepachtige vloeistof, waarna DNA wordt geïsoleerd en gezuiverd voor analyse.
Het DNA bevindt zich in de celkern (kern-DNA) en in mitochondriën (mtDNA).
Het totale aantal chromosomen in de kern van menselijke cellen is 46; het genoom bevat ongeveer 20 000 genen.
Een gen is een stuk DNA met informatie voor de productie van één of meerdere eiwitten. Genexpressie varieert per celtype en omgeving; bv. melanine-gen produceert pigment in de iris maar niet in speekselklieren; het amylase-gen kan in speekselklieren actief zijn maar in iris mogelijk niet.
De DNA-code ligt vast in de volgorde van stikstofbasen; elk gen heeft zijn eigen sequentie van A, C, G en T.
Slechts ongeveer 1.5–2% van het genoom codeert voor eiwitten; de rest heeft niet-coderende functies, regulerende rollen of structurele functies.
Cellen reageren op hun omgeving, wat de expressie van genen beïnvloedt (bv. melanine-gen bij weinig zonlicht in de winter; amylase-gen bij maaltijden).

Belangrijke termen en concepten

DNA-genoom (H5): het totale genetisch materiaal in een organisme.
Gen: stuk DNA met informatie voor productie van eiwitten.
Niet-coderend DNA: DNA dat geen eiwitten codeert maar andere functies heeft.
STR (Short Tandem Repeat): korte herhalingen van 2–10 nucleotiden die variëren tussen individuen en van groot belang zijn voor verwantschapsonderzoek en forensisch onderzoek.
Loci: specifieke posities in het DNA waar STR's worden geassocieerd; bijvoorbeeld D7S280 op chromosoom 7.
Allelen: verschillende versies van hetzelfde STR-locus, afhankelijk van het aantal herhalingen.
mtDNA: mitochondriaal DNA, circulair DNA in mitochondriën, met 37 genen.
Maternele erfenis: mtDNA erft van moeder op nakomelingen; gebruikelijk wordt dit onderzocht in moederlijke lijn.
Histonen: eiwitten die DNA omringen; vormen nucleosomen en dragen bij aan chromatin structuur.
Nucleosoom: DNA-omwikkeld rond een octamer van histonen; basisbouwsteen van chromatine.
Chromatin: complex van DNA en histonen die de compacte opstelling van DNA in de celkern mogelijk maken.
Fosfaatgroep, deoxyribose, stikstofbase: bouwstenen van de DNA-nucleotide.
3' kant, 5' kant: referentiepunten van de suiker en fosfaat in een nucleotide en de richting van de DNA-synthese.
Forensisch DNA-profiel: een reeks STR-loci die samen een unieke DNA-identificatie geven.

Praktische toepassingen en verwijzingen

DNA-profiel: Laboratoria verkrijgen DNA van cellen (bijv. wangslijmvliescellen) en isoleren DNA om een profiel op te stellen; vaak gebruikt in forensiek en verwantschapsonderzoek.
D7S280-locus: een STR-locus op chromosoom 7; het voorbeeld 8/10 duidt op twee allelen met respectievelijk 8 en 10 repeats van de GATA motif.
Een locus kan meerdere allelen hebben; elk individu heeft twee allelen per locus vanwege paring van chromosomen.
In totaal worden in veel landen STR-analyses uitgevoerd op 13 loci om een DNA-profiel op te stellen.
Bronvermelding: Bron 1 (DNA-structuur en nucleosomen), Bron 2 (mtDNA en overerving), Bron 3 (STR's en forensisch gebruik).

Samenvattende notities voor snelle revisie

DNA is dubbelstrengs, complementair en loopt van 5' naar 3' richting; A=T (2 H-b bonds), C=G (3 H-bonds).
DNA-nucleotide bestaat uit fosfaatgroep + deoxyribose + stikstofbase; nucleotiden koppelen via fosfodiësterbinding tussen 5' en 3' posities.
Chromosomen bestaan uit DNA + histonen; nucleosomen vormen de basis van chromatine; H1 houdt het geheel samen.
mtDNA is circulair en maternale erfenis; 37 genen; 13 eiwitten; 24 rRNA/tRNA; geen mitochondriën van de zaadcel in de zygote.
STR's zijn repetitieve DNA-sequenties (2–10 nt); variëren per individu; used forensisch en kinship analyses; D7S280 (GATA) locus als voorbeeld; meestal 13 loci worden aangestuurd.
Ongeveer 20 000 genen in het menselijke genoom; 46 chromosomen in de kern; ~1.5–2% codeert voor eiwitten; rest is niet-coderend DNA maar heeft regulerende of structurele functies.
DNA van wangslijmvliescellen wordt geïsoleerd voor DNA-profiel; zuivering gebeurt door het verwijderen van histonen en andere eiwitten zodat DNA verder verwerkt kan worden.

Bronnen: Bron 1 – Dubbele helix, nucleosomen, chromatin en 3'/5' polariteit; Bron 2 – mtDNA en moederlijke overerving; Bron 3 – STR's en forensisch gebruik (D7S280 en de structuur van STR-alelvarianten).

Hieronder volgt een uitleg van de belangrijkste termen die in de notitie vetgedrukt zijn: