DNA

De bouw van DNA

DNA en RNA zijn nucleïnezuren: lange ketens van nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit een fosfaatgroep, een suiker en een stikstofbase, en via suiker en fosfaat zitten ze aan elkaar geregen.

Dubbelstrengs DNA bestaat uit twee van die ketens, tegenover elkaar en om elkaar heen gedraaid tot een helix. De suiker-fosfaatruggen liggen aan de buitenkant, de basen wijzen naar binnen. Daar vindt de basenparing plaats: A altijd tegenover T, C altijd tegenover G.

Door die vaste koppeling zijn de ketens complementair — uit de ene volgt de andere, en juist dat maakt kopiëren en aflezen mogelijk. Enkelstrengs DNA komt voor bij sommige virussen, en tijdelijk overal waar de streng openligt. In de kern is het geheel opgerold tot chromosomen.

DNA tegenover RNA

Alle materie bestaat uit atomen; die vormen samen moleculen, en een atoom of groepje atomen met een lading heet een ion. In de biologie draait het om een handvol elementen, met koolstof als skelet van vrijwel elk groot molecuul.

DNA en RNA verschillen op drie punten. RNA heeft ribose als suiker, DNA desoxyribose. RNA gebruikt uracil waar DNA thymine gebruikt. En RNA is enkelstrengs, terwijl DNA meestal dubbel is.

De twee DNA-ketens worden bijeengehouden door waterstofbruggen tussen de basen: twee per A-T-paar, drie per C-G-paar. Elk daarvan is zwak, maar met miljoenen tegelijk levert dat een stevig molecuul op dat tóch open te ritsen is. In de kern ligt het DNA gewikkeld om histonen, en hoe strakker die wikkeling, hoe minder er wordt afgelezen.

De RNA-soorten

DNA blijft in de kern; het werk daarbuiten wordt door RNA gedaan, en elke soort heeft daarin zijn eigen taak.

mRNA is de boodschapper. Het is een afschrift van één gen, verlaat de kern door een kernporie en levert de code af bij het ribosoom. Het gaat maar kort mee, zodat de cel snel kan omschakelen.

tRNA is de aanvoerder. Elk molecuul draagt één aminozuur en heeft een anticodon dat op het passende codon van het mRNA klikt. Zo belandt het juiste aminozuur op de juiste plaats in de keten.

rRNA is bouwmateriaal en werktuig tegelijk: samen met eiwitten vormt het het ribosoom, en het verzorgt daar de koppeling tussen de aminozuren. DNA bewaart dus, RNA voert uit.

Structuur en functie

De vorm van een nucleïnezuur past bij zijn taak. Dubbelstrengs DNA is stabiel en beschermt de informatie. RNA is enkelstrengs en kan zich juist opvouwen: dat geeft tRNA zijn klaverbladvorm en stelt rRNA in staat om als katalysator te werken.

Ook de plaats zegt iets. Kern-DNA ligt in chromosomen in de celkern, bevat vrijwel alle genen en komt van beide ouders. Daarnaast heeft een cel nog kleine, cirkelvormige voorraden: mitochondriaal DNA en, bij planten, chloroplast-DNA. Beide bevatten genen voor de eiwitten van dat organel zelf, en beide worden alleen via de eicel doorgegeven.

Dat die organellen een eigen DNA hebben dat op bacterieel DNA lijkt, is meteen het sterkste argument voor de endosymbiosetheorie.

De basenvolgorde bepalen

De basenvolgorde is de informatie zelf, en met de genetische code valt eruit af te leiden welk eiwit erbij hoort. Om die volgorde te achterhalen is meestal eerst meer materiaal nodig.

Dat levert PCR. In cycli van verhitten en afkoelen wordt een stuk DNA telkens verdubbeld, waarbij primers aangeven waar het kopiëren begint. Uit een spoortje speeksel of een haarwortel groeit zo genoeg om mee te werken.

Sequencen bepaalt daarna de volgorde base voor base. Restrictie-enzymen knippen DNA op vaste herkenningsplaatsen, zodat stukken los te maken zijn en in een plasmide kunnen worden gezet. Samen maken die technieken opsporingsonderzoek, erfelijkheidsonderzoek, stamboomonderzoek en biotechnologie mogelijk.

Van code naar aminozuur

Een eiwit is een keten aminozuren, en welke aminozuren dat zijn staat in het DNA. De code werkt in drietallen: elk codon van drie basen staat voor één aminozuur. Met vier basen levert dat 64 combinaties voor twintig aminozuren, dus meerdere codons betekenen hetzelfde — de code is redundant, maar nooit dubbelzinnig.

Twee codons doen iets anders. Het startcodon AUG geeft aan waar het aflezen begint, en levert meteen het eerste aminozuur. Bij een stopcodon hoort geen aminozuur; daar laat het ribosoom de keten los.

Transcriptie en translatie

De eiwitsynthese verloopt in twee stappen, op twee plaatsen. Bij de transcriptie wordt in de kern één gen overgeschreven naar mRNA. Van de twee DNA-strengen dient de matrijsstreng als mal; het mRNA wordt daar complementair aan gebouwd, en komt dus overeen met de coderende streng. Het aflezen gebeurt altijd in dezelfde richting.

