GENIE Biologie 6 Leerboek - Inkijkexemplaar by VAN IN

GENIE

VA N

Biologie

Via www.ididdit.be heb je toegang tot het onlineleerplatform bij GENIE Biologie leerboek 6. Activeer je account aan de hand van de onderstaande code en accepteer de gebruiksvoorwaarden. Kies je ervoor om je aan te melden met je Smartschool-account, zorg er dan zeker voor dat je e-mailadres aan dat account gekoppeld is. Zo kunnen we je optimaal ondersteunen.

Biologie

Help, de activatiecode hierboven is al gebruikt!

LET OP: DEZE LICENTIE IS UNIEK, EENMALIG TE ACTIVEREN EN GELDIG VOOR EEN PERIODE VAN 12 MAANDEN NA ACTIVATIE.

GENIE

Krijg je bij het activeren van de bovenstaande code de melding dat de activatiecode reeds in gebruik is? Dan ben je wellicht niet de eerste leerling die met dit leerboek aan de slag gaat. Op vanin.be/leerboeklicentie kun je terugvinden welke stappen je kunt ondernemen of hoe je een nieuwe licentie kunt aankopen.

VA N

Tip: Normaal gezien mag je niet schrijven in een leerboek. Per uitzondering mag jij na activatie de bovenstaande activatiecode doorstrepen.

Fotokopieerapparaten zijn algemeen verspreid en vele mensen maken er haast onnadenkend gebruik van voor allerlei doeleinden. Jammer genoeg ontstaan boeken niet met hetzelfde gemak als kopieën. Boeken samenstellen kost veel inzet, tijd en geld. De vergoeding van de auteurs en van iedereen die bij het maken en verhandelen van boeken betrokken is, komt voort uit de verkoop van die boeken. In België beschermt de auteurswet de rechten van deze mensen. Wanneer u van boeken of van gedeelten eruit zonder toestemming kopieën maakt, buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen, ontneemt u hen dus een stuk van die vergoeding. Daarom vragen auteurs en uitgevers u beschermde teksten niet zonder schriftelijke toestemming te kopiëren buiten de uitdrukkelijk bij wet bepaalde uitzonderingen. Verdere informatie over kopieerrechten en de wetgeving met betrekking tot reproductie vindt u op www.reprobel.be. Ook voor het digitale lesmateriaal gelden deze voorwaarden. De licentie die toegang verleent tot dat materiaal is persoonlijk. Bij vermoeden van misbruik kan die gedeactiveerd worden. Meer informatie over de gebruiksvoorwaarden leest u op www.ididdit.be. © Uitgeverij VAN IN, Wommelgem, 2024

De uitgever heeft ernaar gestreefd de relevante auteursrechten te regelen volgens de wettelijke bepalingen. Wie desondanks meent zekere rechten te kunnen doen gelden, wordt verzocht zich tot de uitgever te wenden.

Eerste druk 2024 ISBN 978-94-647-0464-8 D/2024/0078/140 Art. 605766/01 NUR 126

Vormgeving en ontwerp cover: Shtick Tekeningen: Geert Verlinde, Julie Lefevre Zetwerk: D’hondt-Ravijts bvba

IN VA N

Credits p. 7 foto Foetus: Leemage / Corbis Historical © Getty Images, p. 19 foto Graafse follikel: José Calvo © Science Photo Library, p. 34 foto Foetus 16 weken: Lennart Nilsson, TT © Science Photo Library, p. 34 foto Foetus 34 weken: Lennart Nilsson, TT © Science Photo Library, p. 53 foto Spermicide: © Science Photo Library, p. 129 foto Mens: kaetana © Shutterstock, p. 145 foto MRI-scan hersenen: Zephyr © Science Photo Library, p. 163 foto E. coli-bacterie: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 168 grafiek Tweelingstudie: Campos AI, Mitchell BL and Rentería ME (2019) Twins Can Help Us Understand How Genes and the Environment Shape Us. Front. Young Minds. 7:59. doi: 10.3389/frym.2019.00059 Copyright © 2019 Campos, Mitchell and Rentería, p. 173 foto Xeroderma pigmentosum: CID, ISM © Science Photo Library, p. 174 foto Salmonella: Juergen Berger © Science Photo Library, p. 180 foto’s Vrouw met syndroom van Turner: Mid Essex Hospital Services NHS Trust © Science Photo Library, p. 181 foto Druiven: Martyn F. Chillmaid © Science Photo Library, p. 188 foto Schizosacharomyces pombe: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 198 foto Gouden banaan © Queensland University of Technology, p. 199 foto Fluorescent schaap: AFP PHOTO / IRAUy © Belgaimage, p. 213 foto Angelina Jolie: DFree © Shutterstock, p. 219 foto schaap Dolly: Juraj Kamenicky © Shutterstock, p. 224 foto Gistcellen: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 224 foto Rondworm: Steve Gschmeissner © Science Photo Library, p. 237 foto Odontodactylus scyllarus: Georgette Douwma © Science Photo Library, p. 254 illustratie Georges Cuvier © Wellcome Collection gallery (2018-03-29): https://wellcomecollection.org/works/qy6wzsaa CC-BY-4.0, p. 255 foto Richard Owen: George Bernard © Science Photo Library, p. 255 foto Alfred Russell Wallace © Wellcome Collection gallery (2018-03-23): https://wellcomecollection.org/works/zbg5wd4p CC-BY-4.0, p. 255 foto Hugo de Vries: American Philosophical Society © Science Photo Library, p. 255 foto Barbara McClintock: American Philosophical Society © Science Photo Library, p. 260 foto Pootresten python: Simon D. Pollard © Science Photo Library, p. 260 foto Zwartvinijsvis: British Antarctic Survey © Science Photo Library, p. 263 foto Archaeopteryx: Chris Hellier © Science Photo Library, p. 264 illustratie Procynosuchus © Nobu Tamura, p. 264 illustratie Proburnetia © Nobu Tamura, p. 272 foto Samotherium: Danny Ye © Shutterstock, p. 280 foto Salvia mellifera © Curtis Clark, p. 285 foto Harold Urey: US Department Of Energy © Science Photo Library, p. 287 illustratie Insecten carboon: Richard Bizley © Science Photo Library, p. 290 illustratie Australopithecus afarensis: GregGrabowski © Shutterstock, p. 290 foto Jane Goodall: John Lee Pictures © Shutterstock, p. 290 illustratie Reconstructie neanderthaler: S. Entressangle / E. Daynes © Science Photo Library

p. 199 artikel Fluorescente schapen © www.demorgen.be – 25/04/2013 – Dit artikel werd gereproduceerd met toestemming van de uitgever, alle rechten voorbehouden. Elk hergebruik dient het voorwerp uit te maken van een specifieke toestemming van de beheersvennootschap License2Publish: info@license2publish.be.

INHOUD THEMA 01: VOORTPLANTING

THEMA 02: ERFELIJKHEIDSLEER

` HOOFDSTUK 1

Voortplanting en ontwikkeling bij de mens

Gametogenese

Wetten van Mendel

Vorming van spermatozoïden

2.1

1.2

Vorming van oöcyten

2.2 Splitsingswet

2.3 Onafhankelijkheidswet

Variaties op de wetten van Mendel

De bevruchting

De ontwikkeling van een baby en de zwangerschap

3.1

De embryonale fase

3.2 De foetale fase 3.3 De placenta

28 34 35

3.4 De bevalling

3.5 Lactatie

Tweelingen

Uniformiteitswet

3.1

Onvolledige dominantie en codominantie

Technieken om de vruchtbaarheid te beheersen

3.3 Letale allelen

3.4 Polygenie

3.5 Epistasie

` HOOFDSTUK 2

De chromosomale basis van overerving

Het werk van Morgan

Anticonceptiva

1.1

Chromosomen als dragers van genen

1.1

Natuurlijke methoden

1.2

Gekoppelde genen

1.2

Kunstmatige methoden zonder hormonen

1.3

Overkruising

101

1.3

Kunstmatige methoden met hormonen

1.4

Genenkaarten

102

1.4

Methoden die zorgen voor permanente onvruchtbaarheid

Kunstmatige inseminatie (ki)

2.2 In-vitrofertilisatie (ivf)

2.4 Technieken om spermatozoïden te isoleren

2.5 Eicel- en embryodonatie

Teratogene factoren Invloed van leefgewoonten op de zwangerschap

1.1

Roken

1.2

Voeding

1.3

Alcohol en andere drugs

Invloed van de omgeving op de zwangerschap 67 2.1

Infectieziekten

2.2 Giftige stoffen in de leefomgeving

2.3 Stress

Geslachtsgebonden overerving

104

2.1

104

Overerving van het geslacht

2.2 Genen op de geslachtschromosomen

2.3 Intracytoplasmatische sperma-injectie (icsi)

` HOOFDSTUK 3

Methoden om de vruchtbaarheid te verhogen 56 2.1

3.2 Multipele allelen

VA N

` HOOFDSTUK 2

Inleidende begrippen

1.1 2

Mendeliaanse overerving

105

2.3 X-gebonden overerving

107

2.4 Y-gebonden overerving

109

` HOOFDSTUK 3

Erfelijkheidsonderzoek

112

Stamboomonderzoek

112

Populatiegenetica

116

2.1

Populatie en genenpoel

116

2.2 De wet van Hardy en Weinberg

117

2.3 Allelfrequenties over generaties heen

120

2.4 Voorwaarden voor de wet van Hardy en Weinberg

121

` HOOFDSTUK 1 Eiwitsynthese 1

THEMA 04: BIOTECHNOLOGIE 127

Overzicht van de eiwitsynthese bij prokaryoten en eukaryoten

127

1.1

De stappen in de eiwitsynthese

127

1.2

De definitie van een gen

129

1.3

De genetische code

132

Transcriptie en splicing in de eukaryote cel

135

2.1

135

Transcriptie van DNA naar pre-mRNA

2.2 Splicing van pre-mRNA naar mRNA

138

Translatie in de eukaryote cel

140

3.1

140

tRNA

3.2 rRNA en ribosomen

141

3.3 Verloop van de translatie

142

` HOOFDSTUK 2

` HOOFDSTUK 1

Biotechnologie, een groeiend onderzoeksdomein

195

Klassieke en moderne biotechnologie

195

Toepassingsgebieden van biotechnologie

196

Biotechnologie en ethiek

199

THEMA 03: GENEXPRESSIE

` HOOFDSTUK 2

Biotechnologische technieken

202

DNA vermenigvuldigen: de PCR-techniek

202

1.1

Principe van de PCR-techniek

203

1.2

Opbouw van één PCR-cyclus

204

1.3

Exponentiële toename van het gewenste DNA -fragment

205

1.4

Kwantitatieve PCR

206

1.5

Toepassingen van de PCR-techniek

207

Genregulatie

151

Genregulatie bij prokaryoten

151

2.1

Genregulatie bij eukaryoten

154

2.2 Toepassingen van DNA-gelelektroforese

209

DNA-sequentie bepalen: DNA-sequencing

210

3.1

DNA zichtbaar maken: DNA-gelelektroforese 208

VA N

2.1

Epigenetische modificaties

155

2.2 Transcriptiefactoren

157

2.3 Nabewerkingen op RNA

158

2.4 RNA-interferentie

159

` HOOFDSTUK 3

166

Genen versus omgeving

166

Mutatie

169

2.1

169

2.2 Indeling op basis van organisatieniveau 175 2.3 Indeling op basis van het effect op het eiwit

182

Epigenetische modificatie

184

3.1

Principe van DNA-sequencing

210 212

DNA manipuleren: recombinant DNA

214

Natuurlijke genoverdracht

4.2 Kunstmatige genoverdracht

214 216

4.3 Kloneren

218

4.4 Toepassingen van recombinant DNA

220

DNA manipuleren: gene editing

221

5.1

Gene editing met behulp van CRISPR-Cas

221

5.2 Toepassingen van gene editing

222

Niet-erfelijke epigenetische modificaties 184

3.2 Erfelijke epigenetische modificaties

208

3.2 Toepassingen van DNA-sequencing 4.1

Mutatie en epigenetische modificatie

Indeling op basis van oorzaak

Principe van DNA-gelelektroforese

186

` HOOFDSTUK 1

Mechanismen van evolutie

233

Evolutie en evolutietheorie

233

Mechanismen van evolutie

234

2.1

234

Mutatie

2.2 Natuurlijke selectie

238

2.3 Seksuele selectie

240

2.4 Gene flow

243

2.5 Genetische drift

245

` HOOFDSTUK 2

Evolutietheorie 1

250

1.1

De evolutietheorie van Lamarck

251

1.2

De evolutietheorie van Darwin

252

Argumenten voor evolutie

256

VA N

De evolutietheorie in een historisch perspectief

250

THEMA 05: EVOLUTIE

2.1

Kunstmatige selectie als argument voor evolutie

256

2.2 Argumenten uit de anatomie

257

2.3 Argumenten uit de paleontologie

261

2.4 Argumenten uit de biogeografie

264

2.5 Argumenten uit de moleculaire biologie 268 2.6 Argumenten uit recente observaties

` HOOFDSTUK 3

270

Evolutie van soorten

274

Het begrip ‘soort’

274

Mechanismen voor soortvorming

277

2.1

Allopatrische isolatie

277

2.2 Sympatrische isolatie

279

Mijlpalen van evolutie

284

Evolutie van de mens

290

4.1

293

Evolutie naar rechtop lopen

4.2 Een naakte huid met veel zweetklieren 294

4.3 Een toename van het hersenvolume

295

THEMA 01

VOORTPLANTING

Voortplanting hoort bij het leven. We worden er allemaal mee geconfronteerd. De keuze om kinderen te krijgen, wordt meestal bewust gemaakt. Uit onderzoek blijkt echter dat een op de vier zwangerschappen ongepland is. De meeste tienerzwangerschappen zijn bijvoorbeeld ongepland. Een ongeplande zwangerschap hoeft niet noodzakelijk ongewenst te zijn. Twee derde van de ongeplande zwangerschappen wordt aanvankelijk als ongewenst ervaren. In de helft van de gevallen blijft de zwangerschap ongewenst.

VA N

De andere helft evolueert naar een gewenste zwangerschap.

` Hoe verloopt de vorming van de voortplantingscellen? ` Hoe verloopt de bevruchting? ` Hoe beïnvloedt de hormonale regeling de vruchtbaarheid van de mens? ` Hoe verloopt de ontwikkeling van een embryo en een foetus? ` Welke methoden zijn er om een bevruchting te verhinderen of te helpen? ` Hoe beïnvloeden de levensstijl en de omgeving van de moeder de ontwikkeling van de baby? We zoeken het uit!

VERKEN

• de organen van

JE KUNT AL ...

• de hormonale regeling van

• uitleggen dat micro-

het voortplantingsstelsel

het voortplantingssysteem

organismen onze

in het menselijk lichaam

bij de mens uitleggen.

gezondheid kunnen

lokaliseren en benoemen;

beïnvloeden;

• de invloed van enkele

• uitleggen dat in onze

hormonen op de

omgeving heel wat

menstruatiecyclus en de

schadelijke stoffen

mannelijke vruchtbaarheid

aanwezig zijn.

VA N

bespreken; • op een tijdlijn van

de menstruatiecyclus

de eicelrijping, de eisprong, de vruchtbare periode en

de menstruatie aanduiden.

JE LEERT NU ...

• uitleggen hoe mannelijke

• de werking van

• uitleggen hoe bepaalde

een aantal hormonale

factoren (gedrag, leefmilieu,

voortplantingscellen

en niet-hormonale

ziekteverwekkers) de

worden gevormd;

anticonceptiemiddelen

ontwikkeling van embryo en

uitleggen;

foetus beïnvloeden.

en vrouwelijke

• de bevruchting bij de mens uitleggen;

• uitleggen hoe een embryo

• enkele technieken uitleggen die worden gebruikt

en een foetus zich

bij een verminderde

ontwikkelen;

vruchtbaarheid.

• uitleggen welke factoren de bevalling opwekken; • het verloop van de geboorte beschrijven.

THEMA 01

verken

HOOFDSTUK 1

Î Voortplanting en ontwikkeling bij de mens In de puberteit ondergaat je lichaam veranderingen. De geslachtsorganen worden actief en de secundaire planten. LEERDOELEN

geslachtskenmerken komen tot ontwikkeling. Je lichaam wordt in gereedheid gebracht om zich voort te

M De vorming van spermatozoïden en oöcyten uitleggen

M Het mechanisme van de hormonale regeling van de menstruatiecyclus en de zaadcelproductie beschrijven M De bevruchting bij de mens uitleggen

M Het verloop van de ontwikkeling van een embryo en een foetus uitleggen

VA N

M Het verloop van de bevalling en de geboorte uitleggen

Gametogenese

Tijdens de geslachtsgemeenschap worden

de haploïde mannelijke voortplantingscellen of

spermatozoïden (zaadcellen) zo dicht mogelijk bij

de haploïde vrouwelijke voortplantingscel of oöcyt

(eicel) gebracht. Die gameten of voortplantingscellen worden gevormd tijdens de gametogenese. Wanneer een oöcyt bevrucht wordt door een spermatozoïde,

W Afb. 1 Door geslachtsgemeenschap worden spermatozoïden zo dicht mogelijk bij de oöcyt gebracht

ontstaat er een diploïde zygote, die zich kan

ontwikkelen tot nieuw leven. Net zoals bij andere zoogdieren gebeurt de bevruchting bij mensen

inwendig. Mannelijke organismen bezitten een penis om de spermatozoïden in het vrouwelijk lichaam

te brengen.

mannelijke mannelijke organen organen spermatozoïde

Als voortplantingscellen evenveel erfelijk materiaal hadden als lichaamscellen, zou de hoeveelheid erfelijk materiaal generatie na generatie verdubbelen. Daarom bevatten ze maar de helft van de hoeveelheid erfelijk materiaal die in

vrouwelijke organen bevruchting

lichaamscellen aanwezig is. Die halvering gebeurt

embryo

door meiotische delingen tijdens de vorming van de voortplantingscellen. Wanneer twee voortplantingscellen versmelten, ontstaat er dus een bevruchte oöcyt die dezelfde hoeveelheid erfelijk materiaal bevat als een lichaamscel.

oöcyt Afb. 2 Bij een bevruchting versmelt een spermatozoïde (n) met een oöcyt (n). De bevruchte oöcyt is diplöid (2n).

THEMA 01

hoofdstuk 1

1.1

Vorming van spermatozoïden

Bouw van het mannelijk voortplantingsstelsel

De aanmaak van de spermatozoïden gebeurt vanaf de puberteit en vindt plaats in twee testes of teelballen. De testes maken ook mannelijke geslachtshormonen aan en worden daarom de mannelijke gonaden of geslachtsklieren genoemd. De vorming van de spermatozoïden gebeurt optimaal bij een temperatuur die twee à drie graden lager is dan de lichaamstemperatuur. De twee testes bevinden zich bij de mens daarom buiten het lichaam in een huidplooi: het scrotum of de balzak. Door samen te trekken of te ontspannen, brengen spiertjes in het scrotum de testes dichter bij of verder van het lichaam.

Elke testis is omgeven door een stevig bindweefselkapsel. Vanuit het bindweefselkapsel

vertrekken er bindweefseltussenschotten, die de testis verdelen in een groot aantal lobben waarin sterk gekronkelde zaadbuisjes liggen. Elke testis bevat vele honderden zaadbuisjes. De wand van de zaadbuisjes wordt gevormd door de cellen van Sertoli en spermatogonia

(kiemcellen), waaruit later de spermatozoïden ontstaan. In het bindweefsel tussen de zaadbuisjes liggen de cellen van Leydig, die het hormoon testosteron produceren. De zaadbuisjes komen

samen in een teelbalnetwerk. De wanden van die kanalen zijn voorzien van kliercellen die vocht produceren, en trilhaarcellen die de onbeweeglijke spermatozoïden samen met het vocht naar de bijbal of epididymis brengen. De bijbal is een sterk gekronkelde buis (circa 5 m lang) waarin

VA N

spermatozoïden tijdelijk worden opgeslagen en verder rijpen.

Vanuit de bijbal leidt de zaadleider (vas deferens) de zaadcellen richting de prostaatklier. De zaadleider is lang (circa 30 cm) en sterk gespierd. Door peristaltische bewegingen kan ze de spermatozoïden voortstuwen naar de urinebuis.

Net voordat de zaadleiders door de prostaat lopen, monden er twee zaadblaasjes uit in de zaadleiders. De zaadblaasjes en de prostaat scheiden een vocht af dat het zaadvocht wordt genoemd. Samen met de spermatozoïden vormt dat zaadvocht het sperma. Het zaadvocht bevat voedingsstoffen, zoals fructose voor de zaadcellen, en is licht basisch (pH = 7,4). Het alkalische sperma kan het zure milieu van de vagina neutraliseren en op die manier de overleving van de spermatozoïden verhogen. Het zaadvocht bevat ook stoffen die de contractie van delen van het vrouwelijk voortplantingsstelsel bevorderen, waardoor de kansen op een bevruchting groter worden.

Als de prostaat samentrekt, wordt het sperma door de urinebuis naar buiten geperst. Tegelijkertijd wordt de urinebuis tussen de blaas en de prostaat afgesloten, zodat er geen urine bij het sperma kan terechtkomen of zodat het sperma niet in de blaas terechtkomt.

De Cowperse klieren zijn twee exocriene klieren die vlak bij de prostaat in de urinebuis uitmonden. Voordat het sperma het lichaam bij seksuele opwinding verlaat, scheiden die klieren

video: bouw mannelijk voortplantingsstelsel

het voorvocht af. Het voorvocht neutraliseert achtergebleven resten urine, dat zuur is. Zo krijgen

VIDEO

THEMA 01

de spermatozoïden een grotere kans op overleven.

hoofdstuk 1

urineleider

blaas zaadleider

urineleider

blaas

zaadleider

zaadblaasjes

Cowperse klier

VA N

prostaatklier

urinebuis

Cowperse klier

penis

bijbal

testis scrotum urinebuis

bloedvaten

zaadbuisje

cellen van Leydig

teelbalnetwerk

testis

scrotum

eikel

kop

wand van zaadbuisjes

spermatogonia

middenstuk

blaasje

cellen van Sertoli

kern mitochondriën

ﬂagel S Afb. 3 Het mannelijk voortplantingsstelsel

THEMA 01

hoofdstuk 1

Spermatogenese

De spermatogenese of vorming van de spermatozoïden

vindt plaats in de zaadbuisjes en wordt hormonaal

spermatogonium mitose

geregeld. Het proces start in de puberteit en gaat voort tijdens het verdere verloop van het leven van de man.

primaire spermatocyt meiose I

Aan de rand van de zaadbuisjes liggen diploïde n

spermatogonia. Door mitose ontstaan er uit die

ongedifferentieerde voorlopercellen twee dochtercellen: • Een van de dochtercellen verplaatst zich naar het centrum van het zaadbuisje en differentieert

meiose II n

tot een primaire spermatocyt die zich meiotisch zal

spermatide

differentiatie

delen.

secundaire spermatocyt

• De andere dochtercel blijft aan de rand van

spermatozoïde (n)

het zaadbuisje liggen en vormt opnieuw

een spermatogonium. Op die manier blijven er in

het zaadbuisje altijd spermatogonia aanwezig die nieuwe spermatozoïden kunnen aanmaken.

Door de eerste meiotische deling ontstaan er uit

de primaire spermatocyt twee haploïde (n) secundaire

VA N

spermatocyten. Door meiose II ontstaan er daaruit vier

S Afb. 4 Door de processen van mitose en meiose ontstaan er vier spermatiden. Door differentiatie ontstaan er daaruit vier spermatozoïden.

haploïde spermatiden.

spermatogonium (2n)

primaire spermatocyt (2n)

secundaire spermatocyt (n) cellen van Sertoli spermatiden (n)

spermatozoïde (n)

S Afb. 5 De fasen van de spermatogenese in een zaadbuisje

THEMA 01

hoofdstuk 1

De spermatiden zijn niet in staat om een eicel te bevruchten. Ze hebben nog geen staart en kunnen nog niet bewegen. Daarom differentiëren spermatiden verder tot spermatozoïden: • Aan de voorzijde ontwikkelt zich het acrosoom dicht tegen de kern. Het acrosoom bevat enzymen die de beschermende eiwitlaag rond de oöcyt kunnen afbreken, zodat de kern van de spermatozoïde de eicel kan binnendringen. • De kern plat af, waardoor de typische kop van spermatozoïden ontstaat. • Een van de centriolen verplaatst zich naar de andere zijde van de kern ten opzichte van het acrosoom en groeit uit tot een flagel of zweepstaart. • De mitochondriën ordenen zich rond de basis van de flagel en vormen het middenstuk van de spermatozoïde. De mitochondriën produceren ATP, dat nodig is voor de beweging van de staart. Zo kunnen spermatozoïden bewegen en op zoek gaan naar een oöcyt.

kop

3D-beeld spermatozoïde

celkern

VIDEO

VA N

middenstuk

acrosoom

• Het overtollige cytoplasma wordt afgesnoerd en opgenomen door de cellen van Sertoli.

ﬂagel

mitochondriënkoker

microtubuli

S Afb. 6 De bouw van een spermatozoïde

S Afb. 7 Een ingekleurd elektronenmicroscopisch beeld van spermatozoïden

Wanneer de spermatozoïden in het centrum van de zaadbuisjes vrijkomen, zijn ze nog niet

video: spermatozoïden

beweeglijk. Ze worden door peristaltische bewegingen naar de bijbal getransporteerd en worden daar opgeslagen. Ze verkrijgen daar pas hun beweeglijkheid.

VIDEO

WEETJE

De vorming van spermatozoïden neemt 64 tot 74 dagen in beslag. Het grote aantal

zaadbuisjes in de teelballen van de man laat toe dat er per seconde meer dan duizend

nieuwe spermatozoïden kunnen worden gevormd. De levensomstandigheden van de man (zoals of hij al dan niet rookt, alcohol consumeert, hete baden neemt of spannend ondergoed draagt) hebben een invloed op de kwaliteit van het sperma.

THEMA 01

hoofdstuk 1

De hormonale regeling van de spermatogenese

De hypothalamus, de hypofyse en de cellen van Leydig spelen een belangrijke rol in de hormonale regeling van de spermatogenese. Het hormoon GnRH (gonadotropine-releasing hormoon), dat afgescheiden wordt door de hypothalamus, zet de hypofyse aan tot afscheiding van de hormonen FSH (follikelstimulerend hormoon) en LH (luteïniserend hormoon). Het hormoon LH stimuleert de cellen van Leydig om testosteron aan te maken. FSH stimuleert de vorming van bindingseiwitten door de cellen van Sertoli. De bindingseiwitten zorgen ervoor dat er testosteron kan worden opgenomen, zodat de spermatogenese kan starten.

De concentratie van GnRH, FSH en LH wordt geregeld door een negatief feedbackmechanisme.

De cellen van Sertoli secreteren het hormoon inhibine, een eiwit dat de afscheiding van FSH door de hypofyse afremt. Testosteron remt de secretie van GnRH door de hypothalamus en die van LH door de hypofyse.

hypothalamus

GnRH

VA N

hypofyse

testosteron

FSH

bindingseiwitten

testes

cellen van Sertoli

cellen van Leydig

S Afb. 8 De hormonale regeling van de spermatogenese met feedbackmechanismen

THEMA 01

hoofdstuk 1

inhibine

testosteron

WEETJE Testosteron is het belangrijkste androgeen (mannelijk geslachtshormoon). Testosteronconcentraties in het bloed zijn vóór de start van de puberteit laag. Tijdens de puberteit stijgen ze naar waarden die je ook bij volwassenen aantreft. Testosteron is niet alleen belangrijk bij de spermatogenese, maar heeft ook nog enkele andere functies: • Tijdens de embryonale fase is testosteron noodzakelijk voor de ontwikkeling van de mannelijke primaire geslachtskenmerken (onder andere de uitwendige een embryo zich vrouwelijk.

S Afb. 9 Okselhaar bij vrouwen ontstaat onder invloed van testosteron.

geslachtsorganen). Zonder testosteroninvloeden ontwikkelt • Tijdens de puberteit zorgt testosteron voor de ontwikkeling van de mannelijke secundaire geslachtskenmerken (onder andere

de groei van de penis en het scrotum, een andere stemhoogte door de groei van de stembanden, en lichaamsbeharing).

• Testosteron zorgt ook bij vrouwen voor lichaamsbeharing

(de groei van schaamhaar en okselhaar) vanaf de puberteit. • Onder invloed van testosteron verandert de talgproductie, een van de oorzaken van acne. • Testosteron stimuleert de groei van skeletspieren.

VA N

• Bij mannen en vrouwen speelt testosteron een rol bij het libido, de geslachtsdrift.

• Testosteron speelt een rol bij het verlies van hoofdhaar bij mannen.

S Afb. 10 Testosteron speelt een rol bij mannelijke kaalheid.

Tijdens de gametogenese worden er voortplantingscellen gevormd. Tijdens

de geslachtsgemeenschap worden er spermatozoïden in het lichaam van de vrouw gebracht, zodat een inwendige bevruchting kan plaatsvinden: een haploïde spermatozoïde versmelt met een haploïde oöcyt tot een diploïde zygote.

De spermatozoïden worden gemaakt in de teelballen of testes. De prostaat vormt samen met de zaadblaasjes het zaadvocht, dat de overleving van de spermatozoïden moet bevorderen. De spermatozoïden en het zaadvocht vormen samen het sperma, dat via de urinebuis naar buiten wordt geleid.

In de teelballen bevinden zich talrijke zaadbuisjes, waarin de zaadcellen worden

gemaakt. Aan de rand van de zaadbuisjes liggen spermatogonia, die zich mitotisch delen. Uit de primaire spermatocyt ontstaan er na meiose vier spermatiden, die zich tijdens de spermatogenese differentiëren tot spermatozoïden. De kop van de spermatozoïde bevat de kern en een acrosoom met enzymen om de oöcyt binnen te dringen. Het middenstuk bevat mitochondriën en voorziet de lange flagel van de energie om te bewegen. Het verloop van de spermatogenese wordt geregeld door een aantal hormonen, namelijk GnRH, FSH, LH, testosteron en inhibine. De concentraties van die hormonen worden geregeld door feedbackmechanismen.

THEMA 01

hoofdstuk 1

1.2

Vorming van oöcyten

Bouw van het vrouwelijk voortplantingsstelsel

De oöcyten worden gemaakt in de vrouwelijke gonaden, die je ovaria of eierstokken noemt. De ovaria liggen aan weerszijden van de baarmoeder of uterus en worden op hun plaats gehouden met ligamenten die verbonden zijn met andere organen. In de buitenste laag van elk ovarium bevinden zich al vanaf de geboorte honderdduizenden follikels. Een follikel bestaat uit een onrijpe oöcyt en een of meerdere lagen follikelcellen. Follikelcellen zijn cellen die de oöcyt beschermen en voorzien van alle stoffen die nodig zijn voor haar ontwikkeling of rijping. Daarnaast maken follikelcellen ook hormonen aan. Vanaf de pubertijd rijpen er maandelijks de rijpe oöcyt vrij.

een aantal follikels (zie verder). Bij de ovulatie of eisprong barst er een rijpe follikel en komt

Aangezien bevruchte oöcyten die zich ontwikkelen tot een embryo, zelf niet kunnen bewegen,

worden ze door het oviduct of de eileider naar de baarmoeder gebracht. Het deel van het oviduct dat zich bij de ovaria bevindt, is trechtervormig verbreed en staat in contact met de buikholte. Op de rand van de trechter bevinden zich franjes, die beweeglijk zijn en ervoor zorgen dat

de oöcyt na de ovulatie in het oviduct terechtkomt. Het oviduct is voorzien van een verbreding of

ampulle, waarin gewoonlijk de bevruchting plaatsvindt. De wand van het oviduct bevat lengte- en kringspieren, en de binnenzijde is bekleed met epitheel dat kliercellen en trilhaarcellen bevat. De peristaltische bewegingen van de spieren brengen, samen met de beweging van de trilharen,

VA N

de oöcyt of het embryo naar de baarmoeder.

De baarmoeder is een peervormig, gespierd orgaan dat zich boven de blaas bevindt. De binnenzijde is afgelijnd met het baarmoederslijmvlies. De talrijke bloedvaten in dat slijmvlies voeren vanaf de puberteit hormonen aan die tijdens de menstruele cyclus zorgen voor veranderingen in dikte en structuur. Die veranderingen zorgen ervoor dat na een bevruchting een embryo zich kan innestelen en zich kan ontwikkelen tot een foetus. Daarnaast staan de bloedvaten ook in voor de aanvoer van de nodige voedingsstoffen voor een zich ontwikkelend embryo. De wand van de baarmoeder is opgebouwd uit een dikke spierlaag van kring- en lengtespieren, die tijdens de bevalling de baby mee naar buiten helpen te duwen. De baarmoeder is via de baarmoederhals verbonden met de vagina. In de opening van de baarmoederhals zit meestal een moeilijk doordringbare slijmprop, die de baarmoeder tegen infecties beschermt. De vagina vormt de verbinding tussen de baarmoeder en de buitenwereld. Ze is gespierd, maar tegelijkertijd ook soepel en rekbaar, want bij de bevalling moet er een baby doorheen. De wanden zijn opgebouwd uit slijmvliezen en liggen normaal tegen elkaar. De slijmvliezen produceren vocht en slijm. De wanden scheiden ook glycogeen af, dat door melkzuurbacteriën wordt afgebroken tot melkzuur. Daardoor wordt er in de vagina een zure

omgeving gecreëerd waarin de meeste andere bacteriën of micro-organismen niet kunnen overleven. Dicht bij de opening naar de buitenwereld ligt het maagdenvlies. Het is geen vlies dat de opening afsluit, maar een ringvormig elastisch weefsel dat als een kraagje rond de ingang van de vagina ligt en bacteriën kan tegenhouden. Het biedt extra bescherming tegen infecties tijdens de kindertijd. Het uitwendige deel van het vrouwelijk geslachtsorgaan wordt de vulva genoemd. De vulva

video: bouw vrouwelijk voortplantingsstelsel

bestaat uit twee paar huidplooien: de binnenste en de buitenste schaamlippen. De buitenste VIDEO

schaamlippen zijn behaard en beschermen de meer naar binnen gelegen delen. Waar de binnenste schaamlippen vooraan samenkomen, ligt een zeer gevoelig bolletje ter grootte van een erwt: de clitoriseikel.

THEMA 01

hoofdstuk 1

baarmoederholte

ampulle

oviduct

follikel

ovulatie

ligament baarmoederslijmvlies

ovarium

gespierde baarmoederwand

trechter

slijmprop

wervelkolom

vagina

ovarium

urineleider

VA N

oviduct baarmoeder

urineblaas

endeldarm

schaambeen

clitoris

binnenste schaamlip

buitenste schaamlip

urinebuis

anus

vagina

clitoris

binnenste schaamlip buitenste schaamlip urinebuis

opening van de vagina maagdenvlies anus

S Afb. 11 Het vrouwelijk voortplantingsstelsel

THEMA 01

hoofdstuk 1

WEETJE buitenste schaamlip

Rondom de clitoriseikel zit een stukje

binnenste schaamlip

huid – de clitorishoed – dat homoloog is met de voorhuid van de penis. De clitoriseikel is het uitwendig zichtbare deel van een structuur die

clitorishoed

voor de rest grotendeels inwendig ligt: de clitoris. De clitoris is opgebouwd uit

clitoriseikel

zwellichamen, die aan weerszijden van

urinebuis

de opening van de vagina liggen. Ze zijn

vagina

opgebouwd zoals de zwellichamen in

de penis van een man en vullen zich,

zwellichamen

maagdenvlies

anus

net zoals bij de man, bij opwinding met bloed. Die structuur is zeer gevoelig en speelt een belangrijke rol bij de seksuele genotservaring.

S Afb. 12 De clitoris ligt grotendeels inwendig. Enkel de clitoriseikel is uitwendig zichtbaar.

Over de clitoris vind je doorgaans weinig

zwellichamen van de penis

in anatomie- of schoolboeken. Een wereld gedomineerd door mannen, theorieën over de noodzaak van een vrouwelijk

VA N

orgasme en weinig aandacht voor

peniseikel

het seksuele genot van de vrouw zorgden

zwellichamen van de clitoris

ervoor dat de structuur niet werd afgebeeld en niet grondig werd

onderzocht. Met de toenemende

clitoriseikel

emancipatie van de vrouw kwam daar pas aan het eind van de twintigste eeuw

verandering in. Onderzoeksinspanningen met moderne beeldvormingstechnieken

brachten aan het licht dat het volume van de zwellichamen wel tien keer groter is

S Afb. 13 De clitoris kent een gelijkaardige bouw als de zwellichamen in een penis.

dan vroeger werd aangenomen.

Oögenese

Tijdens de ontwikkeling van

een vrouwelijke foetus ontstaan

er in de buitenrand of schors van een ovarium miljoenen diploïde (2n)

De oögonia ontwikkelen zich tot

oögonia of kiemcellen. Dat zijn cellen die aanleiding geven tot oöcyten.

Die meiose I komt echter tot stilstand

start meiose

primaire oöcyten (2n), die nog voor de geboorte starten met de meiose.

2n 2n

mitosen van kiemcellen of oögonia

primaire oöcyt in profase I

W Afb. 14 Het ontstaan van een primaire oöcyt uit een oögonium

na profase I. Elke primaire oöcyt vormt samen met de omringende follikelcellen, die haar beschermen en voeden, een primordiale follikel. Het aantal primordiale follikels dat aanwezig is bij de geboorte (in beide ovaria samen), schat men op 700 000 tot 2 miljoen.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Vanaf de puberteit tot aan de menopauze beginnen er maandelijks enkele primordiale follikels te rijpen. Gedurende het leven van een vrouw komen ongeveer vierhonderd follikels volledig tot rijping. Alle andere sterven af. De rijping van een follikel begint met een toename in grootte van de primaire oöcyt en een toename van het aantal follikelcellen daarrond. Zo ontstaat er een primaire follikel. De primaire oöcyt (2n) is omringd door een laag glycoproteïnen, die de zona pellucida heet. Die laag speelt een belangrijke rol bij de groei van de oöcyt en de bevruchting. De follikelcellen produceren een vocht, het follikelvocht. Zodra het follikelvocht gaat verzamelen en ophopen in een follikelholte, spreek je van een secundaire follikel. Een volledig rijpe of Graafse follikel is zodanig groot geworden dat ze uitpuilt aan het oppervlak van het ovarium. De oöcyt is er is erg dun geworden, zodat ze gemakkelijk breekt.

omgeven door een krans follikelcellen, de corona radiata. De buitenste laag van de Graafse follikel

3D-beeld ovarium

VIDEO

secundaire oöcyt

VA N

secundaire follikel follikelcel zona pellucida

Graafse follikel

primaire follikels

geel lichaam

secundaire oöcyt (n) corona radiata

S Afb. 15 Een doorsnede van een ovarium met follikels in verschillende stadia: primaire follikel (links), secundaire follikel (midden) en Graafse follikel (rechts)

THEMA 01

hoofdstuk 1

Vlak voor de ovulatie zet de eerste meiotische deling zich voort en wordt ze afgewerkt. Er treedt echter een ongelijke verdeling op van het cytoplasma: één dochtercel krijgt vrijwel al het cytoplasma en wordt de secundaire oöcyt (n) genoemd. De andere dochtercel ontvangt nauwelijks cytoplasma en vormt het poollichaampje (n). Door

primaire oöcyt (2n)

de ongelijke verdeling van het cytoplasma komt bijna al het cytoplasma van het oorspronkelijke oögonium terecht

meiose I

in één rijpe oöcyt. De oögenese is dus aangepast om ervoor te zorgen dat de eicel voldoende middelen heeft voor een succesvolle bevruchting en een vroege ontwikkeling van

het embryo. Onmiddellijk na meiose I start meiose II, maar ook daar wordt de deling niet afgewerkt: ze komt tijdelijk tot

secundaire oöcyt (n)

stilstand na metafase II. In dat stadium treedt de ovulatie op: de Graafse follikel barst open. Het follikelvocht dat

meiose II

naar buiten vloeit, neemt de secundaire oöcyt mee. Door bewegingen van de franjes aan de rand van het oviduct komt de secundaire oöcyt in het oviduct terecht.

spermatozoïde (n)

poollichaampje (n)

Pas als een spermatozoïde contact maakt met de oöcyt,

VA N

wordt meiose II afgewerkt. De verdeling van het cytoplasma is opnieuw ongelijk: er ontstaan een grote, rijpe oöcyt (2n) en een poollichaampje.

Het gele lichaam wordt zo genoemd omdat de cellen geel gekleurd zijn door de productie van luteïne, een gele kleurstof.

De secundaire oöcyt moet binnen de 24 uur na de ovulatie worden bevrucht. Anders sterft ze af. De resterende follikelcellen van de opengebarsten follikel die zijn

achtergebleven in het ovarium, nemen toe in grootte en

vormen het gele lichaam (corpus luteum). Het gele lichaam blijft nog een tweetal weken bestaan. Dan gaat het ten

gronde. Er blijft een klein litteken achter op het oppervlak

van het ovarium.

THEMA 01

rijpe oöcyt (n) meiose II wordt afgewerkt

hoofdstuk 1

bevruchte oöcyt (2n)

S Afb. 16 Een schematische voorstelling van de oögenese

C De hormonale regeling van de oögenese Vanaf de puberteit start bij een vrouw de maandelijkse menstruatiecyclus. Tijdens die cyclus rijpen er een of meerdere oöcyten in het ovarium en ondergaat het baarmoederslijmvlies veranderingen. De cyclus duurt gemiddeld 28 dagen, maar kan ook langer of korter duren. De menstruele cyclus wordt aangestuurd door hormonen die afgescheiden worden aan en getransporteerd worden door het bloed. De volgende hormonen zijn betrokken in de regeling van de menstruele cyclus: • de hormonen GnRH, FSH en LH, die de follikels in de ovaria beïnvloeden; • de geslachtshormonen oestrogeen en progesteron, die worden aangemaakt in de ovaria en

die het baarmoederslijmvlies beïnvloeden. De menstruele cyclus wordt aangedreven door positieve en negatieve feedbackmechanismen van die hormonen.

hypothalamus

GnRH

cyclus dag 12-14

overige dagen van de cyclus

VA N

hypofyse

FSH

ovaria

oestrogeen

progesteron

baarmoederslijmvlies

S Afb. 17 De hormonale regeling van de menstruele cyclus met feedbackmechanismen

Chronologisch kun je het verloop van de menstruatiecyclus indelen in drie fasen: • de folliculaire fase; • de luteale fase;

• de menstruatiefase.

THEMA 01

hoofdstuk 1

De folliculaire fase

De folliculaire fase start na de menstruatie. Er is dan een lage concentratie aan oestrogeen en progesteron in het bloed. Het ontbreken van negatieve feedback leidt tot een verhoogde afscheiding van GnRH door de hypothalamus. Het hormoon GnRH stuurt de hypofyse aan om meer FSH en LH af te scheiden. Onder invloed van FSH beginnen er enkele tientallen follikels in de ovaria te rijpen. Tijdens de ontwikkeling van primordiale naar primaire en secundaire follikels produceren de follikelcellen oestrogeen. Oestrogeen zorgt voor een verdikking van het baarmoederslijmvlies en een toename van het aantal haarvaten, ter voorbereiding van een mogelijke zwangerschap. Deze fase wordt daarom ook wel de groeifase genoemd. De toename van oestrogeen zorgt aanvankelijk voor een daling in de productie van FSH en LH, zodat het aantal follikels dat de rijping start, beperkt blijft.

Follikels die rijpen en groter worden, maken steeds meer oestrogeen aan. Als

de oestrogeenspiegel een kritische drempel bereikt, stijgt de secretie van GnRH door

de hypothalamus sterk, met een piek in de afscheiding van FSH en LH als gevolg. De piek in LH is verantwoordelijk voor de ovulatie rond dag veertien van de cyclus. De delen van de Graafse follikel die achterblijven na de ovulatie, vormen het gele lichaam. Dan start de luteale fase. C2

De luteale fase

Het gele lichaam produceert naast oestrogeen ook het hormoon progesteron. Door

de toenemende hoeveelheid progesteron in het bloed ontwikkelen er zich talrijke slijmkliertjes in het baarmoederslijmvlies. De slijmklieren produceren een slijm dat rijk is aan glycogeen. Daarom

VA N

wordt de luteale fase ook wel de secretiefase genoemd. Het brengt het baarmoederslijmvlies in optimale omstandigheden voor de mogelijke innesteling van een embryo. Het glycogeen wordt immers als voedingsstof gebruikt door het embryo.

De hormonen oestrogeen en progesteron oefenen samen een negatieve terugkoppeling uit op de hypothalamus: de secretie van GnRH wordt afgeremd. Een verlaagde afscheiding van GnRH vermindert de secretie van FSH en LH. Omdat het hormoon LH nodig is om het gele lichaam in stand te houden, zal het gele lichaam afbreken. Daardoor dalen de concentraties aan oestrogeen en progesteron in het bloed. C3

De menstruatie

Tijdens deze fase wordt het verdikte baarmoederslijmvlies afgestoten. Het gebrek aan de hormonen oestrogeen en progesteron zorgt voor apoptose in delen van het baarmoederslijmvlies, waardoor het zal afbrokkelen. Dat gaat gepaard met bloedingen, de menstruatie. De menstruatie begint gewoonlijk veertien dagen na de ovulatie. Na de menstruatie, die gemiddeld vijf dagen duurt, bestaat het baarmoederslijmvlies enkel nog uit een dunne laag bindweefsel en cellen. Door de lage concentratie aan oestrogeen en progesteron valt de negatieve invloed op de hypothalamus weg, waardoor er een nieuwe cyclus start (de

folliculaire fase). De menstruatie treedt op als er na de ovulatie geen bevruchting en innesteling hebben plaatsgevonden. Een vrouw weet dus dat ze niet zwanger is als de menstruatie start. Wanneer een vrouw ongeveer vijftig jaar is en de ovaria minder follikels bevatten, worden er minder vrouwelijke geslachtshormonen aangemaakt. Daardoor verandert het menstruatiepatroon. Er kunnen fysieke en psychische ongemakken optreden. Je zegt dat de vrouw in de overgang komt. Na enkele jaren valt de menstruatiecyclus stil en komen er geen oöcyten meer tot rijping. Een vrouw krijgt dan geen menstruatie meer en kan ook niet meer zwanger worden. Je noemt die periode de menopauze.

THEMA 01

hoofdstuk 1

menstruatie 1

folliculaire fase 5

luteale fase

menstruatie

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 1 hypothalamus

GnRH LH

hypofyse

FSH en LH

FSH

hypofysehormonen

geel lichaam

ovariële cyclus

follikelcellen

ovulatie

oestrogeen progesteron

VA N

drempel

oestrogeen

progesteron

groeifase

ovariumhormonen

secretiefase

baarmoederslijmvlies

baarmoedercyclus

lichaamstemperatuur 38 °C 37 °C

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 1

36 °C

S Afb. 18 De hormonale invloeden tijdens de menstruatiecyclus

WEETJE

De invloed van progesteron op de hypothalamus leidt tot een kleine verhoging (0,5 °C) van de lichaamstemperatuur. Die verhoging kan worden gebruikt om na te gaan of er een ovulatie heeft plaatsgevonden, en dat kan nuttig zijn als je zwanger wilt worden – of net niet. In dat laatste geval is het toch oppassen geblazen, aangezien zaadcellen tot vijf dagen in het lichaam van de vrouw kunnen blijven leven.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Hormonale invloeden op het ovarium en de baarmoeder bij een bevruchting

Als er wel een bevruchting heeft plaatsgevonden

hCG

en het embryo zich innestelt, moet het baarmoederslijmvlies behouden blijven. Het uitblijven van de menstruatie gebeurt doordat een embryo dat zich innestelt, het hormoon hCG

2 tegenwerking afbraak

geel lichaam

1 productie 3 productie

(humaan choriongonadotropine) produceert. hCG zorgt ervoor dat het gele lichaam niet wordt

progesteron

afgebroken en dat het de hormonen oestrogeen

oestrogeen

en progesteron blijft aanmaken. De productie van die hormonen zal later in de zwangerschap worden

overgenomen door de placenta.

S Afb. 19 De hormonale invloeden op ovarium en baarmoeder na de bevruchting (E = embryo)

WEETJE

De hormonale cyclus bedraagt bij de mens gemiddeld 28 dagen. De meeste vrouwen hebben een cyclus die vrij regelmatig is: elke cyclus duurt ongeveer een gelijkaardig aantal dagen. Dat betekent dat de dag waarop de ovulatie plaatsvindt en de dag waarop de menstruatie

VA N

begint, goed voorspelbaar zijn. Bij vrouwen met een onregelmatige cyclus is de periode tussen twee menstruaties de ene keer langer dan de andere keer. Aangezien de ovulatie meestal 14 dagen voor de volgende menstruatie gebeurt, is het ook moeilijker te voorspellen wanneer de ovulatie plaatsvindt.

De oöcyten worden aangemaakt in de ovaria. Uit oögonia ontstaan er tijdens de embryonale fase al primaire oöcyten. De oöcyten zijn omgeven door follikelcellen en vormen zo een follikel. Vanaf de puberteit rijpen er maandelijks een of meerdere follikels. Tijdens die rijping treedt de meiose op en ontstaat er uit een primaire oöcyt één secundaire oöcyt en vervolgens één rijpe eicel of oöcyt. Het laatste deel van de meiose wordt pas voltooid bij een bevruchting.

De menstruele cyclus wordt geregeld door feedbackmechanismen van de hormonen GnrH, FSH, LH, oestrogeen en progesteron. In de cyclus kunnen verschillende fasen worden onderscheiden:

• Tijdens de folliculaire fase komen er meerdere follikels tot rijping en wordt het baarmoederslijmvlies dikker. • Tijdens de luteale fase scheidt het baarmoederslijmvlies glycogeen af. • Tijdens de menstruatie wordt het baarmoederslijmvlies afgebroken als er geen bevruchting en innesteling hebben plaatsgevonden. Doorgaans resulteert de cyclus in de ovulatie van één secundaire oöcyt. Die oöcyt kan worden bevrucht in het oviduct en wordt daarna getransporteerd naar de baarmoeder. Als het embyro zich innestelt, wordt er een hormoon geproduceerd dat het baarmoederslijmvlies in stand houdt, zodat de menstruatie uitblijft en de zwangerschap kan doorgaan.

THEMA 01

hoofdstuk 1

VERDIEPING

Endometriose Wat is het?

eileider

Endometriose is een te vaak miskende en slecht

endometriose

gediagnosticeerde ziekte die een op de tien eierstok

vrouwen in de vruchtbare leeftijd treft en de kans op een zwangerschap verlaagt tot minder dan 10 % per maand.

endometriose

baarmoederslijmvlies

Endometriose is een gynaecologische aandoening waarbij cellen van het

eierstok

baarmoederslijmvlies (endometrium), die

normaal de binnenkant van de baarmoeder

bekleden, ook buiten de baarmoeder voorkomen.

baarmoederhals

Endometriose vindt men meestal terug in het

kleine bekken: dat kan zowel op de buitenkant

vagina

van de baarmoeder zijn, als op de eileiders,

S Afb. 20 Mogelijke plaatsen waar endometriose gevonden kan worden gevonden. Er is geen verband tussen de uitgebreidheid van de endometriose en de ernst van de pijnklachten.

de eierstokken, de darmen, de blaas,

de urineleiders of op het buikvlies. Er kunnen

ook endometrioseletsels worden aangetroffen op

VA N

de buikzijde van het middenrif.

Oorzaken

Endometriose ontstaat

waarschijnlijk doordat er

tijdens de menstruatie bloed

via de eileiders in de buikholte terechtkomt. De cellen van het baarmoederslijmvlies kunnen

zich inplanten in de buikholte, waardoor er endometriose ontstaat.

Behandeling

menstruatiepijn (voor/tijdens/na)

vermoeidheid

• Kijkbuisoperatie: het weefsel dat door endometriose

aangetast is, wordt via een

VOORNAAMSTE KLACHTEN

laparoscoop (kijkbuis) met een CO₂-laser heel precies

verwijderd.

• Hormonale onderdrukking: hormonale medicatie

pijn bij plassen en/of stoelgang maken (vooral tijdens menstruatie)

pijn en/of bloedverlies tijdens/na seksuele betrekkingen

legt de werking van de eierstokken stil, waardoor de endometriose niet verder zal toenemen. Endometriose zal niet verdwijnen met hormonale therapie. S Afb. 21

THEMA 01

hoofdstuk 1

De bevruchting

Omdat oöcyten niet beweeglijk zijn, moeten de spermatozoïden zelf naar de oöcyt toe zwemmen. De basische vloeistof van het sperma kan voor korte tijd het zure milieu van de vagina neutraliseren. Immuunreacties van de vrouw tegen lichaamsvreemde cellen en de lage pH in de vagina doen de meeste spermatozoïden desalniettemin afsterven. De slijmprop in de baarmoederhals is meestal moeilijk doorgankelijk, maar in de periode rond de ovulatie wordt ze vloeibaarder en kunnen de spermatozoïden erdoor. Via de baarmoeder bereiken enkele tienduizenden zaadcellen de oviducten. In de oviducten moeten de spermatozoïden zich verplaatsen tegen een vloeistofstroom die wordt opgewekt door sterven zonder kans op bevruchting. De andere bereiken eventueel de oöcyt.

oviduct

spermatozoïden

oöcyt

VA N

Bij een zaadlozing tijdens de geslachtsgemeenschap komt er in de vagina ter hoogte van de baarmoederhals 3 tot 5 mL sperma vrij, met daarin ongeveer 300 miljoen tot 500 miljoen spermatozoïden. De snelste zaadcellen kunnen de afstand tot de oöcyt afleggen in ongeveer 45 minuten.

trilhaarcellen. De spermatozoïden die in de eileider zwemmen waar geen oöcyt aanwezig is,

slijmprop

S Afb. 22 De spermatozoïden zwemmen een traject van ongeveer 18 cm naar de oöcyt.

Van de vele honderden miljoenen spermatozoïden die bij een zaadlozing in de buurt van de baarmoederhals zijn vrijgekomen, zullen er maar enkele honderden de oöcyt bereiken. De andere worden, samen met het zaadvocht, afgebroken en opgenomen. Omdat spermatozoïden tot vijf dagen kunnen overleven in het lichaam van de vrouw, kan een oöcyt ook worden bevrucht

als de zaadlozing vijf dagen voor de ovulatie plaatsvond. De spermatozoïden die de oöcyt bereiken, banen zich een weg tussen de cellen van de zona pellucida, waardoor de acrosoomreactie optreedt. Het acrosoom barst open en de enzymen breken de zona pellucida plaatselijk af. Zo bereikt de spermatozoïde de oöcyt. Als de kop van de eerste spermatozoïde door middel van specifieke receptoren contact maakt met het membraan van de oöcyt, versmelten beide membranen met elkaar. Alleen de kern van de spermatozoïde wordt opgenomen in de oöcyt. Het middenstuk en de flagel blijven buiten de oöcyt. Onmiddellijk nadat de spermatozoïde is binnengedrongen, veranderen de membraaneigenschappen van de oöcyt, zodat het membraan ondoordringbaar wordt voor andere spermatozoïden. Zo wordt vermeden dat er nog andere spermatozoïden versmelten met de oöcyt. Een bevruchting door meerdere spermatozoïden levert immers geen levensvatbare baby op.

