PART 1 BASIS VAN DNA, CHROMOSOMEN, CELLEN, ONTWIKKELING EN ERFELIJKHEID ........................ 3
H2: Fundamenten van cellen en chromosomen................................................................................. 3
2.1 Cel structuren en diversiteit, en cel evolutie............................................................................ 3
2.2 Het aantal DNA- en chromosoomkopieën tijdens de celcyclus................................................ 4
2.3 Celdeling en overdracht van DNA naar dochtercellen ............................................................. 4
2.4 Structuur en functie van chromosomen .................................................................................. 7
H5: Overervingspatronen ................................................................................................................. 10
5.1 Monogene versus multifactoriële overerving ........................................................................ 10
5.2 Mendeliaanse stamboom patronen ....................................................................................... 10
5.3 Mozaïcisme en nieuwe mutaties ............................................................................................ 16
5.4 Niet-mendeliaanse karakters.................................................................................................. 17
PART 2 BEGRIJPEN VAN GENOMEN....................................................................................................... 20
H6: Kern-DNA-technologieën: amplificatie van DNA, nucleïnezuurhybridisatie en DNA-sequencing
.......................................................................................................................................................... 20
6.1 Klonen van DNA in bacteriële cellen ...................................................................................... 20
6.2 Amplificatie van DNA door in vitro DNA-replicatie ................................................................ 23
6.3 Nucleïnezuurhybridisatie: principes en toepassingen............................................................ 25
6.4 Principes van DNA-sequencing en Sanger dideoxy-sequencing............................................. 27
6.5 Massaal parallelle DNA-sequencing (next-generation sequencing) ....................................... 28
H7: Analyse van de structuur en expressie van genen en genomen ................................................ 32
7.1 Analyse van de genoomstructuur en genoomprojecten ........................................................ 32
7.2 Basisanalyses van genexpressie ............................................................................................. 37
7.3 Analyses van genexpressie met hoge doorvoer ..................................................................... 38
7.4 Single-cell genomics ............................................................................................................... 39
H9: Het blootleggen van de architectuur en werking van het menselijk genoom ........................... 40
9.1 Een overzicht van het menselijk genoom ............................................................................... 40
9.2 Organisatie en distributie van genen in het menselijk genoom ............................................. 43
9.3 Heterochromatine DNA en transposon repeats ..................................................................... 46
PART 3 GENETISCHE VARIATIE TUSSEN INDIVIDUEN EN SOORTEN ...................................................... 47
H11: Een overzicht van menselijke genetische variatie .................................................................... 47
11.3 Populatiegenomica en de schaal van menselijke genetische variatie .................................. 47
11.4 Functionele genetische variatie en eiwitvariatie.................................................................. 49
PART 4 MENSELIJKE GENETISCHE ZIEKTE .............................................................................................. 51
H15: Chromosomale afwijkingen en structurele varianten .............................................................. 51
1
, 15.1 Menselijke chromosomen bestuderen................................................................................. 51
15.2 Grove chromosoomafwijkingen ........................................................................................... 54
15.3 Structurele varianten, microdeleties en microduplicaties ................................................... 58
H16: Moleculaire pathologie: fenotypes verbinden met genotypes ................................................ 60
16.1 Loss of function .................................................................................................................... 60
16.2 Gain of function .................................................................................................................... 63
16.3 Dynamische mutaties: onstabiele herhalingsexpansies ....................................................... 64
16.4 Moleculaire pathologie van mitochondriale aandoeningen ................................................ 65
H12: Menselijke populatiegenetica .................................................................................................. 66
12.1 Allelfrequenties en genotypefrequenties: de Hardy-Weinberg-relatie ................................ 66
H17: In kaart brengen en identificeren van genen voor monogene aandoeningen......................... 67
17.1 Positioneel klonen probeert ziektegenen te identificeren door ze eerst in kaart te brengen
op een precieze chromosomale locatie ....................................................................................... 67
17.3 Whole-exome en whole-genome sequencing maakt een unbiased en hypothesevrije
benadering mogelijk om de oorzaak van een monogene aandoening te identificeren .............. 70
17.4 Strategieën voor exome-gebaseerde identificatie van ziektegenen .................................... 70
17.5 Bevestigen dat het kandidaat-gen het juiste gen is .............................................................. 71
H18: Complexe ziekten: het identificeren van susceptibility factoren en het begrijpen van
pathogenese ..................................................................................................................................... 72
18.1 Onderzoek naar complexe ziekten: epidemiologische benaderingen ................................. 72
18.2 Onderzoek naar complexe ziekten met behulp van koppeling ............................................ 73
18.3 Onderzoek naar complexe ziekten met behulp van associatie ............................................ 74
2
,PART 1 BASIS VAN DNA, CHROMOSOMEN, CELLEN, ONTWIKKELING EN ERFELIJKHEID
H2: Fundamenten van cellen en chromosomen
2.1 Cel structuren en diversiteit, en cel evolutie
Prokaryoten en eukaryoten vertegenwoordigen een fundamentele verdeling van cellulaire levensvormen
- Plasmamembraan: dubbele fosfolipidenlaag; protectie voor cel; selectief permeabel
- Cytosol: waterige component van cytoplasma; proteïne synthese en metabole activiteit
- Cytoskelet: celstabiliteit, beweging, intracellulair transport, communicatie
o Microfilamenten (actine): celcortex = cytoskelet onder plasmamembraan, rijk aan actine-
filamenten, mechanische ondersteuning -> verandering in celvorm (endocytose) en celbeweging
(filopodia en lamellipodia)
o Microtubules (tubuline): meer rigide structuur, bouwsteen van centrosomen en mitotische
spoelfiguur en cilia (beweging; primair cilium = sensor) en flagella
o Intermediaire filamenten
- Endoplasmatisch reticulum: opslag Ca2+, synthese/vouwing/modificatie van proteïnen en lipiden,
glycosylering start
- Golgi complex: glycoproteïnen uit ER verder modificeren, scheiden celproducten uit, helpen
plasmamembraan en membraan van lysosomen vormen
- Lysosomen: hydrolytische enzymen voor vertering via fagocytose (vast) of pinocytose (vloeistoffen),
degradatie van cel-componenten na celdood
- Peroxisomen: enzymen die substraten oxideren en waterperoxide genereren
- Nucleus: nuclear envelope (2 membranen, buitenste ribosomen), pores (proteïne complexen als
transporteurs tussen nucleus en cytoplasma), lamina (intermediaire filamenten en proteïnen), matrix
(proteïne netwerk voor vasthechting chromosomen)
- Mitochondria: 2 membranen, oxidatieve fosforylatie (ATP productie)
Niet alle structuren altijd aanwezig in elk celtype
Verdeling van het genoom in verschillende cel compartimenten in eukaryoten
- DNA nucleus = chromosomen
- DNA mitochondria = mtDNA
=> genoom = collectie verschillende DNA moleculen in eukaryote cel
De buitengewone diversiteit aan cellen in het lichaam
- Grootte: 10-30 µm
- Aantal cellen: 1014
- Aantal celtypes: 200, door single cell +1000
- Gemiddelde levensduur: zeer verschillend
- Symmetrische celdeling: 2 dochtercellen met grootte en inhoud
- Asymmetrische celdeling: 2 verschillende dochtercellen
(vb. in oögenese: deling primaire oöcyt in secundaire oöcyt en poollichaampje)
Hoe eukaryote cellen evolueerden en de oorsprong van mitochondriën, de kern en het cytoskelet
Celfusie leidt tot fagocytose (cel afbreken en deel opnemen) of coöperatieve symbiose (endosymbiose =
cel blijft bestaan)
→ In evolutie: complexe anaërobe archaeon nam aërobe alfa-proteobacterium op
Archaeale en bacteriële DNA-seq bijdragen aan eukaryote genomen
o eukaryote-archaea homologen: informatie processystemen (vb. replicatie, transcriptie)
o eukaryote-bacteria homologen: operationele functies (vb. membraan componenten)
3
, De cruciale ontwikkeling van meercellige organismen is ontstaan door eenvoudige genmutaties
- verschillende cellen gespecialiseerd in uitvoeren verschillende taken -> grotere functionele
