| Genen en chromosomen | meer fundamentals |
Het onderstaande is de letterlijke vertaling van de online versie van de
Merck Manual, consumer version.
Lees meer over de Merck Manuals.
Let op: in deze pagina moeten nog de broodnodige links worden aangebracht.
|
Wat is het? Genen zijn segmenten van desoxyribonucleïnezuur (DNA) die de code bevatten voor een specifiek eiwit dat in een of meer soorten cellen in het lichaam functioneert, of de code voor functionele ribonucleïnezuur (RNA)-moleculen. Chromosomen zijn structuren in cellen die de genen van een persoon bevatten. |
- genen bevinden zich in chromosomen, die zich in de celkern bevinden.
- een chromosoom bevat honderden tot duizenden genen.
- elke normale menselijke cel bevat 23 paar chromosomen, in totaal 46 chromosomen.
- een eigenschap is een door genen bepaalde karakteristiek en wordt vaak door meer dan één gen bepaald.
- sommige eigenschappen worden veroorzaakt door gemuteerde genen die worden geërfd of het gevolg zijn van een nieuwe genmutatie.
Eiwitten zijn waarschijnlijk de belangrijkste klasse van stoffen in het lichaam. Eiwitten zijn niet alleen bouwstenen voor spieren, bindweefsel, huid en andere structuren. Ze zijn ook nodig voor de aanmaak van enzymen. Enzymen zijn complexe eiwitten die bijna alle chemische processen en reacties in het lichaam regelen en uitvoeren. Het lichaam produceert duizenden verschillende enzymen. De volledige structuur en functie van het lichaam wordt dus bepaald door de soorten en hoeveelheden eiwitten die het lichaam aanmaakt. De eiwitsynthese wordt geregeld door genen, die zich op chromosomen bevinden.
Het genotype (of genoom) is de unieke combinatie van genen of genetische samenstelling van een persoon. Het genotype is dus een complete set instructies over hoe het lichaam van die persoon eiwitten aanmaakt en dus hoe dat lichaam gebouwd en functioneert.
Het fenotype
Een karyotype is een afbeelding van de volledige set chromosomen in de cellen van een persoon.
Genen
Mensen hebben ongeveer 20.000 tot 23.000 genen.
DNA
Genen bestaan uit desoxyribonucleïnezuur (DNA). DNA bevat de code, of blauwdruk, die wordt gebruikt om een eiwit of een ribonucleïnezuur (RNA)-molecuul te synthetiseren. Genen variëren in grootte, afhankelijk van de grootte van de eiwitten of het RNA waarvoor ze coderen.
Elk DNA-molecuul is een lange dubbele helix die lijkt op een wenteltrap met miljoenen treden. De treden van de trap bestaan uit paren van vier soorten moleculen die basen (nucleotiden) worden genoemd. In elke trede wordt de base adenine (A) gekoppeld aan de base thymine (T), of wordt de base guanine (G) gekoppeld aan de base cytosine (C). Elk extreem lang DNA-molecuul is opgerold in een van de chromosomen.
| Structuur van DNA | |
 |
DNA (desoxyribonucleïnezuur) is het genetisch materiaal van de cel en bevindt zich in chromosomen in de celkern en mitochondriën. Behalve bepaalde cellen (bijvoorbeeld sperma- en eicellen en rode bloedcellen) bevat de celkern 23 paar chromosomen. Een chromosoom bevat veel genen. Een gen is een segment van DNA dat de code bevat voor de opbouw van een eiwit- of RNA-molecuul. Het DNA-molecuul is een lange, opgerolde dubbele helix die lijkt op een wenteltrap. Daarin zijn twee strengen, bestaande uit suiker (deoxyribose) en fosfaatmoleculen, met elkaar verbonden door paren van vier moleculen die basen worden genoemd en die de treden van de trap vormen. In de treden is adenine gekoppeld aan thymine en guanine aan cytosine. Elk paar basen wordt bij elkaar gehouden door een waterstofbrug. Een gen bestaat uit een reeks basen. Reeksen van drie basen coderen voor een aminozuur (aminozuren zijn de bouwstenen van eiwitten) of andere informatie. |
Eiwitten synthetiseren
Eiwitten bestaan uit een lange keten van aminozuren die achter elkaar zijn gekoppeld. Er zijn 20 verschillende aminozuren die kunnen worden gebruikt bij de eiwitsynthese. Sommige moeten uit de voeding komen (essentiële aminozuren) en sommige worden door enzymen in het lichaam aangemaakt. Wanneer een keten van aminozuren wordt samengevoegd, vouwt deze zich op zichzelf om een complexe driedimensionale structuur te vormen. De vorm van de gevouwen structuur bepaalt de functie ervan in het lichaam. Omdat de vouwing wordt bepaald door de precieze volgorde van aminozuren, resulteert elke verschillende volgorde in een ander eiwit. Sommige eiwitten (zoals hemoglobine) bevatten verschillende gevouwen ketens. Instructies voor het synthetiseren van eiwitten zijn gecodeerd in het DNA.
