De gemene deler - Alles over DNA
Werbung
NASLAGWERK DE GEMENE DELER DE GEMENE DELER KANKER EN KANKERONDERZOEK Naam: Klas: Datum: NASLAGWERK DE GEMENE DELER INLEIDING Voor je ligt het naslagwerk behorende bij de lessenserie De Gemene Deler, over kanker en kankeronderzoek. Vanuit de lesmodules wordt naar specifieke pagina’s in dit document verwezen. In het naslagwerk vind je achtergrondinformatie die je nodig zult hebben bij het maken van de opdrachten in de lesmodules, maar ook los van de lesmodules kun je het naslagwerk gebruiken. In het naslagwerk lees je wat de celcyclus is en hoe deze gereguleerd wordt (hoofdstuk 1), hoe cellen met een verschillende vorm en functie ontstaan (hoofdstuk 2), hoe eiwitten zijn opgebouwd en hoe de vorm en functie van eiwitten gerelateerd zijn (hoofdstuk 3), hoe gereguleerd wordt dat bepaalde eiwitten in bepaalde cellen aanwezig zijn (hoofdstuk 4), wat er mis kan gaan waardoor er eiwitten verkeerd worden gemaakt (hoofdstuk 5) en welke eigenschappen tumoren in staat stellen om te groeien en uit te zaaien (hoofdstuk 6). H1. DE LEVENSCYCLUS VAN DE CEL 1.1 INLEIDING Celdeling, het splitsen van een cel in twee nieuwe cellen, is een cruciaal proces voor organismen. Zo stelt het eencellige organismen in staat om zich te vermeerderen en meercellige organismen om zich voort te planten, te groeien, en bijvoorbeeld om van wonden te herstellen. Celdeling speelt namelijk een belangrijke rol bij onderhoud en herstel van het lichaam. Cellen die door beschadiging of slijtage doodgaan, worden door celdeling vervangen. Dit is bijvoorbeeld het geval bij het helen van een snij- of schaafwond, maar ook bij het vernieuwen van bijvoorbeeld bloed- of huidcellen. Celdeling is een onderdeel van de celcyclus. Dit is een opeenvolgende reeks van gebeurtenissen in een cel die plaatsvinden vanaf het ontstaan van de cel tot op het moment dat de cel zich in twee dochtercellen opsplitst. De dochtercellen zijn identiek aan de moedercel. Uit een menselijke somatische cel (lichaamscel) met 46 chromosomen (23 chromosomenparen) ontstaan bij celdeling dus twee dochtercellen met elk 46 chromosomen. Alleen bij reductiedeling, een speciale vorm van celdeling, ontstaan dochtercellen die niet identiek zijn aan de moedercel (en aan elkaar). Reductiedeling vindt plaats bij de vorming van geslachtscellen en wordt ook wel meiose genoemd. Bij deze vorm van celdeling ontstaan uit een diploïde moedercel (met 46 chromosomen) dochtercellen die slechts de helft van het erfelijk materiaal van de moedercel bevatten. Deze cellen noem je haploïd. Reductiedeling wordt in dit naslagwerk verder buiten beschouwing gelaten. Wanneer over deling wordt gesproken, wordt celdeling bedoeld, waarbij twee identieke dochtercellen ontstaan. Pagina 1 NASLAGWERK DE GEMENE DELER 1.2 DE CELCYCLUS De celcyclus is de levenscyclus van een cel, van ontstaan tot opsplitsing in twee dochtercellen. Deze cyclus bestaat uit verschillende fasen, namelijk de G1, S, G2 en M-fase (afb. 1). De G1, S en G2-fase worden samen ook wel de interfase van de celcyclus genoemd en de M-fase de mitotische fase. Af b. 1. De celcyclus (bron: www.bioplek.org ©Bioplek) Interfase Gedurende de drie subfasen van de interfase vindt celgroei plaats, doordat de cel eiwitten en celorganellen produceert. In de S-fase (synthesefase) vindt naast celgroei ook verdubbeling van chromosomen door DNA-replicatie plaats. In de G2-fase vindt verdere groei plaats en bereidt de cel zich voor op de laatste fase van de celcyclus, de M-fase. Mitotische fase Van de totale duur van de celcyclus beslaat de M-fase slechts een korte periode. Een menselijke cel die elke 24 uur deelt, bevindt zich van die 24 uur slechts 1 uur in de M-fase. De M-fase bestaat uit mitose en cytokinese (afb. 2). Tijdens de mitose deelt de kern, waarbij de verdubbelde chromosomen eerlijk over de twee dochterkernen worden verdeeld. Cytokinese is het proces waarbij het celmembraan insnoert, zodat het cytoplasma wordt verdeeld en er twee dochtercellen ontstaan. Af b. 2. Mitotische fase. De mitotische fase bestaat uit de mitose (profase, metafase, anafase en telofase) en cytokinese (bron: www.bioplek.org ©Bioplek) Pagina 2 NASLAGWERK DE GEMENE DELER De mitose is onder te verdelen in vier stadia: profase, metafase, anafase en telofase. • Profase – Tijdens de profase wordt het DNA heel strak opgevouwen. Dit proces wordt ook wel spiralisatie genoemd. Door spiralisatie komen de afzonderlijke chromosomen los van elkaar te liggen en worden ze zichtbaar onder de microscoop. Van elk chromosoom zijn twee kopieën aanwezig die aan elkaar vastzitten op een plek die centromeer heet. Zolang ze aan elkaar vastzitten, noemen we de twee kopieën chromatiden. Om jezelf een beter beeld te geven van de hoeveelheid DNA in een profase cel, neem je een cel van een niet bestaand diploïd organisme met slechts één chromosoom in gedachte. In zo’n cel: • bestaat één chromosoom uit één DNA molecuul bestaande uit twee DNA-strengen die als een helix om elkaar zijn gedraaid; • zijn er van dat chromosoom twee homologe kopieën aanwezig; één afkomstig van de vader en één van de moeder; • zijn beide homologe chromosomen tijdens de S-fase door DNA-replicatie verdubbeld, waardoor ze ieder uit twee chromatiden bestaan; • zijn in totaal dus vier chromatiden met tezamen acht DNA-strengen aanwezig. Verder begint zich tijdens de profase een spoelfiguur, ook wel kernspoel, te ontwikkelen tussen de twee tegenoverliggende kanten (polen) van de cel. Dit spoelfiguur bestaat uit eiwitdraden die in een later stadium van de mitose de chromatiden uit elkaar zullen trekken. • Metafase – In de metafase komen de chromosomen in een vlak in het midden van de cel te liggen, het zogenaamde equatoriaalvlak. Doordat tussen de profase en de metafase (ook wel prometafase genoemd) het kernmembraan is verdwenen en de kernspoel verder is ontwikkeld, kunnen de eiwitdraden van de kernspoel de chromatiden bereiken. De eiwitdraden, ook wel trekdraden genoemd, binden vanuit de tegenoverliggende kanten van de cel aan de chromatiden ter hoogte van de centromeren. • Anafase – In de anafase laten de twee chromatiden los van elkaar en worden ze door de trekdraden uit elkaar getrokken naar tegenoverliggende kanten van de cel. De chromatiden worden nu weer chromosomen genoemd, omdat ze niet meer aan elkaar vastzitten. De anafase is het kortste stadium van de mitose en duurt slechts een paar minuten. Aan het eind van de anafase is er een complete set chromosomen aan beide kanten van de cel. • Telofase – In de telofase verdwijnen de trekdraden en ontstaat een kernmembraan om elke set chromosomen heen. Hierdoor ontstaan in de cel twee celkernen. De chromosomen ontrollen weer, waardoor ze niet meer zichtbaar zijn onder de microscoop. Gelijktijdig met de telofase vindt cytokinese plaats. Gedurende het proces van cytokinese ontstaat er een soort groef rondom de cel ter hoogte van het oude equatoriaalvlak. Aan de binnenkant van de cel ontstaat op dezelfde plaats een (contractiele) ring die uit de eiwitten actine en myosine bestaat (diezelfde eiwitten zorgen er ook voor dat je spieren samentrekken). De ring trekt zichzelf samen, waardoor de groef steeds dieper wordt en er uiteindelijk twee dochtercellen ontstaan (afb. 3). Het cytoplasma en de celorganellen zijn dan eerlijk over de twee dochtercellen verdeeld. Pagina 3 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Af b. 3. Contractiele ring. (Bron: Wikimedia Commons, Kelvinsong (aangepast)) Duur celcyclus Hoe vaak cellen delen verschilt erg per celtype. Huidcellen vernieuwen voortdurend en deling van deze cellen vindt dan ook vaak plaats. Levercellen delen zich daarentegen maar heel af en toe. De duur van de celcyclus verschilt dan ook enorm per celtype. Dit verschil zit in de duur van de interfase. Cellen die niet delen blijven in de G1-fase steken of stappen uit de celcyclus en komen in een niet delende staat, ook wel de G0-fase (G-nul-fase) genoemd. 