4 Extrachromosomaal DNA - Secundair

22
4
Als we het over DNA hebben, bedoelen we gewoonlijk het DNA in de celkern. Ook buiten de celkern komt
er DNA voor: het extrachromosomaal DNA. Zo komt er een kleine hoeveelheid DNA voor in de mitochondriën
en in de chloroplasten. In prokaryote cellen van bacteriën is er extrachromosomaal DNA in de vorm van
plasmiden.
4.1 Mitochondriaal DNA
Mitochondriën bezitten eigen ringvormig DNA, het mitochondriaal DNA of mtDNA. Het draagt de informatie
om eigen ribosomaal RNA en een deel van de eigen proteïnen aan te maken. Daardoor zijn mitochondriën
gedeeltelijk autonome celorganellen. Ze zijn voor hun werking slechts voor een deel afhankelijk van informatie
in het kern-DNA.
Zoals je weet, zijn mitochondriën de centra van de celademhaling en de energieproductie. Ze komen zeer talrijk
voor in spiercellen en zenuwcellen. Storingen in de werking van de mitochondriën veroorzaken aandoeningen
in organen die veel energie nodig hebben, zoals het hart, de spieren en de hersenen.
Het eigenaardige van het mitochondriaal DNA is dat het alleen langs de moeder wordt doorgegeven aan de
nakomelingen. Dat komt omdat bij de bevruchting de mitochondriën van de zaadcel achterblijven in de afgebroken
staart van de zaadcel. Die staart komt dus niet binnen in de eicel. Alleen de mitochondriën in het cytosol
van de eicel worden doorgegeven aan de nakomeling. Daardoor is het mogelijk om verwantschap langs moederszijde
ondubbelzinnig vast te leggen.
Mitochondriaal DNA blijkt meer frequent te veranderen (muteren). Op dit gegeven zijn vaak de stambomen van
soorten gebaseerd. Het is gemakkelijker om mitochondriaal DNA te analyseren dan kern-DNA omdat het in
grote hoeveelheden voorkomt in vele cellen door het grote aantal mitochondriën.
4.2 DNA in chloroplasten
In plantencellen komt er extrachromosomaal DNA voor in de chloroplasten. Daarmee kunnen in de
chloroplasten een deel van de eigen proteïnen aangemaakt worden. De synthese van de overige proteïnen vereist
de informatie aanwezig in het kern-DNA.
4.3 Plasmiden
Extrachromosomaal DNA
In bacteriën (prokaryoten) ligt het DNA los in het cytoplasma
en is het niet geassocieerd met histonen. Het
komt voor in twee vormen:
• een chromosoom: één enkele grote, cirkelvor mige
DNA-dubbelstreng
• een plasmide: een extrachromosomale en kleine,
cirkelvormige DNA-dubbelstreng, die dikwijls voorkomt
in meerdere kopieën.
Plasmiden repliceren zich onafhankelijk van het chromosoom
en worden gemakkelijk doorgegeven van de ene
naar de andere bacterie. We zullen later zien dat plasmiden
gebruikt worden in de biotechnologie. Daar
dienen ze als vervoersinstrument om vreemd DNA in
cellen binnen te loodsen.
Ook in cellen van eukaryoten komen soms plasmiden
voor, bv. in gistcellen.
chromosoom
INKIJKEXEMPLAAR
plasmide
Fig. 1.25 Schematische
voorstelling van een bacterie
Fig. 1.26 Gekleurd EM-beeld van plasmiden
van de bacterie Escherichia coli

STRUCTUUR VAN
CHROMATINE EN CHRO-
MOSOMEN IN DE CEL
1 Het leven van een cel in een notendop
Een cel doorloopt een fase waarin ze in omvang toeneemt, daarna
deelt ze zich in twee. Dat proces, celgroei gevolgd door celdeling,
heet de celcyclus. Ruwweg bestaat een celcyclus uit een
groeifase, nl. de interfase en een fase van celdeling.