Codering
Informatie wordt in DNA gecodeerd door de volgorde waarin de basen (A, T, G en C) zijn gerangschikt. De code wordt in tripletten geschreven. Dat wil zeggen dat de basen in groepen van drie zijn gerangschikt. Bepaalde sequenties van drie basen in DNA coderen voor specifieke instructies, zoals de toevoeging van één aminozuur aan een keten. GCT (guanine, cytosine, thymine) codeert bijvoorbeeld voor de toevoeging van het aminozuur alanine, en GTT (guanine, thymine, thymine) codeert voor de toevoeging van het aminozuur valine. De volgorde van aminozuren in een eiwit wordt dus bepaald door de volgorde van tripletbasenparen in het gen voor dat eiwit op het DNA-molecuul. Het proces waarbij gecodeerde genetische informatie wordt omgezet in een eiwit omvat transcriptie en translatie.
Transcriptie en translatie
Transcriptie is het proces waarbij informatie die in DNA is gecodeerd, wordt overgebracht (getranscribeerd) naar ribonucleïnezuur (RNA). RNA is een lange keten van basen, net als een DNA-streng, behalve dat de base uracil (U) de base thymine (T) vervangt. RNA bevat dus net als DNA informatie die in tripletten is gecodeerd.
Wanneer de transcriptie wordt gestart, opent een deel van de DNA-dubbele helix zich en ontrafelt zich. Een van de afgewikkelde DNA-strengen fungeert als een sjabloon waartegen een complementaire RNA-streng wordt gevormd. De complementaire RNA-streng wordt boodschapper-RNA (mRNA) genoemd. Het mRNA scheidt zich van het DNA, verlaat de kern en reist naar het cytoplasma van de cel (het deel van de cel buiten de kern). Daar hecht het mRNA zich aan een ribosoom, een kleine structuur in de cel waar eiwitsynthese plaatsvindt.
Bij translatie vertelt de mRNA-code (van het DNA) het ribosoom de volgorde en het type aminozuren die aan elkaar moeten worden gekoppeld. De aminozuren worden naar het ribosoom gebracht door een veel kleiner type RNA, transfer-RNA (tRNA) genaamd. Elk molecuul tRNA brengt één aminozuur dat wordt opgenomen in de groeiende eiwitketen, die onder invloed van nabijgelegen moleculen, chaperonne-moleculen genaamd, wordt gevouwen tot een complexe driedimensionale structuur.
Controle van genexpressie
Er zijn veel soorten cellen in het lichaam van een mens, zoals hartcellen, levercellen en spiercellen. Deze cellen zien er anders uit, gedragen zich anders en produceren zeer verschillende chemische stoffen. Elke cel is echter afkomstig van één enkele bevruchte eicel en bevat dus in wezen hetzelfde DNA. Cellen krijgen hun zeer verschillende uiterlijk en functies omdat verschillende genen in verschillende cellen (en op verschillende tijdstippen in dezelfde cel) tot expressie komen. De informatie over wanneer een gen tot expressie moet komen, is ook gecodeerd in het DNA. Genexpressie is afhankelijk van het type weefsel, de leeftijd van de persoon, de aanwezigheid van specifieke chemische signalen en tal van andere factoren en mechanismen. De kennis over deze andere factoren en mechanismen die genexpressie regelen, groeit snel, maar veel van deze factoren en mechanismen zijn nog steeds slecht begrepen.