1.3 CONTROLE VAN DE CELCYCLUS Het verloop van de celcyclus wordt nauwlettend gecontroleerd en gereguleerd door het celcyclus controlesysteem. De regulatie gebeurt op specifieke controlepunten tijdens de celcyclus. De controlepunten bevatten mechanismen die controleren of alle stappen die tot op dat moment gedaan zouden moeten zijn ook daadwerkelijk op de juiste wijze zijn uitgevoerd. Pas wanneer dit het geval is, wordt er een positief signaal afgegeven en kan de celcyclus doorgaan. De drie belangrijkste controlepunten in de celcyclus bevinden zich in de G1, G2 en M-fase (Afb. 1). De G1-fase bevat een mechanisme dat controleert of de cel klaar is om de rest van de celcyclus te doorlopen. Indien dit het geval is, voltooit de cel de G1, S en G2-fase. Vervolgens checkt een controlemechanisme aan het einde van de G2-fase of het hele DNA verdubbeld is, zodat de cel kan starten met de M-fase. Tijdens de metafase van de mitose is het derde controlemoment. Hier wordt gecontroleerd of alle chromatiden op de juiste manier vastzitten aan de trekdraden van de kernspoel. Op deze manier wordt voorkomen dat er een ongelijke verdeling van chromosomen over de dochtercellen plaatsvindt wanneer ze uit elkaar worden getrokken. Bij de controle van de celcyclus zijn zowel interne als externe signalen betrokken. Interne regulatie De belangrijkste regulatiemoleculen van de celcyclus zijn eiwitten. Zo zijn de controlepunten in de G1-fase en in de G2-fase afhankelijk van de eiwitten cycline en cycline-afhankelijke kinase (Cdk). Cdk is tijdens de hele celcyclus in een bepaalde hoeveelheid aanwezig, maar wordt pas actief wanneer het bindt aan cycline. De binding met cycline kan echter alleen op specifieke momenten tijdens de celcyclus gemaakt worden, aangezien cycline niet altijd in voldoende mate aanwezig is. De aanwezigheid van cycline volgt namelijk een cyclisch patroon (hier dankt cycline zijn naam aan). Wanneer cycline en Cdk binden wordt een cycline- Pagina 4 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Cdk-complex gevormd. Wanneer er voldoende complexen aanwezig zijn, ‘passeert’ de cel het controlepunt. Dierlijke cellen hebben verschillende typen cyclines en Cdk’s. Ook bij het M-fase controlepunt spelen eiwitten een belangrijke rol. Wanneer alle chromatiden correct aan de trekdraden zijn aangehecht, worden enzymen geactiveerd die de chromatiden bij het centromeer van elkaar losknippen, zodat ze uit elkaar getrokken kunnen worden. Externe regulatie Ook externe factoren kunnen de celcyclus beïnvloeden. Zo delen cellen bijvoorbeeld niet wanneer er onvoldoende voedingsstoffen aanwezig zijn. Verder zijn vaak groeifactoren nodig om tot deling over te gaan. Naast chemische factoren bepalen fysische factoren mede of een cel tot deling over gaat. Zo zijn de meeste dierlijke cellen afhankelijk van hechting, wat betekent dat ze aan andere cellen of structuren in het lichaam gebonden moeten zijn om te kunnen gaan delen. Bovendien wordt de vorm en dichtheid van een weefsel onder controle gehouden doordat buurcellen elkaars deling beïnvloeden. Verlies van controle In gezonde cellen wordt de celcyclus goed gereguleerd en gecontroleerd. Bij tumorcellen zijn deze mechanismen echter verstoord. Deze cellen hebben geen signalen meer nodig om de controlepunten van de celcyclus te passeren en delen daardoor ongecontroleerd. Tumorcellen hebben daarnaast geen groeifactoren nodig om te gaan delen. In hoofdstuk 6 kun je meer lezen over eigenschappen van tumorcellen. Ongecontroleerde celdeling kan ernstige gevolgen hebben. Wanneer een cel die ongecontroleerd deelt niet doodgaat of door het immuunsysteem wordt opgeruimd, kan er een klompje abnormale cellen ontstaan waarin DNA-beschadigingen niet worden hersteld. Zo’n klompje cellen wordt een tumor genoemd. Zolang de tumor op de plaats van ontstaan blijft en niet door andere weefsels heen groeit, wordt de tumor goedaardig genoemd. Wanneer een tumor door andere weefsels heen groeit en zich door het lichaam kan verspreiden, wordt deze kwaadaardig genoemd. Functies van organen kunnen dan belemmerd worden. Er is sprake van kanker als iemand een kwaadaardige tumor heeft. 1.4 STOPPEN MET DELEN Op een gegeven moment stoppen cellen met delen, bijvoorbeeld omdat het niet meer nodig is of omdat er geen groeifactoren aanwezig zijn. Normale dierlijke cellen delen ongeveer 20-50 keer voordat ze stoppen met delen. Dit heeft er onder andere mee te maken dat de uiteinden van chromosomen, de telomeren, bij elke celdeling een stukje korter worden. Telomeren beschermen het DNA, zodat genen vlakbij het uiteinde van een chromosoom niet afslijten. Naarmate cellen vaker gedeeld hebben, hebben de chromosomen kortere telomeren en daarmee een minder goede bescherming tegen DNA-schade. Ongehoorzame cellen Hoe meer celdelingen een cel heeft doorlopen, des te meer fouten in het DNA (mutaties, zie hoofdstuk 5) ophopen. Cellen die verouderd, beschadigd of geïnfecteerd zijn, schakelen in veel gevallen een ‘zelfmoordproces’ in: apoptose. Bij apoptose worden DNA en celorganellen kapotgemaakt en verteerd door het lysosoom, een celorganel dat grote moleculen in de cel afbreekt. Vervolgens verschrompelt de cel en wordt de cel opgeruimd door speciale opruimcellen. Tumorcellen kunnen eigenschappen verkrijgen waardoor het proces van apoptose Pagina 5 NASLAGWERK DE GEMENE DELER wordt vermeden. Hierdoor kunnen deze cellen blijven delen terwijl er DNA-schade is ontstaan. Een andere manier waarop cellen ‘ongehoorzaam’ kunnen zijn, is door het aanmaken van het enzym telomerase. Telomerase kan de telomeren verlengen, waardoor cellen langer kunnen blijven delen. Sommige tumorcellen doen dit. Over eigenschappen van tumorcellen kun je meer lezen in hoofdstuk 6. H2. CELDIFFERENTIATIE 2.1 INLEIDING Alle cellen van een meercellig organisme hebben hetzelfde genoom, het complete genetisch materiaal van een organisme bestaande uit genen en niet-coderend DNA. Toch bestaat een meercellig organisme uit veel verschillende typen cellen die qua vorm en functie erg van elkaar kunnen verschillen. Het proces waardoor cellen hun specifieke vorm en functie krijgen wordt differentiatie genoemd. 