DE GEMENE DELER
DE GEMENE DELER EIWITTEN IN DE HOOFDROL
Naam: Klas: Datum:
DE GEMENE DELER
EIWITTEN IN DE HOOFDROL - HAVO De onderzoeksgroep van Dr. Puck Knipscheer aan het Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek, doet onderzoek naar een nog weinig onderzocht mechanisme van DNA-schadeherstel. Over het onderzoek van de Knipscheergroep is echter nog niet veel bekend bij het brede publiek. Om het onderzoek onder de aandacht te brengen van de media ga je als nieuwe persvoorlichter van het Hubrecht Instituut aan het eind van deze module een persbericht schrijven over het onderzoek van de Knipscheergroep. Aangezien eiwitten een belangrijke rol spelen in het onderzoek, leer je in deze module meer over de bouw en functies van eiwitten. Ook leer je welke mechanismen ervoor zorgen dat in een cel de juiste eiwitten op het juiste moment aanwezig zijn.
Pagina 1
DE GEMENE DELER
FACT SHEET – PUCK KNIPSCHEER ONDER HET VERGROOTGLAS
Naam Puck Knipscheer Functie Onderzoeker en leider onderzoeksgroep Waar Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek in Utrecht Bio Dr. Puck Knipscheer studeerde moleculaire wetenschappen aan Wageningen Universiteit en promoveerde daarna in 2007 aan het Nederlands Kanker Instituut en aan de Erasmus Universiteit Rotterdam. Daarna deed zij onderzoek aan Harvard Medical School in Boston, Verenigde Staten. Voor beide onderzoeken ontving ze in 2010 de Heineken Young Scientist Award voor biochemie en biofysica. Onderzoeksfocus De Knipscheergroep doet onderzoek naar een mechanisme van DNA-herstel. Wanneer DNAschade in een cel niet wordt gerepareerd, kan een ziekte als kanker ontstaan. Een gevaarlijke, maar weinig bekende vorm van DNA-schade is een inter-strand crosslink (ICL). Een ICL is een dwarsverbinding tussen de twee DNA-strengen van de dubbele helix, die bestaat uit sterke covalente bindingen. Door zo’n ICL kan het DNA eromheen niet meer goed worden afgelezen en gekopieerd. Het herstelmechanisme waar de Knipscheergroep onderzoek naar doet, is de Fanconi-anemie-signaleringsroute. Dit is een opeenvolging van eiwitactiviteiten die uiteindelijke tot herstel van het DNA leiden. Mensen waarbij deze signaleringsroute niet goed werkt, hebben Fanconi-anemie, een aandoening waardoor ICL’s niet worden hersteld. Door problemen met de mechanismen voor DNA-schadeherstel stapelen zich veel sneller dan normaal fouten op in het DNA. Patiënten hebben hierdoor een zeer grote kans om op jonge leeftijd verschillende vormen van kanker te ontwikkelen. De Knipscheergroep kijkt specifiek naar het moleculaire mechanisme dat deze signaleringsroute reguleert. Belangrijkste bevindingen - De Fanconi-anemie-eiwitten zijn betrokken bij de reparatie van een specifieke soort DNAschade. Puck Knipscheer heeft in Boston, samen met anderen, een systeem opgezet waarmee ze de reparatie van deze DNA-schade buiten een cel kunnen nabootsen. - Dit nabootssysteem gebruiken de onderzoekers nu om er achter te komen wat precies de rol is van de Fanconi-eiwitten in het proces van DNA-reparatie. In eerste instantie vonden ze dat twee van de Fanconi-eiwitten, FANCD2 en FANCI, een directe functie hebben in een specifieke stap van het reparatieproces. - Het blijkt dat er zelfs nog een aantal andere Fanconi-eiwitten, FANCP en FANCQ , bij deze stap betrokken zijn. Het lijkt erop dat dit kleine maar zeer belangrijke onderdeel van het reparatieproces in grote mate bepaald wordt door een netwerk van Fanconi-eiwitten.
Pagina 2
DE GEMENE DELER
OPDRACHT 1: O P HET JUISTE MOMENT IN GOEDE VORM De onderzoeksgroep van Puck Knipscheer doet onderzoek naar het herstellen van een specifieke vorm van DNA-schade. Binnen dit herstelmechanisme spelen eiwitten een belangrijke rol. Eiwitten zijn de onderdelen in een cel die ervoor zorgen dat celactiviteiten, zoals het herstellen van DNA-schade, worden uitgevoerd. Er zijn vele soorten eiwitten met uiteenlopende functies. In deze opdracht maak je kennis met de bouw, vorm en functies van eiwitten. Ook leer je hoe de aanmaak van nieuwe eiwitten wordt geregeld. 1.1 Bedenk naast het herstellen van DNA-schade nog minimaal drie activiteiten in een cel
waarbij eiwitten betrokken zijn.
