Transcript DNA - Universiteit van Amsterdam

keerpunten-2 4-04
#1
keerpunten
in de natuurwetenschappen
van ‘dode’ moleculen
naar levende cellen #2
netwerken en
genetische informatie
roel van driel
Swammerdam Inst.
voor Levenswetenschappen
Universiteit van Amsterdam
big bang
sterrenstelsels
elementaire deeltjes
zonnestelsels
aarde, ecologie
evolutie
keerpunten-2 4-04
#3
atomen, moleculen
de cel
celmembraan
cytoplasma
DNA
keerpunten-2 4-04
#4
een plantecel
eiwitten kunnen
(bijna) alles
keerpunten-2 4-04
#5
macromoleculen: de sleutel tot leven
energie-opslag
koolhydraten
de werkpaarden
eiwitten
informatie-opslag
DNA en RNA
keerpunten-2 4-04
#6
simpele onvertakte ketens van
eenvoudige chemische
bouwstenen...!
wat maakt eiwitten zo bijzonder
 heel breed scala van functies
 specificiteit
• heel precies herkennen,
binden en chemisch
veranderen van andere
moleculen
 elk eiwit is lange onvertakte
keten van aminozuren
keerpunten-2 4-04
#7
eiwitten binden andere moleculen via
veel zwakke precies passende interacties
 specificiteit
• precies pas
opgevouwen
aminozuurketen
keerpunten-2 4-04
#8
enzymen: de droom van elke
chemicus
 enzymen zijn eiwitten
die chemische
verandering katalyseren
• selectiviteit...!
• specificiteit...!
 reactief centrum op
eiwit-oppervlak
 als opvouwing verandert:
verlies van functie
keerpunten-2 4-04
#9
een ander mens in een
paar dagen...
 50% van de moleculen in de
cel is zijn eiwitten
• water niet meegerekend
 alle eiwitten worden
voortdurend aangemaakt en
weer afgebroken in cel
• levensduur minuten tot
dagen
 na een paar dagen zijn alle
eiwitten in het lichaam ten
minste eenmaal vernieuwd
keerpunten-2 4-04
#10
menu
 biologische netwerken
 genetische informatie: DNA
• lezen van genetische taal
• hoeveel DNA is nodig
• gebruiken van DNA
• meer dan DNA alleen
keerpunten-2 4-04
#11
biologische
netwerken
hoe eiwitten
samenwerken
in de cel
keerpunten-2 4-04
#12
eiwitten werken
samen in netwerken
keerpunten-2 4-04
#13
ketens van chemische reacties
keerpunten-2 4-04
#14
 bijvoorbeeld
de omzetting van
voedingsstoffen
(glucose) in
kooldioxide (CO2),
water en energie
 keten van 17
reacties
verbranding van koolhydraten door
mensen: één-staps proces
bij hoge
temperatuur
keerpunten-2 4-04
#15
‘verbranding’ van koolhydraten door de
levende cel: een heleboel kleine stapjes
chemische
energie
bij lage
temperatuur
keerpunten-2 4-04
#16
bij hoge
temperatuur
verrassend:
metabolisme in de cel
keerpunten-2 4-04
#17
 groot aantal
samenhangende en op
elkaar afgestemde
chemische en fysische
processen in de cel
 elke(!) omzetting
gekatalyliseerd door
eigen enzym
 vaak kan activiteit van
enzymen gereguleerd
worden
 gedrag niet intuitief
voorspelbaar
• systeembiologie...!
een ander netwerk: eiwit
interactie-netwerk in gistcel
 eiwitten in gistcel
1.548 eiwitten
2.358 interacties
één groot netwerk
verschillende celcompartimenten
• verschillende typen
celfuncties
•
•
•
•
schikowski fig 1
keerpunten-2 4-04
Schwikowski et al., Nature Biotech. 18, 1257 (2000)
#18
eiwit interactie netwerk in gist
Schwikowski et al., Nature Biotech. 18, 1257 (2000)
keerpunten-2 4-04
#19