Het mRNA verlaat de kern en gaat naar een ribosoom in het cytoplasma. Daar volgt de translatie: tRNA-moleculen brengen elk hun eigen aminozuur aan en klikken met hun anticodon op het passende codon. Het ribosoom, dat zelf uit rRNA en eiwitten bestaat, koppelt de aminozuren aan elkaar.

Eiwitten die de cel gaat uitscheiden, worden gemaakt aan het ruwe endoplasmatisch reticulum en verder afgewerkt en verpakt in het golgi-systeem.

Van keten naar werkend eiwit

De volgorde van de aminozuren — de primaire structuur — ligt vast in het gen en bepaalt alles wat daarna gebeurt. De keten vouwt zichzelf op: eerst plaatselijk tot spiralen en vouwbladen (secundair), dan tot de complete ruimtelijke vorm van één keten (tertiair), vastgezet door onder meer zwavelbruggen. Bestaat het eiwit uit meerdere ketens samen, zoals hemoglobine, dan heet dat de quaternaire structuur.

Die vorm ís de functie. Een enzym past alleen op zijn substraat als het goed gevouwen is. Eén verkeerd aminozuur kan de vouwing veranderen en het eiwit onbruikbaar maken — dat is waarom een puntmutatie zulke grote gevolgen kan hebben.

Coderend en niet-coderend DNA

Van al het DNA in een menselijke cel codeert maar een paar procent voor een eiwit. De rest heet niet-coderend, en dat is iets anders dan nutteloos.

Een deel bestaat uit regelplaatsen: promotoren en bindingsplaatsen waar eiwitten aangrijpen die bepalen of een gen wordt afgelezen. Een ander deel bestaat uit herhalingen die per persoon in lengte verschillen — precies wat een DNA-profiel bruikbaar maakt. Weer een ander deel levert RNA dat zelf werk doet zonder ooit eiwit te worden.

De genetische code geldt alleen voor het coderende deel. Dat die code bij bacteriën, planten en mensen vrijwel identiek is, wijst op één gemeenschappelijke oorsprong, en het verklaart waarom een menselijk gen in een bacterie gewoon werkt.

Introns en exons

Een eukaryoot gen ligt niet in één aaneengesloten stuk. Het bestaat uit exons, die in het eindproduct terechtkomen, met daartussen introns, die dat niet doen.

Bij de transcriptie wordt eerst alles overgeschreven. Daarna knipt de cel de introns eruit en plakt ze de exons aan elkaar; pas dat rijpe mRNA verlaat de kern. Door exons verschillend te combineren levert één gen bovendien meerdere eiwitten op, wat verklaart hoe de mens met ongeveer twintigduizend genen veel meer eiwitten maakt.

Bacteriën kennen geen introns en kunnen ze dus ook niet verwijderen. Wie een menselijk gen in een bacterie wil laten werken, gebruikt daarom cDNA: DNA dat vanaf het rijpe mRNA is teruggeschreven en alleen exons bevat.

Van gen naar eiwit

Genexpressie is het hele traject van gen tot werkend product. Het begint met de transcriptie: RNA-polymerase hecht aan de promotor, ritst de dubbele streng open en bouwt langs de matrijsstreng een RNA-keten op.

Bij eukaryoten volgt de splicing, waarbij de introns eruit gaan en de exons aaneen komen. Het rijpe mRNA verlaat daarna de kern.

Aan het ribosoom volgt de translatie. Die begint bij het startcodon en loopt codon voor codon door tot een stopcodon; tRNA's voeren de aminozuren aan in de volgorde die het mRNA voorschrijft. De keten vouwt zich op tot een eiwit, dat via het endoplasmatisch reticulum en het golgi-systeem zijn bestemming bereikt. Van alle genen op de chromosomen staat er per cel steeds maar een deel aan.

Elk celtype zijn eigen eiwitten

Alle cellen van een organisme hebben dezelfde genen, maar lezen er andere af. Daardoor heeft elk celtype zijn eigen verzameling eiwitten, en dat is precies wat het celtype tot celtype maakt.

De taken lopen ver uiteen. Enzymen versnellen reacties, structuureiwitten leveren stevigheid, motoreiwitten verplaatsen blaasjes langs het cytoskelet. In het membraan zitten receptoren die signalen opvangen en transporteiwitten die stoffen doorlaten; membraaneiwitten dienen daarnaast als herkenningspunt. Naar buiten toe maken cellen antistoffen voor de afweer en eiwithormonen die andere organen aansturen.

Een kliercel zit daarom vol ruw endoplasmatisch reticulum en golgi-systeem, een spiercel vol samentrekkende eiwitdraden. Dezelfde bibliotheek, een andere selectie.

Genexpressie en het organisme

Wat een organisme is, volgt uit welke genen waar en wanneer aanstaan. Het fenotype is dus niet alleen een kwestie van welke genen aanwezig zijn, maar vooral van hun expressie.