............................................................................ ............................................................................ De verschillende eiwitten in een cel voeren allerlei verschillende functies uit. Toch zijn de verschillende eiwitten onder te verdelen in bepaalde typen eiwitten. 1.2 Lees paragraaf 3.1 van het naslagwerk, en geef voor elk van onderstaande eiwitten aan wat
voor type eiwit het is. Tip: bedenk welke functie het eiwit vervult. Kies uit de volgende typen eiwitten: opslageiwit, receptor, samentrekkend eiwit, structureel eiwit, transporteiwit.
A. Keratine (eiwit waar je haar uit bestaat): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . B. Actine (spiereiwit):
........................................
C. Caseïne (belangrijkste eiwit in melk):
........................................
D. Hemoglobine (eiwit in rode bloedcellen): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . E. EDGF-R (reageert op groeifactor):
........................................
De functies die eiwitten uitvoeren, hangen nauw samen met de vorm die de eiwitten hebben. 1.3 Lees paragraaf 3.2 van het naslagwerk, en leg uit dat de aminozuurvolgode (primaire
structuur) eigenlijk de uiteindelijke vorm van het eiwit bepaalt.
............................................................................ ............................................................................
Pagina 3
DE GEMENE DELER
Wanneer een activiteit in de cel niet meer wordt uitgevoerd, kan dit komen doordat een betrokken eiwit niet meer goed werkt. Dit kan komen doordat de vorm van het eiwit is veranderd. 1.4 Bekijk de Bioplek-animatie: http://www.bioplek.org/animaties/enzymen/enzymen.html. N.B.
De animatie gaat specifiek over enzymen, maar het uitgebeelde principe geldt voor alle eiwitten.
Bij de volgende opdracht zie je vier tekenvakken. In het vakje linksboven zie je een enzym (eiwit) en de twee substraten (moleculen). Stof A stelt een molecuul van stof A voor en stof B stelt een molecuul van stof B voor. 1.5 Teken in elk van de drie overgebleven vakjes het enzym en de twee substraten in de vol-
gende situaties:
A. Eiwit met afwijkende vorm, die nog wel zijn functie met de substraten kan uitvoeren. B Eiwit met afwijkende vorm, die niet meer zijn functie met de substraten kan uitvoeren. C. Eiwit met afwijkende vorm, waardoor het eiwit de substraten wel aan zich kan binden,
maar niet op de juiste plek om zijn functie uit te kunnen voeren. a.
b.
c.
Bron af beelding: www.bioplek.org ©Bioplek
Om celactiviteiten uit te kunnen voeren, moeten eiwitten niet alleen de juiste vorm hebben, maar ook op het juiste moment in een cel aanwezig zijn. De code voor een eiwit ligt vast in het DNA. Om eiwitten te maken, moet dit DNA dus worden vertaald naar eiwit. Dit proces wordt genexpressie genoemd, en wordt heel nauwkeurig gereguleerd. Bij de genexpressie spelen eiwitten een belangrijke rol. Om je voorkennis over het vertalen van DNA naar eiwit op te halen, kun je paragraaf 3.4 van het naslagwerk lezen.
Pagina 4
DE GEMENE DELER
1.6 Lees paragraaf 4.1 en 4.2 van het naslagwerk tot en met de tekst onder het kopje “regulatie
van de genexpressie in prokaryoten”, en vul de ontbrekende woorden in onderstaande tekst in. Kies uit de volgende woorden: activator, genexpressie, oprator, promotor, repressor, structuurgenen. Sommige woorden moet je meerdere keren gebruiken.
Bij prokaryoten (bacteriën) liggen de . . . . . . . . . . . . . . . . . . die coderen voor eiwitten die samen één celfunctie vervullen vaak dicht bij elkaar op het DNA. Deze genen hebben een gezamenlijke promotor en operator. Aan de . . . . . . . . . . . . . . . . . . kan het eiwit RNA-polymerase binden. Binding van RNA-polymerase aan de . . . . . . . . . . . . . . . . . . kan verhinderd worden doordat een . . . . . . . . . . . . . . . . . . aan de . . . . . . . . . . . . . . . . . . bindt. Wanneer de . . . . . . . . . . . . . . . . . . loslaat, kan RNA-polymerase binden aan de . . . . . . . . . . . . . . . . . . en kan de transcriptie starten. Binding van een . . . . . . . . . . . . . . . . . . aan het DNA kan de binding van RNA-polymerase aan de . . . . . . . . . . . . . . . . . . juist vergemakkelijken, en stimuleert dus . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7 Lees de rest van paragraaf 4.2 van het naslagwerk, en geef van de volgende begrippen aan
of ze horen bij genexpressie in prokaryoten, eukaryoten of beiden:
A. Operator:
..................
