Hoofdstuk 9: Hoe genen en
genomen evolueren
Inhoudsopgave
Centrale vraagstelling H9:.............................................................................................................................. 3
9.1 Hoe ontstaat genetische variatie.............................................................................................................. 3
9.1.1. Alleen veranderingen in de kiembaancellijn worden doorgegeven aan de volgende generatie...............5
9.1.1.1 Mutaties in kiembaancellen en somatische cellen hebben een verschillend gevolg.........................6
.........................................................................................................................................................................7
9.1.2. Puntmutaties ontstaan door fouten in DNA replicatie en herstel..............................................................7
9.2.1.2 Puntmutaties: fouten in DNA replicatie en herstel. Hoe vaak komen ze voor?.................................8
9.1.3. Puntmutaties kunnen de eiwitsequentie of genregulatie veranderen.......................................................8
9.1.3.1 Lactose tolerantie volgt domesticatie van vee....................................................................................9
9.1.3.2 Genregulatorische eiwitten bepalen het ontwikkelingsprogramma van een organisme...................9
9.1.4. Genduplicatie en divergentie zorgen voor het ontstaan van families van verwante genen...................10
9.1.4.1 Genduplicatie gebeurt frequent en is heel belangrijk in de evolutie................................................11
9.1.4.2 Genduplicatie door ongelijke overkruising/cross-over tussen herhaalsequenties op homologe DNA
segmenten.....................................................................................................................................................12
9.1.4.3 Een enkel-strengig globinemolecule ligt aan de basis van het vier-strengig hemoglobine van mens
en zoogdieren................................................................................................................................................12
9.1.4.4 Herhaalde genduplicaties en divergentie geven ontstaan aan de globine genfamilie.....................13
9.1.4.5 Genduplicatie en mutaties accumuleren in de populatie als de selectiedruk laag is.......................13
(leidt tot “genetische drift”)..........................................................................................................................13
9.1.5. Genoomduplicaties kunnen nieuwe soorten doen ontstaan...................................................................14
9.1.5.1 . Dankzij een extra genoomduplicatie t.o.v. hogere vertebraten zijn vissen de meest soortenrijke
groep vertebraten (meer diversificatie mogelijk).........................................................................................14
.......................................................................................................................................................................14
9.1.6. Nieuwe genen kunnen ontstaan door exon duplicatie of shuffling.........................................................15
9.1.6.1 Exon shuffling stelt nieuwe proteïnen samen uit verschillende domeinen (modulaire opbouw)....15
9.1.7. Transposons versnellen genoomevolutie.................................................................................................16
9.1.7.1 Veranderingen in lichaamsplan of ontwikkeling in functie van transposon.....................................17
9.1.7.2 Transposons kunnen exons verplaatsen...........................................................................................17
9.1.8. Horizontale gentransfer door conjugatie.................................................................................................18
9.2 Transposons en virussen......................................................................................................................... 19
9.2.1. Mobiele genetische elementen coderen voor de componenten die nodig zijn voor hun mobiliteit........19
9.2.1.1 Transposons coderen ondermeer voor het transporase enzym.......................................................20
9.2.2. Het menselijke genoom bevat twee grote families van transposon sequenties......................................20
9.2.3. Virussen kunnen bewegen tussen cellen en tussen organismen.............................................................21
9.2.3.1 Verschillende types virussen.............................................................................................................22
9.2.3.2 Corona virus.......................................................................................................................................23
9.2.4. Retrovirussen keren de normale stroom van genetische informatie om.................................................23
9.3 Reconstructie van de stamboom van het leven.......................................................................................24
9.3.1. Genen die een selectief voordeel bieden zijn behouden in evolutie.........................................................24
1
, 9.3.1.1 De genetische drift tussen twee lijnen (generaties) bij de mens bedraagt 200 nucleotiden per
generatie........................................................................................................................................................25
9.3.1.2 Evolutie door graduele veranderingen in het genoom.....................................................................25
9.3.1.3 Fylogenetische stamboom bij hogere primaten...............................................................................26
9.3.2. Mens en chimpansee genomen en chromosomen zijn erg gelijkaardig..................................................27
9.3.2.1 1,2% nucleotiden verschil tusse homo sapiens en pan troglodytes.................................................27
9.3.2.2 Een voorbeeld van een sequentievergelijking...................................................................................27
9.3.2.3 Fylogenetische stamboom van primaten..........................................................................................28