geel: vet metabolisme
blauw: membranen
grijs: chromatine
rood: celdeling
architectuur van biologische
netwerken: altijd scale-free
 scale-free netwerken
• meeste componenten
hebben maar weinig
partners
• klein aantal heeft veel
partners
 grote robuustheid...!
• de ‘knopen’ zijn de
achilleshiel
 net als
• sociale netwerken
• www
• ecologische netwerken
keerpunten-2 4-04
#20
heel veel reacties
hangen met elkaar
samen
 netwerken van
samenwerkende
componenten in de cel
• eiwitten en enzymen
• genen
 speciale systeemeigenschappen
geselecteerd tijdens
evolutie
• robuustheid
• efficientie
• aanpassen aan omgeving
keerpunten-2 4-04
#21
 regulatie van systemen
 ‘leven’ een netwerk van
chemische en fysische
netwerken
conclusie
 moleculaire basis van leven is simpel
èn complex
• individuele chemische en fysische
interacties simpel
• samenspel van heel veel reacties en
interacties is complex
• netwerken van reacties en interacties
gereguleerd in tijd en ruimte
 het bijzondere van leven zit
‘verborgen’ in de complexiteit van de
netwerken van interacties
• ‘emergente eigenschappen’ van
netwerken…
keerpunten-2 4-04
#22
menu






keerpunten-2 4-04
#23
biologische netwerken
genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal
hoeveel DNA is nodig
gebruiken van DNA
meer dan DNA alleen
DNA
codering van
genetische informatie
keerpunten-2 4-04
#24
when was it discovered...?
 DNA is the genetic material
• 1933, 1944, 1955, 1966
 DNA can be sequenced
• 1955, 1966, 1977, 1988
 DNA is a double helix
• 1953, 1963, 1973, 1983
 the human genome is sequenced
• 1991, 1996, 2001, 2006
 a gene codes for a protein
• 1935, 1945, 1955, 1965
keerpunten-2 4-04
#25
ons genetisch materiaal
keerpunten-2 4-04
#26
hoe ziet ons genetisch
materiaal eruit...?
electronenmicroscopie
DNA is donkerder
keerpunten-2 4-04
#27
lichtmicroscopie
DNA is lichtgevend
gemaakt
de celkern van een menselijke cel
bij celdeling worden
chromosomen zichtbaar
keerpunten-2 4-04
#28
bij celdeling worden
chromosomen zichtbaar
keerpunten-2 4-04
#29
bij celdeling worden
chromosomen zichtbaar
keerpunten-2 4-04
#30
 individuele chromosomen
worden tijdelijke zichtbaar
tijdens de celdeling
chromosomen ontdekt eind
19de eeuw
 Theodor Bovari
• 1862 - 1915
• hoogleraar zoologie en
vergelijkende anatomie
• Universiteit Wurzburg
 hij wilde ontdekken: ‘those
processes whereby a new
individual with definite
characteristic is created from
the parental generative material’
keerpunten-2 4-04
#31
 hij ontdekte dat vorm en grootte
van chromosomen typisch zijn
voor een organisme
de mens heeft 24
verschillende chromosomen
 24 verschillende
menselijke chromosomen
 elke cel heeft 46
(2 x 23) chromosomen
 vrouwen
• twee van 1 t/m 22 plus
twee X
 mannen
chromosomen na
openmaken delende cel
en gekleurd
keerpunten-2 4-04
#32
chromosomen geordend
door computer
• twee van 1 t/m 22 plus
X plus Y
 elk chromosoom bevat
één lang DNA molecuul
macromoleculen: de sleutel tot leven
energie-opslag
koolhydraten
de werkpaarden
eiwitten
DNA (RNA)
keerpunten-2 4-04
#33
simpele onvertakte ketens van
eenvoudige chemische
bouwstenen...!
James Watson, Francis Crick
en Maurice Wilkins en ook Rosalind
Franklin
keerpunten-2 4-04
#34
James Watson: I never saw Frances Crick
in a modest mood...
keerpunten-2 4-04
#35
het verbazende DNA
 DNA is keten van simpele chemische
bouwstenen: nucleotiden
• menselijk DNA: drie miljard nucleotiden
• gemiddeld menselijk chromosoom is
130 miljoen nucleotiden lang
 vier verschillende nucleotiden
• A = adenine
• T = thymine
• C = cytosine
• G = guanine
 DNA keten is dubbel...!
• complementaire nucleotiden-volgorde
• altijd A tegenover T
• altijd C tegenover G
keerpunten-2 4-04
#36
paring van nucleotiden in beide
ketens van DNA molecuul
C
G
T A
keerpunten-2 4-04
#37
 in twee ketens van
DNA
• A past precies
op T
• C past precies
op G
 informatie in de
twee DNA ketens is
redundant
DNA is een dubbele helix
keerpunten-2 4-04
#38
elk chromosoom is één lang DNA
molecuul verpakt in eiwitten
een ontrafeld chromosoom
een menselijke cel
• 2 x 23 chromosomen
• 2 maal 3 miljard nucleotiden
• gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom
keerpunten-2 4-04
#39
DNA model
15 nucleotiden
lang
elk chromosoom is één lang DNA
molecuul verpakt in eiwitten
een ontrafeld chromosoom
een menselijke cel
• 2 x 23 chromosomen
• 2 maal 3 miljard nucleotiden
• gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom
keerpunten-2 4-04
#40
DNA model
15 nucleotiden
lang
humane genoomproject
 nucleotiden-volgorde van
volledige humane genoom
bepaald
• 3 miljard nucleotiden
 samenwerking groot aantal
onderzoeksgroepen
• wereldwijd
• ten dele commercieel
• klaar in 2001
 genoomprojecten van vele
andere organismen
keerpunten-2 4-04
#41
menu