THEMA 01

hoofdstuk 1

versmelting oöcyt en spermatozoïde

follikelcellen

spermatozoïde

start corticale reactie

zona pellucida start acrosoomreactie

corticale granulen

oöcyt

VA N

S Afb. 23 Een spermatozoïde dringt binnen door de zona pellucida en versmelt met de oöcyt.

bevruchtingsmembraan

Enkele minuten na de bevruchting treedt de corticale reactie op: talrijke blaasjes of

corticale granulen, die zich dicht bij het celmembraan van de eicel bevinden, storten

hun inhoud uit buiten de cel. De inhoud van die granulen reageert met de zona pellucida en vormt een bevruchtingsmembraan tussen het celmembraan en de zona pellucida. Het bevruchtingsmembraan vormt een permanente barrière voor de spermatozoïden. De kern van de spermatozoïde die binnendringt, zwelt op door vloeistofopname. De kern en de oöcyt zullen uiteindelijk versmelten. Op dat moment is de bevruchting een feit. De bevruchte oöcyt of zygote bevat dan erfelijk materiaal van zowel de vader als de moeder. Omdat het geslacht erfelijk is bepaald, ligt het biologisch geslacht van de nakomeling vanaf dat punt vast.

Ga naar voor een artikel over de versmelting tussen spermatozoïde en oöcyt.

De spermatozoïden die bij een zaadlozing ter hoogte van de baarmoederhals worden geloosd, moeten door de baarmoederhals en het oviduct zwemmen tot aan de oöcyt, die via het oviduct naar de baarmoeder wordt vervoerd. Slechts enkele honderden spermatozoïden

zullen de oöcyt bereiken. Door de acrosoomreactie verandert de zona pellucida van samenstelling en dringt de kern van de eerste spermatozoïde de oöcyt binnen. De aanleg van een bevruchtingsmembraan, dat ontstaat na de corticale reactie, verhindert dat meerdere spermatozoïden de oöcyt bevruchten. Als de kern van de spermatozoïde versmelt met de kern van de oöcyt, is de bevruchting voltooid.

THEMA 01

hoofdstuk 1

De ontwikkeling van een baby en de zwangerschap

Eens de zygote is gevormd, is de zwangerschap gestart. Bij de mens duurt die gemiddeld 268 dagen, wat dus iets meer is dan 38 weken. Omdat men rekent vanaf de eerste dag van de laatste menstruatie, zegt men dat een zwangerschap 40 weken duurt. Gedurende de zwangerschap zal de bevruchte oöcyt zich geleidelijk aan ontwikkelen tot een baby. Tijdens de eerste 8 weken volgen de mitosedelingen elkaar snel op en worden de verschillende organen en het orgaanstelsel in het embryo aangelegd. Dat noem je de embryogenese of de embryonale fase. Na de achtste week zijn alle orgaanstelsels aangelegd en spreek je van

3.1 De embryonale fase A

een foetus. De verdere ontwikkeling wordt de foetale fase of de groeifase genoemd.

Van zygote tot innestelende blastula

Tijdens de eerste week na de bevruchting wordt de zygote door de peristaltiek en de trilhaarcellen video: deling dochtercellen

aan de binnenzijde van het oviduct getransporteerd naar de baarmoeder. Terwijl dat gebeurt,

starten de mitotische delingen. De dochtercellen die ontstaan uit die eerste delingen, nemen niet

VIDEO

toe in volume en blijven dus maar half zo groot als de moedercellen. Daarom worden die delingen de klievingsdelingen genoemd. Door de klievingsdelingen ontstaan er achtereenvolgens een 2-,

4-, 8-, 16- en 32-cellig stadium, die niet groter zijn dan de oorspronkelijke zygote. De cellen, die je

VA N

blastomeren noemt, blijven aanvankelijk dicht op elkaar zitten en vormen een compacte massa. Bij aankomst in de baarmoeder bevindt het embryo zich in het 16- tot 32-cellige stadium, dat de morula wordt genoemd. Elke cel van die morula is in staat om uit te groeien tot een volledig individu.

bevruchtingsmembraan

blastulaholte

bevruchting

trofoblast

ovulatie

kiemschijf

kiemknop

zygote

blastula

DAG 1

tweecellig stadium

DAG 2

DAG 3

DAG 4 DAG 5-8

innesteling baarmoederslijmvlies

viercellig stadium achtcellig stadium

morula

S Afb. 24 Een schematische voorstelling van de ontwikkeling van de zygote tot het blastulastadium. De blastomeren zijn omgeven door het bevruchtingsmembraan.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Na het 32-cellige stadium, rond de vierde dag na de bevruchting, wijken de cellen uiteen en ontstaat er een holle sfeer, die de blastula wordt genoemd. De holte in de blastula noem je de blastulaholte. Door differentiatie van de cellen ontstaan er vervolgens twee lagen cellen. De buitenste laag cellen wordt de trofoblast genoemd. De cellen van de trofoblast voorzien het embryo van voedingsstoffen en spelen een belangrijke rol bij de innesteling van het embryo. Later zal de placenta of moederkoek zich ontwikkelen uit cellen van die laag. De binnenste laag cellen van de blastula vormt aan een van de polen een celmassa waaruit onder andere de eigenlijke baby zich zal ontwikkelen: de kiemknop.

Bij zoogdieren wordt de blastula ook wel ‘de blastocyste’ genoemd.

Door celdelingen en de opname van vocht in de blastulaholte wordt de blastula steeds groter. Als het bevruchtingsmembraan en de zona pellucida rond de vijfde dag verdwijnen, komt de blastula in aanraking met het slijmvlies van de baarmoeder, dat door de werking van oestrogeen en

progesteron sterk verdikt is en talrijke slijmkliertjes ontwikkelde. Het contact van de blastula met het baarmoederslijmvlies brengt de innesteling van het embryo op gang. Die innesteling kan op elke plaats in het baarmoederslijmvlies gebeuren.

Hoewel het verloop van de innesteling gekend is, zijn de complexe moleculaire en cellulaire

mechanismen nog niet volledig opgehelderd. Cellen van de trofoblast groeien en ontwikkelen zich tot gespecialiseerde cellen, die het embryo beschermen tegen een immunologische reactie van de moeder. Het lichaam van de moeder beschouwt het embryo immers als

lichaamsvreemd. Daarnaast produceren die gespecialiseerde cellen ook het hormoon humaan choriongonadotrofine (hCG), dat ervoor zorgt dat het gele lichaam niet afbreekt, maar

VA N

de hormonen oestrogeen en progesteron blijft aanmaken. De innesteling duurt bij de mens gewoonlijk vier dagen en is dus op de tiende dag na de bevruchting voltrokken.

WEETJE

Een zwangerschaptest is gebaseerd op de detectie van het hormoon hCG aan de hand van antilichamen. De test neem je het best af met ochtendurine, omdat er daarin een hogere concentratie van het hormoon zit.

1 testplaatje

enzym

hCG

2 antilichamen

mobiel antilichaam

3 testlijn

4 controlevenster

immobiel antilichaam

W Afb. 25 De werking van een zwangerschapstest

Het testplaatje wordt in contact gebracht met urine. In de urine van een zwangere vrouw is hCG aanwezig.

hCG bindt zich aan mobiele antilichamen voorzien van een enzym.

Geïmmobiliseerde antilichamen binden met hCG. Het enzym op het eerste antilichaam veroorzaakt een kleurverandering in de testlijn.

Het teveel aan mobiele antilichamen bindt aan geïmmobiliseerde antilichamen in een testzone. Daardoor treedt er een kleurverandering in de controlelijn op. Die kleurverandering geeft aan of de test correct werkte.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Vorming van de kiemschijf en organogenese

Tijdens de innesteling ontwikkelt er zich in de kiemknop een eerste met vocht gevulde holte, de amnionholte. De cellen die die holte omsluiten, vormen het amnionvlies. Iets later ontstaat er een tweede met vocht gevulde holte, de dooierholte, die omgeven wordt door cellen die het dooiervlies vormen. Waar het amnionvlies en het dooiervlies elkaar raken, bevindt er zich een dubbele laag cellen: de tweebladige kiemschijf. De tweebladige kiemschijf bevat al twee van de drie essentiële kiembladen waaruit een embryo kan worden gevormd. In dat stadium is de kiemschijf nog rond en plat. Rond de veertiende dag ontstaan er cellen die zich verspreiden tussen de trofoblast en de dooierholte. Die cellen vormen het extra-embryonale mesoderm. In dat extra-embryonale mesoderm ontstaan er holtes die versmelten tot de uiteindelijke chorionholte. De trofoblast en het extra-embryonale mesoderm omgeven de chorionholte

Je spreekt van een ‘kiemschijf’ omdat die afgeplatte schijfvormige structuur de kiem vormt van het latere embryo.

en worden samen de chorion genoemd. Uit de chorion groeien er in de loop van

de tweede week vingerachtige uitstulpingen die zich in het baarmoederslijmvlies vestigen,

de chorionvlokken. Ze staan in contact met bloedvaten in het baarmoederslijmvlies en zijn

belangrijk voor de uitwisseling van bijvoorbeeld voedings- en afvalstoffen, zuurstofgas (O2) en koolstofdioxide (CO2). In die chorionvlokken zullen er ook bloedvaten ontstaan die zich

VA N

ontwikkelen naar het embryo (via de toekomstige navelstreng).

amnionvlies

navelstreng in wording

trofoblast

amnionholte

dooiervlies

dooierholte

extra-embryonaal mesoderm

baarmoederepitheel

baarmoederholte S Afb. 26 De vorming van de tweebladige kiemschijf (gele en blauwe laag cellen) aan het einde van de tweede week van de ontwikkeling

THEMA 01

hoofdstuk 1

tweebladige kiemschijf chorionholte chorionvlies chorion

Bij het begin van de derde week na de bevruchting start de gastrulatie: er treden veranderingen op in de kiemschijf. Tussen beide kiembladen ontwikkelt er zich een derde kiemblad, zodat er een driebladige kiemschijf ontstaat. Vanaf dat moment spreek je van de gastrula. Aan de amnionzijde noem je die laag het ectoderm. De laag aan de zijde van het dooiervlies is het endoderm en de laag ertussen het mesoderm.

dooiervlies

ectoderm

dooierholte

S Afb. 27 Een schematische voorstelling van de vorming van de gastrula

amnionholte

amnionvlies

Een kiemblad van een embryo is een laag cellen die dezelfde oorsprong hebben in de embryogenese. Ze zullen uitgroeien tot specifieke lichaamsweefsels.

mesodermcellen

endoderm

Tijdens de vierde week na de bevruchting vouwt de driebladige kiemschijf zich op tot

VA N

een driedimensionale buis, die in de weken erna steeds meer de vorm van een baby zal krijgen.

ectoderm

mesoderm

endoderm

mesoderm

endoderm

ectoderm

mesoderm

endoderm

S Afb. 28 De ontwikkeling van de driebladige kiemschijf

ectoderm

THEMA 01

hoofdstuk 1

De cellen uit de drie kiembladen kennen een differentiële genactivering: in verschillende cellen van de kiembladen komen er andere genen of combinaties van genen tot expressie (zie thema 03). Die gedifferentieerde cellen vormen specifieke weefsels en organen. Je noemt die fase van de embryonale ontwikkeling dan ook de organogenese. Tabel 1 toont enkele voorbeelden van weefsels of organen die uit de verschillende kiembladen ontstaan.

KIEMBLAD ectoderm

ENKELE WEEFSELS • opperhuid en afgeleide structuren, zoals haren, zweet- en melkklieren • epitheel van de zintuigen • centraal en perifeer zenuwstelsel

mesoderm

• tandglazuur • lederhuid

• been, kraakbeen en bindweefsel • spierweefsel

• bloeden lymfevaten

• nieren en urineleiders endoderm

• epitheel van het spijsverteringsstelsel • epitheel van het ademhalingsstelsel

• epitheel van de urinebuis en de blaas

VA N

• lever, pancreas, thymus en schildklier

S Tabel 1 Een overzicht van de embryonale oorsprong van weefsels en organen

Tijdens die vierde week na de bevruchting is het embryo ongeveer een halve centimeter groot en niet te onderscheiden van het embryo van andere gewervelde dieren. Het embryo bevat ook kieuwbogen, die later vergroeien tot nieuwe structuren. In die periode start de eerste aanleg van het hart en zijn er stompjes zichtbaar die uitgroeien tot de ledematen. De aanleg van de ogen en het oor is zichtbaar. Twee weken later beginnen de handen en de voeten zich te vormen. Rond de achtste week is de menselijke vorm te herkennen. Vanaf dan spreek je van een foetus.

kieuwbogen

ooraanleg

hartaanleg

oog

uitwendige gehoorgang

oogaanleg

navelstreng

leveraanleg aanleg van wervelkolom rond neurale buis

4 weken ongeveer 5 mm De kieuwbogen en de oor- en oogaanleg zijn zichtbaar.

aanleg van de ledematen

5 weken ongeveer 10 mm De aanleg voor het hart en de ledematen is zichtbaar.

6 weken ongeveer 15 mm De handen beginnen zich te vormen.

hand 7 weken ongeveer 25 mm De bovenste ledematen zijn verder ontwikkeld dan de onderste.

S Afb. 29 Een schematische voorstelling van de ontwikkeling van een embryo vanaf vier tot en met acht weken

THEMA 01

hoofdstuk 1

8 weken = foetus ongeveer 35 mm De oogleden zijn nog niet aanwezig en de ogen staan wijd open.

Aanvankelijk ontwikkelde de chorion over haar volledige oppervlak chorionvlokken. Naarmate het embryo groter wordt, gaat het steeds meer uitpuilen in de baarmoeder. De chorionvlokken aan de zijde van de baarmoederholte verdwijnen dan langzamerhand, omdat er in dat deel van het baarmoederslijmvlies te weinig bloedvaten aanwezig zijn om efficiënt stoffen uit te wisselen. De chorionvlokken aan de tegenoverliggende zijde ontwikkelen zich daarentegen sterk en vormen uiteindelijk het embryonale gedeelte van de placenta.

chorionvlokken dooierzak

baarmoederholte

amonionholte

VA N

chorionholte

S Afb. 31 Een embryo van acht weken, omgeven door het amnionvocht en het amnionvlies en via de navelstreng verbonden met de placenta

S Afb. 30 Een schematische voorstelling van de vorming van de placenta uit de chorionvlokken

Tegen het einde van de achtste week is de placenta volledig gevormd, net zoals de navelstreng, die het embryo met de placenta verbindt.

Als er tijdens de aanleg van de organen iets fout loopt, leidt dat er vaak toe dat het embryo afsterft: een miskraam. Een miskraam komt vaak voor in de eerste drie maanden van

de zwangerschap – en vaak zelfs voordat de vrouw weet dat ze zwanger is.

THEMA 01

hoofdstuk 1

3.2 De foetale fase Hoewel de foetus nog maar 2 à 3 cm groot is, is de aanleg van de meeste organen een feit. De foetus ligt in het vocht van de amnionholte, die in de loop van de zwangerschap steeds groter wordt, ten koste van de chorionholte. Na ongeveer veertien weken komt het amnionvlies in contact met de chorion. Beide vliezen vergroeien en worden ook wel de vruchtvliezen genoemd. Het vocht in de amnionholte vormt het vruchtwater. Tijdens de foetale fase zullen de aangelegde organen groeien, verfijnen en in werking treden. De foetus begint ook te bewegen. Rond de dertiende week lijkt de foetus al op een minimens en kan men het geslacht uitwendig bepalen met een echografie.

Vanaf week 22 wordt de foetus als levensvatbaar beschouwd. Vanaf dat moment zullen artsen Ga naar voor een overzicht van de veranderingen die per maand plaatsvinden bij de foetus.

bij een vroeggeboorte alles in het werk stellen om het kind in leven te houden. Voorheen zijn

de longen onvoldoende ontwikkeld om zuurstofgas op te nemen uit de lucht. Naarmate de foetus groter wordt, is er steeds minder ruimte in de baarmoeder. Omdat er minder vruchtwater tussen de foetus en de baarmoeder zit, zal de moeder de bewegingen steeds beter voelen. In week 33 is de foetus zo groot dat er maar weinig ruimte meer is. In die periode draait de foetus zich in

de meest comfortabele positie, met het hoofd naar beneden. De foetus zakt doorgaans een eind naar onderen. De baarmoederhals wordt dan breder en weker. Je zegt dat de foetus indaalt.

Het indalen gebeurt meestal tussen week 30 en week 38 van de zwangerschap. De foetale fase

VA N

eindigt met de geboorte.

9 weken

16 weken

24 weken

30 weken

36-40 weken

S Afb. 32 De groei van de foetus in de baarmoeder. Het dikker worden van de buik gebeurt vooral in de laatste twee maanden.

W Afb. 33 Een foetus op 16 weken (links) en 34 weken (rechts)

THEMA 01

hoofdstuk 1

3.3 De placenta In de eerste weken na de bevruchting wordt het embryo vooral gevoed door stoffen die afkomstig zijn van het baarmoederslijmvlies. Naarmate het embryo groter wordt, puilt het steeds meer uit in de baarmoeder en is het transport van stoffen langs het slijmvlies ontoereikend. In de wand van de baarmoeder groeit en ontwikkelt zich de placenta of moederkoek uit chorionvlokken. Tegen het einde van de achtste week is ze volledig gevormd. In de placenta blijven foetaal en moederlijk bloed volledig gescheiden door enkele lagen cellen, die de placentabarrière vormen.

Bouw

Het foetale gedeelte van de placenta bestaat uit sterk vertakte chorionvlokken of villi die in het baarmoederslijmvlies zijn gegroeid. De chorionvlokken bevatten lussen van haarvaten die

verbonden zijn met de bloedvaten van de navelstreng. De navelstreng verbindt moeder en kind en is opgebouwd uit een geleiachtige massa met daarin drie bloedvaten: twee navelstrengslagaders die foetaal bloed naar de moeder transporteren, en één navelstrengader die foetaal en zuurstofgasrijk bloed transporteert naar de baby.

Het moederlijke gedeelte van de placenta bestaat uit het baarmoederslijmvlies dat in contact

staat met de chorionvlokken. In de omgeving van de chorionvlokken verliezen de bloedvaten hun

wanden, zodat de foetale bloedvaten in bloedruimtes liggen waar het bloed van de moeder vrij in stroomt. De bloedvaten zijn vertakkingen van de baarmoederslagader en de baarmoederader, die

VA N

respectievelijk bloed aan- en afvoeren.

placentabarrière

baarmoederspier

baarmoederslijmvlies

placenta

navelstreng

zuurstofgasarm bloed

vruchtvliezen

baarmoederholte

zuurstofgasarm bloed

bloedruimte

zuurstofgasrijk bloed zuurstofgasrijk bloed

chorionvlokken placenta foetaal deel placenta

baarmoederslijmvlies

S Afb. 34 De placenta ontwikkelt zich in het baarmoederslijmvlies.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Functie

Doordat het aantal cellagen van de placentabarrière beperkt is, kunnen er snel stoffen worden uitgewisseld tussen moeder en baby: • Voedingsstoffen en zuurstofgas gaan van de moeder naar het kind. Ze zijn noodzakelijk voor de ontwikkeling van het kind. • Immuunstoffen gaan van het bloed van de moeder naar het kind. Aangezien het immuunsysteem van het kind nog onvoldoende is ontwikkeld, zorgen de immuunstoffen voor een passieve immunisatie tegen verschillende infectieziekten.

• Afvalstoffen en koolstofdioxide verplaatsen zich van het bloed van het kind naar de moeder.

VA N

W Afb. 35 De placenta is rond en schijfvormig. Tegen het einde van de zwangerschap weegt ze ongeveer 300 tot 900 gram.

In tegenstelling tot wat vroeger werd gedacht, kunnen heel wat stoffen uit onze omgeving ongehinderd door de placentabarrière. Dat verklaart waarom roken en het gebruik van drugs, alcohol en sommige geneesmiddelen, maar ook stoffen afkomstig van dagelijkse gebruiksvoorwerpen, zoals microplastics en talloze chemicaliën, een schadelijke invloed kunnen hebben op de baby. Daarover leer je meer in hoofdstuk 3 van dit thema. De moederkoek zal in de loop van de zwangerschap ook hormonen produceren en vervult daarom een belangrijke rol in de hormonale regeling van de zwangerschap. Eerder zag je al dat de hormonen oestrogeen en progesteron nodig zijn om de optimale structuur van het baarmoederslijmvlies te behouden. In het eerste trimester van de zwangerschap produceert het gele lichaam die hormonen. Na het eerste trimester wordt het gele lichaam afgebroken en produceert de placenta geleidelijk aan steeds grotere hoeveelheden progesteron en oestrogeen. Die hormonen onderdrukken de menstruele cyclus en de rijping van nieuwe oöcyten. Aan het einde van de zwangerschap brengen ze ook de melkproductie op gang. De hoge concentratie aan progesteron houdt ook de baarmoederspier ontspannen gedurende

de zwangerschap, zodat er ruimte is voor de baby om te groeien.

THEMA 01

hoofdstuk 1

3.4 De bevalling Gemiddeld 38 weken na de bevruchting is de baby voldragen en klaar om geboren te worden. De bevalling bestaat uit de periode waarin de vrouw haar baby ter wereld brengt. Ze omvat onder andere samentrekkingen van de baarmoeder, de eigenlijke geboorte van de baby en de nageboorte. De eerste tekenen van de nakende geboorte zijn de voorweeën en de weeën. Voorweeën zijn contracties van de baarmoeder die er niet toe leiden dat de baarmoederhals breder wordt. De voorweeën worden geleidelijk aan intenser en gaan over in weeën. Dat zijn krachtige samentrekkingen van de spieren van de baarmoederwand. Ze worden opgewekt door mechanische prikkels, zoals uitrekking van spieren en druk, en door hormonale prikkels. Naar

het einde van de zwangerschap toe veranderen immers de relatieve concentraties aan oestrogeen en progesteron: de productie van oestrogeen verhoogt, terwijl de productie van progesteron verlaagt. De hoge concentratie aan oestrogeen stimuleert de productie van prostaglandines

door de baarmoeder en de placenta. Prostaglandines doen de baarmoederhals weker worden en de spieren in de baarmoeder contraheren. Als de baby tegen de baarmoederhals drukt,

stimuleren zenuwimpulsen de hypothalamus. De hypothalamus zet de hypofyse vervolgens aan om het hormoon oxytocine af te scheiden. Oxytocine zorgt voor krachtige samentrekkingen

van de baarmoederspier en verhoogt de afgifte van prostaglandines. Doordat prostaglandines

de gevoeligheid voor oxytocine verhogen, ontstaat er een zichzelf versterkend proces. Oxytocine

VA N

onderdrukt ook deels de pijn tijdens de bevalling.

placenta

hypothalamus

oxytocine in de bloedbaan

prostaglandines

1 zenuwimpuls

neurohormoon oxytocine

haarvatennetwerk

hypofyseachterkwab baarmoederspier

vagina baarmoederhals

S Afb. 36 Het samenspel tussen hormonale en neurale invloeden bij de start van de bevalling 1 De uitrekking van de baarmoederhals veroorzaakt een zenuwimpuls naar de hypothalamus. 2 De hypothalamus zet de hypofyse aan om oxytocine af te scheiden. 3 De verhoogde oxytocineconcentraties leiden tot contracties van de baarmoederspier en de afgifte van prostaglandines door de placenta.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Aanvankelijk treden de weeën onregelmatig op (om de vijf à tien minuten), maar ze worden steeds krachtiger, frequenter en pijnlijker. Door de weeën wordt de baarmoederhals korter en wijder (ongeveer 1 cm per uur, maar het kan ook trager gaan). Die fase van de bevalling heet de ontsluiting. De slijmprop, die in de baarmoedermond zit, komt los en meestal breken de vruchtvliezen (chorion). Het vruchtwater loopt dan langs de vagina naar buiten. Als de baarmoederhals een diameter heeft van 10 cm, is de ontsluiting volledig en is de opening voldoende groot om de baby door te laten. Dan start de fase van de uitdrijving, die enkele minuten tot enkele uren kan duren. Als de baby door de baarmoederhals gaat en op de endeldarm drukt, ontstaan er persweeën. De moeder spant bij elke perswee ook de buikspieren, de rugspieren en het middenrif op, waardoor de baby in het nauwe geboortekanaal wordt geperst. Tijdens het uitdrijven wordt er vruchtwater uit de longen van de baby geperst en maakt het kind een draaibeweging, die de spildraai wordt

De spildraai is uniek bij de mens. Daarover lees je meer op .

genoemd. Eenmaal het hoofd buiten is, volgen de romp en de ledematen vlot. Zodra het kindje geboren is, vullen de longen zich met lucht en moet het kind zelfstandig ademen. De navelstreng wordt dan afgebonden en doorgeknipt. Als de baby niet meteen ademt, doet men hem soms huilen, want door te huilen komt

VA N

de ademhaling in een reflex op gang. Het deel van de navelstreng dat aan de baby vastzit, zal opdrogen en

ongeveer een week later afvallen. Zo ontstaat er een litteken op de buik: de navel.

S Afb. 37 De baby voelt niet dat de navelstreng wordt doorgeknipt, want de navelstreng heeft geen pijnreceptoren.

Ongeveer tien minuten tot een half uur na de geboorte zorgen enkele samentrekkingen van de baarmoeder of naweeën ervoor dat de moederkoek loskomt en uitgedreven wordt. Die gebeurtenis heet de nageboorte. Bij het loskomen van de placenta ontstaan er bloedingen in het baarmoederslijmvlies. Het bloeden wordt gestelpt door de voortgaande contracties van de baarmoederspier. Na de nageboorte wordt de placenta grondig geïnspecteerd, omdat afwijkingen van de placenta kunnen wijzen op bepaalde aandoeningen bij de baby.

ontsluiting

baarmoeder

endeldarm S Afb. 38 De drie fasen van de bevalling

THEMA 01

nageboorte

navelstreng

placenta

uitdrijving

hoofdstuk 1

opening van de baarmoederhals wordt breder

baarmoeder

moederkoek navelstreng

WEETJE De gynaecoloog kan, om de geboorte te versnellen of

hoofd van de baby

vagina

als er een risico bestaat op een scheur in de bilnaad, beslissen om een ‘knip’ te maken. Een scheur in de bilnaad kan tot ernstige complicaties leiden na

knipplaats anus

de bevalling. Tijdens de knip wordt het geboortekanaal breder gemaakt door een insnijding in

de vagina. Meestal wordt er schuin geknipt, om beschadiging van de sluitspier te vermijden. De knip wordt meestal onder

S Afb. 39 De plaats van een ‘knip’ in de vagina

lokale verdoving geplaatst, en het knippen gebeurt doorgaans tijdens een wee.

Baby’s die met het hoofd bovenaan in de baarmoeder liggen en met het achterwerk naar

VA N

beneden, liggen in stuitligging. Een stuitligging geeft een grotere kans op problemen tijdens de bevalling. Er bestaat een risico op een tekort aan zuurstofgas in de hersenen, omdat de navelstreng dicht wordt geduwd tussen het hoofd en de baarmoeder. Dan voert men een keizersnede uit. Dat is een operatie waarbij de baby via een snede in de buik ter wereld wordt gebracht. Een keizersnede wordt ook uitgevoerd als de baby niet op een natuurlijke manier kan worden geboren, bijvoorbeeld doordat de bekkenopening van de vrouw te klein is, de ontsluiting

niet vlot verloopt, er een zwangerschapsvergiftiging is of de navelstreng rond de nek is gewikkeld.

S Afb. 40 Bij een stuitligging ligt de baby met zijn billetjes naar beneden.

Zwangerschapsvergiftiging wordt gekenmerkt door een hoge bloeddruk en eiwitten in de urine. De aandoening wordt veroorzaakt door een minder goede werking van de placenta. Een zwangerschapsvergiftiging is voor zowel moeder als kind gevaarlijk.

S Afb. 41 Een keizersnede

THEMA 01

hoofdstuk 1

3.5 Lactatie Om nakomelingen te zogen, beschikken zoogdieren over melkklieren, die zich uit embryonale Op lees je meer over de ontwikkeling van de melkklieren.

zweetklieren ontwikkelen. Een melkklier is opgebouwd uit

grote borstspier

kliertrossen, die elk een eigen afvoergang

klierweefsel

of melkgang hebben. Die melkgangen

bindweefsel vetweefsel

monden afzonderlijk uit op de tepel. Elke afvoergang is op het einde voorzien van een verbreding, waar een kleine

tepel

hoeveelheid melk kan worden opgeslagen.

tepelhof

bindweefsel en vetweefsel. De melkklier bevat tussen het vet- en klierweefsel

Naast klierweefsel bevat een melkklier ook

melkgang

talrijke bloedvaten, die grondstoffen voor de productie van melk naar de klier brengen. De lactatie bestaat uit de melkproductie

en de melkejectie. Beide processen worden

S Afb. 42 Een gedeeltelijk vooraanzicht van het melkklierweefsel

hypothalamus

hormonaal geregeld. Het eiwit prolactine

VA N

is een hypofysehormoon dat noodzakelijk

is voor de productie van melk. Tijdens (en

voor) de zwangerschap wordt de secretie van prolactine onderdrukt door PIF (prolactineinhibitiefactor), afgescheiden door

De prolactinevorming wordt niet meer geremd.

PIF

de hypothalamus. De hoge concentraties van oestrogeen aan het einde van

de zwangerschap remmen de PIF-vorming

en zorgen voor een hoge concentratie aan prolactine, dat echter niet werkzaam is.

prolactine

De abrupte daling van de concentratie aan

oestrogeen en progesteron na de bevalling zorgt ervoor dat:

melkejectie

• de prolactine die aanwezig is in het bloed, werkzaam wordt en

de melkproductie op gang komt;

oxytocine melkproductie De baby zuigt.

• er een toename is aan PIF, waardoor

de prolactinesecretie afneemt. De melkproductie wordt vanaf dan in stand gehouden door het zogen. Door prikkeling van de tepel tijdens het zuigen

S Afb. 43 Een schematische weergave van de melkproductie en melkejectie en de betrokken hormonen

ontstaan er zenuwimpulsen die in de hypothalamus de productie van PIF tijdelijk onderdrukken, waardoor de hypofyse opnieuw wat prolactine secreteert. Daardoor kunnen de melkklieren melk produceren, die de baby tijdens een volgende zoogbeurt kan opdrinken. De zenuwimpulsen die bij prikkeling van de tepel naar de hypothalamus worden geleid, zorgen voor een vrijstelling van het hormoon oxytocine door de hypofyse. Via de bloedbaan komt dat hormoon bij de melkklieren, die daardoor samentrekken, waardoor er melk uit de tepel stroomt. Dat is de melkejectie.

THEMA 01

hoofdstuk 1

WEETJE De allereerste melk die de moeder na de bevalling produceert, heet colostrum. Dat is nog geen echte melk, maar een geelachtig vocht dat rijk is aan proteïnen en antistoffen. Die antistoffen bieden het kind gedurende de eerste levensmaanden, waarin het nog niet zelf antistoffen kan maken, bescherming. Colostrum bevat weinig vet en sachariden, Geleidelijk verandert de samenstelling van colostrum, zodat de melkklieren na drie tot vier dagen rijpe moedermelk afgeven. Het proteïnegehalte daarin is gedaald en het lipiden- en sacharidegehalte gestegen.

waardoor het licht verteerbaar is.

S Afb. 44 De samenstelling van moedermelk past zich aan de behoefte van het kind aan.

Door delingen van de bevruchte oöcyt ontstaat er een groepering van stamcellen, die zich innestelt in het baarmoederslijmvlies. De stamcellen vormen een blastula met

VA N

een kiemknop. Uit een kiemschijf van drie lagen cellen groeit het embryo. De embryonale fase duurt acht weken. Tijdens die fase worden alle organen aangelegd, alsook enkele organen die later zullen verdwijnen. In de foetale fase groeien de aangelegde organen en treden ze in werking. Het geslacht ontwikkelt zich, en de spieren en zintuigen worden actief. Vanaf week 22 is de foetus levensvatbaar, maar pas vanaf 38 weken is de baby volgroeid. De foetale fase eindigt met de geboorte.

De placenta bestaat uit een foetaal en een moederlijk gedeelte. De bloedvaten van het kind staan in nauw contact met het bloed van de moeder. Voor sommige stoffen vormt de placenta een barrière. Voor andere stoffen is ze een plaats waar een snelle uitwisseling van stoffen tussen moeder en kind mogelijk is. Drie bloedvaten in de navelstreng vervoeren het bloed tussen het kind en de placenta. Door de productie van hormonen speelt de placenta een belangrijke rol in de hormonale regeling van de zwangerschap.

De bevalling start met voorweeën en weeën die worden opgewekt door een samenspel van zenuwimpulsen en hormonen. De geboorte wordt opgedeeld in drie fasen. Tijdens de ontsluitingsfase wordt de baarmoederhals wijder door de weeën. In de fase van de uitdrijving wordt de baby door het nauwe geboortekanaal geperst. De fase waarin

de moederkoek wordt losgemaakt en uitgedreven, is de nageboorte. Na de geboorte wordt de navelstreng afgebonden en doorgeknipt, en moet de baby zelfstandig ademen. In de borsten van de vrouw bevinden zich melkklieren voor de productie van moedermelk. Een melkklier is opgebouwd uit kliertrossen, die elk een eigen melkgang hebben. Die melkgangen monden afzonderlijk uit op de tepel. De melkklier bevat tussen het vet- en klierweefsel bloedvaten, die grondstoffen voor de productie van melk naar de klier brengen. De lactatie bestaat uit de melkproductie en de melkejectie. Beide processen worden hormonaal geregeld.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Tweelingen

Soms bevalt een moeder niet van één, maar van twee of meer kinderen. Je spreekt dan van een tweeling of meerling (drieling, vierling, vijfling …). Twee-eiige tweelingen ontstaan uit twee verschillende zygoten en worden daarom dizygote tweelingen genoemd. Ze ontstaan wanneer er twee oöcyten vrijkomen uit de ovaria, na rijping afzonderlijk door een verschillende spermatozoïde bevrucht wordt. Die bevruchte zygoten nestelen zich afzonderlijk in de baarmoederwand en groeien onafhankelijk van elkaar uit tot een baby. Ze ontwikkelen dus elk hun eigen amnionvlies, chorion en placenta. Als de placenta’s dicht bij elkaar liggen, kunnen die wel met elkaar vergroeien.

van meerdere follikels, en elke oöcyt

S Afb. 45 Een twee-eiige tweeling

VA N

Beide kinderen zijn genetisch even verschillend van elkaar als twee kinderen van dezelfde ouders die met een tussenpose van een of meerdere jaren geboren zijn. Twee-eiige tweelingen worden ook wel ‘niet-identieke tweelingen’ genoemd en kunnen van hetzelfde of een verschillend geslacht zijn.

placenta

chorion

chorionholte

kiemknop

amnionholte

kiemschijf

blastulaholte

THEMA 01

hoofdstuk 1

gemeenschappelijke placenta

trofoblast

S Afb. 46 De ontwikkeling van een twee-eiige tweeling uit twee genetisch verschillende zygoten met elk een eigen placenta, amnionvlies en chorionvlies

dooierzak

gemeenschappelijk chorionvlies S Afb. 47 De placenta’s en chorionvliezen van een tweeeiige tweeling kunnen vergroeid zijn.

Eeneiige tweelingen ontstaan uit één zygote en zijn genetisch identiek. Men spreekt daarom ook van monozygotische of identieke tweelingen. De splitsing van het embryo kan op verschillende tijdstippen na de bevruchting gebeuren: A

Als het embryo splitst vóór de vorming van de blastula, zal elke cel of groepering van cellen zich ontwikkelen tot een afzonderlijke blastula. Elke blastula kent een aparte innesteling en ontwikkelt een eigen trofoblast, chorion en placenta. Als beide embryo’s dicht bij elkaar zijn ingenesteld, kunnen de placenta’s met elkaar vergroeien.

B Als de kiemschijf nog niet is gevormd, kan de kiemknop in een blastula splitsten. Binnen elke celgroep ontstaat er dan een kiemschijf. In de blastula ontstaan er twee embryo’s met een eigen amnionvlies en -holte. De chorionholte, chorion en placenta van beide embryo’s zijn gemeenschappelijk. C

Soms gebeurt de splitsing in een later stadium, namelijk als de kiemschijf zich heeft gevormd.

Daardoor ontwikkelen er zich twee baby’s binnen dezelfde amnionholte en hebben ze alle vruchtvliezen en de placenta gemeenschappelijk. kiemknop tweecellig stadium

vroeg blastocyststadium

VA N

Als twee baby’s in de baarmoeder over een eigen placenta, chorion en amnion beschikken, kun je onmogelijk op basis van een echografie bepalen of het om een een- of twee-eiige tweeling gaat.

blastulaholte

amnionholte

gemeenschappelijk chorionvlies

gemeenschappelijke placenta

eigen placenta eigen chorionvlies en amnionvlies

amnionholte

gemeenschappelijke chorionholte

stadium van kiemschijf

embryosplitsing

gemeenschappelijke amnionholte

gemeenschappelijke placenta gemeenschappelijk chorionvlies eigen amnionvlies

gemeenschappelijke placenta gemeenschappelijk chorionvlies en amnionvlies

W Afb. 48 De ontwikkeling van een eeneiige tweeling kan op verschillende tijdstippen gebeuren: vóór de innesteling (A), kort na de innesteling (B) en na de innesteling (C).

Bij twee-eiige of dizygote tweelingen komen er twee oöcyten vrij uit de ovaria, die worden bevrucht door twee verschillende spermatozoïden. De embryo’s hebben een aparte innesteling in het baarmoederslijmvlies en beschikken meestal over een eigen placenta, amnionvlies en chorionvlies. Eeneiige of monozygote tweelingen ontwikkelen zich uit één zygote. Het embryo splitst zich.

THEMA 01

hoofdstuk 1

VERDIEPING

Prenatale screening Prenatale screening laat toe om de ontwikkeling van de baby in de loop van de zwangerschap op te volgen. Genetische of structurele afwijkingen bij de baby en andere problemen die de gezondheid van het ongeboren kind beïnvloeden, kunnen vroegtijdig worden opgespoord. Daardoor kan er in een vroeg stadium een behandeling worden opgestart of een ingreep worden uitgevoerd, zodat de gezondheid van de ongeboren baby verbetert of niet verder in het gedrang komt. Als de screening problemen aan het licht brengt, kunnen ouders de tijd nemen om zich te informeren over en voor te bereiden op medische zorg die na de geboorte nodig is. In zeer ernstige gevallen kunnen ouders voldoende nadenken om

een weloverwogen beslissing te nemen over het voortzetten of beëindigen van de zwangerschap. Verschillende technieken laten toe om de ontwikkeling en de gezondheid van de baby in de loop

van de zwangerschap op te volgen. Bij niet-invasieve diagnostiek wordt er informatie over de baby verkregen zonder weefsel uit de baarmoeder of de foetus te nemen, terwijl men bij invasieve

diagnostiek weefsel onderzoekt dat via een ingreep uit de navelstreng, de placenta of het vruchtwater wordt verkregen. Invasieve diagnostiek wordt enkel toegepast in het geval van een verhoogd risico.

Niet-invasieve diagnostiek

• Bij een echografie bekomt men door middel van ultrasone geluidsgolven een beeld van

VA N

de baby. Met een echografie kan de gynaecoloog de hartslag, de groei en ontwikkeling, de ligging en de bewegingen van de baby onderzoeken

en opvolgen. De groei en de doorbloeding van

de placenta kunnen ook worden onderzocht, wat informatie kan opleveren over een eventuele

groeiachterstand. Via echografisch onderzoek voert men ook een nekplooimeting uit

tussen de elfde en veertiende week van

de zwangerschap. De plooi die je op de echo

ziet, is geen echte huidplooi, maar een tijdelijke

ophoping van vocht onder de huid. Een verdikte nekplooi (meer dan 3 mm) kan wijzen op een chromosoom- of hartafwijking.

S Afb. 49 De ultrageluidsensor zendt ultrageluid uit en vangt de echo op, die dan wordt omgezet in beeld.

• In de loop van de zwangerschap ondergaat een zwangere vrouw meermaals een bloedonderzoek. Daarbij gaat men na of er bepaalde risicofactoren, zoals bloedarmoede, suikerziekte of bepaalde infectieziekten (zoals rubella, toxoplasmose, cytomegalie en hepatitis) aanwezig zijn. Ook kan

de informatie over de bloedgroep (resusfactor) of opgebouwde immuniteit van de moeder waardevol zijn. Afhankelijk van de individuele gezondheid en de medische geschiedenis van de moeder of de partner kunnen er specifieke tests worden uitgevoerd, zoals een screening voor welbepaalde genetische of erfelijke afwijkingen.

• De NIP-test (niet-invasieve prenatale test) is een recente onderzoeksmethode om bepaalde chromosoomafwijkingen bij een ongeboren kind op te sporen. De test is niet-invasief omdat er enkel een eenvoudige bloedafname van de moeder vereist is. In het bloed van de moeder circuleert er ook erfelijk materiaal dat afkomstig is van de baby. Bij een afwijkend resultaat raadt men soms een vervolgonderzoek met een hogere betrouwbaarheid aan, zoals een vlokkentest of een vruchtwaterpunctie.

THEMA 01

hoofdstuk 1

Invasieve diagnostiek

• Een vruchtwaterpunctie wordt

ultrageluidsensor

uitgevoerd vanaf de veertiende week. Met behulp van een naald door de buik van de moeder neemt men een staal van 15-20 mL amnionvocht. In dat amnionvocht zitten cellen van de foetus.

amnionvocht

Een nadeel van die methode is de lange

baarmoederhals

cellen moeten worden opgekweekt. De test wordt gebruikt om gericht te zoeken naar chromosoomafwijkingen,

foetus

stofwisselingsziekten en andere afwijkingen van het DNA. • De vlokkentest kan worden

stukje van het foetale deel van

Invasieve technieken hebben een zeer hoge betrouwbaarheid, maar er is ook een kleine kans op een miskraam.

baarmoeder

uitgevoerd vanaf de tiende week van de zwangerschap. Er wordt een klein

wachttijd op het resultaat, omdat er

S Afb. 50 Een vruchtwaterpunctie

VA N

de placenta genomen. Het voordeel

van die methode ten opzichte van de vruchtwaterpunctie is dat het staal veel meer cellen bevat en dat de cellen niet naar het laboratorium hoeven voor een verdere kweek. Men kan dus onmiddellijk het weefsel analyseren, zodat er sneller een resultaat is. De test kan ook vroeger in de zwangerschap worden uitgevoerd. De vlokkentest kan op twee manieren gebeuren: transcervicaal (langs de vagina en de baarmoeder) of abdominaal (door de buikwand). Het nadeel van die test is dat er iets meer foute resultaten worden bekomen, omdat chromosoomafwijkingen soms beperkt zijn tot de placenta.

placenta

abdominaal

transcervicaal

placenta

S Afb. 51 Een vlokkentest kan transcervicaal of abdominaal worden uitgevoerd.

• Een navelstrengpunctie wordt uitgevoerd rond de twintigste week. Bij die punctie zuigt men bloed uit een van de drie bloedvaten in de navelstreng op. Omdat de kans op een miskraam bij een navelstrengpunctie veel hoger is dan bij een vruchtwaterpunctie of een vlokkentest, wordt de punctie enkel uitgevoerd in uitzonderlijke situaties.

THEMA 01

hoofdstuk 1

AAN DE SLAG 1

Som chronologisch de hindernissen of barrières op

die spermatozoïden moeten overwinnen om tot bij

Plaats de volgende begrippen over de bevruchting en de zwangerschap in chronologische volgorde.

het oviduct te komen. 2

tweebladige kiemschijf – foetus – morula – zygote – embryo – ovulatie – kiemknop

Als mannen geen kinderen meer wensen, kunnen zij zich laten steriliseren. Tijdens een heelkundige ingreep, een vasectomie, wordt de zaadleider

correct?

doorgeknipt en afgebonden. Leg uit waarom die invloed heeft op de hoeveelheid sperma.

In de navelstrengslagaders wordt er bloed rijk aan zuurstofgas vervoerd van moeder naar kind.

ingreep een man onvruchtbaar maakt, maar geen

Welk van deze uitspraken over de navelstreng is

b In de navelstrengslagaders wordt er bloed rijk

aan zuurstofgas vervoerd van kind naar moeder.

In de navelstrengslagaders wordt er bloed rijk

aan koolstofdioxide vervoerd van moeder naar kind.

d In de navelstrengslagaders wordt er bloed rijk aan koolstofdioxide vervoerd van kind naar moeder. Leg uit waarom miskramen vaak voorkomen in

VA N

de eerste drie maanden van de zwangerschap.

Hoe verklaar je dat veel vrouwen baarmoederspiercontracties ervaren tijdens de borstvoeding?

Beantwoord de vragen. a

Welke hormonale invloed is de rechtstreekse aanleiding voor de menstruatie?

b Wat is de rechtstreekse aanleiding voor die

10 Zijn de volgende uitspraken juist of fout?

Motiveer je antwoord. a

zekerheid dat de tweeling twee-eiig is als er

hormonale invloed?

Waar gebeurt een bevruchting? a c

in het oviduct

d in de ovaria 5

twee placenta’s zijn.

b Bij de geboorte van een tweeling kan men met zekerheid zeggen dat de tweeling eeneiig is als

in de baarmoederhals

b in de baarmoeder

Als de ovaria worden weggenomen bij een zwangere vrouw vóór het einde van de tweede maand van haar zwangerschap, veroorzaakt dat een miskraam.

Bij de geboorte van een tweeling weet men met

de baby’s van hetzelfde geslacht zijn.

Bij de geboorte van een tweeling weet men met zekerheid dat de tweeling twee-eiig is als de baby’s van een verschillend geslacht zijn.

d Bij de geboorte van een tweeling kan men met zekerheid zeggen dat de tweeling twee-eiig is als er twee nageboorten zijn.

Waarom is dat niet het geval als het later gebeurt?

THEMA 01

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

Meer oefenen? Ga naar

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE MANNELIJK VOORTPLANTINGSSTELSEL • Produceert spermatozoïden

VROUWELIJK VOORTPLANTINGSSTELSEL • Produceert de oöcyten.

en kan die in het

Een bevruchte oöcyt kan

vrouwelijk lichaam

er zich ontwikkelen tot

brengen.

een baby.

• Belangrijke structuren:

‒ penis met urinebuis en

‒ vulva met binnenste en mannelijke organen

‒ zaadblaasjes en prostaat voor de

buitenstemannelijke schaamlippen vrouwelijke organen organen

vrouwelijke organen

zwellichamen

en clitoris

‒ vagina

productie van

‒ gespierde baarmoeder

zaadvocht

met baarmoederhals

‒ zaadleiders

‒ oviducten met ampulle

‒ bijbal

en franjes

‒ testes met

‒ ovaria die de onrijpe

zaadbuisjes, cellen van

oöcyten bevatten,

Sertoli en cellen van Leydig

omgeven door follikelcellen

VA N

• Het baarmoederslijmvlies ondergaat vanaf de puberteit maandelijks veranderingen onder invloed van de vrouwelijke geslachtshormonen.

spermatogenese (= aanmaak van spermatozoïden)

oögenese (= aanmaak

• Start in de puberteit en loopt voort tijdens de rest

van een oöcyt)

• Vindt plaats

van het leven.

• Vindt plaats in de zaadbuisjes van de testes. • Wordt hormonaal geregeld door

in de ovaria.

• De rijpe oöcyt moet

feedbackmechanismen tussen GnrH, FSH, LH,

binnen de 24 uur

testosteron en inhibine.

worden bevrucht.

voor de geboorte

Anders sterft ze af.

• Verloop:

spermatogonium

primaire spermatocyt

meiose I

• Wordt hormonaal geregeld door

feedbackmechanismen

mitose

primaire oöcyt (2n)

tussen GnRH, FSH, LH, oestrogeen en

vlak voor ovulatie

progesteron.

secundaire spermatocyt

secundaire oöcyt (n)

• Verloop:

meiose II n

spermatide

differentiatie

contact met spermatozoïde

spermatozoïde (n)

bevruchte oöcyt (2n)

THEMA 01

SYNTHESE hoofdstuk 1

HOOFDSTUKSYNTHESE DE MENSTRUELE CYCLUS De menstruele cyclus start in de puberteit en loopt tot aan de menopauze. Ze kan worden ingedeeld in drie fasen: • folliculaire fase ‒ Onder invloed van FSH

menstruatie 1

folliculaire fase 5

luteale fase

menstruatie

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 1

en LH komen er enkele

hypothalamus

GnRH

follikels tot rijping.

LH FSH en LH

bij de ovulatie komt er een secundaire oöcyt

FSH

vrij.

hypofyse

‒ Rond de veertiende dag:

hypofysehormonen

‒ De achtergebleven delen

FSH

van de follikel vormen

een geel lichaam.

geel lichaam

‒ Onder invloed van

ovariële cyclus

oestrogeen wordt het baarmoeder-slijmvlies

follikelcellen

ovulatie

oestrogeen progesteron

VA N

dikker.

• luteale fase

drempel

‒ Het gele lichaam

produceert oestrogeen

oestrogeen

en progesteron.

progesteron

‒ Onder invloed van

progesteron scheidt het baarmoeder-slijmvlies

groeifase

glycogeen af.

secretiefase

baarmoederslijmvlies

‒ Door negatieve

ovariumhormonen

baarmoedercyclus

terugkoppeling

van oestrogeen en progesteron

op de productie van LH wordt het gele lichaam afgebroken.

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 1

lichaamstemperatuur 38 °C 37 °C 36 °C

• menstruele fase

‒ Het baarmoeder-slijmvlies wordt afgestoten. Bij de innesteling van een embryo wordt er hCG geproduceerd. hCG remt de afbraak van het gele lichaam, zodat de menstruatie uitblijft.

DE BEVRUCHTING

• Spermatozoïden zwemmen van de baarmoederhals tot aan de secundaire oöcyt, die zich in het eerste deel van het oviduct bevindt. • Door de acrosoomreactie kan de spermatozoïde versmelten met de secundaire oöcyt. • Als beide kernen samensmelten, ontstaat er een zygote. • Veranderende membraaneigenschappen en de corticale reactie zorgen ervoor dat er maar één spermatozoïde kan versmelten met de oöcyt.

THEMA 01

SYNTHESE hoofdstuk 1

DE ONTWIKKELING VAN DE BABY EN DE ZWANGERSCHAP embryonale fase (eerste acht weken) • klievingsdelingen

amnionvlies

• morula navelstreng in wording

• blastula ‒ De trofoblast en de kiemknop

amnionholte

‒ De innesteling vindt plaats

dooiervlies

(zesde tot veertiende dag).

tweebladige kiemschijf

dooierholte

‒ Waar het amnionvlies

trofoblast

ontwikkelen zich.

chorionholte

(met amnionholte) en het

extra-embryonaal mesoderm

dooiervlies (met dooierholte) elkaar raken, bevindt zich de tweebladige kiemschijf. ‒ Het extra-embryonale mesoderm vormt samen met

chorionvlies chorion

baarmoederepitheel

baarmoederholte

VA N

de trofoblast de chorion (met

chorionholte). • gastrula (vanaf derde week) amnionvlies

ectoderm

amnionholte

‒ De driebladige kiemschijf (ectoderm + mesoderm +

endoderm) vouwt zich op

en vormt een buisvormige

structuur, die steeds meer de

vorm van een baby zal krijgen.

‒ De organogenese start

(= differentiatie vandooiervlies cellen naar specifieke weefsels en

dooierholte

mesodermcellen

endoderm

organen).

‒ Achtste week: de menselijke vorm is herkenbaar.

foetale fase

• De aangelegde organen groeien, verfijnen en treden in werking.

• De foetus bevindt zich in het vruchtwater van de amnionholte. Het amnionvlies vergroeit met de chorion en vormt de vruchtvliezen.

• Vanaf week 22 is de foetus levensvatbaar. • Enkele weken voor de geboorte draait de foetus zich met het hoofd naar beneden en daalt hij in.9 weken

169weken weken

24 916weken weken weken

16 30 24weken weken weken

THEMA 01

24 36-40 30weken weken weken

SYNTHESE hoofdstuk 1

30 36-40 weken weken

HOOFDSTUKSYNTHESE DE BEVALLING • Wordt opgewekt door mechanische en hormonale prikkels (oxytocine, prostaglandines, oestrogeen). ‒ De ontsluiting: de baarmoederhals wordt breder. ‒ De uitdrijving: de baby gaat langs het geboortekanaal naar buiten. ‒ De nageboorte: de placenta wordt uitgedreven.

• Bij verwikkelingen, zoals een stuitligging, voert men een keizersnede uit.

DE LACTATIE

• De melkproductie staat onder controle van de hormonen PIF en prolactine. • Prikkeling van de tepel bij het zogen:

‒ onderdrukt de vorming van PIF en onderhoudt de melkproductie;

‒ leidt tot de vrijstelling van oxytocine, dat ervoor zorgt dat de melkklieren samentrekken, waardoor er melk wordt afgescheiden.

VA N

TWEELINGEN

DIZYGOTE TWEELINGEN (= TWEE-EIIG)

MONOZYGOTE TWEELINGEN (= EENEIIG)

Bij de ovulatie komen er twee oöcyten vrij.

Er is één bevruchte zygote.

De twee oöcyten worden bevrucht door twee

Er doet zich een splitsing van het embryo voor:

verschillende spermatozoïden.

• Ofwel een splitsing vóór de vorming van de blastula → elk embryo heeft een eigen placenta, een eigen amnionholte en een eigen chorionvlies.

Uit elk van de twee zygoten ontwikkelt er zich

• Ofwel een splitsing als de kiemschijf van de blastula

een embryo, elk met een verschillende genetische

nog niet is gevormd → de embryo’s hebben een

samenstelling.

gemeenschappelijke placenta en chorionholte, maar een eigen amnionholte.

• Ofwel een splitsing als de kiemschijf van de

Elk embryo heeft meestal een eigen placenta,

blastula is gevormd → de embryo’s hebben een

een eigen amnionvlies en een eigen chorionvlies.

gemeenschappelijke placenta, chorionholte en

amnionholte.

THEMA 01

SYNTHESE hoofdstuk 1

De twee embryo’s hebben een identieke genetische samenstelling.