complexiteit mogelijk
- cel-cel interacties en cel-omgevingsinteracties tijdens ontwikkeling maken progressieve ontwikkeling
van celspecialisatie mogelijk, cellen samenwerken om complexe weefsels en organen te bouwen
2.2 Het aantal DNA- en chromosoomkopieën tijdens de celcyclus
Karakteristieken van DNA in somatische menselijke cel:
- 2 sets van 23 verschillende chromosomen (= 2n, diploid)
- 22 autosomale chromosomen en 1 geslachtschromosoom set
- DNA inhoud van 1 set = C (3,5 pg) -> dus in 1 cl 7 pg
- 46, XY of 46, XX
Verschillende cellen binnen een enkel individu vertonen verschillen in ploïdie
Ontstaan polyploïde somatische cellen:
- Endomitose: geen celdeling, wel verdubbelen (vb. megakaryocyten, hepatocyten)
- Celfusie: 1 grote cel vormen met verschillende nuclei = syncytium (vb. spiercellen)
Nulliploïde somatische cellen: vb. erythrocyten, bloedplaatjes, mature keratinocyten
Euploïde cel: normaal aantal chromosomen voor dat celtype
Aneuploïde cel: abnormaal aantal chromosomen voor dat celtype
Verschillen in ploïdie en DNA-gehalte tijdens de celcyclus
Celcyclus:
- G1 fase – S fase (DNA synthese) – G2 fase = interfase
- M fase (mitose + cytokinese)
- G0 fase (gemodificeerde G1 in niet-delende cellen
2.3 Celdeling en overdracht van DNA naar dochtercellen
Mitose (nucleaire divisie) en cytokinese (celdeling)
- Profase: nucleaire enveloppe afbreken, vormen spoelfiguur door 2 centrosomen, condenseren
chromosomen voor weerstand tegen DNA breuken
- Prometafase: microtubuli op centromeren (kinetochoor)
o Meestal eerst fout gebonden, mag pas delen als het correct is gebonden
Moleculaire lijm tussen gerepliceerd DNA = cohesine complex
Direct na DNA replicatie: Scc1 + Smc1 + Smc3 + Scc3 ringstructuur rond zusterchromatiden
- Metafase: zusterchromatiden op metafaseplaat
o Door fosforylatie los aan benen, primaire constrictie aan centromeer
o Spindle assembly checkpoint:
Niet correct gebonden kinetochoor geeft signaal aan mitotic checkpoint complex (MCC)
→ inhiberen anafase promoting complex/cyclosome (APC/C)
→ securin bindt op separase en inactiveert
Alle chromosomen correct vast gehecht → geen signaal meer aan MCC
→ APC/C niet langer geïnhibeerd → hangt ubiquitine aan securin → separase vrij
- Anafase: zusterchromatiden uit elkaar
o Separase knipt Scc1 = point of no return
- Late anafase: chromatiden naar spoelfiguur
- Telofase: vorming nucleaire envelop, insnoering membraan
- Cytokinese: 2 aparte cellen
4
H2: Fundamenten van cellen en chromosomen................................................................................. 3
2.1 Cel structuren en diversiteit, en cel evolutie............................................................................ 3
2.2 Het aantal DNA- en chromosoomkopieën tijdens de celcyclus................................................ 4
2.3 Celdeling en overdracht van DNA naar dochtercellen ............................................................. 4
2.4 Structuur en functie van chromosomen .................................................................................. 7
H5: Overervingspatronen ................................................................................................................. 10
5.1 Monogene versus multifactoriële overerving ........................................................................ 10
5.2 Mendeliaanse stamboom patronen ....................................................................................... 10
5.3 Mozaïcisme en nieuwe mutaties ............................................................................................ 16
5.4 Niet-mendeliaanse karakters.................................................................................................. 17
PART 2 BEGRIJPEN VAN GENOMEN....................................................................................................... 20
H6: Kern-DNA-technologieën: amplificatie van DNA, nucleïnezuurhybridisatie en DNA-sequencing
.......................................................................................................................................................... 20
6.1 Klonen van DNA in bacteriële cellen ...................................................................................... 20
6.2 Amplificatie van DNA door in vitro DNA-replicatie ................................................................ 23
6.3 Nucleïnezuurhybridisatie: principes en toepassingen............................................................ 25
6.4 Principes van DNA-sequencing en Sanger dideoxy-sequencing............................................. 27
6.5 Massaal parallelle DNA-sequencing (next-generation sequencing) ....................................... 28
H7: Analyse van de structuur en expressie van genen en genomen ................................................ 32
