Hoofdstuk 2: Fundamenten van cellen en chromosomen
1. Celstructuur, diversiteit en cel evolutie
Celproliferatie: omvat afwisselende rondes van celdeling en celgroei
- Symmetrische celdeling: dochtercellen zijn gelijkaardig aan elkaar en aan moedercel
- Asymmetrische celdeling: dochtercellen zijn verschillend op basis van grootte/functie
- Balans celproliferatie en celdood stabiel celaantal
- Postmitotische cellen: bv. neuronen, die delen niet
Prokaryoten: bacteriën en archaea (die leven in extreme omstandigheden (zuur, hitte, kou))
Eukaryoten: fungi (1/meercellig), planten (1/meercellig), dieren (1/meercellig)
Verschillen eukaryoten en prokaryoten:
- Plasmamembraan: dubbele laag fosfolipiden, protectie cel en selectief permeabel
- Cytosol: waterige component cytoplasma, proteïne synthese en metabole activiteit
- Cytoskelet: celstabiliteit, celvorm, celbeweging, intracellulair transport, communic.
- Microfilamenten: actine polymeer, het cytoskelet onder plasmamembraan is
de celcortex mechanische ondersteuning en kan snel
opnieuw gemodelleerd worden waardoor er
gecontroleerde verandering in de celvorm mogelijk zijn
- Microtubuli: tubuline polymeer, meer rigide structuur dan actine filamenten,
belangrijke bouwsteen van centrosomen en de mitotische
spoelfiguur, cilia en flagella
- Intermediaire filamenten: bv. keratine in epitheliale cellen
- Cilia: van microtubuli, voor beweging, primair cilium bevat receptormoleculen en
fungeren als sensor voor de micro-omgeving van de cel
- ER: opslagplaats van Ca2+, synthese/vouwing/modificatie van proteïnen en lipiden
bestemd voor het celmembraan of voor secretie, glycosylering start in ER
- Golgi: glycoproteïnen van ER worden verder gemodificeerd, scheiden celproducten
uit naar buitenkant en helpen plasmamembraan en membranen van
lysosomen te vormen
- Lysosomen: vesikel met hydrolytische enzymen die materialen verteren die door
fagocytose of pinocytose in de cel worden gebracht, helpen bij
degradatie van cel-componenten na celdood
- Peroxisomen: vesikel met enzymen die substraten oxideren en waterstofperoxide
generen
- Nucleus: nucleaire enveloppe en buitenste membraan bevat ribosomen, nucleaire
poriën hebben proteïne complexen die fungeren als transporteurs van
macromoleculen tussen nucleus en cytoplasma, nucleaire lamina bestaat uit
intermediaire filamenten en geassocieerde proteïnen, nucleaire matrix is
een proteïne netwerk waar chromosomen aan vastgehecht kunnen worden
- Nucleolus: bevatten ribosomale RNA genen, komen daar tot transcriptie
- Mitochondria: 2 membranen en plaats van oxidatieve fosforylering en ATP productie
1
,DNA in nucleus: de chromosomen
- Buitenkant nucleus in continuïteit met ER, langs buitenkant ribosomen opzetten
- Nucleaire lamina: stabiliteit van nucleus en organiseert het chromatine (DNA)
interactie met nucleopoor complexen
- Nucleaire envelop proteïnen binden met chromatine geassocieerde proteïnen
chromatine gaan organiseren
- Transcriptiefactoren: belangrijk voor genexpressie
mtDNA: circulair DNA moleculen interageren met core proteïnen TFAM mitochondriën
hebben eigen vertaalsysteem, maar geen scheiding binnen mitochondriën tussen
transcriptie en translatie (mitochondriën kunnen fuseren en splitsen buisjes)
Genoom: collectie van verschillende DNA moleculen in eukaryote cel nucleair en mt DNA
Extra’s:
- Gemiddelde grootte: 10-30 µm