............................................................................................................................................................................29
9.3.2.4 Fylogenetische stamboom van hominide soorten (tussen chimpansee en hedendaagse mens)....29
9.3.2.5 Waarom verschillen we van de chimpansee?...................................................................................29
9.3.3. Vergelijking van het genoom tussen mens en muis.................................................................................30
9.3.3.1 Chromosoomherschikking tussen mens en muis..............................................................................31
9.3.3.2 Sequentieverschillen tussen mens en muis.......................................................................................31
9.3.4. Vergelijking van het genoom tussen vertebraten....................................................................................32
9.3.5. Sommige genetische informatie is geconserveerd sinds het begin van het leven...................................34
............................................................................................................................................................................34
9.3.6 Sommige genetische informatie is geconserveerd sinds het begin van het leven....................................34
9.3.6.1 Wat is de evolutionele verwantschap tussen genen?.......................................................................35
9.3.6.2 De boom van het leven vertoont 3 domeinen..................................................................................36
9.3.6.3 De recente ontdekkingen van een verboren wereld: een nieuwe “tree of life”...............................36
9.3.6.4 Primordiale cellen vertoonden een uitgesproken genetische promiscuiteit *...................................36
9.3.6.5 Een fylogenetisch netwerk i.p.v. fylogenetische stamboom.............................................................37
.......................................................................................................................................................................37
9.4 De studie van het menselijke genoom.................................................................................................... 37
9.4.1 (Des)Organisatie van het genoom............................................................................................................37
9.4.1.1 Statistieken van het menselijke genoom...........................................................................................38
9.4.1.2 Het menselijke genoom: vrij toegankelijk op het internet................................................................38
9.4.1.3 Organisatie van een chromosoom....................................................................................................38
9.4.1.4 Het grootste deel van het genoom bestaat uit repetitieve niet-coderende sequenties (50%)........39
9.4.1.5 De genen zijn schaars verdeeld over het humane genoom..............................................................40
9.4.2 Genetische variatie leidt tot individualiteit...............................................................................................40
Hoe moeten we het genoom verder ontcijferen?..........................................................................................41
9.4.2.1 Verschillen in de genregulatie verklaren waarom dieren met gelijkaardige genomen sterk
verschillen......................................................................................................................................................42
9.4.3 In het nieuws: synthetische biologie “creatie van leven” ; “engineering life”..........................................42
9.4.2.4 “Whole genome sequencing” en “personalized medicine”..............................................................42
9.4.2.5 In het nieuws: CRISPR-CAS – Genome editing...................................................................................43
H9: Essentiële concepten............................................................................................................................. 43
H9: Belangrijke begrippen............................................................................................................................ 44
H9: Genomen en kine................................................................................................................................... 46
2
,Er is:
- 0,1% DNA verschil tussen individuen
- 1% DNA verschil tussen primaten
- 0,2% DNA verschil tussen de mens en een neanderthaler
Centrale vraagstelling H9:
• Hoe ontstaat genetische variatie en hoe stuurt dit de evolutie?
• Hoe ontstaan nieuwe diersoorten?
• Hoe is de mens als soort ontstaan?
• Hoe sterk verschillen we onderling en hoe komt dit?
• Hoe verwant zijn we met andere diersoorten en primitieve organismen?
• Welke informatie halen we uit een genoom en DNA sequenties?
• Wat kan je leren uit de sequentie van je persoonlijke genoom?
Evolutie van het genoom ( = DNA veranderingen van het genoom)
Vergelijken van genomen
Als we de letters van het DNA goed begrijpen en waarom we verschillen, is dit een stap naar
de gepersonaliseerde geneeskunde. We kunnen proberen te begrijpen waarom iemand ziek
wordt (waarom DNA verschilt)
9.1 Hoe ontstaat genetische variatie
Alle tussentitels zijn de zaken die een invloed hebben op veranderingen van DNA op
moleculair niveau
Zes verschillende mechanismen die genen en genomen kunnen wijzigen en die leiden tot
genetische variatie en evolutie:
Leidt tot verandering van het eiwitstabiliteit, activiteit, localizatie, interacties
Verandering expressiepatroon van een gen/eiwit(tijd en plaats)
Duplicaties (exon/gen/genoom): Mutaties in 1 kopij zijn tolereerbaar; 1 kopij muteert tot
nieuwe functie
Hybride genen = hercombineren van DNA sequenties leidt tot nieuwe genen (breekpunten
meestal in lange introns)
3
, overdracht genetische informatie tussen verschillende individuen of species (↔ normaal
verticale gentransfer)
In de evolutie worden genomen nooit uitgevonden: het is een verandering aan bestaande
DNA sequenties die nieuwe genomen doet ontstaan (variaties op bestaande thema’s)
geleidelijk proces over miljoenen jaren met soms radicale gevolgen
Overzicht van genetische variaties en waar ze vandaan komen:
4
genomen evolueren
Inhoudsopgave
Centrale vraagstelling H9:.............................................................................................................................. 3
9.1 Hoe ontstaat genetische variatie.............................................................................................................. 3
9.1.1. Alleen veranderingen in de kiembaancellijn worden doorgegeven aan de volgende generatie...............5
9.1.1.1 Mutaties in kiembaancellen en somatische cellen hebben een verschillend gevolg.........................6
.........................................................................................................................................................................7
9.1.2. Puntmutaties ontstaan door fouten in DNA replicatie en herstel..............................................................7
9.2.1.2 Puntmutaties: fouten in DNA replicatie en herstel. Hoe vaak komen ze voor?.................................8
9.1.3. Puntmutaties kunnen de eiwitsequentie of genregulatie veranderen.......................................................8
9.1.3.1 Lactose tolerantie volgt domesticatie van vee....................................................................................9
9.1.3.2 Genregulatorische eiwitten bepalen het ontwikkelingsprogramma van een organisme...................9
9.1.4. Genduplicatie en divergentie zorgen voor het ontstaan van families van verwante genen...................10
9.1.4.1 Genduplicatie gebeurt frequent en is heel belangrijk in de evolutie................................................11
9.1.4.2 Genduplicatie door ongelijke overkruising/cross-over tussen herhaalsequenties op homologe DNA
segmenten.....................................................................................................................................................12
9.1.4.3 Een enkel-strengig globinemolecule ligt aan de basis van het vier-strengig hemoglobine van mens
en zoogdieren................................................................................................................................................12
9.1.4.4 Herhaalde genduplicaties en divergentie geven ontstaan aan de globine genfamilie.....................13
9.1.4.5 Genduplicatie en mutaties accumuleren in de populatie als de selectiedruk laag is.......................13
(leidt tot “genetische drift”)..........................................................................................................................13
9.1.5. Genoomduplicaties kunnen nieuwe soorten doen ontstaan...................................................................14
9.1.5.1 . Dankzij een extra genoomduplicatie t.o.v. hogere vertebraten zijn vissen de meest soortenrijke
groep vertebraten (meer diversificatie mogelijk).........................................................................................14
.......................................................................................................................................................................14
9.1.6. Nieuwe genen kunnen ontstaan door exon duplicatie of shuffling.........................................................15
9.1.6.1 Exon shuffling stelt nieuwe proteïnen samen uit verschillende domeinen (modulaire opbouw)....15
9.1.7. Transposons versnellen genoomevolutie.................................................................................................16
9.1.7.1 Veranderingen in lichaamsplan of ontwikkeling in functie van transposon.....................................17
9.1.7.2 Transposons kunnen exons verplaatsen...........................................................................................17
9.1.8. Horizontale gentransfer door conjugatie.................................................................................................18
9.2 Transposons en virussen......................................................................................................................... 19
9.2.1. Mobiele genetische elementen coderen voor de componenten die nodig zijn voor hun mobiliteit........19
9.2.1.1 Transposons coderen ondermeer voor het transporase enzym.......................................................20
9.2.2. Het menselijke genoom bevat twee grote families van transposon sequenties......................................20
9.2.3. Virussen kunnen bewegen tussen cellen en tussen organismen.............................................................21
9.2.3.1 Verschillende types virussen.............................................................................................................22
9.2.3.2 Corona virus.......................................................................................................................................23
9.2.4. Retrovirussen keren de normale stroom van genetische informatie om.................................................23
9.3 Reconstructie van de stamboom van het leven.......................................................................................24
9.3.1. Genen die een selectief voordeel bieden zijn behouden in evolutie.........................................................24
1
, 9.3.1.1 De genetische drift tussen twee lijnen (generaties) bij de mens bedraagt 200 nucleotiden per
generatie........................................................................................................................................................25
9.3.1.2 Evolutie door graduele veranderingen in het genoom.....................................................................25
9.3.1.3 Fylogenetische stamboom bij hogere primaten...............................................................................26
9.3.2. Mens en chimpansee genomen en chromosomen zijn erg gelijkaardig..................................................27
9.3.2.1 1,2% nucleotiden verschil tusse homo sapiens en pan troglodytes.................................................27
9.3.2.2 Een voorbeeld van een sequentievergelijking...................................................................................27
9.3.2.3 Fylogenetische stamboom van primaten..........................................................................................28