Om te achterhalen waar een gen voor dient, wordt het in een proefdier of cellijn opzettelijk uitgeschakeld: een knock-out. Uit wat er daarna misgaat — een orgaan dat niet wordt aangelegd, een stof die zich ophoopt, gedrag dat uitblijft — blijkt de normale functie.

Die aanpak laat ook zien hoe verweven het geheel is. Eén uitgeschakeld gen kan een hele reeks andere processen ontregelen, terwijl een ander gen zonder zichtbaar gevolg gemist wordt doordat een tweede gen de taak overneemt.

Waarom genregulatie nodig is

Elke cel van een organisme heeft hetzelfde DNA, maar een levercel is geen zenuwcel. Het verschil zit niet in welke genen er zijn, maar in welke er aanstaan.

Genregulatie is dat aan- en uitzetten. Zonder die regeling zou elke cel alles tegelijk aanmaken: een enorme verspilling, en bovendien onmogelijk om nog gespecialiseerde weefsels te vormen. Ook binnen één cel wisselt het voortdurend — een enzym dat nu nodig is, is dat straks niet meer.

Genregulatie bij prokaryoten

Bij bacteriën is het schakelmechanisme goed te overzien. Vóór een structuurgen — het gen voor het eiwit dat de cel wil maken — liggen een promotor, waar het afleesenzym aanhecht, en een operator, die als schakelaar dienstdoet.

Een apart regulatorgen codeert voor een repressor. Zit die op de operator, dan komt het afleesenzym er niet langs en blijft het gen uit. Komt de stof waar het om draait beschikbaar, dan bindt die aan de repressor, laat hij los, en gaat het gen aan. Zo maakt de bacterie het enzym precies wanneer er iets te doen is.

Genregulatie bij eukaryoten

Bij eukaryoten is het ingewikkelder, want er zijn veel meer genen en veel meer situaties.

Hier bepalen transcriptiefactoren of een gen wordt afgelezen: eiwitten die aan het DNA binden, meestal met meerdere tegelijk. Een activator bevordert de transcriptie juist, in plaats van hem te remmen. Doordat er per gen een eigen combinatie van factoren nodig is, kan één cel heel fijnmazig regelen wat er wanneer aanstaat.

Genexpressie is dynamisch

Of een gen bereikbaar is, hangt ook af van hoe het DNA is opgeborgen. Het is gewikkeld om eiwitkernen tot nucleosomen; hoe strakker opgerold, hoe minder toegankelijk.

Daarnaast kan er aan het DNA een kleine chemische groep worden gehangen — methylering — waardoor een gen wordt uitgeschakeld zonder dat de basenvolgorde verandert. Zulke veranderingen kunnen bovendien worden doorgegeven aan dochtercellen en zelfs aan nakomelingen: dat is het terrein van de epigenetica. Een derde route is RNAi, waarbij kleine RNA-moleculen het mRNA blokkeren of afbreken, zodat er alsnog geen eiwit komt.

Als de regulatie stukgaat

Mutagene factoren — uv-straling, röntgenstraling, stoffen uit rook — vergroten de kans op mutaties. Raakt daarbij een gen dat over celdeling gaat, dan kan de regulatie zelf ontsporen.

Twee soorten genen zijn daarbij van belang. Een proto-oncogen stimuleert normaal de celdeling; door een mutatie kan het blijvend aanstaan en wordt het een oncogen — het gaspedaal blijft ingedrukt. Een tumorsuppressorgen remt juist af of laat een beschadigde cel afsterven; valt het uit, dan is de rem weg. Meestal is er meer dan één zo'n mutatie nodig voordat een cel echt ongecontroleerd gaat delen.

DNA als informatiedrager

DNA is de informatiedrager van al het leven. De genetische informatie ligt in de volgorde van vier basen, en met de genetische code valt daaruit af te lezen welke aminozuren er in een eiwit komen.

Dat die code bij bacteriën, planten, schimmels en dieren vrijwel gelijk is, is een sterk argument voor gemeenschappelijke afstamming. Het heeft ook een praktisch gevolg: een menselijk gen dat in een bacterie wordt gebracht, levert daar gewoon het menselijke eiwit op.

Het genoom is alle erfelijke informatie van een organisme bij elkaar. De omvang daarvan zegt weinig over de ingewikkeldheid — sommige planten en amfibieën hebben een veel groter genoom dan de mens. Wat telt is welke genen er zijn en hoe ze geregeld worden.

Verwantschap uit DNA

Bij elke generatie sluipen er veranderingen in de basenvolgorde. Twee soorten die pas kort geleden uiteen zijn gegaan, hebben er weinig kunnen verzamelen; soorten die al lang gescheiden zijn, verschillen op veel meer plaatsen.

DNA-analyse maakt daar gebruik van. Door bij verschillende soorten dezelfde stukken DNA te vergelijken en de verschillen te tellen, is de graad van verwantschap vast te stellen en de volgorde van vertakken in een cladogram te onderbouwen.

Welk stuk je kiest hangt af van de vraag. Genen die nauwelijks veranderen zijn bruikbaar over grote afstanden in de stamboom; sneller veranderende stukken en mitochondriaal DNA passen bij nauw verwante soorten en bij vragen binnen één soort, zoals afstamming en migratie.