- Aantal cellen: 1014
- Gemiddelde levensduur: 7-10 jaar (sterk afhankelijk)
- Aantal celtypes: niet gekend (nu 200)
Ontstaan eukaryote cel:
- Celfusie: 1 cel neemt andere cel op
- Fagocytose: opgenomen cel wordt afgebroken en ondergaat celdood
- Endosymbiose: opgenomen cel blijft bestaan, een endosymbiont rol in ontstaan
eukaryote cellen
- Eukaryote-archaea homologen: informatie-processystemen (translatie/transcriptie)
- Eukaryote-bacteria homologen: operationele functies
- Begin: oerarcheon heeft bacterie opgenomen door soort fagocytose waar er
horizontale gentransfer is gebeurd stukjes bacterie DNA wordt
geïncorporeerd in archeon = horizontale gentransfer genoom wordt
complexer en bv. interne membraanstructuur kan ontwikkelen
- Archeon heeft dan aërobe bacterie opgenomen endosymbiose en bacterie bleef
bestaan en had ook eigen vertaalsysteem die waren voorloper van onze
mitochondriën (bij planten: chloroplasten)
Ontstaan multicellulaire organismen:
- Cruciale ontwikkeling van multicellulaire organismen kan zijn ontstaan door
eenvoudige genmutaties
- Eenvoudige manier: door mutatie in 1 gen kan dat al
- Verschillende cellen in meercellig organisme kunnen gespecialiseerd worden in
uitvoeren van verschillende functies grote functionele complexiteit mogelijk
- Cel-cel interacties + cel-omgeving interacties: zorgen voor progressieve ontwikkeling
van celspecialisatie cellen werken samen om complexe weefsels en
organen te bouwen
2
,2. DNA en chromosoom kopie nummer tijdens de celcyclus
Karakteristieke DNA in somatische menselijke cel:
- 2 sets van 23 verschillende chromosomen (2n = n + n)
- 22 autosomale en 1 geslachtschromosoom (1n)
- DNA inhoud 1n = C (+- 3,5 pg (3,4 x 10-12g)) geen relatie tussen C en complexiteit)
- Man: 46 XY Vrouw: 46 XX
Ontstaan polyploïde somatische cellen:
- Endomitose: DNA verdubbeld, er is een kerndeling, maar geen celdeling
bv. megakaryocyten: beenmergcellen (tot bv. 64n) meerdere kernen
- Celfusie: cellen fusioneren cytoplasma met meer afzonderlijke kernen, syncytium
Nulliploïde somatische cellen:
- Bv. erythrocyten, bloedplaatjes, mature keratinocyten (geen kern)
- Euploïde cel: bevat normaal aantal chromosomen voor dat celtype
- Aneuploïde cel: bevat abnormaal aantal chromosomen voor dat celtype
Celcyclus:
- G1-fase: cel kan meeste van haar functies doen, neuronen gaan bv. niet uit die fase
- S-fase: verdubbeling DNA we krijgen 2 zusterchromatiden en aan elkaar hangen
nog altijd 2n chromosomen, maar wel verdubbeling qua gewicht (4C)
- G2-fase: nakijken
- M-fase: mitotische celdeling in profase nog altijd 2n en 4C, maar vanaf anafase
gaan zusterchromatiden uit elkaar en spreken we van 4n en 4C door
onafhankelijke chromosomen celdeling en vorming van 2 dochtercellen
en terug 2n en 2C per cel
3. Celdeling en transmissie van DNA naar dochtercellen
Mitose: nucleaire divisie
- Profase: - Centrosomen zijn verdubbeld tijdens S-fase en gaan nu elk naar een pool
- Condensering van chromosomen voor weerstand tegen DNA breuken
- Afbraak kernmembraan en vorming spoelfiguren
- Metafase: correcte binding MT aan kinetochoren van centrosomen, metafaseplaat
- Anafase: chromosomen gaan uit elkaar naar eigen pool
- Telofase: vorming kernmembraan en decondensatie van chromosomen
- Cytokinese: effectieve celdeling, verdeling cytoplasma