B. Promotor:
..................
C. Structuurgenen: . . . . . . . . . . . . . . . . . . D. Veranderingen aan histoneiwitten: . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.8 Leg uit waarom de termen regulatorgen en structuurgen misleidend zijn.
............................................................................ ............................................................................ In tumorcellen worden sommige genen meer en andere genen minder dan normaal afgeschreven. De genexpressie van deze genen is veranderd, waardoor de eiwitproducten van deze genen meer of minder in de cel aanwezig zijn.
Pagina 5
DE GEMENE DELER
1.9 Leg uit hoe epigenetische factoren (epigenetische informatie) de genexpressie kunnen
beinvloeden.
............................................................................ ............................................................................ 1.10 Noem, naast epigenetische factoren, nog twee factoren die genexpressie kunnen beïn-
vloeden.
............................................................................ ............................................................................ 1.11 Lees paragraaf 4.4 van het naslagwerk en leg uit of de volgende stellingen juist of on-
juist zijn.
A. W anneer tumorsuppressorgenen verhoogd tot expressie komen, kan er kanker ontstaan.
Juist / onjuist, omdat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............................................................................ B. Het EDGF-R eiwit uit opdracht 1.2 is een voorbeeld van een eiwitproduct van een proto-oncogen.
Juist / onjuist, omdat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ............................................................................ 1.12 Bespreek met je buurman/buurvrouw waarom de principes die je in deze opdracht bent
tegengekomen van belang zijn bij alle Hallmarks of Cancer (naslagwerk H6) en leg je antwoord uit.
............................................................................ ............................................................................
Pagina 6
DE GEMENE DELER
OPDRACHT 2: FANCONI-ANEMIE De onderzoeksgroep van Puck Knipscheer doet onderzoek naar de Fanconi-anemie-signaleringsroute (FA-signaleringsroute). Dit is een signaleringsroute die bij een bepaalde vorm van DNA-schade, een inter-strand crosslink (ICL), wordt geactiveerd en die ertoe leidt dat de DNA-schade wordt gerepareerd. In deze opdracht maak je nader kennis met het onderzoek van de Knipscheergroep, zodat je in de volgende opdracht een persbericht hierover kunt opstellen. 2.1 Beantwoord de volgende vragen met behulp van de fact sheet over Puck Knipscheer op
pagina 2 van deze module, en het filmpje over haar onderzoek: http://fastfacts.nl/content/knipscheer-een-blokkade-op-de-dna-snelweg.
A. Wat is een inter-strand crosslink?
............................................................................ ............................................................................ B. In de fact sheet staat: “ Door zo’n ICL kan het DNA eromheen niet meer goed worden
afgelezen en gekopieerd “. Leg uit waarom een ICL ook in een regio buiten een gen voor problemen kan zorgen.
............................................................................ ............................................................................ Knipscheer noemt de eiwitten little machines, kleine machientjes. Anderen noemen eiwitten ook wel de werkpaarden van een cel. 2.2 Leg uit waarom eiwitten, en niet genen, kleine machientjes of werkpaarden van een cel
kunnen worden genoemd. Gebruik in je antwoord het woord celactiviteiten.
............................................................................ ............................................................................ In veel gevallen volgen specifieke eiwitactiviteiten elkaar op, zodat de eiwitten samen bepaalde reacties in de cel tot stand te laten komen. Dit is ook het geval bij de FA-signaleringsroute. 2.3 In de afbeelding bij deze opdracht is de FA-signaleringsroute weergegeven. De tekst
bovenaan de volgende pagina legt een deel van het werkingsmechanisme van deze signaleringsroute uit. De namen van de eiwitten en eiwitcomplexen zijn hierin vervangen door eiwit A, eiwit B en eiwit C.
