Wat is genetica? De basis van het DNA uitgelegd

Tot 1857 was men zich er nog totaal niet van bewust wat DNA nou is en hoe het zich uit in alles dat leeft. Daar kwam verandering in toen Gregor Mendel, een Moravische monnik, een aantal onderzoeken uitvoerde op diverse erwtenplanten. Andere onderzoekers zijn later in zijn voetstappen getreden en hebben de welbekende helix in beeld gebracht. Inmiddels weten we dat DNA de bouwstenen zijn voor alles dat leeft. Genetica is feitelijk een verzamelnaam voor de overerving van DNA dat onder andere bestaat uit basen, allelen en RNA. Al deze elementen samen vormen een genetische code die voor elk levend wezen, van mens en dier tot plant en ééncellig wezen uniek zijn en ook elk individu uniek maken. De kennis over genetica opent vele deuren naar kennis die ooit onhaalbaar leek.

• DNA en basisgenetica uitgelegd
• De opbouw van DNA
• Dominante, recessieve en incomplete genen
• Homozygoot en heterozygoot
• De taak van aminozuren en proteïnen
• Het doel van RNA
• De biologie achter DNA
• Cyclus
• Non-coding DNA
• Mutaties bij de mens
• De geschiedenis van genetica
• Verklarende woordenlijst

DNA en basisgenetica uitgelegd

DNA staat voor desoxyribonucleïnezuur en zijn de bouwstenen van alles dat leeft. Een DNA-molecuul bestaat uit twee lange strengen die nucleotiden heten en om elkaar heen draaien tot een dubbele helix. Deze twee strengen zijn weer verbonden met elkaar door baseparen die elke streng DNA uniek maken. DNA is de moleculaire blauwdruk voor elk levend wezen.

De opbouw van DNA

DNA is niet een op zichzelf staand onderdeel. DNA is een verzamelnaam voor verschillende onderdelen die samen het genotype (alle kenmerken) en het fenotype (zichtbare/uiterlijke kenmerken) bepalen van elk levend wezen. Heel objectief gezien is DNA een hele hoop atomen die samengeklonterd zijn en met zijn allen de welbekende helix vormen.

DNA is onderdeel van chromosomen die op hun beurt ervoor zorgen dat het DNA in een mooi pakketje op zijn plek blijft zitten rond de proteïne histon. DNA bestaat uit twee helixen waartussen de basenparen gesloten zitten. Het basenpaar en de twee onderdelen van de helix waar ze aan vast zitten worden samen een nucleotide genoemd waarvan alleen de base veranderlijk is. Aan één kant van de helix zit één base en aan de andere kant zit er ook één. Samen vormen deze dus een paar.
De paren kunnen bestaan uit vier verschillende zuren, namelijk:

• A = Adenine
• T = Thymine
• G = Guanine
• C = Cytosine

A zit altijd tegenover T en G zit altijd tegenover C.

Nou denk je misschien nou, dat maakt de combinaties een stuk kleiner. Ja, dat van de nucleotide wel, maar die van het DNA écht niet want:

• Eén streng DNA bij de mens bestaat uit miljoenen van deze combinaties met een ogenschijnlijk willekeurige volgorde en één celkern heeft 46 van deze strengen.
• Een stukje DNA ligt opgerold in elkaar in de nucleus, ook wel bekent als de celkern. In het cytoplasma, ook wel bekend als de cel zelf, zitten de aminozuren.

Dominante, recessieve en incomplete genen

Dominante genen overheersen altijd de recessieve genen. Genen komen altijd in paren. Twee dominante genen samen zullen zich altijd manifesteren op een organisme. Dit geldt ook voor twee recessieve genen samen. Een combinatie van deze twee of het in acht nemen van incomplete genen maakt het echt interessant.

Dominant en recessief

Op het moment dat er een dominant en recessief gen op één gen staan zal alleen het dominante kenmerk zich manifesteren. Het recessieve gen verstopt zich en zal zich niet meer laten zien totdat een nakomeling twee keer het recessieve gen erft van de ouders.

Incompleet dominant

Incomplete genen komen zowel dominant als recessief voor. Incompleet dominante genen zien er anders uit in enkelvoud (heterozygote vorm) als in tweevoud (homozygote vorm). Meestal heeft het in enkelvoud minder effect als in meervoud. Dit is vooral goed zichtbaar bij het crème-gen bij paarden. In enkelvoud (Cr/n) zorgt het voor een verdunning van het rode pigment, de vacht wordt oranje tot geel. In tweevoud (Cr/Cr) heeft het dubbelop effect op zowel rood als zwart pigment waardoor de paarden nagenoeg wit zijn met hooguit een oranje tot paarsige gloed.

