Bookshelf
Biologie is een enorm onderwerp. De planeet Aarde bevat een duizelingwekkend scala aan levensvormen. We weten nu al van het bestaan van 286.000 soorten bloeiende planten, 500.000 soorten schimmels, en 750.000 soorten insecten. Bovendien worden nog vele andere soorten ontdekt. Vijftig jaar geleden was de wetenschap van de biologie onderverdeeld in afzonderlijke disciplines, die elk het leven op een ander niveau analyseerden. Er was morfologie, fysiologie, biochemie, taxonomie, ecologie, genetica, enzovoort, die allemaal grotendeels in afzonderlijke academische compartimenten werkten. Ontdekkingen in de genetica hebben echter enkele van de belangrijkste samenbindende thema’s opgeleverd voor de gehele biologie, zodat nu conceptuele draden de subdisciplines met elkaar verbinden.
De belangrijkste thematische draad die de genetica heeft opgeleverd is letterlijk een draad, de genetische molecule DNA. We weten nu dat DNA de informatieve basis is van alle processen en structuren van het leven. De DNA-molecule heeft een structuur die verantwoordelijk is voor twee van de belangrijkste eigenschappen van het leven, voortplanting en vormgeneratie. We zullen in dit boek leren dat DNA een dubbel-helicale structuur is waarvan het inherente ontwerp zodanig is dat het kan worden gerepliceerd om twee identieke kopieën te maken. DNA replicatie is de basis voor alle voortplanting, cellulair en organismisch. DNA repliceert vóór de celdeling, en dit maakt het mogelijk dat chromosomen zich verdelen in chromatiden, die uiteindelijk dochterchromosomen worden, die overgaan in dochtercellen. Dit proces van replicatie en chromatidevorming is in wezen gelijk bij de deling van zowel aseksuele als seksuele cellen, en is schematisch weergegeven in figuur 1-8. (Merk echter op dat de twee soorten celdeling veel verschillen vertonen, die we in latere hoofdstukken zullen behandelen). We zien dus dat het de eigenschap van DNA-replicatie is die het mogelijk maakt replica’s van cellen en organismen te maken en in de tijd te bewaren (figuur 1-9). DNA kan dus gezien worden als de draad die ons verbindt met al onze evolutionaire voorouders. Bovendien genereert DNA vorm omdat in de lineaire opeenvolging van de bouwstenen van een DNA-molecuul een code is geschreven die de instructies bevat voor het bouwen van een organisme; we kunnen dit zien als informatie, of “dat wat nodig is om vorm te geven”. De unieke kenmerken van een soort, of het nu structuren of processen zijn, staan onder invloed van het DNA. Zo zien we onder de structuren die door morfologen worden bestudeerd, de reacties die door fysiologen worden bestudeerd, de homologieën die door evolutionisten worden bestudeerd, enzovoort, de verbindende draad van de DNA-molecule.
Figuur 1-8
Wanneer nieuwe cellen worden gemaakt, kan een chromosoom door DNA-replicatie een paar chromatiden worden, die uiteindelijk dochterchromosomen worden en in de nieuwe cellen overgaan.
Figuur 1-9
DNA-replicatie is de basis van de bestendiging van het leven door de tijd heen.
DNA werkt in alle organismen op vrijwel dezelfde wijze. Dit is op zich al een samenbindend thema, maar bovendien betekent het dat wat wij in het ene organisme leren, vaak in principe op andere organismen kan worden toegepast. Om deze reden is in de genetica veel gebruik gemaakt van modelorganismen, waarvan er vele in dit boek zullen voorkomen. In feite is de vooruitgang die de laatste decennia in de menselijke genetica is geboekt, voor een groot deel mogelijk geweest dankzij de vooruitgang die is geboekt met zulke minder belangrijke modelorganismen als bacteriën en schimmels.
De genetica heeft ook een aantal van de meest doortastende analytische benaderingen opgeleverd die nu in het hele spectrum van de biologische disciplines worden gebruikt. Het belangrijkst is de techniek van genetische dissectie. Bij deze experimentele benadering kan een structuur of proces uit elkaar worden gehaald, of “ontleed”, door te kijken hoe mutante genen dit beïnvloeden. Door de abnormaliteit te bestuderen, kunnen we het normale geval afleiden. Bijvoorbeeld, bij de studie van de ontwikkeling van volwassen organismen uit een bevruchte eicel, identificeert elk mutant gen dat een ontwikkelingsafwijking veroorzaakt een component in het normale proces van ontwikkeling. De genetische ontleding van verlamde mutantstammen van nematodewormen heeft geleid tot een beter begrip van de genen die normale beweging controleren. Het totaalbeeld van een bepaald proces kan worden samengesteld door al deze genetisch gecontroleerde componenten met elkaar in verband te brengen.
