Chapter 2 An Introduction to Genes and Genomes
Eukaryote cellen versus prokaryote cellen
Eukaryote cellen zijn veel groter dan prokaryote cellen en hebben een kern en organellen.
Organellen van een eukaryote cel:
Mitochondria (ATP synthese), ribosomen (eiwit synthese), RER (vesicles/suikers), SER (vet
synthese/detoxificatie), Golgi (modificaties), lysosomen (intracellulaire vertering), peroxisomen
(detoxificatie), microtubuli (steun/vorm/beweging), microfilamenten (contractie/beweging/
cytoskelet), intermediate filaments (cytoskelet), centrioles (mitose), nucleus (genetische informatie).
Verschillen tussen RNA en DNA
1. DNA is dubbelstrengs, RNA enkelstrengs.
2. RNA heeft uracil, DNA thymine.
3. RNA bevat ribose, DNA deoxyribose.
Chromosomen
p en q arm: p is de korte arm, q de lange arm van het chromosoom.
Telomeren: repetitieve uiteinden chromosoom; binding aan nucleaire envelop; worden korter.
Karyotype
Cellen worden verspreid op een microscopische plaat en behandelt met chemicaliën zodat de
chromosomen vrijkomen en kleuren.
G-banding: DNA bindende kleur (Giemsa) creëert een serie licht en donker gekleurde banden
op de chromosomen dat uniek is voor elk chromosoom.
Spectral karyotyping: incorporeert specifieke probes in chromosomen om deze te kleuren.
DNA replicatie
1. DNA helicase: ontwindt de twee DNA strengen -> replicatievorken en origins of replication.
2. Single strand binding proteins binden aan de strengen en voorkomen basenparing.
3. Toevoegen van RNA primers, gesynthetiseerd door primase/DNA polymerase α.
4. DNA polymerase III/δ: bindt aan primers en synthetiseert een nieuw stuk DNA.
5. Lagging strand: okazaki fragmenten; DNA ligase vormt covalente bindingen tussen okazaki
fragmenten en RNA primers.
Transcriptie
1. RNA polymerase bindt met behulp van transcriptiefactoren en enhancers aan de promotor.
2. RNA polymerase ontwindt de DNA helix en vormt een RNA streng aan de template strand.
3. Terminatie: RNA wordt losgemaakt van het DNA -> pre-mRNA.
Afhankelijk van het type RNA polymerase wordt tRNA, mRNA of rRNA gevormd.
mRNA processing
RNA splicing: introns worden uit het pre-mRNA geknipt;
Alternative splicing: exons behandelt als introns; dit resulteert in meerdere eiwitten per gen.
5’ cap: toevoeging guanine base met een methylgroep en drie fosfaatgroepen (ribosoomherkenning).
Polyadenylation: 100 tot 300 adenine nucleotiden vormen een poly-A staart aan het mRNA.
Translatie
1. Initiatie: kleine subunit bindt aan de 5’ cap van het mRNA en beweegt naar het startcodon.
2. Grote subunit bindt ook aan dit complex (kleine subunits, initiatiefactoren, mRNA en tRNA).
3. Elongatie: polypeptide wordt gevormd (peptidyl transferase katalyseert peptidebinding).
4. Terminatie: ribosomaal complex komt bij een stopcodon terecht -> releasing factors.
1
, Peptidyl tRNA: tRNA, gebonden aan de groeiende peptideketen.
Aminoacyl transfer tRNA: aminoacyl tRNA synthases vormen deze door ze met aminozuren te ‘laden’.
Centraal dogma: DNA -> RNA -> eiwit (en RNA -> DNA).
Genregulatie: niveaus van genexpressie
Transcriptionele regulatie; RNA processing; transport van mRNA naar cytoplasma; afbraak van
mRNA; translationale regulatie; afbraak van eiwitten en uitpakken van DNA (methylering, acetylering
van histonen).
Transcriptieregulatie
TATA box en CAAT box: 30 nucleotiden upstream, respectievelijk 80 van de promotor, in eukaryoten.
Enhancers: regulatorische sequenties; meestal 50 basenparen upstream, maar kunnen ook
downstream zijn gelokaliseerd. Enhancers binden activators: deze interacteren met
transcriptiefactoren en RNA polymerase (bijvoorbeeld hormonen zoals testosteron).
Transcriptie initiatie complex: RNA polymerase, activators, enhancers, transcriptiefactoren en
promotor.
Operons in bacteriën clusters van verschillende gerelateerde genen, gereguleerd door één promotor.
Lac operon: in de afwezigheid van lactose, bindt de lac repressor aan de operator waardoor
geen transcriptie kan plaatsvinden. In de aanwezigheid van lactose bindt lactose aan de
repressor en inhibeert hiermee de werking van de repressor.