Incompleet recessief

Met incompleet recessieve genen werkt dit iets anders. Recessieve genen moeten twee keer aanwezig zijn willen ze zich manifesteren. Incompleet recessieve genen kunnen echter ook met behulp van een ander dominant gen zich manifesteren waardoor ze de eigenschappen van het dominante gen veranderen.

Homozygoot en heterozygoot

Als we het over een specifiek gen hebben wordt deze meestal aangeduid met de eerste letter of eerste twee letters van het Engelse woord. Homozygoot en heterozygoot zijn termen die het makkelijker maken om te bepalen wat voor genen zouden kunnen vererven. We nemen voor het gemak bruine en blauwe ogen (Brown en Blue). In een tabel zouden deze kenmerken weergegeven worden als Br en bl.

Op het moment dat een drager van een gen homozygoot is betekent dit dat de drager twee van dezelfde genen heeft (Br/Br of bl/bl) Heeft de drager maar één gen van elk (Br/bl) dan is deze heterozygoot.

De taak van aminozuren en proteïnen

Om DNA wat beter te kunnen begrijpen zullen we wat dieper de biologie in moeten duiken. Aminozuren zijn chemische deeltjes in elk levend wezen die het beste te vergelijken zijn met lego. Er zijn zo’n twintig verschillende aminozuren met elk hun eigen vorm die op eindeloos veel manieren en aantallen in elkaar passen en een geheel vormen. Een aantal aminozuren bij elkaar vormen samen proteïnen en proteïnen vormen weer levende cellen die op hun beurt weer weefsel vormen.

Als je je bedenkt dat die twintig verschillende aminozuren op heel veel verschillende manieren en aantallen in elkaar passen begrijp je dat er miljoenen combinaties mogelijk zijn. Echter, hebben ze de verkeerde vorm, dan zullen de proteïnen hun werk niet kunnen doen. En dat is waar DNA pas echt belangrijk wordt.

Er is nog veel onbekend over de functies van DNA, maar één van de meest bekende zaken is toch wel het feit dat DNA aminozuren de opdracht geeft om in een bepaalde vorm samen te klonteren zodat het de functie kan gaan uitoefenen waarvoor het bedoeld is. Als de juiste proteïnen gebouwd worden op het juiste moment en de juiste plek zal het weefsel dat daar uit voort groeit zich ook correct en op de juiste plek gaan ontwikkelen. Samen vormen deze dan bijvoorbeeld een boom, een mens, of een paard.

Het doel van RNA

Om het DNA goed te kunnen laten communiceren met de aminozuren zodat deze zich kunnen vormen tot de juiste proteïne maken speciale chemicaliën gedeeltelijke kopieën van het DNA. Deze deeltjes worden RNA genoemd. Deze deeltjes lijken sterk op DNA maar zijn een stuk korter en missen één kant. Er zijn dus geen basenparen. Omdat ze zo klein zijn kunnen ze door kleine gaatjes in de celkernwand de cel in komen waar ze de interactie aan gaan met een ribosoom.

Een ribosoom kan je het beste zien als een printer. Het ribosoom leest het RNA met drie letters in één keer, deze drie letters vertellen het ribosoom welke van de twintig aminozuren het moet maken en bouwt aan de hand daarvan aminozuren die het 'uitprint'. Deze aminozuren buigen en vouwen om elkaar heen totdat ze zich hebben gevormd tot een functionele proteïne. Bijvoorbeeld:

• CAA = Glutamine
• AGU = Serine

Op het moment dat een proteïne gebouwd is wordt het losgelaten en is het klaar om de functie uit te voeren waar het voor gebouwd is. Dit kan van alles zijn, bijvoorbeeld:

• Het bouwen van een compleet nieuwe cel d.m.v. het kopiëren van een ander.
• Het vervoeren van zuurstof in rode bloedcellen met behulp van hemoglobine.
• Het verteren van voedsel met behulp van pepsine.
• Het maken van haren en nagels met behulp van keratine.
• Of het doorgeven van de genetica via een zaad- of eicel.