De mechanismen waarmee genen elkaar beïnvloeden, zijn zeer complex. Genen hebben chemische markeringen die aangeven waar de transcriptie moet beginnen en eindigen. Verschillende chemische stoffen (zoals histonen) in en rond het DNA blokkeren of staan transcriptie toe. Ook kan een RNA-streng, antisense RNA genaamd, zich koppelen aan een complementaire mRNA-streng en de translatie blokkeren.
Replicatie
Cellen reproduceren zich door zich in tweeën te delen. Omdat elke nieuwe cel een complete set DNA-moleculen nodig heeft, moeten de DNA-moleculen in de oorspronkelijke cel zichzelf reproduceren (repliceren) tijdens de celdeling. Replicatie gebeurt op een manier die vergelijkbaar is met transcriptie, behalve dat het volledige dubbelstrengs DNA-molecuul zich ontrafelt en in tweeën splitst. Na de splitsing binden de basen op elke streng zich aan complementaire basen (A met T en G met C) die in de buurt zweven. Wanneer dit proces voltooid is, zijn er twee identieke dubbelstrengs DNA-moleculen.
Mutatie
Om fouten tijdens de replicatie te voorkomen, hebben cellen een 'proefleesfunctie' die ervoor zorgt dat basen correct worden gekoppeld. Er zijn ook chemische mechanismen om DNA te herstellen dat niet correct is gekopieerd. Vanwege de miljarden basenparen die bij het eiwitsyntheseproces betrokken zijn en de complexiteit ervan, kunnen er echter fouten optreden. Dergelijke fouten kunnen om tal van redenen (waaronder blootstelling aan straling, medicijnen of virussen) of zonder duidelijke reden optreden. Kleine variaties in DNA komen zeer vaak voor en komen bij de meeste mensen voor. De meeste variaties hebben geen invloed op latere kopieën van het gen. Fouten die in latere kopieën worden gedupliceerd, worden mutaties genoemd.
Erfelijke mutaties zijn mutaties die kunnen worden doorgegeven aan nakomelingen. Mutaties kunnen alleen worden overgeërfd als ze de voortplantingscellen (sperma of eicellen) aantasten. Mutaties die geen invloed hebben op voortplantingscellen, hebben wel invloed op de nakomelingen van de gemuteerde cel (bijvoorbeeld door kanker te worden), maar worden niet doorgegeven aan nakomelingen.
Mutaties kunnen uniek zijn voor een individu of familie, en de meeste schadelijke mutaties zijn zeldzaam. Mutaties die zo vaak voorkomen dat ze meer dan 1% van een populatie treffen, worden polymorfismen genoemd (bijvoorbeeld de menselijke bloedgroepen A, B, AB en O). De meeste polymorfismen hebben weinig of geen effect op het fenotype (de feitelijke structuur en functie van het lichaam van een persoon).
Mutaties kunnen kleine of grote segmenten van het DNA betreffen. Afhankelijk van de grootte en locatie kan de mutatie geen zichtbaar effect hebben, of kan deze de aminozuursequentie in een eiwit veranderen of de hoeveelheid geproduceerd eiwit verminderen. Als het eiwit een andere aminozuursequentie heeft, kan het anders functioneren of helemaal niet functioneren. Een ontbrekend of niet-functionerend eiwit is vaak schadelijk of dodelijk. Bij fenylketonurie bijvoorbeeld leidt een mutatie tot een tekort aan of afwezigheid van het enzym fenylalaninehydroxylase. Door dit tekort hoopt het aminozuur fenylalanine (dat via de voeding wordt opgenomen) zich op in het lichaam, wat uiteindelijk leidt tot ernstige verstandelijke beperkingen.
In zeldzame gevallen leidt een mutatie tot een verandering die voordelig is. Bij het sikkelcelgen bijvoorbeeld, zal een persoon die twee kopieën van het abnormale gen erft, sikkelcelziekte ontwikkelen. Wanneer een persoon echter slechts één kopie van het sikkelcelgen erft (een drager genoemd), ontwikkelt hij of zij enige bescherming tegen malaria (een bloedinfectie). Hoewel de bescherming tegen malaria een drager kan helpen te overleven, veroorzaakt sikkelcelziekte (bij iemand die twee kopieën van het gen heeft) symptomen en complicaties die de levensduur kunnen verkorten.
