DNA

Van DNA naar eigenschap

DNA is opgebouwd uit nucleotiden met de basen A, T, C en G. In een dubbele DNA-helix paart A met T en C met G. Een gen is een gedeelte van het DNA waarvan de informatie kan worden gebruikt voor een functioneel product, vaak via RNA voor een eiwit. Een allel is een variant van een gen.

Bij transcriptie wordt van een DNA-sequentie een RNA-kopie gemaakt. RNA bevat U waar DNA T bevat. Bij translatie leest een ribosoom codons op mRNA en koppelt aminozuren in de aangegeven volgorde. Voor een codevraag moet je eerst bepalen welke streng gegeven is en in welke richting je leest; de codontabel gebruikt mRNA-codons.

De aminozuurvolgorde beïnvloedt de vouwing en functie van het eiwit. Een veranderd eiwit kan een eigenschap beïnvloeden, maar een DNA-verandering hoeft niet tot een zichtbaar verschil te leiden. De genetische code bevat bijvoorbeeld meerdere codons voor hetzelfde aminozuur.

Vrijwel alle lichaamscellen hebben dezelfde genetische informatie, maar gebruiken verschillende genen. Dat verklaart waarom een zenuwcel en een spiercel verschillende vormen en functies hebben. Een gen dat minder tot expressie komt, is niet uit het DNA verdwenen.

DNA-replicatie en meetgegevens

Voor een celdeling wordt het DNA gekopieerd. De twee oude strengen worden plaatselijk gescheiden en ieder dient als matrijs voor een nieuwe complementaire streng. Elke nieuwe DNA-dubbelhelix bevat daardoor één oude en één nieuwe streng: semiconservatieve replicatie.

DNA-polymerase kan nucleotiden toevoegen aan het 3’-uiteinde van een groeiende streng en heeft een primer nodig. De nieuwe streng groeit in de richting 5’ naar 3’. Omdat de twee matrijsstrengen tegengesteld lopen, kan bij een replicatievork één nieuwe streng doorgaand worden gemaakt; de andere ontstaat in stukken die later aan elkaar worden verbonden. Voor havo is vooral het principe van kopiëren en complementariteit van belang; de enzymatische uitwerking biedt verdieping.

Verdubbeling van DNA verandert de ploïdie niet vanzelf. Een diploïde cel blijft na de S-fase diploïd, maar ieder chromosoom heeft twee chromatiden. Bij een grafiek over DNA-hoeveelheid kijk je daarom eerst of de meting per cel, per kern of per chromosoom gegeven is.

PCR vermeerdert een geselecteerd DNA-fragment buiten een cel. Primers bepalen welk fragment wordt gekopieerd. Een groot aantal kopieën helpt bij analyse, maar bewijst niet uit zichzelf van welk persoon of welke soort het oorspronkelijke materiaal komt.

Celcyclus, mitose en kanker

Voordat een cel deelt, kopieert zij in de S-fase haar DNA. Een verdubbeld chromosoom bestaat dan uit twee zusterchromatiden die bij het centromeer samenhangen. Verdubbeling van de hoeveelheid DNA verdubbelt niet meteen het aantal chromosomen: tel de centromeren, niet de losse chromatiden.

Bij mitose worden de zusterchromatiden verdeeld over twee nieuwe celkernen. Na de deling van het cytoplasma ontstaan meestal twee dochtercellen met hetzelfde chromosoomaantal als de moedercel. Mitose maakt groei, herstel en veel vormen van ongeslachtelijke voortplanting mogelijk. Meiose heeft een andere uitkomst: na één DNA-verdubbeling volgen twee delingen en ontstaan haploïde cellen.

Controlepunten in de celcyclus beperken deling als DNA beschadigd is. Reparatie of apoptose kan voorkomen dat een beschadigde cel verder deelt. Kanker kan ontstaan als veranderingen in meerdere regelgenen groei en deling ontregelen. Een tumor is niet automatisch kwaadaardig; ingroei in omliggend weefsel en verspreiding van tumorcellen kenmerken kwaadaardigheid. Een mutatie in een lichaamscel gaat meestal niet naar kinderen, maar kan wel aan de dochtercellen van die cel worden doorgegeven.

Overal hetzelfde genotype

Bij elke celdeling wordt het DNA eerst verdubbeld en daarna netjes over beide dochtercellen verdeeld. Het gevolg is dat vrijwel alle cellen van een meercellig organisme hetzelfde genotype hebben: een levercel en een zenuwcel dragen dezelfde genen.

Toch zien ze er heel anders uit en doen ze iets anders. Het verschil zit dus niet in wélke genen aanwezig zijn, maar in welke daarvan worden afgelezen.

Twee uitzonderingen bevestigen de regel. Geslachtscellen krijgen bij de meiose maar de helft van de chromosomen mee, en rijpe rode bloedcellen stoten hun kern helemaal af. Verder ontstaan verschillen alleen door mutaties na de bevruchting, en die blijven beperkt tot de cel waarin ze optreden en haar nakomelingen.

Differentiatie en specialisatie

Uit één bevruchte eicel ontstaan alle celtypen van een lichaam: zenuwcellen, spiercellen, kliercellen, huidcellen. Dat gebeurt door celdifferentiatie — een cel legt zich op één taak toe doordat er een eigen combinatie van genen aan en uit gaat.

Wat er daarbij met de cel zelf gebeurt heet specialisatie: bouw en inhoud raken helemaal afgestemd op die ene taak. Een zenuwcel krijgt lange uitlopers, een spiercel zit vol samentrekkende eiwitdraden, een kliercel vol endoplasmatisch reticulum en golgi-systeem.

Die winst heeft een prijs. Hoe verder een cel gespecialiseerd is, hoe minder andere taken hij aankan en hoe slechter hij zich nog deelt. Een zenuwcel deelt helemaal niet meer, en dat is de reden dat beschadigd zenuwweefsel nauwelijks herstelt.

Wat stamcellen kunnen

Een stamcel is nog niet gespecialiseerd en blijft zich delen. Dochtercellen kunnen stamcel blijven of gaan differentiëren; de verdeling hangt van het weefsel en de omstandigheden af. Bij asymmetrische deling blijft één dochter stamcel en gaat de andere differentiëren: zo raakt de voorraad niet op.

Hoeveel richtingen nog openstaan verschilt per type. Embryonale stamcellen zijn pluripotent: zij kunnen de celtypen van het lichaam vormen, maar niet op zichzelf een volledig organisme met alle extra-embryonale weefsels. Een volwassen stamcel kan alleen nog de typen van het weefsel waarin hij zit: een stamcel in het beenmerg levert de bloedcellen, een stamcel in de opperhuid de huidcellen.

Volwassen stamcellen zitten juist in weefsels die slijten of vaak beschadigd raken: beenmerg, huid, darmwand. Weefsels zonder noemenswaardige stamcellen, zoals hartspier- en zenuwweefsel, herstellen zich daarom slecht na schade.

Stamcellen in de geneeskunde

Stamcelonderzoek heeft grofweg drie doelen. Het eerste is begrijpen hoe een cel zich specialiseert: welke genen daarbij aan en uit gaan, en of dat terug te draaien is. Het tweede is weefsel kweken — huid voor brandwonden, of een groepje cellen dat zich als miniatuurorgaan gedraagt. Zulke kweekjes zijn ook bruikbaar om medicijnen op te testen, waardoor er minder proefdieren nodig zijn.

Het derde doel is behandelen. Bij een stamceltransplantatie krijgt een patiënt beenmergstamcellen van een donor of van zichzelf, bijvoorbeeld nadat het eigen beenmerg bij de behandeling van leukemie is vernietigd. Eigen cellen worden niet afgestoten; bij een donor moeten de weefselkenmerken zo goed mogelijk overeenkomen.

Rond embryonale stamcellen speelt daarnaast de vraag welke status een embryo heeft.

Apoptose en kanker

Cellen gaan niet alleen dood door beschadiging. Apoptose is geordende zelfvernietiging op signaal: de cel schrompelt, activeert afbraakprocessen, onder meer via caspase-enzymen en valt uiteen in blaasjes die door buurcellen worden opgeruimd. Er lekt niets naar buiten, dus er ontstaat geen ontsteking.

Dat is nuttig. Cellen die versleten zijn, beschadigd DNA hebben of op de verkeerde plek terechtkomen, ruimen zichzelf zo op. Tijdens de ontwikkeling geeft het bovendien vorm: de vingers van een embryo ontstaan doordat het weefsel ertussen in apoptose gaat.

Gaat die controle stuk, dan blijven cellen met fouten in hun DNA bestaan en delen ze door. Kanker kan ontstaan wanneer meerdere regelprocessen voor deling, DNA-herstel en celoverleving ontsporen. Kwaadaardige cellen kunnen omliggend weefsel binnendringen en uitzaaien. Het omzeilen van apoptose kan hieraan bijdragen.

Typen mutaties

Een mutatie is een blijvende verandering in het erfelijk materiaal. Op de kleinste schaal gaat het om één base: een puntmutatie. Door de reservecapaciteit in de genetische code verandert het aminozuur daarbij lang niet altijd.

Een insertie voegt basen toe, een deletie haalt ze weg. In een eiwitcoderend gedeelte verschuift bij een aantal dat geen veelvoud van drie is het leesraam; downstream veranderen codons en kan vroeg een stopcodon ontstaan. Zo'n leesraamverschuiving heeft daardoor veel grotere gevolgen dan één verwisselde base.

Op de grootste schaal staat de genoommutatie: het aantal hele chromosomen verandert, doordat een paar bij de meiose niet uit elkaar gaat. Voor alle typen geldt hetzelfde onderscheid — een mutatie in een geslachtscel kan bij bevruchting worden doorgegeven. Een mutatie in een lichaamscel kan aan haar dochtercellen worden doorgegeven en bereikt bij menselijke geslachtelijke voortplanting gewoonlijk niet de kinderen. Bij ongeslachtelijke voortplanting kan zij wel in een nieuw individu terechtkomen.

Oorzaken en herstel

Mutaties ontstaan ook uit zichzelf, doordat het kopiëren van DNA nooit helemaal foutloos verloopt. Mutagene stoffen en mutagene straling verhogen dat aantal: teer uit sigarettenrook, sommige bestrijdingsmiddelen, uv-licht, röntgen- en gammastraling.

Daar staat het DNA-repairsysteem tegenover. Enzymen lopen de streng na, herkennen een beschadiging of een kopieerfout en herstellen die aan de hand van de andere streng. Verreweg de meeste fouten worden zo weggewerkt, nog voordat de cel deelt.

Wat ontsnapt, ligt vast. Zit de fout in een gen dat de celdeling regelt, dan kan de cel ongeremd gaan delen. Zit hij in een geslachtscel die aan een bevruchting deelneemt, dan kan hij naar de volgende generatie gaan. Genetische modificatie is hiervan het spiegelbeeld: daar wordt het DNA juist doelbewust veranderd.

Mutaties zijn toevallig

Een mutatie is geen antwoord op een behoefte. Ze treft een willekeurige plaats in het DNA, en of het resultaat gunstig uitpakt hangt volledig af van de omgeving waarin het individu leeft.

Verreweg de meeste veranderingen zijn neutraal of nadelig. Een eiwit dat al miljoenen jaren naar behoren werkt, wordt door een willekeurige wijziging zelden beter. Toch zit er af en toe een bij die de overlevingskans vergroot, en juist die wordt door selectie talrijker.

De volgorde is dus omgekeerd aan wat het lijkt. Bacteriën worden niet resistent doordat er een antibioticum is; er was toevallig al een resistente bacterie, en het antibioticum ruimt de rest op. Zonder toevallige mutaties zou er geen materiaal zijn waarop selectie kan aangrijpen.

DNA-technieken en afwegingen

Bij DNA-analyse stel je eerst vast wat de techniek meet. PCR vergroot de hoeveelheid van een afgebakend fragment. Bij gelelektroforese worden DNA-fragmenten op lengte gescheiden; kleinere fragmenten bewegen doorgaans verder door de gel. Sequencing levert informatie over de basenvolgorde. Een bandenpatroon en een basenvolgorde zijn dus verschillende soorten gegevens.

Een DNA-profiel vergelijkt gekozen variabele plaatsen. Een overeenkomst kan een hypothese ondersteunen, maar interpretatie vraagt controle op mengsporen, verontreiniging en de kans op toeval. De techniek leest niet automatisch iemands volledige fenotype.

Bij genetische modificatie wordt erfelijke informatie gericht veranderd of ingebracht. Een plasmide kan als vector dienen. Bij genbewerking, bijvoorbeeld met CRISPR-Cas, wordt een gekozen DNA-plaats aangepakt; het resultaat moet worden gecontroleerd omdat ongewenste veranderingen mogelijk zijn.

Een biologische afweging beschrijft gevolgen voor organismen en systemen. Een ethische afweging gaat ook over waarden, toestemming, verdeling van voordeel en risico, en aanvaardbaarheid. Het bestaan van een technische mogelijkheid is niet hetzelfde als een reden om haar toe te passen. Benoem bij een beargumenteerd oordeel daarom een concreet voordeel, een concreet risico en de waarde waarop je uiteindelijke keuze berust.