Moleculaire genetica I
H1 Celdeling chromosomen en chromosoomafwijkingen
! Fundamentele functie van DNA is replicatie & transcriptie
DNA functioneert in een context:
De immens lange DNA-moleculen in de nucleus zijn verbonden met een reeks structurele en regulatorische
eiwitten
Genomisch DNA gestructureerd in lineaire chromosomen
DNA-moleculen in de mitochondriën zijn verschillend:
▪ Relatief kort en circulair
▪ Relatief weinig eiwitten aan gebonden
Twee types celdeling:
1. Mitose: voor de vorming van genetisch identieke dochtercellen
2. Meiose: treedt op gedurende de vorming van de geslachtscellen
Een belangrijk aspect bij beide vormen van celdeling is het belang van chromosoom condensatie
Beschermd lange kwetsbare DNA tegen breuken gedurende de drastische herschikkingen die optreden
tijdens de celdeling
Effect op de genexpressie
1.1 Ploïdie en de celcyclus Ploïdie = aantal kopieën v/d
chromosoom set, n
De chromosoom en DNA-inhoud v/e cel worden gedefinieerd door:
1. Chromosoom set (n) = aantal verschillende chromosomen in de celkern
2. DNA-content (C) = de met n geassocieerde hoeveelheid DNA
Somatische cellen zijn diploïd → hebben twee sets chromosomen (2n en 2C)
Geslachtscellen/gameten zijn haploïd → hebben 1 set chromosomen (1n)
UITZONDERINGEN op diploïde somatische cellen:
Nulliploïd: sommige cellen verliezen hun celkern, vb. erythrocyten en bloedplaatsjes
Polyploïde cellen: bevatten meerdere kernen → worden op 2 manieren gevormd:
1. Endomitose: verschillende rondes van DNA-replicatie ZONDER celdeling
2. Cel fusie, vb.: skeletspierweefsel cellen kunnen erg lang worden en bevatten vele
diploïde nuclei
Somatische cellen en de geslachtslijn
Alle diploïde lichaamscellen zijn afkomstig van één enkele diploïde cel, de zygote, door
opeenvolgende rondes van mitose
Tijdens de embryogenese migreren een kleine subgroep van diploïde cellen naar de gonaden en
vormen de geslachtslijn of germline
Hieruit ontstaan gespecialiseerde diploïde cellen in de testikels en de eierstokken (gonaden), die
via meiose haploïde geslachtscellen aanmaken, de gameten
Bij de mens bevat elke gameet 22 autosomen en 1 geslachtschromosoom (n = 23) → DUS na fertilisatie
bekomt men 46,XY of 46,XX zygoten
1
,Celcyclus
Cellen doorlopen een cyclus met als eindresultaat twee identieke dochtercellen
! LET OP: eens een cel ingezet is om te delen MOET deze delen + delen gaat ENKEL als de omstandigheden gunstig
zijn
Celcyclus wordt onderverdeeld in 4 fasen:
1. M-fase = mitose fase → korte fase
2. G1-fase = periode tussen mitose en de initiatie van nucleaire transcriptie (gap-fase)
3. S-fase = periode van nucleair DNA replicatie (synthese fase)
4. G2-fase = periode tussen het beëindigen v/d nucleaire
DNA replicatie en de mitose
De normale en langste fase v/e cel is de G1 fase (OF G0 voor
niet-delende cellen)
1.2 Celdeling en de transmissie van DNA naar dochtercellen
Mitose & meiose zijn de twee vormen van celdeling
Mitose
Functies
▪ Vorming van genetisch identieke dochtercellen (UITZONDERING: replicatiefouten), 2n → 2n
o Noodzakelijk tijdens de ontwikkeling v/e diploïde zygote naar embryo tot volwassene
▪ Meeste cellen hebben een beperkte levensduur → moeten voortdurend hernieuwd worden
▪ Wondheling: cellen moeten ook vernieuwd worden
Constant nodig DUS continue proces
Interfase
▪ Nucleaire envelop intact
▪ Chromosomen NIET zichtbaar
Profase
▪ Chromosomen condenseren → worden zichtbaar
▪ Bipolaire spoelfiguur wordt gevormd
Prometafase
▪ Kern envelop lost op
▪ Chromosomen migreren naar equatoriaal vlak
▪ Chromosomen zichtbaar met 2 chromatiden
Metafase
▪ Chromosomen zijn volledig gecondenseerd en liggen in metafase vlak
In deze fase wordt er vaak naar chromosomen gekeken → soms ook in prometafase omdat ze dan ook al voldoende
gecondenseerd zijn
2
,Anafase
▪ Elke centromeer splitst
▪ De 2 chromatiden van elke chromosoom worden uit elkaar getrokken naar de 2 polen
doordat de microtubuli v/d spoelfiguur zich hebben vastgehecht aan de kinetochoren
Telofase
▪ Chromosomen bereiken de polen en decondenseren