-> LacZ (β-galactosidase), lacY (permease) en lacA (acetylase).
MicroRNA (miRNA) en short interfering RNA (siRNA)
Beiden kleine RNA moleculen (21-22 nucleotiden) die niet coderen voor eiwitten en genexpressie
reguleren (siRNA in C. elegans).
MicroRNA: door enzymen (Drosha en Dicer) bewerkt tot korte RNA strengen; het enzym Dicer knipt
de haarspeldjes in het pri-RNA in enkelstrengse miRNA’s. Vervolgens binden deze aan een
ribonucleoproteïnecomplex (RISC), welke dan aan een mRNA streng bindt door basenparing.
Wanneer deze basenparing exact complementair is wordt het mRNA afgebroken, anders wordt de
translatie ervan geinhibeerd.
RNA interference (RNAi)
RNA gebaseerde mechanismen om genen niet tot expressie te laten komen (‘gene silencing’).
Mutaties geïntroduceerd tijdens DNA replicatie, door mutagenen of UV-straling
Puntmutaties: een enkele nucleotide verandert -> single-nucleotide polymorphisms (SNP’s).
Silent mutation: geen effect op aminozuurvolgorde.
Missense mutation: er wordt gecodeerd voor een ander aminozuur (hoeft niet perse de structuur
van het eiwit te veranderen en kan dus silent zijn).
Nonsense mutation: er wordt nu gecodeerd voor een stopcodon; abnormaal kort eiwit.
Frameshift mutation: door insertie of deletie worden alle komende aminozuren anders.
- Sikkelcelanemie: basenpaar substitutie waardoor op de plek van glutaminezuur een valine
aminozuur terecht komt in het hemoglobine eiwit, waardoor zuurstof er slecht aan bindt.
- De meeste variatie in het humaan genoom wordt veroorzaakt door SNP’s. Vaak niet gevaarlijk
omdat ze in introns voorkomen, maar veroorzaakt bijvoorbeeld wel sikkelcelanemie.
Epigenoom
Modificaties in chromatine structuur die geen betrekking hebben op mutaties in de DNA sequence.
Kunnen geërfd zijn, maar kunnen ook van generatie op generatie verschillen. Het epigenoom kan
beïnvloed worden door dieet en de omgeving.
2
Eukaryote cellen versus prokaryote cellen
Eukaryote cellen zijn veel groter dan prokaryote cellen en hebben een kern en organellen.
Organellen van een eukaryote cel:
Mitochondria (ATP synthese), ribosomen (eiwit synthese), RER (vesicles/suikers), SER (vet
synthese/detoxificatie), Golgi (modificaties), lysosomen (intracellulaire vertering), peroxisomen
(detoxificatie), microtubuli (steun/vorm/beweging), microfilamenten (contractie/beweging/
cytoskelet), intermediate filaments (cytoskelet), centrioles (mitose), nucleus (genetische informatie).
Verschillen tussen RNA en DNA
1. DNA is dubbelstrengs, RNA enkelstrengs.
2. RNA heeft uracil, DNA thymine.
3. RNA bevat ribose, DNA deoxyribose.
Chromosomen
p en q arm: p is de korte arm, q de lange arm van het chromosoom.
Telomeren: repetitieve uiteinden chromosoom; binding aan nucleaire envelop; worden korter.
Karyotype
Cellen worden verspreid op een microscopische plaat en behandelt met chemicaliën zodat de
chromosomen vrijkomen en kleuren.
G-banding: DNA bindende kleur (Giemsa) creëert een serie licht en donker gekleurde banden
op de chromosomen dat uniek is voor elk chromosoom.
Spectral karyotyping: incorporeert specifieke probes in chromosomen om deze te kleuren.
DNA replicatie
1. DNA helicase: ontwindt de twee DNA strengen -> replicatievorken en origins of replication.
2. Single strand binding proteins binden aan de strengen en voorkomen basenparing.
3. Toevoegen van RNA primers, gesynthetiseerd door primase/DNA polymerase α.
4. DNA polymerase III/δ: bindt aan primers en synthetiseert een nieuw stuk DNA.
5. Lagging strand: okazaki fragmenten; DNA ligase vormt covalente bindingen tussen okazaki
fragmenten en RNA primers.
Transcriptie
1. RNA polymerase bindt met behulp van transcriptiefactoren en enhancers aan de promotor.
2. RNA polymerase ontwindt de DNA helix en vormt een RNA streng aan de template strand.
3. Terminatie: RNA wordt losgemaakt van het DNA -> pre-mRNA.
Afhankelijk van het type RNA polymerase wordt tRNA, mRNA of rRNA gevormd.
mRNA processing
RNA splicing: introns worden uit het pre-mRNA geknipt;
Alternative splicing: exons behandelt als introns; dit resulteert in meerdere eiwitten per gen.