We hebben gezien dat moleculaire genetische manipulatie nieuwe perspectieven heeft geopend in de toegepaste biotechnologie, maar dezelfde technieken zijn net zo nuttig in fundamenteel onderzoek.Wetenschappers hebben genen in gist gemanipuleerd om volledig kunstmatige, functionele chromosomen te produceren die enorme hoeveelheden extra DNA kunnen dragen voor specifieke experimentele doeleinden. Onlangs zijn zelfs kunstmatige menselijke chromosomen gemaakt, die in (menselijke) zoogdiercellen kunnen worden ingebracht. De mogelijkheid om een gen in een reageerbuis te isoleren, de structuur ervan op specifieke manieren te wijzigen en het vervolgens weer in het organisme in te brengen, heeft gezorgd voor de scherpste scalpels voor genetische dissectie.
Een andere succesvolle techniek is het gebruik van specifieke genen als markers.Net zoals je felgekleurde labels zou kunnen gebruiken om dieren of planten in een of andere biologische studie te markeren, gebruiken genetici bepaalde gemakkelijk detecteerbare vormen van genen om structuren bij te houden-chromosomen, cellen, of individuen. Deze techniek wordt in alle biologische disciplines toegepast, van forensisch onderzoek tot celbiologie, evolutie en ecologie. Zo worden genen voor menselijke ziekten nu geïsoleerd op grond van hun chromosomale nabijheid tot niet-verwante markersquenties (de techniek van het positioneel klonen). Nu genen van het ene organisme naar het andere kunnen worden overgebracht, hebben genetici de residente genen vervangen door “reporter”-genen, waarvan de functies gemakkelijker kunnen worden opgespoord en experimenteel bestudeerd. (Het luciferase-gen van vuurvliegjes is op deze manier gebruikt; het gen kan op zodanige wijze in dierlijke of plantaardige chromosomen worden ingebracht dat het cellen laat gloeien in de ontwikkelingsstadia waarin het oorspronkelijke gen op die plaats actief was. Een gen voor groen fluorescerend eiwit uit kwallen wordt ook als reporter gebruikt. Muizen met dit gen gloeien groen op onder UV-straling (figuur 1-10). Al met al heeft genetische manipulatie een revolutie teweeggebracht in de biologische wetenschappen, en geen enkele bioloog kan het zich veroorloven niet op de hoogte te zijn van dit krachtige analyse-instrument.
Figuur 1-10
Transgene muizen met het kwallengen voor groen fluorescerend eiwit ingebracht in hun chromosomen. (KYODO News International/AP.)
Boodschap
Genetische analyse is nu een essentiële techniek op alle gebieden van de biologie.
Het grootste biologische succesverhaal van allemaal is misschien wel de opheldering van de precieze manier waarop de genen hun werk doen, met andere woorden, hoe informatie tot vorm komt. Het is een fascinerend verhaal dat zich met verbazingwekkende snelheid heeft ontwikkeld. Vandaag de dag vormen de codering en de stroom van genetische informatie in cellen de basis van het moderne biologische denken en de basis van waaruit experimentele verkenningen beginnen. Het is de moeite waard de hoogtepunten samen te vatten van de wijze waarop genetische informatie stroomt of, omgekeerd, hoe genen werken – wat het nieuwe paradigma van de biologie is genoemd.Figuur 1-11 toont schematisch de essentie van genwerking in een veralgemeende cel van een eukaryoot. Eukaryoten zijn die organismen waarvan de cellen een membraan-gebonden kern hebben. Dieren, planten en schimmels zijn allemaal eukaryoten. Binnen de kern bevindt zich een reeks chromosomen, en buiten de kern bevindt zich een complexe reeks van membraanachtige structuren, waaronder het endoplasmatisch reticulum en het Golgi-apparaat, en organellen zoals de mitochondriën en chloroplasten.