HOOFDSTUK 2

Î Technieken om de vruchtbaarheid te beheersen Twee mensen van een verschillend geslacht willen soms geslachtsgemeenschap met elkaar zonder het risico

te lopen om zwanger te worden. Bij andere mensen lukt het dan weer niet om op een natuurlijke manier

zwanger te worden. Technologische en wetenschappelijke vooruitgang in de afgelopen decennia heeft gezorgd voor de ontwikkeling van methoden die de kans op een zwangerschap sterk verkleinen of net vergroten. In dit hoofdstuk bestudeer je enkele van die methoden. LEERDOELEN

M Beheersing van de vruchtbaarheid en de betrouwbaarheid van anticonceptie uitleggen

M Verschillende technieken uitleggen om de kans op een zwangerschap bij verminderde vruchtbaarheid

VA N

te verhogen

Anticonceptiva

Anticonceptiva zijn middelen die men gebruikt om een zwangerschap te voorkomen. Er bestaan zowel natuurlijke als kunstmatige methoden om een zwangerschap te vermijden. Bij de kunstmatige methoden onderscheiden we methoden op basis van hormonen en niethormonale middelen.

1.1

Natuurlijke methoden

Natuurlijke methoden om niet zwanger te worden, bestaan al lang. Bij coïtus interruptus of terugtrekken wordt de penis uit de vagina gehaald voordat er een zaadlozing is gebeurd. Dat kan enkel als de man de zaadlozing tijdig voelt aankomen.

Bij periodieke onthouding vermijd je geslachtsgemeenschap in de vruchtbare periode van de menstruatiecyclus. Omdat spermatozoïden tot 5 à 6 dagen in het vrouwelijk

voortplantingsstelsel kunnen overleven en een eicel 24 uur vruchtbaar is, raadt men af om

geslachtsgemeenschap te hebben in de periode van 7 dagen voor tot 3 dagen na de ovulatie.

De vruchtbare periode bij de vrouw

menstruatie

ovulatie

folliculaire fase 8

luteale fase

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 dagen overleving van de zaadcel

overleving van de eicel

wel geslachtsgemeenschap geen geslachtsgemeenschap

vruchtbare periode S Afb. 52 De bepaling van de vruchtbare periode bij de vrouw voor periodieke onthouding

THEMA 01

hoofdstuk 2

Om de dag van de ovulatie te voorspellen, kun je je baseren op de volgende zaken: • De ovulatie vindt gewoonlijk 14 dagen voor de eerstvolgende menstruatie plaats. Kennis van de duur van eerdere menstruatiecycli gebruik je om de datum van de ovulatie te bepalen. Dat noem je de kalendermethode. Als er 28 dagen tussen twee menstruaties zaten, gebeurt de ovulatie op dag 14. • De lichaamstemperatuur stijgt met 0,2-0,5 °C kort na de ovulatie door een toename in de productie van progesteron. Met de temperatuurmethode probeert een vrouw om het moment van de ovulatie te bepalen door elke dag ’s ochtends de lichaamstemperatuur te meten. Drie dagen na de temperatuursprong is de ovulatie zeker voorbij en is de vruchtbare periode afgelopen. • Door de hormonale veranderingen rond het tijdstip van de ovulatie veranderen het slijm van de baarmoederhals en de vaginale afscheiding van kleur, rekbaarheid en consistentie.

Door het vaginale slijm te beoordelen, kun je het moment van de ovulatie bepalen.

Die natuurlijke methoden zijn gratis, maar het minst betrouwbaar. De kans om toch zwanger

te worden, is reëel. Als een man bijvoorbeeld niet tijdig terugtrekt, komen er spermatozoïden in de vagina terecht. Zelfs spermatozoïden die terechtkomen in de vaginale opening, kunnen de oöcyt nog bereiken. Ook voorvocht bevat soms spermatozoïden. Het is bovendien

niet altijd vanzelfsprekend om het moment van ovulatie te voorspellen, omdat zelfs bij

vrouwen met een regelmatige cyclus de ovulatie niet altijd op dezelfde dag gebeurt. Externe factoren, zoals stress, vermoeidheid of ziekte, kunnen de cyclus langer of korter maken en

de lichaamstemperatuur verhogen. De beoordeling van vaginale afscheiding is subjectief en dus

VA N

vatbaar voor interpretatie. Ook infecties kunnen de textuur van het vaginale slijm veranderen.

1.2

Kunstmatige methoden zonder hormonen

Fysieke barrière

Een aantal anticonceptiemiddelen vormen een fysieke barrière tussen de spermatozoïden en de oöcyt: ze verhinderen dat de spermatozoïden tot bij de oöcyt raken. Die anticonceptiemiddelen worden vóór de geslachtsgemeenschap aangebracht.

• Het pessarium of de vaginale ring is een siliconen

kapje dat een vrouw inbrengt om de baarmoederhals af te sluiten. Een pessarium moet je tot zes uur na de geslachtsgemeenschap laten zitten.

• Het condoom is een omhulsel dat het sperma opvangt.

Een mannencondoom is een strak omhulsel dat je rond

de penis in erectie moet aanbrengen. Een vrouwencondoom

is een zakje voorzien van twee ringen dat in de vagina wordt geschoven.

S Afb. 53 Een pessarium

mannencondoom 52

THEMA 01

hoofdstuk 2

vrouwencondoom

W Afb. 54 Een mannencondoom (links) en een vrouwencondoom (rechts)

Die anticonceptiva zijn relatief goedkoop. Een condoom kan maar één keer worden gebruikt, maar beschermt ook tegen soa’s (seksueel overdraagbare aandoeningen) als je het correct gebruikt. Een pessarium beschermt niet tegen soa’s, maar kan meerdere keren worden gebruikt. Zowel het pessarium als het condoom is betrouwbaarder dan de natuurlijke methoden. Een zwangerschap na gebruik van die anticonceptiemiddelen is vooral een gevolg van incorrect gebruik.

Vermindering van de beweeglijkheid van spermatozoïden

Zaaddodende middelen of spermiciden bevatten stoffen die de spermatozoïden immobiliseren en de zuurtegraad van de vagina verlagen. In tegenstelling tot wat hun naam doet vermoeden, doden ze de spermatozoïden niet. Zaaddodende middelen bestaan in de vorm van een gel, crème, schuim, zetpil of vlies. Ze moeten voor de geslachtsgemeenschap in de penis of vagina worden

VA N

aangebracht.

S Afb. 55 Spermiciden bestaan in verschillende vormen, waaronder een gel.

Een zaaddodend middel is op zichzelf geen afdoend anticonceptiemiddel. Daarom raadt men aan om het te gebruiken in combinatie met een andere methode, zoals het pessarium of het condoom. In België verkoopt men geen condooms met zaaddodende middelen meer, omdat sommige mensen overgevoelig zijn voor het werkzame bestanddeel, dat bovendien ook latex kan aantasten.

Verhindering van de opbouw van het baarmoederslijmvlies

Het koperspiraaltje is een ankervormig stukje kunststof met koperdraad eromheen.

De koperdraad geeft koperionen af, die giftig zijn voor spermatozoïden. Het koperspiraaltje veroorzaakt ook een ongevaarlijke ontstekingsreactie in het baarmoederslijmvlies, waardoor een embryo zich niet kan innestelen. Het is een zeer betrouwbaar anticonceptiemiddel, omdat je het niet kunt vergeten en het meerdere jaren werkzaam is. Als er toch een kinderwens ontstaat,

kun je het gemakkelijk verwijderen. Een koperspiraaltje beschermt je niet tegen soa’s.

S Afb. 56 Een koperspiraaltje

THEMA 01

hoofdstuk 2

1.3 Kunstmatige methoden met hormonen Bij hormonale anticonceptie gebruikt een vrouw progestageen, een stof die dezelfde werking heeft als progesteron, vaak in combinatie met oestrogeen. Die middelen kunnen op verschillende manieren de kans op een zwangerschap verkleinen door: • de rijping van oöcyten te verhinderen aan de hand van een hoge concentratie aan hormonen. Daardoor geven de hypothalamus en de hypofyse onvoldoende FSH en LH af, waardoor er geen ovulatie plaatsvindt; • de opbouw van het baarmoederslijmvlies te onderdrukken, waardoor een eventuele bevruchte eicel niet kan innestelen; • het slijm in de baarmoederhals te verdikken, waardoor spermatozoïden er moeilijker door

kunnen. De hormonen kunnen op verschillende manieren worden toegediend:

• De combinatiepil en minipil zijn orale anticonceptiepillen. Ze moeten elke dag op hetzelfde tijdstip worden ingenomen. De combinatiepil bevat oestrogeen en progestageen. Nadat je de pil drie weken hebt ingenomen, volgt er een stopweek. De minipil bevat alleen progestageen en wordt dagelijks ingenomen, zonder stopweek.

• Pleisters en vaginale ringen geven geleidelijk oestrogeen en progestageen af door de huid of de slijmvliezen. Je moet ze vervangen na respectievelijk één en drie weken.

• De prikpil is een hormonale injectie van progestageen die na twaalf weken moet worden herhaald. • Het anticonceptiestaafje is een implantaat dat onder de huid van de bovenarm wordt

VA N

Hormonale anticonceptiemiddelen zijn enkel te verkrijgen op doktersvoorschrift, onder meer omdat ze bijwerkingen kunnen hebben, zoals een verhoogde kans op hart- en vaataandoeningen.

aangebracht. Het staafje geeft dagelijks een kleine hoeveelheid progestageen af.

• Het hormoonspiraaltje is een klein ankertje dat door een huisarts of gynaecoloog in de baarmoeder wordt geplaatst. Het geeft gedurende meerdere jaren progestageen af.

W Afb. 57 Er bestaan verschillende hormonale anticonceptiemiddelen: de combinatiepil (A), de vaginale ring (B), de prikpil (C), het anticonceptiestaafje (D) en het hormoonspiraaltje (E).

Het grote voordeel van de hormonale anticonceptiemiddelen is hun hoge betrouwbaarheid als je ze correct gebruikt. De doeltreffendheid van het middel daalt snel als je een orale conceptiepil niet tijdig inneemt of een pleister of vaginale ring niet tijdig vervangt. Omdat een staafje of spiraaltje meerdere jaren werkzaam is en er geen kans is op gebruiksfouten, behoren ze tot de betrouwbaarste middelen. Hormonale anticonceptiemiddelen beschermen niet tegen soa’s.

THEMA 01

hoofdstuk 2

1.4 Methoden die zorgen voor permanente onvruchtbaarheid Iemand die nooit meer kinderen wil krijgen, kan besluiten om zich via een operatie te laten steriliseren. Bij een vasectomie verwijdert de chirurg bij de man een klein stukje van de zaadleider en worden beide uiteinden afgebonden. Een vasectomie is in principe een definitieve ingreep en kan dus niet ongedaan worden gemaakt. Wetenschappers onderzoeken ook de mogelijkheid om de zaadleiders tijdelijk te blokkeren door een gel te injecteren die later weer kan worden verwijderd, als de man besluit dat hij toch een kinderwens heeft. De sterilisatie van een vrouw gebeurt door chirurgisch de oviducten af te sluiten, door er

De wetenschappelijke naam voor ‘zaadleider’ is vas deferens. De term ‘vasectomie’ betekent dus letterlijk ‘verwijdering van de zaadleider’.

een stukje uit te verwijderen of de oviducten af te klemmen of dicht te branden. Zo kunnen oöcyten de baarmoeder niet meer bereiken. Net zoals bij een man beschouwt men de sterilisatie gepaard gaan met complicaties.

als onomkeerbaar, omdat pogingen om de ingreep ongedaan te maken, niet altijd succesvol zijn of

instrument om clip te plaatsen

De eindjes worden afgebonden.

VA N

gedeelte van de zaadleider dat werd verwijderd

clip over oviduct

teelbal

open clip

S Afb. 58 Een schematische weergave van een sterilisatie (of vasectomie) bij mannen (links) en een sterilisatie bij vrouwen (rechts)

Anticonceptiva zijn methoden om een zwangerschap te voorkomen. Er bestaan verschillende methoden:

• Natuurlijke methoden zijn gebaseerd op het natuurlijke verloop van

de menstruatiecyclus en het afbakenen van de vruchtbare periode. Zo heeft

geslachtgemeenschap dan bijvoorbeeld enkel plaats buiten de vruchtbare periode.

• Kunstmatige methoden van anticonceptie bestaan zonder hormonen (bv. pessarium, condoom, spermiciden, koperspiraal). Er bestaan ook methoden met hormonen

(bv. mini- en combinatiepil, vaginale ring, prikpil, anticonceptiestaafje en hormoonspiraaltje). Hormonale anticonceptiemiddelen hebben een hoge betrouwbaarheid.

• Een sterilisatie zorgt voor permanente onvruchtbaarheid. Bij mannen wordt bij een vasectomie een stukje van de zaadleider verwijderd. Bij vrouwen sluit men de oviducten af.

THEMA 01

hoofdstuk 2

Methoden om de vruchtbaarheid te verhogen

Soms heeft iemand een kinderwens, maar lukt het niet om via geslachtsgemeenschap zwanger te worden. Die mensen kunnen worden geholpen door kunstmatige methoden waarbij spermatozoïden in contact worden gebracht met de oöcyten.

2.1

Kunstmatige inseminatie (ki)

Bij een kunstmatige of intra-uteriene inseminatie

baarmoeder

worden spermatozoïden van

de eigen partner of een donor in de baarmoeder gebracht

ovarium

als een ovulatie nadert of net heeft plaatsgevonden. Vaak gebeurt er vooraf een selectie van de spermatozoïden. Die techniek wordt toegepast als de man te weinig beweeglijke spermatozoïden heeft of als problemen met

S Afb. 59 Intra-uteriene inseminatie

VA N

de baarmoederhals de doorgang van spermatozoïden bemoeilijken.

Factoren zoals leeftijd, de kwaliteit van het sperma en onderliggende gezondheidsproblemen beïnvloeden het succes van de techniek, waardoor er soms meerdere pogingen nodig zijn vooraleer een zwangerschap optreedt.

2.2 In-vitrofertilisatie (ivf)

In vitro betekent letterlijk ‘in glas’: het kweken van cellen en organismen of het reageren van biomoleculen buiten hun normale biologische context, bijvoorbeeld in een proefbuis, een petrischaaltje of een erlenmeyer.

Bij in-vitrofertilisatie worden oöcyten buiten het lichaam

bevrucht. De procedure start met een hormonale behandeling van de vrouw. Daardoor komen er

meerdere oöcyten tot rijping. Nadat

ovarium

oöcyt

ze zijn geoogst uit het ovarium,

worden ze in een ivf-laboratorium bij het sperma van de donor

baarmoeder

gebracht. De bevruchte oöcyten

worden gecontroleerd op celdeling

en groei. Men laat ze enkele dagen ontwikkelen tot embryo’s. Een of

naald ultrageluidsonde

meerdere gezonde embryo’s worden in de baarmoeder geplaatst, in de hoop dat ze zich innestelen en dat ze tot een zwangerschap zullen

S Afb. 60 Bij een ivf-behandeling oogst men oöcyten uit het ovarium.

leiden. De kans op een meerling is bij die techniek groter dan bij een natuurlijke zwangerschap. Niet elke poging leidt tot een zwangerschap. Het succes van ivf kan variëren tussen personen en wordt net zoals bij ki beïnvloed door factoren zoals de leeftijd van de vrouw, de kwaliteit van de oöcyten en het sperma, en eventuele andere gezondheidsproblemen.

THEMA 01

hoofdstuk 2

WEETJE Vooraleer het embryo wordt ingeplant, worden er een of twee cellen uit gehaald. Voor zover we weten, heeft het verwijderen van één cel of een beperkt aantal cellen in dat prille embryonale stadium geen verdere gevolgen voor de ontwikkeling. De cellen worden gericht onderzocht op gekende aandoeningen die bij verwanten voorkomen (geslachtsgebonden aandoeningen, mucoviscidose …). Enkel de gezonde embryo’s worden daarna in de baarmoeder geplaatst.

2.3 Intra-cytoplasmatische sperma-injectie (icsi)

Icsi wordt in combinatie met ivf uitgevoerd. Het is een techniek waarbij men een spermatozoïde

video: icsi

in een heel fijn, hol naaldje zuigt en vervolgens rechtstreeks in een rijpe oöcyt injecteert.

De techniek wordt vooral gebruikt bij mannelijke onvruchtbaarheid waarbij het sperma te weinig spermatozoïden bevat of de spermatozoïden bewegingsproblemen (of andere structurele

VIDEO

problemen) vertonen. Ook als andere technieken geen succes opleverden, probeert men icsi.

VA N

Net zoals bij de andere technieken is er geen garantie op succes.

S Afb. 61 Bij intracytoplasmatische sperma-injectie (icsi) selecteert men één spermatozoïde.

S Afb. 62 Via een glazen naaldje wordt één spermatozoïde rechtstreeks ingebracht in een oöcyt.

2.4 Technieken om spermatozoïden te isoleren

Om ivf of icsi uit te voeren, zijn er spermatozoïden nodig. In de meeste gevallen levert de man daarvoor een spermastaal aan. Als er echter spermatozoïden ontbreken in het sperma van

de man (azoöspermie), moet men andere technieken gebruiken om spermatozoïden te isoleren. Men kan spermatozoïden uit de bijbal of de zaadbuisjes proberen te halen. Bij een verstopping van de zaadleiders zijn er mogelijk spermatozoïden aanwezig in de bijballen. Die spermatozoïden kan men uit de bijbal halen met een microchirurgische ingreep of door ze op te zuigen met een dunne naald die door de huid wordt gebracht. Als er na controle blijkt dat er geen levende spermatozoïden aanwezig zijn in de bijballen, kan men een teelbalbiopsie uitvoeren. Daarbij wordt er een klein stukje van het teelbalweefsel chirurgisch verwijderd en microscopisch onderzocht op de aanwezigheid van levende spermatozoïden. Een variant daarvan is het opzuigen van spermatozoïden uit de teelbal. De zaadcellen kunnen in elk van de gevallen onmiddellijk worden gebruikt voor icsi of worden ingevroren voor later gebruik.

THEMA 01

hoofdstuk 2

2.5 Eicel- en embryodonatie Sommige vrouwen zijn niet in staat om zwanger te worden met de eigen oöcyten wegens een hormonale of erfelijke afwijking, problemen met de ovaria, een hogere leeftijd of een vervroegde menopauze. Die vrouwen kunnen wel zwanger worden met donoreicellen. De donoreicellen worden na een hormonale behandeling zoals bij ivf geoogst bij een donorvrouw en erna van de acceptor (via ivf of icsi). Enkele dagen later plaatst men de embryo’s in de baarmoeder van de acceptor, die door een hormonale behandeling werd voorbereid op een innesteling. Soms

bevrucht met sperma van de partner

worden de embryo’s ook ingevroren totdat

S Afb. 63 Oöcyten worden bewaard in vloeibare stikstof bij –196 °C.

het baarmoederslijmvlies optimaal is voorbereid. Omdat enkel de oöcyt afkomstig is van een donor, spreek je van eiceldonatie.

Een nauw verwante techniek is embryodonatie. Daarbij maakt men gebruik van bevruchte oöcyten

VA N

of embryo’s die zijn overgebleven van koppels die hun vruchtbaarheidsbehandeling hebben beëindigd. Zowel de eicel als de zaadcel is dus niet afkomstig van de acceptorouders.

Er bestaan verschillende methoden voor vruchtbaarheidsbehandeling: • Bij kunstmatige inseminatie (ki) brengt men spermatozoïden van de eigen partner of een donor in de baarmoeder van de vrouw.

• Bij in-vitrofertilisatie (ivf) worden oöcyten buiten het lichaam bevrucht. Men oogst een rijpe oöcyt uit het ovarium en brengt die in een schaaltje in contact met spermatozoïden. Na een bevruchting plaatst men een of meerdere embryo’s in de baarmoeder.

• Wanneer bij ivf de spermatozoïden niet in staat zijn om de oöcyt binnen te dringen, gaat men over tot intracytoplasmatische sperma-injectie (icsi). Daarbij injecteert men een spermatozoïde rechtstreeks in een rijpe oöcyt.

• Als er bij een man geen spermatozoïden in het sperma aanwezig zijn, probeert men spermatozoïden te oogsten uit de bijbal of teelbal of kan men een teelbalbiopsie uitvoeren.

• Bij een eiceldonatie worden de oöcyten van een andere vrouw (donor) gebruikt voor

THEMA 01

de vruchtbaarheidsbehandeling. Bij een embryodonatie gebruikt men bevruchte oöcyten of embryo’s van andere koppels.

hoofdstuk 2

AAN DE SLAG 1

Bekijk de afbeeldingen van de

Een vrouw heeft een regelmatige cyclus van

voorbehoedsmiddelen.

33 dagen. Haar laatste menstruatie begon op

18 november. Rond welke datum zal haar ovulatie

Benoem de voorbehoedsmiddelen.

normaal gezien plaatsvinden?

1 koperspiraaltje – 2 mannencondoom – 3 combinatiepil – 4 hormonenpleister – 5 vrouwencondoom – 6 hormoonspiraaltje –

niet meer bereiken. Leg uit welke ingreep er bij

7 vaginale ring – 8 prikpil –

mannen en vrouwen nodig is om dat te bekomen.

9 hormonaal implantaat – 10 minipil

Bij welke vruchtbaarheidsmethoden gebeurt er een embryotransfer?

VA N

Bij sterilisatie kunnen spermatozoïden de oöycten

Welke mogelijkheden hebben wensouders als ze met hun eigen geslachtscellen geen kinderen

kunnen krijgen?

Meer oefenen? Ga naar

b Duid de hormonale middelen aan.

Welke voorbehoedsmiddelen beschermen ook tegen een soa?

THEMA 01

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

HOOFDSTUKSYNTHESE 1 ANTICONCEPTIVA METHODE

BETROUWBAARHEID

BESCHERMING TEGEN SOA’S

NATUURLIJKE METHODEN

de zaadlozing • periodieke onthouding: geen geslachtsgemeenschap in de vruchtbare periode van de menstruatiecyclus

• coïtus interruptus: terugtrekken uit de vagina voor

KUNSTMATIGE METHODEN ZONDER HORMONEN

pessarium

anticonceptiemiddelen die een fysieke barrière vormen tussen de spermatozoïden en de oöcyt:

condoom

• pessarium • mannen- en vrouwencondoom

VA N

(indien correct gebruikt)

spermiciden: middelen die de spermatozoïden

immobiliseren en de zuurtegraad van de vagina verlagen koperspiraal: veroorzaakt een ontstekingsreactie in het

baarmoederslijmvlies, waardoor het embryo zich niet kan innestelen

KUNSTMATIGE METHODEN MET HORMONEN

anticonceptiemiddelen die de natuurlijke hormoonspiegels veranderen: • combinatie- en minipil

• pleister en vaginale ring • prikpil

• anticonceptiestaafje

• hormoonspiraaltje

THEMA 01

SYNTHESE hoofdstuk 2

VIDEO

kennisclip

2 VRUCHTBAARHEIDSBEHANDELINGEN

• te weinig beweeglijke kunstmatige

WANNEER?

inseminatie (ki)

spermatozoïden

Spermatozoïden worden op

HOE?

de dag van de ovulatie in

• problemen met

de baarmoeder gebracht.

de baarmoederhals

Ivf verloopt in verschillende stappen:

in-vitrofertilisatie (ivf)

WANNEER?

• te weinig beweeglijke

hormonale stimulatie;

spermatozoïden

oöcyten uit het ovarium

bevruchting van oöcyten

• problemen met de oviducten

halen;

HOE?

• geen succesvol resultaat met ki

en spermatozoïden in een schaaltje;

VA N

• te weinig

spermatozoïden

intracytoplasmatische

WANNEER?

sperma-injectie (icsi)

• structurele problemen

HOE?

met spermatozoïden

• geen succesvol resultaat met ki en ivf

spermatozoïden

WANNEER?

isoleren

• ontbreken van

spermatozoïden

HOE?

in het sperma

embryodonatie

afwijkingen bij de vrouw • problemen met de ovaria

HOE?

Het verloop is gelijkaardig aan dat van ivf, maar de spermatozoïde wordt rechtstreeks in een oöcyt geïnjecteerd.

• Er worden spermatozoïden geoogst uit de bijbal of de teelbal. • Men voert een teelbalbiopsie uit.

worden bevrucht met spermatozoïden van

• hoge leeftijd vrouw

de partner, en de embryo’s

• vervroegde menopauze

worden teruggeplaatst.

• problemen met WANNEER?

de baarmoeder.

Donoreicellen

• hormonale of erfelijke WANNEER?

embryotransfer in

geslachtscellen van man én vrouw • alle andere behandelingen onsuccesvol

Bevruchte oöcyten HOE?

of embryo’s van een donorkoppel worden in de baarmoeder geplaatst.

THEMA 01

SYNTHESE hoofdstuk 2

HOOFDSTUK 3

Î Teratogene factoren Een teratogene factor is een molecule of ziekte die bij de foetus afwijkingen kan veroorzaken als de moeder tijdens de zwangerschap ermee in aanraking komt. Lange tijd dacht men dat de baby in de baarmoeder ‘neemt wat hij nodig heeft’. De placenta werd gezien als een efficiënte filter die enkel nuttige stoffen doorlaat. Dat blijkt echter niet zo te zijn. De aan- of afwezigheid van bepaalde stoffen in het bloed van de moeder kan

tijdens de zwangerschap een grote invloed hebben op de aanleg en de groei van de organen van de baby. Als

de organen zich niet op een normale manier ontwikkelen, kan dat de oorzaak zijn van gezondheidsproblemen op latere leeftijd. Omdat die organen al in het prille begin van de zwangerschap worden gevormd, op

een moment dat de vrouw nog niet weet dat ze zwanger is, zijn ook de omstandigheden vlak voor en tijdens de eerste drie maanden van de zwangerschap van groot belang. LEERDOELEN

M De invloed van gezondheidsgedrag en het leefmilieu op de ontwikkeling van embryo en foetus uitleggen

VA N

M De effecten van ziekteverwekkers op de ontwikkeling van embryo en foetus toelichten

Invloed van leefgewoonten op de zwangerschap

Als je graag zwanger wilt worden, is het raadzaam om je lichaam goed te verzorgen door te kiezen voor een gezonde levensstijl. Maar wat is nu eigenlijk een gezonde levensstijl? Je levensstijl is een breed en overkoepelend begrip dat aangeeft op welke manier je leeft. Het omvat niet alleen voeding, sport en rookgedrag, maar ook je slaappatroon en de hoeveelheid stress waaraan je wordt blootgesteld. Hieronder bespreken we enkele algemene aandachtspunten.

1.1

Roken

Roken is ongezond en schaadt niet enkel je eigen lichaam, maar ook dat van je toekomstige kind. In de rook van tabakswaren en e-sigaretten

zitten veel toxische stoffen. Die kunnen schade

toebrengen aan het erfelijk materiaal van spermatozoïden en oöcyten, waardoor er geen levensvatbaar embryo tot ontwikkeling kan komen of waardoor een kind geboren wordt met een (erfelijke) afwijking. Zo vernauwt nicotine de bloedvaten, verhoogt het de bloeddruk en versnelt het de hartslag. Bij een vrouw kan

S Afb. 64 Vrouwen die de hele zwangerschap blijven roken, krijgen een baby die zo’n 150 tot 250 gram minder weegt.

de bloedtoevoer naar de placenta verminderen, wat een ongunstig effect heeft op de ontwikkeling van de foetus. Nicotine remt ook de aanmaak van geslachtshormonen, waardoor rokende vrouwen minder vruchtbaar zijn én vroeger in de menopauze komen. Roken vóór de zwangerschap speelt dus een rol, aangezien de oöcyten al van bij de geboorte aanwezig zijn in het lichaam.

THEMA 01

hoofdstuk 3

Sperma van rokende mannen is van slechtere kwaliteit en bevat minder spermatozoïden. De spermatozoïden blijken ook vaker een afwijkende vorm te hebben.

normaal

abnormaal

vorm spermatozoïden

VA N

beweeglijkheid spermatozoïden

aantal spermatozoïden

S Afb. 65 Roken beïnvloedt de vruchtbaarheid, ook bij mannen. Sperma van rokers bevat minder spermatozoïden en meer afwijkende spermatozoïden. De spermatozoïden zijn ook minder beweeglijk.

Passief roken of tabaksrook inademen uit de omgeving blijkt ook zeer nefaste gevolgen te hebben voor de vruchtbaarheid, voor het verloop van de zwangerschap en voor de ontwikkeling van het kind.

Ondanks het feit dat roken voor iedereen, en zeker voor zwangere vrouwen, sterk wordt afgeraden, zijn er nog altijd zwangere vrouwen die actief of passief roken. De vele stoffen uit tabaksrook die in het bloed van de vrouw terechtkomen, kunnen via de placenta worden uitgewisseld met het kind. Onderzoek toont aan dat actief roken tijdens de zwangerschap een hogere kans veroorzaakt dat de placenta loslaat. Ook de kans op een laag geboortegewicht, een vroeggeboorte, aangeboren (hart)afwijkingen en sterfte bij de geboorte neemt toe. Er zijn zelfs effecten op lange termijn voor het kind zelf: astma, overgewicht, verminderde vruchtbaarheid, prikkelbaarheid en gedragsstoornissen. Na de geboorte stijgt ook het risico op

wiegendood.

Wiegendood is het onverwachte overlijden van een baby die ogenschijnlijk gezond was en bij wie geen lichamelijke afwijking kon worden vastgesteld.

THEMA 01

hoofdstuk 3

1.2

Voeding

Een ongeboren kind heeft veel verschillende bouwstoffen

website: voedingsdriehoek

nodig om alle noodzakelijke cellen, weefsels en organen VIDEO

te kunnen vormen. Die stoffen worden uit het bloed van de moeder gehaald. Een gezond en evenwichtig voedingspatroon met voldoende variatie biedt het kind de kans om alle nodige voedingsstoffen op te nemen. Net zoals stoffen uit rook van tabakswaren of e-sigaretten, kunnen ongezonde stoffen uit de voeding van de moeder terechtkomen in het ongeboren kind en

S Afb. 66 Een gezond voedingspatroon tijdens de zwangerschap is belangrijk.

daar de ontwikkeling negatief beïnvloeden. Daarom zijn

verse voedingswaren waarin geen toegevoegde kleurstoffen en bewaarmiddelen aanwezig zijn, aan te raden. Ook variatie is belangrijk: een eenzijdig vet- en suikerrijk voedingspatroon kan

leiden tot overgewicht of obesitas bij de vrouw, wat hormonale verstoringen kan teweegbrengen. Het is dan moeilijker om zwanger te worden, en bovendien neemt de kans op een miskraam toe. Verder is er een groot risico op een hoog geboortegewicht van de baby. Omdat een tekort aan

bepaalde stoffen verregaande gevolgen kan hebben voor de ongeboren baby, wordt ook diëten tijdens de zwangerschap sterk afgeraden.

Wie gezond en gevarieerd eet, krijgt normaal gezien voldoende vitaminen binnen. Toch heeft onderzoek aangetoond dat de inname van een extra hoeveelheid foliumzuur gedurende de eerste

VA N

Foliumzuur is vitamine B11, dat onder andere in groene groenten, fruit en volkorenproducten zit.

tien weken van de zwangerschap raadzaam is. Het verkleint immers de kans op een open ruggetje als gevolg van een of meerdere slecht ontwikkelde wervels. Ook het risico op een hazenlip of een open gehemelte neemt af door de inname van foliumzuur. Om een voldoende hoge concentratie op te bouwen voor de zwangerschap, raadt men aan om extra foliumzuur in te nemen vanaf het moment dat je zwanger wilt worden.

ruggenwervel

ruggenmergvocht

ruggenmerg ruggenmergvlies

S Afb. 67 Een open ruggetje is een aandoening waarbij de ruggengraat zich niet goed ontwikkeld heeft.

S Afb. 68 Een hazenlip en een open gehemelte kunnen na de geboorte operatief worden hersteld.

Voldoende vitamine D is belangrijk omdat het zorgt voor een betere opname van calcium uit de voeding. Als er twijfel is of er voldoende vitamine D ter beschikking is, kan een dokter supplementen voorschrijven. Men raadt af om supplementen met multivitaminen in te nemen, omdat ze hogere dosissen bevatten dan de aanbevolen dagelijkse hoeveelheid. Een teveel aan vitaminen kan ook schadelijk zijn. 64

THEMA 01

hoofdstuk 3

1.3 Alcohol en andere drugs Bij de man zorgt het overmatig nuttigen van alcoholische dranken voor een verminderde vruchtbaarheid. Als een zwangere vrouw alcohol consumeert, komt die via haar eigen bloed in het bloed van haar kind terecht. Het is niet precies bekend vanaf welke hoeveelheid alcohol er afwijkingen bij het kind optreden, maar zelfs kleine hoeveelheden kunnen al verhogen al de kans op een miskraam. Alcoholgebruik kan verder zorgen voor groeiachterstand, een gelaatsafwijking,

schadelijk zijn. Enkele glazen per week

S Afb. 69 Zelfs kleine hoeveelheden alcohol kunnen schadelijk zijn voor een ongeboren baby. Zwangere vrouwen consumeren daarom beter geen alcohol.

neurologische en andere afwijkingen.

WEETJE

smal hoofd

VA N

minder groeven

smalle oogspleten

lage neusbrug

korte, afgeplatte neus

dunne bovenlip

smalle kin

vouw binnenste oogplooi plat middengezicht afgeplat neusgootje

S Afb. 70 Mogelijke afwijkingen bij kinderen met het foetaal alcoholsyndroom

Alcoholgebruik door de moeder kan leiden tot het foetaal alcoholsyndroom (FAS). Dat syndroom ontstaat wanneer de moeder regelmatig of te veel alcohol heeft gedronken tijdens de zwangerschap. FAS zou mogelijk bij ongeveer een op de duizend levend geboren kinderen

voorkomen. Kinderen met FAS zijn kleiner dan hun leeftijdsgenootjes. Het hoofd is vaak abnormaal klein (microcefalie), omdat de hersenen van een baby met FAS kleiner zijn en minder groeven hebben, waardoor er minder ruimte is voor neuronen die informatie verwerken.

Het spreekt voor zich dat ook andere stoffen, zoals drugs en medicijnen, via de placenta in het bloed van de baby kunnen terechtkomen. Daar kunnen ze ernstige afwijkingen veroorzaken. Het is dus belangrijk dat je geen medicatie zonder doktersadvies inneemt als je zwanger bent.

THEMA 01

hoofdstuk 3

VOORBEELD THALIDOMIDE Thalidomide was een populair slaapmiddel dat eind jaren vijftig en begin jaren zestig veel werd voorgeschreven aan zwangere vrouwen tegen ochtendmisselijkheid. Het is vooral bekend onder de merknaam Softenon. Het geneesmiddel bleek erg schadelijk voor de ongeboren tienduizend kinderen geboren met ontbrekende of onderontwikkelde ledematen.

vrucht. Er werden bijna

W Afb. 71 Een Softenonbaby

Een gezonde levensstijl is belangrijk voor een goed verloop van de zwangerschap, zodat

het ongeboren kind optimale ontwikkelingskansen krijgt. Met behulp van een evenwichtige voeding kan de moeder overgewicht of ondergewicht vermijden en ervoor zorgen dat

de baby alle noodzakelijke voedingsstoffen in voldoende mate opneemt. Extra foliumzuur

VA N

en voldoende vitamine D kunnen het goede verloop van de zwangerschap mee bewaken. Een gezonde levensstijl betekent ook dat de toekomstige ouders de inname van schadelijke stoffen vermijden, zoals alcohol, nicotine, medicijnen en drugs. Een ongezonde levensstijl kan aandoeningen bij de baby of complicaties gedurende de zwangerschap veroorzaken. Dat kan blijvende gevolgen hebben in het latere leven van

het kind of ertoe leiden dat het ongeboren kind sterft.

THEMA 01

hoofdstuk 3

Invloed van de omgeving op de zwangerschap

2.1

Infectieziekten

Bepaalde ziekteverwekkers kunnen een gevaar vormen voor het kind. Voor een aantal infectieziekten zijn er vaccins voorhanden die een besmetting van de moeder kunnen verhinderen of het ziekteverloop kunnen milderen, zodat het ongeboren kind wordt beschermd. In een aantal andere gevallen moet de moeder preventieve maatregelen in acht nemen.

VOORBEELD LISTERIA

Listeria monocytogenes is een darmbacterie die de infectieziekte listeriose veroorzaakt. De Listeria-bacterie wordt aangetroffen in rauwe voedingswaren die langdurig gekoeld

worden bewaard, zoals schaal- en schelpdieren, voorverpakte vis, vleeswaren en zachte

kazen. Een infectie met die bacterie tijdens de zwangerschap kan leiden tot een miskraam of een vroeggeboorte.

VOORBEELD TOXOPLASMOSE Toxoplasma gondii is een eukaryote eencellige parasiet die toxoplasmose veroorzaakt. De parasiet wordt overgedragen door heel wat dieren, waaronder

VA N

katachtigen. Volwassen mensen worden meestal

niet ziek. Enkel als een zwangere vrouw die de ziekte nog niet gehad heeft en dus geen antistoffen heeft, besmet wordt, is toxoplasmose gevaarlijk. Dan is er

immers een kans dat het ongeboren kind ook wordt

geïnfecteerd. Een infectie vroeg in de zwangerschap leidt vaak tot een miskraam. Een besmetting

laat in de zwangerschap kan neurologische en oogafwijkingen bij het kind veroorzaken.

S Afb. 72 Zwangere vrouwen kunnen besmet raken met toxoplasmose door contact met katten en hun uitwerpselen.

VOORBEELD CYTOMEGALOVIRUS (CMV)

Het cytomegalovirus (CMV) is aanwezig in lichaamsvochten en wordt overgedragen via contact met dat vocht van een besmette persoon. Als zwangere vrouwen besmet raken, bijvoorbeeld door contact met speeksel en urine van besmette kinderen, kunnen ze het virus doorgeven aan hun ongeboren kind. Daar kan dat virus de groei verstoren en enkele aandoeningen

veroorzaken, zoals aantasting van de hersenen, de ogen en de gehoorzenuw.

VOORBEELD RUBELLA

Het rubellavirus veroorzaakt rubella, ook ‘rodehond’ genoemd, en wordt overgedragen door druppels uit de mond, neus of keel. Bij kinderen en volwassenen geeft het milde symptomen, zoals rode huiduitslag. Het virus kan worden overgedragen van de moeder op het ongeboren kind en verhoogt de kans op hart-, oog- en gehoorafwijkingen. Daarom is het zeer gevaarlijk om de ziekte door te maken tijdens de zwangerschap.

S Afb. 73 Rubella kan rode huiduitslag veroorzaken.

THEMA 01

hoofdstuk 3

2.2 Giftige stoffen in de leefomgeving Mensen produceren heel wat voorwerpen en stoffen die na gebruik op de afvalberg terechtkomen of als zwerfvuil in de vrije natuur. Tijdens het verweringsproces tot uiterst kleine partikels, kunnen er schadelijke stoffen vrijkomen, die zich verspreiden in de lucht, de bodem en het water. Uiteindelijk komen ze dan terecht in de voedselketen of in ons lichaam.

Zware metalen

Zware metalen (zoals kwik, lood, zink, cadmium en koper) verminderen niet alleen de vruchtbaarheid, maar kunnen ook langs de placenta of via de borstvoeding in de baby terechtkomen en er bloedarmoede, verminderde groei en aandoeningen aan de hersenen en of gedragsstoornissen veroorzaken.

industrie

zenuwen veroorzaken. Dat kan een impact hebben op de intellectuele ontwikkeling van het kind

elektronisch afval

Mensen worden blootgesteld aan zware metalen

VA N

bronnen van zware metalen

ZWARE METALEN

• lood (Pb) • ijzer (Fe) • kwik (Hg) • arseen (As) • zink (Zn) • cadmium • koper (Cu) (Cd)

Via het eten van vis komen de deeltjes in het lichaam van mensen terecht.

Zware metalen kunnen in planten terechtkomen door deeltjes uit de bodem of de lucht.

Zware metalen vervuilen het water.

S Afb. 74 Zware metalen komen in onze omgeving terecht door industriële activiteiten, de slijtage van producten en afval. Ze sijpelen in de bodem en belanden via de voedselketen ook in het lichaam van de mens.

THEMA 01

hoofdstuk 3

Hormonen en hormoonverstorende stoffen

Hormonen en hormoonverstorende stoffen worden aangetroffen in heel wat producten die we dagelijks gebruiken, zoals anticonceptiemiddelen, plastic flessen, voedselverpakkingen, speelgoed en andere plastic voorwerpen. Omdat de ontwikkeling van een embryo en foetus door hormonen wordt geregeld, kunnen die stoffen de normale ontwikkeling van een kind verstoren. De laatste jaren neemt de bezorgdheid daaromtrent toe. Dat heeft er bijvoorbeeld toe geleid dat er in Europa strengere richtlijnen zijn voor verpakkingen van babymaterialen. Van heel wat andere stoffen zijn de gezondheidseffecten op lange termijn niet gekend of onderzocht, of primeert het economische belang op de volksgezondheid.

Microplastics

Microplastics zijn minuscuul kleine, biologisch niet afbreekbare deeltjes kunststof. Die deeltjes worden in steeds grotere hoeveelheden, en in alle uithoeken van de wereld, aangetroffen en komen zo via de lucht, de voedselketen en het drinkwater ook in ons lichaam binnen.

Microplastics zijn al in de placenta aangetroffen. De impact van die microplastics is nog niet

Op vind je een artikel over microplastics.

meteen duidelijk, maar wetenschappers gaan ervan uit dat ze schade op korte of lange termijn

VA N

kunnen veroorzaken.

S Afb. 75 Via plastic flessen krijgen baby’s dagelijks microplastics binnen.

S Afb. 76 Door plastic afval komen microplastics in de natuur en in ons lichaam terecht.

Pesticiden

Pesticiden worden in de landbouwsector gebruikt om gewassen te beschermen en een hogere opbrengst na te streven. Doordat je groenten en fruit eet die behandeld zijn met pesticiden, komen die schadelijke stoffen in de meeste gevallen toevallig in je lichaam terecht.

Wetenschappers ontdekten dat zwangere vrouwen die veel aan pesticiden worden blootgesteld,

een grotere kans hebben op een baby die te vroeg wordt geboren en een laag geboortegewicht heeft. Om blootstelling aan pesticiden te beperken, moet je groenten en fruit altijd grondig wassen.

THEMA 01

De biolandbouw probeert het gebruik van pesticiden te beperken. Een bioboer zal ziekten en plagen proberen te voorkomen door de bodem gezond te houden, biologische bestrijdingsmiddelen te gebruiken en voor biodiversiteit te kiezen.

hoofdstuk 3

2.3 Stress Veel stress is sowieso niet gezond, maar zeker tijdens de zwangerschap raden artsen aan om drukke activiteiten af te bouwen en voldoende tijd te maken voor rust, pauzes en genoeg slaap. Zo kan er voldoende energie gaan naar de groeiende baby. Stress verhoogt het gehalte aan het hormoon cortisol in je lichaam. Een hoog gehalte aan cortisol kan ervoor zorgen dat een ovulatie uitblijft of dat een innesteling wordt tegengehouden, zodat je veel moeilijker zwanger

raakt. Tijdens de zwangerschap komt cortisol via

de placenta in het bloed van de baby en beïnvloedt

het de mentale ontwikkeling: de baby is prikkelbaarder en huilt meer. Op latere leeftijd is er een grotere

kans op prikkelbaarheid, aandachtsproblemen en gedragsproblemen (ADHD).

S Afb. 77 Verhoogde stressniveaus hebben een negatief effect op de zwangerschap.

Als een zwangere vrouw een infectie doormaakt, is dat in veel gevallen niet schadelijk

VA N

voor het kind. In sommige gevallen kan een besmetting gedurende de zwangerschap de ontwikkeling van het kind nadelig beïnvloeden. Voorbeelden zijn listeria, toxoplasmose, het cytomegalovirus en rubella.

Stoffen uit de omgeving kunnen een schadelijke invloed hebben op jou of je ongeboren kind. Via de lucht, voedsel en drinkwater komen die stoffen in het lichaam terecht. Dat kan leiden tot een verminderde vruchtbaarheid. Doordat de stoffen langs de placenta tot in het kind komen, kunnen ze leiden tot een verstoring van de normale ontwikkeling van je baby.

Langdurige stress bij een zwangere vrouw zorgt voor een verhoging van het stresshormoon cortisol. Een hoge concentratie aan cortisol zorgt ervoor dat zwanger raken moeilijker

wordt, maar heeft ook een invloed op de mentale ontwikkeling van de baby.

THEMA 01

hoofdstuk 3

AAN DE SLAG 1

Bespreek hoe de keuze van wat je eet (je dieet)

de ontwikkeling van je kind positief en negatief kan

Waarom kan het gevaarlijk zijn dat een zwangere vrouw een kat heeft als huisdier?

beïnvloeden. 5

Waarom is het gewoonlijk veel gevaarlijker om een infectieziekte door te maken tijdens de zwangerschap dan voor de zwangerschap?

Verklaar waarom regelmatig een wandeling maken

in de natuur de ontwikkeling van een baby ten goede kan komen.

Meer oefenen? Ga naar

Toon aan hoe een verminderde vruchtbaarheid een gevolg kan zijn van (passief) roken. Vrouwen die zwanger willen worden of zwanger zijn,

VA N

moeten rauwe groenten uit eigen tuin voldoende

wassen. Leg uit.

THEMA 01

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

THEMA 01

SYNTHESE hoofdstuk 3

toxoplasmose

CMV

zware metalen

microplastics

rubella

infectieziekten

listeria

medicijnen

alcohol, drugs,

roken

stress

stoffen

hormoonverstorende

omgeving

negatief

ONTWIKKELING VAN HET KIND

voeding

ongezonde

VA N

ongezonde levensstijl

overgewicht

ondergewicht/ evenwichtige

maatregelen

preventieve

voorkomen

infecties

positief

gezonde levensstijl

voeding

en gevarieerde

vaccinatie

extra foliumzuur

vitamine D

voldoende

HOOFDSTUKSYNTHESE kennisclip

VIDEO

THEMA 02

ERFELIJKHEIDSLEER

Misschien ken je wel iemand die rood-groenkleurenblindheid heeft. Een kleurrijke verzameling fruit ziet er dan een pak minder aantrekkelijk uit. De kans dat die persoon tot het mannelijk geslacht behoort, is vrij groot. Meestal zal geen van zijn ouders en kinderen die afwijking hebben, maar zijn grootvader langs moederskant wel. Rood-groenkleurenblindheid is een van de vele erfelijke aandoeningen waarvan het overervingspatroon gemakkelijk kan worden verklaard. Kennis van dergelijke overervingsmechanismen is bijvoorbeeld belangrijk om de kans op een ernstigere aandoening te voorspellen bij het nageslacht, zodat

VA N

men snel kan ingrijpen.

` Welke wetmatigheden gelden er bij de overerving van eigenschappen? ` Wat zijn de chromosomale mechanismen van overerving? ` Hoe kun je de kans voorspellen dat een bepaald kenmerk voorkomt bij het nageslacht? We zoeken het uit!

VERKEN

• de structuur van DNA

• beschrijven hoe

bespreken; • uitleggen dat voortplantingscellen

• uitleggen hoe genen

chromosomen zijn

en kenmerken worden

opgebouwd;

overgeërfd.

• uitleggen wat de

haploïd en lichaamscellen diploïd zijn.

JE KUNT AL ...

geslachtschromosomen zijn; • uitleggen hoe de meiose verloopt en bijdraagt

aan de variatie tussen organismen;

VA N

• beschrijven wat

‘overkruising’ en

‘recombinatie’ betekenen.

JE LEERT NU ...

X aabb AABB

aabb

AaBb AaBb

aabb

• uitleggen dat genen in

de vorm van verschillende

allelen kunnen voorkomen;

• uitleggen wat het verschil is tussen genotype en

fenotype;

• uitleggen dat allelen

allelen samen worden overgeërfd;

• uitleggen hoe het geslacht wordt overgeërfd; • uitleggen dat sommige kenmerken op een

bepalend zijn voor

geslachtsgebonden manier

het fenotype;

worden overgeërfd.

• uitleggen welke wetmatigheden bij kruisingen de verhouding in fenotypes en genotypes verklaren; • uitleggen wanneer die wetmatigheden schijnbaar niet worden gerespecteerd.

• verklaren waarom sommige

THEMA 02

verken

41 %

9% Aabb

9% aaBb

50 % AaBb • stambomen opstellen en

50 % AaBb

aabb

interpreteren;

• de frequentie van allelen en genotypes in een populatie berekenen.

41 % aabb

HOOFDSTUK 1

Î Mendeliaanse overerving Gregor Mendel wordt weleens de vader van de klassieke genetica genoemd. Door statistische interpretatie van de resultaten van een groot aantal kruisingsproeven op erwtenplanten ontrafelde hij de wetmatigheden die schuilen achter de overerving van kenmerken. Hij legde daarmee een solide basis voor een nieuwe tak in

de wetenschappen: de erfelijkheidsleer. LEERDOELEN

M De wetten van Mendel afleiden op basis van kruisingsproeven

M Kruisingsschema’s opstellen bij monohybride en dihybride kruisingen

M Overerving interpreteren bij voorbeelden waarbij de wetten van Mendel niet worden gevolgd

Inleidende begrippen

VA N

Overerving of erfelijkheid is het verschijnsel waarbij organismen kenmerken overdragen op de volgende generatie. Die overdracht

diploïde lichaamscellen (2n) diploïde voorlopercellen (2n) van gameten

vindt haar oorsprong in het feit dat bij een bevruchting een haploïd aantal

chromosomen van de moeder samenkomt

met een haploïd aantal chromosomen van

de vader. De wetenschap die zich bezighoudt met het bestuderen van overerving, is de erfelijkheidsleer.

Elk organisme bezit bepaalde kenmerken. Voorbeelden daarvan zijn de kleur van je

huid, de vorm van je oorlel of een bepaalde aandoening. In thema 03 zul je zien dat

MITOSE

diploïde lichaamscellen (2n)

MEIOSE

haploïde spermatozoïde (n) diploïde zygote (2n)

haploïde oöcyt (n) BEVRUCHTING

MITOSE

S Afb. 78 Ouders geven erfelijke kenmerken door aan hun kinderen via hun gameten.

die kenmerken van organismen hun

oorsprong vinden in bepaalde eiwitten en dat de informatie voor de bouw daarvan vervat zit in de nucleotidevolgorde in het DNA. Een stuk DNA dat de informatie voor de bouw van een eiwit bevat, noem je een gen. Elk gen heeft een welbepaalde plaats op een chromosoom. Die plaats noem je de genlocus.

Je weet al dat een menselijke lichaamscel 23 chromosomenparen bezit. Men onderscheidt lichaamschromosomen en geslachtschromosomen. De chromosomen van een paar noem je homologe chromosomen. Bij de lichaamschromosomen hebben die elk een overeenkomstige genlocus voor een bepaald gen. De genen op die chromosomen komen dus altijd in paren voor. Van sommige genen zijn er door mutaties verschillende ‘varianten’ ontstaan, die je allelen noemt. Zo bestaat er bij erwtenplanten een gen dat codeert voor de bloemkleur. Van dat gen komen er

Mutaties zijn wijzigingen in de nucleotidevolgorde van het DNA. Je leert daarover meer in thema 03.

twee allelen voor. Eén allel codeert voor een paarse kleur, het andere allel voor een witte kleur.

THEMA 02

hoofdstuk 1

Als een individu voor een bepaald gen twee identieke allelen bezit, dan is het homozygoot voor dat kenmerk. Bevat

allel voor paarse bloemkleur

het twee verschillende allelen, dan is het heterozygoot voor dat gen.

heterozygoot

Als een organisme voor een bepaald gen

genlocus

heterozygoot is en slechts een van de kenmerken tot uiting komt, dan is het allel dat tot uiting komt, het dominante allel.

allel voor witte bloemkleur

homozygoot

twee allelen voor groene erwtkleur

Het organisme vertoont dan de bijbehorende eigenschap. Bij het voorbeeld van

de bloemkleur bij erwtenplanten is het allel

voor paarse bloemkleur dominant. Een plant die dat allel bezit, zal paarse bloemen krijgen. Het allel dat niet tot uiting komt, is het recessieve allel.

homologe chromosomen

S Afb. 79 Op een chromosoom komen meerdere genloci voor. Bij homologe chromosomen liggen beide allelen op een overeenkomstige plaats. De erwtenplant waarvan er hier een cel wordt voorgesteld, is heterozygoot voor het kenmerk bloemkleur en homozygoot voor de kleur van de zaden (erwten).

Bij kruisingen bestudeert men de overerving van kenmerken. Monohybride kruisingen zijn

kruisingen tussen twee organismen waarbij men let op de overerving van één kenmerk. Bij dihybride kruisingen onderzoekt men de overerving van twee kenmerken. In voorstellingen van kruisingen worden de ouders aangeduid met de letter P en de nakomelingen met de letter F. De eerste generatie nakomelingen noem je de F1-generatie. De tweede generatie is de F2-generatie.

VA N

De letter P staat voor het Latijnse parentes (= ‘ouders’). De letter F verwijst naar het Latijnse filia (= ‘dochter’).

Genetisch identieke individuen bezitten dezelfde genetische informatie: ze hebben hetzelfde genotype. Van dergelijke organismen zou je kunnen verwachten dat ze ook uiterlijk gezien perfecte kopieën zijn van elkaar. Maar vaak vertoont hun uiterlijke verschijningsvorm of fenotype verschillen. Denk bijvoorbeeld aan eeneiige tweelingen die je aan de hand van kleine verschillen toch uit elkaar kunt houden. De oorzaak van de verschillen is te vinden in omgevingsfactoren, zoals voeding, stress of levenswijze, die voor elk individu verschillend kunnen zijn. Ze kunnen een invloed hebben op de expressie van het genotype. Fenotypische verschillen tussen genotypisch gelijke individuen noem je modificaties. In thema 03 leer je daar meer over.

BEGRIP

VERKLARING

gen

DNA-fragment dat de informatie voor de bouw van een eiwit bevat

allel

variant waarin een gen kan voorkomen

genlocus

plaats van een gen op een chromosoom

genotype

geheel van genen, de genetische informatie van een organisme

fenotype

geheel van waarneembare kenmerken van een organisme

homozygoot

organisme met twee identieke allelen van een gen

heterozygoot

organisme met twee verschillende allelen van een gen

dominant allel

allel dat bij een heterozygoot organisme tot uiting komt in het fenotype

recessief allel

allel dat niet tot uiting komt als er een dominant allel aanwezig is

monohybride

kruising waarbij de overerving van één kenmerk wordt bestudeerd

kruising dihybride kruising

THEMA 02

hoofdstuk 1

kruising waarbij de overerving van twee kenmerken wordt bestudeerd

Wetten van Mendel WEETJE Gregor Mendel (1822-1884) werd geboren in een arm landbouwersgezin in Tsjechië en raakte op de boerderij vertrouwd met het veredelen van planten en dieren. Veredelen is het gericht kruisen van individuen om nieuwe variëteiten te bekomen. Mendel besloot om als monnik in te treden in een klooster, en daar kweekte hij planten met het oog op het ontwikkelen van nieuwe

Na enkele jaren in het klooster ging Mendel wiskunde studeren in Wenen. Daar leerde hij hoe hij experimenten kon opzetten en data moest analyseren en interpreteren. Terug in het klooster bestudeerde hij de overerving van kenmerken bij planten door talloze kruisingsexperimenten uit te voeren.

variëteiten.