............................................................................................................................................................................29
9.3.2.4 Fylogenetische stamboom van hominide soorten (tussen chimpansee en hedendaagse mens)....29
9.3.2.5 Waarom verschillen we van de chimpansee?...................................................................................29
9.3.3. Vergelijking van het genoom tussen mens en muis.................................................................................30
9.3.3.1 Chromosoomherschikking tussen mens en muis..............................................................................31
9.3.3.2 Sequentieverschillen tussen mens en muis.......................................................................................31
9.3.4. Vergelijking van het genoom tussen vertebraten....................................................................................32
9.3.5. Sommige genetische informatie is geconserveerd sinds het begin van het leven...................................34
............................................................................................................................................................................34
9.3.6 Sommige genetische informatie is geconserveerd sinds het begin van het leven....................................34
9.3.6.1 Wat is de evolutionele verwantschap tussen genen?.......................................................................35
9.3.6.2 De boom van het leven vertoont 3 domeinen..................................................................................36
9.3.6.3 De recente ontdekkingen van een verboren wereld: een nieuwe “tree of life”...............................36
9.3.6.4 Primordiale cellen vertoonden een uitgesproken genetische promiscuiteit *...................................36
9.3.6.5 Een fylogenetisch netwerk i.p.v. fylogenetische stamboom.............................................................37
.......................................................................................................................................................................37
9.4 De studie van het menselijke genoom.................................................................................................... 37
9.4.1 (Des)Organisatie van het genoom............................................................................................................37
9.4.1.1 Statistieken van het menselijke genoom...........................................................................................38
9.4.1.2 Het menselijke genoom: vrij toegankelijk op het internet................................................................38
9.4.1.3 Organisatie van een chromosoom....................................................................................................38
9.4.1.4 Het grootste deel van het genoom bestaat uit repetitieve niet-coderende sequenties (50%)........39
9.4.1.5 De genen zijn schaars verdeeld over het humane genoom..............................................................40
9.4.2 Genetische variatie leidt tot individualiteit...............................................................................................40
Hoe moeten we het genoom verder ontcijferen?..........................................................................................41
9.4.2.1 Verschillen in de genregulatie verklaren waarom dieren met gelijkaardige genomen sterk
verschillen......................................................................................................................................................42
9.4.3 In het nieuws: synthetische biologie “creatie van leven” ; “engineering life”..........................................42
9.4.2.4 “Whole genome sequencing” en “personalized medicine”..............................................................42
9.4.2.5 In het nieuws: CRISPR-CAS – Genome editing...................................................................................43
H9: Essentiële concepten............................................................................................................................. 43
H9: Belangrijke begrippen............................................................................................................................ 44
H9: Genomen en kine................................................................................................................................... 46
2
,Er is:
- 0,1% DNA verschil tussen individuen
- 1% DNA verschil tussen primaten
- 0,2% DNA verschil tussen de mens en een neanderthaler
Centrale vraagstelling H9:
• Hoe ontstaat genetische variatie en hoe stuurt dit de evolutie?
• Hoe ontstaan nieuwe diersoorten?
• Hoe is de mens als soort ontstaan?
• Hoe sterk verschillen we onderling en hoe komt dit?
• Hoe verwant zijn we met andere diersoorten en primitieve organismen?
• Welke informatie halen we uit een genoom en DNA sequenties?
• Wat kan je leren uit de sequentie van je persoonlijke genoom?
Evolutie van het genoom ( = DNA veranderingen van het genoom)
Vergelijken van genomen
Als we de letters van het DNA goed begrijpen en waarom we verschillen, is dit een stap naar
de gepersonaliseerde geneeskunde. We kunnen proberen te begrijpen waarom iemand ziek
wordt (waarom DNA verschilt)
9.1 Hoe ontstaat genetische variatie
Alle tussentitels zijn de zaken die een invloed hebben op veranderingen van DNA op
moleculair niveau
Zes verschillende mechanismen die genen en genomen kunnen wijzigen en die leiden tot
genetische variatie en evolutie:
Leidt tot verandering van het eiwitstabiliteit, activiteit, localizatie, interacties
Verandering expressiepatroon van een gen/eiwit(tijd en plaats)
Duplicaties (exon/gen/genoom): Mutaties in 1 kopij zijn tolereerbaar; 1 kopij muteert tot
nieuwe functie
Hybride genen = hercombineren van DNA sequenties leidt tot nieuwe genen (breekpunten
meestal in lange introns)
3
, overdracht genetische informatie tussen verschillende individuen of species (↔ normaal
verticale gentransfer)
In de evolutie worden genomen nooit uitgevonden: het is een verandering aan bestaande
DNA sequenties die nieuwe genomen doet ontstaan (variaties op bestaande thema’s)
geleidelijk proces over miljoenen jaren met soms radicale gevolgen
Overzicht van genetische variaties en waar ze vandaan komen:
4