Figuur 1-11
Vereenvoudigd beeld van de genwerking in een eukaryote cel. De basisstroom van genetische informatie loopt van DNA naar RNA naar eiwit. Vier typen genen worden getoond. Gen 1 reageert op externe regulerende signalen en maakt een eiwit voor export; gen 2 reageert op (meer…)
In de eukaryote kern synthetiseren sommige eiwit-coderende genen min of meer constant hun eiwitproduct, maar andere moeten worden aan- en uitgezet om aan de behoeften van de cel of het organisme te voldoen. Het signaal om een gen te activeren kan van buiten de cel komen, bijvoorbeeld van een stof zoals een steroïdhormoon. Of het signaal kan van binnen de cel komen, bijvoorbeeld van een speciaal regulerend gen dat tot taak heeft andere genen aan en uit te zetten. De regulerende stoffen binden zich aan een speciale regio van het gen en starten de synthese van transcripten van het DNA van het gen. Tussen de eiwit-coderende regio van een eukaryotisch gen zijn er segmenten die niet bestemd zijn om in eiwit te worden omgezet. Deze niet-coderende delen van het gen wordenintrons genoemd; deze worden uit het oorspronkelijke transcript geknipt. De resterende RNA-sequentie vormt het boodschapper-RNA. De mRNA-moleculen gaan door de poriën in de kern naar het cytoplasma, waar cytoplasmatische organellen, ribosomen genaamd, zich aan het mRNA binden en de informatie in de mRNA-sequentie omzetten in eiwit. Het mRNA passeert de ribosomen, die de assemblage van het polypeptide katalyseren, de reeks aminozuren die de primaire structuur van het eiwit zal vormen. Elk aminozuur wordt naar het ribosoom gebracht door een specifiek transfer RNA (tRNA) molecuul dat zich vasthecht aan een specifieke coderingseenheid van het mRNA. De tRNA’s worden gesynthetiseerd uit speciale tRNA-genen. Er worden nooit tRNA’s in eiwitten vertaald; zij recyclen voortdurend en leveren hun specifieke aminozuur aan de ribosomen. Het ribosoom zelf bestaat uit een complex geheel van eiwitten en verschillende soorten RNA, ribosomaal RNA (rRNA) genaamd. De genen voor rRNA bevinden zich in een speciale chromosomale regio, de thucleolaire organizer. Net als tRNA wordt rRNA nooit vertaald in een eiwit.
MESSAGE
Proteïne-coderende genen functioneren via twee stappen van informatie-overdracht:
Elk eiwitcoderend gen codeert voor een afzonderlijk eiwit, met specifieke functies hetzij binnen de cel (bijvoorbeeld het vierkante eiwit in figuur 1-11) of voor export naar andere delen van het organisme (het cirkelvormige eiwit). De synthese van eiwitten voor uitvoer (secretoreiwitten) vindt plaats opribosomen die zich bevinden op het oppervlak van het ruwe endoplasmatische reticulum, een systeem van grote afgeplatte blaasjes. De voltooide aminozuurketens worden in het lumen van het endoplasmatisch reticulum gebracht, waar zij zich spontaan opvouwen om hun eiwitvorm aan te nemen. De proteïnen kunnen in dit stadium worden gemodificeerd, maar worden uiteindelijk doorgegeven aan de kamers van het Golgi-apparaat, en verder aan afscheidingsvaten die met het celmembraan versmelten en hun inhoud naar buiten afgeven.
Eiwitten die bestemd zijn om in het cytosol te functioneren, en de meeste proteïnen die in mitochondriën en chloroplasten functioneren, worden in het cytosol gesynthetiseerd op ribosomen die niet aan membranen zijn gebonden. Eiwitten die fungeren als enzymen in de glycolyse volgen bijvoorbeeld deze route. Eiwitsynthese gebeurt volgens hetzelfde mechanisme met dezelfde soort tRNA’s. Het voltooide eiwit komt los van het ribosoom en vouwt zich in de juiste vorm in het cytosol. De eiwitten die bestemd zijn voor organellen zijn speciaal gemerkt om ze in het organel te kunnen inbrengen. Bovendien hebben mitochondriën en chloroplasten hun eigen kleine cirkelvormige DNA-moleculen. De synthese van eiwitten die zijn gecodeerd door genen op mitochondriaal of chloroplast-DNA, vindt plaats op ribosomen binnenin de organellen zelf. Daarom zijn de eiwitten in de mitochondriën en chloroplasten van twee verschillende oorsprong: ofwel nucleus-gecodeerd en geïmporteerd in het organel, ofwel organel-gecodeerd en gesynthetiseerd binnen het organelcompartiment.
Prokaryoten zijn organismen zoals bacteriën waarvan de cellen een eenvoudiger structuur hebben; er zijn geen nucleus- of andere membraan-gebonden structuren binnen deze cellen. De eiwitsynthese in prokaryoten lijkt over het algemeen op die in eukaryoten, waarbij gebruik wordt gemaakt van mRNA, tRNA en ribosomen, maar er zijn enkele belangrijke verschillen. Zo hebben prokaryoten geen introns.
MESSAGE
De informatiestroom van DNA naar RNA naar eiwit is een van de grondslagen van het biologisch begrip geworden.
Leave a Reply