Veel kans op fouten: bv. in prometafase door foute binding kinetochoor aan centrosomen
zusterchromosomen moeten dus vastgehecht worden tot MT
correct gebonden zijn (bv. maar 1 vast, of beiden naar zelfde kant, …)
3
, Moleculaire lijm tussen gerepliceerd DNA = cohesine complex:
- Ring opzetten: 3 proteïnen die hoefijzerstructuur vormen (tijdens profase)
- Metafase: moleculaire lijm wordt verwijderd ter hoogte van moleculaire armen door
fosforylatie, maar niet bij centromeren tot alle chromosomen correct
zijn vastgehecht aan spoelfiguur
- Anafase: activatie separase Smc1 wordt doorgeknipt, ringstructuur open en
zusterchromatiden migreren naar tegengestelde pool (point of no return)
Spindle assembly checkpoint:
- Slechte aanhechting: signaal aan kinetochoor door vorming van MCC inhibitor van
APC/C, complex dat polyubiquitinatie activiteit heeft
- Alle chromosomen correct vastgehecht geen vorming MCC geen inhibitie van
APC/C er is polyubiquitinering activiteit op Securin Securin wordt afgebroken
en er is separase activiteit zusterchromatiden uit elkaar en lijm lost op
Meiose: ‘to reduce’
- Chromosomen worden 1 keer gerepliceerd en 2 keer gedeeld 2n naar 1n gameten
- Meiose I: reductie vedeling verdeling van de homologe autosomen (cruciaal voor
correcte chromosoomaggregatie en genetische variatie) en verdeling van de
seks chromosomen
- Meiose II: equationele verdeling verdeling van de zusterchromatiden (~ mitosis)
Meiose:
- Premeiotische S-fase: chromosoom 1 van moeder en vader DNA replicatie
zusterchromatiden met ertussen de rode bolletjes, soort cohesinecomplex/
ringstructuur houdt zusterchromatiden samen
- Profase I: homologe recombinatie connecties tussen maternaal en paternaal
genetische cross-over connecties zorgen dat homologe chromo-
somen samengehouden worden door cohesinecomplexen chiasma
- Metafase I: maternaal en paternale chromosoom naar tegengestelde polen
getrokken vanuit de 2 zusterkinetochoren van moeder en die van vader
moleculaire lijm moet opgelost worden
1e meiotische deling: moleculaire lijm lost op aan chromosoomarmen, niet aan de
centromeren, want die houden de zusterkinetochoren nog samen
homologe chromosomen naar tegenovergestelde polen
Cohesines afgebroken door separase (ringstructuur open)
2e meiotische deling: zusterkinetochoren naar tegengestelde polen getrokken
cohesines afgebroken ter hoogte van centromeren
Meer homologe recombinatie bij vrouw (90 chiasmata) dan bij man (55 chiasmata)
genetische mappen bij vrouw zijn langer dan genetische mappen bij man
4
1. Celstructuur, diversiteit en cel evolutie
Celproliferatie: omvat afwisselende rondes van celdeling en celgroei
- Symmetrische celdeling: dochtercellen zijn gelijkaardig aan elkaar en aan moedercel
- Asymmetrische celdeling: dochtercellen zijn verschillend op basis van grootte/functie
- Balans celproliferatie en celdood stabiel celaantal
- Postmitotische cellen: bv. neuronen, die delen niet
Prokaryoten: bacteriën en archaea (die leven in extreme omstandigheden (zuur, hitte, kou))
Eukaryoten: fungi (1/meercellig), planten (1/meercellig), dieren (1/meercellig)
Verschillen eukaryoten en prokaryoten:
- Plasmamembraan: dubbele laag fosfolipiden, protectie cel en selectief permeabel
- Cytosol: waterige component cytoplasma, proteïne synthese en metabole activiteit
- Cytoskelet: celstabiliteit, celvorm, celbeweging, intracellulair transport, communic.