▪ Nucleaire membraan vormt zich terug
▪ Cytoplasma begint te delen
Cytokinese
▪ Cytoplasma wordt volledig gedeeld
Meiose
Functies
▪ Vorming van gameten, 2n → n
Werking
▪ Diploïde primordiale geslachtscellen migreren naar de embryonale gonaden en ondergaan verschillende
rondes van mitose met de vorming van talrijke onrijpe oögonia & spermatogonia
▪ Na verdere mitotische delingen, groei en differentiatie vormen zich de primaire oöcyten in de eierstokken
en primaire spermatocyten in de testikels
▪ De diploïde spermatocyten en oocyten ondergaan vervolgens meiose
▪ Meiose is een reductieve celdeling die leidt tot vorming van haploïde gameten
o Twee opeenvolgende celdelingen: meiosis I en II
o Slechts eenmaal DNA-replicatie in meiosis I
o Geeft 4 haploïde cellen
Verschil tussen mannen en vrouwen
Vrouwen:
▪ Oögenese is een discontinu proces → start tijdens de
embryogenese en volstrekt zich na de pubertijd
▪ Primaire oöcyten starten de meiose I in het embryonale stadium
o Houden halt in de profase I tot aan de puberteit of later
o Na de puberteit volbrengt één oöcyt de meiose elke
maand
Mannen:
▪ Spermatogenese is een continu proces → start bij de puberteit
▪ Spermacellen worden vanaf de puberteit in gigantische aantallen continu geproduceerd
! LET OP: bij eicelproductie kan slechts 1 eicel matureren → bij elke deling wordt 1 v/d 2 afgedood DUS anders dan
bij mannelijke gametogenesis
Mitose VS meiose
Twee belangrijkste verschillen:
De producten van een mitose zijn diploïd, die van een meiose haploïd
De producten van een mitose zijn ‘genetisch identiek’, die van een meiose zijn genetisch verschillend
3
, Onafhankelijke segregatie
De segregatie van maternale en paternale chromosomen gebeurd onafhankelijk
Welk chromosoom van maternale (roze) of paternale (blauw) oorsprong v/d 23 in anafase I naar welke pool
wordt getrokken gebeurd volledig at random of onafhankelijk (= onafhankelijke segregatie)
DUS: er zijn 223 of 8,388,608 mogelijke combinaties van parentele chromosomen
Hierbij wordt dan nog geen rekening gehouden met recombinatie
Recombinatie
De chromosomen maken contact in de profase I tijdens de synapsis → GEVOLG: kunnen random
segmenten uitwisselen d.m.v. recombinatie
De twee homologen zijn verbonden via specifieke connecties of chiasmata die een punt van cross-
over markeren
Er zijn gemiddeld 50 chiasmata per cel in de mannelijke meiose, en tot 50% meer in de
vrouwelijke meiose
De chiasmata zijn eveneens verantwoordelijk voor het correct paren v/d homologe chromosomen
gedurende meiose I: ze houden het maternale en paternale chromosoom samen tot aan de anafase I
Hun rol is analoog aan die van de centromeren in de mitose of in de meiose II
! LET OP: gemiddeld 1 cross-over per chromosoomarm
X-Y paring en de pseudoautosomale regio’s
PROBLEEM: X en Y zijn helemaal niet homoloog dus moeilijker om een paar te vormen
OPLOSSING: op het uiteinde van de korte armen (p-armen) van X en Y is een regio die wél homoloog is =
pseudoautosomale regio, 2.6 Mb regio → hier treedt ALTIJD één obligate recombinatie op
Genen moeten genetisch in balans zijn MAAR vrouwen hebben 2x X DUS genetisch niet in balans met de man → X-
chromosoom inactivatie
Genen in deze terminale homologie regio's hebben bijzondere eigenschappen:
Ze komen voor als homologe kopieën op het X- en het Y-chromosoom
Ze zijn niet onderhevig aan X-inactivatie (lyonisatie)
Door de crossing-over segregeren ze als autosomale allelen i.p.v. als geslachtsgebonden allelen
o Vandaar de naam pseudo-autosomale regio’s
Mitochondriale DNA-replicatie en segregatie
Voorafgaand aan de celdeling treedt mitochondriale DNA (mtDNA) replicatie op
MtDNA moleculen repliceren → worden verdeeld (segregeren) over de dochter mitochondria →
die segregeren vervolgens in de dochtercellen
De replicatie van mtDNA moleculen is niet direct gelinkt aan de celcyclus
De mtDNA moleculen moeten toenemen in aantal zonder dat elke mtDNA molecule per se
moet repliceren
Sommige mtDNA moleculen kunnen niet repliceren terwijl andere meerdere keren kunnen
repliceren
DUS: oneven replicatie