2.2. STAMCELLEN Cellen die nog niet gespecialiseerd zijn, noem je stamcellen. Wanneer een stamcel deelt, ontstaat een identieke dochtercel en een meer gespecialiseerde dochtercel. Deze meer gespecialiseerde dochtercel ondergaat verdere differentiatie, zodat een volledig gespecialiseerde cel ontstaat met een specifieke vorm en functie. Stamcellen vullen door te delen dus hun eigen populatie aan en produceren cellen die verder differentiëren. Het is echter ook mogelijk dat uit een stamcel door deling twee identieke dochterstamcellen ontstaan. Typen stamcellen Er zijn verschillende typen stamcellen. Omnipotente stamcellen zijn het minst gespecialiseerd van alle typen stamcellen De cellen die door klievingsdeling uit de bevruchte eicel ontstaan, zijn omnipotent. Uit deze stamcellen ontstaan naast cellen van het embryo ook cellen die niet bij het embryo zelf horen, namelijk cellen van de vruchtvliezen. Embryonale stamcellen zijn al iets verder gespecialiseerd en kunnen zich nog ontwikkelen tot alle typen cellen waaruit een individu is opgebouwd. Deze stamcellen worden pluripotent genoemd. Adulte (volwassen) stamcellen zijn uit embryonale stamcellen ontstaan en kunnen in tegenstelling tot de embryonale stamcellen slechts bepaalde soorten cellen voortbrengen. Een bepaald type adulte stamcel in het beenmerg kan zich bijvoorbeeld differentiëren tot de verschillende typen bloedcellen, terwijl bot-, kraakbeen-, vet- en spiercellen uit een ander type adulte stamcel ontstaan. Gebruik van stamcellen Er wordt tegenwoordig veel onderzoek gedaan aan stamcellen. Zowel embryonale stamcellen als adulte stamcellen worden geïsoleerd en gekweekt. Onderzoekers proberen meer te weten te komen over het differentiatieproces. Het uiteindelijke doel is om cellen te produceren die gebruikt kunnen worden om beschadigd of ziek weefsel te herstellen. Pagina 6 NASLAGWERK DE GEMENE DELER 2.3 VAN STAMCEL TOT WEEFSEL Alle cellen van een individu hebben hetzelfde DNA en dus ook dezelfde genen. Lang niet alle genen komen in alle cellen tot expressie (meer informatie over genexpressie vind je in paragraaf 3.4). In een levercel is bijvoorbeeld wel het gen voor oogkleur aanwezig, maar komt dit gen niet tot expressie. Een levercel produceert daardoor geen pigmenten die de oogkleur bepalen. Alleen in de iris komt het gen voor oogkleur tot expressie. Cellen verschillen dus in vorm en functie doordat ze andere genen tot expressie brengen en daardoor andere eiwitproducten in de cel hebben. Hoe ontstaan de verschillen in genexpressie tussen cellen? Invloeden binnenin de cel Direct vanaf het begin dat een bevruchte eicel zich ontwikkelt, sturen verschillende factoren aan welke ontwikkelingsroute een cel zal volgen. Het cytoplasma van de bevruchte eicel bevat eiwitten en RNA afkomstig van de moeder. Deze stoffen (cytoplasmatische determinanten) zijn niet gelijkmatig over de bevruchte eicel verdeeld en worden bij celdeling ongelijk over de dochtercellen verdeeld. De kernen van de dochtercellen komen daardoor in aanraking met verschillende determinanten, waardoor verschillende genen geactiveerd worden. Invloeden van buitenaf Een cel krijgt ook te maken met invloed van buitenaf. Het contact met buurcellen en bijvoorbeeld groeifactoren, die door buurcellen worden geproduceerd, beïnvloeden mede de ontwikkeling van de cel. Dit proces waarbij buurcellen de ontwikkeling van een cel sturen, wordt inductie genoemd. De plaats van een cel binnen een weefsel speelt ook een rol. De locatie heeft invloed op hoe een cel reageert op signalen en hoe de cel zal differentiëren. Zo scheiden cellen, op een bepaalde plaats in een weefsel, soms stoffen uit. Door een diffusiegradiënt ontstaat een verschil in concentratie van de uitgescheiden stof vanaf de bron naar verder gelegen plaatsen. Cellen die zich dichtbij de bron bevinden, ontvangen een hogere concentratie van de stof dan cellen die verder weg liggen. Het verschil in concentratie bepaalt hoe een cel reageert op de stof en of bepaalde genen wel of niet worden aan- of uitgezet. Determinatie en celdood Verschillende factoren sturen dus samen welke ontwikkelingsroute een cel zal doorlopen. Wanneer deze route bepaald is, is bekend tot welk celtype de cel zich zal specialiseren. De cel heeft op dat moment determinatie ondergaan. Determinatie gebeurt al een geruime tijd voordat differentiatie zichtbaar wordt. De vastgestelde ontwikkelingsroute kan ook leiden tot geprogrammeerde celdood, apoptose. Apoptose komt veel voor tijdens de ontwikkeling om weefsels en organen de juiste vorm te geven. Een bekend voorbeeld is de vorming van vingers en tenen. In eerste instantie heeft een embryo een soort zwemvliezen. Door apoptose gaan de cellen van deze vliezen dood, waardoor de vingers en tenen los van elkaar komen. Tijdens het apoptoseproces breekt het lysosoom, een celorganel dat grote moleculen in de cel verteert, het DNA en celorganellen af. Vervolgens verschrompelt de cel en wordt deze door speciale opruimcellen opgeruimd. Pagina 7 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Af b. 4. Invloeden die de ontwikkeling van een cel sturen ©Medicalvisuals ongelijke verdeling diffusiegradiënt inductie groeifactor 2.4 TUMORSTAMCELLEN Net als andere volwassen weefsels, hebben tumoren ook stamcellen. Deze tumorstamcellen kunnen net als normale stamcellen zichzelf vernieuwen en meer gedifferentieerde dochtercellen vormen. Ze zijn verantwoordelijk voor het handhaven van de populatie cellen in een tumor. Tumorstamcellen kunnen gemakkelijker dan andere tumorcellen nieuwe tumoren vormen en zijn vaak minder gevoelig voor medische behandelingen tegen kanker. Tumorstamcellen hebben bepaalde eigenschappen die overeenkomen met stamcellen in het weefsel waaruit ze zijn ontstaan. Het is echter nog niet helemaal duidelijk hoe tumorstamcellen precies ontstaan. Bovendien kan het per tumor verschillen hoe ze ontstaan. In sommige tumoren ontstaan tumorstamcellen uit normale stamcellen, terwijl ze in andere tumoren kunnen ontstaan door een verandering in een meer gedifferentieerde cel. Pagina 8 NASLAGWERK DE GEMENE DELER H.3 EIWITTEN 3.1 INLEIDING Eiwitten spelen een onmisbare rol in het leven; bijna alles wat een organisme doet, is afhankelijk van eiwitten. Eiwitten worden ook wel proteïnen genoemd, wat afgeleid is van het Griekse woord proteios wat ‘eerste plaats’ betekent. In de verschillende menselijke cellen komen tienduizenden eiwitten voor, met allemaal hun eigen specifieke vorm en functie. De eiwitten in een cel vormen samen ongeveer 50% van het gewicht van de cel wanneer al het vocht eruit zou zijn opgedroogd. De functies die eiwitten vervullen lopen erg uiteen. Sommige eiwitten spelen een rol als enzym en versnellen op die manier chemische reacties, terwijl andere eiwitten betrokken zijn bij communicatie binnen en tussen cellen, opslag, transport, beweging, structurele steun of afweer tegen ziekteverwekkers (tabel 1). Eiwitten kunnen deze variatie aan functies uitvoeren doordat elk type eiwit een unieke driedimensionale structuur heeft. Tabel 1. Type eiwit en functie Type eiwit Functie Enzymen Selectief versnellen van (chemische) reacties Structurele eiwitten Steun Opslageiwitten Opslag van aminozuren Transporteiwitten Vervoeren van stoffen Hormonen Coördineren van activiteiten in een organisme Receptoren Reageren van de cel op signalen Samentrekkende eiwitten Beweging Afweereiwitten Bescherming tegen ziekteverwekkers 3.2 BOUW, VORM EN FUNCTIE VAN EIWITTEN Eiwitten zijn polymeren van aminozuren. Polymeren zijn lange moleculen die bestaan uit vele gelijke bouwstenen, net zoals een trein bestaat uit coupés. Elke bouwsteen (coupé) van een polymeer wordt een monomeer genoemd. Polymeren van aminozuren worden polypeptiden genoemd. Een eiwit bestaat uit één of meerdere polypeptiden. De aminozuren in een polypeptide koppelen doordat de zuurgroep (-COOH) van het ene aminozuur is verbonden met de aminogroep (-NH2) van het volgende aminozuur. Deze binding wordt een peptidebinding genoemd. In afbeelding 5 is de algemene structuurformule van Pagina 9 NASLAGWERK DE GEMENE DELER een aminozuur weergegeven. De restgroep (R) is per aminozuur verschillend en bepaalt de