Pagina 7
DE GEMENE DELER
Het complex van fanconi-eiwitten (eiwit A) en eiwit B worden geactiveerd door het eiwit C. Dit gebeurt doordat eiwit C een fosfaatgroep (“P”) aan eiwit A en eiwit B koppelt. Vervolgens activeert eiwit A eiwit B door er een ubiquitinelabel (“Ub”) aan te hangen. Nu zijn zowel eiwit A als eiwit B geactiveerd, en kunnen ze het chromatine (DNA met histoneiwitten) binden. Vanaf daar gaat de FA-signaleringsroute verder, met als uiteindelijk gevolg het verwijderen van de ICL en herstel van het DNA. Eiwit uit de FA-signaleringsroute
Eiwitactiviteit(en)
Eiwit A Eiwit B Eiwit C A. G eef in de tweede kolom van de tabel bij deze opdracht aan welke eiwitten uit de FA-
signaleringsroute worden bedoeld met eiwit A, eiwit B en eiwit C. Gebruik de afbeelding. B. G eef in de derde kolom van de tabel aan welke activiteit(en) de eiwitten uitvoeren. Kies uit de eiwitactiviteiten die staan omschreven in paragraaf 3.3 van het naslagwerk. C. U it de omschrijving blijkt dat eiwit A en B geactiveerd worden door er fosfaatgroepen (en ubiquitinelabels) aan te koppelen. Leg uit waarom de koppeling van deze groep(en) aan de eiwitten ervoor zorgt dat de eiwitten geactiveerd worden (dat ze dus iets kunnen wat ze eerst niet konden). ............................................................................ ............................................................................
ICL
stress
ATR P
P P
P
D2
core-complex
P I Ub
Ub Ub binding chromatine
herstel DNA
Pagina 8
Fanconi-anemie-signaleringsroute ©Medicalvisuals
DE GEMENE DELER
OPDRACHT 3: PERSBERICHT – FA-SIGNALERINGSROUTE Als persvoorlichter van het Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek, heb je de opdracht gekregen om een persbericht te schrijven over het onderzoek van Puck Knipscheer. Het doel hiervan is het onderzoek onder de aandacht te brengen van journalisten, zodat zij de bevindingen kenbaar kunnen maken aan het bredere publiek. 3.1 Schrijf het persbericht. Let daarbij op onderstaande eisen en de beoordelingstabel.
• • • • • •
Pagina 9
Gebruik ongeveer 250 woorden. Stem je taalgebruik af op de doelgroep (populair-wetenschappelijke media). Bij populair-wetenschappelijke media kun je denken aan tijdschriften als Quest of NewScientist, online platforms als Kennislink.nl, en de wetenschapsbijlagen van de grote kranten. Gebruik relevante biologische (achtergrond) kennis. De journalisten van de wetenschappelijke media zijn goed op de hoogte van de wetenschap. Schrijf helder en duidelijk, zodat ook iemand die geen onderzoek doet aan kanker het kan begrijpen. Plaats de ontdekkingen in de context van de biologie van kanker en het kankeronderzoek. Maak goed duidelijk waarom het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker zo belangrijk is.
DE GEMENE DELER
Lengte
Taalgebruik
Gebruik van relevante biologische (achtergrond) kennis
Gebruik van context
Ingaan op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker
Pagina 10
Matig (max een 5,5)
Voldoende (max een 8)
Je persbericht is te kort of te lang (meer dan 20 woorden te kort of te lang).
Je persbericht heeft nagenoeg de juiste lengte (±10 woorden).
Je persbericht heeft de juiste lengte.
Max 12 punten
Max 16 punten
Max 20 punten
Je persbericht bevat veel taal- en stijlfouten.
Je persbericht bevat geen taal- en stijlfouten, maar is erg moeilijk (of juist heel eenvoudig) geschreven.
Je persbericht bevat geen taal- en stijlfouten en is op een goed niveau geschreven.
Max 12 punten
Max 16 punten
Max 20 punten
Je gebruikt geen biologische achtergrondkennis of de kennis die je gebruikt is niet relevant.
Je gebruikt relevante biologische achtergrondkennis, maar de uitwerking is beknopt.
Je gebruikt relevante biologische achtergrondkennis en werkt dit goed uit.
Max 12 punten
Max 16 punten
Max 20 punten
Je plaatst de onderzoeksbevindingen niet in een context of in een verkeerde context.
Je plaatst de onderzoeksbevindingen in een passende context (kanker en kankeronderzoek), maar de uitwerking is beknopt.
Je plaatst de onderzoeksbevindingen in een passende context (kanker en kankeronderzoek) en werkt dit goed uit.
Max 12 punten
Max 16 punten
Max 20 punten
Je gaat niet in op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker.
Je gaat in op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker, maar de uitwerking is beknopt.
Je gaat in op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker en werkt dit goed uit.
Goed (max een 10)