De biologie achter DNA

Even in het kort wat punten die duidelijk maken in welke volgorde dit stukje biologie gezien moet worden met behulp van voorbeelden:

• Een chromosoom zit in de celkern, dit is de drager van het erfelijk materiaal. (De bibliotheek)
• Dit chromosoom herbergt proteïnen en DNA. (De categorie boeken)
• Het DNA bevat weer genen, dit zijn de actieve delen van het DNA. (De boekenplank)
• Deze genen bevatten alle informatie over het wezen. Als voorbeeld haarkleur.
• De allelen die weer op de genen zitten bepalen welk kenmerk zichtbaar gaat worden. (Het boek)

Dus: Op het moment dat we het over genen hebben, hebben we het over het gehele pakketje informatie. Dus ook over de allelen die de doorslag geven.

Cyclus

Bij DNA kan je in zekere zin spreken van een cyclus, namelijk:


DNA creëert RNA dat kan ontsnappen uit de celkern en het ribosoom in de cel kan vertellen welke aminozuren het aan moet maken om een functionele proteïne te maken die op zijn beurt weer diverse functies uitvoert waaronder het creëren en onderhouden van (nieuw) weefsel. Dit weefsel maakt leven mogelijk. Cellen in een levend wezen delen constant waardoor DNA weer gekopieerd wordt en weer van het begin af aan begint.

Non-coding DNA

Non-coding DNA, ook wel Junk DNA genoemd beslaat bij de mens zo'n 98% van het DNA. Dit percentage verschilt per soort. Non-coding DNA maakt in tegenstelling tot het coding DNA geen proteïnen aan. Het heeft dus geen actieve functie in de bewuste levenscyclus van een individu. Het kan bijvoorbeeld wel bepalen hoe geprononceerd je kin wordt, of hoe recht je neus, hoe vruchtbaar je gaat zijn, hoe vatbaar voor overgewicht enzovoorts. Veel van deze non-coding DNA bepaalt in een vroeg stadium van het embryo dus hoe de rest van je leven eruit gaat zien.

Naast uiterlijke kenmerken en vruchtbaarheid is het non-coding DNA ook van groot belang voor het behoud van DNA. Sommige delen creëren telomeren. Telomeren voorkomen dat delen van het DNA verloren gaan tijdens het kopiëren. De telomeren zitten meestal vast aan de uiteinden van het DNA en voorkomen dat deze uiteinden verdwijnen.

Andere delen van dit DNA zorgen weer voor bindingspunten voor proteïnen waardoor transcriptie geactiveerd kan worden, zij staan ook wel bekend als enhancers. Terwijl de zogenaamde silencers bindingspunten bieden voor proteïnen die juist bepaalde transcripties onderdrukken. Dan zijn er nog insulators. Zij bieden bindingspunten voor proteïnen die bijvoorbeeld voorkomen dat versterkers helpen bij transcripties (enhancer-blocker insulators) zij onderdrukken dus bepaalde activiteiten binnen het DNA. Anderen voorkomen structurele veranderingen in het DNA die genactiviteit onderdrukken (barries insulators).

Het non-coding DNA lijkt nog veel meer belangrijke taken te vervullen, maar door de extreme complexiteit en de grote aantallen hiervan is nog niet alles volledig in kaart gebracht. En hoewel grofweg duidelijk is welke functie welk deel non-coding DNA heeft, is nog lang niet altijd duidelijk wat voor resultaten het oplevert over langere periodes en dus hoeveel en welk impact een bepaald deel van het non-coding DNA heeft.

Mutaties bij de mens

Het genetisch profiel van een individu wordt bepaald door de ouders, dus 50% van de vader en 50% van de moeder. Maar evolutie zou niet plaatsvinden als er geen mutaties zouden ontstaan in het DNA. Soms zijn die mutaties duidelijk zichtbaar, bijvoorbeeld een zo goed als zwarte zebra in plaats van een zwart-wit gestreepte. Of de Bajau, een groep mensen die uitsluitend op zee leeft. In de loop der tijd is de capaciteit van hun milt zo enorm gegroeid door mutaties dat ze in staat zijn zonder problemen tien minuten lang onder water te blijven. 70% van hun werkend leven vindt tegenwoordig onder water plaats.

Je zou denken dat een mutatie dus heel merkbaar is, maar recentelijk is gebleken door onderzoek van Dr. Kári Stefánsson dat elke individu bij de geboorte gemiddeld 70 mutaties heeft en dat deze mutaties plaatsvinden in het non-coding DNA. Onderzoek heeft uitgewezen dat een mens zo'n 30.000 genen heeft, dit betekent dat afgerond 0,233% van de genen per individu gemuteerd is. Met andere woorden: Jij kan over een heel bijzonder gen beschikken waar je geen weet van hebt, simpelweg omdat je een bepaalde activiteit niet uitoefent waarbij je in het voordeel bent t.o.v. een groot deel van de mensheid, zoals bijvoorbeeld gedurende lange tijd duiken, het leven op grote hoogtes met weinig zuurstof of het goed kunnen afbreken van bepaalde gifstoffen, wat zou kunnen betekenen dat je in relatief toxische omstandigheden zou kunnen leven.