eigenschappen van het specifieke aminozuur. De overige structuur is bij elk aminozuur gelijk en wordt ook wel de ruggengraat van het aminozuur genoemd. In totaal zijn er twintig aminozuren waaruit alle verschillende eiwitten opgebouwd worden. Af b. 5. Algemene structuurformule aminozuur Bouw van eiwitten op vier niveaus Eiwitten hebben allemaal hun eigen unieke structuur, maar zijn allemaal via drie structurele niveaus opgebouwd. Deze niveaus worden de primaire, secundaire en tertiaire structuur van eiwitten genoemd. Het vierde niveau, de quaternaire structuur, komt alleen voor bij eiwitten die uit meer dan één polypeptide bestaan. Hieronder worden de vier niveaus beschreven. In afbeelding 6 staan ze weergegeven. • Primaire structuur – De primaire structuur van een eiwit is de volgorde waarin de aminozuren aan elkaar gekoppeld zijn. Het is te vergelijken met de volgorde waarin kralen met twintig verschillende kleuren aan een ketting zijn geregen. Als je een ketting met 150 kralen wilt maken, zou je met de twintig kleuren, 20150 verschillende kettingen kunnen maken. De precieze volgorde waarin de verschillende aminozuren in een eiwit aan elkaar worden gekoppeld, is niet willekeurig, maar ligt vast in het DNA. In paragraaf 3.4 kun je lezen hoe deze DNA-volgorde vertaald wordt naar de juiste aminozuurvolgorde. • Secundaire structuur – Bepaalde regio’s in de ketting van aminozuren vormen vaak een spiraalpatroon (α- helix) of een vouwpatroon ( β-sheet). Deze spiraal- en vouwpatronen vormen de secundaire structuur van het eiwit, en komen tot stand door waterstofbruggen tussen de ruggengraten van verschillende aminozuren. Een waterstofbrug is een zwakke chemische binding tussen een beetje negatief geladen waterstofatoom van het ene molecuul en een beetje positief geladen atoom van een ander molecuul. • Tertiaire structuur – De tertiaire structuur van het eiwit is de totale driedimensionale vorm van het eiwit. Deze driedimensionale vorm komt tot stand door interacties tussen de restgroepen van verschillende aminozuren. Sommige restgroepen trekken elkaar aan, terwijl anderen elkaar afstoten. Voorbeelden van bindingen die ontstaan tussen restgroepen zijn ionbindingen, waterstofbindingen en zwavelbindingen (binding tussen twee –SH-uiteinden van het aminozuur cysteïne). • Quaternaire structuur – De quarternaire structuur komt alleen voor bij eiwitten die uit twee of meer polypeptideketens bestaan. Het is de manier waarop de verschillende polypeptideketens samen de uiteindelijke eiwitstructuur vormen. Een voorbeeld van een eiwit met een quarternaire structuur is het eiwit hemoglobine. Hemoglobine bestaat uit vier polypeptideketens. Pagina 10 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Af b. 6. Vier structurele niveaus van eiwitten (bron: www.aljevragen.nl) Vorm en functie De vorm en functie van een eiwit zijn nauw gerelateerd. Eiwitten voeren hun specifieke activiteiten uit door hun unieke vorm. Ze hebben vaak interacties met andere eiwitten om hun functie uit te voeren. Het is dan van belang dat de eiwitten de juiste ruimtelijke vorm hebben zodat ze precies in elkaar passen. Zo heeft een receptor voor een bepaalde groeifactor een specifieke ruimtelijke vorm waardoor alleen precies die specifieke groeifactor er aan kan binden, en kunnen enzymen door hun vorm alleen het juiste substraat (stof waarop het enzym inwerkt) binden, waardoor ze heel specifiek de ene reactie wel en de andere niet versnellen. Dat eiwitten die met elkaar een binding aangaan precies op of in elkaar passen om vervolgens een reactie teweeg te brengen, wordt vaak het sleutel-slot principe genoemd. Wanneer een sleutel in het juiste slot valt, past dit precies en kan het slot geopend worden. Het is echter gebleken dat de binding van eiwitten flexibeler is dan een sleutel die in een slot past. Zo blijkt een receptor zich enigszins om het ligand heen te sluiten, zoals je hand die de sleutel omklemt. 3.3 EIWITINTERACTIES Door hun precieze ruimtelijke structuur kunnen eiwitten specifieke interacties aangaan met andere eiwitten of moleculen. Als gevolg van deze moleculaire interacties veranderen eigenschappen, zoals de vorm en chemische groepen, van de betrokken moleculen. Door het optreden van deze veranderingen, voeren eiwitten bepaalde activiteiten uit. De veranderingen die optreden, verschillen per type eiwit, waardoor verschillende eiwitten verschillende Pagina 11 NASLAGWERK DE GEMENE DELER ‘eiwitactiviteiten’ kunnen uitvoeren. Hieronder is voor een paar algemene eiwitactiviteiten uitgewerkt wat ermee bedoeld wordt. • Binden (ook aan te duiden als vasthouden of erin passen) – Een eiwit bindt een molecuul of ander eiwit door chemische interacties. Beide moleculen passen in of op elkaar vanwege de vorm en de positie van chemische groepen. Vervolgens blijven ze in gebonden vorm bij elkaar zonder dat er nog iets anders gebeurt. • Loslaten – Een eiwit laat een molecuul los. Dit houdt in dat de interacties tussen het eiwit en het andere molecuul verzwakken en verbreken, bijvoorbeeld doordat er een ander molecuul aan het eiwit bindt. • Splitsen (ook aan te duiden als losmaken, knippen, chemische bindingen verbreken) – Een eiwit splitst een molecuul. Dit wil zeggen dat een eiwit bindt aan het molecuul door chemische interacties aan te gaan, waardoor bindingen tussen atomen in het molecuul verbreken. Door het verbreken van die bindingen, verzwakken de interacties met het eiwit, waardoor de twee losse delen van het molecuul loskomen van het eiwit. • Koppelen (ook aan te duiden als verbinden, maken, opbouwen, chemische bindingen vormen) – Een eiwit koppelt moleculen. Twee moleculen binden aan het eiwit, waardoor de bindingen in de betrokken moleculen verzwakken en het mogelijk wordt om nieuwe bindingen tussen de twee moleculen aan te gaan. Bij het vormen van de nieuwe bindingen verzwakken de interacties met het eiwit, waardoor het nieuw gevormde molecuul loskomt van het eiwit. • Katalyseren (versnellen van koppelen of splitsen) – Een eiwit ‘katalyseert’ een chemische reactie, wat betekent dat het helpt bij het omzetten van een molecuul in een ander molecuul. Dit kan zowel het koppelen als het splitsen van moleculen betreffen. Het eiwit bindt aan het substraat. Door de interacties van het substraatmolecuul met het eiwit verzwakken de interacties tussen de atomen van het substraat, waardoor verbindingen verbroken worden en nieuwe verbindingen gevormd worden. • Blokkeren – Een eiwit blokkeert een molecuul, bijvoorbeeld de activiteit van een ander eiwit. Dit wil zeggen dat het eiwit bindt aan een molecuul, waarmee het voorkomt dat dit molecuul interacties aan kan gaan met andere moleculen. • Activeren – Een eiwit activeert een ander eiwit door er aan te binden, er chemische groepen/moleculen aan te koppelen of door er chemische groepen af te splitsen. Hierdoor kan het eiwit interacties aangaan die het eerst niet kon. • Inactiveren – Een eiwit inactiveert een ander eiwit door er aan te binden, er chemische groepen/moleculen aan te koppelen of door er chemische groepen af te splitsen. Hierdoor kan het eiwit niet meer de interacties aangaan die het eerst wel kon. Pagina 12 NASLAGWERK DE GEMENE DELER • Herkennen (vaak gevolgd door activeren) – Een receptor herkent een eiwit doordat het eiwit aan de receptor bindt en de receptor activeert. De receptor verandert vervolgens van vorm, waardoor deze interacties kan aangaan die het eerst niet