keerpunten-2 4-04
#42
biologische netwerken
genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal
hoeveel DNA is nodig
gebruiken van DNA
meer dan DNA alleen
genetische
informatie
een taal met
maar 4 letters
keerpunten-2 4-04
#43
elk chromosoom is één lang DNA
molecuul verpakt in eiwitten
een menselijke cel
• 2 x 23 chromosomen
• 2 maal 3 miljard nucleotiden
• gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom
keerpunten-2 4-04
#44
DNA model
15 nucleotiden
lang
gen is de eenheid van
genetische informatie
 gen concept is simpel
• gen is nucleotidevolgorde in ons DNA
• gen bevat de
informatie voor de
aanmaak van een eiwit
• lengte verschilt per gen
• 1000 tot 1.000.000
nucleotiden per gen
 mens heeft ongeveer
35.000 genen
• gemiddeld ~1500 genen
per chromosoom
• of toch (veel) meer...?
keerpunten-2 4-04
#45
genen op
een
chromosoom


deel van
chromosoom 2
van de fruitvlieg
in plaatje
~5 miljoen
nucleotiden
•

keerpunten-2 4-04
#46
totale genoom
van fruitvlieg is
165 miljoen
elk gekleurd
balkje is een gen
genen op
een
chromosoom


deel van
chromosoom 2
van de fruitvlieg
in plaatje
~5 miljoen
nucleotiden
•

keerpunten-2 4-04
#47
totale genoom
van fruitvlieg is
165 miljoen
elk gekleurd
balkje is een gen
informatie in een gen
 een specifiek gen bevat de
informatie voor de aminozuurvolgorde in een specifiek eiwit
• aminozuurvolgorde bepaalt de
opvouwing van het eiwit
• opvouwing van het eiwit bepaalt de
functie
–
–
keerpunten-2 4-04
#48
specifieke binding van andere
moleculen
katalyse van specifieke chemische
reactie (als eiwit een enzym is)
 dus: een gen codeert voor een
functie in de cel
een menselijk gen:
codeert voor -globine
 genetische code is taal met slechts vier
letters
• A, T, G, C
 -globine gen beslaat ~2000 van de
3 miljard letters van het menselijke
genoom
• nucleotide-volgorde van één van beide
DNA ketens getoond
 codeert voor onderdeel van bloed-eiwit
hemoglobine
• beta-globine: eiwit ~150 aminozuren lang
keerpunten-2 4-04
#49
genetische informatie
een simpele lineaire code
keerpunten-2 4-04
#50
humane genoomproject
 nucleotiden-volgorde van
volledige humane genoom
volledig opgelost
• 3 miljard nucleotiden
 alle genen bekend
• inzicht in alle eiwitten die
in menselijke cellen kunnen
voorkomen
• één gen één eiwit dogma
• maar: veel eiwitten worden
chemisch veranderd in de
cel op verschillende
manieren
keerpunten-2 4-04
#51
het menselijk genoom
 2 x 3 miljard nucleotiden in
elke cel
• ~35.000 genen
 slechts 3% van DNA zijn genen
• 97% van DNA heeft totaal
onbekende functie...!
 2 meter DNA in celkern
• diameter celkern is