4
H1 Celdeling chromosomen en chromosoomafwijkingen
! Fundamentele functie van DNA is replicatie & transcriptie
DNA functioneert in een context:
De immens lange DNA-moleculen in de nucleus zijn verbonden met een reeks structurele en regulatorische
eiwitten
Genomisch DNA gestructureerd in lineaire chromosomen
DNA-moleculen in de mitochondriën zijn verschillend:
▪ Relatief kort en circulair
▪ Relatief weinig eiwitten aan gebonden
Twee types celdeling:
1. Mitose: voor de vorming van genetisch identieke dochtercellen
2. Meiose: treedt op gedurende de vorming van de geslachtscellen
Een belangrijk aspect bij beide vormen van celdeling is het belang van chromosoom condensatie
Beschermd lange kwetsbare DNA tegen breuken gedurende de drastische herschikkingen die optreden
tijdens de celdeling
Effect op de genexpressie
1.1 Ploïdie en de celcyclus Ploïdie = aantal kopieën v/d
chromosoom set, n
De chromosoom en DNA-inhoud v/e cel worden gedefinieerd door:
1. Chromosoom set (n) = aantal verschillende chromosomen in de celkern
2. DNA-content (C) = de met n geassocieerde hoeveelheid DNA
Somatische cellen zijn diploïd → hebben twee sets chromosomen (2n en 2C)
Geslachtscellen/gameten zijn haploïd → hebben 1 set chromosomen (1n)
UITZONDERINGEN op diploïde somatische cellen:
Nulliploïd: sommige cellen verliezen hun celkern, vb. erythrocyten en bloedplaatsjes
Polyploïde cellen: bevatten meerdere kernen → worden op 2 manieren gevormd:
1. Endomitose: verschillende rondes van DNA-replicatie ZONDER celdeling
2. Cel fusie, vb.: skeletspierweefsel cellen kunnen erg lang worden en bevatten vele
diploïde nuclei
Somatische cellen en de geslachtslijn
Alle diploïde lichaamscellen zijn afkomstig van één enkele diploïde cel, de zygote, door
opeenvolgende rondes van mitose
Tijdens de embryogenese migreren een kleine subgroep van diploïde cellen naar de gonaden en
vormen de geslachtslijn of germline
Hieruit ontstaan gespecialiseerde diploïde cellen in de testikels en de eierstokken (gonaden), die
via meiose haploïde geslachtscellen aanmaken, de gameten
Bij de mens bevat elke gameet 22 autosomen en 1 geslachtschromosoom (n = 23) → DUS na fertilisatie
bekomt men 46,XY of 46,XX zygoten
1
,Celcyclus
Cellen doorlopen een cyclus met als eindresultaat twee identieke dochtercellen
! LET OP: eens een cel ingezet is om te delen MOET deze delen + delen gaat ENKEL als de omstandigheden gunstig
zijn
Celcyclus wordt onderverdeeld in 4 fasen:
1. M-fase = mitose fase → korte fase
2. G1-fase = periode tussen mitose en de initiatie van nucleaire transcriptie (gap-fase)
3. S-fase = periode van nucleair DNA replicatie (synthese fase)
4. G2-fase = periode tussen het beëindigen v/d nucleaire
DNA replicatie en de mitose
De normale en langste fase v/e cel is de G1 fase (OF G0 voor
niet-delende cellen)
1.2 Celdeling en de transmissie van DNA naar dochtercellen
Mitose & meiose zijn de twee vormen van celdeling
Mitose
Functies
▪ Vorming van genetisch identieke dochtercellen (UITZONDERING: replicatiefouten), 2n → 2n
o Noodzakelijk tijdens de ontwikkeling v/e diploïde zygote naar embryo tot volwassene
▪ Meeste cellen hebben een beperkte levensduur → moeten voortdurend hernieuwd worden
▪ Wondheling: cellen moeten ook vernieuwd worden
Constant nodig DUS continue proces
Interfase
▪ Nucleaire envelop intact
▪ Chromosomen NIET zichtbaar
Profase
▪ Chromosomen condenseren → worden zichtbaar
▪ Bipolaire spoelfiguur wordt gevormd
Prometafase
▪ Kern envelop lost op
▪ Chromosomen migreren naar equatoriaal vlak
▪ Chromosomen zichtbaar met 2 chromatiden
Metafase
▪ Chromosomen zijn volledig gecondenseerd en liggen in metafase vlak
In deze fase wordt er vaak naar chromosomen gekeken → soms ook in prometafase omdat ze dan ook al voldoende
gecondenseerd zijn
2
,Anafase
▪ Elke centromeer splitst
▪ De 2 chromatiden van elke chromosoom worden uit elkaar getrokken naar de 2 polen
doordat de microtubuli v/d spoelfiguur zich hebben vastgehecht aan de kinetochoren
Telofase
▪ Chromosomen bereiken de polen en decondenseren
▪ Nucleaire membraan vormt zich terug
