Thursday, August 25, 2005
HERSTEL VAN FOUTEN IN HET DNA
Tijdens een gesprek tussen vrijwilligers van het museum veeteelt en KI kwam het herstel van DNA ter sprake. In het DNA kunnen afwijkingen (mutaties) ontstaan, die soms de blauwdruk voor nieuwe eigenschappen met zich mee brengen en zo aan het ontstaan van nieuwe soorten ten grondslag kunnen liggen. Ook kan het echter gebeuren dat een dergelijke mutatie kanker tot gevolg heeft en tijdens de evolutie zijn mechanismen ontstaan om dergelijke beschadigingen (mutaties) van het DNA te repareren. De vraag was hoe komt zo een reparatie tot stand en ook hier biedt het onvolprezen internet uitkomst.
Een chromosoom bestaat uit één lang DNA molecuul. Stukjes van zo een molecuul bevatten de blauwdruk van een bepaalde eigenschap en zo een stukje noemt men een gen. Een gen kan zijn opgebouwd uit een of meer nucleotiden. Een nucleotide bestaat uit een fosfaat-suiker deeltje, dat wel het backbone genoemd wordt, waaraan vier bases kunnen vast zitten. Deze basische stikstof verbindingen worden aangeduid met de letters A, C, T en G (adenine, cytosine, thymine en guanine). Een DNA molecuul bestaat uit een ononderbroken reeks van afwisselend desoxyribose-fosfaat deel, waaraan een van de vier basen gehecht is. In de chromosomen van alle bacteriën, schimmels, planten en dieren komt DNA voor. Al in 1868 ontdekte men deze stof in de celkernen en men noemde het daarom nucleotinezuur. Later ontdekte men dat in nucletinezuur een suiker molecuul genaamd desoxyribose voor kwam en men noemde het DNA naar het Engelse Desoxyribo-Nucleic-Acid. Op grond van de informatie die de rangschikking van de stikstofbasen verstrekken kunnen honderdduizenden verschillend enzymen en eiwitten gesynthetiseerd worden, die de levensprocessen mogelijk maken.
De gemiddelde lengte van de 46 DNA moleculen (chromosomen) in de kern van elke menselijke cel bedraagt 5 cm, terwijl de kern van een cel slechts een doorsnede heeft van 5 micron ( een micron is het duizendste deel van een meter). Een molecuul van die lengte bestaat uit ongeveer 1300 paren nucleotiden.
De moleculen liggen namelijk paarsgewijze in de vorm van een wenteltrap tegen elkaar, waarbij de zijkanten van de trap het “backbone” vormen waartussen twee basen telkens de treden vormen. In het midden van de treden zijn de twee basen aan elkaar gehecht en tegenover een A ligt altijd een T, terwijl tegenover een C altijd een G ligt. Bij de celdeling splitst de wenteltrap in twee gelijke delen en het enzym, DNA-polymerase genoemd, zorgt ervoor dat de halve wenteltrap weer compleet wordt. Er zijn dan twee cellen ontstaan ieder met een complete wenteltrap.
Er kunnen tijdens dit proces makkelijk fouten plaats vinden en tijdens de evolutie zijn mechanismen ontstaan om deze fouten te herstellen. Als de fout niet hersteld wordt dan spreekt men van een mutatie en als die in de geslachtscellen (gameten) plaats vindt dan wordt ze op het nageslacht overgeërfd. Meestal zijn deze mutaties recessief, dat betekent dat beide ouders het betreffende gemuteerde gen moeten hebben om in het nageslacht tot uitdrukking te kunnen komen. Vindt de mutatie niet in de geslachtscellen plaats maar op de gewone lichaamscellen ( somatic mutations) dan kan bijvoorbeeld de blauwdruk voor een enzym dat het normale versterf (apoptose) van de cellen regelt verloren gaan en de cellen gaan woekeren en kanker kan het gevolg zijn.
Soms doet een mutatie geen kwaad omdat er geen nadelen uit ontstaan. Bijvoorbeeld als er in de plaats van de volgorde in het DNA molecuul G C A , G C G komt coderen die beide voor het aminozuur arginine en men spreekt dan van een “silent point mutation”. Als er door een fout in de plaats van C T C , CA C is gekomen wordt er inde plaats van glutamine, valine gesynthetiseerd en dat kan de ziekte “cickle cell anemia” tot gevolg hebben. Soms plakken als het ware twee thymine basen, die naast elkaar liggen onder invloed van U V licht aan elkaar (dimers) en bij onvoldoende herstel ontstaan vaak mutaties die huidkanker tot gevolg hebben.
De eenvoudigste vorm van DNA herstel is evolutionair zeer oud en komt niet meer voor bij de zoogdieren. Een enzyme maakt de schade door zonlicht veroorzaakt in de vorm van aan “elkaar geplakte thymine basen” (dimers) ongedaan. Dit mechanisme komt voor bij bacteriën en andere primitive soorten. Dimers komen bij de zoogdieren wel voor maar worden op een andere wijze gerepareerd.
Soms ontstaan er breuken in de DNA moleculen. Ze kunnen in een van de twee backbones, maar ook in beide voorkomen. Het enzym DNA ligase zorgt voor herstel van de breuken.
Soms hecht zich in het DNA, als het onder invloed van het enzym DNA polymerase van enkelstrengs weer dubbelstrengs wordt, in de plaats van thymine, dat wordt verondersteld zich aan adenine te hechten, een stikstof base, die uracil genoemd wordt. Deze base hoort thuis in het enkelstrengs RNA, dat als messenger RNA uit de celkern treedt, om in de cel als blauwdruk voor het te synthetiseren eiwit te fungeren.
Onder invloed van enzymen vindt dan een zogenaamde “base excision repare” plaats. Het uracil wordt verwijderd met behulp van uracilglycosylase en thymine komt er voor in de plaats.
Mismatch repair.
Als de enkelstrengen DNA zich weer tot dubbelstrengen verenigd hebben is er een mechanisme dat uit een groep eiwitten bestaat dat de hele keten “ scant” op de fouten, die eventueel gemaakt zijn. Er wordt voor gezorgd dat de verkeerde nucleotiden verwijderd worden en dat de goede er voor in de plaats komen. Lukt dit niet en komt een bepaalde fout in de geslachtscellen terecht dan kan familiair aanleg voor colonkanker het gevolg zijn.
Als er een flinke schade (bulgy damage) is ontstaan bijvoorbeeld door straling of chemische stoffen dan vindt “nucleotide excision repair” plaats. Het systeem legt de replicatie van het DNA stil en herkent het verkeerde beschadigde stuk in de wenteltrap (double helix). Endonucleasen splijten de helix, terwijl exonucleasen het stuk verwijderen en zoals in normale gevallen doen de polymerasen het herstelwerk.
In totaal zijn er ongeveer zes miljard nucleotiden en telkens drie nucleotiden dienen als blauwdruk voor een aminozuur, die op zich weer als bouwstenen voor de eiwit synthese fungeren. Het zijn de eiwitten, die door hun bouw en plaats de identiteit van een organisme bepalen.