10 micrometer
(1/100 millimeter)
keerpunten-2 4-04
#52
2 meter DNA per celkern van
1/100 mm doorsnee
 equivalent
• 20 km draad in
een tennisbal
(10 cm)
• gemiddeld gen
~2 cm
 toch efficiënt gen
aan/uit zetten
• vind 2 cm gen op
20 km draad...!
keerpunten-2 4-04
#53
nog een een rekensom
 2 meter DNA per menselijke cel
 mens: meer dan 75 miljard cellen
• totaal 75 x 2 x 109 meter
 alle DNA moleculen uit één mens
achter elkaar
• 150 miljoen km DNA...
• gelijk afstand aarde-zon...
keerpunten-2 4-04
#54
menu






keerpunten-2 4-04
#55
biologische netwerken
genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal
hoeveel DNA is nodig
gebruiken van DNA
meer dan DNA alleen
hoeveel
genetische
informatie
is nodig...?
keerpunten-2 4-04
#56
genomen, genen en de
complexiteit van organismen
genoom
(nucleotiden)
E. coli
genen
neurons
4,200,000
4,300
0
gist
13,000,000
6,100
0
worm (nematode)
80,000,000
18,200
302
Arabidopsis (plant)
130,000,000
25,000
0
fruitvlieg
140,000,000
13,300
250,000
muis
3,300,000,000
35,000
40,000,000
mens
3.300,000,000
35,000
~75,000,000,000
keerpunten-2 4-04
#57
genomen, genen en de
complexiteit van organismen
genoom
(nucleotiden)
E. coli
genen
neurons
4,200,000
4,300
0
gist
13,000,000
6,100
0
worm (nematode)
80,000,000
18,200
302
Arabidopsis (plant)
130,000,000
25,000
0
fruitvlieg
140,000,000
13,300
250,000
muis
3,300,000,000
35,000
40,000,000
mens
3.300,000,000
35,000
~75,000,000,000
keerpunten-2 4-04
#58
geen simpele relatie complexiteit organisme,
grootte van genoom en het aantal genen...!
genoom
(nucleotiden)
E. coli
genen
neuronen
4,200,000
4,300
0
gist
13,000,000
6,100
0
worm (nematode)
80,000,000
18,200
302
Arabidopsis (plant)
130,000,000
25,000
0
fruitvlieg
140,000,000
13,300
250,000
muis
3,300,000,000
35,000
40,000,000
mens
3.300,000,000
35,000
~70,000,000,000
keerpunten-2 4-04
#59
welke informatie is gecodeerd in
ons DNA...?
 het volledige bouwplan...?
• kun je op basis van het DNA een
organisme de novo maken...?
 overwegingen
• een cel/organisme ontstaat altijd
uit een ander cel/organisme
• er ontstaat nooit de novo leven uit
DNA
 antwoord op vraag nog open...!
keerpunten-2 4-04
#60
genetische informatie volledig
uitwisselbaar
 veel genen bijna
hetzelfde in
verschillende
organismen
 gen uit ene organisme
functioneert prima in
andere
 voorbeeld
• stier Herman
• menselijk gen voor
eiwit lactoferrine in
rund-genoom
geplaatst
keerpunten-2 4-04
#61
genen
fruitvlieg
lijken op
genen van
mens
 deel van
chromosoom 2
van fruitvlieg
 rose, rood en
geel
gemarkeerde
genen ook in de
mens gevonden
keerpunten-2 4-04
#62
menu