Natuurlijke selectie verwijst naar het concept dat mutaties die het overleven in een bepaalde omgeving belemmeren, minder snel worden doorgegeven aan nakomelingen (en dus minder vaak voorkomen in de populatie), terwijl mutaties die het overleven verbeteren, steeds vaker voorkomen. Zo worden gunstige mutaties, hoewel ze aanvankelijk zeldzaam zijn, uiteindelijk algemeen. De langzame veranderingen die in de loop van de tijd optreden als gevolg van mutaties en natuurlijke selectie in een kruisende populatie worden gezamenlijk evolutie genoemd.
Chromosomen
Een chromosoom bestaat uit een zeer lange DNA-streng en bevat vele genen (honderden tot duizenden). De genen op elk chromosoom zijn in een bepaalde volgorde gerangschikt en elk gen heeft een bepaalde locatie op het chromosoom (de zogenaamde locus). De vorm van het gen dat dezelfde locus inneemt op elk chromosoom van een paar (één geërfd van de moeder en één van de vader) wordt een allel genoemd. Naast DNA bevatten chromosomen ook andere chemische componenten die de genfunctie beïnvloeden.
Koppeling
Behalve bepaalde cellen (bijvoorbeeld sperma- en eicellen of rode bloedcellen) bevat de kern van elke normale menselijke cel 23 paar chromosomen, in totaal 46 chromosomen. Normaal gesproken bestaat elk paar uit één chromosoom van de moeder en één van de vader.
Er zijn 22 paar niet-geslachtschromosomen (autosomale chromosomen) en één paar geslachtschromosomen. Gepaarde niet-geslachtschromosomen zijn, voor praktische doeleinden, identiek in grootte, vorm, positie en aantal genen. Omdat elk lid van een paar niet-geslachtschromosomen één van elk overeenkomstig gen bevat, is er in zekere zin een back-up voor de genen op die chromosomen.
Het 23e paar zijn de geslachtschromosomen (X en Y).
Geslachtschromosomen
Het paar geslachtschromosomen bepaalt of een foetus mannelijk of vrouwelijk wordt. Mannen hebben één X- en één Y-chromosoom. Het X-chromosoom van een man komt van zijn moeder en het Y-chromosoom van zijn vader. Vrouwen hebben twee X-chromosomen, één van de moeder en één van de vader. In bepaalde opzichten functioneren geslachtschromosomen anders dan niet-geslachtschromosomen.
Het kleinere Y-chromosoom draagt de genen die het mannelijke geslacht bepalen, evenals enkele andere genen. Het X-chromosoom bevat veel meer genen dan het Y-chromosoom, waarvan er vele naast het bepalen van het geslacht nog andere functies hebben en geen tegenhanger hebben op het Y-chromosoom. Bij mannen zijn deze extra genen op het X-chromosoom niet gekoppeld, omdat er geen tweede X-chromosoom is, en komen ze vrijwel allemaal tot expressie. Genen op het X-chromosoom worden geslachtsgebonden of X-gebonden genen genoemd.
Normaal gesproken kunnen de genen op beide chromosomenparen in de niet-geslachtschromosomen volledig tot expressie komen. Bij vrouwen worden echter de meeste genen op een van de twee X-chromosomen uitgeschakeld door een proces dat X-inactivatie wordt genoemd (behalve in de eicellen in de eierstokken). X-inactivatie vindt vroeg in het leven van de foetus plaats. In sommige cellen wordt het X-chromosoom van de vader inactief, en in andere cellen wordt het X-chromosoom van de moeder inactief. Zo kan de ene cel een gen van de moeder tot expressie brengen en een andere cel een gen van de vader. Door X-inactivatie leidt het ontbreken van één X-chromosoom meestal tot relatief kleine afwijkingen (zoals het syndroom van Turner). Het ontbreken van een X-chromosoom is dus veel minder schadelijk dan het ontbreken van een niet-geslachtschromosoom (zie Overzicht van afwijkingen aan de geslachtschromosomen).
Als een vrouw een aandoening heeft waarbij ze meer dan twee X-chromosomen heeft, zijn de extra chromosomen meestal inactief. Het hebben van één of meer extra X-chromosomen veroorzaakt dus veel minder ontwikkelingsafwijkingen dan het hebben van één of meer extra niet-geslachtschromosomen. Vrouwen met drie X-chromosomen (triple X-syndroom) hebben bijvoorbeeld vaak geen lichamelijke of geestelijke beperkingen. Mannen met meer dan één Y-chromosoom (zie XYY-syndroom) kunnen wel lichamelijke en geestelijke beperkingen hebben.