Zowel in de interfase als tijdens de fase van de celdeling ge beuren
er vooral in de celkern grote veranderingen.
2 De celkern in de interfase
In eukaryote cellen is de celkern of nucleus duidelijk afgescheiden van het cytoplasma door een dubbel membraan:
het kernmembraan.
Verspreid in het kernmembraan komen kernporiën voor. Langs die kernporiën is er uitwisseling van stoffen
tussen cytosol en kerninhoud mogelijk.
De nucleoli of kernlichaampjes zijn de aanmaakplaatsen van ribosomaal RNA (rRNA), dat nodig
is voor de opbouw van ribosomen.
Het grootste deel van de kerninhoud is de chromatine. Het is een warrig netwerk van chromatinevezels.
Die draadvormige structuren zijn hoofdzakelijk opgebouwd uit DNA en specifieke proteïnen, nl. histonen.
DNA is het genetische materiaal dat de informatie bevat om in cellen proteïnen aan te maken.
DNA
chemische samenstelling ruimtelijke structuur
DNA behoort tot de nucleïnezuren, macromoleculen
opgebouwd uit een groot aantal bouwstenen, de
nucleotiden. DNA is dus een polynucleotide.
Elke nucleotide van het DNA bestaat uit drie aan
elkaar gebonden moleculen:
• een desoxyribose
• een fosfaatgroep
• een base waarvan er vier verschillende zijn: adenine
(A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T).
In DNA kunnen dus vier verschillende nucleotiden
voorkomen, afhankelijk van de aard van de base.
De basensequentie in een DNA-molecule is een soort van
code. Een DNA-fragment dat de code bevat voor
de aanmaak van een polypeptide noemen we een
gen. De opvouwing van polypeptiden leidt tot proteïnen
die uiteindelijk de erfelijke eigenschappen realiseren.
SAMENVATTING
interfase 21 uur
1 uur
celdeling
DNA is een dubbele helix, opgebouwd uit twee
strengen van nucleotiden. Die vormen twee suikerfosfaatruggengraten
verbonden door basenparen.
De twee strengen zijn schroefvormig gedraaid
rond een denkbeeldige as.
DNA heeft een complementaire structuur,
d.w.z. dat A altijd tegenover T ligt en G altijd
tegenover C. De intermoleculaire krachten tussen
de basen zijn waterstofbruggen (H-bruggen).
DNA heeft een antiparallelle structuur, d.w.z.
dat de twee ketens van het DNA tegengesteld georiënteerd
zijn ten opzichte van elkaar: de linkerstreng
is 5’ 3’ georiënteerd en de rechterstreng
3’ 5’.
INKIJKEXEMPLAAR
De basensequentie in het DNA is een soort van
code en vertegenwoordigt informatie.
3’
5’
gen
Thema 1: structuur van chromatine en chromosomen in de cel
23

24
chromatine = DNA + histonen
Een chromatinevezel is het geheel van een draadvormige DNA-molecule en histonen. De histonen fungeren
daarbij als een spoel of een klos, waarrond de draadvormige DNA-moleculen kunnen worden
opgewonden.
Naast hun functie van verpakken van DNA, spelen histonen ook een regulerende rol in de manier waarop
DNA toegankelijk is voor decodering.
Het geheel, een DNA-draad gewikkeld rond een octomeer van histonen, is een nucleosoom. De nucleosomen
geven de chromatine het uitzicht van een parelsnoer. In die vorm spreken we van euchromatine,
waarin het DNA bereikbaar is voor decodering en het dus actief kan zijn.
DNA-molecule
octomeer van
histonen
DNA
nucleosoom
H1-histon
30 nm
chromatinevezel
Chromatinevezels kunnen met behulp van langgerekte H1-histonen compacter opgerold zijn. De nucleosomen
liggen dan veel dichter bij elkaar en zijn regelmatig gestapeld. We spreken van heterochromatine.
In die vorm is het DNA moeilijk te bereiken voor decodering en is het dus inactief.