kon. • Selectief doorlaten – Een kanaaleiwit in het membraan laat moleculen selectief door, doordat het een holte heeft waar alleen moleculen met de juiste lading en grootte doorheen passen. • ATP verbruiken – Sommige eiwitten gebruiken ATP als energiebron tijdens de activiteit. Dat houdt in dat het eiwit het energierijke molecuul ATP splitst door het aan zich te binden. Door de binding verandert het eiwit van vorm en splitst het ATP in ADP en P. De vormverandering maakt het mogelijk dat het eiwit bindingen aangaat of verbreekt, die zonder splitsing van ATP niet mogelijk waren. • Pompen – Een pompeiwit in het membraan gebruikt ATP om een molecuul van de ene naar de andere kant van het membraan te verplaatsen. Dat betekent dat het eiwit aan de ene kant van het membraan het molecuul en ATP bindt. Door de splitsing van ATP verandert het eiwit van vorm en komt het gebonden molecuul aan de andere kant van het membraan terecht. De binding met het molecuul verzwakt door de vormverandering van het eiwit, waardoor het molecuul loslaat. Wanneer het molecuul loslaat, laat ook het ADP los, waardoor het eiwit terugklapt in de uitgangspositie. • Lopen – Sommige eiwitten, zogenaamde motoreiwitten, kunnen ‘lopen’. Dat gebeurt als volgt: het eiwit heeft twee ‘poten’ die allebei kunnen binden aan een draad van eiwitten. Doordat beide ‘poten’ kunnen binden aan ATP en het kunnen splitsen in ADP en P, ontstaat er een soort beweging waarbij de poten om en om langs de draad worden geslingerd. 3.4 GENEXPRESSIE: VAN DNA TOT EIWIT Een bepaald eiwit is al dan niet in de cel aanwezig, afhankelijk van of het stukje DNA, het gen, dat voor dit eiwit codeert aan of uit staat. Wanneer een gen aan wordt gezet door zogenaamde transcriptiefactoren (zelf ook eiwitten), wordt dit gen door RNA-polymerase afgelezen en vertaald in mRNA. Dit proces wordt transcriptie genoemd. De mRNA-streng die tijdens de transcriptie is gevormd, bestaat in tegenstelling tot DNA uit één enkele streng, en verplaatst zich vanuit de celkern naar het cytoplasma. In het cytoplasma vindt de volgende vertaalslag plaats. Ribosomen in het cytoplasma lezen het mRNA in groepjes van drie nucleotiden af. Zo’n groepje van drie nucleotiden wordt een triplet of codon genoemd, en codeert voor een specifiek aminozuur. De opeenvolgende aminozuren worden door het ribosoom aan elkaar gekoppeld. Het ribosoom start met vertalen van mRNA ter hoogte van het startcodon (AUG) en stopt wanneer hij een stopcodon (UAA, UAG, UGA) tegenkomt. Dit proces waarbij het mRNA wordt omgezet in een keten van aminozuren, de primaire eiwitstructuur, wordt translatie genoemd. Nadat de aminozuurketen is gevormd, moet het eiwit nog in de juiste driedimensionale structuur worden gevouwen. Dit gebeurt in het cytoplasma of het endoplasmatisch reticulum. Soms moeten er nog bepaalde suikergroepen aan het eiwit worden gezet om het functioneel te maken. Dit wordt in het golgi-apparaat gedaan. Pagina 13 NASLAGWERK DE GEMENE DELER H4. MOLECULAIRE EN CELLULAIRE INTERACTIE 4.1 INLEIDING Een meercellig organisme bestaat uit zeer veel verschillende typen cellen. Al deze cellen hebben hetzelfde genoom, maar het verschilt per celtype welk stukje hiervan wordt afgelezen en wordt vertaald in eiwit. Verschillende cellen voeren dus verschillende functies uit omdat verschillende eiwitten in de cel aanwezig zijn. 4.2 REGULATIE VAN GENEXPRESSIE Het proces waarbij DNA wordt vertaald in eiwit, wordt genexpressie genoemd (hierover kun je meer lezen in paragraaf 3.4). Genexpressie is per celtype verschillend. Celtypen verschillen dus niet van elkaar in de genen die aanwezig zijn, maar in de expressie van deze genen. Regulatie van de genexpressie is complex en betrekt verschillende factoren. Regulatie van de genexpressie in prokaryoten Veel onderzoek naar het reguleren van genexpressie is gedaan in bacteriën. In 1961 ontdekten François Jacob en Jacques Monod een basaal mechanisme waarmee bacteriën hun genexpressie reguleren. Neem bijvoorbeeld de darmbacterie, E. coli. Deze bacterie neemt voedingsstoffen op uit het voedsel van zijn gastheer. Wanneer het voedsel dat de bacterie eet weinig tryptofaan (een aminozuur) bevat, schakelen genen in de bacterie aan waardoor enzymen (eiwitten) worden gemaakt die nodig zijn om zelf tryptofaan te maken. Wanneer er echter voldoende tryptofaan in het voedsel aanwezig is, worden de betreffende genen weer uitgezet, aangezien de bacterie tryptofaan uit het voedsel kan opnemen. Alle genen die coderen voor de betrokken eiwitten bij tryptofaanproductie, liggen bij elkaar op het DNA. In een bacterie vind je vaak regio’s in het DNA waarop alle genen bij elkaar liggen die coderen voor eiwitten die samen één celfunctie vervullen. Zo’n regio wordt een operon genoemd. De genen op een operon worden gelijktijdig afgeschreven, en er wordt één mRNAmolecuul gevormd, dat door het ribosoom in de verschillende enzymen wordt vertaald. Dat de genen gelijktijdig worden afgeschreven, komt doordat de groep genen één gezamenlijke promotor en operator heeft. De promotor is de plaats in het DNA waaraan RNA-polymerase bindt, en de operator is de plaats in het DNA waaraan een repressor (een eiwit) kan binden. Door het binden van de repressor aan de operator wordt verhinderd dat RNA-polymerase aan de promotor bindt. De operator is dus de aan/uit-schakelaar van een gen. De operator ligt vaak tussen de promotor en het gen. In het geval van het tryptofaan-operon (afb. 7) is de repressor actief wanneer tryptofaan aanwezig is en aan de repressor bindt. De repressor bindt dan aan de operator, waardoor de genen van het operon niet worden afgeschreven. Er wordt dan dus geen tryptofaan gemaakt. Wanneer tryptofaan afwezig is, is de repressor inactief en bindt deze dus niet aan de operator. Hierdoor kan RNA-polymerase aan de promotor binden, en kunnen de genen van het operon worden afgeschreven. Er wordt dan tryptofaan gemaakt. De repressor van het tryptofaan-operon wordt dus pas actief als tryptofaan eraan bindt. Er zijn ook repressoren die precies tegenovergesteld werken. Deze repressoren zijn constant actief, en worden juist inactief wanneer er een molecuul aan bindt. Pagina 14 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Naast regulatie door repressoren bestaat er ook regulatie door activatoren. Wanneer een activator aan het DNA bindt, wordt de transcriptie juist geactiveerd, omdat het de binding van RNA-polymerase aan de promotor juist vergemakkelijkt. De genen in het tryptofaan-operon zijn voorbeelden van structuurgenen. Structuurgenen coderen voor enzymen of andere eiwitten die nodig zijn voor celstructuur of metabolisme, of voor tRNA- of rRNA-moleculen. Een repressor is het product van een regulatorgen. Af b. 7. Regulatie tryptofaan-operon in E. coli. P = promotor, O = operator. (Bron: Wikimedia Commons, Histidine (aangepast)) Regulatie van de genexpressie in eukaryoten Net als in bacteriën worden in eukaryote organismen genen vaak in groepen aan- of uitgeschakeld. Bij eukaryoten liggen deze genen echter niet altijd dicht bij elkaar, en wordt voor elk gen een eigen mRNA afgeschreven. Bovendien kan genexpressie in eukaryoten op verschillende momenten in het proces van gen tot eiwit plaatsvinden. Waar de regulatie van genexpressie in bacteriën over het algemeen alleen plaatsvindt tijdens transcriptie, kan de genexpressie in eukaryoten ook op andere niveaus gereguleerd worden. Hieronder worden enkele voorbeelden