S Afb. 80 Gregor Mendel, de pionier van de klassieke erfelijkheidsleer

Zijn kennis van statistiek stelde hem in staat om patronen of wetmatigheden in de aantallen fenotypes van nakomelingen te ontdekken. Later bleken die voor de meeste organismen te

VA N

gelden. Toen hij in 1884 stierf, was hij zich niet bewust van het belang van zijn ontdekkingen. In zijn tijd schonk niemand er immers aandacht aan. Vandaag wordt hij gezien als de vader van de klassieke erfelijkheidsleer. De wetmatigheden bij overerving die hij formuleerde, dragen zijn naam: de wetten van Mendel.

Charles Darwin (1809-1882) was een tijdgenoot van Mendel. Het was in die tijd niet geweten hoe het mogelijk is dat kinderen voor sommige eigenschappen op hun ouders lijken en voor andere eigenschappen van hen verschillen. Darwin was door die vragen zowel gefrustreerd als gefascineerd. In thema 05 zul je zien dat erfelijkheid de basis vormt van evolutie. Helaas bleef het mechanisme van erfelijkheid een raadsel voor Darwin. Mendel had hem een van zijn werken toegestuurd, maar Darwin heeft dat wellicht nooit gelezen.

Gregor Mendel voerde kruisingsproeven uit

Bij zelfbestuiving komt het stuifmeel uit de meeldraden van een bloem terecht op de stempel van dezelfde bloem. Bij kruisbestuiving komt het stuifmeel terecht op de stempel van een andere plant.

met erwtenplanten. Die planten kunnen

aan zelfbestuiving en aan kruisbestuiving

doen. Mendel liet de natuur echter niet haar

gang gaan. Hij verwijderde de meeldraden van een bloem en bracht zelf stuifmeel van een andere plant aan op haar stempel. Door de planten voor zijn experimenten doordacht te kiezen, verwierf hij inzicht in de overerving van een aantal kenmerken bij de erwtenplant, zoals bloemkleur, peulkleur en zaadvorm.

S Afb. 81 Een bloem van de erwtenplant (Pisum sativum)

THEMA 02

hoofdstuk 1

2.1

Uniformiteitswet

Voor zijn kruisingen gebruikte Mendel zaadvaste erwtenplanten. Dat zijn planten waarbij er tussen het zaad van verschillende generaties zeer weinig variatie bestaat. Daardoor zal elke nieuwe generatie planten die ontstaat door zelfbestuiving, uiterlijk vrijwel identiek zijn aan de vorige. Een van de kruisingen die Mendel uitvoerde, was die tussen een plant met paarse bloemen en een plant met witte bloemen. Alle nakomelingen uit die kruising bleken

paarse bloemen te hebben.

de paarsbloemige plant dat kenmerk doorgaf aan de volgende generatie. Wanneer de F1-nakomelingen met

elkaar werden gekruist, ontstond er een volgende generatie, de F2-generatie,

met paarsbloemige en witbloemige erwtenplanten. De planten in de

zaadvaste planten

Het leek er dus op dat enkel

kruisbestuiving

F1-generatie kunnen dus aanleiding geven

VA N

tot fenotypisch verschillende nakomelingen. Mendel probeerde dat te verklaren door te veronderstellen dat er voor het kenmerk

bloemkleur twee erffactoren bestaan, die

worden doorgegeven van de ene generatie

op de andere en die de uiterlijke kenmerken

S Afb. 82 Bij de kruising tussen zaadvaste planten met paarse bloemen en zaadvaste planten met witte bloemen zijn alle planten in de F1-generatie paarsbloemig. Bij de kruising tussen de paarsbloemige planten uit de F1-generatie komen er in de F2-generatie zowel paarsbloemige als witbloemige planten voor.

van de plant bepalen. Hij bestudeerde ook

de overerving van andere kenmerken, zoals de vorm of de kleur van de erwten of de hoogte van de planten. Het overervingspatroon van die kenmerken kon hij ook verklaren aan de hand van erffactoren.

Bij zijn kruisingsexperimenten bekwam hij telkens hetzelfde resultaat: alle F1-nakomelingen

bleken gelijk of uniform te zijn voor het onderzochte kenmerk. Daaruit leidde Mendel zijn eerste wet af, de uniformiteitswet. Die luidt: als twee zaadvaste planten worden gekruist, dan zijn de nakomelingen uit de eerste generatie (F1) identiek.

De zaadvaste planten uit de kruising noemt men vandaag homozygote planten, en de erffactoren noemt men allelen. Mendel onderzocht maar één kenmerk bij die kruising, namelijk de bloemkleur. Het ging dus om een monohybride kruising. Door onze kennis over geslachtelijke

In de tijd van Mendel was er over genetica nauwelijks iets bekend: chromosomen, genen, allelen, mitose en meiose waren nog nooit geobserveerd.

voortplanting weten we dat bij de vorming van de gameten de homologe chromosomen, en dus ook de allelen die erop liggen, van elkaar worden gescheiden tijdens de meiose. Bij de bevruchting levert elke ouder één gameet en komen voor elk kenmerk de allelen van beide ouders samen. Als je die begrippen gebruikt, wordt de eerste wet van Mendel als volgt.

UNIFORMITEITSWET Bij een monohybride kruising van homozygote organismen zijn alle F1-nakomelingen identiek.

THEMA 02

hoofdstuk 1

Omdat de F1-nakomelingen allemaal paarse bloemen hebben, noem je paars het dominante

kenmerk. De nakomelingen bezitten ook een recessief allel, maar alleen het dominante allel komt tot uiting. Dominante allelen worden voorgesteld met een hoofdletter en recessieve met een kleine letter. Je kunt de kruising dan als volgt voorstellen:

PP paars

genotype fenotype

pp wit

gameten

W Afb. 83 Bij een monohybride kruising van homozygote planten zijn alle F1-nakomelingen identiek. In de cirkel staat het allel dat aanwezig is in de gameten. P = allel voor paarse kleur (dominant) p = allel voor witte kleur (recessief)

VA N

Pp paars

WEETJE

Veredelingsmethoden zijn al zo oud als de landbouw zelf. Via kruising van wilde rassen en selectie worden er bepaalde kenmerken in de nakomelingen gebracht. De koolgewassen die we vandaag kennen, hebben één gemeenschappelijke voorouder, de wilde kool (Brassica oleracea). Elke variëteit werd bekomen na een proces van kruisen en selecteren.

Van sommige kolen, zoals boerenkool of savooikool, eten we het blad. Bij koolrabi eten we de stengel en bij bloemkool of broccoli eten we de bloem. Spruitjes zijn de okselknoppen

van de koolplant.

boerenkool

savooikool

wilde kool

koolrabi

bloemkool

broccoli

spruiten

W Afb. 84 Heel wat groenten stammen af van wilde kool (Brassica oleracea).

THEMA 02

hoofdstuk 1

2.2 Splitsingswet Je zag al dat Mendel ook nakomelingen van de eerste uniforme generatie (F1) met elkaar

kruiste (F1 x F1). Zo bekwam hij een tweede generatie (F2). Hij stelde niet alleen vast dat er onder de nakomelingen verschillende fenotypes voorkwamen, maar ook dat er een vaste

getalsverhouding bestond tussen die verschillende fenotypes. Zo leverde de kruising van twee erwtenplanten met paarse bloemen uit de F1-generatie een F2-generatie op die zowel paarse

als witte bloemen bezat. De verhouding paarse tot witte bloemen was ongeveer gelijk aan

3 : 1. Diezelfde verhouding bekwam hij ook bij de kruisingen tussen planten waarbij hij andere kenmerken onderzocht (zie tabel 2).

bloemkleur

VERHOUDING DOMINANT/ RECESSIEF

paars

705 paars

3,15 : 1

KENMERK

P DOMINANT

RECESSIEF

paars

wit

VA N

224 wit

kleur van

geel

groen

geel

de zaadlob

zaadvorm

peulvorm

peulkleur

inplantings-

rond

opgezwollen

groen

axiaal

hoekig

ingesnoerd

geel

terminaal

rond

opgezwollen

groen

axiaal

6 022 geel

3,01 : 1

2 001 groen 5 474 rond

2,96 : 1

1 850 hoekig 882

2,95 : 1

opgezwollen 299 ingesnoerd 428 groen

2,82 : 1

152 geel

651 axiaal

plaats

207

van de

terminaal

3,14 : 1

bloem

lengte van het

lang

kort

lang

787 lang 277 kort

stengellid

S Tabel 2 Een aantal van de verschillende fenotypes in de F2-generatie na een monohybride kruising van twee homozygote ouders

THEMA 02

hoofdstuk 1

2,84 : 1

WEETJE Dat de ratio niet exact 3 : 1 was, schreef Mendel toe aan het feit dat de bevruchting een kansproces is. Je kunt het vergelijken met het opgooien van een munt. Hoewel er 50 % kans is op kop en 50 % op munt, zal de ratio kop : munt niet noodzakelijk 1 : 1 zijn als je het geldstuk tien keer opgooit. Hoe groter het aantal gooien, hoe meer je de ratio 1 : 1 zult benaderen, maar het is perfect mogelijk dat je 540 keer kop gooit en 460 keer munt als je een geldstuk 1 000 keer opgooit.

De verklaring voor de 3 : 1-verhouding ligt in het feit dat de F1-nakomelingen

heterozygoot zijn voor het kenmerk

bloemkleur. Daardoor bevat de helft van hun gameten het allel dat codeert voor de paarse bloemkleur. De andere

F1 gameten

helft van de gameten bevat het allel dat codeert voor de witte bloemkleur. Een F2-nakomeling wordt gevormd door

F2 gameten

Het Punnett-vierkant is vernoemd naar Reginald Crundall Punnett (1875-1967), die het vierkant bedacht als hulpmiddel om de kruising van organismen visueel voor te stellen.

bij de fenotypes in de F2-generatie

1 2

het samenkomen van een gameet van elke

VA N

F1-ouder. De verschillende combinaties, met bijbehorende kansen, kun je weergeven in een Punnett-vierkant.

1 2

Je weet al dat het allel voor paarse kleur

domineert over het allel voor witte kleur.

genotype PP fenotype paars 1 1 1 · = 2 2 4

genotype Pp fenotype paars 1 1 1 · = 2 2 4

genotype pp fenotype wit 1 1 1 · = 2 2 4

Je duidt dat aan door het allel voor paarse

kleur te benoemen met een hoofdletter (P)

en het allel voor witte kleur met een kleine letter (p). Uit de kansen in het Punnettvierkant blijkt dat de verhouding van

de kans op paarse bloemen tot de kans

op witte bloemen 3 : 1 bedraagt. Dat komt doordat bij de vorming van de gameten de paren van allelen gesplitst worden,

zodat er bij de vorming van een zygote

nieuwe combinaties van allelen kunnen

S Afb. 85 In het voorbeeld is het genotype van de F1-plant Pp. Aangezien de allelen door meiose worden gescheiden, zal de helft van zowel de vrouwelijke als de mannelijke gameten een P dragen en de andere helft een p.

ontstaan. Op basis daarvan formuleerde Mendel zijn tweede wet of splitsingswet.

SPLITSINGSWET Bij de kruising van twee F1-nakomelingen van de eerste uniforme

generatie ontstaan er nakomelingen met verschillende genotypes en fenotypes.

THEMA 02

hoofdstuk 1

VERDIEPING

Testkruisingen Als een individu het dominante kenmerk bezit, kun je geen uitspraak doen over zijn genotype. Hij kan immers homozygoot of heterozygoot zijn voor het dominante allel. Om het genotype te achterhalen, kun je een testkruising uitvoeren. Je kruist dan het individu met een homozygoot recessief individu. Als alle nakomelingen uit die kruising het dominante kenmerk hebben, dan is het individu homozygoot. Als maar de helft van de nakomelingen het dominante kenmerk bezit, dan is het individu heterozygoot. Toegepast op een kruising met paarsbloemige en witbloemige erwtenplanten krijg je de volgende

mogelijkheden:

x dominant fenotype, onbekend genotype: PP of Pp?

recessief fenotype, bekend genotype: pp

bij genotype PP

bij genotype Pp

gameten

VA N

gameten

Alle nakomelingen zijn paars.

De helft van de nakomelingen is paars en de andere helft is wit.

S Afb. 86 Op basis van de resultaten van een testkruising kan men achterhalen of een individu dat het dominante allel tot expressie brengt, homozygoot of heterozygoot is.

THEMA 02

hoofdstuk 1

2.3 Onafhankelijksheidswet Mendel voerde ook dihybride kruisingen uit. Je zag al dat dat kruisingen zijn waarbij men de overerving van twee kenmerken bestudeert. Zo onderzocht Mendel de kruising tussen homozygote paarsbloemige hoge planten met homozygote witbloemige lage planten. Zijn hypothese dat alle F1-planten hoog zouden zijn en paarse bloemen zouden hebben, bleek correct.

KENMERKEN

ALLELEN

bloemkleur

paars P

hoogte

hoog H laag h

wit p

x PPHH

VA N

pphh

PpHh

S Afb. 87 De kruising tussen een paarse hoge erwtenplant en een witte lage erwtenplant

Als F1-nakomelingen onderling werden gekruist, ontstonden er in de F2-generatie vier

verschillende fenotypes. Om dat te verklaren, grijpen we terug naar wat er gebeurt tijdens de meiose. De allelen die bepalend zijn voor de bloemkleur en voor de hoogte, komen onafhankelijk van elkaar in de gameten terecht. De homologe chromosomen ordenen zich tijdens de metafase van meiose I in het evenaarsvlak, maar welk chromosoom van elk paar naar elke pool gaat, wordt bepaald door toeval.

Op die manier vormt een individu met genotype PpHh vier verschillende soorten gameten:

• 25 % PH;

• 25 % pH; • 25 % Ph;

• 25 % ph.

Bemerk dat 50 % van de gameten een P bevat en 50 % een p. 50 % bevat een H en 50 % een h.

THEMA 02

hoofdstuk 1

Bij een bevruchting zijn er dus zestien combinaties mogelijk, die te zien zijn in het volgende Punnett-vierkant. Voor elke combinatie is de kans 1 . 16

PPHH

PpHH

PPHh

PpHh

PpHH

ppHH

PpHh

ppHh

PPHh

PpHh

PPhh

Pphh

PpHh

ppHh

Pphh

pphh

Op basis van die genotypes krijg je de volgende fenotypes: 9 ); • negen hoge planten met paarse bloemen ( 16 3 • drie hoge planten met witte bloemen ( 16 );

3 • drie lage planten met paarse bloemen ( 16 ); 1 • één lage plant met witte bloemen ( 16 ).

VA N

De getalsverhouding tussen de fenotypes bij de nakomelingen in de F2-generatie is dus 9 : 3 : 3 : 1.

Als je elk kenmerk afzonderlijk bekijkt, zie je dat de verhouding van de hoge tot de lage planten 3 : 1 is. Dat geldt ook voor de verhouding van de paarsbloemige tot de witbloemige planten. Kenmerken blijken dus onafhankelijk van elkaar over te erven. Dat betekent dat voor elk van die kenmerken de splitsingswet blijft gelden. Voor de 75 % ( 43 ) hoge planten geldt dat 75 % ( 43 ) paarsbloemig is en 25 % ( 41 ) witbloemig. Het omgekeerde geldt ook:

van de 25 % ( 1 ) witbloemige planten zal 75 % ( 43 ) hoog zijn en 25 % ( 41 ) laag. 4

Die wetmatigheid vormt de derde wet van Mendel of de onafhankelijkheidswet.

ONAFHANKELIJKHEIDSWET

De verschillende kenmerken worden onafhankelijk van elkaar overgeërfd.

Later zul je zien dat die wet enkel geldt als de genen/allelen voor die kenmerken op afzonderlijke

LABO 01

chromosomen of ver van elkaar verwijderd liggen.

Via kruisingsexperimenten met verschillende erwtenrassen ontdekte Gregor Mendel wetmatigheden in de overerving van kenmerken bij organismen. • Bij een monohybride kruising van homozygote organismen zijn alle F1-nakomelingen identiek.

• Bij de kruising van twee F1-nakomelingen uit de eerste uniforme generatie ontstaan

er nakomelingen met verschillende genotypes en fenotypes. Tussen de verschillende genotypes/fenotypes bestaan er vaste getalsverhoudingen.

• De verschillende kenmerken worden onafhankelijk van elkaar overgeërfd.

THEMA 02

hoofdstuk 1

Variaties op de wetten van Mendel

3.1 Onvolledige dominantie en codominantie Bij de kruisingsexperimenten die Mendel uitvoerde, leken de F1-nakomelingen altijd op

een van de ouders. De kruising van een paarsbloemige en een witbloemige plant leverde een paarsbloemige plant op. Er ontstonden geen planten met lichtpaarse of gevlekte bloemen. Dat komt doordat het allel voor paarse bloemkleur volledig dominant is tegenover het allel voor witte bloemkleur. Enkel het dominante allel laat zich gelden. Het fenotype van een heterozygoot individu is dan gelijk aan het fenotype van een homozygoot dominant individu.

Voor sommige genen is geen van beide allelen volledig dominant, waardoor de nakomelingen van de F1-generatie een fenotype vertonen dat intermediair is aan dat van de ouders. In dat geval spreek je van onvolledige dominantie. Een voorbeeld daarvan is de bloemkleur bij

de leeuwenbek. Als de roodbloemige leeuwenbek wordt gekruist met de witbloemige leeuwenbek, dan hebben alle nakomelingen in de F1-generatie roze bloemen. De roze kleur is een mengvorm

tussen rood en wit, de fenotypes die aanwezig zijn bij de ouderplanten. De onderlinge kruising van F1-nakomelingen levert een F2-generatie op met rode, roze en witte bloemen in een verhouding

1 : 2 : 1. In zo’n kruising stel je beide allelen voor door een verschillende (hoofd)letter. ALLELEN

GENOTYPES

FENOTYPES

VA N

KENMERK

R (rood)

bloemkleur

W (wit)

rood

wit

roze

gameten

1 2

gameten

1 2

S Afb. 88 Een roze leeuwenbek (Antirrhinum majus)

genotype RR genotype RW fenotype rood fenotype roze 1 1 1 1 1 1 · = · = 2 2 4 2 2 4

genotype RW genotype WW fenotype roze fenotype wit 1 1 1 1 1 1 · = · = 2 2 4 2 2 4

W Afb. 89 De genen voor de bloemkleur van de leeuwenbek (Antirrhinum majus) vertonen onvolledige dominantie. Bij kruising van een homozygote roodbloemige en een homozygote witbloemige plant vertonen de nakomelingen uit de F2-generatie verschillende fenotypes met een verhouding 1 : 2 : 1.

THEMA 02

hoofdstuk 1

Naast volledige en onvolledige dominantie bestaat er nog een derde dominantiepatroon, namelijk codominantie. Een voorbeeld vind je bij de Japanse roos, waarbij de kruising van homozygote roodbloemige en homozygote witbloemige planten nakomelingen oplevert met beide kleuren in één bloem. Dat wil zeggen dat beide allelen zich in dezelfde mate laten gelden. De drie dominantiepatronen kun je enkel zien bij heterozygote individuen:

• Bij volledige dominantie is het fenotype

S Afb. 90 Een Japanse roos (Camellia japonica)

van een heterozygoot individu gelijk aan

het fenotype van een homozygoot dominant individu.

• Bij onvolledige dominantie is het fenotype van een heterozygoot individu een mengvorm tussen de fenotypes van de homozygote individuen.

• Bij codominantie komen in het heterozygote individu beide fenotypes afzonderlijk tot uiting.

WEETJE

VA N

In wat we tot nu toe bespraken, gingen we er altijd van uit dat

één gen een invloed had op één fenotypisch kenmerk. In veel gevallen heeft één gen

een invloed op meerdere

fenotypische kenmerken. Dat

verschijnsel noem je pleiotropie. Wanneer er in zo’n gen

een mutatie optreedt die de uiting van het gen of

het genproduct wijzigt, dan heeft dat een invloed op al die

fenotypische kenmerken.

Een aantal complexe, erfelijke ziekten die gepaard gaan met talrijke symptomen, zoals

sikkelcelanemie, zijn het gevolg

van een mutatie in maar

THEMA 02

S Afb. 91 Een mutatie in het gen voor hemoglobine kan aan de basis liggen van een erfelijke aandoening met talrijke symptomen.

één gen. Bij sikkelcelanemie zorgt een mutatie voor de vorming van abnormale hemoglobine (zie ook thema 03). Enkele symptomen van sikkelcelanemie zijn een abnormale vorm van de rode bloedcellen, bloedarmoede en een verstoorde doorbloeding van weefsels.

hoofdstuk 1

3.2 Multipele allelen Volgens Mendel bestonden er van een gen twee vormen, een dominant en een recessief allel. Je weet al dat mensen en andere diploïde organismen twee allelen hebben voor een gen, maar op populatieniveau kunnen er voor een bepaald gen meer dan twee allelen voorkomen. Je spreekt van multipele allelen. Meerdere allelen kunnen talrijke combinaties van twee allelen opleveren.

VOORBEELD ABO-BLOEDGROEPEN Een voorbeeld van multipele allelen is te vinden in het ABO-bloedgroepensysteem bij de mens. Vorig jaar leerde je al dat de bepaling van ABO-bloedgroepen te maken heeft met de aanwezigheid van suikermoleculen die gebonden zijn aan de fosfaatgroep van de fosfolipiden

in het membraan van rode bloedcellen: het A-antigeen en B-antigeen. In het bloedplasma komen antilichamen tegen lichaamsvreemde bloedgroepantigenen voor. BLOEDGROEP A

BLOEDGROEP B

A-antigeen

B-antigeen

BLOEDGROEP O

A-antigeen B-antigeen

geen A-antigeen geen B-antigeen

VA N

antigenen op de eigen rode bloedcel

BLOEDGROEP AB

antilichamen in het bloedplasma

anti-B

anti-A

geen anti-A geen anti-B

anti-A anti-B

De aanwezigheid van antigenen is erfelijk bepaald door multipele allelen. In de populatie komen er drie allelen voor. Allel A codeert voor A-antigenen op de rode bloedcellen en allel B voor B-antigenen. Mensen met het 0-allel bezitten noch A-, noch B-antigenen op het oppervlak van de rode bloedcellen. De allelen A en B zijn allebei dominant ten opzichte van het 0-allel. Combinaties van telkens twee van de drie allelen per individu leiden tot de volgende genotypes en fenotypes:

KENMERK bloedgroep

ALLEL

ANTIGENEN

GENOTYPES

geen A, geen B

Je spreekt van de bloedgroepen A, B en O. Het allel van bloedgroep O wordt het 0-allel (nul-allel) genoemd.

FENOTYPES bloedgroep A bloedgroep B

B0 AB

bloedgroep AB

bloedgroep O

THEMA 02

hoofdstuk 1

3.3 Letale allelen Naast dominante en recessieve allelen bestaan er ook letale allelen. Een voorbeeld daarvan vind je bij het agouti-gen. Dat is een van de genen die de vachtkleur bij muizen bepalen. De muis zoals ze bij ons voorkomt, heeft een bruinachtige kleur die het gevolg is van de afzetting van zwarte en gele pigmenten. Die agouti-kleur wordt bepaald door de aanwezigheid van een agouti-allel. Een gemuteerd allel resulteert in een bleke, lichtgele kleur. Het gemuteerde allel is dominant tegenover het agouti-allel. Je noteert het als A. Het niet-gemuteerde allel duid je aan met a.

Dat toonde men aan door homozygote agouti-muizen (aa) te kruisen met gele muizen. De helft van de nakomelingen had de agouti-kleur en de andere helft was geel. Mocht een gele muis homozygoot zijn, dan zouden alle nakomelingen geel zijn.

Alle gele muizen zijn heterozygoot (Aa).

W Afb. 92 De bruine kleur van heel wat muizen wordt veroorzaakt door het agoutiallel.

Men probeerde om homozygote gele muizen te bekomen door twee heterozygote gele muizen

te kruisen. Bij de fenotypes van de nakomelingen verwachtte men een getalsverhouding 1 : 2 : 1.

VA N

Maar dat was niet het geval. Men bekwam altijd gele en agouti-nakomelingen in een verhouding 2 : 1. De verklaring daarvoor is dat het allel voor de gele kleur letaal is. Een individu dat homozygoot is voor dat allel, sterft af tijdens de embryonale fase.

genotype AA niet levensvatbaar 1 1 1 · = 2 2 4

genotype Aa fenotype lichtgeel 1 1 1 · = 2 2 4

genotype aa fenotype bruin 1 1 1 · = 2 2 4

gameten

S Afb. 93 Het allel voor gele kleur is dominant voor de vachtkleur, maar recessief voor het letaal zijn. Een individu dat homozygoot is voor dat allel, sterft. Daarom is de verhouding in de nakomelingen 2 : 1, in tegenstelling tot de verwachte 1 : 2 : 1.

THEMA 02

hoofdstuk 1

3.4 Polygenie Mendel bestudeerde bij erwten kenmerken met duidelijke, afgebakende fenotypes: de bloemkleur was paars of wit, de erwten hadden een gladde of gerimpelde huid en een gele of groene kleur. Heel wat fenotypische kenmerken van een organisme vertonen echter een grote gradatie in het kenmerk. Zo is er een enorme variatie in huidskleur, oogkleur en lengte bij mensen. Dat komt doordat het fenotypische kenmerk het resultaat is van het tot uiting komen van meerdere genen. Als verschillende onafhankelijke genen samenwerken om één fenotypisch kenmerk tot stand te brengen, spreek je van polygenie. Huidpigmentatie bij de mens is een gevolg van veel genen, die onafhankelijk van

elkaar worden overgeërfd. Voor de eenvoud gaan we ervan uit dat huidpigmentatie het gevolg is van de expressie van drie genen, en dat er van elk gen twee allelen bestaan. Zo bekomen we in totaal zes allelen, die we aanduiden met A, B, C, a, b en c. Alleen de eerste drie allelen – aangeduid met een hoofdletter – coderen voor de aanmaak van pigment.

S Afb. 94 Iemands huidskleur wordt bepaald door de uiting van veel verschillende genen.

VA N

Hoe donker de huid is, hangt af van de hoeveelheid pigment die wordt

aangemaakt. Je kunt er dan van uitgaan dat bijvoorbeeld individuen met genotypes AaBbCc en AABbcc een even donkere huid hebben. Een persoon met genotype aabbcc zou een zeer lichte huid hebben, aangezien geen van zijn allelen bijdraagt aan de productie van pigment. Bij een volledig heterozygoot individu (AaBbCc) kunnen er bij de vorming van de gameten acht verschillende allelencombinaties ontstaan. Als je twee volledig heterozygote individuen kruist, levert dat bij de nakomelingen zeven verschillende fenotypes op.

AaBbCc

gameten

aantal allelen dat bijdraagt aan de pigmentproductie kans op fenotype

1 64

6 64

15 64

20 64

15 64

6 64

1 64

S Afb. 95 Veel genen zijn betrokken bij de vorming van de huidskleur. Een donker bolletje op deze afbeelding duidt op de aanwezigheid van een allel dat bijdraagt tot de pigmentaanmaak. Een wit bolletje duidt op de aanwezigheid van een allel dat geen bijdrage levert. Hoe donker de huid is, hangt af van het aantal allelen dat bijdraagt aan de pigmentproductie.

THEMA 02

hoofdstuk 1

3.5 Epistasie In sommige gevallen is een fenotypisch kenmerk het gevolg van meerdere genen, waarbij het tot Ga naar voor een uitbreiding.

uiting komen van een gen in het fenotype beïnvloed wordt door de expressie van een ander gen. Een voorbeeld daarvan is de vachtkleur bij labradors. De vacht bij labradors kan een gele, een zwarte of een bruine kleur hebben. Van het gen dat de kleur van het pigment bepaalt, komen er twee allelen voor. Het allel voor zwarte pigmentatie (Z) is dominant tegenover het allel voor bruine pigmentatie (z). De individuen met genotype zz hebben een vacht met een bruine kleur. Een tweede gen bepaalt of de pigmenten al dan niet worden afgezet in het haar. Het dominante allel (E) resulteert in de afzetting van zwart of bruin pigment. Het recessieve allel (e) verhindert

de afzetting van pigment. Als de labrador homozygoot is voor het recessieve allel, blijven de haren geel, omdat aangemaakte zwarte of bruine pigmenten niet worden afgezet.

Die interactie tussen genen noem je epistasie. Het gen voor afzetting in de haren (E of e) noem

je epistatisch ten opzichte van het gen voor de kleur van het pigment. Dat wil zeggen dat het gen

voor afzetting bepalend is voor het fenotype. Het overschaduwt als het ware het gen voor de kleur van het pigment.

Bij de kruising van twee labradors die volledig heterozygoot zijn (ZzEe x ZzEe), verwacht je

een getalsverhouding van 9 : 3 : 3 : 1 bij de fenotypes. Daarbij is er één individu aanwezig dat voor

VA N

beide recessieve allelen homozygoot (zzee) is en dus beide recessieve kenmerken vertoont. In dit voorbeeld is dat een bruine kleur (zz) gecombineerd met geen pigmentafzetting (ee). Dat levert een labrador met een gele vacht op. Alle labradors met genotype ee zijn immers geel, omdat er geen pigment wordt afgezet, ongeacht welk pigment er wordt aangemaakt. De getalsverhouding is daardoor 9 : 3 : 4.

ZzEe

gameten

ZzEe

ZZEE

ZzEE

ZZEe

ZzEe

ZzEE

zzEE

ZzEe

zzEe

ZZEe

ZzEe

ZZee

Zzee

ZzEe

zzEe

Zzee

zzee

zE gameten Ze

zwarte, bruine en gele labrador

S Afb. 96 Bij de kruising tussen twee heterozygote zwarte labradors wijkt de verhouding in de fenotypes af van 9 : 3 : 3 : 1. Dat is echter een schijnbare afwijking van de wet van Mendel. De verklaring voor die afwijking is een interactie tussen verschillende genen, die je epistasie noemt.

THEMA 02

hoofdstuk 1

VERDIEPING

Penetrantie en expressiviteit Bij alle voorbeelden die we besproken hebben, resulteerde de aanwezigheid van een dominant allel in het bijbehorende fenotype. Er bestaan echter ook voorbeelden waarbij dat niet zo is. Polydactylie is een aandoening waarbij iemand extra vingers of tenen heeft. Dat fenotype wordt veroorzaakt door een dominant allel. Men stelt echter vast dat de aanwezigheid van dat dominante allel niet bij alle individuen leidt tot allel het bijbehorende fenotype oplevert, gebruik je

polydactylie. Om aan te duiden hoe vaak het dominante het begrip penetrantie. Als in een populatie alle dragers van

een dominant allel het bijbehorende fenotype vertonen, noem je dat complete penetrantie. Als bij een deel van de dragers het allel niet tot uiting komt, noem je dat gereduceerde

penetrantie. Men vermoedt dat een gereduceerde penetrantie te wijten is aan een combinatie van genetische factoren, omgevingsfactoren en levensstijl.

S Afb. 97 Polydactylie

Op de afbeelding hieronder wordt het genotype polydactylie bij individuen voorgesteld met een blauw

VA N

vierkant. Het genotype zonder polydactylie wordt voorgesteld met een wit vierkant. Je kunt complete en gereduceerde penetrantie dan als volgt voorstellen:

complete penetrantie

gereduceerde penetrantie

S Afb. 98 Penetrantie geeft weer bij hoeveel individuen van de populatie een kenmerk tot uiting komt.

Een dominant allel kan meer of minder tot uiting komen in het fenotype. Sommige mensen met polydactylie hebben bijvoorbeeld twee extra vingers, terwijl andere mensen enkel een extra stompje hebben. Om aan te duiden in welke mate het allel tot uiting komt, gebruik je de term expressiviteit. Dat begrip verwijst dus naar de variatie in symptomen of kenmerken die voorkomt bij mensen met hetzelfde genotype. Een combinatie

van genetische en omgevingsinvloeden ligt waarschijnlijk aan de basis van een variabele expressiviteit.

constante expressiviteit

variabele expressiviteit

S Afb. 99 Expressiviteit geeft de variatie weer waarmee een kenmerk tot uiting komt.

THEMA 02

hoofdstuk 1

Soms verloopt overerving complexer of wijken de verwachte frequenties bij de nakomelingen af ten opzichte van wat je op basis van de wetten van Mendel verwacht. Enkele bijzondere gevallen zijn:

BESCHRIJVING Geen van beide allelen van een gen is volledig dominant, waardoor

dominantie

nakomelingen een fenotype vertonen dat intermediair is.

codominantie

Beide allelen laten zich in dezelfde mate laten gelden.

multipele allelen

Er komen meer dan twee allelen van één gen voor.

letale allelen

De allelen leveren in een homozygoot genotype geen levensvatbaar individu op.

polygenie

onvolledige

Bij deze interactie tussen genen werken meerdere genen samen om één kenmerk tot stand te brengen.

epistasie

Bij deze interactie tussen genen wordt het tot uiting komen van een

VA N

gen in het fenotype beïnvloed door de expressie van een ander gen.

THEMA 02

hoofdstuk 1

AAN DE SLAG 1

Bij de mens is allel S noodzakelijk voor

Twee eigenschappen bij een bepaalde tarwesoort

de ontwikkeling van een normaal slakkenhuis in

worden bepaald door genen waarbij men spreekt

het inwendige oor en allel E voor de ontwikkeling

van volledige dominantie:

van een normale gehoorzenuw. Bij afwezigheid

• De kleur van het zilvervlies: die kan rood of wit

van een van die allelen is het individu doof. Welke

zijn. De rode kleur is dominant.

genotypes hebben de ouders, als je weet dat ze

• De gladheid van de stengel: die kan harig of kaal

beiden doof zijn, maar alleen normaal horende

zijn. De harige variant is dominant.

kinderen hebben? 2

De kleur en het patroon van de vacht van runderen worden bepaald door meerdere genen. Voor deze oefening veronderstellen we dat runderen zwart (Z) of bruin (z) kunnen zijn. Runderen kunnen eenkleurig zijn (E) of een vlekkenpatroon vertonen (e). Men voert een kruising uit tussen een zwarte, gevlekte koe en een homozygote bruine stier. Die levert in de F1-generatie een heterozygote

Een teler heeft twee soorten planten die voor elk kenmerk homozygoot zijn. Plant 1 heeft een rood zilvervlies en een kale stengel. Plant 2 heeft een wit zilvervlies en een harige stengel. Hoe kan hij

daaruit planten verkrijgen met een wit zilvervlies en een kale stengel?

Een tuinier heeft deze Japanse roos met

rood-witte bloemen

met een heterozygote zwarte koe (ZzEe).

in zijn tuin staan. Hij

Welke mogelijke fenotypes zijn er

wil graag een plant

in de F2-generatie?

met volledig rode

fenotypes in de F2-generatie?

zelf kweken?

VA N

zwarte stier op (ZzEe). Die wordt vervolgens gekruist

b Wat is de verhouding van de verschillende

Mendel bedekte tijdens de onderlinge kruising

bloemen. Kan hij die

van de uniforme F1-generatie de bloemen van

Welke bloedgroepen zou je verwachten bij de kinderen van de volgende ouders, en in welke

de planten. Waarom deed hij dat?

verhouding? a

S Een Japanse roos (Camellia japonica)

Bij de mens is het kenmerk ‘smalle neusgaten’

Een vrouw met bloedgroep AB krijgt kinderen

met een man met bloedgroep O.

recessief ten opzichte van het kenmerk ‘brede

b Een vrouw met bloedgroep B (genotype BO)

neusgaten’. Een man met brede neusgaten en

krijgt kinderen met een man met

een vrouw met smalle neusgaten krijgen samen

bloedgroep AB.

twee dochters: eentje met smalle neusgaten en

eentje met brede neusgaten. Kan de dochter met

Deze kleine

brede neusgaten kinderen krijgen met smalle

manxkitten is zonder

neusgaten? Verklaar.

staart geboren.

Het ontbreken van 5

Voor de lengte van de bloemsteel en het moment

een staart wordt

van bloeien zijn de allelen bij erwten onvolledig

veroorzaakt door

dominant. Beide kenmerken zijn intermediair. Er

het dominante

worden twee homozygote erwtenrassen gekruist,

gen A. Staartloze

het ene met een lange bloemsteel en een vroege

manxkittens zijn populair, maar voor fokkers doet

bloeitijd (LLBB), het andere met een korte

er zich een probleem voor. Homozygoot staartloze

bloemsteel en een late bloeitijd (llbb).

kittens zijn niet levensvatbaar. Ze sterven voor de

Welk fenotype heeft de F1-generatie?

b Noteer de fenotypes met hun frequenties in F2

S Een staartloze manxkitten

geboorte. Wat is het genotype van de kitten op de afbeelding?

na zelfbestuiving van de F1-generatie.

Meer oefenen? Ga naar

THEMA 02

. hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

HOOFDSTUKSYNTHESE KRUISINGSSCHEMA’S • Monohybride kruisingen zijn kruisingen tussen twee organismen waarbij men let op de overerving van één kenmerk. • Bij dihybride kruisingen onderzoekt men

de overerving van twee kenmerken. een hoofdletter, recessieve allelen met een kleine letter. In het geval van onvolledige dominantie worden er twee verschillende hoofdletters gebruikt. • Als een individu voor een bepaald gen twee identieke allelen bezit, dan is het homozygoot voor dat kenmerk. Bevat het twee verschillende allelen, dan is het heterozygoot. • De verschillende combinaties van allelen in

PP paars

genotype fenotype

pp wit

gameten

Pp Pp paars

1 2

• Dominante allelen worden voorgesteld met

F1 gameten

VA N

gameten, met bijbehorende kansen, worden

1 2

weergegeven in een Punnett-vierkant.

F2 gameten

THEMA 02

SYNTHESE hoofdstuk 1

1 2

genotype PP fenotype paars 1 1 1 · = 2 2 4

genotype Pp fenotype paars 1 1 1 · = 2 2 4

genotype pp fenotype wit 1 1 1 · = 2 2 4

VIDEO

kennisclip

WETTEN VAN MENDEL Via kruisingsexperimenten met verschillende erwtenrassen ontdekte Gregor Mendel (1822-1884) wetmatigheden in de overerving van kenmerken bij organismen. 1

Uniformiteitswet Bij een monohybride kruising van homozygote organismen zijn alle

Splitsingswet

F1-nakomelingen identiek.

Bij de kruising van twee F1-nakomelingen uit de eerste uniforme generatie

ontstaan er nakomelingen met verschillende genotypes en fenotypes.

Er bestaat een vaste getalsverhouding tussen de verschillende fenotypes. 3

Onafhankelijkheidswet

De verschillende kenmerken worden onafhankelijk van elkaar overgeërfd.

BESCHRIJVING

VA N

VARIATIES OP MENDEL

Geen van beide allelen is volledig dominant.

codominantie

Er is geen dominant allel. Elk allel komt afzonderlijk tot uiting.

multipele allelen

Het gen heeft meer dan twee allelen.

letale allelen

Een individu dat homozygoot is voor de letale allelen, is niet levensvatbaar.

polygenie

Meerdere genen zijn verantwoordelijk voor één kenmerk.

epistasie

Het tot uiting komen van een gen wordt beïnvloed door een ander gen.

onvolledige dominantie

THEMA 02

SYNTHESE hoofdstuk 1

HOOFDSTUK 2

Î De chromosomale basis van overerving Thomas Hunt Morgan (1866-1945) voerde talloze kruisingsexperimenten uit met fruitvliegjes. Op die manier

hoopte hij te ontrafelen hoe erfelijke kenmerken worden doorgegeven naar de volgende generaties. Net zoals Mendel verrichtte Morgan baanbrekend werk. Hij toonde immers aan dat chromosomen de dragers zijn van genen, dat sommige genen samen worden overgeërfd en dat bepaalde kenmerken geslachtsgebonden zijn.

Vanwege het belang van zijn werk ontving hij in 1933 de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde en wordt hij gezien als een pionier van de moderne genetica. LEERDOELEN

M De verschillende overervingsmechanismen uitleggen en toepassen in vraagstukken M Gekoppelde overerving van genen uitleggen

VA N

M De overerving van het geslacht bij de mens uitleggen

M Geslachtsgebonden overerving bij de mens uitleggen

Cytologie is de celleer of kennis over cellen.

Het werk van Morgan

1.1

Chromosomen als dragers van genen

De ontdekkingen van Mendel brachten een aantal inzichten bij over allelen, de varianten van een gen. Na die ontdekkingen boekte men ook in de cytologie een sterke vooruitgang. Zo konden bijvoorbeeld chromosomen zichtbaar worden gemaakt. Het werd duidelijk dat ze voorkomen in paren en dat ze door verschillen in vorm en lengte individueel herkenbaar zijn. Men kreeg ook zicht op de complexe bewegingen die chromosomen maken tijdens de mitose en de meiose. In de volgende tabel zetten we de inzichten die Mendel bijbracht, naast de kennis die we hebben

over chromosomen.

THEMA 02

hoofdstuk 2

INZICHTEN

VOORKOMEN EN

VAN

BEWEGING VAN

MENDEL

CHROMOSOMEN In elke lichaamscel komen chromosomen in

aanwezig voor een bepaald kenmerk.

paren voor.

De allelen van een paar komen bij de vorming

Tijdens de meiose worden de homologe

van de gameten elk in een andere gameet

chromosomen van elkaar gescheiden,

terecht.

waardoor er haploïde gameten ontstaan.

De zygote beschikt telkens over paren van

Bij de bevruchting versmelten twee haploïde

allelen, waarvan telkens één allel afkomstig is

gameten tot een diploïde zygote. Van een

van elke ouder.

chromosomenpaar is er dus één chromosoom

In elke lichaamscel zijn er twee allelen

afkomstig van de vader en één van de moeder. Allelen worden onafhankelijk van elkaar

Tijdens de meiose worden beide

doorgegeven aan de nakomelingen.

chromosomen van een paar op willekeurige basis gescheiden, zodat er in elke gameet één

VA N

chromosoom van elk paar terechtkomt.

De parallellen tussen de verdeling van allelen volgens de wetten van Mendel en de beweging van de chromosomen tijdens de meiose leidden al snel tot de hypothese dat de chromosomen de basis vormen voor de erfelijkheid en dat allelen fysiek op de chromosomen liggen. Het was uiteindelijk de Amerikaanse bioloog Thomas Hunt Morgan die aan de hand van kruisingsproeven met witogige en roodogige fruitvliegjes die hypothese bevestigde. Hij stelde bovendien dat de allelen lineair gerangschikt zijn op de chromosomen.

homologe chromosomen

replicatie

zelfde lengte

homologe chromosomen

zelfde genlocus

zusterchromatiden

S Afb. 100 Thomas Hunt Morgan toonde aan dat genen fysiek op de chromosomen liggen. Chromosomen komen voor in paren (homologe chromosomen). Op de overeenkomstige genloci bevinden zich dezelfde genen. Voor elke deling wordt het erfelijk materiaal verdubbeld. De twee chromatiden die ontstaan, blijven ter hoogte van de centromeer met elkaar verbonden.

THEMA 02

hoofdstuk 2

1.2

Gekoppelde genen

Morgan en zijn medewerkers slaagden erin om tientallen mutaties bij fruitvliegen op te wekken. Ze deden dat bijvoorbeeld door de fruitvliegjes te bestralen. Zo ontstonden er verschillende

wildtype

Het wildtype is het fenotype van een soort dat in de natuur het meest voorkomt.

mutant

mutanten.

met

vleugelstompjes

VA N

zwart lijf

mutant

met

staafvormige ogen

mutant

met

mutant

bruine ogen

met

witte ogen

mutant

met

gekrulde vleugels

mutant

met

geel lichaam

S Tabel 3 Naast het wildtype zijn er van de fruitvlieg heel wat mutanten gekend.

WEETJE

Fruitvliegjes zijn maar enkele millimeters groot en makkelijk te kweken op een eenvoudige

voedingsbodem, zoals een stuk fruit. Ze brengen veel nakomelingen voort. Bovendien bedraagt

de generatietijd amper tien tot twaalf dagen. In een korte tijdspanne kan men dus veel

generaties bestuderen. Er zijn een aantal

varianten bekend die te onderscheiden zijn op

basis van de oogkleur, de kleur van het lichaam en de vorm van de vleugels. Ook het feit dat

Ga naar thema 04, p. 224-225, als je meer wilt weten over modelorganismen.

THEMA 02

fruitvliegen maar vier paar chromosomen hebben, maakt hen tot een ideaal modelorganisme.

hoofdstuk 2

S Afb. 101 Rijp fruit vormt een ideale voedingsbodem voor fruitvliegjes (Drosophila melanogaster).

Door kruisingen met die mutante vliegen uit te voeren, probeerden de onderzoekers na te

gaan of de wetten van

x l

Mendel juist waren. Ze voerden een dihybride

GGLL grijs, lang

kruising uit tussen een homozygote fruitvlieg

ggll zwart, kort

met een grijs lichaam en lange vleugels, het

wildtype, en

G L

fruitvlieg met een zwart lichaam en korte vleugels. De F1-nakomelingen

een homozygote

S Afb. 102 De kruising van een mannelijk grijs fruitvliegje met lange vleugels en een vrouwelijk zwart fruitvliegje met korte vleugels levert een grijs fruitvliegje met lange vleugels op.

waren fenotypisch gelijk

voor de kenmerken lichaamskleur en vleugellengte, zoals voorspeld door de uniformiteitswet.

Aangezien alle nakomelingen een grijs lichaam en lange vleugels hadden, zijn de kenmerken ‘grijs

VA N

lichaam’ en ‘lange vleugels’ dominant over de kenmerken ‘zwart lichaam’ en ‘korte vleugels’. De F1-nakomelingen werden gebruikt voor een aantal kruisingen. Eerst werd een F1-mannetje met

een dubbel recessief vrouwtje gekruist. Die kruising leverde een generatie op waarvan het aantal verschillende fenotypes en hun frequentie afweek van wat op basis van de wetten van Mendel kon worden voorspeld. Bij de nakomelingen waren enkel de fenotypes aanwezig die ook bij de ouders voorkwamen, in een verhouding 1 : 1.

gameten

GgLl

ggLl

Ggll

ggll

grijs, lang

zwart, lang

grijs, kort

zwart, kort

25 %

50 %

gameten

GENOTYPE

FENOTYPE

VERWACHTE

VERHOUDING BEKOMEN

VERHOUDING

S Tabel 4 De kruising tussen een grijs mannetje met lange vleugels en een zwart vrouwtje met korte vleugels levert vier verschillende fenotypes bij de nakomelingen op. De percentages voor elk fenotype staan in de tabel.

THEMA 02

hoofdstuk 2

Daaruit leidde Morgan af dat kenmerken samen kunnen overerven. Hij realiseerde zich dat er op één chromosoom meerdere genen liggen. Bij de meiose komt een chromosoom in zijn geheel bij een gameet terecht.

gameten P

x l

gameten GGLL grijs, lang G

xL l

Gg g

Lll

F1 l

ggll zwart, kort

ggll grijs, lang zwart, kort

l ggll

zwart, kort

S Tabel 5 De allelen G en L enerzijds en g en l anderzijds worden gekoppeld doorgegeven aan de nakomelingen.

Alle genen die op een chromosoom liggen, vormen een koppelingsgroep. Het aantal koppelingsgroepen aan het aantal chromosomen in de haploïde gameet. G is gelijk g

VA N

l l

G L

GgLl GGLL grijs, lang

g g

Wanneer twee genen samen overerven, noem je dat gekoppelde genen. Dat betekent dat de L l

onafhankelijkheidswet van Mendel enkel geldig is voor genen die op verschillende chromosomen liggen of ver van elkaar verwijderd zijn.

Wanneer Morgan een F1-vrouwtje kruiste met een dubbel recessief mannetje, bekwam hij andere verhoudingen bij de fenotypes.

gameten

GgLl

ggLl

Ggll

ggll

grijs, lang

zwart, lang

grijs, kort

zwart, kort

VERWACHTE VERHOUDING ALS GENEN NIET GEKOPPELD ZIJN

25 %

VERWACHTE VERHOUDING ALS GENEN VOLLEDIG GEKOPPELD ZIJN

50 %

BEKOMEN VERHOUDING

41 %

gameten

GENOTYPE

FENOTYPE

S Tabel 6 De kruising tussen een grijs vrouwtje met lange vleugels en een zwart mannetje met korte vleugels levert vier verschillende fenotypes bij de nakomelingen op. De percentages voor elk fenotype staan in de tabel.

100

THEMA 02

hoofdstuk 2

Het resultaat van die kruising toonde aan dat bij de meerderheid van de nakomelingen het gen voor lichaamskleur samen met het gen voor vleugellengte wordt overgeërfd. Bij 82 % van de nakomelingen zie je immers een fenotypische combinatie die je ook al bij de ouders zag. In 18 % van de nakomelingen echter zijn de genen voor lichaamskleur en vleugellengte ontkoppeld geraakt. Daardoor zijn er nieuwe genencombinaties ontstaan. De nieuwe fenotypes die ontstaan door een ontkoppeling van genen, noem je recombinanten.

1.3 Overkruising Morgan kon de ontkoppeling van genen en het ontstaan van nieuwe fenotypes verklaren nadat hij het werk van de Belgische cytoloog Frans Janssens (1863-1924) had gelezen. Janssens had opgemerkt dat tijdens de profase van meiose I homologe chromosomen dicht bij elkaar komen

te liggen en de niet-zusterchromatiden onderling stukken met elkaar kunnen uitwisselen. Dat verschijnsel heet crossing-over of overkruising. De plaats waar de chromatiden met elkaar

contact maken, noem je een chiasma. Door overkruising ontstaan er nieuwe allelencombinaties, en dus ook nieuwe fenotypes. De nieuwe allelencombinaties vormen dus recombinanten.

VA N

b B

Het meervoud van ‘chiasma’ is ‘chiasmata’.

recombinanten

S Afb. 103 Een schematische voorstelling van een overkruising tussen twee homologe chromosomen. Daardoor ontstaan er naast de genencombinaties AB en ab ook de genencombinaties Ab en aB.

WEETJE

Overkruising blijkt bij fruitvliegen enkel bij vrouwelijke individuen voor te komen. Ook bij heel wat andere diersoorten blijkt overkruising meer voor te komen bij vrouwelijke individuen, hoewel er daarop ook uitzonderingen bestaan.

Het percentage gameten waarin twee genen ontkoppeld raken en er dus een genetische

recombinatie heeft opgetreden, noem je de recombinatiefrequentie voor die genen. De koppelingsfrequentie geeft het percentage van de gameten weer waar de allelen die op hetzelfde chromosoom liggen, samen worden overgeërfd. De som van de koppelingsen recombinatiefrequentie moet 100 % bedragen. In het bovenstaande voorbeeld is de koppelingsfrequentie 82 % (grijs, lang 41 % + zwart, kort 41 %). De recombinatiefrequentie is dan 18 % (grijs, kort 9 % + zwart, lang 9 %). Beide frequenties worden vaak uitgedrukt in de eenheid centimorgan (cM). 0 cM is gelijk aan een recombinatiefrequentie van 0 %. Een recombinatiefrequentie van 0 % betekent dat er geen enkele kans is op een breuk in het gebied dat tussen de betrokken genen ligt. Als de genen zo ver uit elkaar liggen dat de recombinatiefrequentie gelijk is aan 50 %, is het patroon van overerving volledig gelijk aan dat van genen die op andere chromosomen liggen: ze erven onafhankelijk van elkaar over.

THEMA 02

hoofdstuk 2

101

1.4 Genenkaarten De resultaten van een groot aantal kruisingsproeven met fruitvliegen toonden aan dat de recombinatiefrequentie tussen twee genen constant is. Morgan leidde daaruit af dat die frequentie afhangt van de afstand tussen de genen op het chromosoom: • Een kleine recombinatiefrequentie betekent dat de genen dicht bij elkaar liggen. De kans dat er een overkruising gebeurt tussen beide, is klein. • Een grote recombinatiefrequentie betekent dat de genen ver uit elkaar liggen. Hoe verder genen uit elkaar liggen, hoe groter de kans dat er een overkruising tussen beide genen gebeurt en de genen ontkoppeld raken. Je kunt de recombinatiefrequentie dus gebruiken om de relatieve afstand van de genen op een genenkaart opstellen.

een chromosoom weer te geven. Aan de hand van die techniek, die je gene mapping noemt, kun je

VOORBEELD GENENKAART FRUITVLIEG

Veronderstel dat de genloci voor lichaamskleur (g)

en vleugellengte (l) op het chromosoom van een fruitvlieg

gekend zijn, maar de locatie van het gen voor oogkleur (o) nog niet. De recombinatiefrequentie tussen de kenmerken

lichaamskleur en vleugellengte bedraagt 17 %.

VA N

De recombinatiefrequentie tussen de kenmerken

lichaamskleur en oogkleur bedraagt 8 %, en die tussen

9% o

oogkleur en vleugellengte 9 %. Uit die informatie kun je

afleiden dat het gen voor oogkleur tussen de genen voor lichaamskleur en vleugellengte ligt.

17 %

Op basis van een groot aantal kruisingsproeven bij fruitvliegen bleek dat er vier koppelingsgroepen zijn van genen. Op basis van recombinatiefrequenties kon men een genenkaart van

website: genenkaart mens

elk van de chromosomen opmaken. Een genenkaart geeft de volgorde van de verschillende genloci weer.

VIDEO

102

THEMA 02

hoofdstuk 2

S Afb. 104 Genloci voor vleugellengte (l), oogkleur (o) en lichaamskleur (g). De recombinatiefrequentie van die kenmerken staat aangegeven als percentage.

1 Y

cM 0,0 1,5 7,5

geel lichaam witte ogen robijnrode ogen

Chromosoom 2

Chromosoom 3

Chromosoom 4

cM 1,5 2,0

26,0

donkerbruine ogen

40,1 44,0 48,0

kleine haren scharlaken ogen roze ogen

13,0

27,7 33,0 36,1

ruitvormige vleugels vermiljoen ogen miniatuurvleugels

43,0

zandkleurig lichaam

62,0

vleeskleurige ogen

gebogen vleugels zonder ogen

afgeknotte vleugels

48,5

zwart lichaam

54,5 60,0

paarse ogen safranine ogen

67,0

stompjesvleugels

62,0 70,7

gestreept lichaam pikzwart lichaam witte ogen

VA N

76,2

Chromosoom 1 (X)

104,0 107,5

bruine ogen ballonvleugels

S Afb. 105 De genenkaart van een fruitvlieg

Thomas Hunt Morgan slaagde er door kruisingsproeven met fruitvliegjes in om een aantal nieuwe genetische ontdekkingen te doen:

• Chromosomen zijn de dragers van genen. Genen liggen lineair gerangschikt op de chromosomen.

• Een chromosoom kun je beschouwen als een koppelingsgroep van genen. Genen die op hetzelfde chromosoom liggen, vormen een koppelingsgroep. Gekoppelde genen worden samen overgeërfd. De onafhankelijkheidswet van Mendel geldt in dat geval dus niet.

• Recombinanten zijn nakomelingen waarbij er door overkruising nieuwe

allelencombinaties ontstaan. Dat doet zich voor bij de vorming van de gameten. De homologe chromosomen vormen paren en wisselen stukjes DNA tussen nietzusterchromatiden uit.