keerpunten-2 4-04
#63
biologische netwerken
genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal
hoeveel DNA is nodig
gebruiken van DNA
meer dan DNA alleen
lezen van
genetische
informatie
keerpunten-2 4-04
#64
informatie-stroom
DNA -> RNA -> eiwit
 stap #1
• nucleotiden-volgorde van één
van de twee DNA ketens van
gen gekopieerd als RNA keten
• messenger RNA (mRNA)
• RNA synthese (transcriptie) in
celkern
 stap #2
• mRNA getransporteerd van
kern naar cytoplasma
 stap #3
• nucleotiden-volgorde van mRNA
keerpunten-2 4-04
#65
wordt vertaald naar aminozuurvolgorde van het eiwit waarvoor
gen codeert
• eiwitsynthese (translatie) in
cytoplasma
van DNA-taal naar eiwit-taal
U = T
triplet
nucleotiden
aminozuur
keerpunten-2 4-04
#66
 DNA-taal
• 4 letters: 4 nucleotiden A,T.G.C
 eiwit-taal
• 20 letters: 20 aminozuren
 woordenboek: de genetische code
• groepje van drie nucleotiden
afgelezen en vertaald in één
aminozuur
mutaties
C
X
X
phe
X
X
keerpunten-2 4-04
#67
X
 mutatie is verandering
van nucleotiden-volgorde
in DNA
• resulteert in andere
aminozuurvolgorde van
eiwit waarvoor gen
codeert
• meestal verlies van
functie van eiwit
• verlies van eigenschap van
cel
 mutaties kunnen bijv.
ziekten veroorzaken
mutaties wil de cel tot elke
prijs voorkomen
duizenden schades
in DNA per huidcel
per uur...!
keerpunten-2 4-04
#68
 de cel wil genetische informatie
constant houden
• read only...!
 DNA reparatie mechanismen
• vele mechanismen om veranderingen in
DNA te herkennen en te repareren
• uiterst efficiënt
• uiterst precies
 DNA replicatie
• tijdens celdeling
• extreem nauwkeurig
• één fout per kopieren van een miljard
nucleotiden...!
DNA
eiwitten
RNA polymerase
keerpunten-2 4-04
#69
RNA polymerase
beweegt langs DNA
en maakt mRNA
regulering van het
aflezen van een gen
 genetische informatie van een
gen wordt alleen afgelezen
indien nodig
• als eiwit waarvoor gen codeert
aangemaakt moet worden
• precies gereguleerd proces
 speciale eiwitten herkennen
begin van gen
• herkennen DNA nucleotidenvolgorde van gen en binden
eraan
• recruteren enzym dat mRNA
maakt (RNA polymerase)
 RNA polymerase loopt langs
DNA en maakt mRNA
organismen kunnen genen
aan- en uitzetten
Antirrhinum
keerpunten-2 4-04
#70
 een organisme kan veel
van zijn genen aan- en
uitzetten
• bijv. genen voor
bloemontwikkeling o.i.v.
signalen van buiten
 regulering per celtype in
het organisme
genen werken samen in
netwerken
 bakkersgist
• 6100 genen
 1000 genen
onderzocht
• 4000 interacties
 genen met
soortgelijke
functie hebben
vaker interactie
met elkaar dan
met andere genen
• clusters in
netwerk
keerpunten-2 4-04
#71
Tong et al. Science 303, 808 (2004)
 genen ‘praten’ met
elkaar via eiwitten
• geintegreerde
netwerken
menu