gegeven waarop genexpressie gereguleerd kan worden in eukaryote organismen. • Regulatie door het beïnvloeden van de chromatinestructuur – Chromatine is DNA dat om histoneiwitten is opgerold. De sterkte waarmee het chromatine is opgevouwen, kan verschillen, en heeft invloed op hoe vaak het DNA wordt afgeschreven. Op sommige plekken is het DNA erg strak opgevouwen en kunnen genen minder gemakkelijk worden afgeschreven. Des te strakker het DNA is opgevouwen, des te moeilijker het te bereiken is voor transcriptiefactoren en eiwitten die betrokken zijn bij de transcriptie. De chromatinestructuur kan op verschillende manieren beïnvloed worden. Zo kunnen chemische groepen aan histoneiwitten worden gekoppeld of er juist van worden verwijderd, met als gevolg dat het DNA strakker of losser wordt opgevouwen. Ook kunnen Pagina 15 NASLAGWERK DE GEMENE DELER methylgroepen aan nucleotidebasen van het DNA (meestal aan cytosine) worden gehangen, waardoor het DNA minder gemakkelijk kan worden afgeschreven. Dit wordt DNAmethylering genoemd. Verandering van de chromatinestructuur door verandering van histoneiwitten en door DNA-methylering wordt epigenetische informatie genoemd. Epigenetische informatie ligt niet vast in de DNA-volgorde, maar kan wel worden doorgegeven aan dochtercellen bij celdeling. • Regulatie bij de start van de transcriptie – Net als in bacteriën wordt de start van de transcriptie geregeld door eiwitten die binden aan het DNA en daardoor de binding van RNA-polymerase vergemakkelijken of verhinderen. Het proces waardoor dat gebeurt, is in eukaryote cellen echter wat ingewikkelder. Elk eukaryoot gen heeft verschillende controle-elementen, stukken niet-coderend DNA, waaraan transcriptiefactoren (eiwitten) binden die de transcriptie reguleren. Deze transcriptiefactoren binden aan DNA en aan RNA-polymerase. Ze kunnen zowel een remmende als activerende werking hebben. Aan elk controle-element bindt een specifieke transcriptiefactor, en elk gen heeft zijn eigen unieke combinatie van controle-elementen. Bij genen die in groepen moeten worden afgeschreven (omdat hun eiwitproducten samen een functie in de cel vervullen), komen de controle-elementen vaak overeen. Op deze manier worden de genen gelijktijdig afgeschreven, ook al liggen ze niet bij elkaar op een chromosoom. • Regulatie na de transcriptie – Ook nadat het gen is afgeschreven, kan de expressie ervan nog gereguleerd worden. Het mRNA-molecuul kan bijvoorbeeld afgebroken worden, of de start van de translatie kan worden verhinderd, doordat voorkomen wordt dat het ribosoom aan het mRNA bindt. Zelfs na de translatie kan nog regulatie plaatsvinden. Het eiwit kan niet worden afgemaakt nadat de aminozuurketen is gevormd, of het eiwit kan worden afgebroken. • Regulatie door RNA-interferentie (RNAi) – Door RNAi kan genexpressie worden onderdrukt doordat een stukje RNA dat complementair is aan het mRNA bindt aan het mRNA. Hierdoor wordt het mRNA afgebroken of wordt voorkomen dat een ribosoom kan binden. RNAi kan worden uitgevoerd door microRNA (miRNA). Dit is een kort stukje RNA dat door een eiwit is geknipt uit een langer stuk RNA dat zichzelf als een lusje heeft dubbelgevouwen. Het stukje miRNA is hierdoor dubbelstrengs. Eén van de twee strengen wordt afgebroken, terwijl de andere streng een complex vormt met eiwitten. De streng die een complex vormt met eiwitten bindt aan het doelwit mRNA en onderdrukt zo de genexpressie. Factoren die genexpressie beïnvloeden Genexpressie kan door verschillende factoren beïnvloed worden, zoals door biotische en abiotische omgevingsfactoren. Doordat de genexpressie gereguleerd wordt door omgevingsfactoren in en buiten de cel, komen de juiste eiwitten beschikbaar voor de heersende omstandigheden. Een voorbeeld hiervan is de expressie van het tryptofaan-operon in darmbacteriën. Wanneer tryptofaan aanwezig is, staan de genen in het tryptofaan-operon uit, terwijl dezelfde genen aan staan in afwezigheid van tryptofaan (Afb. 7). Ook mutagene stoffen kunnen genexpressie beïnvloeden, doordat ze de structuur en daarmee de eiwitcode in het DNA kunnen veranderen. Pagina 16 NASLAGWERK DE GEMENE DELER 4.3 SIGNALERINGSROUTES Regulatie van genexpressie op het niveau van transcriptie is het meest bekende en meest voor de hand liggende stadium waarop regulatie van genexpressie plaatsvindt. Regulatie in dit stadium is vaak in reactie op hormonen of andere signaalstoffen van buiten de cel. Bij het doorgeven van zo’n signaal van buiten de cel naar de celkern zijn eiwitten betrokken. De route vanaf het signaalmolecuul tot aan het uiteindelijke effect (in dit geval transcriptie van een gen) wordt een signaleringsroute genoemd. In afbeelding 8 is een voorbeeld van zo’n route gegeven. Een signaleringsroute is grofweg in te delen in drie stappen, namelijk: ontvangen van het signaal (1), doorgeven van het signaal (2) en de respons (3). 1. Het ontvangen van een signaal gebeurt door een receptor. Dit is een eiwit dat de signaalstof herkent en bindt. De receptor bevindt zich meestal in het celmembraan, maar er bestaan ook receptoren die in het cytoplasma van de cel zitten. Nadat de receptor het signaalmolecuul heeft gebonden, verandert de receptor van vorm waardoor het signaal wordt doorgegeven. 2. Het doorgeven van het signaal verloopt meestal in meerdere stappen. De overdracht van het signaal wordt ook wel signaalcascade genoemd, en betrekt verschillende eiwitten die elkaar activeren of inactiveren. Naast eiwitten kunnen ook andere moleculen, zoals ionen of andere wateroplosbare moleculen, deelnemen aan de signaalcascade. Deze moleculen worden second messengers genoemd. 3. In de laatste stap van de signaleringsroute, de respons, wordt het signaal vertaald in een specifieke reactie in de cel. Dit kan het activeren van een gen zijn, maar ook bijvoorbeeld het veranderen van de vorm van de cel. Af b. 8. Voorbeeld van een signaleringsroute; een kinase is een eiwit (bron: www.bioplek.org ©Bioplek) Pagina 17 NASLAGWERK DE GEMENE DELER 4.4 VERSTOORDE GENEXPRESSIE In sommige gevallen kan de genexpressie verstoord raken. Bepaalde genen worden dan te veel of te weinig afgeschreven. Hierdoor ontstaat er een overvloed of tekort aan een bepaald eiwit. Wanneer dit het geval is voor een eiwit dat betrokken is bij de celdeling kan er kanker ontstaan. Genen die coderen voor eiwitten die in normale cellen celgroei en celdeling stimuleren, worden proto-oncogenen genoemd. Wanneer deze genen ontregeld raken en kanker veroorzaken, noem je ze oncogenen. Naast genen die coderen voor eiwitten die celdeling stimuleren, zijn er ook genen die coderen voor eiwitten die de celdeling juist remmen. Deze genen worden tumorsuppressor-genen genoemd, omdat ze coderen voor eiwitten die helpen om ongecontroleerde celdeling te voorkomen. Wanneer deze genen minder tot expressie komen, kan er ook kanker ontstaan. H5. MUTATIES 5.1 INLEIDING Mutaties zijn veranderingen in de hoeveelheid of de nucleotidevolgorde van het DNA. Deze veranderingen ontstaan willekeurig door foutjes tijdens de DNA-replicatie of bijvoorbeeld door bepaalde chemicaliën of straling. Het hangt van het toeval af waar een mutatie ontstaat in het DNA en of de mutatie uiteindelijk effect heeft op het functioneren van de cel en het organisme. 5.2 SOORTEN MUTATIES Er bestaan verschillende soorten mutaties. Bij puntmutaties verandert één nucleotidepaar, terwijl er bij een chromosoommutatie sprake is van een verandering in het aantal chromosomen of de structuur van een chromosoom. Verder kan er onderscheid gemaakt worden tussen mutaties die plaatsvinden in somatische cellen (lichaamscellen) en mutaties die plaatsvinden in geslachtscellen. Mutaties in somatische cellen worden niet doorgegeven aan nakomelingen. Bij mutaties in geslachtscellen is dit wel het geval. Dergelijke mutaties worden generatie op generatie doorgegeven. Puntmutaties Puntmutaties kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën, namelijk substitutiemutaties en insertie- en deletiemutaties. Bij een substitutiemutatie wordt een nucleotidepaar vervangen door een ander nucleotidepaar. Wanneer zo’n mutatie in een gen plaatsvindt, kan het zijn dat er een ander aminozuur in het uiteindelijke eiwit wordt ingebouwd. Hoe erg zo’n verandering is, hangt af van de plaats van de mutatie in het gen (hierover kun je meer lezen in paragraaf 5.4). Substitutiemutaties worden vaak door het DNA-repairsysteem opgespoord en hersteld voordat de cel verder gaat met delen. Bij een insertie- of deletiemutatie wordt een nucleotide toegevoegd aan of verwijderd uit het DNA. Als zo’n mutatie in een gen plaatsvindt, kan dit grote gevolgen hebben voor het uiteindelijke eiwitproduct dat wordt gevormd (hierover kun je meer lezen in paragraaf 5.4). Pagina 18 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Chromosoommutaties Bij chromosoommutaties kan het aantal chromosomen of de structuur van chromosomen zijn veranderd (Afb. 9). Deze veranderingen hebben vaak ernstige gevolgen voor het individu. Wanneer een chromosoommutatie al aanwezig is vanaf de bevruchte eicel, leidt dit in veel gevallen tot een miskraam, of heeft het (ongeboren) kind een verstoorde ontwikkeling. Veranderingen in aantallen chromosomen ontstaan doordat de chromosomen niet gelijk over de dochtercellen worden verdeeld tijdens de celdeling. Hierdoor krijgt de ene dochtercel teveel en de andere dochtercel te weinig chromosomen. Een verandering in het aantal chromosomen wordt ook wel een genoommutatie genoemd. Veranderingen in de structuur van chromosomen kunnen ontstaan doordat er een stuk van een chromosoom verloren gaat (deletie), een stuk van een chromosoom wordt verdubbeld (duplicatie), een stuk van een chromosoom omgekeerd in het chromosoom terechtkomt (inversie) of een stuk van een chromosoom verplaatst wordt naar een ander chromosoom (translocatie). Af b. 9. Chromosoommutaties (bron: Wikimedia Commons, aangepast) 5.3 OORZAKEN Mutaties kunnen op verschillende manieren ontstaan. Tijdens de DNA-replicatie, wanneer chromosomen worden gekopieerd, kunnen er bijvoorbeeld foutjes worden gemaakt. Gelukkig worden de meeste van deze foutjes opgespoord en hersteld, maar af en toe zullen de herstelmechanismen een foutje over het hoofd zien en zal de mutatie worden doorgegeven aan alle cellen die door deling uit deze cel ontstaan. Verder kunnen tijdens de mitose en meiose (reductiedeling) chromosoommutaties ontstaan doordat chromosomen ongelijk over dochtercellen worden verdeeld of er breuken in chromosomen optreden. Bepaalde factoren, mutagenen genoemd, veroorzaken mutaties in het DNA. Mutagenen kunnen worden verdeeld in mutagene straling en mutagene stoffen. Een bekend voorbeeld van een mutagene straling is ultraviolette (uv) straling. Door uv-straling koppelen twee naast elkaar gelegen thymine basen aan elkaar. Hierdoor ontstaat een knik in het DNA. Wanneer deze mutatie niet gerepareerd wordt, wordt de DNA-replicatie verstoord. Vaak leidt dit tot deletie van één of meer nucleotiden of tot substitutiemutaties. Andere voorbeelden van mutagene straling zijn kernstraling en röntgenstraling. Pagina 19 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Mutagene stoffen zijn er in allerlei categorieën. Vaak verstoren ze de DNA-replicatie doordat ze de eigenschappen van DNA-basen veranderen of tussen de dubbele helix gaan zitten. Een andere manier waarop mutaties kunnen ontstaan, is door het gebruik van genetische modificatie. In tegenstelling tot de anderen oorzaken, wordt de mutatie in dit geval bewust veroorzaakt. Bij genetische modificatie wordt het genoom van een organisme kunstmatig veranderd om bepaalde eigenschappen te laten ontstaan of verdwijnen. 5.4 GEVOLGEN De gevolgen van een mutatie verschillen per type mutatie. Chromosoommutaties zijn vaak lethaal of veroorzaken ernstige ontwikkelingsstoornissen. De gevolgen van puntmutaties hangen sterk af van de locatie in het DNA waar zo’n mutatie plaatsvindt. Van geen tot weinig effect… Mutaties die plaatsvinden in gebieden van het DNA die niet coderen voor eiwitten of niet betrokken zijn bij de regulatie van genexpressie, hebben over het algemeen geen gevolgen voor de cel en het organisme. Zelfs wanneer een mutatie ontstaat in een gen hoeft dat niet erg te zijn. Wanneer bijvoorbeeld in de lever een mutatie optreedt in het gen voor oogkleur, maakt dat niets uit, omdat dit gen in de lever niet actief is. Ook wanneer een mutatie plaatsvindt in een gen dat wel ‘aan’ staat in een cel, lopen de effecten van een mutatie erg uiteen. Een mutatie heeft soms helemaal geen effect. Dit is het geval wanneer de mutatie zich in een intron van het gen bevindt of wanneer het nieuw ontstane codon (groepje van drie nucleotiden dat tijdens de translatie samen vertaald wordt in een aminozuur) wordt vertaald in hetzelfde aminozuur. Zo’n mutatie wordt een neutrale mutatie genoemd. Wanneer in het geval van een substitutiemutatie wel een ander aminozuur wordt ingebouwd, hangt het effect af van de eigenschappen van het nieuwe aminozuur en de plaats van de aminozuurverandering binnen het eiwit. Het effect is vaak niet zo ernstig wanneer het nieuwe aminozuur erg lijkt op het oorspronkelijke aminozuur of wanneer de aminozuurverandering in een regio van het eiwit zit die niet belangrijk is voor de eiwitfunctie. … tot ernstige gevolgen Substitutiemutaties kunnen echter ook ergere gevolgen hebben. Zo zorgt een aminozuurverandering in een functionele regio van een eiwit er vaak voor dat het eiwit onwerkzaam of minder actief wordt. Hetzelfde effect kan worden veroorzaakt doordat het nieuwe aminozuur hele andere eigenschappen heeft waardoor de secundaire en tertiaire structuur van het eiwit verandert (over de secundaire en tertiaire structuur van eiwitten kun je meer lezen in hoofdstuk 3). Daarnaast kan een aminozuur ook veranderen in een stopcodon. Hierdoor wordt het eiwit korter, wat in de meeste gevallen leidt tot een niet-functioneel eiwit. Wanneer een insertie- of deletiemutatie plaatsvindt in een gen, heeft dit vaker ernstige gevolgen voor het uiteindelijke eiwit dan dat het geval is bij een substitutiemutatie. Wanneer het aantal nucleotiden dat wordt toegevoegd of verwijderd namelijk geen meervoud is van drie, dan verandert het leesraam van het DNA: Nucleotiden worden tijdens de translatie in groepjes van drie, een codon genoemd, afgelezen en vertaald in een aminozuur, en wanneer er dan één of twee nucleotiden zijn verwijderd of toegevoegd, worden er vanaf dat moment steeds andere groepjes van drie nucleotiden samen afgelezen. Hierdoor verandert de aminozuurvolgorde van het eiwit vanaf de plaats van de mutatie. Pagina 20 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Indien een eiwit niet-functioneel of minder actief is, beïnvloedt dit het functioneren van de cel. Het is echter goed om te realiseren dat in een cel altijd twee allelen van een gen aanwezig zijn (één afkomstig van de vader en één afkomstig van de moeder). Wanneer één van deze allelen gemuteerd is, kan er vanaf het andere allel nog wel een functionerend eiwit worden gevormd. Hoewel de meeste mutaties geen effect hebben of ongunstige gevolgen hebben, komt het soms voor dat mutaties juist gunstig zijn voor een individu. Een voorbeeld van een gunstige mutatie is bijvoorbeeld het krijgen van een camouflagekleur bij insecten. 5.5 KANSPROCES Hoewel mutaties continu plaatsvinden, is de kans op een mutatie met vervelende gevolgen voor een cel klein. Doordat het DNA nauwkeurig gecontroleerd wordt bij elke celdeling worden de meeste mutaties opgespoord en hersteld voordat de cel verder gaat in de celcyclus. Per celdeling verandert er gemiddeld één nucleotide per miljard nucleotiden. Dit komt erop neer dat er bij een mens gemiddeld drie foutjes per celdeling tussendoor glippen. Aangezien maar een klein deel van het menselijk genoom (zo’n 5%) codeert voor eiwitten, is de kans groot dat de mutaties buiten deze genen ontstaan. Bovendien staan veel genen in de meeste cellen niet aan. Naarmate een cel vaker heeft gedeeld, hopen zich meerdere mutaties in de cel op. Des te meer mutaties er zijn opgetreden, des te kleiner is de kans dat geen van deze mutaties een effect veroorzaakt. Wanneer een cel een maximaal aantal celdelingen heeft doorlopen of een bepaalde mate van schade heeft, activeert de cel normaal gesproken een zelfmoordprogramma, apoptose. Wanneer dit echter niet gebeurt, kunnen nog meer mutaties optreden en kan de celfunctie worden verstoord met alle gevolgen van dien. H6. HALLMARKS OF CANCER 6.1 INLEIDING Een tumor, een klompje abnormaal delende cellen, kan ontstaan wanneer een cel in staat is om te blijven delen, terwijl dat niet zou moeten. De cel reageert dan niet meer goed op zijn omgeving en verschillende controle-, herstel-, en reddingsmechanismen werken niet goed meer. Dit komt doordat sommige van de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor deze celprocessen niet meer naar behoren functioneren. Ze hebben bijvoorbeeld niet meer de goede vorm of worden niet in de juiste hoeveelheid geproduceerd. In een cel moeten meerdere processen misgaan voordat de cel kan uitgroeien tot een tumor. Zolang de tumor op de oorspronkelijke plek blijft en niet door weefsels groeit, is deze goedaardig. Wanneer een tumor door andere weefsels heen groeit en zich door het lichaam kan verspreiden, wordt deze kwaadaardig genoemd. Functies van organen kunnen dan aangetast of belemmerd worden. Alleen bij kwaadaardige tumoren is er sprake van kanker. Pagina 21 NASLAGWERK DE GEMENE DELER Het verschilt per type kanker en per individu welke verstoringen uiteindelijk tot kanker leiden. Desalniettemin vertoont elke vorm van kanker in meer of mindere mate een aantal karakteristieke kenmerken, die de tumor in staat stellen te overleven, te groeien en uiteindelijk door het lichaam te verspreiden (uitzaaiing of metastase). Deze kenmerken worden ook wel de Hallmarks of Cancer genoemd. Deze hallmarks worden in verschillende tumoren op verschillende manieren verkregen en ook de volgorde waarin ze verkregen worden kan variëren. 6.2 DE HALLMARKS In 2000 formuleerden de onderzoekers Douglas Hanahan en Robert Weinberg zes Hallmarks of Cancer gebaseerd op de resultaten van wetenschappelijk onderzoek. In 2011 hebben ze nog twee nieuwe hallmarks aan het lijstje toegevoegd. In totaal zijn de volgende acht hallmarks geformuleerd: 1. Sustaining proliferative signaling (doorlopende delingssignalen): in gezonde cellen is gereguleerd wanneer cellen gaan groeien en delen. Een tumorcel verkrijgt de eigenschap om voortdurend te blijven groeien en delen. Deze eigenschap kan op verschillende manieren verkregen worden. Mutaties, veranderingen in het DNA, kunnen er bijvoorbeeld toe leiden dat de cel zelf groeifactoren produceert of omliggende cellen stimuleert om groeifactoren af te geven. 2. Evading growth suppressors (ontwijken van groeionderdrukkers): gezonde cellen zijn gevoelig voor groeionderdrukkers waardoor ze niet gaan delen als dat niet de bedoeling is. In tumorcellen hebben mutaties ervoor gezorgd dat de remming van celdeling door groeionderdrukkers wegvallen is. 3. Resisting cell death (celdood weerstaan): wanneer in een cel iets onherstelbaar misgaat, treedt er normaal gesproken een beschermingsmechanisme, apoptose, in werking waardoor de cel doodgaat. In tumorcellen is dit mechanisme door mutaties uitgeschakeld. 4. Enabling replicative immortality (oneindig kunnen delen): de meeste soorten cellen kunnen maar een beperkt aantal keer delen voordat ze doodgaan of overgaan in een niet delende staat. In veel vormen van kanker hebben mutaties ervoor gezorgd dat de tumorcellen in staat zijn om ongelimiteerd te delen. 5. Inducing angiogenesis (nieuwe bloedvaten maken): in tumoren hebben mutaties ervoor gezorgd dat de tumorcellen de vorming van nieuwe bloedvaten kunnen starten. Dit proces wordt agiogenese genoemd, en heeft tot gevolg dat de tumor van meer voeding en zuurstof kan worden voorzien en dat afvalstoffen kunnen worden afgevoerd. Dit stelt een tumor (beter) in staat verder te groeien. 6. Activating invasion and metastasis (weefsels binnendringen en uitzaaien): in een tumor kunnen cellen ontstaan die door extra mutaties de eigenschap verwerven om andere weefsels binnen te kunnen dringen of naar andere delen in het lichaam te kunnen verhuizen om daar uiteindelijk nieuwe tumoren te vormen. Deze cellen blijken los te kunnen komen van andere cellen en de extracellulaire matrix (bindweefsel tussen cellen met eiwitten en suikers erin). Pagina 22 NASLAGWERK DE GEMENE DELER 7. Reprogramming energy metabolism (energiehuishouding herprogrammeren): mutaties in het DNA kunnen er voor zorgen dat de manier waarop tumorcellen energie produceren wordt aangepast. Daardoor kunnen tumorcellen overleven als er minder zuurstof beschikbaar is (midden in een klomp cellen), en is de energiehuishouding volledig gericht op groeien en delen. 8. Evading immune destruction (vernietiging door immuunsysteem ontwijken): mutaties in de tumorcellen kunnen er op verschillende manieren voor zorgen dat de cellen niet meer worden aangevallen en opgeruimd door het immuunsysteem. Aan de basis van deze acht karakteristieke eigenschappen van tumoren liggen twee kenmerken (enabling characteristics) die helpen bij de ontwikkeling van kanker, namelijk: 1. Genome instability and mutation (genoominstabiliteit en mutatie): in tumorcellen functioneren de DNA-reparatie en DNA-controle mechanismen niet meer optimaal waardoor er veel veranderingen in het DNA (mutaties) optreden, en de specifieke tumoreigenschappen dus makkelijker ontstaan. 2. Tumor-promoting inflammation (tumorstimulerende ontstekingsreacties): sommige ontstekingscellen van het immuunsysteem geven stoffen af die onder andere de bloedvatvorming en celdeling stimuleren. Ook kunnen cellen van het immuunsysteem het binnendringen van weefsels (invasie) en uitzaaien (metastase) stimuleren. Op deze manier versterken deze ontstekingscellen de ontwikkeling van kanker. Af b. 10. Hallmarks of Cancer & Enabling Characteristics (bron: Hanahan & Weinberg, 2011) Tot op heden blijken de Hallmarks relevant voor wetenschappelijk onderzoek aan kanker. Door verder onderzoek aan de Hallmarks zal steeds meer kennis ontstaan over tumoren, en kan worden gezocht naar effectieve behandelingsmogelijkheden. Pagina 23
