WEEK 5: DNA-REPLICATIE, -SCHADEHERSTEL EN RECOMBINATIE (H5 237-295)
De processen DNA replicatie, -schade en recombinatie bepalen alle 3 hoe de DNA-sequenties
doorgegeven worden van generatie op generatie. De processen zorgen ervoor dat de DNA-sequentie
grotendeels onveranderd doorgegeven wordt, maar het zorgt ook voor genetische variatie in de
sequentie.
DNA REPLICATIE
THE MAINTENANCE OF DNA SEQUENCES
Mutaties kunnen het functioneren van cellen verstoren, wat gevolgen kan hebben voor het hele
individu. Mutaties in somatische cellen kunnen bijvoorbeeld tot kanker leiden. Mutaties in
geslachtscellen kunnen zorgen voor ongezond nageslacht, maar kunnen ook zorgen voor variatie
binnen de soort. Deze variatie maakt het mogelijk dat er in het nageslacht individuen ontstaan die
beter zijn aangepast aan een veranderende omgeving en daardoor een betere overlevingskans
hebben.
In mensen komt naar schatting 1 mutatie per 10 10 nucleotiden per celdeling voor. Veel mutaties zijn
silent, wat betekent dat ze geen verandering veroorzaken in het functioneren van de cel. Dat kan
bijvoorbeeld gebeuren als de mutatie zich in een niet-functioneel gebied in het genoom bevindt. Ook
mutaties in coderende sequenties voor hetzelfde aminozuur codeert als de orginele DNA-sequentie,
of als de nieuwe DNA-sequentie wel voor een ander aminozuur codeert, maar dit aminozuur de
functie van het eiwit niet verandert.
Figuur 5-1; Kiembaancellen en somatische cellen vervullen fundamenteel verschillende functies. In seksueel voortplantende organismen
verspreiden de kiembaancellen (rood) genetische informatie naar de volgende generatie. Somatische cellen (blauw), die het lichaam van
het organisme vormen, zijn noodzakelijk voor de overleving van kiembaancellen, maar laten zelf geen nageslacht achter.
Kiembaancellen (germ cells, oftewel voorlopers van de geslachtscellen) dragen genetische informatie
door naar nakomelingen, somatische cellen zijn cellen die het lichaam van een organisme vormen.
Een lage mutatie rate (hoe snel veranderingen in DNA-sequenties optreden) in kiemcellen is
essentieel voor behoud van soort en een lage mutatie rate in somatische cellen is essentieel om de
georganiseerde structuur van het lichaam te behouden (om alle cellulaire processen te behouden).
Wanneer dit laatste niet het geval is, kan ongecontroleerde celdeling optreden, wat kan leiden tot
kanker.
Als een individu geboren wordt met een erfelijke aandoening die door een novo mutatie wordt
veroorzaakt, kan de mutatie op drie plaatsen ontstaan zijn:
1. in de zaadcel van de vader
2. in de eicel van de moeder
3. vlak na de bevruchting in de zygote
Het individu kan deze mutatie via zijn/haar geslachtscellen weer doorgeven aan het nageslacht.
,THE MAINTENANCE OF DNA SEQUENCES - SUMMARY
In all cells, DNA sequences are maintained and replicated with high fidelity. The mutation rate,
approximately one nucleotide change per 1010 nucleotides each time the DNA is replicated, is roughly
the same for organisms as different as bacteria and humans. Because of this remarkable accuracy,
the sequence of the human genome (approximately 3.2 × 10 9 nucleotide pairs) is unchanged or
changed by only a few nucleotides each time a typical human cell divides. This allows most humans to
pass accurate genetic instructions from one generation to the next, and also to avoid the changes in
somatic cells that lead to cancer.
DNA REPLICATION MECHANISMS
Het principe van base-paring zorgt ervoor dat er een template aanwezig is die voor DNA-replicatie en
DNA-schadeherstel gebruikt kan worden. Om een DNA streng te kunnen repliceren moet het DNA
worden gescheiden in twee DNA template strands. Deze template strengen dienen als matrijs om
een complementaire DNA streng aan te kunnen vormen. DNA polymerase is een nucleotide-
polymeriserend enzym en synthetiseert de complementaire streng op de template streng.
DNA-replicatie vindt plaats op een semi-conservatieve manier (figuur 5-5). DNA-polymerase kan alleen
van 5’ -> 3’ synthetiseren, omdat de koppeling van de trifosfaat van het nieuwe nucleotide aan de 3’-
OH kant van de nieuw gesynthetiseerde streng een energetisch gunstige reactie is. Nieuwe
nucleotiden worden dus alleen aan de 3’-OH kant ingebouwd, waardoor de lagging-strand verlengd
wordt in Okazaki-fragmenten. De streng die continu gesynthetiseerd wordt, wordt de leading-strand
genoemd. De y-vormige structuur van de replicatievork is dus assymmetrisch.
