GENEXPRESSIE VERVOLGOPDRACHT Alle organismen op aarde zijn opgebouwd uit cellen. Ook jouw eigen lichaam bestaat uit cellen. Die cellen zien er niet allemaal hetzelfde uit. Zo is een huidcel heel compact, en heeft een zenuwcel hele lange uitlopers. Cellen ‘doen’ ook heel verschillende dingen. Een spiercel kan samentrekken, en een cel in het netvlies van je oog is in staat om lichtstralen op te vangen. Cellen kunnen dus verschillende vormen en functies hebben. Alle cellen maken eiwitten. De vorm en functie van een cel hangen samen met de eiwitten die in een cel gemaakt worden. In spiercellen zorgen de eiwitten actine en myosine voor samentrekking; in de cellen van ons netvlies zorgen eiwitpigmenten voor het opvangen van licht. Welke eiwitten in een cel gemaakt worden, wordt geregeld vanuit de celkern. In alle celkernen van één individu zit precies hetzelfde DNA. Dat DNA bevat de codes voor het maken van een heleboel verschillende eiwitten. Maar alleen de eiwitten die nodig zijn voor het functioneren van de cel worden ook daadwerkelijk gemaakt. We zeggen dan: bepaalde genen komen wel tot expressie en andere niet. Maar hoe regelt de cel dat? Dr. Pernette Verschure is onderzoeker aan de Universiteit van Amsterdam (UvA). Zij onderzoekt samen met haar team welke processen in de cel er voor zorgen dat bepaalde genen wel tot expressie komen en andere niet. Voor dit onderzoek wordt onderzoek gedaan aan levende cellen, maar worden ook computermodellen bestudeerd. Je hebt zelf ook een onderzoek uitgevoerd naar verschillen in genexpressie tussen verschillende organen van een vis. In deze les ga je nog wat dieper in op het onderzoek van Pernette en komen een aantal regelmechanismen in de cel aan de orde. Veel plezier!
CHROMATINE Menselijk DNA bevat zo’n 25.000 genen. Daarvan komt in de meeste cellen ongeveer 10 tot 20% tot expressie. Welke genen tot expressie komen hangt af van het type cellen. Je hebt tijdens het practicum dan ook gezien dat verschillende organen van hetzelfde individu, verschillende eiwitprofielen hebben. Hoe regelt een cel welke genen ‘aan’ en ‘uit’ staan?
Figuur 1. Een karyogram.
1. Chromosomen zien er niet altijd hetzelfde uit. Wanneer – tijdens de levenscyclus van een cel – zien chromosomen er uit zoals in de afbeelding hierboven? ……………………………………………………………………………………………………………………………. 2. Hoe komt het dat chromosomen er niet altijd uitzien zoals in de afbeelding hierboven? ……………………………………………………………………………………………………………………………. …………………………………………………………………………………………………………………………….
De Praktijk & Itsacademy
blz. 2 van 6
Een chromosoom bestaat uit één lang dubbelstrengs DNA-molecuul dat om histoneiwitten gevouwen is, en waar allerlei andere eiwitten aan gebonden zijn. Als je zo’n DNA-molecuul helemaal zou uitvouwen dan kom je op een lengte van ongeveer 2 meter. In de cel heeft een chromosoom een lengte van enkele micrometer. Meestal zijn bepaalde delen van een chromosoom heel compact gevouwen (heterochromatine), en hebben andere delen een meer open structuur (euchromatine). Op miscroscopische afbeeldingen is heterochromatine meestal veel sterker gekleurd dan euchromatine. 3. Hieronder zie je een elektronenmicroscopische afbeelding van een celkern, met daar omheen cytoplasma met mitochondriën. Teken een pijl naar een gebied waar heterochromatine te zien is. Teken ook een pijl naar een gebied waar zich euchromatine bevindt.
Figuur 2. Elektronenmicroscopische foto van een celkern.
De Praktijk & Itsacademy
blz. 3 van 6
Figuur 3. Verschillen tussen euchromatine en heterochromatine. Foto’s A en B zijn gemaakt met een microscoop. Je ziet een deel van een celkern, met daarin heterochromatine en euchromatine. Afbeelding C is een schematische afbeelding van een deel van een chromosoom. In plaatje D zijn de histoneiwitten en het DNA-molecuul te zien.
