Hoofdstuk 05: DNA and Chromosomes
Structuur van DNA:
• Een DNA-molecuul bestaat uit twee complementaire ketens van nucleotiden (polariteit)
• De structuur van DNA biedt een mechanisme voor erfelijkheid
Chromosomen = draad-achtige structuren (beter zichtbaar tijdens celdeling) geassocieerd met overerving. Chromosomen bestaan uit dsDNA en
eiwitten. Watson-Crick model: model van dubbele helix model van DNA-structuur
DNA versus eiwit:
• Gelijkenis: Beide denatureren bij hoge temperatuur
• Verschil: DNA kan weer renatureren → geheugen van genetische informatie
DNA en eiwitten labelen:
• DNA labelen → labelen met 32P
• Eiwitten labelen → labelen met 35S
DNA-molecuul: twee complementaire ketens van nucleotiden.
• Complementaire basenparing: C en G samen → 3 H-bruggen,
A en T samen → 2 H-bruggen.
• Suiker-fosfaatruggengraat verbonden door fosfodiesterbindingen
• Elke streng heeft een polariteit van 5' → 3'
• Backbone is negatief geladen
• DNA-helix is rechts-handig (B-vorm)
Verschil minor en major groove: ruimtelijke breedte en toegankelijkheid:
Major groove is breder en biedt meer ruimte. Hierdoor is er een betere toegang voor
eiwitten die specifieke sequenties herkennen, zoals transcriptiefactoren. Het is vaak de
belangrijkste plek voor interacties tussen DNA en eiwitten.
Minor groove is smaller en minder toegankelijk. Hier kunnen alleen kleinere moleculen
en bepaalde specifieke eiwitten binden.
DNA en genoomgrootte:
• 10,4 nucleotideparen per winding
• 3,4 nm per winding
• Menselijk haploïde genoom: 23 chromosomen → 3,2 ∙ 109 nucleotideparen = 1 m
DNA en codering:
• DNA bevat genen die RNA's coderen, waarvan de meeste worden vertaald in eiwitten.
• Correlatie genoomgrootte en complexiteit: Klein (bv: bacteriën versus zoogdieren), maar niet zeker (bv: amoebe versus zoogdieren).
o Oorzaak: bestaan van herhalende non-coding DNA-sequenties.
Menselijk genoom:
Groot deel van menselijk genoom bestaat uit herhaalde sequenties en slechts een klein deel uit eiwit-coderende genen.
• Herhaalde sequenties (groot deel):
o Mobiele genetische elementen: LINEs, SINEs, retro-transposons, DNA-transposons
o Eenvoudige herhalingen
o Segment-duplicaties
• Unieke sequenties (klein deel):
o Introns (niet-coderende genen)
o Eiwit-coderende exons
o Niet-herhalend DNA (niet in introns of exons)
1|Page
,Structuur: chromosomen
Eukaryotisch DNA is verpakt in meerdere chromosomen, waarvan het aantal zelfs tussen nauw verwante soorten kan variëren.
Chromosomen bevatten lange genen-reeksen met regulatoire DNA-sequenties, intronen en exonen.
Termen in chromosomen:
• Zusterchromatiden = identieke kopieën van één chromosoom die ontstaan door DNA-replicatie. Ze zijn verbonden door een centromeer
en worden tijdens de celdeling gescheiden om naar de dochtercellen te gaan.
• Non-zusterchromatiden = chromatiden die afkomstig zijn van verschillende homologe chromosomen (bijvoorbeeld één van de moeder en
één van de vader). Ze kunnen genetisch materiaal uitwisselen tijdens crossing-over in meiose.
• Homologe chromosomen = chromosomenpaaren die dezelfde genen bevatten (maar mogelijk verschillende allelen). Één chromosoom in
het paar komt van de vader, het andere van de moeder.
Translocaties: chromosomen wisselen stukken uit met elkaar.
Chromosomen in celcyclus:
Chromosoomreplicatie en -segregatie vinden plaats in een geordende cyclus.
• Interfase → chromosoom-replicatie + chromosomen gedecondenseerd
• M-fase → chromosoom-segregatie + chromosomen compact
Gespecialiseerde DNA-sequenties zijn nodig voor DNA-replicatie en
chromosoomsegregatie:
• Replicatie-origines → zorgen ervoor dat al het DNA eenmaal per celcyclus
wordt gerepliceerd.
• Telomeren → repetitieve sequenties die chromosoomeinden behouden en in
stamcellen (eukaryoten) gerepliceerd kunnen worden.
• Centromeren → verbinden zich met het mitotische apparaat (eukaryoten).
Nucleosomen – fundamenteel niveau van chromatineorganisatie (eukaryoten):
Nucleosomen = basisstructuur van chromatine in eukaryoten, bestaande uit segment DNA dat strak is gewikkeld rond een histon-octameer =
complex bestaande uit acht histon-eiwitten (twee kopieën van H2A, H2B, H3 en H4).
Histon-eiwitten zijn rijk aan positief geladen aminozuren, zoals lysine en arginine, en deze
kunnen interacties aangaan met negatief geladen fosfaatgroepen in DNA → stevige
binding aan DNA.
Linker DNA = stuk DNA tussen nucleosomen en is daarbij meer toegankelijk voor
transcriptie. Linker-DNA verbindt de nucleosomen, waardoor ze samenkomen tot “beads-
on-a-string”-structuur = meest open, minder gecondenseerde vorm van chromatine.
Compactie van chromosoom-structuren:
• Chromatinecompactie: Linker-histonen
o Deze histonen (H1) helpen bij het verdichten van nucleosomen tot een chromatinevezel.
• Chromatine-lusvorming: Cohesine (SMC Ring Complex)
o Een SMC-eiwit dat door ATP-hydrolyse DNA-lussen vergroot.
o Cohesine zorgt eerst voor kleine lussen in het DNA; cycli van ATP-hydrolyse maken deze lussen groter.
o Sequence-specifieke clamp-eiwitten stoppen verdere lusvorming.
• Compactie van mitotische chromosomen: Condensine
o Condensine gebruikt ATP om chromosomen te compact maken voor de metafase.
o Condensine II vormt grote lussen.
o Condensine I vormt kleinere lussen binnen deze grote lussen.
2|Page
, Regulatie van Chromosoomstructuur: Remodellering
Chromatine-remodellerende complexen verplaatsen DNA lokaal op
nucleosomen en kunnen chromatinecondensatie veranderen door
ATP te gebruiken.
• Gecondenseerde chromatine (hetero-) → sterk compact en
minder toegankelijk → beperkte genexpressie
• Degecondenseerde chromatine (eu-) → minder compact en
beter toegankelijk → bevorderde genexpressie
Regulatie van Chromosoomstructuur: Histon-modificaties
Modificatie van histonstaarten reguleert functies van chromatine volgens het histoncodemodel:
• H3K9me3: Vorming van heterochromatine en gen-silencing.
• H3K4me3 en H3K9ac: Genexpressie wordt bevorderd.
• Acetylatie: Zorgt voor een negatievere lading.
• Fosforylatie: Zorgt voor een negatievere lading.
• Methylering: Zorgt niet voor ladingsverschil.
Verspreiding van heterochromatine:
1. Het reader-writercomplex herkent gemodificeerde histonen.
2. Het complex verspreidt modificaties aan histonstaarten, andere specifieke heterochromatine-eiwitten binden zich.
3. Heterochromatine verspreidt zich totdat het een barrière-DNA-sequentie tegenkomt.
Overerving van histonmodificaties naar dochtercellen:
1. Tijdens chromosoomduplicatie blijven histonmodificaties behouden.
2. Reader-writercomplexen markeren nieuwe nucleosomen met specifieke modificaties.
3. Heterochromatine-specifieke eiwitten binden aan de gemodificeerde regio's.
Regulatie van
Regulatie van Chromosoomstructuur: Heterochromatine-vorming
• Heterochromatine: Elektronendicht, sterk gecondenseerd chromatine dat genexpressie beperkt (bijv. telomeren en centromeren).
• Euchromatine: Normaal chromatine, minder gecondenseerd en toegankelijker voor genexpressie.
Inactivering van het X-chromosoom bij vrouwelijke zoogdieren:
Eén X-chromosoom wordt willekeurig gecondenseerd en geïnactiveerd. Dit
geïnactiveerde chromosoom wordt doorgegeven aan dochtercellen volgens hetzelfde
inactiveringspatroon.
Het geïnactiveerde X-chromosoom staat bekend als een Barr-lichaampje, dat zichtbaar
is onder de microscoop. Heterochromatine wordt gevormd door Xist mRNA, dat het X-
chromosoom omwikkelt en de inactivatie ondersteunt.
3|Page
Structuur van DNA:
• Een DNA-molecuul bestaat uit twee complementaire ketens van nucleotiden (polariteit)
• De structuur van DNA biedt een mechanisme voor erfelijkheid
Chromosomen = draad-achtige structuren (beter zichtbaar tijdens celdeling) geassocieerd met overerving. Chromosomen bestaan uit dsDNA en
eiwitten. Watson-Crick model: model van dubbele helix model van DNA-structuur
DNA versus eiwit:
• Gelijkenis: Beide denatureren bij hoge temperatuur
• Verschil: DNA kan weer renatureren → geheugen van genetische informatie
DNA en eiwitten labelen:
• DNA labelen → labelen met 32P
• Eiwitten labelen → labelen met 35S
DNA-molecuul: twee complementaire ketens van nucleotiden.
• Complementaire basenparing: C en G samen → 3 H-bruggen,
A en T samen → 2 H-bruggen.
• Suiker-fosfaatruggengraat verbonden door fosfodiesterbindingen
• Elke streng heeft een polariteit van 5' → 3'
• Backbone is negatief geladen
• DNA-helix is rechts-handig (B-vorm)
Verschil minor en major groove: ruimtelijke breedte en toegankelijkheid:
Major groove is breder en biedt meer ruimte. Hierdoor is er een betere toegang voor
eiwitten die specifieke sequenties herkennen, zoals transcriptiefactoren. Het is vaak de
belangrijkste plek voor interacties tussen DNA en eiwitten.
Minor groove is smaller en minder toegankelijk. Hier kunnen alleen kleinere moleculen
en bepaalde specifieke eiwitten binden.
DNA en genoomgrootte:
• 10,4 nucleotideparen per winding
• 3,4 nm per winding
• Menselijk haploïde genoom: 23 chromosomen → 3,2 ∙ 109 nucleotideparen = 1 m
DNA en codering:
• DNA bevat genen die RNA's coderen, waarvan de meeste worden vertaald in eiwitten.
• Correlatie genoomgrootte en complexiteit: Klein (bv: bacteriën versus zoogdieren), maar niet zeker (bv: amoebe versus zoogdieren).
o Oorzaak: bestaan van herhalende non-coding DNA-sequenties.
Menselijk genoom:
Groot deel van menselijk genoom bestaat uit herhaalde sequenties en slechts een klein deel uit eiwit-coderende genen.
• Herhaalde sequenties (groot deel):
o Mobiele genetische elementen: LINEs, SINEs, retro-transposons, DNA-transposons
o Eenvoudige herhalingen
o Segment-duplicaties
• Unieke sequenties (klein deel):
o Introns (niet-coderende genen)
o Eiwit-coderende exons
o Niet-herhalend DNA (niet in introns of exons)
1|Page
,Structuur: chromosomen
Eukaryotisch DNA is verpakt in meerdere chromosomen, waarvan het aantal zelfs tussen nauw verwante soorten kan variëren.
Chromosomen bevatten lange genen-reeksen met regulatoire DNA-sequenties, intronen en exonen.
Termen in chromosomen:
• Zusterchromatiden = identieke kopieën van één chromosoom die ontstaan door DNA-replicatie. Ze zijn verbonden door een centromeer
en worden tijdens de celdeling gescheiden om naar de dochtercellen te gaan.
• Non-zusterchromatiden = chromatiden die afkomstig zijn van verschillende homologe chromosomen (bijvoorbeeld één van de moeder en
één van de vader). Ze kunnen genetisch materiaal uitwisselen tijdens crossing-over in meiose.
• Homologe chromosomen = chromosomenpaaren die dezelfde genen bevatten (maar mogelijk verschillende allelen). Één chromosoom in
het paar komt van de vader, het andere van de moeder.
Translocaties: chromosomen wisselen stukken uit met elkaar.
Chromosomen in celcyclus:
Chromosoomreplicatie en -segregatie vinden plaats in een geordende cyclus.
• Interfase → chromosoom-replicatie + chromosomen gedecondenseerd
• M-fase → chromosoom-segregatie + chromosomen compact
Gespecialiseerde DNA-sequenties zijn nodig voor DNA-replicatie en
chromosoomsegregatie:
• Replicatie-origines → zorgen ervoor dat al het DNA eenmaal per celcyclus
wordt gerepliceerd.
• Telomeren → repetitieve sequenties die chromosoomeinden behouden en in
stamcellen (eukaryoten) gerepliceerd kunnen worden.
• Centromeren → verbinden zich met het mitotische apparaat (eukaryoten).
Nucleosomen – fundamenteel niveau van chromatineorganisatie (eukaryoten):
Nucleosomen = basisstructuur van chromatine in eukaryoten, bestaande uit segment DNA dat strak is gewikkeld rond een histon-octameer =
complex bestaande uit acht histon-eiwitten (twee kopieën van H2A, H2B, H3 en H4).
Histon-eiwitten zijn rijk aan positief geladen aminozuren, zoals lysine en arginine, en deze
kunnen interacties aangaan met negatief geladen fosfaatgroepen in DNA → stevige
binding aan DNA.
Linker DNA = stuk DNA tussen nucleosomen en is daarbij meer toegankelijk voor
transcriptie. Linker-DNA verbindt de nucleosomen, waardoor ze samenkomen tot “beads-
on-a-string”-structuur = meest open, minder gecondenseerde vorm van chromatine.
Compactie van chromosoom-structuren:
• Chromatinecompactie: Linker-histonen
o Deze histonen (H1) helpen bij het verdichten van nucleosomen tot een chromatinevezel.
• Chromatine-lusvorming: Cohesine (SMC Ring Complex)
o Een SMC-eiwit dat door ATP-hydrolyse DNA-lussen vergroot.
o Cohesine zorgt eerst voor kleine lussen in het DNA; cycli van ATP-hydrolyse maken deze lussen groter.
o Sequence-specifieke clamp-eiwitten stoppen verdere lusvorming.
• Compactie van mitotische chromosomen: Condensine
o Condensine gebruikt ATP om chromosomen te compact maken voor de metafase.
o Condensine II vormt grote lussen.
o Condensine I vormt kleinere lussen binnen deze grote lussen.
2|Page
, Regulatie van Chromosoomstructuur: Remodellering
Chromatine-remodellerende complexen verplaatsen DNA lokaal op
nucleosomen en kunnen chromatinecondensatie veranderen door
ATP te gebruiken.
• Gecondenseerde chromatine (hetero-) → sterk compact en
minder toegankelijk → beperkte genexpressie
• Degecondenseerde chromatine (eu-) → minder compact en
beter toegankelijk → bevorderde genexpressie
Regulatie van Chromosoomstructuur: Histon-modificaties
Modificatie van histonstaarten reguleert functies van chromatine volgens het histoncodemodel:
• H3K9me3: Vorming van heterochromatine en gen-silencing.
• H3K4me3 en H3K9ac: Genexpressie wordt bevorderd.
• Acetylatie: Zorgt voor een negatievere lading.
• Fosforylatie: Zorgt voor een negatievere lading.
• Methylering: Zorgt niet voor ladingsverschil.
Verspreiding van heterochromatine:
1. Het reader-writercomplex herkent gemodificeerde histonen.
2. Het complex verspreidt modificaties aan histonstaarten, andere specifieke heterochromatine-eiwitten binden zich.
3. Heterochromatine verspreidt zich totdat het een barrière-DNA-sequentie tegenkomt.
Overerving van histonmodificaties naar dochtercellen:
1. Tijdens chromosoomduplicatie blijven histonmodificaties behouden.
2. Reader-writercomplexen markeren nieuwe nucleosomen met specifieke modificaties.
3. Heterochromatine-specifieke eiwitten binden aan de gemodificeerde regio's.
Regulatie van
Regulatie van Chromosoomstructuur: Heterochromatine-vorming
• Heterochromatine: Elektronendicht, sterk gecondenseerd chromatine dat genexpressie beperkt (bijv. telomeren en centromeren).
• Euchromatine: Normaal chromatine, minder gecondenseerd en toegankelijker voor genexpressie.
Inactivering van het X-chromosoom bij vrouwelijke zoogdieren:
Eén X-chromosoom wordt willekeurig gecondenseerd en geïnactiveerd. Dit
geïnactiveerde chromosoom wordt doorgegeven aan dochtercellen volgens hetzelfde
inactiveringspatroon.
Het geïnactiveerde X-chromosoom staat bekend als een Barr-lichaampje, dat zichtbaar
is onder de microscoop. Heterochromatine wordt gevormd door Xist mRNA, dat het X-
chromosoom omwikkelt en de inactivatie ondersteunt.
3|Page