Figuur 5-3 Figuur 5-4
Figuur 5-7
De mutation rate van DNA replicatie is slechts 1 op de 10 10 nucleotiden (tabel 5-1); dit is veel minder
dan verwacht als je kijkt naar hoe vaak (relatief) baseparing nog fout gaat: 1 op de 10 4-105
baseparingen. DNA-polymerase heeft drie proofreading stappen:
, 1. Een correct ingebouwde nucleotide heeft hogere affiniteit voor het DNA-polymerase omdat een
goede base-paring een energetisch gunstigere reactie is. De vereiste conformatieverandering van het
enzym gaat ook makkelijker als de juiste nucleotide is gebonden aan DNA-polymerase.
2. DNA-Polymerae doet een ‘double-check’ na het binden van de nucleotide, maar voordat de
nucleotide covalent gebonden is.
3. DNA-polymerase heeft 3'- to-5'exonuclease activiteit waarmee het ingebouwde nucleotiden die
niet goed baseparen, en dus geen gebasepaarde 3'-OH-kant hebben, weg kan halen
Figuur 5-9 Tabel 5-1
Figuur 5-8
Alleen wanneer DNA gerepliceerd wordt van 5' tot 3', kunnen fouten effciënt worden hersteld. Stel,
het DNA zou van 3' tot 5' gerepliceerd worden, dan zit de activerende trifosfaat verbinding aan het
uiteinde van de nieuwe DNA streng, i.p.v. in de nieuwe nucleotide. Wanneer er in deze situatie een
foute nucleotide 'weg gehydrolyseerd' wordt, blijft er een kale 5'-kant over, waaraan geen nieuwe
nucleotide gekoppeld kan worden. Het repliceren van het DNA
wordt dan gestopt.
Omdat DNA polymerase geen strengen de novo kan beginnen is er
een RNA primer nodig die dienen als startpunt voor DNA-
polymerase: voor de leading strand slechts één, voor de lagging
strand bij ieder nieuw Okazaki-fragment. RNA primers worden
gesynthetiseerd door DNA primase en vormen een plaatselijke
DNA-RNA hybride. DNA polymerase kan vervolgens verlengen aan
de primer tot aan de 5’-kant van het vorige Okazaki-fragment. Hier
worden de 3’OH- en het 5’P-uiteindes verbonden door DNA ligase
die een fosfodiësterbinding vormt.
De processen DNA replicatie, -schade en recombinatie bepalen alle 3 hoe de DNA-sequenties
doorgegeven worden van generatie op generatie. De processen zorgen ervoor dat de DNA-sequentie
grotendeels onveranderd doorgegeven wordt, maar het zorgt ook voor genetische variatie in de
sequentie.
DNA REPLICATIE
THE MAINTENANCE OF DNA SEQUENCES
Mutaties kunnen het functioneren van cellen verstoren, wat gevolgen kan hebben voor het hele
individu. Mutaties in somatische cellen kunnen bijvoorbeeld tot kanker leiden. Mutaties in
geslachtscellen kunnen zorgen voor ongezond nageslacht, maar kunnen ook zorgen voor variatie
binnen de soort. Deze variatie maakt het mogelijk dat er in het nageslacht individuen ontstaan die
beter zijn aangepast aan een veranderende omgeving en daardoor een betere overlevingskans
hebben.
In mensen komt naar schatting 1 mutatie per 10 10 nucleotiden per celdeling voor. Veel mutaties zijn
silent, wat betekent dat ze geen verandering veroorzaken in het functioneren van de cel. Dat kan
bijvoorbeeld gebeuren als de mutatie zich in een niet-functioneel gebied in het genoom bevindt. Ook
mutaties in coderende sequenties voor hetzelfde aminozuur codeert als de orginele DNA-sequentie,
of als de nieuwe DNA-sequentie wel voor een ander aminozuur codeert, maar dit aminozuur de
functie van het eiwit niet verandert.
Figuur 5-1; Kiembaancellen en somatische cellen vervullen fundamenteel verschillende functies. In seksueel voortplantende organismen
verspreiden de kiembaancellen (rood) genetische informatie naar de volgende generatie. Somatische cellen (blauw), die het lichaam van
het organisme vormen, zijn noodzakelijk voor de overleving van kiembaancellen, maar laten zelf geen nageslacht achter.
Kiembaancellen (germ cells, oftewel voorlopers van de geslachtscellen) dragen genetische informatie
door naar nakomelingen, somatische cellen zijn cellen die het lichaam van een organisme vormen.
Een lage mutatie rate (hoe snel veranderingen in DNA-sequenties optreden) in kiemcellen is
essentieel voor behoud van soort en een lage mutatie rate in somatische cellen is essentieel om de
georganiseerde structuur van het lichaam te behouden (om alle cellulaire processen te behouden).