- Microfilamenten: actine polymeer, het cytoskelet onder plasmamembraan is
de celcortex mechanische ondersteuning en kan snel
opnieuw gemodelleerd worden waardoor er
gecontroleerde verandering in de celvorm mogelijk zijn
- Microtubuli: tubuline polymeer, meer rigide structuur dan actine filamenten,
belangrijke bouwsteen van centrosomen en de mitotische
spoelfiguur, cilia en flagella
- Intermediaire filamenten: bv. keratine in epitheliale cellen
- Cilia: van microtubuli, voor beweging, primair cilium bevat receptormoleculen en
fungeren als sensor voor de micro-omgeving van de cel
- ER: opslagplaats van Ca2+, synthese/vouwing/modificatie van proteïnen en lipiden
bestemd voor het celmembraan of voor secretie, glycosylering start in ER
- Golgi: glycoproteïnen van ER worden verder gemodificeerd, scheiden celproducten
uit naar buitenkant en helpen plasmamembraan en membranen van
lysosomen te vormen
- Lysosomen: vesikel met hydrolytische enzymen die materialen verteren die door
fagocytose of pinocytose in de cel worden gebracht, helpen bij
degradatie van cel-componenten na celdood
- Peroxisomen: vesikel met enzymen die substraten oxideren en waterstofperoxide
generen
- Nucleus: nucleaire enveloppe en buitenste membraan bevat ribosomen, nucleaire
poriën hebben proteïne complexen die fungeren als transporteurs van
macromoleculen tussen nucleus en cytoplasma, nucleaire lamina bestaat uit
intermediaire filamenten en geassocieerde proteïnen, nucleaire matrix is
een proteïne netwerk waar chromosomen aan vastgehecht kunnen worden
- Nucleolus: bevatten ribosomale RNA genen, komen daar tot transcriptie
- Mitochondria: 2 membranen en plaats van oxidatieve fosforylering en ATP productie
1
,DNA in nucleus: de chromosomen
- Buitenkant nucleus in continuïteit met ER, langs buitenkant ribosomen opzetten
- Nucleaire lamina: stabiliteit van nucleus en organiseert het chromatine (DNA)
interactie met nucleopoor complexen
- Nucleaire envelop proteïnen binden met chromatine geassocieerde proteïnen
chromatine gaan organiseren
- Transcriptiefactoren: belangrijk voor genexpressie
mtDNA: circulair DNA moleculen interageren met core proteïnen TFAM mitochondriën
hebben eigen vertaalsysteem, maar geen scheiding binnen mitochondriën tussen
transcriptie en translatie (mitochondriën kunnen fuseren en splitsen buisjes)
Genoom: collectie van verschillende DNA moleculen in eukaryote cel nucleair en mt DNA
Extra’s:
- Gemiddelde grootte: 10-30 µm
- Aantal cellen: 1014
- Gemiddelde levensduur: 7-10 jaar (sterk afhankelijk)
- Aantal celtypes: niet gekend (nu 200)
Ontstaan eukaryote cel:
- Celfusie: 1 cel neemt andere cel op
- Fagocytose: opgenomen cel wordt afgebroken en ondergaat celdood
- Endosymbiose: opgenomen cel blijft bestaan, een endosymbiont rol in ontstaan
eukaryote cellen
- Eukaryote-archaea homologen: informatie-processystemen (translatie/transcriptie)
- Eukaryote-bacteria homologen: operationele functies
- Begin: oerarcheon heeft bacterie opgenomen door soort fagocytose waar er
horizontale gentransfer is gebeurd stukjes bacterie DNA wordt
geïncorporeerd in archeon = horizontale gentransfer genoom wordt
complexer en bv. interne membraanstructuur kan ontwikkelen
- Archeon heeft dan aërobe bacterie opgenomen endosymbiose en bacterie bleef
bestaan en had ook eigen vertaalsysteem die waren voorloper van onze
mitochondriën (bij planten: chloroplasten)
Ontstaan multicellulaire organismen:
- Cruciale ontwikkeling van multicellulaire organismen kan zijn ontstaan door
eenvoudige genmutaties
- Eenvoudige manier: door mutatie in 1 gen kan dat al
- Verschillende cellen in meercellig organisme kunnen gespecialiseerd worden in
uitvoeren van verschillende functies grote functionele complexiteit mogelijk
- Cel-cel interacties + cel-omgeving interacties: zorgen voor progressieve ontwikkeling
van celspecialisatie cellen werken samen om complexe weefsels en
organen te bouwen
2
,2. DNA en chromosoom kopie nummer tijdens de celcyclus
Karakteristieke DNA in somatische menselijke cel:
- 2 sets van 23 verschillende chromosomen (2n = n + n)
- 22 autosomale en 1 geslachtschromosoom (1n)