• De recombinatiefrequentie kun je gebruiken om de relatieve afstand tussen genen op hetzelfde chromosoom te bepalen. Op basis van recombinatiefrequenties kun je een genenkaart opstellen.

THEMA 02

hoofdstuk 2

103

2 Geslachtsgebonden overerving 2.1 Bij sommige mensen komen er variaties op die aantallen chromosomen voor. We bespreken er enkele in thema 03.

Overerving van het geslacht

In het begin van de twintigste eeuw ontdekte men bij een aantal soorten dat één chromosomenpaar verschillend was bij mannelijke en vrouwelijke individuen. Die geslachtschromosomen vormen de chromosomale basis voor het geslacht. Je weet al dat er bij de mens en de meeste andere zoogdieren twee verschillende geslachtschromosomen aanwezig zijn, die je voorstelt met X en Y. Vrouwelijke lichaamscellen bevatten twee X-chromosomen. Mannelijke cellen hebben een X- en een Y-chromosoom. De chromosomen die niet instaan voor

de bepaling van het geslacht, zijn de autosomen. Vrouwelijke individuen produceren tijdens de oögenese oöcyten met 22 autosomen en één

X-chromosoom. Omdat oöcyten altijd een X-chromosoom bevatten, zijn vrouwen homogametisch.

Mannelijke individuen produceren tijdens de spermatogenese spermatozoïden met 22 autosomen en ofwel het X-chromosoom, ofwel het Y-chromosoom. Mannen zijn heterogametisch, omdat niet alle spermatozoïden hetzelfde geslachtschromosoom bevatten.

Tijdens de bevruchting versmelt een oöcyt met een spermatozoïde. Bij mensen en de meeste zoogdieren bepaalt de spermatozoïde het geslacht van de nakomeling:

• Als de spermatozoïde een X-chromosoom bevat, ontstaat er een meisje. • Als de spermatozoïden een Y-chromosoom bevat, ontstaat er een jongen.

VA N

Hoe bepalen de geslachtschromosomen het geslacht? Ontdek . het op

Omdat er bij de spermatogenese evenveel spermatozoïden met een X-chromosoom als met een Y-chromosoom worden gevormd, is de kans op een zoon of een dochter bij een bevruchting even groot (50 %).

GAMEET MET

X-CHROMOSOOM

Y-CHROMOSOOM

GAMEET MET X-CHROMOSOOM

VERHOUDING

50 %

WEETJE Het geslacht wordt niet bij alle dierlijke organismen op dezelfde manier bepaald. Bij vogels komen er ook geslachtschromosomen voor, maar daar zijn de vrouwelijke organismen heterogametisch en de mannelijke organismen homogametisch. De geslachtschromosomen worden er voorgesteld door W en Z in plaats van X en Y. Bij heel wat spinachtigen en insecten bestaat er geen Y-chromosoom: mannetjes bezitten één X-chromosoom (XO) en vrouwtjes twee X-chromosomen.

104

THEMA 02

hoofdstuk 2

S Afb. 106 Bijeneters (Merops apiaster)

WEETJE De temperatuur tijdens de embryonale ontwikkeling is bepalend voor het geslacht bij sommige soorten schildpadden, slangen en hagedissen: bij hogere temperaturen worden er vooral vrouwtjes geboren, terwijl er bij lagere temperaturen eerder mannetjes worden geboren. De klimaatverstoring vormt dus op die manier een bedreiging voor het voorbestaan van heel wat soorten. immers voor dat de oöcyten van

S Afb. 107 Een sporenschildpad (Centrochelys sulcata) komt uit zijn ei.

Een daling in het aantal mannetjes zorgt er

de vrouwelijke soorten niet worden bevrucht en dat er onvoldoende of geen nakomelingen worden geproduceerd om de populatie in stand te houden.

2.2 Genen op de geslachtschromosomen

Je weet al dat Morgan kruisingsproeven uitvoerde met varianten van fruitvliegen, waarbij hij keek naar de overerving van kenmerken, zoals vleugellengte of lichaamskleur. Een ander kenmerk

VA N

waarvan hij de overerving onderzocht, was oogkleur. Wildtype fruitvliegen in de natuur hebben rode ogen. Morgan vond echter tussen zijn gekweekte

fruitvliegen mannelijke exemplaren met witte ogen. Kruising van

de mannelijke, witogige fruitvlieg

met een roodogig vrouwtje

leverde een uniforme F1-generatie van roodogige fruitvliegen

op. Dat betekent dat het allel

‘rood’ dominant is. Door die F1-

nakomelingen onderling verder

te kruisen, ontstond er een F2-

generatie met roodogige en witogige

nakomelingen. De verhouding tussen de fenotypes bedroeg 3 : 1, zoals

voorspeld door de splitsingswet van

Mendel.

Morgan merkte op dat alle witogige nakomelingen mannetjes waren. Hij toonde aan dat het gen voor oogkleur op het X-chromosoom ligt

S Afb. 108 Het gen voor oogkleur ligt bij fruitvliegen enkel op het X-chromosoom.

en dat een overeenkomstige genlocus op het Y-chromosoom ontbreekt. De geslachtschromosomen bevatten dus ook genen die niet betrokken zijn bij de biologische geslachtsbepaling.

THEMA 02

hoofdstuk 2

105

Omdat er op het Y-chromosoom van fruitvliegen geen gen voor oogkleur ligt, zal bij mannelijke fruitvliegen een recessief allel altijd tot uiting komen. Vrouwelijke fruitvliegen bezitten twee X-chromosomen en hebben enkel witte ogen als ze homozygoot zijn voor het witogige allel. Omdat het Y-chromosoom korter is dan het X-chromosoom, bevat het minder genen. De X- en de Y-chromosomen hebben een verschillende vorm en worden daarom als niet-homoloog beschouwd. Genen die alleen aanwezig zijn op het X-chromosoom, kennen een X-gebonden overerving. een Y-gebonden overerving.

S Afb. 109 Men schat dat het X-chromosoom tussen de 900 en de 1 600 genen bevat. Het Y-chromosoom zou tussen de 70 en de 200 genen bevatten.

Genen die alleen op het Y-chromosoom voorkomen, kennen

Hoewel veel genen die op het X-chromosoom liggen, ontbreken op het Y-chromosoom, zijn de uiteinden van de twee geslachtschromosomen homoloog aan elkaar. Net zoals

bij de autosomen kan er recombinatie gebeuren in die regio’s door overkruising tussen

de geslachtschromosomen. Die regio’s worden daarom de pseudo-autosomale regio’s (PAR) genoemd.

VA N

PAR

106

THEMA 02

hoofdstuk 2

W Afb. 110 De uiteinden van het X- en het Y-chromosoom zijn homoloog aan elkaar en vormen pseudo-autosomale regio’s (PAR). De genen worden overgeërfd alsof ze op autosomen liggen: door overkruising kan er recombinatie optreden.

2.3 X-gebonden overerving A

Recessieve aandoeningen

Een X-gebonden recessieve aandoening komt bij mannen tot uiting als ze het allel voor de aandoening op hun X-chromosoom bezitten. Bij vrouwen komt die aandoening tot uiting als ze op hun beide X-chromosomen het allel bezitten. Een vrouw die maar op één X-chromosoom het allel voor de aandoening bezit, noem je een drager.

VOORBEELD DALTONISME is rood-groenkleurenblindheid, ook wel ‘daltonisme’

Een voorbeeld van X-gebonden recessieve overerving genoemd, omdat de Engelse scheikundige John Dalton (1766-

1844) die oogafwijking had en er ook een artikel over schreef. Iemand met daltonisme heeft slecht werkende kegeltjes in het netvlies en kan daardoor het verschil tussen rood en groen moeilijk onderscheiden.

Als een kleurenblinde man kinderen krijgt met een vrouw die

S Afb. 111 Een testkaart voor roodgroenkleurenblindheid. Een nietkleurenblinde persoon ziet het getal 74.

geen draagster is, dan zullen zowel de zonen als de dochters

VA N

een normaal zicht hebben. Alle dochters zullen draagster zijn. Als een man die de aandoening niet heeft, kinderen krijgt met

een draagster, zal statistisch gezien de helft van de zonen de aandoening hebben. De helft van de dochters zal statistisch gezien draagster zijn van het allel. Zonen hebben in dit geval dus een kans van 50 % op daltonisme, dochters een kans van 0 %.

moeder

vader

moeder

x Y

X X

X Y

x X

vader

normaal X-chromosoom

xX drager

aandoening op X-chromosoom

W Afb. 112 De overerving van een X-chromosoomgebonden recessieve aandoening

X-gebonden recessieve kenmerken komen bij vrouwen enkel tot uiting als ze homozygoot zijn voor het gemuteerde allel.

Je merkt dus dat bij X-gebonden overerving van een recessieve afwijking: • er meer mannen worden getroffen door de afwijking; • het kenmerk doorgaans niet in opeenvolgende generaties tot expressie komt: een kleurenblinde man heeft gewoonlijk geen kleurenblinde ouders, maar zijn grootvader aan moederskant vertoonde de afwijking wel. THEMA 02

hoofdstuk 2

107

Dominante aandoeningen

Een X-gebonden dominante aandoening komt tot uiting zodra er één X-chromosoom met het allel voor de aandoening aanwezig is in de cel.

VOORBEELD DOMINANTE X-GEBONDEN AANDOENING Als een gezonde man kinderen krijgt met een vrouw die de aandoening heeft, dan hebben zowel de dochters als de zonen 50 % kans om de aandoening van hun moeder te erven. Als een man met de aandoening kinderen krijgt met een gezonde vrouw, dan hebben alle dochters de aandoening, maar de zonen nooit.

x Y

X x

vader

moeder

X Y

x x

moeder

VA N

vader

normaal X-chromosoom

aandoening op X-chromosoom

S Afb. 113 De overerving van een X-chromosoomgebonden dominante aandoening

X-gebonden dominante afwijkingen komen in theorie zowel bij mannen als bij vrouwen voor. Toch komen in de praktijk veel van die aandoeningen vaker of uitsluitend voor bij vrouwen, omdat mannelijke foetussen met de aandoening niet levensvatbaar zijn. Daardoor overlijden mannelijke foetussen voor de geboorte en treedt er een spontane miskraam op. Vrouwen met een X-gebonden aandoening hebben een tweede X-chromosoom waarop het gezonde allel aanwezig is. In thema 03 zul je zien dat er in vrouwelijke cellen altijd één X-chromosoom willekeurig wordt uitgeschakeld. Omdat in de helft van de cellen het X-chromosoom met het gen voor de aandoening is uitgeschakeld, is de helft van de cellen van de vrouw gezond. Bij vrouwen

zijn de symptomen milder en daardoor kunnen ze vaker overleven.

108

THEMA 02

hoofdstuk 2

2.4 Y-gebonden overerving Het Y-chromosoom bevat maar een beperkt aantal genen. Genen die een Y-gebonden overerving vertonen, komen enkel bij mannen tot uiting. Er zijn weinig voorbeelden van Y-gebonden overerving gekend bij de mens. Een voorbeeld is het TDF-gen, dat aan de basis ligt van de start van de ontwikkeling van de mannelijke geslachtsorganen. Het mannelijk geslacht wordt dus overgeërfd van vader op zoon, en komt niet bij dochters voor.

TDF staat voor Testes Determining Factor.

VOORBEELD SYNDROOM VAN SWYER Het syndroom van Swyer is een Y-gebonden erfelijke aandoening waarbij TDF niet correct wordt aangemaakt. Daardoor zal het embryo, ondanks de aanwezigheid van het Y-chromosoom,

zich toch uiterlijk ontwikkelen tot een meisje. Omdat die personen met vrouwelijke

geslachtsorganen en een baarmoeder worden geboren, voeden hun ouders hen op als

meisjes en valt de aanwezigheid van hun Y-chromosoom fenotypisch pas op in de puberteit. Hun eierstokken ontwikkelen niet goed en daardoor blijft de productie van vrouwelijke

geslachtshormonen, zoals oestrogeen en progesteron, achter. Personen met het syndroom van Swyer menstrueren niet, krijgen geen borsten en zijn onvruchtbaar.

De geslachtschromosomen vormen de chromosomale basis van het geslacht.

VA N

Een oöcyt bevat 22 autosomen en één X-chromosoom. Spermatozoïden bezitten naast de 22 autosomen een X-chromosoom of een Y-chromosoom. Wanneer een oöcyt bevrucht wordt door een spermatozoïde met een X-chromosoom, ontstaat er een meisje. In het andere geval ontstaat er een jongen.

Omdat het Y-chromosoom korter is dan het X-chromosoom, bevat het minder genen. De X- en de Y-chromosomen hebben een verschillende vorm en worden daarom als niet-homoloog beschouwd. De uiteinden van de geslachtschromosomen zijn wel homoloog aan elkaar. Je noemt ze de pseudo-autosomale regio’s (PAR).

Genen die alleen aanwezig zijn op het X-chromosoom, kennen een X-gebonden overerving. • Een X-gebonden recessieve aandoening komt bij mannen tot uiting als ze het allel voor de aandoening op hun X-chromosoom bezitten. Bij vrouwen komt die aandoening tot uiting als ze op hun beide X-chromosomen het allel bezitten. Een vrouw die maar op één X-chromosoom het allel voor de aandoening bezit, noem je een drager.

• Een X-gebonden dominante aandoening komt tot uiting zodra er een X-chromosoom met het allel voor de aandoening aanwezig is in de cel.

Genen die alleen op het Y-chromosoom voorkomen, kennen een Y-gebonden overerving.

Ze komen enkel bij mannen tot uiting.

THEMA 02

hoofdstuk 2

109

AAN DE SLAG 1

Zijn de volgende stellingen juist of fout?

Bij katten worden

Verbeter de foute stellingen.

de kleur en het patroon

Het is altijd zo dat op het ene chromosoom

van de vacht bepaald

de dominante allelen liggen en op het andere

door minstens tien

chromosoom van dat paar de recessieve allelen.

verschillende genen.

b Allelen die op hetzelfde chromosoom liggen, c

Een van die genen vind

worden altijd samen overgeërfd.

je terug op

Overkruising vindt plaats tijdens meiose II.

het X-chromosoom met

Genen A, B en C bevinden zich op hetzelfde chromosoom. Testkruisingen tonen aan dat de recombinatiefrequentie tussen A en B 33 % is en die tussen A en C 7 %. Kun je de lineaire volgorde van die genen bepalen? Leg uit.

de volgende allelen: R voor een rosse en r voor een zwarte vachtkleur.

Bij een heterozygoot vrouwtje wordt tijdens

de embryonale ontwikkeling in sommige stukken weefsel het X-chromosoom met R-allel

Een bepaalde grassoort heeft voor twee bestudeerde eigenschappen genotype AaBb.

uitgeschakeld en in andere stukken

het X-chromosoom met r-allel, waardoor dat

vrouwtje wordt geboren met een gevlekte vacht

gekoppeld. Welke allelcombinaties kunnen er

(rosse en zwarte vlekken). Een tweede gen dat

aanwezig zijn in de gameten?

de vachtkleur beïnvloedt, is niet X-chromosomaal.

VA N

Bij de vorming van gameten blijven allel A en allel B

In aanwezigheid van het dominante allel B heeft

Duchenne spierdystrofie is een ernstige erfelijke

de vacht witte vlekken. Een homozygoot recessieve

spierziekte die wordt veroorzaakt door een defect

kat (bb) heeft geen witte vlekken. Je spreekt van

in het dystrofinegen, wat leidt tot progressief

een lapjeskat wanneer de kat rosse, zwarte en witte

spierverlies en vaak tot vroegtijdig overlijden.

vlekken heeft.

Het is een X-gebonden recessieve ziekte. Hoe groot

is de kans dat een vrouw die het allel voor de ziekte

In een bepaalde wijk lopen de volgende vruchtbare

van Duchenne draagt, toch een gezonde zoon

poezen en katers rond:

krijgt?

• Roosje: genoytpe XAXA bb;

• Lola: genotype XaXa Bb;

Een vrouw die draagster is voor de aandoening

• Igor: genotype XAY bb;

hemofilie A, een X-gebonden recessief kenmerk,

• Olaf: genotype XaY BB;

krijgt kinderen met een gezonde man.

• Garfield: genotype XAY Bb;

Hoe groot is de kans dat een dochter draagster is?

• Max: genotype XaY Bb.

Welk van die katten is een lapjeskat?

b Welke poes moet met welke kater paren om een nest te krijgen met een zo groot mogelijke frequentie lapjeskatten? c

Hoe groot is de kans dat een vrouwtje in dat nest een lapjeskat is?

Meer oefenen? Ga naar

110

THEMA 02

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

In een lichaamscel komen chromosomen voor in paren.

homologe chromosomen

Op de chromosomen liggen de genen lineair gerangschikt. Chromosomen zijn dus de dragers van genen.

replicatie

Genen op hetzelfde chromosoom kunnen samen overerven.

zelfde genlocus

Dat zijn gekoppelde genen. Tijdens de profase I van de meiose kan er crossing-over of overkruising optreden:

zusterchromatiden

homologe chromosomen

zelfde lengte

de niet-zusterchromatiden van homologe chromosomen

zusterchromatiden

wisselen stukken uit. Daardoor kunnen genen op hetzelfde chromosoom ontkoppeld raken. De nieuwe genotypes en

fenotypes die ontstaan door een ontkoppeling van genen, noem je recombinanten. a

b B

• De recombinatiefrequentie is het percentage gameten B

waarin twee genen ontkoppeld raken en er dus een b

genetische recombinatie heeft opgetreden.

recombinanten

• De koppelingsfrequentie geeft het percentage van de gameten weer waar de genen die op hetzelfde chromosoom liggen, samen worden overgeërfd.

De recombinatiefrequentie kun je gebruiken om de

b B

relatieve afstand tussen genen op hetzelfde chromosoom te

recombinanten recombinanten

bepalen.

GESLACHTSGEBONDEN OVERERVING

De geslachtschromosomen vormen de chromosomale basis van het geslacht: •

Een oöcyt bezit 22 autosomen en één X-chromosoom.

•

Spermatozoïden bezitten naast de 22 autosomen een X-chromosoom of een Y-chromosoom.

De spermatozoïde bepaalt het geslacht van de nakomeling: •

eicel X + zaadcel Y → XY =

•

eicel X + zaadcel X → XX =

Y-GEBONDEN OVERERVING

GEKOPPELDE GENEN

VA N

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE

X-GEBONDEN OVERERVING

• genen die alleen op het Y-chromosoom voorkomen • Komen alleen bij mannen tot uiting. • genen die alleen aanwezig zijn op het X-chromosoom

X-gebonden recessieve aandoening • Komt bij mannen tot uiting als ze het allel voor de aandoening op hun X-chromosoom bezitten. • Komt bij vrouwen tot uiting als ze op hun beide X-chromosomen het allel bezitten. Hebben ze maar op één X-chromosoom het allel voor de aandoening, dan zijn ze drager. X-gebonden dominante aandoening • Komt zowel bij mannen als bij vrouwen tot uiting zodra er een X-chromosoom met het allel voor de aandoening aanwezig is in de cel.

THEMA 02

SYNTHESE hoofdstuk 2

111

HOOFDSTUK 3

Î Erfelijkheidsonderzoek Het werk van Mendel en Morgan vormt de basis van de moderne genetica. Hun onderzoeken brachten heel wat inzichten bij over de manier waarop genen en kenmerken worden overgeërfd. Dankzij hun werk kunnen we de verhoudingen verklaren tussen de verschillende genotypes en fenotypes die we zien bij de nakomelingen in

LEERDOELEN M Een stamboomonderzoek uitvoeren

een kruising.

M De allelen genotypefrequenties in een populatie berekenen

Stamboomonderzoek

VA N

Als er binnen een familie iemand een specifiek erfelijk kenmerk of een afwijking vertoont, kan het belangrijk zijn om te weten of de genetische risicofactoren ook aanwezig zijn bij andere familieleden. Zo’n erfelijkheidsonderzoek is ook nodig om preventie- en behandelingsmethoden voor erfelijke aandoeningen te ontwikkelen. Daarnaast zijn wetenschappers geïnteresseerd in hoe vaak allelen voorkomen in een grotere groep van individuen, onder meer om het risico op bepaalde aandoeningen te kunnen inschatten.

Erfelijkheidsonderzoek kan gebeuren door kruisingsproeven uit te voeren, maar bij de mens bemoeilijken een aantal factoren die vorm van onderzoek:

• de lange generatietijd, waardoor onderzoekers tijdens hun leven maar een beperkt aantal generaties kunnen onderzoeken;

• het kleine aantal nakomelingen, waardoor erfelijkheidspatronen moeilijker zichtbaar worden; • de vrijheid van partnerkeuze, waardoor men gerichte kruisingsexperimenten tussen mensen met een welbepaald kenmerk niet kan uitvoeren.

Om erfelijkheidsonderzoek uit te voeren, gebruikt men onder andere stamboomonderzoek en statistische methoden.

Bij een stamboomonderzoek brengt men kenmerken en verwantschappen in kaart. De verwantschap tussen verschillende individuen van een familie stelt men op een overzichtelijke manier voor met een diagram. Op die manier probeert men te achterhalen of een kenmerk enerzijds autosomaal of geslachtsgebonden, en anderzijds dominant of recessief wordt overgeërfd. Een stamboom laat ook toe om te voorspellen met welke kans bepaalde nakomelingen een kenmerk zullen vertonen.

112

THEMA 02

hoofdstuk 3

In de tabel hieronder zie je enkele conventionele symbolen die men gebruikt om een stamboom op te maken:

SYMBOLEN BIJ STAMBOOMONDERZOEK duiden opeenvolgende generaties aan

overleden

1, 2, 3, 4 …

duiden leden van één generatie aan

geslacht onbekend

man

twee-eiige tweeling

I, II, III, IV …

man met aandoening

eeneiige tweeling

vrouw

partnerrelatie

partnerrelatie tussen

vrouw met aandoening

bloedverwanten

De opeenvolgende generaties worden verticaal weergegeven: de oudste bovenaan en de jongste onderaan. De mannelijke partner van een koppel tekent men meestal links. De nakomelingen

VA N

geeft men horizontaal weer van oud naar jong.

VOORBEELDOEFENING 1

Een familie wordt getroffen door een erfelijke ziekte. Gegeven:

de stamboom die het voorkomen van de ziekte bij de verschillende familieleden weergeeft I

Gevraagd: 1

III

Wordt de ziekte dominant of recessief overgeërfd?

Wordt de ziekte autosomaal of geslachtsgebonden overgeërfd?

Oplossing: 1

De ziekte lijkt veel voor te komen. Dat suggereert dat ze dominant wordt overgeërfd. Individu III3 vertoont de ziekte, maar heeft twee gezonde ouders. Dat is onmogelijk in het geval van dominantie en wijst er dus op dat de ziekte recessief wordt overgeërfd. Het voorkomen van de ziekte bij andere leden van de familie is daarmee niet in tegenspraak.

De ziekte is niet Y-gebonden, aangezien ze voorkomt bij vrouwen. Als de ziekte X-gebonden dominant was, dan moest II6 aan de ziekte lijden en kon II1 niet aan de ziekte lijden. De ziekte is dus niet X-gebonden dominant. Als de ziekte X-gebonden recessief was, dan zou III7 ziek zijn en III8 niet. De ziekte wordt dus autosomaal overgeërfd.

THEMA 02

hoofdstuk 3

113

VOORBEELDOEFENING 2 Verschillende leden van een familie lijden aan een zeer zeldzame, ernstig ziekte. De ziekte wordt autosomaal recessief overgeërfd. Gegeven:

• de stamboom van de familie • De ziekte is autosomaal recessief. 1

III IV

Gevraagd: 1 2

Wat is de kans dat individu IV1 de ziekte zal hebben?

Als individu IV1 de ziekte heeft, wat is dan de kans dat een tweede kind tussen III1 en III2 ook de ziekte heeft?

Oplossing: 1

• Je stelt het recessieve allel voor met a en het dominante allel met A.

VA N

• Uit de informatie dat II1 en II6 de ziekte vertonen, leid je af dat ze beiden genotype aa hebben.

• Geen enkel individu van generatie I vertoont het kenmerk. Ze bezitten daarom dus elk minstens één exemplaar van het dominante allel A. Omdat zowel I1 en I2 als I3 en I4 een kind hebben dat aan de ziekte lijdt (en dus homozygoot is voor het recessieve allel), is elk van de ouders drager van het recessieve allel en dus heterozygoot (Aa).

• II2 en II5 lijden niet aan de ziekte.

Ze bezitten dus minstens één keer

het dominante allel A. Op basis van

het fenotype kun je niet met zekerheid

bepalen of ze homozygoot of heterozygoot zijn. Uit de genotypes van hun ouders

leid je af dat de kans om heterozygoot te

zijn, 32 is. (Vermits ze niet ziek zijn, kun je

het genotype aa uitsluiten.)

• II3 en II4 lijden niet aan de ziekte. Ze hebben dus ook minimaal één exemplaar van het dominante allel (A). Aangezien het een zeer zeldzame ziekte betreft, kun je ervan uitgaan dat het allel a zeldzaam is en dat beide individuen dus homozygoot zijn. • III1 heeft de ziekte niet en bezit dus minstens 1 A. Als het genotype

van ouder II2 Aa en dat van ouder II3 AA is, dan heeft III1 21 kans om genotype Aa te hebben. Dat geldt ook voor III2.

• IV1 zal aan de ziekte lijden als het genotype homozygoot is voor het recessieve allel. Als III1 en III2 beide genotype Aa hebben, dan is er 1 kans op op genotype aa bij IV1. 4

114

THEMA 02

hoofdstuk 3

• Om genotype aa bij individu IV te hebben, moet aan al deze voorwaarden zijn voldaan: – II2 heeft genotype Aa. Daartoe is de kans 32 .

– II5 heeft genotype Aa. Daartoe is de kans 32 .

– III1 heeft genotype Aa. Daartoe is de kan s 21 .

– III2 heeft genotype Aa. Daartoe is de kans 21 .

2 Aa 2 3

III

Aa 1 2

Aa 1 2 1

5 Aa 2 3

VA N

aa 1 4

– IV1 heeft genotype aa. Daartoe is de kans 41 .

• Omdat aan alle voorwaarden moet worden voldaan, bereken je de totale kans door het product te nemen van de kansen van de individuele 1 . gebeurtenissen, namelijk 32 · 32 · 21 · 21 · 41 = 36

De kans dat een tweede nakomeling de ziekte heeft, bedraagt 41 .

Een eerste kind kan maar aan de ziekte lijden als de ouders III1 en III2 met zekerheid genotype Aa hebben. Het genotype van de ouders is dus

Bij kansrekenen geldt dat je bij een combinatie van voorwaarden het product van de kansen moet nemen.

een zekerheid geworden. Als beide ouders dat genotype hebben, is er 41 kans

op een nakomeling die homozygoot is voor het recessieve allel.

Erfelijkheidsonderzoek bij de mens laat toe om de genetische basis van menselijke kenmerken en aandoeningen te onderzoeken. Tegelijkertijd is het belangrijk om kennis te ontwikkelen over preventie- en behandelingsmethoden voor erfelijke aandoeningen. Erfelijkheidsonderzoek kan worden uitgevoerd aan de hand van een stamboomonderzoek. Daarbij wordt de verwantschap tussen verschillende individuen van een familie op

een overzichtelijke manier weergegeven met een diagram. Op die manier probeert men te achterhalen of een kenmerk enerzijds autosomaal of geslachtsgebonden, en anderzijds dominant of recessief wordt overgeërfd. In een stamboom gebruikt men afgesproken symbolen.

THEMA 02

hoofdstuk 3

115

2 Populatiegenetica 2.1

Populatie en genenpoel

Een populatie omvat een groep van organismen die zich onderling kunnen voortplanten

LABO 02

in hetzelfde geografisch gebied. De verzameling van de allelen van alle genen die in die populatie voorkomen, noem je de genenpoel. Hoe meer verschillende allelen er voorkomen in de genenpoel, hoe groter de genetische diversiteit. Het voortbestaan van populaties van bedreigde diversiteit. Men stelt vast dat een kleine genetische diversiteit in een populatie vaak een bedreiging vormt voor haar

soorten hangt nauw samen met hun genetische

voortbestaan. Daardoor zijn wetenschappers geïnteresseerd in het aantal verschillende allelen dat voor een bepaald kenmerk in

de genenpoel van een populatie aanwezig

is. Daarnaast onderzoeken ze ook met welke

S Afb. 114 Bij Tasmaanse duivels (Sarcophilus harrisii) komt er een zeldzame vorm van besmettelijke gezichtskanker voor. De dieren geven de ziekte door aan elkaar door te bijten. De Tasmaanse duivel is een extreem geïsoleerde diersoort en daardoor genetisch weinig divers.

frequentie een allel voorkomt. Dat noem je de allelfrequentie. Inzicht in de genetische

VA N

samenstelling van een bedreigde populatie

kan helpen bij het ontwikkelen van strategieën om de genetische diversiteit te behouden of te vergroten, en op die manier het voortbestaan van de populatie te garanderen. Ook bij menselijke populaties onderzoekt men de genetische samenstelling. De wetenschap die zich toelegt op het bestuderen van de allelfrequenties die aanwezig zijn in een populatie op een gegeven moment, en hoe ze veranderen van de ene generatie op de volgende, is de populatiegenetica.

a a

S Afb. 115 Genotypes van de individuen in een populatie voor een bepaald kenmerk

116

THEMA 02

hoofdstuk 3

A a A A a A a a a a a A a A a a A A A a A a a A A A A A a a A a A A a A a A A a A A A A a A A A A A a a a a a A A a A a A A A A A a

genenpoel voor dit gen

Op afbeelding 115 zie je een populatie die bestaat uit 35 personen. Bij elke persoon staat het genotype voor een bepaald kenmerk aangeduid. De verdeling van de genotypes in die populatie is als volgt: • 11 mensen hebben genotype AA. • 18 mensen hebben genotype Aa. • 6 mensen hebben genotype aa. De genenpoel bevat dus 40 keer A en 30 keer a. Er zijn in totaal 70 allelen voor dat kenmerk in de genenpoel aanwezig. Als je de genenpoel beschouwt als een doos vol A- en a-allelen, dan is . Dat komt overeen met: de kans dat je een A trekt, 40 . De kans dat je een a trekt, is 30 70 70

• de allelfrequentie voor A = 40 = 0,57 of 57 % 70

= 0,43 of 43 % • de allelfrequentie voor a = 30 70

2.2 De wet van Hardy en Weinberg

In 1908 stelden Godfrey Harold Hardy (1877-1947) en Wilhelm Weinberg (1862-1937) onafhankelijk

LABO 03

van elkaar dat je uit de fenotypes die in een populatie aanwezig zijn, de allelfrequenties en dus

ook de genotypefrequenties voor een bepaald kenmerk kunt afleiden. Dat principe is gekend als de wet van Hardy en Weinberg. Ze geldt voor een populatie, maar kwam tot stand op basis van de wetten van Mendel, die gelden voor de overerving van kenmerken bij een individu.

VA N

We illustreren dat aan de hand van een voorbeeld, waarbij we veronderstellen dat bij een bepaalde vlindersoort de blauwe kleur wordt bepaald door twee allelen: D en d. Het allel voor een donkere kleur is dominant.

KENMERK

kleur

ALLELEN

GENOTYPE

donker D

(homozygoot)

(heterozygoot)

(homozygoot)

licht d

FENOTYPE

Als je een kruising uitvoert tussen twee heterozygote individuen, dan bekom je

het Punnett-vierkant wordt ook vermeld wat bij elke gameet de kans is op allel D (voorgesteld

De kans op een bepaald allel is gelijk aan

aan 1, dus is p + q = 1 (of 100 %).

de allelfrequentie in een populatie blijft constant in opeenvolgende generaties.

p · p = 41

p · q = 41

q · q = 41

• De som van alle allelfrequenties is gelijk

Dat is de wet van Hardy en Weinberg:

van een bepaald genotype berekenen.

gelijk aan 1, dus p2 + 2pq + q2 = 1.

p= 1

de frequentie ervan. Je kunt dan de frequentie

• De som van alle genotypefrequenties is ook

d q= 1

de volgende genotypes en fenotypes. In

door p) en op allel d (voorgesteld door q).

p= 1

d q= 1

THEMA 02

hoofdstuk 3

117

Je kunt die berekening nu toepassen op een vlinderpopulatie waarvan je de fenotypes kent. Veronderstel dat een vlinderpopulatie uit 50 individuen bestaat. Er komen 44 donkere en 6 lichte 6 ) van de vlinders homozygoot is voor het recessieve vlinders voor. Dat wil zeggen dat 12 % ( 50

allel met genotype dd. Voor de donkere vlinders ken je het genotype niet. Ze kunnen immers homozygoot of heterozygoot zijn voor het dominante allel D. Als je weet dat 12 % van de populatie homozygoot recessief is, dan geldt: q2 = 0,12 q=

0,12 = 0,3464

p = 1 – 0,3464 = 0,6536 2pq = 2 · 0,3464 · 0,6536 = 0,45 p2 = 0,4272

Door de afronding van de getallen in de berekening bekom je geen 50 (21 + 22 + 6 = 49). Door de populatie te vergroten, bekom je wel steeds rondere getallen.

Die getalwaarden gebruik je om de genotypes van de donkere vlinders te zoeken. • aantal homozygoot dominante vlinders: 0,4272 · 50 = 21 • aantal heterozygoot dominante vlinders: 0,45 · 50 = 22

VA N

VOORBEELDOEFENING DALTONISME

W Afb. 116 De Engelse scheikundige John Dalton (1766-1844) publiceerde in 1794 het eerste wetenschappelijke artikel over kleurenblindheid, nadat hij zich gerealiseerd had dat hij zelf kleurenblind was.

Gegeven:

Rood-groenkleurenblindheid

is een X-gebonden recessieve

aandoening. Het percentage mannen met daltonisme bedraagt 5 %.

KENMERK

daltonisme

ALLELEN normaal zicht D daltonisme-allel d

Gevraagd: Bereken de frequentie van de heterozygote dragers.

Oplossing: De frequentie van D en d stel je voor door respectievelijk p en q. Enkel vrouwen kunnen heterozygoot zijn voor het allel dat daltonisme veroorzaakt. Aangezien mannen maar één X-chromosoom hebben, komt dat overeen met de allelfrequentie q. 1

q = 20

p = 1 – q → p = 1 – 20 = 20 1

2pq = 2 · 20 · 20 = 0,095 of 9,5 % 9,5 % van de vrouwen is heterozygote drager van het allel voor daltonisme. 1

Het aantal vrouwen met daltonisme is 0,25 % (q2 = 400 ).

118

THEMA 02

hoofdstuk 3

VOORBEELDOEFENING RESUSFACTOR Gegeven:

In de West-Europese populatie heeft 84 % van de bevolking resuspositief bloed en 16 %

KENMERK

ALLELEN

resusnegatief bloed (D-bloedgroep). Het allel

resusfactor

positief D

dat resusnegativiteit veroorzaakt, is recessief.

negatief d

W Afb. 117 Een bloedgroeptest. Aan drie druppels bloed voegde men respectievelijk anti-A, anti-B en anti-D (anti-resus) toe. Als de antilichamen kunnen binden op de rode bloedcellen, breken de witte bloedcellen in de druppel ze af en klontert het bloed samen.

Gevraagd: Bereken de allelfrequenties p en q en de genotypefrequenties DD, Dd en dd. Oplossing: De frequenties van allel D en allel d stel je voor door respectievelijk p en q.

Mensen met een resusnegatieve bloedgroep zijn homozygoot voor het allel dd. de frequentie van dd = q2 = 16 % of 0,16 0,16 = 0,4 of 40 %

VA N

Daaruit bereken je de frequentie p als volgt: p=1–q

p = 1 – 0,4 = 0,6 of 60 %

Uit p en q kun je de andere genotypefrequenties berekenen: •

frequentie DD = p2 = 0,62 = 0,36 of 36 %

•

frequentie Dd = 2pq = 2 · 0,4 · 0,6 = 0,48 of 48 %

Samengevat voor de resusfactor in de West-Europese populatie:

GENOTYPEFREQUENTIE

homozygoot dominant DD = p2

36 %

heterozygoot Dd = 2pq

48 %

homozygoot recessief dd = q

16 %

resuspositief = p2 + 2pq

84 %

resusnegatief = q2

16 %

allel D = p

60 %

allel d = q

40 %

FENOTYPEFREQUENTIE

ALLELFREQUENTIE

THEMA 02

hoofdstuk 3

119

2.3 Allelfrequenties over generaties heen Veronderstel dat er in een populatie twee allelen van een gen bestaan, met als allelfrequenties p = 0,80 en q = 0,20. In die populatie heeft 64 % van de individuen genotype AA, 32 % genotype Aa en 4 % genotype aa. Als de individuen van die populatie willekeurig een partner kiezen, dan kun je de frequenties van de drie genotypes in de volgende generatie berekenen. • De kans op een kruising van AA met AA in de populatie is het product van de kansen dat die genotypes voorkomen, dus 0,64 · 0,64. Die kruising draagt voor 0,4096 bij tot de frequentie AA in de volgende generatie. • De kans op een kruising van AA met Aa is 0,64 · 0,32 · 2 (de kans op een kruising tussen

AA en Aa, plus de kans op een kruising tussen Aa en AA) = 0,4096. De helft (0,2048) van de nakomelingen heeft genotype AA en de andere helft Aa. • Enzovoort.

De onderstaande tabel toont alle mogelijke kruisingen, met hun kansen, en de bijbehorende frequenties van de nakomelingen.

FREQUENTIE KRUISING

GENOTYPEFREQUENTIE

VA N

AA x AA

0,64 · 0,64 = 0,4096

0,4096

AA x Aa

2 · (0,64 · 0,32) = 0,4096

0,2048

AA x aa

2 · (0,64 · 0,04) = 0,0512

Aa x Aa

0,32 · 0,32 = 0,1024

Aa x aa

2 · (0,32 · 0,04) = 0,0256

aa x aa

0,04 · 0,04 = 0,0016 TOTAAL

0,0256

0,64

0,2048 0,0512 0,0512

0,0256

0,0128

0,0128 0,0016

0,32

0,04

Uit de genotypefrequentie AA bereken je de allelfrequenties p en q: p=

0,64 = 0,8 en q = 1 – p = 0,2

De genotypefrequenties en allelfrequenties blijken dus dezelfde te zijn als in de vorige generatie.

De verhouding tussen die frequenties blijft ook in volgende generaties onveranderd.

120

THEMA 02

hoofdstuk 3

2.4 Voorwaarden voor de wet van Hardy en Weinberg Volgens de wet van Hardy en Weinberg blijven de allelfrequenties van een populatie enkel onveranderd in opeenvolgende generaties als aan de volgende voorwaarden is voldaan: • Er treedt geen natuurlijke selectie op. • Er treden geen mutaties op. • Er vindt geen emigratie naar en/of immigratie van andere populaties plaats. • De populatie is groot. • Er is een willekeurige, niet-selectieve partnerkeuze. Zodra de populatie niet voldoet aan een of meerdere voorwaarden, zullen de allelfrequenties in de volgende generaties wijzigen. Een verandering van allelfrequenties in de loop van de tijd zorgt

voor evolutie. We komen daar in thema 05 uitgebreid op terug.

‘Geen natuurlijke selectie’ houdt in dat elk genotype even succesvol is in overleving en voortplanting. In thema 05 leer je meer over natuurlijke selectie.

• Een populatie is een groep organismen van dezelfde soort die zich onderling voortplanten in hetzelfde geografisch gebied.

• De genenpoel is de verzameling van de allelen van alle genen die in een populatie voorkomen.

• De allelfrequentie is de frequentie waarmee een allel in een populatie voorkomt. • Populatiegenetica bestudeert de allelfrequenties en genotypes in een populatie,

VA N

en hoe die frequenties veranderen van de ene generatie op de volgende.

Uit de fenotypes die in een populatie aanwezig zijn, kun je de allelfrequenties en dus ook de genotypefrequenties voor een bepaald kenmerk afleiden. Als er twee allelen van een gen zijn en:

p = de allelfrequentie van het dominante allel q = de allelfrequentie van het recessieve allel

dan is de som van beide allelfrequenties gelijk aan 1: p + q = 100 % = 1. Daaruit volgt dat de som van alle genotypefrequenties gelijk is aan 1. Dat is de wet van Hardy en Weinberg. p² + 2pq + q² = 100 % = 1

p² = de genotypefrequentie van homozygoot dominante individuen 2pq = de genotypefrequentie van heterozygote individuen q² = de genotypefrequentie van recessieve individuen

Onder bepaalde voorwaarden blijven de allelfrequenties en dus ook de genotypefrequenties van generatie op generatie constant.

THEMA 02

hoofdstuk 3

121

AAN DE SLAG 1

Op 7 400 koeien zijn er 902 wit, 3 137 rood en 3 361

Jicht is een veelvoorkomende stofwisselingsziekte,

roodbruin. Zijn die gegevens in overeenstemming

gekenmerkt door een plotse ontsteking van

met de bewering dat roodbruin heterozygoot is

een gewricht. De onderstaande afbeelding toont

voor rood en wit, als binnen die runderpopulatie

het optreden van de ziekte in een familie. De ziekte

de paring naar willekeur heeft plaatsgehad?

komt meer voor bij mannen dan bij vrouwen. De ziekte komt veel voor. Instroom van afwijkende

Een wipneus is te wijten aan een autosomaal

allelen uit andere families kan niet worden

recessief allel. Een vrouw heeft een grootmoeder

uitgesloten. Wat kun je zeggen over de overerving

langs vaderskant met een wipneus. Haar grootvader

van die ziekte?

en ouders hebben geen wipneus. Ze trouwt met een man zonder wipneus van wie de grootouders geen wipneus hebben, maar van wie de broer wel een wipneus heeft. Bereken de kans dat hun kind een wipneus heeft. 3

In een fokkerij krijgen twee honden

De ziekte is autosomaal dominant.

b Het kenmerk wordt niet overgedragen van vader

met een normaal

op dochter.

VA N

gepigmenteerde vacht drie pups: één pup,

hond A, is een albino.

d De ziekte is X-gebonden recessief.

De ziekte is Y-gebonden.

De twee andere

pups, B en C, hebben

een normale vachtkleur. Enkele jaren later wordt

is en X-chromosaal gebonden. De onderstaande

hond D, de pup van hond A, gekoppeld aan hond E,

afbeelding toont hoe de ziekte zich in de familie

de pup van hond C.

presenteert. Welke dochter in de derde generatie

heeft op basis van de stamboom de kleinste kans

Teken de stamboom.

om heterozygoot te zijn?

b Bereken de kans dat de pup van hond D en hond E een albino is.

Als de pup geen albino is, met welke kans

is een andere pup van dezelfde ouders dan

een albino?

Een familie heeft een zeldzame ziekte die recessief

Bereken de kans dat de persoon met

III

dochter 2

het vraagteken de erfelijke aandoening heeft.

b dochter 3 c 8

dochter 5

Hemofilie is een recessieve, geslachtschromosoomgebonden eigenschap. In een bepaalde populatie heeft 0,1 % van

Twee gezonde ouders zijn drager van ziekte X.

de mannen die afwijking.

Ze hebben al drie gezonde kinderen.

Wat is de kans dat het vierde kind de ziekte zal hebben?

Bereken welk deel van de vrouwen van die populatie heterozygoot is.

b Hoe groot is de kans dat er in die populatie een man en een vrouw die geen van beiden hemofilie hebben, een zoon krijgen die hemofilie heeft?

122

THEMA 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

Het syndroom van Usher is een erfelijke ziekte

12 Het al dan niet gestreept zijn van de vacht bij

waarbij zowel het gehoor als het zicht wordt

katten wordt bepaald door de allelen S (streping)

aangetast. In België komt de aandoening voor

en s (geen streping). De soort streping van

met een frequentie van 1 op 20 000. In een kleine

de vacht wordt bepaald door de allelen R voor

bevolkingsgroep in het Amerikaanse Louisiana komt

regelmatige streping en r voor onregelmatige

het syndroom van Usher voor met een frequentie

streping. De allelen S en R zijn dominant en niet

van 1 op 1 000.

X-chromosomaal. Ze erven onafhankelijk van elkaar

Bepaal de frequentie van het recessieve allel

over. Onderzoek bij zwerfkatten in een voorstad

in beide bevolkingsgroepen.

van Londen heeft aangetoond dat de frequentie

b Bepaal de frequentie van heterozygote dragers in beide populaties. c

Met welke frequentie komen huwelijken tussen heterozygote dragers voor?

van allel s in die grote populatie katten 40 % is. De frequentie van allel r is 80 %. Bereken

het percentage onregelmatig gestreepte katten dat in die voorstad voorkomt. Rond je uitkomst af op een geheel getal.

10 In een school met

375 leerlingen verklaren 267 leerlingen dat ze

13 Er zijn mensen bij wie

de wijsvinger korter

is dan de ringvinger.

Veronderstel dat dat

Men veronderstelt dat

door één gen wordt

het allel daarvoor (A)

bepaald en dominant

bij mannen dominant

is.

is en bij vrouwen

VA N

kunnen tongrollen.

Bepaal de frequentie van het allel voor

recessief.

tongrollen in die kleine populatie.

In een steekproef uit een populatie vindt men bij

b Bepaal de frequentie en het aantal heterozygote dragers in die groep.

mannen 120 korte- en 210 langewijsvingerfenotypes. De populatie volgt de wet van Hardy en Weinberg met betrekking tot de overerving van die

11 Op een eiland in de Caraïben leeft een groep van

eigenschap.

1 250 salamanders die allemaal homozygoot zijn

voor het recessieve kenmerk dat een knobbel op

b Noteer wat de genotypes zijn van de vrouwen.

de rug veroorzaakt. Er worden 250 heterozygote

dragers aan de populatie toegevoegd. Die

Bereken p en q bij de mannen. Bereken vervolgens welk deel van de vrouwen

in die populatie lange wijsvingers heeft.

heterozygote dragers zijn niet bevoordeeld bij

het vinden van een partner voor de voortplanting. a

Bepaal de frequentie van de verschillende

allelen, genotypes en fenotypes op het eiland

Meer oefenen? Ga naar

vóór de samenvoeging. b Bepaal die frequenties dadelijk na de samenvoeging.

Bepaal die frequenties na één generatie voortplanten.

d Wat verwacht je van de frequenties na verschillende generaties voortplanten?

THEMA 02

hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

123

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE ERFELIJKHEIDSONDERZOEK Erfelijkheidsonderzoek bij de mens laat toe om: • de genetische basis van menselijke kenmerken en aandoeningen te onderzoeken; • kennis te ontwikkelen over preventie- en behandelingsmethoden voor erfelijke aandoeningen. Erfelijkheidsonderzoek kan worden uitgevoerd aan de hand van een stamboomonderzoek. In een stamboom wordt weergegeven:

• wat de verwantschap is tussen verschillende individuen van een familie;

• of een kenmerk autosomaal/geslachtsgebonden en dominant/recessief wordt overgeërfd.

POPULATIEGENETICA

Een populatie is een groep organismen van dezelfde soort die zich onderling voortplanten in hetzelfde geografisch gebied. De genenpoel is de verzameling van de allelen van alle genen die in een populatie voorkomen. De frequentie waarmee een allel in een populatie voorkomt, is de allelfrequentie.

VA N

Populatiegenetica bestudeert de frequenties van verschillende allelen in een populatie op een bepaald moment. Uit de fenotypes die in een populatie aanwezig zijn, kun je de allelfrequenties en dus ook de genotypefrequenties voor een bepaald kenmerk afleiden. Als er twee allelen van een gen zijn en

p = de allelfrequentie van het dominante allel q = de allelfrequentie van het recessieve allel

dan is de som van beide allelfrequenties gelijk aan 1: p + q = 100 % = 1 .

Daaruit volgt dat de som van alle genotypefrequenties gelijk is aan 1: p2 + 2pq + q2 = 100 % = 1 . p2 = de genotypefrequentie van homozygoot dominante individuen 2pq = de genotypefrequentie van heterozygote individuen q2 = de genotypefrequentie van recessieve individuen

Uit de fenotypes die in een populatie aanwezig zijn, kun je de allelfrequenties en dus ook de genotypefrequenties voor een bepaald kenmerk afleiden. Volgens de wet van Hardy en Weinberg blijven de allelfrequenties en dus ook de genotypefrequenties van generatie op generatie constant, als de populatie

voldoet aan een aantal voorwaarden.

124

THEMA 02

SYNTHESE hoofdstuk 3

THEMA 03

GENEXPRESSIE

Mensen en andere dieren die geen pigment aanmaken, noem je albino’s. Albinisme ontstaat door een genmutatie die resulteert in een witte huid of witte veren, zoals bij deze albinopauw. De aanmaak van pigment gebeurt door enzymen. De code van die enzymen ligt in het DNA. Het proces waarbij de DNA-code

VA N

wordt gebruikt voor de synthese van eiwitten, wordt strikt gecontroleerd. Dat noem je genregulatie.

` Hoe werkt de genetische code? ` Wat gebeurt er tijdens de eiwitsynthese? ` Hoe wordt de genexpressie gereguleerd? ` Hoe ontstaan genmutaties? We zoeken het uit!

VERKEN JE KUNT AL ...

Gly Cys S

Phe

Asn Cys

Phe

Glu

Leu

S Glu Gln Cys Cys Thr S S

Gln Tyr

Thr

Cys S

Val

Asn Glu

Lys

Leu

Ile

Tyr

Thr

Asn Gln His

Gly

Tyr Pro

Val

His Ser

Gly

Phe

Leu Ser

Cys

Ser

Arg

Glu

Leu Ala Glu Tyr Val Leu Leu Val

Ile

• uitleggen dat een gen een

• uitleggen dat DNA in de

• uitleggen wat het genotype

stuk DNA is dat de code

kern kan voorkomen als

en het fenotype van een

voor een eiwit bevat;

heterochromatine of

organisme zijn;

• uitleggen dat bij eukaryoten het DNA zich in de kern

euchromatine;

• uitleggen dat de volgorde

• uitleggen wat de rol is

van de nucleotiden in het

bevindt en de ribosomen

van transcriptiefactoren

DNA de erfelijke informatie

vrij in het cytoplasma of

en RNA-polymerase bij de

in zich draagt.

aanmaak van mRNA;

VA N

gebonden aan het RER voorkomen;

• uitleggen dat bij eukaryoten

• uitleggen dat bij

introns uit het pre-mRNA

prokaryoten het DNA en

worden weggeknipt;

de ribosomen vrij in het

• uitleggen hoe mRNA

cytoplasma voorkomen.

vertaald wordt naar een aminozuursequentie.

JE LEERT NU ...

H1 • hoe de genetische code werkt;

• dat het proces van de eiwitsynthese bij

• dat bij prokaryoten de genen

• dat zowel genen als

voor functioneel verwante

omgevingsfactoren

eiwitten samen tot expressie

bepalend kunnen zijn voor

worden gebracht;

het fenotype;

eukaryoten verloopt via

• dat bij eukaryoten

transcriptie, splicing en

de genexpressie op

gevolgen kunnen zijn van

translatie;

verschillende niveaus kan

een wijziging in de DNA-

worden geregeld;

sequentie;

• dat het proces van de eiwitsynthese bij

126

• dat bij eukaryoten één

prokaryoten verloopt via

gen de code bevat voor

transcriptie en translatie.

meerdere polypeptiden.

THEMA 03

verken

• wat de oorzaken en de

• dat sommige epigenetische modificaties erfelijk zijn.

HOOFDSTUK 1

Î Eiwitsynthese Eiwitten zorgen voor het grootste deel van de taken binnen de cel. Je kunt die biomoleculen gerust beschouwen als de ‘werkpaarden van de cel’. Het is niet verwonderlijk dat eiwitten zo belangrijk zijn. Tijdens de eiwitsynthese wordt de informatie die in het DNA ligt opgeslagen, immers door de cel gebruikt

om eiwitten aan te maken. LEERDOELEN

M Inzien dat organismen gebruikmaken van de genetische code

M De eiwitsynthese in een eukaryote en prokaryote cel beschrijven

M Uitleggen dat de eiwitsynthese een anabool proces is dat gebruikmaakt van enzymen

Overzicht van de eiwitsynthese bij prokaryoten en eukaryoten

VA N

1 1.1

De stappen in de eiwitsynthese

Bij prokaryoten bestaat de eiwitsynthese uit twee stappen: de transcriptie en de translatie. • In de eerste stap, de transcriptie, gebeurt de omzetting van een stuk DNA naar een RNA-kopie. De RNA-kopie die de genetische code bevat voor de synthese van een eiwit, is het messengerRNA of mRNA.

• De tweede stap, de translatie, omvat de vertaling van dat mRNA naar een eiwit.

Het prokaryote chromosoom bestaat uit een cirkelvormige DNA-molecule zonder histonen, die vrij in het cytoplasma ligt. Daardoor kunnen de transcriptie en de translatie elkaar meteen opvolgen. Wanneer RNA-polymerase een stuk DNA heeft afgeschreven tot mRNA, kan daarop al een ribosoom binden voor translatie. PROKARYOTEN

EUKARYOTEN (dierlijke cel)

celkern

3’

DNA

mRNA

5’

3’

transcriptie . A.. AA . .. A AA

pre-mRNA splicing mRNA

5’

transcriptie

DNA

RNA-polymerase

translatie

eiwit

ribosoom cytoplasma

S Afb. 118 Stappen in de eiwitsynthese bij prokaryoten en eukaryoten

THEMA 03

hoofdstuk 1

127

Bij eukaryoten is er een extra stap in de eiwitsynthese: splicing. Na de transcriptie vormt er zich eerst het precursor-mRNA of pre-mRNA. Tijdens de splicing worden daar stukken uit weggeknipt, om uiteindelijk mRNA te vormen. Welke stukken weggeknipt worden, kan verschillen en is bijvoorbeeld afhankelijk van het celtype. Er kunnen dus verschillende mRNA’s gevormd worden uit één pre-mRNA. Dat maakt het mogelijk om uit één gen verschillende polypeptiden te vormen. De eerste stappen, transcriptie en splicing, vinden plaats in de celkern. Translatie gebeurt buiten de celkern door vrije ribosomen in het cytoplasma of door ribosomen gebonden aan het ruw endoplasmatisch reticulum. Op basis van de stappen in de eiwitsynthese kun je de cel op drie niveaus bekijken: • Het genoom bevat alle genetische informatie, alle DNA-sequenties in een cel. Het DNA in de mitochondriën en chloroplasten behoort dus ook tot het genoom van een cel. • Het transcriptoom omvat al het RNA in een cel dat gevormd is via transcriptie.

De studie van het genoom, transcriptoom en proteoom noem je respectievelijk genomics, transcriptomics en proteomics.

Naast (pre-)mRNA omvat dat ook andere types RNA-moleculen, zoals tRNA en rRNA. • Het proteoom is het geheel van alle eiwitten die aanwezig zijn in een cel.

Binnen een individueel organisme is het genoom van alle lichaamscellen gelijk. Het transcriptoom en proteoom zijn wel verschillend bij verschillende celtypes. Het transcriptoom en proteoom dat aanwezig is in een cel, verschilt van moment tot moment.