▪ Cytoplasma begint te delen
Cytokinese
▪ Cytoplasma wordt volledig gedeeld
Meiose
Functies
▪ Vorming van gameten, 2n → n
Werking
▪ Diploïde primordiale geslachtscellen migreren naar de embryonale gonaden en ondergaan verschillende
rondes van mitose met de vorming van talrijke onrijpe oögonia & spermatogonia
▪ Na verdere mitotische delingen, groei en differentiatie vormen zich de primaire oöcyten in de eierstokken
en primaire spermatocyten in de testikels
▪ De diploïde spermatocyten en oocyten ondergaan vervolgens meiose
▪ Meiose is een reductieve celdeling die leidt tot vorming van haploïde gameten
o Twee opeenvolgende celdelingen: meiosis I en II
o Slechts eenmaal DNA-replicatie in meiosis I
o Geeft 4 haploïde cellen
Verschil tussen mannen en vrouwen
Vrouwen:
▪ Oögenese is een discontinu proces → start tijdens de
embryogenese en volstrekt zich na de pubertijd
▪ Primaire oöcyten starten de meiose I in het embryonale stadium
o Houden halt in de profase I tot aan de puberteit of later
o Na de puberteit volbrengt één oöcyt de meiose elke
maand
Mannen:
▪ Spermatogenese is een continu proces → start bij de puberteit
▪ Spermacellen worden vanaf de puberteit in gigantische aantallen continu geproduceerd
! LET OP: bij eicelproductie kan slechts 1 eicel matureren → bij elke deling wordt 1 v/d 2 afgedood DUS anders dan
bij mannelijke gametogenesis
Mitose VS meiose
Twee belangrijkste verschillen:
De producten van een mitose zijn diploïd, die van een meiose haploïd
De producten van een mitose zijn ‘genetisch identiek’, die van een meiose zijn genetisch verschillend
3
, Onafhankelijke segregatie
De segregatie van maternale en paternale chromosomen gebeurd onafhankelijk
Welk chromosoom van maternale (roze) of paternale (blauw) oorsprong v/d 23 in anafase I naar welke pool
wordt getrokken gebeurd volledig at random of onafhankelijk (= onafhankelijke segregatie)
DUS: er zijn 223 of 8,388,608 mogelijke combinaties van parentele chromosomen
Hierbij wordt dan nog geen rekening gehouden met recombinatie
Recombinatie
De chromosomen maken contact in de profase I tijdens de synapsis → GEVOLG: kunnen random
segmenten uitwisselen d.m.v. recombinatie
De twee homologen zijn verbonden via specifieke connecties of chiasmata die een punt van cross-
over markeren
Er zijn gemiddeld 50 chiasmata per cel in de mannelijke meiose, en tot 50% meer in de
vrouwelijke meiose
De chiasmata zijn eveneens verantwoordelijk voor het correct paren v/d homologe chromosomen
gedurende meiose I: ze houden het maternale en paternale chromosoom samen tot aan de anafase I
Hun rol is analoog aan die van de centromeren in de mitose of in de meiose II
! LET OP: gemiddeld 1 cross-over per chromosoomarm
X-Y paring en de pseudoautosomale regio’s
PROBLEEM: X en Y zijn helemaal niet homoloog dus moeilijker om een paar te vormen
OPLOSSING: op het uiteinde van de korte armen (p-armen) van X en Y is een regio die wél homoloog is =
pseudoautosomale regio, 2.6 Mb regio → hier treedt ALTIJD één obligate recombinatie op
Genen moeten genetisch in balans zijn MAAR vrouwen hebben 2x X DUS genetisch niet in balans met de man → X-
chromosoom inactivatie
Genen in deze terminale homologie regio's hebben bijzondere eigenschappen:
Ze komen voor als homologe kopieën op het X- en het Y-chromosoom
Ze zijn niet onderhevig aan X-inactivatie (lyonisatie)
Door de crossing-over segregeren ze als autosomale allelen i.p.v. als geslachtsgebonden allelen
o Vandaar de naam pseudo-autosomale regio’s
Mitochondriale DNA-replicatie en segregatie
Voorafgaand aan de celdeling treedt mitochondriale DNA (mtDNA) replicatie op
MtDNA moleculen repliceren → worden verdeeld (segregeren) over de dochter mitochondria →
die segregeren vervolgens in de dochtercellen
De replicatie van mtDNA moleculen is niet direct gelinkt aan de celcyclus
De mtDNA moleculen moeten toenemen in aantal zonder dat elke mtDNA molecule per se
moet repliceren
Sommige mtDNA moleculen kunnen niet repliceren terwijl andere meerdere keren kunnen
repliceren
DUS: oneven replicatie
4