7.1 Analyse van de genoomstructuur en genoomprojecten ........................................................ 32
7.2 Basisanalyses van genexpressie ............................................................................................. 37
7.3 Analyses van genexpressie met hoge doorvoer ..................................................................... 38
7.4 Single-cell genomics ............................................................................................................... 39
H9: Het blootleggen van de architectuur en werking van het menselijk genoom ........................... 40
9.1 Een overzicht van het menselijk genoom ............................................................................... 40
9.2 Organisatie en distributie van genen in het menselijk genoom ............................................. 43
9.3 Heterochromatine DNA en transposon repeats ..................................................................... 46
PART 3 GENETISCHE VARIATIE TUSSEN INDIVIDUEN EN SOORTEN ...................................................... 47
H11: Een overzicht van menselijke genetische variatie .................................................................... 47
11.3 Populatiegenomica en de schaal van menselijke genetische variatie .................................. 47
11.4 Functionele genetische variatie en eiwitvariatie.................................................................. 49
PART 4 MENSELIJKE GENETISCHE ZIEKTE .............................................................................................. 51
H15: Chromosomale afwijkingen en structurele varianten .............................................................. 51
1
, 15.1 Menselijke chromosomen bestuderen................................................................................. 51
15.2 Grove chromosoomafwijkingen ........................................................................................... 54
15.3 Structurele varianten, microdeleties en microduplicaties ................................................... 58
H16: Moleculaire pathologie: fenotypes verbinden met genotypes ................................................ 60
16.1 Loss of function .................................................................................................................... 60
16.2 Gain of function .................................................................................................................... 63
16.3 Dynamische mutaties: onstabiele herhalingsexpansies ....................................................... 64
16.4 Moleculaire pathologie van mitochondriale aandoeningen ................................................ 65
H12: Menselijke populatiegenetica .................................................................................................. 66
12.1 Allelfrequenties en genotypefrequenties: de Hardy-Weinberg-relatie ................................ 66
H17: In kaart brengen en identificeren van genen voor monogene aandoeningen......................... 67
17.1 Positioneel klonen probeert ziektegenen te identificeren door ze eerst in kaart te brengen
op een precieze chromosomale locatie ....................................................................................... 67
17.3 Whole-exome en whole-genome sequencing maakt een unbiased en hypothesevrije
benadering mogelijk om de oorzaak van een monogene aandoening te identificeren .............. 70
17.4 Strategieën voor exome-gebaseerde identificatie van ziektegenen .................................... 70
17.5 Bevestigen dat het kandidaat-gen het juiste gen is .............................................................. 71
H18: Complexe ziekten: het identificeren van susceptibility factoren en het begrijpen van
pathogenese ..................................................................................................................................... 72
18.1 Onderzoek naar complexe ziekten: epidemiologische benaderingen ................................. 72
18.2 Onderzoek naar complexe ziekten met behulp van koppeling ............................................ 73
18.3 Onderzoek naar complexe ziekten met behulp van associatie ............................................ 74
2
,PART 1 BASIS VAN DNA, CHROMOSOMEN, CELLEN, ONTWIKKELING EN ERFELIJKHEID
H2: Fundamenten van cellen en chromosomen
2.1 Cel structuren en diversiteit, en cel evolutie
Prokaryoten en eukaryoten vertegenwoordigen een fundamentele verdeling van cellulaire levensvormen
- Plasmamembraan: dubbele fosfolipidenlaag; protectie voor cel; selectief permeabel
- Cytosol: waterige component van cytoplasma; proteïne synthese en metabole activiteit
- Cytoskelet: celstabiliteit, beweging, intracellulair transport, communicatie
o Microfilamenten (actine): celcortex = cytoskelet onder plasmamembraan, rijk aan actine-