DNA-replicatie
DNA-replicatie is een kopieerproces waarbij al de informatie in het DNA getrouw gekopieerd wordt tot de
dubbele hoeveelheid, om het DNA dan te verdelen over de dochtercellen.
3’
zone binnen
de replicatielus
3’
5’
D
P
D
P
T
5’
D
T
A
D
A
P
P
P
D
P
C
P
D
D
D
C
G
G
P
P
D
enzym
DNA-ligase
P
G
P
D
G
C
D
5’
C
P
P
P
D
D
D
C
G
G
P
P
P
D
D
T
A
D
A
P
P
3’
P
D
D
D
C
G
D
G
P
P
D
G
C
D
P
G
P
D
D
C
P
P
D
P
A
P
D
D
A
T
D
T
P
T
enzym
DNA-polymerase
P
P
P
D
D
T
A
D
A
P
5’
P
P
D
D
G
C
D
C
P
P
D
D
T
A
P
P
D
D
G
C
P
P
D
enzym
DNA-helicase
D
G
C
D
P
D
P
C
G
D
P
A
P
D
replicatievork
D
P
P
D
D
P
5’
3’
eerst aangehechte nucleotiden
laatst aangehechte nucleotiden
Het enzym DNA-helicase ontwindt de dubbele helix en laat de twee strengen een stukje uit elkaar gaan
door het verbreken van de H-bruggen tussen de basen.
DNA-polymerase is nodig om nieuwe nucleotiden aan te hechten op een bestaande DNA-enkelstreng.
Omdat DNA-strengen een antiparallelle oriëntatie hebben, zal DNA-polymerase aan de originele
3’ 5’-streng continu nucleotide na nucleotide aanhechten, zonder onderbreking. Op de originele
5’ 3’-streng zal de nieuwgebouwde streng discontinu tot stand komen en aanvankelijk bestaan uit korte
stukjes met onderbrekingen.
Het enzym DNA-ligase zorgt ervoor dat die korte stukjes polynucleotiden in de suiker-fosfaatruggengraat
aaneengehecht worden.
INKIJKEXEMPLAAR
Als een DNA-molecule volledig gerepliceerd is, zijn er twee nieuwe DNA-moleculen ontstaan die elk bestaan
uit een oude en een nieuwe streng. Daarom zeggen we dat DNA-replicatie semiconservatief is. De
nieuwgevormde DNA-moleculen zijn qua basensequentie onderling identiek en identiek aan de oorspronkelijke
DNA-molecule.
T
T
A
G
C
P
D
P
D

3 De celkern in de delingsfase
van chromatine tot chromosoom
Tijdens de celdelingsfase komt het erop aan de chromatine nauwkeurig
te verdelen over de dochtercellen. Daartoe gaat de chromatine
over naar zijn meest compacte vorm, nl. chromosomen.
De overgang van chromatinevezel tot chromosoom is gekenmerkt
door sterke spiralisatie en condensatie. Daarbij wordt de
chromatinevezel in lussen geplooid, die op hun beurt worden opgerold.
Elk chromosoom is in de lengterichting opgebouwd uit twee aan
elkaar vasthangende chromatiden. De twee chromatiden van
een chromosoom – we noemen ze zusterchromatiden – zijn
het resultaat van de voorafgaande DNA-replicatie en bevatten dus
identiek DNA. De plaats waar de twee zusterchromatiden samenhangen,
is het centromeer.
Chromosomen hebben de volgende eigenschappen:
• Het aantal chromosomen in de lichaamscellen is per soort constant. Dat aantal is altijd een
even getal en duiden we aan als het diploïde aantal, voorgesteld door 2n.
• In eicellen en zaadcellen, ook geslachtscellen of gameten genoemd, is slechts de helft van het diploïde
aantal chromosomen aanwezig. Dat halve aantal noemen we het haploïde aantal, voorgesteld
door n.