Wanneer dit laatste niet het geval is, kan ongecontroleerde celdeling optreden, wat kan leiden tot
kanker.
Als een individu geboren wordt met een erfelijke aandoening die door een novo mutatie wordt
veroorzaakt, kan de mutatie op drie plaatsen ontstaan zijn:
1. in de zaadcel van de vader
2. in de eicel van de moeder
3. vlak na de bevruchting in de zygote
Het individu kan deze mutatie via zijn/haar geslachtscellen weer doorgeven aan het nageslacht.
,THE MAINTENANCE OF DNA SEQUENCES - SUMMARY
In all cells, DNA sequences are maintained and replicated with high fidelity. The mutation rate,
approximately one nucleotide change per 1010 nucleotides each time the DNA is replicated, is roughly
the same for organisms as different as bacteria and humans. Because of this remarkable accuracy,
the sequence of the human genome (approximately 3.2 × 10 9 nucleotide pairs) is unchanged or
changed by only a few nucleotides each time a typical human cell divides. This allows most humans to
pass accurate genetic instructions from one generation to the next, and also to avoid the changes in
somatic cells that lead to cancer.
DNA REPLICATION MECHANISMS
Het principe van base-paring zorgt ervoor dat er een template aanwezig is die voor DNA-replicatie en
DNA-schadeherstel gebruikt kan worden. Om een DNA streng te kunnen repliceren moet het DNA
worden gescheiden in twee DNA template strands. Deze template strengen dienen als matrijs om
een complementaire DNA streng aan te kunnen vormen. DNA polymerase is een nucleotide-
polymeriserend enzym en synthetiseert de complementaire streng op de template streng.
DNA-replicatie vindt plaats op een semi-conservatieve manier (figuur 5-5). DNA-polymerase kan alleen
van 5’ -> 3’ synthetiseren, omdat de koppeling van de trifosfaat van het nieuwe nucleotide aan de 3’-
OH kant van de nieuw gesynthetiseerde streng een energetisch gunstige reactie is. Nieuwe
nucleotiden worden dus alleen aan de 3’-OH kant ingebouwd, waardoor de lagging-strand verlengd
wordt in Okazaki-fragmenten. De streng die continu gesynthetiseerd wordt, wordt de leading-strand
genoemd. De y-vormige structuur van de replicatievork is dus assymmetrisch.
Figuur 5-3 Figuur 5-4
Figuur 5-7
De mutation rate van DNA replicatie is slechts 1 op de 10 10 nucleotiden (tabel 5-1); dit is veel minder
dan verwacht als je kijkt naar hoe vaak (relatief) baseparing nog fout gaat: 1 op de 10 4-105
baseparingen. DNA-polymerase heeft drie proofreading stappen:
, 1. Een correct ingebouwde nucleotide heeft hogere affiniteit voor het DNA-polymerase omdat een
goede base-paring een energetisch gunstigere reactie is. De vereiste conformatieverandering van het
enzym gaat ook makkelijker als de juiste nucleotide is gebonden aan DNA-polymerase.
2. DNA-Polymerae doet een ‘double-check’ na het binden van de nucleotide, maar voordat de
nucleotide covalent gebonden is.
3. DNA-polymerase heeft 3'- to-5'exonuclease activiteit waarmee het ingebouwde nucleotiden die
niet goed baseparen, en dus geen gebasepaarde 3'-OH-kant hebben, weg kan halen
Figuur 5-9 Tabel 5-1
Figuur 5-8
Alleen wanneer DNA gerepliceerd wordt van 5' tot 3', kunnen fouten effciënt worden hersteld. Stel,
het DNA zou van 3' tot 5' gerepliceerd worden, dan zit de activerende trifosfaat verbinding aan het
uiteinde van de nieuwe DNA streng, i.p.v. in de nieuwe nucleotide. Wanneer er in deze situatie een
foute nucleotide 'weg gehydrolyseerd' wordt, blijft er een kale 5'-kant over, waaraan geen nieuwe
nucleotide gekoppeld kan worden. Het repliceren van het DNA
wordt dan gestopt.
Omdat DNA polymerase geen strengen de novo kan beginnen is er
een RNA primer nodig die dienen als startpunt voor DNA-
polymerase: voor de leading strand slechts één, voor de lagging
strand bij ieder nieuw Okazaki-fragment. RNA primers worden
gesynthetiseerd door DNA primase en vormen een plaatselijke
DNA-RNA hybride. DNA polymerase kan vervolgens verlengen aan
de primer tot aan de 5’-kant van het vorige Okazaki-fragment. Hier
worden de 3’OH- en het 5’P-uiteindes verbonden door DNA ligase
die een fosfodiësterbinding vormt.