- DNA inhoud 1n = C (+- 3,5 pg (3,4 x 10-12g)) geen relatie tussen C en complexiteit)
- Man: 46 XY Vrouw: 46 XX
Ontstaan polyploïde somatische cellen:
- Endomitose: DNA verdubbeld, er is een kerndeling, maar geen celdeling
bv. megakaryocyten: beenmergcellen (tot bv. 64n) meerdere kernen
- Celfusie: cellen fusioneren cytoplasma met meer afzonderlijke kernen, syncytium
Nulliploïde somatische cellen:
- Bv. erythrocyten, bloedplaatjes, mature keratinocyten (geen kern)
- Euploïde cel: bevat normaal aantal chromosomen voor dat celtype
- Aneuploïde cel: bevat abnormaal aantal chromosomen voor dat celtype
Celcyclus:
- G1-fase: cel kan meeste van haar functies doen, neuronen gaan bv. niet uit die fase
- S-fase: verdubbeling DNA we krijgen 2 zusterchromatiden en aan elkaar hangen
nog altijd 2n chromosomen, maar wel verdubbeling qua gewicht (4C)
- G2-fase: nakijken
- M-fase: mitotische celdeling in profase nog altijd 2n en 4C, maar vanaf anafase
gaan zusterchromatiden uit elkaar en spreken we van 4n en 4C door
onafhankelijke chromosomen celdeling en vorming van 2 dochtercellen
en terug 2n en 2C per cel
3. Celdeling en transmissie van DNA naar dochtercellen
Mitose: nucleaire divisie
- Profase: - Centrosomen zijn verdubbeld tijdens S-fase en gaan nu elk naar een pool
- Condensering van chromosomen voor weerstand tegen DNA breuken
- Afbraak kernmembraan en vorming spoelfiguren
- Metafase: correcte binding MT aan kinetochoren van centrosomen, metafaseplaat
- Anafase: chromosomen gaan uit elkaar naar eigen pool
- Telofase: vorming kernmembraan en decondensatie van chromosomen
- Cytokinese: effectieve celdeling, verdeling cytoplasma
Veel kans op fouten: bv. in prometafase door foute binding kinetochoor aan centrosomen
zusterchromosomen moeten dus vastgehecht worden tot MT
correct gebonden zijn (bv. maar 1 vast, of beiden naar zelfde kant, …)
3
, Moleculaire lijm tussen gerepliceerd DNA = cohesine complex:
- Ring opzetten: 3 proteïnen die hoefijzerstructuur vormen (tijdens profase)
- Metafase: moleculaire lijm wordt verwijderd ter hoogte van moleculaire armen door
fosforylatie, maar niet bij centromeren tot alle chromosomen correct
zijn vastgehecht aan spoelfiguur
- Anafase: activatie separase Smc1 wordt doorgeknipt, ringstructuur open en
zusterchromatiden migreren naar tegengestelde pool (point of no return)
Spindle assembly checkpoint:
- Slechte aanhechting: signaal aan kinetochoor door vorming van MCC inhibitor van
APC/C, complex dat polyubiquitinatie activiteit heeft
- Alle chromosomen correct vastgehecht geen vorming MCC geen inhibitie van
APC/C er is polyubiquitinering activiteit op Securin Securin wordt afgebroken
en er is separase activiteit zusterchromatiden uit elkaar en lijm lost op
Meiose: ‘to reduce’
- Chromosomen worden 1 keer gerepliceerd en 2 keer gedeeld 2n naar 1n gameten
- Meiose I: reductie vedeling verdeling van de homologe autosomen (cruciaal voor
correcte chromosoomaggregatie en genetische variatie) en verdeling van de
seks chromosomen
- Meiose II: equationele verdeling verdeling van de zusterchromatiden (~ mitosis)
Meiose:
- Premeiotische S-fase: chromosoom 1 van moeder en vader DNA replicatie
zusterchromatiden met ertussen de rode bolletjes, soort cohesinecomplex/
ringstructuur houdt zusterchromatiden samen
- Profase I: homologe recombinatie connecties tussen maternaal en paternaal
genetische cross-over connecties zorgen dat homologe chromo-
somen samengehouden worden door cohesinecomplexen chiasma
- Metafase I: maternaal en paternale chromosoom naar tegengestelde polen
getrokken vanuit de 2 zusterkinetochoren van moeder en die van vader
moleculaire lijm moet opgelost worden
1e meiotische deling: moleculaire lijm lost op aan chromosoomarmen, niet aan de
centromeren, want die houden de zusterkinetochoren nog samen
homologe chromosomen naar tegenovergestelde polen
Cohesines afgebroken door separase (ringstructuur open)
2e meiotische deling: zusterkinetochoren naar tegengestelde polen getrokken
cohesines afgebroken ter hoogte van centromeren
Meer homologe recombinatie bij vrouw (90 chiasmata) dan bij man (55 chiasmata)
genetische mappen bij vrouw zijn langer dan genetische mappen bij man
4