filamenten, mechanische ondersteuning -> verandering in celvorm (endocytose) en celbeweging
(filopodia en lamellipodia)
o Microtubules (tubuline): meer rigide structuur, bouwsteen van centrosomen en mitotische
spoelfiguur en cilia (beweging; primair cilium = sensor) en flagella
o Intermediaire filamenten
- Endoplasmatisch reticulum: opslag Ca2+, synthese/vouwing/modificatie van proteïnen en lipiden,
glycosylering start
- Golgi complex: glycoproteïnen uit ER verder modificeren, scheiden celproducten uit, helpen
plasmamembraan en membraan van lysosomen vormen
- Lysosomen: hydrolytische enzymen voor vertering via fagocytose (vast) of pinocytose (vloeistoffen),
degradatie van cel-componenten na celdood
- Peroxisomen: enzymen die substraten oxideren en waterperoxide genereren
- Nucleus: nuclear envelope (2 membranen, buitenste ribosomen), pores (proteïne complexen als
transporteurs tussen nucleus en cytoplasma), lamina (intermediaire filamenten en proteïnen), matrix
(proteïne netwerk voor vasthechting chromosomen)
- Mitochondria: 2 membranen, oxidatieve fosforylatie (ATP productie)
Niet alle structuren altijd aanwezig in elk celtype
Verdeling van het genoom in verschillende cel compartimenten in eukaryoten
- DNA nucleus = chromosomen
- DNA mitochondria = mtDNA
=> genoom = collectie verschillende DNA moleculen in eukaryote cel
De buitengewone diversiteit aan cellen in het lichaam
- Grootte: 10-30 µm
- Aantal cellen: 1014
- Aantal celtypes: 200, door single cell +1000
- Gemiddelde levensduur: zeer verschillend
- Symmetrische celdeling: 2 dochtercellen met grootte en inhoud
- Asymmetrische celdeling: 2 verschillende dochtercellen
(vb. in oögenese: deling primaire oöcyt in secundaire oöcyt en poollichaampje)
Hoe eukaryote cellen evolueerden en de oorsprong van mitochondriën, de kern en het cytoskelet
Celfusie leidt tot fagocytose (cel afbreken en deel opnemen) of coöperatieve symbiose (endosymbiose =
cel blijft bestaan)
→ In evolutie: complexe anaërobe archaeon nam aërobe alfa-proteobacterium op
Archaeale en bacteriële DNA-seq bijdragen aan eukaryote genomen
o eukaryote-archaea homologen: informatie processystemen (vb. replicatie, transcriptie)
o eukaryote-bacteria homologen: operationele functies (vb. membraan componenten)
3
, De cruciale ontwikkeling van meercellige organismen is ontstaan door eenvoudige genmutaties
- verschillende cellen gespecialiseerd in uitvoeren verschillende taken -> grotere functionele
complexiteit mogelijk
- cel-cel interacties en cel-omgevingsinteracties tijdens ontwikkeling maken progressieve ontwikkeling
van celspecialisatie mogelijk, cellen samenwerken om complexe weefsels en organen te bouwen
2.2 Het aantal DNA- en chromosoomkopieën tijdens de celcyclus
Karakteristieken van DNA in somatische menselijke cel:
- 2 sets van 23 verschillende chromosomen (= 2n, diploid)
- 22 autosomale chromosomen en 1 geslachtschromosoom set
- DNA inhoud van 1 set = C (3,5 pg) -> dus in 1 cl 7 pg
- 46, XY of 46, XX
Verschillende cellen binnen een enkel individu vertonen verschillen in ploïdie
Ontstaan polyploïde somatische cellen:
- Endomitose: geen celdeling, wel verdubbelen (vb. megakaryocyten, hepatocyten)
- Celfusie: 1 grote cel vormen met verschillende nuclei = syncytium (vb. spiercellen)
Nulliploïde somatische cellen: vb. erythrocyten, bloedplaatjes, mature keratinocyten
Euploïde cel: normaal aantal chromosomen voor dat celtype
Aneuploïde cel: abnormaal aantal chromosomen voor dat celtype
Verschillen in ploïdie en DNA-gehalte tijdens de celcyclus
Celcyclus:
- G1 fase – S fase (DNA synthese) – G2 fase = interfase
- M fase (mitose + cytokinese)
- G0 fase (gemodificeerde G1 in niet-delende cellen
2.3 Celdeling en overdracht van DNA naar dochtercellen
Mitose (nucleaire divisie) en cytokinese (celdeling)
- Profase: nucleaire enveloppe afbreken, vormen spoelfiguur door 2 centrosomen, condenseren
chromosomen voor weerstand tegen DNA breuken
- Prometafase: microtubuli op centromeren (kinetochoor)
o Meestal eerst fout gebonden, mag pas delen als het correct is gebonden
Moleculaire lijm tussen gerepliceerd DNA = cohesine complex
Direct na DNA replicatie: Scc1 + Smc1 + Smc3 + Scc3 ringstructuur rond zusterchromatiden
- Metafase: zusterchromatiden op metafaseplaat
o Door fosforylatie los aan benen, primaire constrictie aan centromeer
o Spindle assembly checkpoint:
Niet correct gebonden kinetochoor geeft signaal aan mitotic checkpoint complex (MCC)
→ inhiberen anafase promoting complex/cyclosome (APC/C)
→ securin bindt op separase en inactiveert
Alle chromosomen correct vast gehecht → geen signaal meer aan MCC
→ APC/C niet langer geïnhibeerd → hangt ubiquitine aan securin → separase vrij
- Anafase: zusterchromatiden uit elkaar
o Separase knipt Scc1 = point of no return
- Late anafase: chromatiden naar spoelfiguur
- Telofase: vorming nucleaire envelop, insnoering membraan
- Cytokinese: 2 aparte cellen
4