We zien vaak dat onder extreme omstandigheden bepaalde individuen goed kunnen overleven gedurende een langere tijd. Dit is vooral goed zichtbaar bij populaties die in deze omstandigheden leven. Dit is niet omdat ze zich zo goed aanpassen aan hun omgeving (de mutatie vindt niet plaats omdat ze toevallig in die omgeving wonen). De mutatie ontstaat gewoon op een gegeven moment en het individu kan zich veel beter aanpassen aan die omgeving, veel beter overleven en dus ook veel meer nakomelingen op de wereld zetten. Een prachtig staaltje evolutie.

De geschiedenis van genetica

Genetica is nog relatief jong. Waar eeuwen geleden mensen zich al het hoofd braken over waarom bepaalde kenmerken in nakomelingen te zien waren heeft dit nog tot 1843 geduurd tot men hier meer licht op kon werpen.

Gregor Mendel

In 1843 leefde er een monnik genaamd Gregor Mendel in wat nu Tsjechië heet. Hij voerde veel tests uit op erwtenplanten. Iets wat nu nog steeds wordt gedaan. Hij heeft deze tests acht jaar lang op duizenden planten uitgevoerd totdat hij gedwongen werd zijn werk neer te leggen omdat hij abt werd aan het klooster. Maar zijn onderzoeken vormen nog steeds de basis voor genetica.

Friedrich Miescher en Richard Altmann

Friedrich Miescher en Richard Altmann deden zo hun eigen onderzoek tussen 1844 en 1895. Zij ontdekten een stof genaamd de nuclein. Jaren later in 1889 wist Richard Altmann, de leerling van Friedrich Miescher zogenaamde 'nucleic zuur' te isoleren, vandaag de dag bekent als chromosomen. Hij wist dit te isoleren uit het sperma van een zalm.

Fredrick Griffith

De geschiedenis ging verder in 1982 met Fredrick Griffith. Hij ging er van uit dat DNA de basis was van overerving. Hij was de eerste persoon die dit deed met muizen.

Hij injecteerde twee muizen met een longontsteking. Eén met een virulente versie, één met een niet-virulente versie. De eerste muis stierf. Hierna verhitte hij het virus, injecteerde deze in een gezonde muis en, zoals verwacht, overleefde deze muis het. Daarna injecteerde hij een wederom gezonde muis met zowel het verhitte virus als de niet-virulente versie. De muis stierf.

Zijn conclusie hier uit was dat het de gedode virulente bacterie DNA had overgedragen aan de niet-virulente bacterie en daarmee de bacterie die een muis eerst kon overleven, nu dodelijk had gemaakt.

Oswald Avery

Oswald Avery ging verder met Griffith zijn experimenten. In zijn experimenten vernietigde hij de lipiden, ribosomen, koolhydraten en proteïnen van het virus. Ondanks dit waren er nog steeds transformaties zichtbaar in het overgebleven materiaal. Uiteindelijk kwam hij uit bij desoxyribonucleïnezuur. Toen hij dit vernietigde deden zich geen veranderingen meer voor. Zo werd de basis van vererving gevonden.

Phoebus Levene

Phoebus Levene deed in 1929 onderzoek aan het Rockefeller Instituut naar de componenten die DNA maken. Zijn focus lag voornamelijk op vier basen:

• Adenine (A)
• Cytosine (C)
• Guanine (G)
• Thymine (T)

En naar:

• Suiker
• Fosfaat

Hij toonde aan dat er sprake was van baseparen. Hij suggereerde ook dat DNA een verzameling is van nucleotiden die aan elkaar verbonden zijn d.m.v. fosfaat. Echter dacht Levene dat DNA korte strengen zijn en dat de basen zich in een repetitief patroon herhaalden. Het waren Torbjorn Caspersson en Einar Hammersten die het tegendeel bewezen.

Erwin Chargaff

In 1940 begon men met het maken van een DNA model. Erwin Chargaff was de eerste die patronen vond in de aantallen van de vier basen (Adenine, Guanine, Cytosine en Thymine). Hij is degene die concludeerde dat Adenine altijd gekoppeld was aan Thymine en Guanine aan Cytosine. Tegenwoordig wordt dit ook wel 'Chargaff's Rule' genoemd.