TRANSCRIPTOOM

VA N

GENOOM

mRNA

tRNA

S Afb. 119 De begrippen ‘genoom’, ‘transcriptoom’ en ‘proteoom’

128

THEMA 03

hoofdstuk 1

PROTEOOM

1.2

De definitie van een gen

Een gen is een sequentie van DNA-nucleotiden die via transcriptie wordt omgezet naar RNA. Er zijn twee types van genen: • genen die de code bevatten om een eiwit aan te maken. De DNA-sequentie wordt via transcriptie omgezet naar mRNA bij prokaryoten en naar pre-mRNA bij eukaryoten; • genen voor de aanmaak van andere types RNA. Enkele van die types bespreken we verderop. Je kunt het genoom dus opdelen in coderend DNA, dat de code bevat voor de aanmaak van eiwitten, en niet-coderend DNA. Niet-coderend DNA omvat, naast de genen voor de aanmaak van andere types RNA dan (pre-)mRNA, ook al het DNA dat niet via transcriptie wordt omgezet. Dat zijn

bijvoorbeeld DNA-sequenties om de eiwitsynthese of de DNA-replicatie te regelen. Een voorbeeld van niet-coderend DNA dat niet via transcriptie wordt omgezet, is een promotor. Het is de DNA-sequentie die net voor een gen ligt. De promotor dient als startplaats voor de transcriptie, maar wordt zelf niet overgeschreven.

In prokaryoten vormt niet-coderend DNA maar een klein deel van het totaal. Bij eukaryoten is

VA N

meestal het grootste deel van het DNA niet-coderend.

12 %

71 %

Bacterie (Escherichia coli)

Zandraket (Arabidopsis thaliana)

98-99 %

Mens (Homo sapiens)

S Afb. 120 Percentage niet-coderend DNA bij verschillende organismen

In een coderend stuk DNA wordt via transcriptie enkel van de 3’-5’-streng, de template streng, een RNA-kopie gemaakt. Het RNA dat zo ontstaat, is anti-parallel aan de template streng en wordt dus opgebouwd van de 5’-kant van het RNA naar de 3’-kant. De RNA-kopie is complementair aan de overgeschreven DNA-streng. De andere DNA-streng, de 5’-3’-streng, is complementair en anti-parallel aan de template streng. Daarom komt de code van die streng overeen met het nieuwgevormde RNA. Alleen bezit het DNA nucleotiden met de base thymine (T), terwijl in RNA de base uracil (U) voorkomt op die plaats. Die streng noem je de coderende streng.

Wanneer men spreekt over de sequentie van een gen, bedoelt men daarmee de sequentie van

de coderende streng. De sequentie van een gen lees je dus altijd van 5’ naar 3’.

richting van de transcriptie GEN 1

promotor GEN 1

5’

G C

3’

G G

RNA-transcript gen 1 5’

G A

G G T C

coderende streng A

C 3’ G

G A UA A UC T C T GG C C A G A G U

template streng

G C

G A

U U

U A A T G T C G A AC T GCU G A

3’ A

C T A C A T

G C

A T

RNA-transcript gen 2 5’ 3’

A T

coderende streng

5’ promotor GEN 2

GEN 2 richting van de transcriptie

S Afb. 121 De template en de coderende streng bij de transcriptie van twee genen op hetzelfde chromosoom

THEMA 03

hoofdstuk 1

129

VERDIEPING

De ontdekking van DNA als drager van informatie Dat DNA de drager is van genetische informatie, is tegenwoordig algemene kennis. Nochtans dacht men in de eerste helft van de twintigste eeuw dat het eiwitten waren die informatie overdroegen van de ene op de andere generatie. In 1944 toonden Oswald Avery (1877-1955), Colin MacLeod (1909-1972) en Maclyn McCarty (1911-2005) de rol van DNA als informatieoverdrager aan. Voor hun experimenten baseerden ze zich op een eerder experiment, gepubliceerd in 1928 door Frederick Griffith (1877-1941). In de jaren na de Eerste Wereldoorlog was longontsteking (pneumonie)

een belangrijke doodsoorzaak. Er gebeurde toen veel onderzoek om tot een vaccin te komen dat beschermde tegen de bacterie

Streptococcus pneumoniae. Griffith was een van die onderzoekers. Hij

werkte met muizen, omdat die ook vatbaar zijn voor de ziekte. Griffith gebruikte voor zijn onderzoek twee stammen van de bacterie:

• De S-stam maakt een kapsel van polysachariden aan, waardoor ze zichzelf beter beschermt tegen het immuunsysteem van

de gastheer. Dat maakt die stam virulent: ze brengt schade aan bij de gastheer. De kolonies van die stam zijn glad (S = smooth).

• Bij de andere stam, de R-stam, ontbreekt het kapsel. Daardoor

2 µm

vernietigt het immuunsysteem die stam snel en is ze dus niet-

VA N

S Afb. 122 TEM-beeld van de S-stam van Streptococcus pneumoniae met kapsel

virulent. De kolonies van die stam zijn ruw (R = rough).

Griffith publiceerde in 1928 het resultaat van zijn experimenten. Die zie je samengevat op afbeelding 123. B

injectie met S-pneumokokken

injectie met R-pneumokokken

injectie met gedode S-pneumokokken

injectie met mengsel van R-pneumokokken en gedode S-pneumokokken

De muis sterft.

De muis blijft leven.

De muis sterft.

Het bloed bevat geen pneumokokken.

Het bloed bevat R-pneumokokken en S-pneumokokken.

kolonie glad (smooth)

Het bloed bevat S-pneumokokken.

kolonie ruw (rough)

Het bloed bevat R-pneumokokken.

S Afb. 123 Overzicht van de experimenten van Griffith (1928)

130

THEMA 03

hoofdstuk 1

Muizen geïnjecteerd met S-pneumokokken stierven aan een longontsteking. Uit het bloed verkreeg Griffith gladde kolonies, wat aantoont dat de S-pneumokokken erin voorkwamen.

B Muizen geïnjecteerd met R-pneumokokken bleven leven. C

Muizen geïnjecteerd met door hitte gedode S-pneumokokken bleven leven. Er kwamen geen pneumokokken voor in het bloed.

D Muizen geïnjecteerd met een mengsel van R-pneumokokken en door hitte gedode S-pneumokokken stierven aan een longontsteking. Uit het bloed kweekte Griffith pneumokokken van de R-stam en de S-stam.

Griffith besloot dat een bepaalde stof van de door hitte gedode S-pneumokokken een verandering

veroorzaakt in de levende R-pneumokokken. De R-stam vormt een kapsel van polysachariden en verandert in een S-stam. Dat verschijnsel noemde hij transformatie.

In 1944 konden Avery, MacLeod en McCarty de stof die zorgt voor transformatie, experimenteel aantonen.

De onderzoekers startten met een mengsel van door hitte gedode S-pneumokokken. Daaruit verwijderden ze achtereenvolgens de verschillende groepen biomoleculen (lipiden, sachariden, eiwitten, RNA en DNA).

Enkel zonder DNA in het mengsel trad er geen transformatie op. De R-pneumokokken konden zich dan niet omvormen tot een S-stam. De onderzoekers besloten dat DNA verantwoordelijk is voor transformatie. uitplaten op groeibodem

VA N

toevoegen aan cultuur met R-pneumokokken

R-pneumokokken en S-pneumokokken

mengsel van gedode S-pneumokokken waaruit lipiden en sachariden verwijderd zijn

ro te as e

RNA DNA

eiwit RNA

eiwit DNA

+ RNase

DNA

se Na

R-pneumokokken en S-pneumokokken

eiwit RNA

enkel R-pneumokokken (geen transformatie)

S Afb. 124 Overzicht van de experimenten van Avery, MacLeod en McCarty (1944)

Veel bijkomend onderzoek bevestigde dat DNA, en bij uitbreiding nucleïnezuren, de dragers van de genetische informatie zijn. Dat formuleerde Francis Crick in 1957 ook als het centrale dogma van de moleculaire biologie. Vanaf het moment dat de informatie uit het DNA is overgedragen naar een eiwit, kan die niet meer terugkeren naar het DNA. Uit een eiwit kan zich dus geen nucleïnezuur en ook geen ander eiwit vormen.

THEMA 03

hoofdstuk 1

131

1.3 De genetische code Coderend DNA bevat de code om eiwitten te maken. Eiwitten en DNA hebben nochtans een zeer Op lees je meer over de ontdekking van de genetische code.

verschillende opbouw. Zoals je al weet, is DNA opgebouwd uit vier soorten nucleotiden. Die verschillen enkel in de stikstofbase. DNA kun je beschouwen als een moleculaire taal met vier verschillende letters (A, C, T en G). Je kunt daarmee zestien combinaties maken met twee letters (AA, AC, AT, AG …) en 64 combinaties met drie letters (AAA, AAC, AAT, AAG …). Cellen gebruiken voor de aanmaak van eiwitten over het algemeen twintig verschillende aminozuren. Er moeten dus minstens twintig codes in het DNA aanwezig zijn om die te onderscheiden. Het is niet voldoende om combinaties te maken van twee DNA-nucleotiden, want dat levert maar zestien verschillende mogelijkheden op. Daarom maakt de cel gebruik van 64

combinaties van drie letters. Zo’n opeenvolging van drie DNA-nucleotiden op de coderende streng die overeenstemt met een bepaald aminozuur, heet een DNA-codon.

Vóór de eigenlijke vertaling tot een polypeptide zal een cel eerst een RNA-kopie van de DNA-code maken. Aangezien de translatie naar aminozuren vanuit RNA vertrekt, bevatten voorstellingen

van de genetische code meestal RNA-codons. De RNA-codons zijn gelijk aan de DNA-codons, met uitzondering van het gebruik van U in plaats van T.

VA N

3’

Asp

Ala

Val

3’

Arg

Ser

Lys

C U G A C U G A C U G A

Asn

C GU

A G U C A G

Leu

G U

Tyr

5’

Ser

Thr

STA RT

Met

Phe

Gly

Glu

A C U G A C U

A G U C A G U C A G U C

OP ST P STO

Cys

STOP Trp

3’

Leu

Pro

His

Gln Arg

Ile 3’

S Afb. 125 Voorstelling van de genetische code in cirkelvorm. Deze afbeelding lees je van binnen naar buiten. Op de buitenste ring kun je de afkorting van het overeenkomstige aminozuur aflezen.

132

THEMA 03

hoofdstuk 1

tweede base van een codon

UUA UUG

leucine Leu

CUU CUC

UCA UCG CCU CCC

leucine Leu

CUA CUG

CCA CCG

AUU AUC isoleucine Ile AUA methionine AUG Met START

GUU GUC

ACA ACG GCU GCC

valine Val

GUA GUG

ACU ACC

GCA GCG

A UAU UAC

serine Ser

CAU CAC CAA CAG

threonine Thr

UGU UGC

tyrosine Tyr

UAA UAG

proline Pro

G cysteïne Cys STOP UGA tryptofaan UGG Trp

STOP histidine His

CGU CGC

glutamine Gln

CGA CGG

AAU asparagine Asn AAC

AGU AGC

AAA AAG

AGA AGG

lysine Lys

GAU asparaginezuur GAC Asp

alanine Ala

GAA glutaminezuur GAG Glu

U C A G U

arginine Arg

C A G U

serine Ser

C A

UUU fenylalanine UCU Phe UUC UCC

U eerste base van een codon (5’-einde)

derde base van een codon (3’-einde)

arginine Arg

GGU GGC

glycine Gly

GGA GGG

VA N

S Afb. 126 Voorstelling van de genetische code in tabelvorm. De rijen stellen de eerste letter en de kolommen de tweede letter voor. Zo vind je de correcte cel, waar de derde letters en hun overeenkomstige aminozuurcodes staan.

Er zijn drie types van codons:

Je leest een codon altijd van 5’ naar 3’.

• Er zijn 61 aminozuurcodons. Die codons zorgen ervoor dat het overeenkomstige aminozuur wordt ingebouwd in de polypeptide.

• Er zijn drie stopcodons (UAA, UAG en UGA). Die zorgen ervoor dat de translatie van de polypeptide wordt stopgezet. Opgeteld zijn dat alle 64 codons.

• Het laatste type is het startcodon. Voor de translatie is er een duidelijk startpunt nodig. Het RNA-codon AUG heeft daarom een dubbele functie. Het codeert namelijk ook voor het inbouwen van het aminozuur methionine. Het eerste AUG in de code is het startcodon. Het overeenkomstige aminozuur, methionine, wordt eerst toegevoegd, maar achteraf vaak verwijderd. Bij een volgend AUG in de RNA-sequentie zal het aminozuur methionine altijd deel uitmaken van de polypeptide.

mRNA G

U G

START

U U U

5’

peptide

Met

Val

Leu

Trp

A U G

Met

Arg

A A U

3’

P STO

Leu

S Afb. 127 Via de genetische code wordt het mRNA vanaf het startcodon omgezet in een polypeptide.

THEMA 03

hoofdstuk 1

133

De genetische code bevat 61 aminozuurcodons, die coderen voor 20 aminozuren. De cel Ga naar voor een tabel met voorbeelden van de gedegenereerde code.

gebruikt dus meer codons dan strikt noodzakelijk. Daarom zegt men dat de genetische code gedegenereerd is: er zijn verschillende codons voor hetzelfde aminozuur mogelijk. Sommige aminozuren hebben maar één codon, andere hebben er tot zes verschillende. Als er meerdere codons zijn voor hetzelfde aminozuur, is het vaak het laatste nucleotide dat variabel is. GGG, GGC, GGU en GGA coderen bijvoorbeeld allemaal voor glycine. Als gevolg van de gedegenereerde code zal een mutatie in het DNA niet altijd leiden tot een verandering van het eiwit.

WEETJE De genetische code is gelijk voor (bijna) universeel. Dat is een van de sterkste argumenten om te stellen

bijna alle organismen. De code is dus

dat alle levende wezens afstammen van dezelfde vooroudercel. Maar zoals vaak

in de biologie zijn er uitzonderingen. Bij bepaalde organismen worden enkele

codons anders gebruikt. Daarnaast zijn er ook organismen die een of twee extra aminozuren inbouwen in hun

VA N

eiwitten.

S Afb. 128 Mitochondriën (links) en chloroplasten (rechts) gebruiken niet helemaal dezelfde code voor de eiwitsynthese als de kern, maar een code die lijkt op die van bacteriën. Dat is een argument voor de endosymbiosetheorie.

DNA is de drager van genetische informatie. Voor prokaryoten betekent dat dat er van een stuk DNA via transcriptie een RNA-kopie wordt gevormd. Vervolgens zal het proces van translatie dat RNA omzetten in een eiwit. Bij eukaryoten is er tussen de transcriptie en de translatie een extra stap, splicing.

De genetische code bestaat uit codons, drie opeenvolgende DNA- of RNA-nucleotiden. Er zijn 64 verschillende codons. 61 daarvan zijn aminozuurcodons, die coderen voor een bepaald aminozuur. Verder zijn er drie stopcodons. Het codon AUG heeft een dubbele functie. Het is

zowel een aminozuurcodon als het startcodon.

134

THEMA 03

hoofdstuk 1

Transcriptie en splicing in de eukaryote cel

2.1

Transcriptie van DNA naar pre-mRNA

De transcriptie gebeurt in de celkern en verloopt in drie stappen: initiatie, elongatie en terminatie. Hieronder bespreken we de transcriptie van DNA naar pre-mRNA. Naast pre-mRNA behoren er nog veel andere types RNA tot het transcriptoom. Verschillende van die RNAtypes hebben een belangrijke regelfunctie. Andere zijn betrokken in het verdere verloop van de eiwitsynthese en komen verderop aan bod.

Initiatie

De eerste stap van de transcriptie is de initiatie. Meerdere eiwitten, de transcriptiefactoren, binden op de promotor voor het gen. Daarna kan het enzym RNA-polymerase binden. Transcriptiefactoren en RNA-polymerase vormen samen het startcomplex.

transcriptiefactoren

VA N

eukaryoot DNA

promotor

transcriptiefactoren

RNA-polymerase

x ple

m tco tar

S Afb. 129 De initiatie van de transcriptie bij eukaryoten

THEMA 03

hoofdstuk 1

135

Elongatie

De tweede stap van het transcriptieproces is de elongatie. ATP voorziet RNA-polymerase van energie door fosfaatgroepen aan te hechten. Vervolgens komt RNA-polymerase los uit het startcomplex en beweegt het over het DNA, weg van de promotor. Het enzym breekt de H-bruggen binnen de helix en tussen de complementaire basen. Zo opent telkens een kort stuk DNA-dubbelstreng zich in twee enkelstrengen. RNA-polymerase maakt een RNA-kopie van de template streng: het pre-mRNA. Terwijl RNA-polymerase opschuift, groeit de gevormde pre-mRNA-streng en sluit het DNA achter RNA-polymerase zich opnieuw tot een dubbele helix. Bij de aanmaak van pre-mRNA passen enzymen kort na de start van de elongatie het nucleotide aan het 5’-uiteinde aan. Daardoor krijgt het pre-mRNA een herkenbare 5’-kant, de 5’-cap.

5’

promotor

3’

DNA

Die 5’-cap beschermt het mRNA tegen afbraak en is belangrijk voor transport uit de celkern. RNA-polymerase

coderende streng

5’

VA N

3’

template streng

pre-mRNA

RNA-nucleotiden

richting van de transcriptie

5’

S Afb. 130 De elongatie van de transcriptie bij eukaryoten in de celkern

WEETJE

Er zijn verschillende stoffen die de eiwitsynthese onderdrukken. Bepaalde antibiotica werken bijvoorbeeld in op bacteriële ribosomen, wat translatie onmogelijk maakt. Een ander voorbeeld is de toxine die aangemaakt wordt door amanieten. De toxine bindt op RNA-polymerase en blokkeert zo de elongatie. Dat maakt de groene knolamaniet tot een van de dodelijkste paddenstoelen. Eén rauwe paddenstoel eten kan al dodelijk zijn. Mensen die het overleven, hebben meestal onherstelbare schade aan lever en nieren.

136

THEMA 03

hoofdstuk 1

S Afb. 131 De groene knolamaniet (Amanita phalloides) is een van de giftigste paddenstoelen ter wereld. Een uitgebleekt exemplaar is gemakkelijk te verwarren met een eetbare champignon.

Terminatie

De laatste stap van de transcriptie is de terminatie. Bij de vorming van het pre-mRNA stopt de transcriptie nadat er een specifieke sequentie (AAUAAA) is ingevuld. Enzymen herkennen die sequentie en maken vervolgens het gevormde pre-mRNA los van het DNA. Daarna voegen enzymen een serie van A-nucleotiden toe. Die vormen de poly-A-staart, die het pre-mRNA beschermt tegen afbraak.

O N

CH2

O O

OH OH

O O

CH2

OH O

CH3

5’-cap startcodon voor translatie

H2N

CH3 N+

stopsequentie voor transcriptie (AAUAAA)

A A U A AA A A A A A A A A

RNA-sequenties die niet vertaald worden omdat ze voor het startcodon of na het stopcodon liggen RNA-sequenties die vertaald worden

stopcodon voor translatie

RNA-sequenties die via splicing weggeknipt worden om uit pre-mRNA mRNA te vormen

poly-A-staart (50-250 nucleotiden)

VA N

S Afb. 132 Schematische voorstelling van het pre-mRNA

VERDIEPING

Transcriptiefabrieken

Recent onderzoek toont aan dat transcriptie niet zomaar overal voorkomt in de celkern. Het proces is gelinkt aan specifieke plaatsen, de transcriptiefabrieken. Zo’n fabriek bestaat uit een binnenste deel met alle eiwitten die belangrijk zijn voor onder andere de initiatie van de transcriptie en de splicing. Aan de buitenkant van de fabriek komen RNA-polymerasemoleculen voor. Het aantal RNA-polymerasemoleculen varieert van vier tot dertig en hangt af van hoe actief de cel is. Men vermoedt dat de transcriptie efficiënter kan gebeuren doordat alle belangrijke moleculen op één plaats geclusterd zijn. De ontdekking van de transcriptiefabrieken

DNA

RNA-polymerase

heeft vraagtekens

mRNA

geplaatst bij hoe RNApolymerase precies

werkt. Het zou kunnen

dat RNA-polymerase niet over het DNA loopt zoals hierboven beschreven, maar eerder omgekeerd: RNA-polymerase zou dan op één plaats

blijven en het DNA zou erdoor schuiven. Verder onderzoek zal die nieuwe hypothese moeten bewijzen.

S Afb. 133 Voorstelling van een transcriptiefabriek. RNA-polymerase werkt misschien als een soort moleculaire motor waar het DNA door schuift.

THEMA 03

hoofdstuk 1

137

2.2 Splicing van pre-mRNA naar mRNA

‘Intron’ is afgeleid van intragenic region. Het is dus een regio in het eigenlijke gen. ‘Exon’ staat voor expressed region, het deel van het gen dat uiteindelijk tot expressie komt.

Splicing vindt plaats in de celkern tijdens of net na de transcriptie. Het omvat het wegknippen van stukken uit het pre-mRNA om mRNA te vormen, dat de celkern verlaat voor translatie. Een complex van eiwitten en snRNA, dat je een spliceosoom noemt, knipt sequenties weg, die je introns noemt. Zo blijven enkel de exons over, de sequenties die deel zullen uitmaken van het RNA en tijdens de translatie vertaald zullen worden tot een eiwit.

pre-mRNA

INTRON 1

EXON 1

snRNA staat voor small nuclear RNA.

INTRON 2

EXON 2

EXON 3

AA A AA A A A

5’-cap startcodon voor translatie

stopcodon voor translatie

SPLICING

mRNA

AAA

5’-cap

AAA

poly-A-staart

VA N

stopcodon voor translatie

startcodon voor translatie

poly-A-staart

S Afb. 134 Splicing van pre-mRNA met twee introns tussen drie exons

Het transcriptieproces treedt bij eukaryoten op in de celkern. Het maakt een RNA-kopie van een stuk DNA in drie stappen:

• Het proces start met de initiatie. Eiwitten, de transcriptiefactoren, binden op een promotorsequentie en maken de binding van RNA-polymerase mogelijk. Op die manier ontstaat het startcomplex.

• Bij de elongatie opent RNA-polymerase de DNA-dubbelstreng en maakt het een RNAkopie. De streng die wordt overgeschreven, is de template streng. De andere streng is de coderende streng.

• In de laatste stap, de terminatie, komt RNA-polymerase voorbij een specifieke sequentie. Daardoor komt het RNA los van het DNA.

Bij eukaryoten gebeurt splicing. Tijdens dat proces wordt pre-mRNA omgevormd tot mRNA. Splicing gebeurt in de celkern door een spliceosoom tijdens of net na de transcriptie. Het spliceosoom knipt de introns weg en hecht de overblijvende exons aan elkaar. Zo ontstaat mRNA, dat de celkern verlaat voor translatie.

138

THEMA 03

hoofdstuk 1

VERDIEPING

Het verloop van splicing Splicing start wanneer een eerste complex van eiwitten en snRNA bindt aan de 5’-kant van het intron.

Een tweede complex bindt voor het 3’-uiteinde.

1 5’

INTRON 1

EXON 2

3’

EXON 1

5’

5’ UG

3’

VA N

3’

Bijkomende complexen vervolledigen het spliceosoom.

De twee complexen reageren met elkaar en zorgen ervoor dat het intron buigt. Daardoor komen de exons aan weerszijden van het intron dichter bij elkaar te liggen.

U G 5’ A

3’

De 5’-kant van het intron wordt losgeknipt. Dat uiteinde reageert met een nucleotide binnen in het intron. Daardoor krijgt het intron een lassovorm.

U G 5’ A

5’

3’

U G 5’ A

3’

Ook de 3’-kant van het intron wordt losgemaakt. De twee exons worden aan elkaar gehecht.

5’ Het spliceosoom, het intron en het mRNA komen los van elkaar. Het gevormde mRNA verlaat de kern om vertaald te worden ter hoogte van de ribosomen. AG

3’

S Afb. 135 Het verloop van splicing

THEMA 03

hoofdstuk 1

139

Translatie in de eukaryote cel ribosoom

Bij eukaryoten gebeurt de translatie buiten de celkern. Voor eiwitten die nodig zijn in het cytoplasma, gebeurt de translatie door ribosomen die vrij voorkomen in het cytoplasma. Eiwitten met een andere bestemming

ruw ER

worden aangemaakt door ribosomen die gebonden zijn aan het ruw endoplasmatisch reticulum (RER).

S Afb. 136 Ingekleurd TEM-beeld van het ruw ER (blauw), met errond cytoplasma (lichtgroen) met vrij voorkomende ribosomen (donkergroen)

3.1 tRNA

Voor translatie heb je moleculen nodig die enerzijds kunnen binden op een mRNA-codon en er anderzijds voor zorgen dat het correcte aminozuur wordt ingebouwd. Transfer-RNA’s of tRNA’s vervullen die functie. Het zijn kleine RNA-moleculen (70-90 nucleotiden) met een specifieke

opvouwing. Aan de ene zijde komt een anticodon voor dat bindt op een codon van het mRNA. Het anticodon is complementair en antiparallel in vergelijking met het mRNA-codon. Aan

de andere zijde van het tRNA kan het aminozuur binden dat bij datzelfde codon van het mRNA

VA N

hoort.

A acceptorplaats voor aminozuur Asp C C 5' G A U G C G C C G G U lus 3 C G lus 1 U A U U A x U A C C C C G A G U U U A G A G G G G G C C U A A G A x x x C A U G G A C G G C tRNA C G G C C C

3’

lus 3

5’

lus 1

acceptorplaats voor aminozuur

U U

lus 2

anticodon

anticodon mRNA 5'

G A C codon voor Asp

S Afb. 137 Vlakke en ruimtelijke voorstelling van het transfer-RNA. tRNA’s hechten met hun ene kant aan het mRNA via het juiste anticodon. Aan de andere kant van de molecule is het overeenkomstige aminozuur vastgehecht.

140

THEMA 03

hoofdstuk 1

Voordat tRNA’s bruikbaar zijn voor translatie, moet het juiste aminozuur dus aanhechten aan het 3’-uiteinde. Dat gebeurt door specifieke enzymen. Een tRNA met het aangehechte aminozuur stelt men bijvoorbeeld voor als tRNAAsp.

aminozuur

tRNA

tRNAAsp

tRNA-synthetase

VA N

S Afb. 138 De aminozuuractivatie start wanneer het aminozuur reageert met ATP. Twee fosfaatgroepen worden vrijgesteld en het aminozuur bindt aan AMP (adenosinemonofosfaat). Daarna hecht het enzym het aminozuur aan het tRNA en komt AMP opnieuw vrij.

3.2 rRNA en ribosomen Het mRNA en de tRNA’s moeten op een gestructureerde manier met elkaar in contact komen.

tot de overeenkomstige sequentie

van aminozuren. Dat is mogelijk door

P-plaats

de ribosomen. Elk ribosoom bestaat uit

anticodon

twee delen, de kleine subeenheid en

A-plaats anticodon

de grote subeenheid. Beide delen zijn

opgebouwd uit eiwitten en ribosomaal

RNA of rRNA.

codon codon

5’

De twee subeenheden binden aan elkaar en houden het mRNA ertussen vast. Een ribosoom schuift over

KLEINE SUBEENHEID

de juiste volgorde worden vertaald

GROTE SUBEENHEID

De opeenvolging van codons moet in

3D-beeld ribosoom

3’

VIDEO

S Afb. 139 Voorstelling van een ribosoom

het mRNA vanaf het startcodon tot het stopcodon om de code af te lezen. In de grote subeenheid bevinden zich twee plaatsen waar tRNA’s met aangehechte aminozuren met hun anticodon kunnen binden op het mRNA. De plaats aan de 5’-kant van het mRNA is de P-plaats, die aan de 3’-kant de A-plaats.

THEMA 03

hoofdstuk 1

141

3.3 Verloop van de translatie De stappen van de translatie worden ook initiatie, elongatie en terminatie genoemd. video: translatie

Initiatie

VIDEO

Bij de vorming van het startcomplex zijn verschillende eiwitten, zogenoemde initiatiefactoren, betrokken. Die zorgen voor de binding en stabilisatie van de verschillende onderdelen van het startcomplex.

3’

initiatiefactor

tRNAMet

kleine subeenheid

5’-cap

Het tRNAMet dat

overeenkomt met

het startcodon AUG, bindt op de kleine

VA N

subeenheid.

3’

De kleine subeenheid met het gebonden

tRNAMet hecht zich aan de 5’-cap van het mRNA en

schuift over het mRNA tot aan het eerste AUG-

codon. Dat zorgt voor

5’

basenparing tussen het

anticodon van het tRNAMet

3’

en het startcodon.

Ten slotte bindt de grote subeenheid. Dat vervolledigt het startcomplex. Het tRNAMet bevindt zich nu in de P-plaats van de grote subeenheid. De A-plaats is vrij. P-plaats

A-plaats grote subeenheid

5’ 3’ S Afb. 140 De initiatie van de translatie

142

THEMA 03

hoofdstuk 1

Elongatie

De volgende stap is de elongatie. Tijdens de elongatie wordt een polypeptideketen opgebouwd.

peptidyltransferase

Een tRNA met het juiste anticodon bindt met

Een enzym in de grote subeenheid vormt

het tweede codon van het mRNA en bezet zo

een peptidebinding tussen het aminozuur op

de A-plaats. Voorbeeld: tRNA .

de P-plaats (Met) en dat op de A-plaats (Ala).

Ala

De dipeptide (Met-Ala) is nu gebonden op

VA N

het tRNA op de A-plaats.

Het ribosoom schuift drie nucleotiden op van 5’ naar 3’. Daardoor komt het eerste tRNA los

en komt het tRNA met de dipeptide terecht op de P-plaats. De A-plaats is opnieuw vrij.

Het proces herhaalt zich. Daarbij hecht het enzym de peptideketen die aangehecht is aan het tRNA op de P-plaats, telkens op het nieuwe aminozuur dat aangehecht is aan het tRNA op de A-plaats.

S Afb. 141 De elongatie van de translatie

THEMA 03

hoofdstuk 1

143

Terminatie

Op een bepaald moment zal op de A-plaats een stopcodon voorkomen. Een stopcodon bindt niet met tRNA, maar met een eiwit, de release factor. Dat zorgt ervoor dat de gevormde peptide, het mRNA, het tRNA en de kleine en grote subeenheid van het ribosoom loskomen.

tRNA

release factor

GROTE SUBEENHEID

KLEINE SUBEENHEID

stopcodon

mRNA

VA N

polypeptide S Afb. 142 De terminatie van de translatie

Na de terminatie gebeurt nog de nabewerking en opvouwing van de polypeptide tot een functioneel eiwit. In het geval van nabewerking zal altijd de eerste methionine, overeenkomend met het startcodon, worden weggeknipt.

WEETJE

Meerdere ribosomen kunnen tegelijkertijd hetzelfde mRNA vertalen. Eén mRNA met meerdere aangehechte ribosomen wordt een polysoom genoemd. Telkens wanneer een vorig ribosoom voldoende is doorgeschoven, kan een nieuw ribosoom zich aan de 5’kant van het mRNA aanhechten. Een polysoom vormt dus uit één mRNA tegelijkertijd meerdere kopieën van dezelfde polypeptide. Dat verhoogt de efficiëntie van de translatie.

mRNA

144

THEMA 03

5’

hoofdstuk 1

ribosoom

polypeptide

3’

S Afb. 143 EM-beeld van een polysoom

WEETJE De ziekte van Huntington is een autosomaal dominante erfelijke aandoening. In België lijdt ongeveer 1 op de 10 000 mensen aan de ziekte. De eerste symptomen treden pas op tussen de 35 en 50 jaar. De patiënt gaat mentaal geleidelijk achteruit, maakt onwillekeurige bewegingen die langzaam verergeren, en vertoont veranderingen in het gedrag. De oorzaak van de symptomen bepaalde hersengebieden door een mutatie in het huntington-gen. Door de mutatie is er een allel ontstaan met meer dan 40 herhalingen van het triplet CAG. Bij gezonde personen hebben beide allelen minder dan 27 CAG-herhalingen. Hoe meer herhalingen in het allel een patiënt met de ziekte heeft, hoe vroeger de eerste

is het afsterven van zenuwcellen in

S Afb. 144 Een MRI-scan van de hersenen van een 21 jaar oude patiënt met de ziekte van Huntington. De rode gebieden tonen het afsterven van zenuwweefsel aan.

symptomen optreden. Het codon CAG is de

code voor het aminozuur glutamine. Het huntingtine-eiwit bevat in het geval van de ziekte

VA N

dus meer glutamine dan normaal.

Recent onderzoek toont aan dat de mutante vorm van het huntingtine-eiwit de ribosomen vertraagt door te binden met de ribosomale eiwitten. De wetenschappers creëerden drie types zenuwcellen, elk met een ander aantal CAG-herhalingen. Daarbij toonden ze aan dat hoe meer CAG-herhalingen de cellen hadden, hoe meer de translatie van bepaalde eiwitten vertraagd werd. Wanneer de productie van de mutante vorm van huntingtine geblokkeerd werd in de cellen, steeg de beweeglijkheid van de ribosomen en dus ook de translatiesnelheid weer naar een normaal niveau.

Het proces van translatie verloopt in drie stappen:

• Initiatie: een ribosoom, opgebouwd uit rRNA en eiwitten, splitst zich. De kleine

subeenheid bindt met tRNAMet. Vervolgens schuift het mRNA vanaf de 5’-kant door

de kleine subeenheid, tot het tRNAMet bindt met het startcodon AUG. Ten slotte vervolledigt de grote subeenheid het startcomplex. tRNAMet bezet de P-plaats.

De A-plaats is vrij.

• Elongatie: een geactiveerd tRNA hecht zich vast op de A-plaats. Een enzym verbindt het aminozuur op de P-plaats met dat van de A-plaats. Het ribosoom schuift op. Het tRNA dat op de P-plaats voorkwam, komt vrij en het andere tRNA bezet nu de P-plaats. Het proces herhaalt zich en de polypeptideketen groeit.

• Terminatie: de release factor bindt op het stopcodon, waardoor de polypeptide, het tRNA en de release factor vrijkomen van het ribosoom.

THEMA 03

hoofdstuk 1

145

VERDIEPING

Voorbeeld van nabewerking van een polypetide in ruw ER en Golgi-apparaat Veel eiwitten zijn pas werkzaam nadat ze een nabewerking hebben ondergaan. Dat noem je posttranslationele modificatie. Die nabewerkingen zijn essentieel voor de functie van die bepaalde eiwitten. Voorbeelden zijn: • de toevoeging van moleculen (bv. oligosachariden of lipiden) of functionele groepen (bv. methylgroepen of acetylgroepen) aan het eiwit. Door de toevoeging van functionele groepen aan de restgroep van een aminozuur kan de cel een ander aminozuur vormen. Het functionele eiwit kan dus bestaan uit meer types aminozuren dan de types die oorspronkelijk bij de translatie werden ingebouwd;

• het breken van peptidebindingen, waardoor stukken loskomen en kunnen worden verwijderd; • de vorming van zwavelbruggen.

Als de nabewerking plaatsvindt in het ruw ER en het Golgi-apparaat, moet het eiwit eerst worden opgenomen door het ruw ER. Dat gebeurt als volgt:

• De translatie start door vrije ribosomen in het cytoplasma. Door elongatie ontstaat er een groeiende polypeptideketen die is aangehecht aan het ribosoom.

• Het begin van die eiwitsequentie vormt een signaalpeptide. Daarop bindt een eiwitcomplex. Dat pauzeert de translatie, omdat het complex de toegang tot de A-plaats blokkeert.

• Het eiwitcomplex, met het mRNA eraan gehecht, bindt vervolgens met een receptor net naast

VA N

een transporteiwit van het ruw ER. Het complex komt vervolgens los van de receptor, maar het mRNA, het ribosoom en de polypeptide blijven gebonden aan het transporteiwit ernaast.

• Doordat het eiwitcomplex heeft losgelaten, is de A-plaats weer vrij en gaat de translatie voort. • Het gevormde eiwit komt via het transporteiwit terecht in het ruw ER.

3’

mRNA

groeiende eiwitketen

3’

5’

CYTOPLASMA

eiwitcomplex

5’

stap 1

stap 2

3’

stap 3

stap 4

stap 5

5’

transporteiwit

S Afb. 145 Het transport van een ribosoom naar het ruw ER

146

THEMA 03

hoofdstuk 1

receptor

RUW ENDOPLASMATISCH RETICULUM

enzym knipt signaalpeptide

stap 6

Als voorbeeld van een nabewerking van een eiwit bekijken we de polypeptide die aanleiding geeft tot de vorming van insuline en C-peptide. De productie daarvan gebeurt in de ß-cellen van de eilandjes van Langerhans in de alvleesklier. Een gen op chromosoom 11 bevat de code voor een polypeptide van 110 aminozuren. In het ruw ER gebeurt een eerste modificatie van de polypeptide. De signaalpeptide die de polypeptide vasthechtte aan een ribosoom van het ruw ER, wordt door enzymen verwijderd. Zo ontstaat er pro-insuline, dat zich opvouwt, onder andere door de aanwezigheid van zwavelbruggen. Daarna komt de pro-insuline via een transportblaasje in het Golgi-apparaat terecht. Daar knippen enzymen het middenstuk eruit. Dat vormt de C-peptide. Bij de twee ketens die overblijven, worden nog twee aminozuren aan de N-terminus weggeknipt. Zo ontstaat de functionele

insuline, die samen met de C-peptide via transportblaasjes het celmembraan bereikt. Exocytose stelt de insuline en de C-peptide vrij, waardoor de moleculen in het bloed worden opgenomen. Insuline zorgt als hormoon voor de verlaging van de bloedsuikerspiegel. De C-peptide is onder andere belangrijk voor een goede zenuwen nierfunctie.

pro-insuline

insuline

VA N

pre-pro-insuline

s s

B-keten

A-keten

zwavelbrug

s s

signaalpeptide

s s

C-peptide

S Afb. 146 De nabewerking van pre-pro-insuline tot werkzame insuline

Op lees je meer over de verschillen in de eiwitsynthese tussen prokaryoten en eukaryoten.

THEMA 03

hoofdstuk 1

147

AAN DE SLAG 1

De volgende moleculen zijn betrokken bij

de vorming van een startcomplex.

worden de eiwitten van de niercellen na enige tijd

Zet ze in de juiste volgorde waarin ze binden.

vervangen door nieuwe. Volgens welke DNA-code gebeurt dat, die van de transplantatiepatiënt zelf

kleine subeenheid van het ribosoom –

(acceptor) of die van de donor? Verklaar.

grote subeenheid van het ribosoom –

Vul de zin aan met de juiste aantallen. mogelijke codons komen

Van de er

overeen met aminozuren. codons stoppen de reactie.

Het tabaksmozaïekvirus (TMV) infecteert de bladeren van tabaksplanten en veroorzaakt er een mozaïek van vergeelde vlekken. Later zullen

tRNAMet – mRNA 2

Bij een patiënt met een getransplanteerde nier

de bladeren opkrullen. De ziekte vermindert de

opbrengst van de tabaksplanten. Het genoom van

het tabaksmozaïekvirus (TMV) bestaat uit een RNAstreng van ongeveer 6 000 nucleotiden, omgeven door een mantel (capside) van 2 150 identieke

Schrijf met behulp van de genetische code welk mRNA bij deze polypeptide hoort: Met – Lys – Arg – Glu – Val – Phe – Cys – Pro a

proteïnemoleculen, die elk uit 158 aminozuren

bestaan. De vermenigvuldiging van TMV verloopt in de cellen van de tabaksplant.

Wat merk je op?

VA N

b Hoe verklaar je dat?

Dit stuk DNA is de template voor mRNA:

5’TACGCACAT3’. De overeenkomstige peptide zal de volgende samenstelling hebben: a

Cys – Val

b Met – Cys – Val c

Ala – Val

d Met – Ala – Val

S Een blad van een tabaksplant geïnfecteerd met TMV

Welk aminozuur zal aanhechten aan een tRNAmolecule met anticodon AAA? a

fenylalanine

Verloopt de synthese van de TMV-proteïnen

ook in twee stappen, namelijk transcriptie en translatie?

b Hoeveel nucleotiden van het RNA-genoom

b lysine

van TMV zijn codeletters voor de opbouw van

capsideproteïnen (starten stopcodons niet

proline

d glycine e

arginine

meegerekend)?

Een deel van het RNA-genoom codeert

voor enzymen die een rol spelen bij het Een geneticus isoleert een menselijk gen voor

een bepaalde eigenschap. Ze isoleert ook het

binnendringen in de cellen van de tabaksplant. Hoeveel nucleotiden kunnen dat zijn? Leg uit.

overeenkomstige mRNA. Bij vergelijking blijkt dat het mRNA duizend basen korter is dan de DNAsequentie. Maakte de geneticus een fout? a

Ja, mRNA wordt gemaakt uit een DNA-template en moet dezelfde lengte hebben.

b Ja, het mRNA zou eigenlijk meer basen moeten hebben, omdat ook stukken naast het eigenlijke gen worden overgeschreven. c

Nee, het finale mRNA bevat enkel exons. De introns worden verwijderd.

d Nee, het mRNA wordt gedeeltelijk afgebroken na transcriptie. 148

THEMA 03

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

Meer oefenen? Ga naar

VIDEO

kennisclip

HOOFDSTUKSYNTHESE EIWITSYNTHESE 3’

De genetische code • codon = opeenvolging van

Asp

drie DNA- of RNA-nucleotiden

Ala

bepaald aminozuur • 64 verschillende codons

Val

= genetische code

3’

• drie stopcodons (UAA, UAG en

Arg

UGA) en één startcodon (AUG)

Ser

• gedegenereerd: de meeste

Lys

aminozuren worden door meer

C U G A C U G A C U G A Asn

dan één codon gecodeerd

Leu

C A G U C A G G

Ser UC

Tyr

OP ST P A STO G Cys U C STOP A Trp G 3’ U C Leu A G U C

die overeenstemmen met een

Phe

Gly

Glu

5’

Thr

A C U G A C

Pro

His

Gln

Arg

Ile

STA RT

Met

VA N

3’

Transcriptie

5’

Verloopt in drie stappen:

RNA-polymerase

promotor

3’

DNA

• Initiatie: transcriptiefactoren

en RNA-polymerase binden op

coderende streng

de promotor. Het startcomplex

5’

wordt gevormd.

3’

• Elongatie: RNA-polymerase

opent de DNA-dubbelstreng en maakt een RNA-kopie.

• Terminatie: RNA komt los van DNA.

template streng

pre-mRNA

RNA-nucleotiden

richting van de transcriptie

5’

Splicing (bij eukaryoten) • Introns wordt uitgeknipt en exons worden aan elkaar geplakt.

pre-mRNA EXON 1

INTRON 1

INTRON 2

EXON 3

EXON 2

AA A AA A A A

5’-cap startcodon voor translatie

stopcodon voor translatie

SPLICING

poly-A-staart

mRNA

• pre-mRNA → mRNA

AAA

5’-cap startcodon voor translatie

AAA

stopcodon voor translatie poly-A-staart

THEMA 03

SYNTHESE hoofdstuk 1

149

5’

HOOFDSTUKSYNTHESE 3’

Translatie Verloopt in drie stappen: • Initiatie: de kleine subeenheid van een ribosoom bindt met

P-plaats

rRNA. mRNA schuift door de

A-plaats grote subeenheid

kleine subeenheid, tot tRNA De grote subeenheid bindt aan het startcomplex. • Elongatie: op elk codon van het mRNA wordt een tRNA met het juiste anticodon aangebracht. De aminozuren worden met peptidebindingen aaneengeschakeld. Zo wordt

5’

bindt met het startcodon.

3’

een polypeptideketen opgebouwd.

VA N

• Terminatie: een stopcodon

bindt met een eiwit, de release factor. Daardoor komen

de polypeptide, het tRNA,

het mRNA en de release factor los van het ribosoom.

tRNA

release factor

GROTE SUBEENHEID

release factor

KLEINE SUBEENHEID stopcodon

150

THEMA 03

SYNTHESE hoofdstuk 1

mRNA polypeptide

HOOFDSTUK 2

Î Genregulatie Genregulatie is het sturen van de expressie van een gen. Als je bijvoorbeeld alcohol hebt gedronken, zullen je levercellen de genen voor alcoholdehydrogenasen tot expressie brengen. Die groep van enzymen zorgt ervoor dat de toxische alcohol kan worden omgezet tot minder schadelijke stoffen, die uiteindelijk worden functies en zullen andere genen tot expressie brengen. LEERDOELEN

uitgescheiden. Detoxificatie is immers een van de functies van de lever. Andere organen hebben andere

M Uitleggen hoe de genexpressie wordt gereguleerd bij prokaryoten en eukaryoten

M Uitleggen hoe één gen de code bevat voor een of meerdere RNA-moleculen of polypeptiden

Genregulatie bij prokaryoten

VA N

Bij bacteriën ligt het erfelijk materiaal op één cirkelvormig chromosoom. De genen die coderen voor functioneel verwante eiwitten, liggen in elkaars buurt. Hun transcriptie wordt gecontroleerd door één promotor. Die organisatie van twee of meer genen onder controle van één promotor noem je een operon. Een operon maakt het mogelijk om een groep genen als geheel tot expressie te brengen, als de leefomstandigheden daarom vragen.

Het goed afstellen van de genexpressie op de omstandigheden is een manier om zuinig om te springen met energie, nucleotiden en aminozuren. Op het bacteriële chromosoom ligt ook een regulatorgen, dat onder controle staat van een eigen promotor. Het regulatorgen codeert voor een regeleiwit dat kan binden op een DNA-sequentie die voor de genen ligt, de operator.

operator (bindingsplaats voor regeleiwitten)

genen

promotor (startplaats voor transcriptie)

regulatorgen

operon

S Afb. 147 De organisatie van een operon. Het operon staat onder controle van een regulatorgen met een eigen promotor.

THEMA 03

hoofdstuk 2

151

Als voorbeeld leggen we de genregulatie uit van het lac-operon, genoemd naar de disacharide lactose, in Escherichia coli (E. coli). VOORBEELD LAC-OPERON In het lac-operon liggen drie genen voor enzymen die nodig zijn bij het lactosemetabolisme, de lac-genen. De eiwitten waarvoor ze coderen, zijn nodig om lactose te kunnen gebruiken als energiebron. LacZ codeert voor een enzym dat lactose afbreekt tot glucose en galactose. Om lactose te kunnen opnemen in de cel, is een ander enzym nodig, dat gecodeerd wordt door lacY. Het enzym dat gecodeerd wordt door lacA, speelt een rol bij de detoxificatie van schadelijke stoffen die de cel binnenkomen. De drie genen staan onder controle van één promotor. Vóór de genen ligt een sequentie waarop regeleiwitten binden. Die sequentie is

de operator. De regeling van het lac-operon hangt af van de sachariden die in het milieu van E. coli

aanwezig zijn. E. coli kan zowel glucose als lactose gebruiken als energiebron. Glucose geniet de voorkeur, omdat het een monosacharide is.

• Als er wel glucose, maar geen lactose aanwezig is, dan wordt de transcriptie van de lacgenen bijna volledig onderdrukt. Er is dan maar een laag niveau van genexpressie

aanwezig. Dat komt doordat een repressor, een regeleiwit, bindt op de operator die

voor de genen ligt. Daardoor wordt de transcriptie van de genen door RNA-polymerase

verhinderd. De repressor wordt gecodeerd door lacI, een regulatorgen dat in de buurt van

VA N

het lac-operon ligt en onder controle staat van een eigen promotor.

lac-operon

promotor

regulatorgen

promotor

operator

lacI

RNA-polymerase

mRNA

repressor

hoofdstuk 2

lacY

lacA

geen transcriptie

De repressor bindt aan de operator en verhindert de transcriptie van de lac-genen.

(regeleiwit)

S Afb. 148 Als er geen lactose aanwezig is in het milieu, dan is er geen expressie van de lac-genen.

152

lacZ

• Als er naast glucose ook lactose voorhanden is, wordt de aanmaak van de enzymen die nodig zijn voor de opname en de afbraak van lactose, opgedreven. Er komt een beetje lactose in de cel. Dat bindt op de repressor. Daardoor komt de repressor los van de operator en krijgt RNA-polymerase vrij spel om te starten met de transcriptie van de genen in het lac-operon. Je zegt dat de transcriptie van de genen geïnduceerd wordt door de lactose. Je noemt lactose een inductor van het lac-operon. lac-operon promotor

regulatorgen

promotor

operator

lacI

RNA-polymerase repressor

mRNA

inductor = lactose

mRNA

enzym 1 enzym 2 enzym 3

VA N

S Afb. 149 In aanwezigheid van lactose worden de lac-genen tot expressie gebracht.

lacA

lacY

lacZ

• Is er enkel lactose aanwezig, dan moet het lac-operon zeker op volle toeren werken. Om er zeker van te zijn dat dat gebeurt, gebruikt de cel de molecule cyclisch AMP (= cAMP). cAMP is een cyclisch nucleotide, afgeleid van ATP. Bij heel veel biochemische processen in de cel is cAMP belangrijk om informatie door te geven. De aanwezigheid van cAMP is voor E. coli een ‘hongersignaal’. Het is in grotere hoeveelheden aanwezig wanneer er weinig glucose beschikbaar is. Het bindt aan een activatoreiwit dat in de cel aanwezig is, en het complex bindt dicht bij de promotor van het lac-operon. Die situatie bevordert de transcriptie van de lac-genen door RNA-polymerase. In een hoog tempo worden de benodigde enzymen aangemaakt, zodat E. coli de aanwezige lactose optimaal kan gebruiken voor haar energiebehoefte. ↓glucose

promotor

↑cAMP

regulatorgen

activatoreiwit

promotor

lac-operon

operator

lacI

lacZ

lacY

lacA

RNA-polymerase repressor

mRNA

inductor = lactose

mRNA enzym 1 enzym 2 enzym 3

S Afb. 150 Als lactose de enige energiebron is, wordt de transcriptie van de lac-genen nog verhoogd.

THEMA 03

hoofdstuk 2

153

Genregulatie is het sturen van de expressie van genen. Bij prokaryoten liggen de genen voor functioneel verwante eiwitten in elkaars buurt. Hun transcriptie staat onder controle van één promotor. Die organisatie in een operon maakt het mogelijk om een groep genen als geheel tot expressie te brengen, als de leefomstandigheden daarom vragen. Regeleiwitten die op de operator kunnen binden, regelen de expressie van de genen in het operon. Het lac-operon bevat de genen die coderen voor eiwitten die een rol spelen bij het lactosemetabolisme. Een repressoreiwit is een regeleiwit dat de expressie van de genen

onderdrukt. Lactose induceert de expressie.

Genregulatie bij eukaryoten

Genregulatie bij eukaryoten regelt de concentraties aan eiwitten in een bepaald celtype op een bepaald moment. Zo moet er bijvoorbeeld in een rode bloedcel een hoge concentratie aan het eiwit hemoglobine aanwezig zijn, en in een spiercel het eiwit myosine.

In huidcellen, zenuwcellen en botcellen komen dan weer andere genen tot expressie, ook

al bezitten die cellen hetzelfde genoom. Elk celtype heeft dus zijn eigen expressiepatroon,

afhankelijk van de functie die het vervult. Het tot expressie brengen van welbepaalde genen leidt

VA N

tot het ontstaan van sterk gedifferentieerde cellen. Dat noem je celdifferentiatie. Tussen het overschrijven van DNA en het bekomen van een afgewerkt functioneel eiwit zitten heel wat stappen. Bij elke stap beschikt de cel over manieren om het proces te reguleren. In het vorige hoofdstuk leerde je al dat er vaak posttranslationele modificaties nodig zijn om een werkzaam eiwit te bekomen. In dit hoofdstuk bespreken we enkele mogelijkheden waarover de cel beschikt om de transcriptie en de translatie te reguleren.

1 epigenetische modificaties

chromatine

2 3 transcriptie- nabewerkingen factoren op RNA 5’-cap

exon gen toegankelijk pre-mRNA voor transcriptie

kernporie

transport

translatie

posttranslationele modificaties

poly-A

mRNA

polypeptide functioneel eiwit mRNA-afbraak

4 RNA-interferentie

S Afb. 151 De structuur van de chromatine in de kern kan gewijzigd worden om een gen bereikbaar te maken voor transcriptiefactoren. Na de transcriptie kunnen op het pre-mRNA verschillende nabewerkingen gebeuren. Ook op het niveau van de translatie in het cytosol is er regulatie mogelijk. De laatste stap om een functioneel eiwit te bekomen, zijn posttranslationele modificaties.

154

THEMA 03

hoofdstuk 2

2.1

Epigenetische modificaties

Hoewel elke lichaamscel hetzelfde genoom bevat, brengen de verschillende cellen van een organisme verschillende genen tot expressie. De cel beschikt over manieren waarmee ze de toegankelijkheid van een gen voor transcriptiefactoren en dus ook de expressie ervan kan beïnvloeden. Je weet al dat chromatine het complex is van DNA

heterochromatine

en histoneiwitten in de kern en dat je twee soorten chromatine kunt

euchromatine

onderscheiden. In de compacte heterochromatine liggen genen die op dat moment niet tot expressie worden gebracht. Euchromatine is minder compact. De genen die daar liggen, kunnen wel tot expressie komen. De compactheid van chromatine is dus belangrijk voor de

VA N

genexpressie. Ze kan gewijzigd worden wanneer bepaalde groepen op het DNA of de

2 µm

S Afb. 152 Euchromatine en heterochromatine in de celkern van een niet-delende cel

histonen worden gehecht. Die

aanpassingen van het DNA noem je epigenetische modificaties.

heterochromatine

gemethyleerde promotorregio

euchromatine

transcriptiefactoren

S Afb. 153 De compactheid van chromatine is belangrijk voor de genexpressie.

THEMA 03

hoofdstuk 2

155

DNA-methylering

Wanneer bijvoorbeeld een methylgroep (-CH3) wordt gebonden op het nucleotide cytosine,

verandert de ruimtelijke structuur van de chromatine naar een compactere vorm. De methylering gebeurt niet zomaar op eender welke cytosine, maar enkel op een cytosine net voor een guanine. Ook in de complementaire streng wordt op de cytosine een methylgroep gehecht. In de promotor van heel wat genen zitten veel van dergelijke cytosines. Methylering zorgt er dan voor dat het gen niet wordt overgeschreven. Is er geen methylering, dan kan het gen worden overgeschreven. Het plaatsen of wegnemen van methylgroepen gebeurt door enzymen.

NH2

NH2 CH3

methyltransferase O

N H

compactere vorm chromatine

N H

S Afb. 154 Het enzym methyltransferase brengt methylgroepen aan op cytosine. Dat verhindert de expressie van genen.