5’ cap: toevoeging guanine base met een methylgroep en drie fosfaatgroepen (ribosoomherkenning).
Polyadenylation: 100 tot 300 adenine nucleotiden vormen een poly-A staart aan het mRNA.
Translatie
1. Initiatie: kleine subunit bindt aan de 5’ cap van het mRNA en beweegt naar het startcodon.
2. Grote subunit bindt ook aan dit complex (kleine subunits, initiatiefactoren, mRNA en tRNA).
3. Elongatie: polypeptide wordt gevormd (peptidyl transferase katalyseert peptidebinding).
4. Terminatie: ribosomaal complex komt bij een stopcodon terecht -> releasing factors.
1
, Peptidyl tRNA: tRNA, gebonden aan de groeiende peptideketen.
Aminoacyl transfer tRNA: aminoacyl tRNA synthases vormen deze door ze met aminozuren te ‘laden’.
Centraal dogma: DNA -> RNA -> eiwit (en RNA -> DNA).
Genregulatie: niveaus van genexpressie
Transcriptionele regulatie; RNA processing; transport van mRNA naar cytoplasma; afbraak van
mRNA; translationale regulatie; afbraak van eiwitten en uitpakken van DNA (methylering, acetylering
van histonen).
Transcriptieregulatie
TATA box en CAAT box: 30 nucleotiden upstream, respectievelijk 80 van de promotor, in eukaryoten.
Enhancers: regulatorische sequenties; meestal 50 basenparen upstream, maar kunnen ook
downstream zijn gelokaliseerd. Enhancers binden activators: deze interacteren met
transcriptiefactoren en RNA polymerase (bijvoorbeeld hormonen zoals testosteron).
Transcriptie initiatie complex: RNA polymerase, activators, enhancers, transcriptiefactoren en
promotor.
Operons in bacteriën clusters van verschillende gerelateerde genen, gereguleerd door één promotor.
Lac operon: in de afwezigheid van lactose, bindt de lac repressor aan de operator waardoor
geen transcriptie kan plaatsvinden. In de aanwezigheid van lactose bindt lactose aan de
repressor en inhibeert hiermee de werking van de repressor.
-> LacZ (β-galactosidase), lacY (permease) en lacA (acetylase).
MicroRNA (miRNA) en short interfering RNA (siRNA)
Beiden kleine RNA moleculen (21-22 nucleotiden) die niet coderen voor eiwitten en genexpressie
reguleren (siRNA in C. elegans).
MicroRNA: door enzymen (Drosha en Dicer) bewerkt tot korte RNA strengen; het enzym Dicer knipt
de haarspeldjes in het pri-RNA in enkelstrengse miRNA’s. Vervolgens binden deze aan een
ribonucleoproteïnecomplex (RISC), welke dan aan een mRNA streng bindt door basenparing.
Wanneer deze basenparing exact complementair is wordt het mRNA afgebroken, anders wordt de
translatie ervan geinhibeerd.
RNA interference (RNAi)
RNA gebaseerde mechanismen om genen niet tot expressie te laten komen (‘gene silencing’).
Mutaties geïntroduceerd tijdens DNA replicatie, door mutagenen of UV-straling
Puntmutaties: een enkele nucleotide verandert -> single-nucleotide polymorphisms (SNP’s).
Silent mutation: geen effect op aminozuurvolgorde.
Missense mutation: er wordt gecodeerd voor een ander aminozuur (hoeft niet perse de structuur
van het eiwit te veranderen en kan dus silent zijn).
Nonsense mutation: er wordt nu gecodeerd voor een stopcodon; abnormaal kort eiwit.
Frameshift mutation: door insertie of deletie worden alle komende aminozuren anders.
- Sikkelcelanemie: basenpaar substitutie waardoor op de plek van glutaminezuur een valine
aminozuur terecht komt in het hemoglobine eiwit, waardoor zuurstof er slecht aan bindt.
- De meeste variatie in het humaan genoom wordt veroorzaakt door SNP’s. Vaak niet gevaarlijk
omdat ze in introns voorkomen, maar veroorzaakt bijvoorbeeld wel sikkelcelanemie.
Epigenoom
Modificaties in chromatine structuur die geen betrekking hebben op mutaties in de DNA sequence.
Kunnen geërfd zijn, maar kunnen ook van generatie op generatie verschillen. Het epigenoom kan
beïnvloed worden door dieet en de omgeving.
2