4. Bekijk afbeelding A t/m D van figuur 3. Is de schaal van iedere afbeelding hetzelfde, wordt er steeds verder ingezoomd, of wordt er juist uitgezoomd? …………………………………………………………………………………………………………………………….
Figuur 4. Schematische afbeelding van de verschillen in structuur tussen euchromatine (links) en heterochromatine (rechts).
5. In figuur 4 zie je een schematische afbeelding van de structuurverschillen tussen euchromatine en heterochromatine. Wat stelt de groene lijn voor? En wat stellen de grijze bolletjes voor? de groene lijn:
………………………………………………………………………………………….
de grijze bolletjes:
………………………………………………………………………………………….
De Praktijk & Itsacademy
blz. 4 van 6
6. Voordat een gen tot expressie kan komen moet in de celkern eerst een aantal processen plaatsvinden. Zet de volgende processen in de goede volgorde (noteer de letters). a. helicase zorgt ervoor dat de twee DNA-strengen tijdelijk uit elkaar gaan b. het gevormde mRNA-molecuul komt los van de DNA-streng en verlaat de celkern c. RNA-polymerase beweegt langs de template-streng van het DNA d. transcriptiefactoren binden aan de promotor ……………………………………………………………………………………………………………………………. 7. Om een gen tot expressie te laten komen is het nodig dat allerlei eiwitten aan het DNA kunnen binden. Verwacht je dat dat makkelijker gaat bij het opengevouwen euchromatine, of juist bij het compacte heterochromatine? Verklaar je antwoord. ……………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………. 8. Het blijkt dat de compactheid van het chromosoom te maken heeft met bepaalde acetyl- of methylgroepen die aan de histonen zijn gebonden. Hierdoor verandert de interactie van histonen met het DNA. Bekijk figuur 4 nog eens. Wat is het effect van een toename in de hoeveelheid methylgroepen? ……………………………………………………………………………………………………………………………. 9. Ga naar YouTube en zoek op Leskist DNA. Bekijk de film Pernette Verschure 2. Pernette en haar collega’s hadden het vermoeden dat bepaalde eiwitten, zoals het eiwit HP1, een rol spelen bij genexpressie. Om dat te onderzoeken kweekten ze eerst speciale cellen, waar ze stukken DNA van een bacterie inbouwden. In dit onderzoek gebruikten ze een stuk DNA dat codeert voor het enzym lactase. Net vóór het gen zelf ligt ook nog een stuk DNA dat een operator genoemd wordt. Aan die operator kan een zogenaamd repressoreiwit gebonden zijn. 10. Veel genen hebben een operator waar eventueel een repressoreiwit kan binden. Wat is de functie van zo’n repressoreiwit? ........................................................................................................................................................... …………………………………………………………………………………………………………………………….
De Praktijk & Itsacademy
blz. 5 van 6
In figuur 5 zie je twee kernen van cellen waar heel veel kopieën van het lactasegen is ingebouwd. Door de repressoreiwitten fluorescerend groen te kleuren kun je zien waar in de cel het bacterieel DNA zit. Aan de linker cel (A) is alleen het fluorescerende repressoreiwit toegevoegd. Aan de rechter cel (E) is zowel het repressoreiwit als het eiwit HP1 toegevoegd.
Figuur 5. Lichtmicroscopische afbeelding van twee celkernen. De repressoreiwitten die aan het DNA gebonden zijn lichten groen op. Aan de rechter cel (E) is ook het eiwit HP1 toegevoegd.
11. Welk verschil is er te zien tussen de linker en de rechter afbeelding, als je let op de groen gekleurde gebieden? ……………………………………………………………………………………………………………………………. 12. Aan de rechter cel is het eiwit HP1 toegevoegd. Zorgt HP1 ervoor dat genen ‘aan’ worden gezet, of juist dat genen ‘uit’ worden gezet? Verklaar je antwoord. ……………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………. Samenvattend. Het DNA in de celkern bevat het bouwplan voor alle eiwitten die de cel kan maken. Het DNA werd daarom lange tijd gezien als het regelcentrum van de cel. Uit onderzoek wordt echter steeds duidelijker dat eiwitten op hun beurt grote invloed hebben op de structuur van het DNA en de genexpressie. Er zijn eiwitten die één enkel gen aan of uit kunnen zetten. Maar er zijn dus ook eiwitten die zorgen dat grotere delen van het DNA meer of minder compact gevouwen worden, en dus meer of minder actief worden.
De Praktijk & Itsacademy
blz. 6 van 6