keerpunten-2 4-04
#72
biologische netwerken
genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal
hoeveel DNA is nodig
gebruiken van DNA
meer dan DNA alleen
genetische
informatie
meer dan DNA
alleen
keerpunten-2 4-04
#73
probleem...!
 een mens heeft ongeveer 200 à
300 verschillende soorten cellen
• bijv. huid, lever, nier, etc.
 elk celtype maakt eigen keus
uit totale repertoire van
35.000 genen
• elk celtype heeft slechts
toegang tot deel van alle
genen
• 10 - 20% van totaal (?)
keerpunten-2 4-04
#74
 hoe kan dat...?
• oplossing: epigenetica
• extra epigenetische informatie
epigenetica
 verandering in genetische
eigenschappen van een cel
zonder verandering in
nucleotiden-volgorde van
DNA
 vereist inzicht in
chromatine
keerpunten-2 4-04
#75
chromatine
 DNA van eukaryoten verpakt met
eiwitten
 eenheid van verpakking is
nucleosome
• complex van 8 eiwitten (histonen)
• schijfvormig (6 x 11 nm)
• dubbele DNA helix bijna 2 maal
om schijf gewonden
• 150 nucleotiden per nucleosoom
• menselijk genoom: 20 miljoen
nucleosomen
 zelfde structuur voor alle(!)
planten en dieren
keerpunten-2 4-04
#76
chromatine
hetzelfde in
alle eukaryoten
 kralenketting
vouwt zich op in
celkern
 verschillende
niveaus van
opvouwing
 nog veel open
vragen
keerpunten-2 4-04
#77
chemische veranderingen
van nucleosoom-eiwitten
keerpunten-2 4-04
#78
 nucleosoom-eiwitten (histonen)
kunnen verschillende chemische
veranderingen ondergaan in cel
• m.b.v. speciale enzymen
 chemische histon code
geschreven op nucleosoom keten
• naast genetische code in vorm
van nucleotiden volgorde in DNA
• chemische code herkend door
speciale eiwitten
 histon code bepaalt of
genetische informatie in DNA
toegankelijk is of niet
 histon code hiërarchisch hoger
dan genetische code in DNA
epigenetische informatie
wordt geschreven
gedurende embryonale
ontwikkeling
 genetische informatie (DNA)
• cel doet alles om deze
informatie te behouden
• ‘read only’
 epigenetische informatie
(histon code in nucleosomen)
• cel kan deze informatie
schrijven, lezen en (soms) wissen
keerpunten-2 4-04
#79
epigenetische (histon) code
geschreven tijdens
embryonale ontwikkeling
keerpunten-2 4-04
klauwpad
(Xenopus laevis)
#80
 bevruchte eicel
• alle genen beschikbaar
• net als stamcel
 tijdens ontwikkeling van
embryo differentiëren cellen
tot verschillende weefsels
• differentieren = specialiseren
 bij differentiatie steeds
kleiner deel van totale genrepertoir beschikbaar
• genen definitief uitgezet via
histon code
 kloneren van organismen is
wissen en herschrijven van
histon code...!
er is nog nooit zoveel
belangstelling geweest
voor biologie
 waarom…?
• begrijpen wie we zijn
• een lang(er) leven
• remedie tegen al onze
kwalen
• ons zelf ‘verbeteren’
 basis principes beginnen
duidelijk te worden
• zelfde voor alle(!)
levende wezens op deze
aarde
keerpunten-2 4-04
#81
keerpunten-2 4-04
#82