VA N

Modificatie van de histonen

Het DNA zit gewikkeld rond histonen. Op de histonen zitten histonstaarten, aminozuurketens die uitsteken uit het nucleosoom. Enzymen kunnen daarop meerdere verschillende groepen vasthechten. Zo is er een grote variatie in modificaties mogelijk. Afhankelijk van welke groepen waar zijn aangehecht, wordt de genexpressie verhoogd of verlaagd. Wanneer bijvoorbeeld een acetylgroep (-CO-CH3) aan de histonuiteinden gehecht wordt, zal

de chromatine losser worden, waardoor de genen tot expressie kunnen worden gebracht. CH

CH3

gen

H CO-C 3

CO-CH3

methylgroep

CO-CH3

histonstaart

CH3

CO-CH 3

CO-CH3

-CH 3 CO

CH 3

CH3

COCH

CH 3

CH3

CH 3

histon DNA-deel dat niet toegankelijk is voor transcriptiefactoren Het gen is inactief.

CH3

De methylering CH3 van DNA en histonstaarten zorgt voor een sterkere condensatie van chromatine. Transcriptiefactoren kunnen niet gemakkelijk binden op het DNA en genen kunnen moeilijk tot expressie worden gebracht.

COCH

CH 3 CO-

THEMA 03

hoofdstuk 2

CO-CH3

-CH 3 CO

acetylgroep DNA-deel dat wel toegankelijk is voor transcriptiefactoren Het gen is actief.

De acetylering CO-CH3 van histonstaarten zorgt voor lossere chromatine. Transcriptiefactoren kunnen binden op het DNA en genen kunnen tot expressie worden gebracht.

S Afb. 155 DNA-methylering en histonacetylering zijn voorbeelden van epigenetische modificaties.

156

H3 -C CO

CH3

Chromatine remodeling

Chromatine remodeling complexen zijn eiwitcomplexen die in staat zijn om de structuur van chromatine te herschikken. Zo kunnen ze bijvoorbeeld nucleosomen langs het DNA verplaatsen. Daardoor kunnen de bindingsplaatsen voor transcriptiefactoren en regeleiwitten, zoals activatoren of repressoren, toegankelijk worden gemaakt. Op die manier regelen chromatine remodeling complexen de transcriptie van DNA.

Het nucleosoom is verplaatst.

S Afb. 156 Chromatine remodeling complexen kunnen de structuur van chromatine wijzigen. Daardoor kan de bindingsplaats voor transcriptiefactoren en regeleiwitten toegankelijk worden of net niet.

2.2 Transcriptiefactoren

Je weet al dat de transcriptiefactoren in het startcomplex belangrijk zijn bij de initiatie van de transcriptie. Transcriptiefactoren spelen ook een rol in de regulatie. Ze binden dan op

VA N

specifieke sequenties, die vele duizenden nucleotiden verwijderd kunnen liggen van het gen waarvan ze de transcriptie regelen. Transcriptiefactoren die helpen bij de vorming van het startcomplex, zijn activatoren. Repressoren doen het tegenovergestelde. Opdat die transcriptiefactoren zouden kunnen interageren met het startcomplex, vormt het DNA een lus.

transcriptiefactoren voor genregulatie

transcriptiefactoren in het startcomplex

gen promotor

RNA-polymerase

S Afb. 157 Het startcomplex initieert de transcriptie. Het kan interageren met transcriptiefactoren, die de transcriptie reguleren.

THEMA 03

hoofdstuk 2

157

2.3 Nabewerkingen op RNA A

Alternatieve splicing van het pre-mRNA

De transcriptie van DNA levert pre-mRNA op. In het vorige hoofdstuk leerde je al dat de introns uit het pre-mRNA worden verwijderd door splicing. Ook exons kunnen worden verwijderd, waardoor er alternatieve mRNA’s ontstaan. Je spreekt dan van alternatieve splicing. Omdat dat op verschillende manieren kan gebeuren, kan één pre-mRNA verschillende mRNA-moleculen opleveren en dus ook verschillende polypeptiden.

pre-mRNA

5’

Een voorbeeld van alternatieve splicing wordt weergegeven op de afbeelding.

3’

alternatieve splicing

mRNA's 1

eiwit 2

VA N

eiwit 1

eiwit 3

S Afb. 158 Door alternatieve splicing kan een gen coderen voor verschillende eiwitten, afhankelijk van welke exons worden verwijderd uit het pre-mRNA.

Alternatieve startplaatsen voor de transcriptie

Op verschillende plaatsen in de nucleotidesequentie van een gen kunnen startplaatsen voor transcriptie liggen. Afhankelijk van welke startplaats wordt gebruikt, wordt er een ander eiwit gevormd.

startplaats 1

levercel

startplaats 2

neuron transcriptie

startplaats 3

gladde spiercel

eiwit 1

translatie mRNA 1

eiwit 2

mRNA 2 eiwit 3 mRNA 3 S Afb. 159 In een gen kunnen meerdere transcriptiestartplaatsen voorkomen. Er kunnen op basis van één gen dan eiwitten worden gevormd met een verschillende lengte en functie.

158

THEMA 03

hoofdstuk 2

2.4 RNA-interferentie A

miRNA

Micro-RNA of kortweg miRNA is niet-coderend RNA dat 21 tot 23 nucleotiden lang is. Het beïnvloedt de genexpressie door te binden aan mRNA. In het cytoplasma bindt het miRNA aan een eiwitcomplex. Het miRNA is complementair aan bepaalde mRNA-sequenties. Door erop te binden, brengt het miRNA het eiwitcomplex in contact met het mRNA. De eiwitten in het complex zijn in staat om mRNA af te breken of de translatie ervan te blokkeren. Hoewel men lange tijd dacht dat miRNA’s enkel de translatie van mRNA kunnen onderdrukken, zijn er ook miRNA’s beschreven die net het tegenovergestelde effect hebben en dus de translatie een verhoogde als een verlaagde transcriptie zijn.

activeren. Bovendien kunnen ze ook de transcriptie beïnvloeden. Die invloed kan zowel

Op welk niveau het miRNA ook ingrijpt, het resultaat is altijd hetzelfde: door toedoen van een kleine miRNA-molecule wordt de expressie van een gen beïnvloed. Dat noem je RNA-interferentie.

miRNAeiwitcomplex

VA N

miRNA

mRNA

afbraak mRNA

geen translatie

S Afb. 160 miRNA verlaat de kern. In het cytosol bindt het met een aantal eiwitten. In combinatie met die eiwitten kan miRNA zowel de transcriptie als de translatie van een gen beïnvloeden.

Er bestaan miRNA’s die enkel voorkomen in een bepaald celtype, maar sommige zijn aanwezig in bijna alle celtypes. Wanneer de RNA-interferentie ongecontroleerd verloopt, kunnen de gevolgen

groot zijn. Meerdere ziektes worden gelinkt aan mutaties in miRNA’s, zoals leukemie en andere kankers of de ziekte van Alzheimer. Mutaties in de sequenties die coderen voor miRNA’s, zorgen ervoor dat de cel geen normale hoeveelheden van het miRNA bezit. Dat kan leiden tot een abnormale expressie van de genen die normaal gezien door het miRNA worden geregeld.

THEMA 03

hoofdstuk 2

159

X-inactivatie

Je weet al dat vrouwen in hun lichaamscellen twee X-chromosomen hebben en mannen één X- en één Y-chromosoom. Op het Y-chromosoom liggen een aantal genen die bepalen dat een zygote zich ontwikkelt tot een jongen. Je weet ook al dat een extra kopie van een (deel van een) chromosoom tot een abnormale ontwikkeling kan leiden. Dat is bijvoorbeeld het geval bij trisomie-21. Om ervoor te zorgen dat bij mannen en vrouwen de genen op het X-chromosoom in gelijke mate tot expressie komen, wordt één X-chromosoom in de lichaamscellen van een vrouwelijk embryo geïnactiveerd. Dat wil zeggen dat de genen die erop liggen, niet tot expressie worden gebracht. Het volledige chromosoom wordt als het ware buitenspel gezet.

Het geïnactiveerde X-chromosoom is in

Dat noem je X-inactivatie.

de cel aanwezig als sterk gecondenseerde heterochromatine en vormt het Barr-

Barr-lichaampje

lichaampje. Het is tussen twee celdelingen zichtbaar als een donkere plek die tegen het kernmembraan ligt. De X-inactivatie gebeurt wanneer het

vrouwelijke embryo uit ongeveer honderd

cellen bestaat. In een deel van de cellen zal

VA N

het X-chromosoom afkomstig van de moeder

geïnactiveerd worden. In de andere cellen zal het X-chromosoom afkomstig van de vader

hetzelfde lot ondergaan. Welk X-chromosoom wordt geïnactiveerd, wordt willekeurig

S Afb. 161 Het geïnactiveerde X-chromosoom (Barr-lichaampje) in de kern van een vrouwelijke cel is zichtbaar als een donker vlekje door de sterke condensatie tot heterochromatine.

gekozen. Hoe de eigenlijke inactivatie

verloopt, is nog niet helemaal opgehelderd,

al staat het wel vast dat RNA-interferentie daar een rol in speelt.

WEETJE

Bij de mens komt een aandoening voor waarbij de zweetklieren in de huid onvoldoende ontwikkeld zijn. De oorzaak ligt in

een mutatie op het X-chromosoom. Mannen met die mutatie bezitten geen goed

functionerende zweetklieren in hun huid.

Vrouwen die heterozygoot zijn, hebben

cellen waarbij het gemuteerde X-chromosoom geïnactiveerd is

huidzones met, maar ook huidzones zonder goed functionerende zweetklieren. Het is een voorbeeld waarbij het fenotypisch duidelijk is dat het X-chromosoom met de mutatie in een deel van de cellen geïnactiveerd is en in een ander deel niet.

cellen waarbij het gemuteerde X-chromosoom actief is W Afb. 162 Vrouwen met de aandoening beschikken over huidzones met en zonder functionerende zweetklieren.

160

THEMA 03

hoofdstuk 2

VERDIEPING Inactivatie van het X-chromosoom is zichtbaar in het fenotype van schildpadkatten. Die benaming wordt gebruikt voor katten die twee kleuren in hun vacht hebben. Dat verschijnsel komt voor bij de meeste kattenrassen en wordt veroorzaakt door X-inactivatie. Een gen dat de vachtkleur bepaalt, ligt op het X-chromosoom. Er komen twee allelen voor, die ofwel een zwarte, ofwel een oranje vachtkleur opleveren. Katers de moeder, en zij zullen dus één bepaalde vachtkleur

hebben maar één X-chromosoom, dat overgeërfd is van hebben. Kattinnen erven twee X-chromosomen en kunnen dus twee verschillende allelen krijgen. Maar omdat niet in elke cel van de kattin hetzelfde

X-chromosoom geïnactiveerd is, zal – bij een heterozygote

kattin – in een deel van de cellen het allel voor een oranje kleur tot expressie komen en in de andere cellen het allel voor een zwarte kleur. Het resultaat is een kattin met twee vachtkleuren. In cellen op het topje van de staart

S Afb. 163 Een schildpadkat met twee kleuren in de vacht

VA N

is bijvoorbeeld het X-chromosoom van de vader

geïnactiveerd, terwijl in het midden van de staart

cellen zitten waarin het X-chromosoom van de moeder geïnactiveerd werd. Schildpadkatten zijn dus meestal vrouwtjes. Een mannelijke schildpadkat is zeldzaam. Dat komt voor wanneer de kater twee X-chromosomen heeft, bijvoorbeeld XXY, en ook in die situatie zal in elke cel één X-chromosoom geïnactiveerd zijn.

actief X-chromosoom

allel voor oranje kleur

geïnactiveerd X-chromosoom

Barr-lichaampje

allel voor zwarte kleur

twee X-chromosomen in een vrouwelijke zygote

geïnactiveerd X-chromosoom

actief X-chromosoom

S Afb. 164 Kattinnen kunnen van beide ouders twee dezelfde allelen overerven, maar ook twee verschillende. In dat laatste geval zullen beide kleuren in het fenotype aanwezig zijn.

THEMA 03

hoofdstuk 2

161

Genregulatie bij eukaryoten regelt de concentraties aan eiwitten in een bepaald celtype op een bepaald moment. Tussen het overschrijven van DNA en het bekomen van een afgewerkt eiwit zitten heel wat stappen. Bij elke stap beschikt de cel over manieren om het proces te reguleren. • Epigenetische modificaties beïnvloeden de toegankelijkheid van genen en hun promotor voor transcriptiefactoren. Zo kunnen op het DNA en op de histonstaarten chemische groepen worden gehecht. Ook de structuur van chromatine kan gewijzigd worden door chromatine remodeling complexen, die nucleosomen kunnen verschuiven. • Transcriptiefactoren maken deel uit van het startcomplex voor transcriptie. Sommige transcriptiefactoren stimuleren de vorming van het startcomplex, andere verhinderen dat. Je noemt ze activatoren en repressoren.

• Pre-mRNA kan op verschillende manieren splicing ondergaan. mRNA kan verschillende startplaatsen voor transcriptie bevatten voor een gen.

• De translatie van het mRNA kan geregeld worden door miRNA’s. Die regeling noem je RNA-interferentie.

Om ervoor te zorgen dat bij mannen en vrouwen de genen op het X-chromosoom in

gelijke mate tot expressie komen, wordt één X-chromosoom in de lichaamscellen van

een vrouwelijk embryo geïnactiveerd. Dat wil zeggen dat het grootste deel van de genen die erop liggen, niet tot expressie wordt gebracht. Dat noem je X-inactivatie. In een deel van

de cellen wordt het X-chromosoom afkomstig van de vader geïnactiveerd, en in de andere

VA N

cellen wordt het X-chromosoom afkomstig van de moeder geïnactiveerd.

162

THEMA 03

hoofdstuk 2

AAN DE SLAG 1

Wanneer worden de lac-genen maximaal

Het aantal eiwitten dat op basis van een bepaalde

tot expressie gebracht?

mRNA-molecule in een cel wordt aangemaakt,

in aanwezigheid van lactose en afwezigheid

hangt vooral af van …

van glucose

b in aanwezigheid van lactose en aanwezigheid van glucose

b het type ribosomen dat in de cel aanwezig is;

in afwezigheid van lactose en afwezigheid

van glucose

d de snelheid waarmee het mRNA wordt

d in afwezigheid van lactose en aanwezigheid van glucose

het aantal introns dat in het mRNA aanwezig is; afgebroken;

de mate waarin het DNA dat codeert voor het eiwit, gemethyleerd is;

de aanwezigheid van bepaalde

transcriptiefactoren.

Welke van deze regeleiwitten van het lac-operon zijn gebonden op het DNA, als E. coli zowel glucose als lactose ter beschikking heeft?

Een bepaald gen komt bij de mens tot expressie in celtype A, maar niet in celtype B. Welke

mogelijkheden kunnen er aanwezig zijn in celtype A om het gen daar tot expressie te laten komen? a

Activatoren die een rol spelen bij de regulatie

van het gen, worden wel/niet tot expressie

VA N

gebracht.

b De promotorregio van het gen wordt wel/niet gemethyleerd.

S Een E. coli-bacterie onder de microscoop

De histonstaarten in de promotorregio worden

wel/niet geacetyleerd.

zowel het complex cAMP-activatoreiwit als het repressoreiwit

Zijn deze uitspraken over alternatieve splicing juist

b enkel het repressoreiwit

of fout? Verbeter indien nodig.

enkel het complex cAMP-activatoreiwit

d geen van beide

Via alternatieve splicing kan de genexpressie

bij eukaryoten worden geregeld op het pretranscriptionele niveau.

Bij welke organismen vind je deze manieren van

b In een bepaald celtype komt een bepaalde

genregulatie terug?

PROKARYOTEN

splicingvariant voor, terwijl in een ander celtype

regulatie door repressoreiwitten

alternatieve splicing histon-

acetylering

een andere variant kan voorkomen.

EUKARYOTEN

Een mutatie, een wijziging van de DNA-sequentie, in de promotorregio van een gen kan een invloed hebben op de transcriptie. Leg uit.

Meer oefenen? Ga naar

De regulatie van de genexpressie kan gebeuren tijdens meerdere stadia van de eiwitsynthese. Welk van deze processen vindt als eerste plaats? a

de verplaatsing van RNA uit de kern naar het cytoplasma

b RNA-splicing c

translatie

d aanhechting van de 5’-cap aan het pre-mRNA

THEMA 03

hoofdstuk 2 - AAN DE SLAG

163

HOOFDSTUKSYNTHESE 1 GENREGULATIE BIJ PROKARYOTEN • Een operon is de organisatie van een of meerdere genen die coderen voor functioneel verwante eiwitten onder controle van één promotor. • Regeleiwitten reguleren de expressie van de genen. • Een operator is de bindingsplaats voor de regeleiwitten. operator

promotor

regulatorgen

genen

promotor

operon

Genregulatie bij bijvoorbeeld het lac-operon gebeurt door een repressor en een inductor.

VA N

• Wanneer de repressor bindt op de operator, wordt de transcriptie van de lac-genen onderdrukt. lac-operon

promotor

regulatorgen

promotor

operator

lacI

lacZ

RNA-polymerase

mRNA

repressor

lacY

lacA

geen transcriptie

De repressor bindt aan de operator en verhindert de transcriptie van de lac-genen.

(regeleiwit)

• Wanneer de inductor, in dit geval lactose, op de repressor bindt, komt de repressor los en kunnen de lac-genen tot expressie worden gebracht.

lac-operon

promotor

regulatorgen

promotor

lacI

lacZ

mRNA

THEMA 03

lacY

lacA

RNA-polymerase repressor

164

operator

SYNTHESE hoofdstuk 2

inductor = lactose

mRNA

enzym 1 enzym 2 enzym 3

VIDEO

kennisclip

2 GENREGULATIE BIJ EUKARYOTEN Eukaryoten beschikken over verschillende manieren om de genexpressie te reguleren. 1

Epigenetische modificaties

Nabewerking op RNA

• De methylering van DNA en histonstaarten

• Door alternatieve splicing kan

zorgt ervoor dat de chromatine compacter

één streng pre-mRNA verschillende

wordt.

mRNA-moleculen opleveren en dus

minder compacte chromatine.

ook verschillende polypeptiden.

• De acetylering van histonstaarten zorgt voor

• Afhankelijk van welke startplaats

• Chromatine remodeling zorgt er op

voor transcriptie wordt gebruikt,

verschillende manieren voor dat DNA

wordt er een ander eiwit gevormd.

toegankelijk wordt voor transcriptiefactoren, bijvoorbeeld door nucleosomen te

VA N

verplaatsen langs het DNA.

1 epigenetische modificaties

chromatine

2 3 transcriptie- nabewerkingen factoren op RNA

exon gen toegankelijk pre-mRNA voor transcriptie

Transcriptie

Transcriptiefactoren binden op

translatie

posttranslationele modificaties

poly-A

5’-cap

kernporie

mRNA

polypeptide functioneel eiwit mRNA-afbraak

4 RNA-interferentie

RNA-interferentie

• Micro-RNA is kort, niet-coderend RNA

de promotor voor het gen dat tot

dat in het cytosol bindt met een aantal

expressie wordt gebracht, en maken

eiwitten. Dat complex kan zowel de

zo de binding van RNA-polymerase

transcriptie van een gen als de translatie

mogelijk. Activatoren en repressoren zijn

van mRNA beïnvloeden.

transport

transcriptiefactoren die een regulerende

• In lichaamscellen van een vrouwelijk

rol vervullen. Ze verhogen of

individu wordt één X-chromosoom in

onderdrukken de transcriptie.

de lichaamscellen van een vrouwelijk embryo geïnactiveerd. Het geïnactiveerde X-chromosoom is in de kern aanwezig als sterk gecondenseerde heterochromatine. Dat is het Barr-lichaampje.

THEMA 03

SYNTHESE hoofdstuk 2

165

HOOFDSTUK 3

Î Mutatie en epigenetische modificatie Het begrip ‘modificatie’ betekent ‘aanpassing’ of ‘wijziging’. In dit hoofdstuk bespreken we wijzigingen van

DNA, die we onderverdelen in twee groepen. Wijzigingen in de nucleotidesequentie van het DNA noem je mutaties. Wijzigingen in het methylatiepatroon op de nucleotiden of de histoneiwitten waarrond DNA gewikkeld zit, noem je epigenetische modificaties. LEERDOELEN

M Uitleggen dat zowel genen als omgevingsfactoren de kenmerken van een organisme beïnvloeden M Uitleggen welke effecten mutaties kunnen hebben

M Uitleggen of en hoe epigenetische modificaties worden overgeërfd

VA N

M Mutaties en epigenetische modificaties onderscheiden

Genen versus omgeving

Je weet al dat niet alle individuen van dezelfde soort fenotypisch gelijk zijn. Dat komt doordat zowel genetische verschillen als omgevingsfactoren de kenmerken van organismen beïnvloeden. De discussie over hoe groot het aandeel van beide is in het ontstaan van een bepaald kenmerk, noem je het nature-nurturedebat. Met ‘nature’ bedoelt men het geheel van genetische informatie. ‘Nurture’ omvat de invloed van omgevingsfactoren, zoals opvoeding, stress, voeding of milieufactoren.

Er zijn nauwelijks of geen voorbeelden van kenmerken of aandoeningen te vinden waarvoor enkel genetische factoren of enkel omgevingsinvloeden verantwoordelijk zijn. Voor heel wat waarneembare kenmerken spelen zowel genetische als omgevingsfactoren een rol. Bij de ontwikkeling van diabetes type 2 is er bijvoorbeeld een erfelijke aanleg, maar er is ook duidelijk een link met overgewicht, een te vetrijke voeding en te weinig lichaamsbeweging.

Diabetes type 2 wordt gekenmerkt door een verminderde gevoeligheid van je cellen voor insuline.

syndroom van Down hemofilie

klompvoet maagzweer

GENEN / NATURE

diabetes type 2

tuberculose

OMGEVING / NURTURE autisme

fenylketonurie (PKU)

166

THEMA 03

hoofdstuk 3

hartziekte

W Afb. 165 Voorbeelden van aandoeningen die zich in meer of mindere mate onder invloed van genen en/of omgevingsfactoren ontwikkelen

In het vorige hoofdstuk leerde je dat epigenetische modificaties van het DNA of van de histonen de genexpressie kunnen beïnvloeden. Onderzoek wijst uit dat die epigenetische genregulatie onlosmakelijk verbonden is met omgevingsinvloeden.

WEETJE Autisme werd voor het eerst beschreven in de jaren 1940. Lange tijd werd bij kinderen met autisme de oorzaak van de aandoening bij de moeder gelegd. Wanneer die kil en afstandelijk was naar haar kind toe, zou dat leiden tot onvoldoende emotionele en sociale ontwikkeling bij het kind. Bij die zienswijze werd dus een zeer belangrijke rol toebedeeld aan het aspect ‘nurture’. Die theorie werd de ‘koelkastmoedertheorie’ genoemd.

Onderzoek wijst echter uit dat autisme een karaktereigenschap is die op zijn minst

voor een deel erfelijk bepaald is. Waarschijnlijk spelen honderden genen een rol bij

de ontwikkeling van autisme. Toch zijn er ook omgevingsfactoren die mogelijk belangrijk

zijn. Statistisch onderzoek toont aan dat het risisco op autisme toeneemt met de leeftijd

van de vader op het moment van bevruchting. Ook diabetes of een vitamine D-tekort bij de moeder doen het risico toenemen. Of er ook een oorzakelijk verband is, vraagt nog verder onderzoek.

VA N

Om te onderzoeken of bij een bepaalde eigenschap eerder een genetische dan wel

een omgevingscomponent bepalend is, voeren wetenschappers onder andere tweelingstudies uit. Eeneiige tweelingen delen hetzelfde genoom. Twee-eiige tweelingen zijn genetisch even verwant als gewone broers en zussen.

S Afb. 166 Eeneiige of monozygote tweelingen zijn genetisch identiek, aangezien ze ontstaan uit één bevruchte eicel.

S Afb. 167 Een twee-eiige of dizygote tweeling ontstaat wanneer twee afzonderlijke eicellen bevrucht werden. Twee-eiige tweelingen kunnen een verschillend geslacht hebben.

Bij de tweelingen die bij een tweelingstudie worden onderzocht, groeien beide leden samen op, zodat een groot deel van de omgevingsfactoren hetzelfde is. In de studie gaat men na in hoeverre een bepaalde eigenschap aanwezig is bij de twee leden van een tweeling. Als er een grotere overeenkomst is bij eeneiige dan bij twee-eiige tweelingen, dan heeft de eigenschap mogelijk een belangrijke genetische component.

THEMA 03

hoofdstuk 3

167

VOORBEELD TWEELINGSTUDIE Op de onderstaande grafieken zie je de resultaten van twee studies. In een eerste studie vergeleek men het intelligentiequotiënt (IQ) van eeneiige en twee-eiige tweelingen. In een andere tweelingstudie vergeleek men het gemiddelde aantal uren slaap. Op de x- en de y-as staan de onderzochte parameters. Elk punt op de grafiek stelt de meetresultaten voor één tweeling voor. Wanneer voor beide leden van de tweeling een identiek resultaat werd bekomen, ligt het punt voor die tweeling op de groene rechte. Als voor de onderzochte eigenschap alle punten op de rechte lagen, zou je kunnen besluiten dat de eigenschap vrijwel 100 % genetisch bepaald wordt. Twee-eiige tweelingen

Kind 1 (IQ)

Eeneiige tweelingen

VA N

Kind 2 (IQ)

Twee-eiige tweelingen

Kind 1 (aantal uren slaap)

Eeneiige tweelingen

Kind 2 (IQ)

Kind 2 (aantal uren slaap)

S Afb. 168 Grafiek tweelingstudie

De bovenste grafieken leren je dat het IQ vooral wordt bepaald door erfelijke factoren. Het IQ van eeneiige tweelingen ligt immers dichter bij elkaar dan dat van twee-eiige tweelingen.

De onderste twee grafieken tonen bij beide soorten tweelingen een vergelijkbare spreiding rond de rechte, waaruit je kunt afleiden dat voor het gemiddelde aantal uren slaap genetische factoren een kleinere rol spelen.

Kenmerken van een organisme zijn het resultaat van een interactie tussen genetische factoren en omgevingsfactoren. • Het aandeel van genetische factoren duidt men aan met het begrip ‘nature’. • De bijdrage van omgevingsfactoren noemt men ‘nurture’. De effecten van genen en omgeving staan niet los van elkaar. Voor heel wat waarneembare kenmerken spelen beide factoren een grote rol. Om te onderzoeken hoe groot die rol is, kunnen er tweelingstudies worden uitgevoerd.

168

THEMA 03

hoofdstuk 3

Mutatie

Mutaties zijn erfelijke wijzigingen in de basensequentie van het DNA. Ze komen voor in zowel de coderende als de niet-coderende delen van het DNA. De frequentie waarmee mutaties optreden, is heel laag. Bovendien bezit de cel systemen waarmee mutaties kunnen worden hersteld. Je kunt mutaties indelen op basis van oorzaak, organisatieniveau en effect.

Indeling op basis van oorzaak

Spontane mutaties

2.1

Spontane mutaties zijn wijzigingen in de basensequentie van het DNA die plots ergens willekeurig ontstaan. A1

DNA-polymerase

Wanneer tijdens de DNA-replicatie DNA-polymerase een verkeerd nucleotide aanhecht, verandert de basenvolgorde. DNA-polymerase bezit echter proofreadingactiviteit: ze is in staat om haar eigen werk te controleren, een eventuele fout te detecteren en het verkeerde nucleotide te

vervangen. Als de fout niet wordt opgemerkt, beschikt de cel nog over eiwitten die het verkeerde nucleotide en eventueel een stukje omringend DNA kunnen verwijderen en vervangen door de correcte sequentie. Dat noem je een herstelmechanisme. Noch DNA-polymerase, noch

VA N

het herstelmechanisme is onfeilbaar. Wanneer een fout niet hersteld wordt, wordt ze bij de celdeling doorgegeven aan de dochtercellen.

PROOFREADING

5’ DNA-polymerase G bouwt een verkeerd G T nucleotide in: C 3’ C T in plaats van C. A

HERSTELMECHANISME

5’

3’ G

3’

3’ C

5’

DNA-polymerase detecteert de fout.

DNA met verkeerd nucleotide vervorming

3’ T

Eiwitten die deel uitmaken van het herstelmechanisme van de cel, detecteren de vervorming in de keten 5’ die ontstaat door de foute basenparing.

3’

Het foute nucleotide wordt samen met G A een reeks omliggende nucleotiden uit de C C T 5’ streng geknipt. 3’

vervangen DNA

5’

5’ 3’

T A

G A

A T

3’ 5’

Het ontbrekende stuk wordt aangevuld door DNA-polymerase.

5’

3’

T A

A T

G C

T A

3’ G

5’ C

5’

3’

T A

3’ 5’

DNA-ligase verbindt de fragmenten met elkaar.

S Afb. 169 Door de proofreadingactiviteit van DNA-polymerase (links) of door het herstelmechanisme (rechts) kunnen spontane mutaties worden weggewerkt.

THEMA 03

hoofdstuk 3

169

Hydrolyse van een base

De nucleotidesequentie van DNA kan ook op een andere manier worden gewijzigd. Door hydrolyse kan de binding tussen een desoxyribose en een base worden verbroken. NH2 N O P

CH2

O–

+ H2O

hydrolyse

O–

N O

CH2

O–

adenine (A) OH desoxyribose

S Afb. 170 Door hydrolyse kan de binding tussen een desoxyribose en een base worden verbroken.

Bij de DNA-replicatie kan dat leiden tot een streng waarin een nucleotide ontbreekt.

gemuteerd

5’

VA N

ontbrekende base

5’

3’

DNAreplicatie

3’

3’ template

5’ nieuw DNA

basenpaar verwijderd (deletie)

5’

3’

3’ nieuw DNA

5’ template

ongewijzigd

S Afb. 171 De streng waarin de binding tussen een base en een desoxyribose wordt verbroken, kan bij de DNA-replicatie leiden tot strengen waarin een nucleotide ontbreekt.

170

THEMA 03

hoofdstuk 3

Die mutatie noem je een deletie.

O–

NH2

Deaminering

Een vaak voorkomende spontane mutatie waarbij de structuur van een base verandert, is een deaminering. Daarbij wordt een NH2-groep afgesplitst van een base. Als cytosine deamineert, ontstaat er uracil.

aminegroep NH2 N

O O–

CH2

+ H2O

deaminering

O O–

CH2

O + NH 3

O–

cytosine

uracil

S Afb. 172 Door deaminering wordt cytosine omgezet naar uracil.

Omdat uracil sterk op thymine lijkt, zal er bij replicatie adenine in plaats van guanine worden

ingebouwd. In de volgende replicatieronde is er dan een GC-basenpaar vervangen door een ATbasenpaar. Deaminering kan ook gebeuren met adenine. Op een gelijkaardige manier zal er bij replicatie een AT-basenpaar worden vervangen door een GC-basenpaar. Die mutatie noem je

VA N

een substitutie.

5’

3’

5’

3’

5’

C→U

5’

3’

DNAreplicatie

3’

5’

DNAreplicatie

3’

5’

3’

gemuteerd

3’

5’

gemuteerd

5’

ongewijzigd

S Afb. 173 Na twee replicatierondes is een GC-basenpaar vervangen door een AT-basenpaar.

Breuken in het DNA

In het DNA kunnen ook breuken optreden in de nucleotidestrengen van de dubbele helix. Wanneer een dubbelstrengige breuk in de helix niet correct wordt hersteld, kan dat leiden tot een recombinatie van genetische informatie. Zo’n mutatie noem je een chromosoommutatie.

THEMA 03

hoofdstuk 3

171

Geïnduceerde mutaties

Geïnduceerde mutaties worden veroorzaakt door mutagene factoren of mutagenen. Voorbeelden van dergelijke factoren zijn bepaalde soorten straling, zoals ioniserende straling, of moleculen, zoals benzopyreen. B1 Ioniserende straling Ioniserende straling zorgt ervoor dat er in ons lichaam vrije radicalen ontstaan. Dat zijn moleculen met een vrij, ongepaard elektron. Ze gaan bij andere moleculen op zoek naar een elektron om de lege plaats op te vullen, en kunnen ze zo beschadigen. Bij de DNA-molecule kan een ontmoeting met een vrij radicaal leiden tot een breuk in de suikerfosfaatruggengraat van het DNA. Ook de basen kunnen door de vrije radicalen worden aangetast, waarbij hun structuur verandert in een AT-basenpaar. WEETJE

verandert. Een voorbeeld daarvan is een deaminering van cytosine, waarbij een GC-basenpaar

Bij heel wat metabole processen in ons lichaam ontstaan er schadelijke zuurstofradicalen. Die kunnen andere

moleculen oxideren als ze daarbij een elektron weghalen. Onze cellen beschikken over enzymen die

VA N

de toegebrachte schade kunnen

herstellen. Ze hebben elementen als

seleen, mangaan, koper of zink nodig om optimaal te kunnen werken. Die

S Afb. 174 Groenten en fruit bevatten veel antioxidanten.

elementen zijn aanwezig in groenten en fruit. Ook antioxidanten zijn rijkelijk

aanwezig in groenten en fruit. Dat zijn stoffen die reageren met de radicalen. Ze worden daarbij zelf in een radicaalvorm gebracht, maar eentje die minder schadelijk is dan de zuurstofradicalen. Vitaminen A, C en E zijn voorbeelden van dergelijke antioxidanten.

B2 Uv-straling

Uv-straling kan covalente bindingen tussen twee opeenvolgende thyminebasen in een DNA-streng veroorzaken. Op die manier worden er zogenoemde thyminedimeren gevormd. Ze veroorzaken een knik in de DNA-molecule, doordat de basenparing tussen de twee DNA-strengen wordt onderbroken. Daardoor vergroot de kans dat er bij de replicatie een verkeerd nucleotide wordt

5’

3’

thyminedimeer

5’ 3’ uv-straling A C

5’

3’

5’

S Afb. 175 Thyminedimeren veroorzaken een knik in de DNA-molecule, met mutaties tot gevolg.

172

THEMA 03

hoofdstuk 3

ingebouwd.

VOORBEELD XERODERMA PIGMENTOSUM Xeroderma pigmentosum is een erfelijke aandoening waarbij de DNAschade die wordt veroorzaakt door uv-straling, niet kan worden hersteld. Een mutatie in het gen dat codeert voor het mechanisme dat thyminedimeren verwijdert, zorgt ervoor dat er al op zeer jonge leeftijd schade aan de huid groot risico om huidkanker te ontwikkelen.

Specifieke moleculen

S Afb. 176 Personen met xeroderma pigmentosum krijgen sproetjes of donkere vlekken op delen van de huid die zijn blootgesteld aan zonlicht.

optreedt. Daardoor lopen patiënten een erg

Bepaalde moleculen kunnen zich invoegen tussen de ringstructuren van de basen in het DNA.

Wanneer dergelijke verbindingen tussen de basen komen te zitten, kunnen er bij de replicatie verkeerde nucleotiden worden ingebouwd. VOORBEELD BENZOPYREEN Benzopyreen is aanwezig in sigarettenrook en in uitlaatgassen van auto’s. De molecule is niet alleen mutageen, maar ook carcinogeen. De mutatie

VA N

kan leiden tot ongecontroleerde delingen van de cellen, waardoor er kanker kan ontstaan.

Benzopyreen is ook een van de bestanddelen van

het roet dat zich opstapelt in een schoorsteen. Op

het einde van de achttiende eeuw stelde men vast

dat schoorsteenvegers vaak getroffen werden door

scrotumkanker. In 1933 werd benzopyreen de eerste stof die geïdentificeerd werd als verantwoordelijk voor een werkgerelateerde kanker. Vandaag

S Afb. 177 Benzopyreen komt voor in het roet in schoorstenen.

beschikken schoorsteenvegers over persoonlijke

beschermingsmiddelen, zoals filtrerende maskers, om de gezondheidsrisico’s van de job te beperken.

VOORBEELD AFLATOXINE

Aflatoxines zijn giftige stoffen die worden

aangemaakt door schimmels van het geslacht

Aspergillus. Die schimmels kunnen voorkomen op gewassen, zoals maïs, granen en rijst, maar ook op

pindanoten, gedroogd fruit of peulvruchten. Wanneer besmette producten verwerkt worden tot bijvoorbeeld dierenvoeding, kunnen de toxines terechtkomen in melk en zuivelproducten. Aflatoxines zijn mutageen en carcinogeen. Er worden dan ook strenge controles uitgevoerd op producten waarop Aspergillus-soorten kunnen voorkomen.

S Afb. 178 Maïs besmet met de Aspergillus-schimmel

THEMA 03

hoofdstuk 3

173

VERDIEPING

Ames-test Om te onderzoeken of stoffen mutageen zijn voor bijvoorbeeld de mens, gebruikt men onder meer de Ames-test. De test gaat na hoeveel bacteriën mutaties ondergaan wanneer ze worden blootgesteld aan een bepaalde stof. Voor die test gebruikt men verschillende stammen van Salmonella typhimurium. Dat zijn bacteriën die door een mutatie in het his-operon niet meer zelf het aminozuur histidine kunnen aanmaken. De genen in het hisoperon coderen namelijk voor enzymen die belangrijk zijn bij de histidinesynthese. Aangezien de bacteriën

zelf geen histidine kunnen aanmaken, kunnen ze alleen groeien in een voedingsmedium dat histidine bevat. Na blootstelling aan de te onderzoeken stof brengt men de bacteriën op een voedingsbodem die een zeer kleine hoeveelheid histidine bevat. Dat is nodig om de groei van de bacteriën op te starten. Die kleine

hoeveelheid wordt zeer snel opgebruikt. Na enkele dagen bekijkt men hoeveel kolonies er zijn ontstaan op de voedingsbodem. Bacteriën die overleven, zijn ‘teruggemuteerden’ die zelf histidine kunnen aanmaken.

Dat aantal vergelijkt men met het aantal spontane mutanten dat ontstaat zonder blootstelling aan de stof. Mutagene stoffen zullen in de test leiden tot een groter aantal teruggemuteerde bacteriën die histidine kunnen aanmaken.

Veel stoffen zijn op zich niet mutageen, maar worden door enzymen in de lever omgezet tot stoffen die dat

VA N

wel zijn. Om dergelijke stoffen te kunnen identificeren, voegt men bij het groeimedium een leverextract van ratten toe. De enzymen in het extract zullen ervoor zorgen dat een stof die zelf niet mutageen is, maar wordt omgezet in een mutageen, ook gedetecteerd wordt in de Ames-test.

leverextract van een rat

voedingsbodem met een kleine hoeveelheid histidine

Salmonella-stammen met mutatie in het his-operon bacteriecultuur met de te onderzoeken stof eraan toegevoegd

S Afb. 179 Schematische voorstelling van de procedure bij de Ames-test

174

THEMA 03

hoofdstuk 3

controleplaat met spontaan teruggemuteerde bacteriën

Als de te onderzoeken stof mutageen is, zorgt dat voor een groter aantal teruggemuteerde bacteriën.

2.2 Indeling op basis van organisatieniveau A

Genmutaties

Bij een genmutatie zijn er maar een of enkele nucleotiden in een gen gewijzigd. Er zijn drie types genmutatie: • Deletie: een of meer nucleotiden worden verwijderd. • Insertie: een of meer nucleotiden worden ingevoegd. • Substitutie: een basenpaar wordt vervangen door een ander basenpaar.

5’ 3’

Als bij een mutatie maar één basenpaar wordt gewijzigd, noem je dat een puntmutatie. 3’

5’

niet-gemuteerd DNA 5’ 3’

T A

5’

3’ 5’ 5’

3’

5’

substitutie

5’

VA N

deletie

3’

insertie

S Afb. 180 Mogelijke vormen van genmutaties

Genmutaties veroorzaken maar een kleine wijziging in de DNA-sequentie, maar de gevolgen kunnen groot zijn. Een voorbeeld daarvan is sikkelcelanemie.

VOORBEELD SIKKELCELANEMIE

Sikkelcelanemie wordt gekenmerkt door vervormde rode bloedcellen en een minder goed zuurstoftransport. De aandoening wordt veroorzaakt door een afwijking in

het hemoglobinegen. Dat leidt tot een eiwit waarbij in een van de subeenheden het aminozuur glutaminezuur vervangen is door valine. Door een wijziging van dat ene aminozuur verandert de quaternaire structuur van hemoglobine en krijgen de moleculen de neiging om ketens te vormen.

NORMALE HEMOGLOBINE

In een normale rode bloedcel komen afzonderlijke hemoglobine-eiwitten voor.

3’

Pro

Glu

3’

Pro

Val

β-keten

3’

α-keten

5’

Glu

Een substitutie in het Hb-gen zorgt voor een wijziging van één aminozuur. 5’

SIKKELCELHEMOGLOBINE

Door de gewijzigde quaternaire structuur vormen de hemoglobineeiwitten ketens in de rode bloedcellen.

normale sequentie

5’

3’ 5’

Glu

S Afb. 181 Vergelijking tussen normale hemoglobine en hemoglobine bij sikkelcelanemie

THEMA 03

hoofdstuk 3

175

Daardoor krijgen de rode bloedcellen een sikkelvorm en verliezen ze de elasticiteit die nodig is om door de heel fijne haarvaten te kunnen. Ze blijven daar makkelijk steken en klonteren samen, waardoor de doorbloeding van de weefsels wordt verstoord. Dat veroorzaakt pijn en kan leiden tot een zuurstoftekort en zelfs het afsterven van het weefsel. Bij sikkelcelanemie worden de rode bloedcellen ook veel sneller afgebroken in de milt. Ze leven maar ongeveer dertig dagen, terwijl de normale levensduur zo’n honderdtwintig dagen is. Bovendien vindt er ook hemolyse plaats. Dat is het uit elkaar vallen van de rode bloedcellen. Omdat het beenmerg niet snel genoeg nieuwe rode bloedcellen kan aanmaken, ontstaat er bloedarmoede of anemie.

verstoorde bloeddoorstroming hemolyse

sikkelcel

normale rode bloedcel

VA N

schade aan de bloedvatwand witte bloedcel bloedplaatje

W Afb. 182 Sikkelcellen zijn weinig elastisch, klitten samen en kunnen de bloedstroom hinderen.

Chromosoommutaties

Bij een chromosoommutatie wordt de structuur van een chromosoom gewijzigd. Dat gebeurt wanneer er in het DNA breuken optreden in een of beide strengen en de fragmenten verkeerd aan elkaar worden gezet.

Er zijn vier belangrijke groepen:

• Bij een deletie wordt een deel uit het chromosoom verwijderd. Het gaat om veel meer dan een of enkele nucleotiden zoals bij genmutaties.

• Bij een insertie wordt een nucleotidesequentie uit één chromosoom toegevoegd aan een ander chromosoom.

• Bij een inversie wordt een bepaalde sequentie in het chromosoom in de omgekeerde oriëntatie in het chromosoom aangetroffen.

• Wanneer tussen twee chromosomen een sequentie wordt uitgewisseld, noem je dat

een translocatie.

insertie

deletie

inversie

translocatie W Afb. 183 Vier voorbeelden van chromosoommutaties

176

THEMA 03

hoofdstuk 3

VOORBEELD CRI-DU-CHATSYNDROOM Een deletie van een deel van chromosoom 5 kan leiden tot het cri-du-chat-

W Afb. 184 Een meisje met het cri-duchatsyndroom. Kenmerkend zijn de ver uit elkaar staande ogen, de laag ingeplante oren en de brede neusbrug. Alle patiënten vertonen beperkte verstandelijke vermogens.

syndroom. De naam van het syndroom verwijst naar het katachtige geschreeuw dat de kinderen maken door een slechte ontwikkeling

VOORBEELD PHILADELPHIASYNDROOM normale chromosomen

van hun strottenhoofd.

gebroken chromosomen

veranderde chromosomen (translocatie)

VA N

Philadelphiachromosoom

chromosoom 22

chromosoom 9

S Afb. 185 De vorming van het Philadelphiachromosoom

Bij patiënten met een bepaalde chronische vorm van leukemie komt een translocatie voor. Een stuk van chromosoom 9 is van plaats gewisseld met een stuk van chromosoom 22. Dat is voor het eerst beschreven in 1960 door een onderzoeksgroep in Philadelphia. Het gewijzigde chromosoom 22 is daarnaar vernoemd en heet nu het Philadelphiachromosoom. Het genproduct van het Philadelphiachromosoom is een eiwit dat zorgt voor

een ongecontroleerde deling van de beenmergcellen. Er worden dan te veel witte bloedcellen

aangemaakt, waardoor er leukemie ontstaat.

THEMA 03

hoofdstuk 3

177

Genoommutaties

Een verandering in het aantal chromosomen noem je een genoommutatie. De oorzaak van een genoommutatie is een fout tijdens de meiose bij de vorming van de geslachtscellen of tijdens de mitotische deling. Tijdens de anafase van meiose I worden de homologe chromosomen uit elkaar getrokken. Tijdens de anafase van meiose II worden de zusterchromatiden uit elkaar getrokken. Wanneer de homologe chromosomen of de zusterchromatiden niet uit elkaar worden getrokken, noem je dat een non-disjunctie. Er ontstaan dan geslachtscellen met een afwijkend aantal chromosomen. Zowel het aantal autosomen als het aantal geslachtschromosomen kan afwijkend zijn. Ook wanneer tijdens de anafase van de mitose de zusterchromatiden niet uit elkaar worden getrokken, ontstaan er cellen met een afwijkend aantal chromosomen.

Als een geslachtscel met een of meerdere chromosomen te veel of te weinig versmelt met

een normale geslachtscel, ontstaat er een zygote met een abnormaal chromosomenaantal. Is er

één chromosoom te weinig, dan noem je dat een monosomie. Is er één te veel, dan spreek je van een trisomie.

A Non-disjunctie tijdens de anafase van meiose I

B Non-disjunctie tijdens de anafase van meiose II

VA N

meiose I non-disjunctie

meiose II

non-disjunctie

gameten

n+1

n-1

n+1

n-1

trisomie

monosomie

trisomie

monosomie

zygote trisomie

S Afb. 186 Schematische voorstelling van de gevolgen van non-disjunctie tijdens de meiose (voor cel 2n = 4) A De gameten met één chromosoom te veel (n + 1) leiden na bevruchting tot een trisomie. De gameten met één chromosoom te weinig (n – 1) hebben na bevruchting een monosomie als resultaat. B De helft van de gameten is normaal (n). De gameet met één chromosoom te veel (n + 1) geeft aanleiding tot trisomie. De gameet met één chromosoom te weinig (n – 1) leidt tot monosomie.

178

THEMA 03

hoofdstuk 3

Genoommutaties geven aanleiding tot een aantal syndromen. We bespreken hieronder een aantal voorbeelden.

VOORBEELD SYNDROOM VAN KLINEFELTER Het syndroom van Klinefelter komt voor bij mannen wanneer zij in hun lichaamscellen een extra X-chromosoom hebben. Het is dus een trisomie van de geslachtschromosomen. De oorzaak is een non-disjunctie van de geslachtschromosomen tijdens de gametogenese bij een van beide ouders. De aanwezigheid van het extra X-chromosoom wordt genoteerd als 47,XXY. Mannen met het syndroom van Klinefelter zijn groter dan gemiddeld en hebben opvallend

lange armen en benen. Ze hebben meestal kleine teelballen en daardoor een laag

testosterongehalte. Dat leidt tot verminderde lichaamsbeharing en baardgroei, en tot

een weinig ontwikkelde spiermassa. Vrijwel al die mannen zijn onvruchtbaar, en bij een aantal komt borstontwikkeling voor. Jongens met het syndroom hebben vaak ook moeilijkheden met leren lezen of schrijven, met spelling of wiskunde.

WEETJE Er wordt gespeculeerd dat

VA N

George Washington, de eerste Amerikaanse president,

het syndroom van Klinefelter had. Een aantal kenmerken

wijzen in die richting. Hij was immers onvruchtbaar en was

heel groot van gestalte. Hij had ook grote handen en grote tanden. Het is bekend dat

de grootte van de tanden onder andere wordt bepaald door

het aantal extra X-chromosomen. Washingtons toespraken en

de geschriften die hij achterliet, doen echter vermoeden dat hij geen problemen had met taal.

Dat wijkt af van het fenotype dat

W Afb. 187 Een portret van George Washington (1732-1799)

bij het syndroom van Klinefelter hoort.

THEMA 03

hoofdstuk 3

179

VOORBEELD SYNDROOM VAN TURNER Het syndroom van Turner is een monosomie van de geslachtschromosomen, die meestal te wijten is aan een non-disjunctie tijdens de gametogenese. Er ontstaan gameten zonder geslachtschromosoom. Bij versmelting met een normale gameet ontstaat er een zygote met maar één geslachtschromosoom. Het syndroom komt uitsluitend voor bij vrouwen, aangezien cellen met enkel een

S Afb. 188 Een vrouw met het syndroom van Turner

Y-chromosoom niet levensvatbaar zijn.

Uiterlijke kenmerken zijn een kleine gestalte, een brede nek met aan weerszijden een

huidplooi, laag ingeplante oren en een lage haarlijn. Omdat die vrouwen onderontwikkelde eierstokken hebben, zijn ze onvruchtbaar.

VOORBEELD SYNDROOM VAN DOWN Je weet al dat mensen die in hun

lichaamscellen drie kopieën van chromosoom 21 bezitten, lijden aan het syndroom van Down. De oorzaak is een non-disjunctie van

chromosoompaar 21 tijdens meiose I of II van de

VA N

gametogenese. Er worden dan gameten gevormd met een extra chromosoom 21. Wanneer zo’n gameet versmelt met een normale gameet, ontstaat er een zygote met een extra

S Afb. 189 Een kind met trisomie-21

risico (in %)

chromosoom 21. 5

De non-disjunctie kan zowel bij de

plaatsvinden. Er bestaat echter een

op het moment van de bevruchting en

Als de moeder jonger is dan 30, heeft ze

trisomie-21. Bij een moeder ouder dan 40

oögenese als bij de spermatogenese verband tussen de leeftijd van de moeder de kans op een kind met trisomie-21. een kans van 1 op 1 000 op een kindje met is die kans al 1 op 100. Het risico stijgt

leeftijd moeder

THEMA 03

aanzienlijk vanaf de leeftijd van 35 jaar.

S Afb. 190 Het verband tussen de leeftijd van de moeder en het risico op een kind met het downsyndroom

Uiterlijke kenmerken van het downsyndroom zijn een vlak achterhoofd, scheefstaande ogen met ronde ooghoeken, een open mond met een te groot lijkende tong en een platte neusbrug. In de handpalmen is er een dwarse doorlopende plooi aanwezig en bij de voeten valt de grotere afstand tussen de eerste twee tenen op. De verstandelijke vermogens van personen met het downsyndroom zijn beperkt.

180

hoofdstuk 3

WEETJE Er bestaat ook een mozaïekvorm van trisomie-21. Daarbij bezit maar een deel van de cellen een extra chromosoom 21. Dat kan gebeuren wanneer bij een zygote met trisomie-21 tijdens een van de eerste celdelingen een dochtercel het extra chromosoom kwijtraakt. Ook wanneer een normale zygote zich deelt, kan de mozaïekvorm ontstaan. Tijdens een van de eerste celdelingen kunnen beide kopieën van chromosoom 21 in dezelfde dochtercel terechtkomen. Afhankelijk van het aandeel aan normale cellen dat bij de mozaïekvorm aanwezig is, zullen de typische uiterlijke kenmerken van trisomie-21 in mindere of meerdere mate aanwezig zijn.

De ploïdie van een organisme vertelt je hoeveel sets van homologe chromosomen het organisme in zijn cellen bezit. Je weet al dat menselijke eicellen en zaadcellen één set van 23 chromosomen bezitten. Ze zijn haploïd (n). De lichaamscellen bezitten twee sets, in totaal 46 chromosomen, en zijn dus diploïd (2n).

Je hebt net gezien dat er bij een monosomie of een trisomie van een bepaald chromosoom een afwijkend aantal voorkomt. Een genoommutatie met een afwijkend aantal chromosomen noem je een aneuploïdie. Wanneer in een cel meer dan twee volledige homologe chromosomensets aanwezig zijn, noem je de cel polyploïd. Je onderscheidt triploïde (3n), tetraploïde (4n),

VA N

pentaploïde (5n), hexaploïde (6n) … organismen.

haploïd n

diploïd 2n

triploïd 3n

tetraploïd 4n

S Afb. 191 De ploïdie duidt aan hoeveel chromosomensets er aanwezig zijn bij een organismen (weergegeven met 2n = 6).

Bij planten komt polyploïdie vaak voor. De meeste varens en grassen bijvoorbeeld zijn polyploïd, en

dat is ook zo bij heel wat bloemplanten. Polyploïde

planten zijn vaak groter en dragen grotere vruchten. Om die reden wordt polyploïdie vaak kunstmatig aangebracht. Voorbeelden zijn appelen, peren, aardbeivariëteiten of harde tarwe. Polyploïdie bij dieren is zeldzaam. Voorbeelden vind je bij sommige amfibieën, bijvoorbeeld salamanders of kikkers.

W Afb. 192 Diploïde (links) en tetraploïde (rechts) druiven

W Afb. 193 Bij salamanders van het geslacht Ambystoma, zoals deze blauwgevlekte salamander (Ambystoma laterale), komen zowel diploïde, triploïde als tetraploïde exemplaren voor.

THEMA 03

hoofdstuk 3

181

2.3 Indeling op basis van het effect op het eiwit A

Verliesmutaties

Bij een verliesmutatie resulteert een mutatie in een eiwit dat minder of niet meer functioneert. • Een substitutie kan er bijvoorbeeld toe leiden dat er een verkeerd aminozuur wordt ingebouwd in het eiwit. Dat noem je een missense-mutatie. • Een insertie of deletie van een set van drie nucleotiden kan een aminozuursequentie doen ontstaan met één aminozuur te veel of te weinig. • Wanneer er een of twee nucleotiden worden verwijderd, ingevoegd of vervangen, kan dat leiden tot het ontstaan van een stopcodon. Je spreekt dan van een nonsense-mutatie, waarbij er een te kort eiwit wordt gevormd.

• Bij een deletie of insertie van een of twee nucleotiden kan er een verschuiving van

het leesraam of frameshift ontstaan. Een mutatie in één codon heeft dan gevolgen voor alle codons die erop volgen, en voor de aminozuren die daardoor gecodeerd worden.

5’ 3’

A T

niet-gemuteerd DNA G C

Pro

G A

5’

3’

Ser

Val

Thr

G A

Tyr

Missense-mutatie: de mutatie zorgt ervoor dat er een ander aminozuur wordt ingebouwd.

5’

3’

5’

3’

Ser

Val

Tyr

VA N

3’

Val

Ser

5’

3’

Pro

G T

C A

Stop

Nonsense-mutatie: de mutatie zorgt ervoor dat er een stopcodon ontstaat.

5’

3’

G C

Ser

Ala

G A

Leu

3’

Leu

Frameshift-mutatie: de mutatie, hier een deletie van TA, zorgt ervoor dat het leesraam verschuift.

S Afb. 194 Drie soorten verliesmutaties. De mutatie zorgt voor een eiwit dat minder goed of niet meer functioneert.

We bespraken eerder al het voorbeeld van sikkelcelanemie. Dat is een voorbeeld van een verliesmutatie, aangezien de hemoglobine door de mutatie haar functie niet meer kan uitvoeren.