Rosalind Franklin en Maurice Wilkins

Franklin en Wilkins probeerden DNA te kristalliseren. Zij wilden graag röntgenfoto's maken van DNA om te leren begrijpen hoe DNA precies werkt en met succes. De basenparen bleken het beste te vergelijken met de traptreden van een ladder bijeen gehouden door een helixvorm.

Watson and Crick

In 1953 besloten James Watson en Francis Crick een model samen te stellen van het DNA met de gegevens die toen bekend waren. Ze bestudeerden de röntgenfoto van Franklin en Wilkins en maakten een model dat we vandaag de dag nog steeds gebruiken en maar nauwelijks veranderd is. Hun model bestond uit een dubbele helix met de traptreden (basenparen) zoals we deze nu ook kennen.

Alec Jeffreys

In 1984 had DNA onderzoek een flinke sprong gemaakt en was DNA profiling voor het eerst mogelijk. Alec Jeffreys wist een DNA profiel samen te stellen waarbij achtergelaten DNA gekoppeld kon worden aan een persoon. Zo was in 1988 Colin Pitchfork de eerste persoon die veroordeeld werd d.m.v. DNA profiling.

Verklarende woordenlijst

Allelen

Op het DNA zitten genen die op hun beurt ook weer apart informatie bevatten. Zoals we wel weten wordt bij de bevruchting van een eitje 50% van het DNA van de moeder mee gegeven en 50% van de vader. Dit gebeurt bij elk kenmerk van een levend wezen. Deze 50% bevat informatie die het kind uniek maken. Deze stukjes heten allelen. Er zijn maar twee plekken vrij per gen voor een specifiek kenmerk, welke helft van het gen van paps of mams meegegeven wordt is niet te voorspellen.

Histon

Histon is een eiwit dat bouwsteen is voor nucleosomen die het DNA dragen. Samen met DNA in de celkern vormen ze het chromatine. DNA windt zich om een eiwitbolletje heen genaamd 'nucleosoom' dat opgebouwd is uit een cluster histonen.

Nucleosoom

Chromatine bestaat uit zogenaamde kralen, de nucleosomen die bepalen hoe de genen zich uiten. Daarnaast zorgen ze voor kleine samenballingen d.m.v. spiralen wat helpt er voor te zorgen dat DNA dat soms wel twee meter lang kan zijn in de celkern past. Ook voorkomt het dat het DNA zich niet hecht aan omliggend DNA en RNA.

Chromatine

Chromatine is de combinatie van een cluster eiwitten en DNA. De eiwitten worden opgebouwd uit het eiwit histone. Chromatine ligt in de celkern van Eukaryotische cellen. Deze cellen hebben een volledige celopbouw en bezitten in tegenstelling tot andere cellen een celkern waarin het DNA is verpakt.

Celkern

De celkern, (ook wel nucleus genoemd) van een cel is het deel waar het originele DNA opgeslagen ligt en waar het RNA voor het maken van nieuwe cellen vandaan komt. De celkern wordt d.m.v. een kernmembraan gescheiden van het cytoplasma dat zich in de cel bevindt.

Chromosoom
De beknopte uitleg is als volgt: DNA is een onderdeel van een chromosoom. Het chromosoom bevat al het erfelijk materiaal meer een groot deel hiervan is 'slapende'. Het wordt (niet meer) gebruikt en zit eigenlijk niks te doen. Het actieve deel dat voor o.a. celdeling zorgt wordt het DNA genoemd. Elk wezen heeft een eigen aantal chromosomen.

Nucleotide

Een basenpaar met beide zeiden van de helix die er direct aan verbonden (dus feitelijk één traptrede) is samen een nucleotide.

Genotype

Het genotype is het hele genetische pakketje. Het genotype is niet volledig aan de buitenkant af te zien (fenotype) maar kan alleen volledig bepaald worden aan de hand van DNA tests.

Fenotype

Het fenotype is alles wat aan de buitenkant zichtbaar is zoals haarkleur, oogkleur, lengte, postuur etc.

Lees verder

• Uitleg & voorbeeld dominante, recessieve en incomplete genen
• Wat zijn genen en wat is nou DNA? Dieper de genetica in
• De functie van allelen op DNA in de genetica
• De relatie tussen chromosomen, celkern, DNA en genen
• Wat is het verschil tussen homozygoot en heterozygoot?