• Binnen het diploïde aantal chromosomen van alle organismen vinden we paren van chromosomen die even
lang zijn en hun centromeer op dezelfde plaats dragen. Die chromosomenparen bestaan uit twee overeenkomstige
of homologe chromosomen. Ze bevatten geen identieke informatie, maar wel informatie
van dezelfde aard op dezelfde plaatsen.
• De chromosomen die de informatie voor alle lichaamskenmerken behalve de geslachtskenmerken
dragen, noemen we de autosomen. De twee chromosomen die de informatie voor de geslachtskenmerken
dragen, zijn de geslachtschromosomen of heterosomen. Ze worden aangeduid met X en
Y.
Toegepast op de mens komen we tot het volgende schema:
2n = 46
44 autosomen = 22 chromosomenparen
2 heterosomen 2 X-chromosomen = XX =
1 X-chromosoom + 1 Y-chromosoom = XY =
Een karyogram is een chromosomenbeeld dat meestal gemaakt wordt voor diagnostische doeleinden.
4 Extrachromosomaal DNA
centromeer
zusterchromatiden
INKIJKEXEMPLAAR
Ook buiten de celkern komt er DNA voor: het extrachromosomaal DNA. Dat is een kleine hoeveelheid
DNA in de mitochondriën en in de chloroplasten. In prokaryote cellen van bacteriën komt er extrachromosomaal
DNA voor in de vorm van plasmiden.
Thema 1: structuur van chromatine en chromosomen in de cel
25

26
BIOSOCIAAL
THEMA
1 Karyogram en FISH-technologie
Chromosomenonderzoek
Een chromosomenonderzoek start met het afnemen van bloed. Omdat chromosomen alleen te herkennen zijn in
delende cellen, worden de witte bloedcellen gekweekt voor het maken van een geordend karyogram (rode
bloedcellen kunnen niet delen). Het ordenen van de chromosomen kan rechtstreeks afwijkingen in het aantal
chromosomen aan het licht brengen. Bijvoorbeeld in sommige gevallen van het syndroom van Down is
direct waar te nemen dat chromosoom 21 in drievoud aanwezig is en er dus in totaal 47 chromosomen zijn
i.p.v. 46 (zie Fig.1.24).
Om afwijkingen in de structuur van chromosomen vast te stellen, wordt de FISH-technologie gehanteerd.
FISH staat voor Fluorescentie In Situ Hybridisatie.
• Fluorescentie is een fysisch verschijnsel waarbij een elektron in een molecule lichtenergie absorbeert en
daardoor in aangeslagen toestand komt. Bij het terugvallen naar de grondtoestand wordt licht uitgestraald.
In het kader van FISH worden fluorescerende proteïnen gebruikt die aan DNA kunnen binden. Met een fluorescentiemicroscoop
is het mogelijk om de plaats waar de fluorescerende stof zich op een chromosoom bevindt
zichtbaar te maken. Er zijn verschillende fluorescerende proteïnen die elk met een eigen kleur oplichten
onder een fluorescentiemicroscoop.
• In situ is een Latijnse uitdrukking die letterlijk betekent ‘op de plaats’. In biologie betekent in situ dat het
mogelijk is een fenomeen te bestuderen, exact op de plaats in de cel waar het zich voordoet.
• Hybridisatie van DNA is het samenvoegen van twee complementaire DNA-strengen tot een dubbele helix.
In de FISH-technologie wordt gebruikgemaakt van een probe. Dat is een fluorescerend gemaakt stukje DNA.
De probe en het DNA van de patiënt worden eerst gedenatureerd (d.w.z. met een warmtebehandeling in
de afzonderlijke strengen gesplitst) en dan met elkaar gemengd. Als de basenvolgorde complementair is, zal
de probe hybridiseren met DNA van de patiënt. Door de fluorescerende merker aan de probe zal die plaats
op een chromosoom oplichten onder een fluorescentiemicroscoop.
probe-DNA
merken met
fluorescerende
proteïne
FISH kent talrijke diagnostische toepassingen, o.a. voor
• identificatie van afzonderlijke chromosomen
• aantonen van afwijkingen in aantallen en in structuur van chromosomen
• aantonen van de aan- of afwezigheid van specifieke genen
• prenatale diagnose
• diagnose van kanker.
probe-DNA
denaturatie en
hybridisatie
INKIJKEXEMPLAAR
DNA van de patiënt
Fig. 1.27 Overzicht van FISH-technologie.