Chromosomale afwijkingen
Er zijn verschillende soorten chromosomale afwijkingen. Een persoon kan een abnormaal aantal chromosomen hebben of abnormale gebieden op een of meer chromosomen. Veel van deze afwijkingen kunnen vóór de geboorte worden vastgesteld (zie Testen op chromosomale en genetische afwijkingen).
Een abnormaal aantal niet-geslachtschromosomen leidt meestal tot ernstige afwijkingen. Het ontvangen van een extra niet-geslachtschromosoom kan bijvoorbeeld fataal zijn voor een foetus of leiden tot afwijkingen zoals het syndroom van Down, dat vaak het gevolg is van het feit dat een persoon drie kopieën van chromosoom 21 heeft. Het ontbreken van een niet-geslachtschromosoom is fataal voor de foetus.
Grote delen van een chromosoom kunnen afwijkend zijn, meestal omdat een heel deel ontbreekt (een deletie) of ten onrechte in een ander chromosoom is geplaatst (een translocatie). Chronische myeloïde leukemie wordt bijvoorbeeld soms veroorzaakt door een translocatie van een deel van chromosoom 9 naar chromosoom 22. Deze afwijking kan erfelijk zijn of het gevolg zijn van een nieuwe mutatie.
Mitochondriale chromosomen
Mitochondriën zijn kleine structuren in cellen die moleculen synthetiseren die worden gebruikt voor energie. Elke cel heeft 1000 tot 2500 mitochondriën. In tegenstelling tot andere structuren in cellen bevat elk mitochondrium zijn eigen cirkelvormige chromosoom. Dit chromosoom bevat DNA (mitochondriaal DNA) met 37 genen die coderen voor 13 eiwitten, verschillende RNA's en verschillende enzymen. Mitochondriaal DNA is meestal alleen afkomstig van de moeder van de persoon, omdat bij de bevruchting van een eicel over het algemeen alleen mitochondriën uit de eicel deel gaan uitmaken van het zich ontwikkelende embryo. Mitochondriën uit het sperma worden meestal geen deel van het zich ontwikkelende embryo.
Eigenschappen
Een eigenschap is een door genen bepaalde karakteristiek. Veel eigenschappen worden bepaald door de functie van meer dan één gen. De lengte van een persoon wordt bijvoorbeeld waarschijnlijk bepaald door veel genen, waaronder genen die van invloed zijn op de groei, eetlust, spiermassa en activiteitsniveau. Sommige eigenschappen worden echter bepaald door de functie van één enkel gen.
Variatie in sommige eigenschappen, zoals oogkleur of bloedgroep, wordt als normaal beschouwd. Andere variaties, zoals albinisme, het syndroom van Marfan en de ziekte van Huntington, zijn schadelijk voor de lichaamsstructuur of -functie en worden beschouwd als aandoeningen. Niet alle genafwijkingen zijn echter even schadelijk. Eén kopie van het sikkelcelgen kan bijvoorbeeld bescherming bieden tegen malaria, maar twee kopieën van het gen veroorzaken sikkelcelziekte.
Genetische aandoeningen
Een genetische aandoening is een schadelijke eigenschap die wordt veroorzaakt door een afwijkend gen. Het afwijkende gen kan erfelijk zijn of spontaan ontstaan als gevolg van een nieuwe mutatie. Genafwijkingen komen vrij vaak voor. Ieder mens draagt gemiddeld 100 tot 400 afwijkende genen (verschillende bij verschillende mensen). Meestal is het overeenkomstige gen op het andere chromosoom in het paar echter normaal en voorkomt het schadelijke effecten.
In de algemene bevolking is de kans dat iemand twee kopieën van hetzelfde abnormale gen (en dus een aandoening) heeft, zeer klein. Bij kinderen die afstammen van naaste bloedverwanten is de kans echter groter. De kans is ook groter bij kinderen van ouders die binnen een geïsoleerde bevolkingsgroep zijn getrouwd, zoals binnen de Amish- of Mennonitengemeenschappen.
Wist u dat...
|
Bronnen: