Humane levenscyclus 1
Celbiologie en de organisatie van DNA
Embryogenese
Elk organisme bestaat uit een grote gemeenschap van samenwerkende cellen.
Op basis van erfelijke informatie uit de celkern worden eiwitten gevormd die deze samenwerking
mogelijk maken.
Afhankelijk van de de nitie, bestaan er 200 tot 400 verschillende celtypen in het menselijk
lichaam.
Celorganellen:
1. Endoplasmatisch reticulum (netwerk): ruw (met ribosomen): eiwit aanmaak (translatie) en
transport naar Golgi; glad: transport naar Golgi, synthese van (fosfo)lipiden en steroïden en
ontgifting (detoxi catie)
2. Golgi-apparaat: eiwitten ombouwen (modi ceren), opslaan en inpakken in blaasjes voor
transport
3. Lysosoom: blaasjes die partikels, ingenomen door fagocytose of pinocytose, of oudere
celdelen verteren, zodat de afbraakproducten hergebruikt of veilig uitgescheiden kunnen
worden; gemaakt door Golgi apparaat
4. Mitochondriën: energiecentrale, citroenzuurcyclus, oppervlaktevergroting (d.m.v. cristae)
5. Kern (nucleus): genetische informatie, DNA
6. Kernlichaampje (nucleolus): bevat rRNA genen voor de aanmaak van ribosomen (voor
translatie), RNA fragmenten
7. Cytoskelet: polymeren van eiwitten in cellen (cyto) die samen zorgen voor stevigheid, vorm en
beweeglijkheid. (Polymeer: molecuul bestaande uit veel delen; a) micro lamenten (kleinere
strengen bv. actine), b) microtubuli (kleine buisjes opgebouwd uit tubuline) en c) intermediaire
lamenten
Embryogenese wordt beschouwd uit:
1. Vormbepaling: Morfologische embryonale ontwikkeling
Celdeling (proliferatie)
Celbeweging (migratie)
Celtype bepaling (speci catie en di erentiatie)
2. Aansturing/signalering: Moleculaire embryonale ontwikkeling
Celsignalering wordt verzorgd door speciale signaaleiwitten die gemaakt worden op basis
van erfelijke informatie in het DNA in de celkern
DNA structuur en organisatie
Cel —> Celkern —> Erfelijk materiaal —> Organisatie en structuur / Gebruik
Erfelijk materiaal:
DNA: De(s)oxyribonucleïnezuur
Drager erfelijke informatie, van generatie op generatie
Bevat genen die coderen voor de aanmaak van eiwitten
Polymeer opgebouwd uit nucleotiden, bestaande uit deoxyribose (suiker) en fosfaatgroepen
(samen: de leuning) en stikstofbasen (treden)
Dubbelstrengs; complementaire stiksofbasen vromen paren
Chromosoom: één dubbelstrengs DNA molecuul (46 in een diploïde humane cel)
Genoom: totaal aan chromosomen per celkern
Het genoom van een individu is in alle cellen exact hetzelfde. De genomen van verschillende
individuen bevatten dezelfde genen, maar die genomen kunnen wel op meer dan 10 miljoen
plaatsen van elkaar verschillen; puntmutaties, SNP’s, deleties, inserties.
fi fi fi fi ff fi fi
, Het totale genoom van een humane cel omvat 6 miljard basenparen. In uitgestrekte vorm zou dit
een 2 meter dunne draad zijn. Om in de celkern te passen moet het DNA dus enorm opgevouwen
worden.
Nucleosoom = Histon octameer (complex van 8 eiwitten) & 147 basenparen DNA
Electro-statische interactie = de Histon eiwitten bevatten veel aminozuren met positieve lading die
ervoor zorgt dat de histonen binden aan het negatief geladen DNA
Evolutionaire ‘conservering’ = (de nucleotiden volgorde van) een gen is behouden gebleven in de
loop van de evolutionaire ontwikkeling
Histon modi caties maken DNA losser, toegankelijker of juist minder/niet open
(heterochromatine).
DNA opvouwing is een dynamisch proces!
Wat is de functie van het netjes opvouwen van DNA tot chromosomen?
• Garanderen van juiste replicatie en vervolgens verdeling over de twee dochtercellen na celdeling
• Toegang behouden voor reparatie en transcriptie enzymen
Veranderingen in de structuur van nucleosomen zorgen voor toegang tot het DNA:
• Chromatin-remodeling complexes
• Histon staart modi caties
E ect: Chromatine condensatie & eiwit binding (‘docking sites’)
Chromatine = totaal aan DNA + eiwitten (met name histonen)
Heterochromatine (erg compact): transcriptie onderdrukt
Euchromatine (minder compact): transcriptie actief
Chromatide = helft van een verdubbeld chromosoom na replicatie en vóór deling
Welke andere eiwitten, naast histonen, binden aan DNA?
Eiwitten betrokken bij DNA reparatie, replicatie en expressie (transcriptiefactoren)
Chromosoom = één dubbelstrengs DNA molecuul (46 in een humane cel)
Chroma = kleur; Soma = lichaam
Telomeer, centromeer
Lange (q) en korte (p) armen
Autosomen & geslachtschromosomen, X en Y
Diploïd (2 chromosomen per paar)
Haploïd (1 chromosoom per paar)
Er is geen verband tussen de complexiteit van een organisme en het aantal chromosomen.
Nucleotiden: de basis elementen van DNA
Suikerfosfaat + G-base
Sequentie = volgorde van baseparen
Covalente verbinding tussen de nucleotiden, G-C & A-T
Polariteit = twee chemisch verschillende uiteinden: 5’ fosfaatgroep, 3’ hydroxylgroep
Dubbele helix (spiraal):
Treden: stikstofbasen
Leuning: suiker en fosfaatgroep
Anti-parallel: de ene streng loopt van 5’ naar 3’ en de andere van 3’ naar 5’
Coderende richting: 5’-3’ (5’ = upstream & 3’ = downstream)
ff fi fi
, DNA-replicatie
Replicatie
DNA wordt gerepliceerd in de interfase (S-fase).
Twee anti-parallelle DNA strengen zijn georganiseerd in een (dubbele) helix.
Mogelijkheden van replicatie:
• Conservatief: 1 dubbelstrengs DNA —> 2 dubbelstrengs waarvan de ouderlijke dubbelstreng
bewaard blijft
• Semi-conservatief: 1 dubbelstrengs DNA —> 2 dubbelstrengs waarvan beiden een nieuwe
streng
• Dispersief: 1 dubbelstrengs DNA —> 2 dubbelstrengs waarvan beiden zowel stukjes van nieuwe
als oude DNA strengen bevatten
DNA-replicatie —> semi-conservatief
De twee oorspronkelijke strengen blijven altijd aanwezig
Synthese
Alle polymerase synthetiseert nieuwe streng 5’ —> 3’
DNA pol I, II, III (synthese DNA)
RNA pol I, II, III (synthese RNA —> transcriptie)
Reverse transcriptase (een RNA-afhankelijk DNA polymerase)
DNA polymerases
Kunnen niet zelf starten (kan geen nucleotide op de streng zetten)
Kan alleen een (base-paired) bestaand 3’-eind verlengen (“primer”)
RNA polymerase heeft geen primer nodig
Kan zelf starten
Kan een (base-paired) bestaand 3’-eind verlengen
Alle DNA polymerases hebben een primer nodig, want ze kunnen binden aan de OH-groep aan
het 3’-eind. De primer kan DNA of RNA zijn. De primers moeten base-paired zijn met de
“template”.
DNA polymerase activiteit: 5’ —> 3’
Exonuclease activiteit: (“knippen” nucleotiden) 3’ <—> 5’
Belangrijk voor “proofreading” (verkeerde nucleotide ingebouwd)
Belangrijk om RNA primers te verwijderen
“Backstitching” = terugstikken van Okazaki fragmenten
Synthese van de lagging streng (5’ —> 3’):
1. RNA primer synthese
Speciale RNA polymerase (primase)
2. Extension door DNA polymerase I
DNA polymerase I 5’ —> 3’ polymerase activiteit
3. DNA polymerase I vervangt RNA primer met DNA
5’ —> 3’ exonuclease activiteit
5’ —> 3’ polymerase activiteit
4. Ligatie van het gat tussen de twee Okazaki fragmenten
Door DNA ligase
Dit enzym wordt ook gebruikt in recombinant DNA om twee DNA fragmenten in vitro te joinen
Celbiologie en de organisatie van DNA
Embryogenese
Elk organisme bestaat uit een grote gemeenschap van samenwerkende cellen.
Op basis van erfelijke informatie uit de celkern worden eiwitten gevormd die deze samenwerking
mogelijk maken.
Afhankelijk van de de nitie, bestaan er 200 tot 400 verschillende celtypen in het menselijk
lichaam.
Celorganellen:
1. Endoplasmatisch reticulum (netwerk): ruw (met ribosomen): eiwit aanmaak (translatie) en
transport naar Golgi; glad: transport naar Golgi, synthese van (fosfo)lipiden en steroïden en
ontgifting (detoxi catie)
2. Golgi-apparaat: eiwitten ombouwen (modi ceren), opslaan en inpakken in blaasjes voor
transport
3. Lysosoom: blaasjes die partikels, ingenomen door fagocytose of pinocytose, of oudere
celdelen verteren, zodat de afbraakproducten hergebruikt of veilig uitgescheiden kunnen
worden; gemaakt door Golgi apparaat
4. Mitochondriën: energiecentrale, citroenzuurcyclus, oppervlaktevergroting (d.m.v. cristae)
5. Kern (nucleus): genetische informatie, DNA
6. Kernlichaampje (nucleolus): bevat rRNA genen voor de aanmaak van ribosomen (voor
translatie), RNA fragmenten
7. Cytoskelet: polymeren van eiwitten in cellen (cyto) die samen zorgen voor stevigheid, vorm en
beweeglijkheid. (Polymeer: molecuul bestaande uit veel delen; a) micro lamenten (kleinere
strengen bv. actine), b) microtubuli (kleine buisjes opgebouwd uit tubuline) en c) intermediaire
lamenten
Embryogenese wordt beschouwd uit:
1. Vormbepaling: Morfologische embryonale ontwikkeling
Celdeling (proliferatie)
Celbeweging (migratie)
Celtype bepaling (speci catie en di erentiatie)
2. Aansturing/signalering: Moleculaire embryonale ontwikkeling
Celsignalering wordt verzorgd door speciale signaaleiwitten die gemaakt worden op basis
van erfelijke informatie in het DNA in de celkern
DNA structuur en organisatie
Cel —> Celkern —> Erfelijk materiaal —> Organisatie en structuur / Gebruik
Erfelijk materiaal:
DNA: De(s)oxyribonucleïnezuur
Drager erfelijke informatie, van generatie op generatie
Bevat genen die coderen voor de aanmaak van eiwitten
Polymeer opgebouwd uit nucleotiden, bestaande uit deoxyribose (suiker) en fosfaatgroepen
(samen: de leuning) en stikstofbasen (treden)
Dubbelstrengs; complementaire stiksofbasen vromen paren
Chromosoom: één dubbelstrengs DNA molecuul (46 in een diploïde humane cel)
Genoom: totaal aan chromosomen per celkern
Het genoom van een individu is in alle cellen exact hetzelfde. De genomen van verschillende
individuen bevatten dezelfde genen, maar die genomen kunnen wel op meer dan 10 miljoen
plaatsen van elkaar verschillen; puntmutaties, SNP’s, deleties, inserties.
fi fi fi fi ff fi fi
, Het totale genoom van een humane cel omvat 6 miljard basenparen. In uitgestrekte vorm zou dit
een 2 meter dunne draad zijn. Om in de celkern te passen moet het DNA dus enorm opgevouwen
worden.
Nucleosoom = Histon octameer (complex van 8 eiwitten) & 147 basenparen DNA
Electro-statische interactie = de Histon eiwitten bevatten veel aminozuren met positieve lading die
ervoor zorgt dat de histonen binden aan het negatief geladen DNA
Evolutionaire ‘conservering’ = (de nucleotiden volgorde van) een gen is behouden gebleven in de
loop van de evolutionaire ontwikkeling
Histon modi caties maken DNA losser, toegankelijker of juist minder/niet open
(heterochromatine).
DNA opvouwing is een dynamisch proces!
Wat is de functie van het netjes opvouwen van DNA tot chromosomen?
• Garanderen van juiste replicatie en vervolgens verdeling over de twee dochtercellen na celdeling
• Toegang behouden voor reparatie en transcriptie enzymen
Veranderingen in de structuur van nucleosomen zorgen voor toegang tot het DNA:
• Chromatin-remodeling complexes
• Histon staart modi caties
E ect: Chromatine condensatie & eiwit binding (‘docking sites’)
Chromatine = totaal aan DNA + eiwitten (met name histonen)
Heterochromatine (erg compact): transcriptie onderdrukt
Euchromatine (minder compact): transcriptie actief
Chromatide = helft van een verdubbeld chromosoom na replicatie en vóór deling
Welke andere eiwitten, naast histonen, binden aan DNA?
Eiwitten betrokken bij DNA reparatie, replicatie en expressie (transcriptiefactoren)
Chromosoom = één dubbelstrengs DNA molecuul (46 in een humane cel)
Chroma = kleur; Soma = lichaam
Telomeer, centromeer
Lange (q) en korte (p) armen
Autosomen & geslachtschromosomen, X en Y
Diploïd (2 chromosomen per paar)
Haploïd (1 chromosoom per paar)
Er is geen verband tussen de complexiteit van een organisme en het aantal chromosomen.
Nucleotiden: de basis elementen van DNA
Suikerfosfaat + G-base
Sequentie = volgorde van baseparen
Covalente verbinding tussen de nucleotiden, G-C & A-T
Polariteit = twee chemisch verschillende uiteinden: 5’ fosfaatgroep, 3’ hydroxylgroep
Dubbele helix (spiraal):
Treden: stikstofbasen
Leuning: suiker en fosfaatgroep
Anti-parallel: de ene streng loopt van 5’ naar 3’ en de andere van 3’ naar 5’
Coderende richting: 5’-3’ (5’ = upstream & 3’ = downstream)
ff fi fi
, DNA-replicatie
Replicatie
DNA wordt gerepliceerd in de interfase (S-fase).
Twee anti-parallelle DNA strengen zijn georganiseerd in een (dubbele) helix.
Mogelijkheden van replicatie:
• Conservatief: 1 dubbelstrengs DNA —> 2 dubbelstrengs waarvan de ouderlijke dubbelstreng
bewaard blijft
• Semi-conservatief: 1 dubbelstrengs DNA —> 2 dubbelstrengs waarvan beiden een nieuwe
streng
• Dispersief: 1 dubbelstrengs DNA —> 2 dubbelstrengs waarvan beiden zowel stukjes van nieuwe
als oude DNA strengen bevatten
DNA-replicatie —> semi-conservatief
De twee oorspronkelijke strengen blijven altijd aanwezig
Synthese
Alle polymerase synthetiseert nieuwe streng 5’ —> 3’
DNA pol I, II, III (synthese DNA)
RNA pol I, II, III (synthese RNA —> transcriptie)
Reverse transcriptase (een RNA-afhankelijk DNA polymerase)
DNA polymerases
Kunnen niet zelf starten (kan geen nucleotide op de streng zetten)
Kan alleen een (base-paired) bestaand 3’-eind verlengen (“primer”)
RNA polymerase heeft geen primer nodig
Kan zelf starten
Kan een (base-paired) bestaand 3’-eind verlengen
Alle DNA polymerases hebben een primer nodig, want ze kunnen binden aan de OH-groep aan
het 3’-eind. De primer kan DNA of RNA zijn. De primers moeten base-paired zijn met de
“template”.
DNA polymerase activiteit: 5’ —> 3’
Exonuclease activiteit: (“knippen” nucleotiden) 3’ <—> 5’
Belangrijk voor “proofreading” (verkeerde nucleotide ingebouwd)
Belangrijk om RNA primers te verwijderen
“Backstitching” = terugstikken van Okazaki fragmenten
Synthese van de lagging streng (5’ —> 3’):
1. RNA primer synthese
Speciale RNA polymerase (primase)
2. Extension door DNA polymerase I
DNA polymerase I 5’ —> 3’ polymerase activiteit
3. DNA polymerase I vervangt RNA primer met DNA
5’ —> 3’ exonuclease activiteit
5’ —> 3’ polymerase activiteit
4. Ligatie van het gat tussen de twee Okazaki fragmenten
Door DNA ligase
Dit enzym wordt ook gebruikt in recombinant DNA om twee DNA fragmenten in vitro te joinen