Het probe-DNA wordt gemerkt met een
fluorescerende proteïne en zal na
hybridisatie een deel van een
chromosoom kleuren.

A B
Fig. 1.28 Chromosomen onder een fluorescentiemicroscoop na toepassing van FISH
A Normale chromosomen. De centromeren lichten roze en geel op, en de armen van
de chromosomen blauw en groen. De groengekleurde chromosomen zijn de
chromosomenparen 2, 3 en 5.
B Abnormale chromosomen. Een chromosoomstuk werd verplaatst van een groen
chromosoom naar een roze-blauw chromosoom.
Wanneer de FISH-analyse abnormale chromosomen aan het licht brengt, kan een verder doorgedreven DNAonderzoek
volgen. Dat komt neer op het bepalen van de DNA-basenvolgorde in het betreffende deel van het
chromosoom.
2 Wie komt in aanmerking voor chromosomenonderzoek?
verplaatsing van een chromosoomstuk
Een chromosomenonderzoek laten uitvoeren, is niet voor iedereen vanzelfsprekend. Het is zeker aangewezen
als er sprake is van een aangeboren afwijking; ‘aangeboren’ betekent dat de symptomen van de afwijking
al aanwezig zijn bij de geboorte.
Een aangeboren afwijking kan erfelijk zijn; erfelijke aandoening en aangeboren afwijking zijn echter geen
synoniemen: enerzijds zijn er erfelijke aandoeningen die zich niet manifesteren bij de geboorte (bv. de ziekte
van Huntington, een neurologische aandoening die pas tot uiting komt tussen 35 en 45 jaar), anderzijds zijn er
aangeboren afwijkingen die niet erfelijk zijn (bv. spina bifida of open rug, een ontwikkelingsstoornis van het
ruggenmerg en de wervelkolom in de embryonale fase).
In volgende gevallen is een chromosomenonderzoek aangewezen:
• bij ouders die een kind hebben met een aangeboren en/of mogelijk erfelijke aandoening
• wanneer in de familie van een persoon of in de familie van zijn/haar partner een mogelijk erfelijke en/of
aangeboren aandoening voorkomt
• wanneer een persoon of zijn/haar partner zelf een aangeboren en/of mogelijk erfelijke aandoening heeft
• wanneer een vrouw op latere leeftijd (ouder dan 35 jaar) zwanger wordt en de kans op een chromosomale
afwijking daardoor toeneemt.
Chromosomenonderzoek wordt uitgevoerd in centra voor menselijke erfelijkheid. In Vlaanderen zijn er
vier, verbonden aan de universiteiten van Antwerpen, Brussel, Gent en Leuven. In een centrum voor menselijke
erfelijkheid wordt onderzoek gedaan naar het erfelijk karakter van aandoeningen. Er worden ook technieken
ontwikkeld om erfelijke ziekten te voorkomen.
INKIJKEXEMPLAAR
Het onderzoek gebeurt multidisciplinair. Dat betekent dat medewerkers met een zeer verschillende opleiding
samenwerken (bv. artsen, genetici, psychologen, maatschappelijk werkers ...). Op die manier is het mogelijk om
de onderzoeksresultaten beter te analyseren en eventueel een diagnose te stellen.
Als het chromosomenonderzoek een erfelijke aandoening aan het licht brengt, zal er erfelijkheidsadvies
gegeven worden aan de betrokken personen. In dat geval wordt verduidelijkt wie de aanleg heeft voor de erfelijke
aandoening en welke herhalingskans er zich kan voordoen. Leden van het multidisciplinaire team zullen ook
begeleiding geven om een ongunstig advies te verwerken.
Thema 1: structuur van chromatine en chromosomen in de cel
27