VOORBEELD TAAISLIJMZIEKTE Cystische fibrose, mucoviscidose of taaislijmziekte is een aandoening die door meerdere mutaties kan worden veroorzaakt. Een van de mogelijke oorzaken is een deletie van drie nucleotiden in het gen dat codeert voor een eiwit dat betrokken is bij de vorming van een chloridekanaal in het celmembraan van slijmproducerende cellen. Door de mutatie wordt er een abnormaal eiwit gevormd waarin één fenylalanineaminozuur ontbreekt. Het transport van chloride-ionen kan niet plaatsvinden. De cellen produceren dan een taai slijm waarin veel bacteriën blijven zitten. 182

THEMA 03

hoofdstuk 3

S Afb. 195 De behandeling van mucopatiënten bestaat uit een dagelijkse inhalatietherapie. Via een aerosolapparaat ademen ze slijmverdunnende middelen in.

5’

Neutrale mutaties

Wanneer een mutatie geen effect heeft op de functie van het eiwit, noem je dat een neutrale mutatie. Dat is het geval wanneer een mutatie ervoor zorgt dat er een aminozuur met gelijkaardige eigenschappen als het oorspronkelijke aminozuur wordt ingebouwd. Je weet al dat de genetische code gedegenereerd is. Wanneer een mutatie resulteert in een gewijzigde nucleotidesequentie die nog altijd voor hetzelfde aminozuur codeert, verandert er dus niets aan het eiwit dat door het gen wordt gecodeerd. Zo’n mutatie wordt ook weleens een stille mutatie genoemd. Een stille mutatie kan wel de snelheid beïnvloeden waarmee het mRNA wordt vertaald. Die is immers afhankelijk van het codon dat wordt gebruikt voor het in te bouwen aminozuur. Zo zou bijvoorbeeld een codon waarvoor weinig tRNA in de cel beschikbaar is, kunnen in een snellere aanmaak van het betrokken eiwit.

C Winstmutaties

worden vervangen door een codon waarvoor meer tRNA voorhanden is. Dat zou kunnen resulteren

Bij een winstmutatie resulteert de wijziging in de nucleotidesequentie van een gen in een eiwit

met een verbeterde functie. Het organisme is daardoor beter aangepast aan de omgeving waarin het leeft. Daardoor bezit het een voordeel ten opzichte van zijn soortgenoten. In thema 05 ga je dieper in op het belang van dergelijke mutaties voor de evolutie van organismen.

VA N

VOORBEELD LACTASE

Een voorbeeld van een winstmutatie is een mutatie in het lactasegen.

Lactase is een enzym dat lactose,

aanwezig in melk, kan afbreken. Bij veel zoogdieren, waaronder de

mens, wordt er geen lactase meer aangemaakt wanneer het zogen stopt. Een mutatie in het

lactasegen kan er echter voor

zorgen dat er ook na het zogen

lactase wordt gemaakt. Daardoor kan de lactose in melk ook op

volwassen leeftijd worden verteerd.

S Afb. 196 Door een winstmutatie kunnen de meeste mensen de lactose in melk verteren.

In onze westerse populatie is die

voordelige mutatie wijdverspreid

en kunnen de meeste mensen dus lactose afbreken.

Mutaties zijn erfelijke wijzigingen in de basensequentie van het DNA. Je kunt mutaties indelen op basis van oorzaak, organisatieniveau en effect. • Op basis van de oorzaak van de mutatie onderscheid je spontane mutaties en geïnduceerde mutaties.

• Op basis van het organisatieniveau van het erfelijk materiaal onderscheid je genmutaties, chromosoommutaties en genoommutaties. • Op basis van het effect op het eiwit onderscheid je verliesmutaties, neutrale mutaties en winstmutaties.

THEMA 03

hoofdstuk 3

183

Epigenetische modificatie

Epigenetische modificaties kunnen erfelijk of niet-erfelijk zijn. De overerving ervan is het onderzoeksdomein van de epigenetica. Wetenschappers bestuderen enerzijds het doorgeven van modificaties van moedercel op dochtercel en anderzijds het doorgeven over meerdere generaties heen.

3.1 Niet-erfelijke epigenetische modificaties De best onderzochte modificatie is de methylering van DNA. Tijdens de DNA-replicatie

dienen beide ouderlijke DNA-strengen als template voor de aanmaak van een nieuwe streng. De methylering die op de ouderlijke strengen aanwezig is, wordt op de nieuwe strengen gekopieerd. Die epigenetische modificaties worden dus doorgegeven bij de mitose aan

5’

3’

CH3

3’

5’

3’

T A

T C

A G

T C

CH3

S Afb. 197 Methylering op de ouderlijke streng kan worden doorgegeven aan de dochterstrengen.

In hoofdstuk 2 zag je al dat de expressie van genen onder andere bepaald wordt door het

methyleringspatroon op DNA. Dat patroon kan worden beïnvloed door omgevingsfactoren.

184

THEMA 03

hoofdstuk 3

3’

5’

CH3

3’

CH3

5’

T G

VA N

CH3

3’

CH3

5’

3’

CH3

de volgende generatie cellen.

5’

3’

VOORBEELD MIERENKOLONIE In een mierenkolonie is de koningin de enige die eitjes legt. Een bevrucht eitje groeit uit tot een werkster, een onbevrucht eitje tot een mannetje. Er heerst een strikte taakverdeling. De verschillende taken worden uitgevoerd door gespecialiseerde groepen van mieren die tot een welbepaalde kaste behoren. Mieren die tot een verschillende kaste grote uiterlijke verschillen vertonen. Zo is de koningin veel groter dan de werksters. Een koningin kan bij sommige soorten tientallen jaren overleven, terwijl een werkster een levensduur heeft van enkele maanden. Nochtans kan elk vrouwelijk embryo zich ontwikkelen tot koningin of voedselverzamelaar, larvenverzorgster, nestbouwer …

S Afb. 199 In het geslacht Cephalotes hebben sommige mannetjes een groot, afgeplat, concaaf hoofd. Die vorm is perfect om de ingang van hun nest in een boomstam af te schermen voor indringers.

VA N

Onderzoekers ontdekten dat

S Afb. 198 Een koningin omringd door werksters en larven

behoren, kunnen bij sommige soorten

het methyleringspatroon van het DNA bij een koningin en een werkster verschillend is. DNA-methylering

bepaalt dus de kaste waartoe mieren behoren in een mierenpopulatie.

De omgevingsfactoren die het verschillende methyleringspatroon veroorzaken, zijn vermoedelijk stoffen in de voeding en feromonen.

Bij mieren komen bij een aantal geslachten opvallende aanpassingen voor naargelang de kaste waartoe een mier behoort, en de

taak die hij heeft in de populatie.

S Afb. 200 In het geslacht Myrmecocystus kunnen de werksters hun achterlijf laten opzwellen, zodat daar voedingsstoffen voor de andere mieren in de kolonie kunnen worden opgeslagen.

THEMA 03

hoofdstuk 3

185

3.2 Erfelijke epigenetische modificaties Om de overerving van epigenetische modificaties bij zoogdieren te onderzoeken, gebruiken wetenschappers vaak muizen. De gameten – eicellen en zaadcellen – zijn celtypes waarin bepaalde genen tot expressie komen en andere niet. Het expressiepatroon wordt onder meer bepaald door epigenetische modificaties, zoals methylering. Opdat zich uit die zeer gespecialiseerde cellen een embryo zou kunnen ontwikkelen, worden de meeste methyleringen op het DNA tijdens de eerste week van de embryonale ontwikkeling verwijderd. Daardoor kunnen de embryonale cellen zich ontwikkelen tot alle mogelijke celtypes. Het verwijderen en vervolgens opnieuw aanbrengen van methyleringen tijdens de ontwikkeling van het embryo noem je

zygote

herprogrammering. Dat speelt een belangrijke rol bij de celdifferentiatie.

Tweede golf van herprogrammering: methylgroepen op het DNA van de kiemcellen worden verwijderd en daarna worden er nieuwe aangebracht tijdens de gametogenese.

VA N

gameten: gespecialiseerde cellen met veel methylgroepen

Eerste golf van herprogrammering: methylgroepen op het DNA van de embryonale cellen worden verwijderd en daarna worden er nieuwe aangebracht.

gameten: gespecialiseerde cellen met veel methylgroepen

S Afb. 201 De herprogrammering van embryonale cellen en kiemcellen

De embryonale cellen waaruit de kiemcellen zullen ontstaan, ondergaan een tweede golf van herprogrammering. De kiemcellen zijn de voorlopers van de geslachtscellen. Het grootste deel van de methylgroepen in het genoom van de kiemcellen wordt verwijderd. Het opnieuw methyleren van hun DNA tijdens de gametogenese is een lang proces, dat start in de tweede week van de embryonale ontwikkeling en voortloopt tot in de laatste stadia van de eicel- of zaadcelrijping. Het is net door die herprogrammering dat wetenschappers lange tijd twijfelden over de overerving van een methyleringspatroon door opeenvolgende generaties. Bij een experiment met muizen toonde men echter recent aan dat dat wel degelijk mogelijk is.

In een embryonale stamcel van een muis bracht men kunstmatig methyleringen aan in de promotorregio van twee genen die een rol spelen in het metabolisme. Door de aangebrachte

methylering werden die genen niet meer tot expressie gebracht. De gemanipuleerde stamcel werd in een muizenembryo gebracht. Men plaatste het embryo in de baarmoeder van een draagmoeder. In de maanden na de geboorte groeide het jong uit tot een obese muis met te hoge cholesterolniveaus in het bloed. Men kweekte vier generaties nakomelingen van die muis, en bij elke generatie zag men hetzelfde fenotype. Daarmee werd aangetoond dat de aangebrachte methylering van DNA overerfbaar is. Hoe dat gebeurt, blijft voorlopig nog onduidelijk.

186

THEMA 03

hoofdstuk 3

embryonale stamcel met methylering in promotorregio van twee genen

inplanting in een achtcellig muizenembryo en plaatsing van embryo in baarmoeder van draagmoeder

F2 P Zowel de gemanipuleerde muis (P-generatie) als het kleinkind (F2) draagt de extra methylering. Ze vertonen hetzelfde fenotype.

Wat wel vaststaat, is dat de omstandigheden tijdens

W Afb. 202 Zowel de gemanipuleerde muis als haar nageslacht is obees. Dat is te wijten aan de gericht aangebrachte methylering in twee genen bij de P-generatie. Links zie je een niet-gemanipuleerde muis.

niet-gemanipuleerde muis

de zwangerschap een invloed kunnen hebben op het kind na

de geboorte. Vorig jaar leerde je al dat de kinderen die verwekt werden tijdens de hongerwinter in 1945 in Nederland, daar

tijdens hun hele verdere leven gevolgen van ondervonden. Dat is

VA N

te wijten aan een gewijzigd methyleringspatroon bij het kind. Tijdens het proces van hermethylering van het DNA zijn

de embryonale cellen zeer kwetsbaar. Uit onderzoek blijkt dat bepaalde moleculen die het methylatiepatroon beïnvloeden, ervoor kunnen zorgen dat het embryo afwijkingen oploopt.

Een voorbeeld daarvan is alcohol. Kinderen van wie de moeder tijdens de zwangerschap veelvuldig alcohol gebruikt, kunnen het foetaal alcoholsyndroom ontwikkelen (zie thema 01).

S Afb. 203 Alcohol tijdens de zwangerschap kan leiden tot het foetaal alcoholsyndroom.

Momenteel voert men studies uit om te onderzoeken of epigenetische modificaties bij de mens worden doorgegeven aan generaties die nooit werden blootgesteld aan de onderzochte factor. Voor een zwangere vrouw die alcohol gebruikte tijdens haar zwangerschap, zou dat betekenen dat haar achterkleinkind de gevolgen daarvan ondervindt. Dergelijke overerving is bij de mens nog niet bewezen. Bij planten en schimmels is wel aangetoond dat epigenetische modificaties worden doorgegeven aan de volgende generatie.

WEETJE

Bij mensen is het onderzoek naar epigenetische overerving moeilijker dan bij laboratoriumdieren. • Mensen hebben een langere generatietijd dan muizen. Het is dus heel tijdrovend om te onderzoeken of een bepaald kenmerk over meerdere generaties wordt doorgegeven.

• De genetische diversiteit tussen mensen is veel groter dan bij laboratoriumdieren. Het is moeilijk om de invloed van die diversiteit uit te sluiten.

• Bovendien is het vanuit ethisch oogpunt onaanvaardbaar om experimenten met mensen op te zetten.

THEMA 03

hoofdstuk 3

187

VOORBEELD VLASBEKJE

S Afb. 204 Twee varianten van het vlasbekje (Linaria vulgaris). Links zie je de normale vorm, rechts de bloem met meerdere symmetrieassen.

Bij het vlasbekje is de bloem tweezijdig symmetrisch. Dat wil zeggen dat je een as kunt tekenen die de bloem in twee gelijke helften verdeelt. Er bestaat ook een variant die een bloem bezit met meerdere symmetrieassen. Dat is te wijten aan een epigenetisch verschil. Een gen dat

belangrijk is bij de bloemsymmetrie, wordt stilgelegd door een methylering. Dat patroon wordt doorgegeven aan de volgende generatie.

VOORBEELD GISTEN

Schimmelinfecties worden behandeld met

VA N

antimycotica. Schimmels zijn in staat om

resistentie te ontwikkelen tegen die middelen. Tot voor kort dacht men dat die resistentie

veroorzaakt werd door mutaties in het DNA. Maar onderzoek bij de gist Schizosaccharomyces

pombe toont aan dat epigenetische modificaties aan de basis liggen van de resistentie.

Onderzoekers voegden cafeïne toe aan

het groeimedium van de gist. Cafeïne is toxisch voor de gist, net zoals antimycotica. Sommige gistcellen werden resistent tegen de cafeïne.

S Afb. 205 Men gebruikt Schizosacharomyces pombe als modelorganisme in de celbiologie.

DNA-onderzoek wees uit dat er geen wijziging

in de basensequentie was opgetreden. De resistente gisten bleken meer DNA in de vorm van heterochromatine te bezitten dan niet-resistente gisten. Die eigenschap werd doorgegeven aan de dochtercellen.

Epigenetische modificaties zijn wijzigingen in de methylgroepen op de nucleotiden of de histoneiwitten waarrond DNA gewikkeld zit. Ze kunnen erfelijk of niet-erfelijk zijn. Overerving van epigenetische modificaties over meerdere generaties heen werd al aangetoond voor planten, schimmels en zoogdieren. Bij de mens is er nog geen zekerheid. Wat wel vaststaat, is dat de omstandigheden tijdens de zwangerschap een invloed kunnen hebben op het kind na de geboorte.

188

THEMA 03

hoofdstuk 3

AAN DE SLAG 1

Welke stelling over mutaties is fout? a

Puntmutaties resulteren in de wijziging van

Beantwoord de vragen aan de hand van de afbeelding.

één basenpaar.

Glu

b Stille mutaties komen niet tot uiting in

Asp

het fenotype. c

Ala

Bij een translocatie wordt een deel van een chromosoom uitgewisseld tussen twee

Val

chromosomen.

Welk soort mutatie komt voor bij het hemoglobineeiwit bij sikkelcelanemie? a

een mutatie die resulteert in één gewijzigd aminozuur

b een mutatie die leidt tot een korter hemoglobine-eiwit c

C A G U C A G

Leu G U

Ser C

Tyr

A G

5’

OP ST P A STO G Cys U C STOP A Trp G 3’ U C Leu A G U C

fenotype.

3’

C U G A C U G A C U G A

Phe

Arg

Ser

Lys

Asn

Thr

A C U G A C

Met

een mutatie waarbij er één aminozuur

Pro

His

Gln

Arg

Ile

STA RT

d Een substitutie resulteert altijd in een gewijzigd

3’ Gly

3’

Welke aminozuursequentie wordt gecodeerd

door de volgende sequentie op de template

ontbreekt

VA N

streng: AGG CGT CCT GGA?

b Een mutatie in de DNA-sequentie leidt tot de

Wat is een nonsense-mutatie?

Wat is het nut van antioxidanten?

volgende aminozuursequentie: serine-glycineglycine-proline. Kan dat te wijten zijn aan

een mutatie waarbij er één nucleotide wordt

Ze verminderen de schade die zuurstofgas

toegevoegd? Hoe?

aanbrengt in rode bloedcellen.

b Ze zorgen voor de vorming van vrije radicalen c

Een wetenschapper onderzocht het effect van wijzigingen in de aminozuursequentie van een

Ze herstellen mutaties die ontstaan zijn door

enzym. De wijzigingen zijn allemaal het gevolg van

vrije radicalen.

een substitutie van één base. Het enzym is een

d Ze reageren met vrije radicalen, die daardoor onschadelijk worden gemaakt.

polypeptide van 465 aminozuren. In de tabel zie je het resultaat van drie substituties.

Bij mensen met het patausyndroom is het aantal chromosomen gewijzigd. Alle lichaamscellen

POSITIE

bezitten de chromosoommutatie. Op de afbeelding zie je hoe het karyogram van een patiënt met het patausyndroom eruitziet.

in de cel.

AMINOZUUR DAT WORDT INGEBOUWD DOOR DE MUTATIE

CORRECTE AMINOZUUR

203

Val

Ala

279

Glu

Lys

300

Glu

Lys

Welke substitutie van één base kan ervoor zorgen dat valine wordt vervangen door alanine op positie 203? a

CAA → CGA

b GUU → GCA c a

Welke afwijking zie je in het karyogram?

GUU → GUC

d CAC → CGG

b Hoe kan die afwijking ontstaan zijn? c

Leg uit waarom alle cellen van de patiënt een afwijkend aantal chromosomen bezitten.

Meer oefenen? Ga naar THEMA 03

. hoofdstuk 3 - AAN DE SLAG

189

HOOFDSTUKSYNTHESE

Spontane mutatie mutatie in de basensequentie van het DNA die plots en willekeurig ontstaat Oorzaak

Geïnduceerde mutatie mutatie die wordt uitgelokt door mutagenen

Genmutatie Slechts een of enkele nucleotiden zijn gewijzigd.

Chromosoommutatie De structuur van een chromosoom is gewijzigd.

VA N

Mutaties zijn erfelijke wijzigingen in de basensequentie van het DNA.

Organisatieniveau

Genoommutatie Het aantal chromosomen is gewijzigd door een non-disjunctie.

Verliesmutatie mutatie die resulteert in een slechter of niet-functionerend eiwit: missense-, nonsense- en frameshiftmutatie

Effect op het eiwit

Epigenetische modificaties zijn aanpassingen van het DNA zonder wijzigingen in de sequentie (zowel erfelijk als niet-erfelijk).

190

THEMA 03

SYNTHESE hoofdstuk 3

Neutrale mutatie mutatie die resulteert in een nucleotidesequentie die voor hetzelfde aminozuur of een aminozuur met gelijkaardige eigenschappen codeert

Winstmutatie mutatie die resulteert in een eiwit met een verbeterde functie

VIDEO

kennisclip

Voorbeelden: depurinatie, deaminatie, breuken in het DNA

T A

3’

C G

5’

niet-gemuteerd DNA 5’ 3’

T A

C G

T A

5’

3’ 5’ 5’

deletie deletie

3’

C G

G C

C G

3’ 5’

Voorbeelden: ioniserende straling, uv-straling, benzopyreen

5’

3’

5’

substitutie substitutie = puntmutatie

insertie insertie

VA N

Voorbeeld: trisomie-21

deletie deletie

insertie insertie

Voorbeeld: cri-du-chat

Voorbeeld: sikkelcelanemie

inversie inversie

translocatie translocatie

Voorbeelden: sikkelcelanemie, mucoviscidose

Voorbeeld nieterfelijke modificatie: kastesysteem bij mieren

THEMA 03

SYNTHESE hoofdstuk 3

191

THEMA 04

BIOTECHNOLOGIE

Door klimaatverandering hebben sommige gewassen, zoals maïs, het moeilijk. Periodes waarin weinig of geen neerslag valt, veroorzaken mislukte oogsten. Met behulp van biotechnologie hebben wetenschappers een droogtebestendige maïssoort ontwikkeld. Net als bij andere planten is er bij maïs een gen gekend dat codeert voor een enzym dat betrokken is bij de synthese van het plantenhormoon ethyleen (etheen). Ethyleen brengt de plant in een soort ‘overlevingsmodus’: het metabolisme werkt op een lager pitje, totdat de plant betere omstandigheden heeft. De genetisch gemodificeerde maïs kent een hogere productie van

VA N

dat enzym, wat leidt tot een betere opbrengst tijdens droogtemaanden.

` Wat is de oorsprong van biotechnologie? ` Binnen welke domeinen wordt biotechnologie toegepast? ` Welke biotechnologische technieken bestaan er? ` Welke ethische overwegingen zijn er omtrent biotechnologie? We zoeken het uit!

VERKEN

• overervingsmechanismen beschrijven en toepassen;

JE KUNT AL ...

• de structuur van DNA uitleggen;

• het proces van DNA-replicatie, transcriptie en

• de functie van micro-organismen in

• beschrijven hoe genmutaties grote

VA N

bijvoorbeeld de bereiding van voedsel

translatie beschrijven;

uitleggen.

veranderingen in de genexpressie kunnen veroorzaken, waardoor er bijvoorbeeld sikkelcelanemie ontstaat.

JE LEERT NU ...

• wat klassieke en moderne biotechnologie inhouden; • wat genetische gemodificeerde organismen (ggo’s) zijn; • toepassingen van biotechnologie vanuit een ethisch standpunt benaderen.

194

THEMA 04

verken

H2 • de werking en principes van enkele technieken die DNA bestuderen; • hoe wetenschappers gericht DNA kunnen manipuleren; • hoe biotechnologie aan de basis kan liggen van een therapie.

HOOFDSTUK 1

Î Biotechnologie, een groeiend onderzoeksdomein De kennis over DNA en celprocessen zoals eiwitsynthese en DNA-replicatie heeft geleid tot de ontwikkeling van

een nieuw onderzoeksdomein: de biotechnologie. In dit eerste hoofdstuk leer je wat biotechnologie inhoudt, en bestudeer je enkele toepassingen van biotechnologie binnen verschillende gebieden. In het laatste deel ga je dieper in op de ethische vragen die leven rond biotechnologie. LEERDOELEN

M Het verschil tussen klassieke en moderne biotechnologie beschrijven M Voorbeelden van toepassingen van biotechnologie kort beschrijven

M Uitleggen wat we verstaan onder genetisch gemodificeerde organismen (ggo’s)

VA N

M Het maatschappelijk debat rond biotechnologie kritisch benaderen

Klassieke en moderne biotechnologie

Technieken zoals het kruisen van dieren of planten of het gebruik van micro-organismen om voedsel te bereiden, worden al eeuwen toegepast. Het zijn voorbeelden van biotechnologie. Biotechnologische toepassingen waarbij de mens niet rechtstreeks sleutelt aan het DNA van het organisme, deelt men in bij de klassieke biotechnologie. Die technieken spelen nog altijd

een prominente rol in de landbouw en de voedingsindustrie.

S Afb. 206 Het Belgisch witblauw is het resultaat van het jaren gericht kruisen van dieren.

S Afb. 207 Een vondst van 3 200 jaar oude kaas in een Egyptische graftombe

‘Biotechnologie’ komt van de Griekse woorden βιος (bios, ‘leven’) en τεγνικος (technikos, ‘gebruik’). Het betekent dus letterlijk ‘het gebruik van het leven’.

Ga naar voor een artikel over de 3 200 jaar oude kaas.

Het kruisen van soorten om bepaalde eigenschappen in de soort te verbeteren, noem je ‘veredelen’. Dat kent echter twee beperkingen: • Binnen één soort kan een kweker een specifieke eigenschap selecteren, bijvoorbeeld de spierkracht van een hondensoort of de kleur van een bloem. Twee verschillende soorten kruisen is echter in principe niet mogelijk. Je spreekt van de soortbarrière. • Bij het kruisen van planten en dieren worden niet alleen de gewenste, maar ook andere eigenschappen overgedragen. Daardoor kan het soms generaties lang duren voordat men variëteiten of rassen met enkel de gewenste eigenschappen verkrijgt. THEMA 04

hoofdstuk 1

195

Sinds de jaren 1970 kunnen wetenschappers gericht ingrijpen in het erfelijk materiaal van een organisme. De technieken die daarvoor gebruikt worden, behoren tot de moderne biotechnologie. Wanneer DNA geanalyseerd of aangepast wordt, spreek je van DNAtechnologie of gentechnologie. DNA-technologie wordt gebruikt in de moleculaire biologie, het onderzoeksdomein dat celprocessen bestudeert op het moleculaire niveau.

WEETJE Technieken uit de DNA-technologie kunnen ook worden toegepast op het niveau van het RNA. Zo konden wetenschappers met

behulp van biotechnologische technieken snel het erfelijk materiaal ontrafelen van het RNA-virus dat COVID veroorzaakt. Op basis daarvan ontwikkelden ze een mRNA-vaccin. Dat vaccin bevat de

informatie om de spike-eiwitten aan te

maken die voorkomen op het virus. Het immuunsysteem herkent dat als lichaamsvreemd en zal er antistoffen

S Afb. 208 Het mRNA-vaccin gericht tegen COVID werd ontwikkeld met behulp van biotechnologie.

VA N

tegen maken.

DNA-technologie wordt vaak gebruikt om

gericht genetische aanpassingen uit te voeren. Zo bekomt men een genetisch gemodificeerd

organisme (ggo). Afhankelijk van de oorsprong van de aanpassing spreek je van:

• transgene organismen: het organisme

bezit erfelijk materiaal van een andere soort. Moderne biotechnologie maakt het mogelijk om genen over te zetten

tussen soorten die normaal niet kruisen;

• cisgene organismen: het DNA van

het organisme zelf wordt aangepast of DNA van een organisme van dezelfde soort wordt toegevoegd. Cisgenese

S Afb. 209 De katoenplant (Gossypium) was een van de eerste transgene ggo’s die ontwikkeld werden in de landbouw. Ze zorgde voor een grotere opbrengst en minder gebruik van pesticiden.

wordt bijvoorbeeld gebruikt tussen

appelvariëteiten. Natuurlijke genen voor resistentie tegen schurft worden overgebracht,

waardoor er minder bestrijdingsmiddelen nodig zijn.

Toepassingsgebieden van biotechnologie

Men deelt biotechnologie vaak op in vier toepassingsgebieden: de rode, groene, witte en blauwe biotechnologie. Je ontdekt ze op de volgende pagina.

196

THEMA 04

hoofdstuk 1

RODE BIOTECHNOLOGIE Rode biotechnologie is gericht op de gezondheidszorg en/of biofarmaceutische doelen.

Sommige diabetici zijn niet in staat om insuline aan te maken. Vroeger werden die patiënten behandeld met insuline die geïsoleerd was uit de pancreas van runderen of varkens. Maar één varkenspancreas leverde slechts insuline op voor een behandeling van één week voor één patiënt. In 1982 ontwikkelden onderzoekers genetisch gewijzigde bacteriën die menselijke insuline aanmaken. Die gemodificeerde insuline is nu

GROENE BIOTECHNOLOGIE Groene biotechnologie is gericht op de genetische modificatie van planten voor de landbouwen voedingsindustrie.

overal ter wereld te koop.

Intensief gebruik van insecticiden zorgt voor massale sterfte van insecten, waardoor de biodiversiteit

daalt. Insecticiden schaden op lange termijn ook

onze gezondheid, bijvoorbeeld door in te werken op ons hormoonstelsel. De ontwikkeling van transgene

planten kan ervoor zorgen dat er minder insecticiden nodig zijn voor plaagbestrijding. Biotechnologen

identificeerden een bacterieel gen dat codeert voor enzymen die betrokken zijn bij de synthese van

VA N

een natuurlijke toxine die het spijsverteringsstelsel van insecten verlamt. Door dat succesvol in te

brengen in het genoom van een tabaksplant, maakt de plant zelf de toxine aan en is het niet meer nodig om insecticiden te gebruiken.

WITTE BIOTECHNOLOGIE

Witte biotechnologie is gericht op de productie of afbraak van chemische stoffen

op industriële schaal.

In de petrochemie gebruikt men aardolie als grondstof voor de synthese van plastics. Witte biotechnologie maakt het echter mogelijk om plastics te produceren zonder de aardolievoorraden aan te spreken. Men gebruikt stro of overschotten uit de landbouw als

basisstof. De polysachariden uit de celwanden kunnen door genetisch gemodificeerde micro-organismen

worden omgezet tot kleinere suikers en vervolgens tot bio-ethanol. Dat kan op zijn beurt dienen als basisstof

voor de productie van plastics.

BLAUWE BIOTECHNOLOGIE Blauwe biotechnologie is gericht op een efficiënte en duurzame vorm van visserij, aquacultuur en het gebruik van mariene hulpbronnen.

Algen zijn potentiële producenten van biobrandstoffen. Ze kunnen dienen als voedsel voor de mens en kunnen ook worden gebruikt als bestanddeel van chemische producten zoals verf. Biotechnologen onderzoeken daarom hoe algen duurzaam en economisch rendabel kunnen worden gekweekt.

Ontdek nog andere toepassingen van biotechnologie op . THEMA 04

hoofdstuk 1

197

Hoewel biotechnologie directe toepassingen belooft en veel verwachtingen schept, is er vaak een lange weg tussen de experimentele fase en de productionele fase. Het duurt vaak enkele jaren tot meerdere decennia voordat een toepassing op grote schaal kan worden uitgerold als therapie of voedingsmiddel. De rol van multinationals in de wereldwijde productie en de bijbehorende hoge kost zijn een bepalende factor. Als voorbeeld bekijken we gouden rijst.

VOORBEELD GOUDEN RIJST Door een eenzijdig voedingspatroon kampen veel mensen in ontwikkelingslanden met een vitamine A-tekort. Dat kan leiden tot blindheid, een verminderde werking van het

Vitamine A is essentieel voor de aanmaak van retinal, het lichtgevoelige pigment in onze ogen.

immuunsysteem en huidproblemen. Bij kinderen kan het leiden tot groeiachterstand en zelfs de dood. Gouden rijst is een verzamelnaam voor rijstvariëteiten die na genetische modificatie

hogere gehaltes aan vitamine A bevatten en daarom een gele korrel hebben. Aan de transgene rijstsoorten werden genen uit narcissen en bacteriën toegevoegd. Ook de gouden banaan

werd op die manier ontwikkeld. Gouden rijst en gouden banaan kunnen worden gebruikt om

VA N

een vitamine A-tekort te bestrijden.

S Afb. 210 Gouden rijst (links) en gouden banaan (rechts) bevatten na genetische wijziging meer vitamine A.

De volgende tijdlijn toont aan hoelang het duurde vooraleer het transgene voedingsmiddel werd goedgekeurd. Een bijkomend probleem is het feit dat het product moeilijk zijn doelgroep

bereikt, namelijk ontwikkelingslanden.

1991

start van het onderzoek door wetenschappers Ingo Potrykus en Peter Beyer

1999

prototype gouden rijst klaar

2000

start samenwerking met Syngenta, een biotechbedrijf dat actief is in de landbouw

2001

start van veredelingsprogramma’s met lokale rijstrassen in de Filipijnen

2004

eerste veldproef in de Verenigde Staten

2005

Syngenta ontwikkelt tweede versie met hogere provitamine A-productie

2008

eerste veldproef in de Filipijnen

2013

proefveld in de Filipijnen vernietigd door tegenstanders van ggo’s

2015

start proefvelden in Bangladesh

2020

commerciële teelt in de Filipijnen goedgekeurd

De ontwikkeling van gouden rijst als ggo kent voor- en tegenstanders. Zo pleit Greenpeace voor voorzichtigheid, terwijl 109 Nobelprijswinnaars in een open brief alle regeringen wereldwijd opriepen om geen gehoor te geven aan de Greenpeace-campagne.

198

THEMA 04

hoofdstuk 1

Biotechnologie en ethiek

Fluorescente schapen geboren in Uru

guay

In Uruguay zijn schapen geboren die oplichten onder ultraviolet licht. Het gaat niet om een speling van de natuur: de schapen werden genetisch aangep ast met een gen dat codeert voor een fluorescerend eiwit van een kwal.

Naar: demorgen.be

Biotechnologie wordt ook gebruikt om spectaculaire, populistische veranderingen in organismen tot stand te brengen. Dat leidde bijvoorbeeld tot de geboorte van varkens, fruitvliegen,

zebravissen, muizen, varkens en schapen met fluorescerende eigenschappen. Biotechnologie is daarom vaak het onderwerp van een maatschappelijk debat.

VOORBEELD GENEESKUNDE (RODE BIOTECHNOLOGIE) Toepassingen van biotechnologie in

HOOG IQ

de farmacie en geneeskunde kennen meestal een breed draagvlak. Zo biedt

VA N

PERFECT ZICHT

biotechnologie ons de kans om ziektes al tijdens de embryonale ontwikkeling op

GEEN GENETISCHE ZIEKTES

te sporen en te genezen. Aan de andere kant vormt het een potentiële opstap

ATLETISCHE VAARDIGHEDEN

naar eugenetica (rasverbetering).

LAAG RISICO OP ALZHEIMER EN HARTINFARCT

S Afb. 211 De eugenetica streeft ernaar om de genetische samenstelling van een populatie te verbeteren.

VOORBEELD LANDBOUW (GROENE BIOTECHNOLOGIE)

Ggo’s uit de groene biotechnologie

zijn erg omstreden. Zo werd in 2011 een proefveld met genetisch

gemodificeerde aardappelen in Wetteren grotendeels vernield door actievoerders

van Field Liberation Movement. Met de veldproef wilden wetenschappers een aardappelvariëteit testen die via modificatie resistent werd gemaakt tegen de aardappelziekte Phytophthora.

S Afb. 212 Actievoerders vernietigen een ggo-proefveld in Wetteren.

Parallel met de kansen die de wetenschap biedt, is er een maatschappelijk debat ontstaan over de grenzen waarbinnen biotechnologische technieken kunnen worden toegepast. Zo houdt bio-ethiek zich bezig met de ethische aspecten van menselijke ingrepen. De opmaak van een goed wettelijk kader is van belang.

THEMA 04

hoofdstuk 1

199

WEETJE Het telen van genetisch gemodificeerde gewassen wordt wereldwijd opgevolgd door de lokale wetgeving. Het wordt pas toegelaten als er voldoende bewijs is dat het gewas onschadelijk is voor mens, dier en milieu. De Europese ggo-regelgeving is een van de strengste ter wereld. Daardoor worden er in Europa, in tegenstelling tot in Noord- en Zuid-Amerika, nauwelijks ggo-gewassen geteeld en gegeten. Veelvoorkomende ggo-landbouwgewassen zijn maïs, soja en suikerbiet. Ze worden niet in Europa geteeld, maar wel gebruikt als veevoeding. Ggo’s kunnen daardoor wel aanwezig zijn in geïmporteerd en verwerkt voedsel dat we in de supermarkt kopen. In Europa moet de aanwezigheid van ggo’s op het etiket worden vermeld als het percentage hoger is dan 0,9 %. Met een groeiende wereldpopulatie en de klimaatverandering valt het te

VA N

verwachten dat ggo’s een steeds belangrijkere rol zullen spelen in onze maatschappij.

hectare verbouwing met ggo-gewassen > 10 miljoen > 1 miljoen

≤ 1 miljoen

geen duidelijke gegevens

S Afb. 213 Kaart met de verspreiding van ggo-gewassen wereldwijd

Biotechnologie wordt opgedeeld in:

• klassieke biotechnologie: selectief planten/dieren kruisen en micro-organismen gebruiken om voedsel te bereiden;

• moderne biotechnologie: met behulp van moleculaire technieken gericht DNA van organismen wijzigen, zodat ze kunnen worden benut voor specifieke toepassingen.

Genetisch gemodificeerde organismen (ggo) zijn: • transgeen wanneer ze erfelijk materiaal van een andere soort hebben ontvangen; • cisgeen wanneer ze erfelijk materiaal van dezelfde soort hebben ontvangen.

Afhankelijk van het toepassingsgebied onderscheidt men: • rode biotechnologie: gezondheidszorg en/of biofarmaceutische doelen; • groene biotechnologie: landbouwen voedingsindustrie; • witte biotechnologie: industriële productie of afbraak van chemische stoffen; • blauwe biotechnologie: visserij en aquacultuur. Biotechnologie omvat kansen, maar ook uitdagingen voor de maatschappij. Vanuit de wetenschap én vanuit de maatschappij moet er een duidelijk ethisch en wettelijk kader rond biotechnologie worden opgesteld.

200

THEMA 04

hoofdstuk 1

AAN DE SLAG 1

Geef een definitie voor de onderstaande begrippen. a

cisgeen organisme

De ontwikkeling van DNA-technologie en toepassingen ervan worden in de samenleving

b transgeen organisme

voortdurend ter discussie gesteld. Er rijzen ethische

vragen naar mogelijke nadelen voor gezondheid,

ggo

landbouw, voeding en milieu. 2

Het bedrijf Those Vegan Cowboys produceert kaas

Formuleer zelf enkele vragen over

zonder dat er een koe aan te pas komt. Zoek op het

de toepassingen van DNA-technologie en

internet een antwoord op de onderstaande vragen.

de maatschappelijke gevolgen ervan, of kies

een van de onderstaande voorbeeldvragen. 1

Is het toegelaten om baby’s te selecteren op uiterlijke kenmerken?

Hebben mensen met een handicap niet

evenveel recht om ter wereld te komen?

Willen we diversiteit beknotten door selectie en manipulatie?

Is het een goed idee om het genoom van jezelf en je kinderen te kennen? Leidt het gebruik van ggo’s tot

VA N

milieuvriendelijkere landbouw?

S Veganistische kaas

over ggo’s in voeding?

Tot welk toepassingsgebied van de

aanleggen, bijvoorbeeld voor forensisch

b Welke organismen zijn betrokken?

Ga op zoek naar drie etiketten van voedingswaren waar ggo’s in verwerkt zijn.

b Werk met een groepje een of meerdere vragen uit.

Wissel met andere groepjes vragen, antwoorden

en bedenkingen uit. Probeer daarbij een genuanceerde mening te vormen en te verdedigen in een debat met je medeleerlingen.

Meer oefenen? Ga naar

onderzoek?

Welke voordelen biedt de biotechnologische toepassing?

Wordt de privacy voldoende beschermd wanneer men DNA-databanken wil

biotechnologie behoort het voorbeeld?

Krijgt de consument voldoende informatie

THEMA 04

hoofdstuk 1 - AAN DE SLAG

201

HOOFDSTUK 2

Î Biotechnologische technieken In hoofdstuk 1 heb je kennisgemaakt met nieuwe ontwikkelingen binnen de biotechnologie. In dit hoofdstuk bespreken we enkele technieken om DNA te bestuderen of aan te passen. Bij elke techniek lichten we het specifieke doel en de principes toe, en tonen we hoe ze gebruikt wordt in de geneeskunde, de landbouw of

de industrie. LEERDOELEN

M Uitleggen wat de werking en de principes zijn van enkele DNA-technologische technieken M Toepassingen van DNA-technologie weergeven en interpreteren

DNA vermenigvuldigen: de PCR-techniek

De polymerase chain reaction (polymerasekettingreactie) of PCR-techniek maakt gebruik van

VA N LABO 04

enzymatische reacties waarbij in vitro DNA-vermenigvuldiging gebeurt op een manier die vergelijkbaar is met DNA-replicatie in een cel.

De PCR-techniek stelt een onderzoeker in staat om vanuit enkele DNA-moleculen een specifiek gekozen DNA-fragment massaal te vermenigvuldigen. Als de aanwezigheid van een specifiek DNA-fragment kan worden aangetoond, kan dat bijvoorbeeld een identificatiemiddel zijn voor een bepaalde ziektekiem.

WEETJE

De PCR-techniek werd in 1983 ontwikkeld door

de Amerikaanse biochemicus Kary Banks Mullis

(1944-2019). Mullis is niet alleen bekend door die ontdekking, waarvoor hij in 1993 de Nobelprijs voor Scheikunde won, maar kwam ook in

het nieuws door een aantal ideeën die verder door

vrijwel geen van zijn vakgenoten en andere

202

THEMA 04

collega-wetenschappers worden gedeeld. Zo beweerde hij in een publicatie dat het hiv-virus niet de oorzaak zou zijn van aids.

hoofdstuk 2

W Afb. 214 Kary Banks Mullis

1.1

Principe van de PCR-techniek

PCR is gebaseerd op het proces van DNA-replicatie. Aan het DNA-staal worden daarom een DNApolymerase en afzonderlijke nucleotiden toegevoegd. • Tijdens de PCR-reactie wordt het staal verwarmd tot 95 °C. Daarom is een hittestabiele DNA-polymerase nodig. Een voorbeeld is de DNA-polymerase geïsoleerd uit de bacterie Thermus aquaticus, die onder andere voorkomt in warmwaterbronnen in Yellowstone National Park (VS). Men spreekt daarom van Taq-DNA-polymerase. Het enzym heeft een optimale werkingstemperatuur van 72 °C en blijft stabiel tot 95 °C, wat uitzonderlijk is voor een eiwit. • De vier noodzakelijke nucleotiden worden aangebracht als desoxynucleotiden, de zogenoemde energie voor de aanmaak van de nieuwe DNA-strengen.

dNTP’s: dATP, dGTP, dTTP en dCTP. De afsplitsing van telkens twee fosfaatgroepen levert

DNA-polymerase kan alleen een bestaande keten verlengen. Daarom voegt men korte

enkelstrengige DNA-strengen (twintig tot dertig nucleotiden lang) aan het staal toe: de primers. Men voegt twee verschillende primers toe. Elke primer is complementair aan één uiteinde van het DNA-fragment dat men wil vermenigvuldigen. • De reverse primer bindt aan de 5’-3’-DNA-streng. • De forward primer bindt aan de 3’-5’-DNA-streng.

VA N

WEETJE

Een PCR-toestel bestaat in essentie uit een verwarmingselement dat zeer snel de kamer in het toestel kan

opwarmen of afkoelen. Eén cyclus duurt maar enkele minuten.

In de kamer brengt men de stalen aan in kleine buisjes (eppendorfbuisjes). Tijdens een PCR-test werkt men immers met kleine volumes, in de orde van enkele µL.

S Afb. 215 Een wetenschapper plaatst eppendorfbuisjes met DNA-stalen in een PCR-toestel.

Het totale reactiemengsel moet maar één keer worden gemaakt, waarna het proces

geautomatiseerd verloopt. De PCR-techniek omvat in totaal twintig tot dertig temperatuurcycli,

die telkens uit dezelfde drie stappen bestaan. Daarom spreek je van een kettingreactie.

THEMA 04

hoofdstuk 2

203

1.2

Opbouw van één PCR-cyclus

• Denaturatie

5’

Tijdens de denaturatie openen de DNAdubbelstrengen. Door de DNA-oplossing

te vermenigvuldigen DNA-fragment 3’

3’

5’

tot 95 °C op te warmen, worden de waterstofbruggen tussen de stikstofbasen

nucleotiden (A, C, G, T) Taq-DNA-polymerase 95 °C – 30 s primers

verbroken. De covalente bindingen tussen de nucleotiden van de ruggengraat van de DNA-enkelstrengen zelf worden daarbij

denaturatie (scheiden van DNA-strengen)

niet verbroken. 5’

Annealing is het aanhechten van de twee primers op de verkregen DNA-

• Annealing

3’

5’

enkelstrengen. De primers binden aan het enkelstrengige DNA op de unieke

40-60 °C – 1 min

sequentie waarmee ze complementair

zijn. Ze moeten oordeelkundig gekozen

5’

worden afhankelijk van het DNA-stuk dat

annealing (aanhechten van de twee primers)

3’

men wil vermenigvuldigen. Het gewenste

VA N

DNA-fragment wordt dus afgelijnd door de primers. De aanhechting vindt plaats bij

een lagere temperatuur dan de denaturatie,

5’

3’

5’

3’

forward primer

reverse primer 3’

5’

meestal tussen de 40 en 60 °C, afhankelijk van de gebruikte primer.

• Elongatie

72 °C – 2 min

elongatie (ketenverlenging vanaf primer)

Als de twee primers hun plaats hebben

5’

ingenomen, kan de aanhechting van

3’

complementaire nucleotiden starten. Dat is de elongatie. Bij een temperatuur van

72 °C zal Taq-DNA-polymerase op de DNA-

3’

5’

enkelstrengen vrije nucleotiden aanhechten vanaf de gebonden primers. Omdat DNApolymerasen alleen kunnen werken in de 5’-3’-richting, zullen ze de primers

verlengen vanaf hun 3’-uiteinde.

overtollig DNA

gewenst DNA-fragment

overtollig DNA

S Afb. 216 Schematische voorstelling van de drie stappen in een PCR-cyclus

WEETJE Wanneer onderzoekers een RNA-staal met een gekende sequentie willen opsporen of amplificeren, maken ze gebruik van een aangepaste PCR-techniek. Om dat mogelijk te maken, moet het RNA eerst worden omgezet naar DNA, dat je dan copyDNA (cDNA) noemt. Dat proces wordt in vitro gekatalyseerd door het enzym reverse-transcriptase (RT). Je spreekt bij RNA-stalen daarom van de RT-PCR-test. Hiv is een RNA-virus. Vroeger zocht men in het bloed van het slachtoffer naar antistoffen tegen hiv, maar dan kon de besmetting pas in een later stadium worden vastgesteld. De RT-PCR-test maakt het mogelijk om na te gaan of een patiënt besmet is met het virus. Met behulp van RT-PCR kan men ook nagaan of antivirale chemotherapie aanslaat of niet.

204

THEMA 04

hoofdstuk 2

1.3 Exponentiële toename van het gewenste DNA-fragment Na de eerste cyclus zijn de twee verkregen DNA-dubbelstrengen langs beide zijden nog te lang. Dat komt doordat de primer alleen het begin en de richting van de replicatie vastlegt, maar niet het eindpunt van de nieuw te maken DNA-enkelstreng. Na de tweede cyclus zijn er twee DNA-dubbelstrengen gevormd die langs één einde al correct zijn afgelijnd. De eerste gewenste DNA-dubbelstrengen duiken pas op in de derde cyclus. Dat zijn op dat moment twee van de in totaal acht gevormde strengen. Ze zijn dus nog in de minderheid (25 %). Vanaf de vierde cyclus stijgt het percentage gewenst DNA-materiaal exponentieel (zie tabel 7).

vierde PCR-cyclus derde PCR-cyclus tweede PCR-cyclus

VA N

eerste PCR-cyclus

forward primer reverse primer

gewenste DNA-dubbelstreng

W Afb. 217 Schematische voorstelling van vier PCR-cycli. Pas na de derde cyclus worden er gewenste DNAdubbelstrengen gevormd, zonder overtollig DNA.

CYCLUS

AANTAL GEWENSTE DNA-FRAGMENTEN

TOTALE AANTAL STRENGEN

GEWENST/TOTAAL

25 %

50 %

68,75 %

32 738

32 768

99,908 %

S Tabel 7 Het aantal gevormde DNA-dubbelstrengen na drie tot vijftien PCR-cycli

Na de PCR-analyse wordt het gewenste DNA-fragment uit het reactiemengsel gehaald. Het wordt van de andere fragmenten gescheiden met behulp van gelelektroforese (zie paragraaf 2, ‘DNA zichtbaar maken: DNA-gelelektroforese’) en vervolgens gebruikt voor verder onderzoek. THEMA 04

hoofdstuk 2

205

1.4 Kwantitatieve PCR Kwantitatieve PCR (of afgekort qPCR) combineert de klassieke PCR-techniek met een directe detectie en concentratiebepaling van het DNA-staal. Een verdere analyse met gelelektroforese is niet meer vereist. Tijdens een qPCR-test kunnen ook verschillende gewenste DNA-fragmenten tegelijk gedetecteerd worden. De detectie van de DNA-fragmenten kan bijvoorbeeld plaatsvinden door gebruik te maken van fluorescentie.

VOORBEELD qPCR Aan het staal wordt een probe toegevoegd. Dat

Annealing

is een korte DNA-enkelstreng die aan één zijde een fluorescerende reporter (R) bevat en aan

R: ﬂuorescerend agens (reporter) Q: absorbeert ﬂuorescentie van R (quencher)

de andere zijde een quencher (Q). In de probe staan de reporter en de quencher dicht bij

elkaar. Daardoor dooft de quencher het signaal van de reporter en is er geen fluorescentie. Tijdens de annealingfase bindt de probe

complementair op verschillende plaatsen in

5’

primer

5’

3’

probe

Q 3’

3’

5’

het DNA, binnen en buiten het gewenste DNA2

Loskomen van de probe

VA N

fragment.

DNA-polymerase verlengt van 5’ naar 3’

Op het moment dat de Taq-DNA-polymerase

nieuwe DNA-streng: probe komt los

vanuit de forward of reverse primer

een complementaire streng aanmaakt en

aankomt ter hoogte van de probe, komt de probe los van het DNA.

prob

primer

3’

De probe wordt afgebroken, waardoor

de reporter en de quencher ervan loskomen.

Afbraak van de probe De probe wordt afgebroken. De reporter komt los van de quencher. Vrijgave van ﬂuorescentie.

Daardoor dooft de quencher het fluorescente signaal van de reporter niet meer.

De gedetecteerde fluorescentie is een maat voor de hoeveelheid gewenst DNA die er

primer

gemaakt wordt.

206

THEMA 04

hoofdstuk 2

5’

3’ S Afb. 218 Schematische voorstelling van de stappen in een qPCR

5’

1.5

Toepassingen van de PCR-techniek

Ontdek nog meer toepassingen op .

TOEPASSING AANGEBOREN AFWIJKINGEN PRENATAAL OPSPOREN De niet-invasieve prenatale test (NIPT) wordt gebruikt om aangeboren afwijkingen, zoals het syndroom van Down, op te sporen. Uit een bloedmonster van de moeder worden stukjes foetaal DNA gehaald. Via PCR kan men die zeldzame DNA-

fragmenten vermeerderen. Van elk van die fragmenten wordt bepaald tot welk chromosoom het behoort. Als het foetaal DNA te veel fragmenten van

S Afb. 219 Het gebruik van de NIPT om het syndroom van Down bij een foetus te diagnosticeren, is deel van het ethisch debat rond biotechnologie.

een bepaald chromosoom

bevat, is er een verhoogd risico dat de foetus een chromosomale afwijking heeft.

TOEPASSING MICRO-ORGANISMEN IDENTIFICEREN

VA N

De PCR-techniek laat toe om snel en met grote zekerheid micro-organismen te

identificeren. PCR wordt

bijvoorbeeld gebruikt om

de aanwezigheid van microorganismen in de bodem,

het water of de atmosfeer aan te tonen. Door het DNA in

een bodemstaal te analyseren,

kun je het bodemleven in kaart brengen. Via die analyse kun je een goed beeld krijgen van de verhouding tussen

S Afb. 220 Zwamvlok (Mycorrhizae) in de bodem

schimmels en bacteriën. In voedselrijke graslanden en in verstoorde milieus, zoals in landbouwgronden, vind je vaak veel bacteriën en relatief weinig schimmels, terwijl het in oude

bossen juist de schimmels zijn die domineren.

PCR is een DNA-technologie waarbij een specifiek gekozen DNA-sequentie kan worden vermenigvuldigd. Tijdens PCR maakt men onder andere gebruik van: • een reverse en een forward primer die complementair zijn aan de sequenties die een bepaald gewenst DNA-fragment begrenzen;

• Taq-DNA-polymerase: een enzym dat bij hoge temperaturen DNA-strengen aanmaakt.

PCR omvat twintig tot dertig cycli, waarbij telkens drie fasen worden doorlopen: denaturatie, annealing en elongatie. PCR kent verschillende toepassingen binnen de biologie en de geneeskunde, zoals de prenatale screening op afwijkingen en de identificatie van micro-organismen.

THEMA 04

hoofdstuk 2

207

DNA zichtbaar maken: DNA-gelelektroforese

Na een PCR maakt men het DNA zichtbaar via gelelektroforese. Gelelektroforese laat toe om

LABO 05

die DNA-fragmenten van elkaar te scheiden. Op die manier kan men nagaan of de PCR gelukt is.

2.1

Principe van DNA-gelelektroforese

Tijdens een DNA-gelelektroforese brengt men PCR-stalen aan op een gel. Op basis van hun lengte (molecuulmassa) worden de DNA-fragmenten van elkaar gescheiden. Afbeelding 221

agaroseoplossing

geeft het verloop van een DNA-gelelektroforese weer.

DNA-stalen met gekleurde oplossing

kam

3 migratie van DNA-stalen en gekleurde oplossing

elektroforesekamer

slotje

VA N

gietbakje

gieten van de agaroseoplossing

De stalen in de gel worden geladen in de elektroforesekamer.

S Afb. 221 Schematische voorstelling van het verloop van een DNA-gelelektroforese

De DNA-stalen migreren naar de positieve pool. Alleen de kleurstof is zichtbaar.

Na kleuring van de gel verschijnt er een bandjespatroon.

In een bakje giet men een agaroseoplossing. Aan één kant plaatst men een kam. Na het stollen verwijdert men de kam en ontstaan er uitsparingen, die je welletjes of slotjes noemt.

2 Men plaatst het bakje in de elektroforesekamer, die

vervolgens gevuld wordt met een buffer. In het eerste

slotje brengt men een DNA-ladder aan: een oplossing die DNA-fragmenten met een gekende lengte bevat en die wordt gebruikt als referentie. Aan elk DNA-staal wordt

een kleurstof toegevoegd. Vervolgens worden de stalen met een pipet in de slotjes gebracht. De kleurstof dient

om het verloop van de gelelektroforese te kunnen volgen. Het DNA is immers niet zichtbaar in de gel.

S Afb. 222 Stalen laden tijdens een gelelektroforese

3 Over de buffer brengt men een spanningsverschil aan. Door de aanwezigheid van

de fosfaatgroepen is DNA negatief geladen en zal het doorheen de gel migreren naar de positieve pool van het spanningsveld. Kleinere fragmenten ondervinden minder weerstand in de poriën van de gel en migreren sneller. Grotere fragmenten zullen het lastiger hebben om zich door de gel te bewegen. Op die manier worden de DNAfragmenten – nog niet zichtbaar – gescheiden op basis van hun grootte. De aangebrachte kleurstof migreert het snelst doorheen de gel, zodat men kan controleren dat de DNA-stalen niet uit de gel migreren. 4 Na een kleuring worden de DNA-fragmenten zichtbaar: een karakteristiek bandjespatroon

wordt duidelijk. Door de bandjes te vergelijken met de gekende massa’s van de DNA-ladder, schat men de lengte van elk DNA-fragment. 208

THEMA 04

hoofdstuk 2

2.2 Toepassingen van DNA-gelelektroforese

Ontdek nog meer toepassingen op .

TOEPASSING OUDERSCHAPSBEPALING De combinatie PCR-gelelektroforese wordt toegepast bij een ouderschapsbepaling. Bij alle betrokken personen neemt men bloedstalen en vermeerdert men specifieke DNA-fragmenten. Die kunnen aan- of afwezig zijn of verschillen in lengte of sequentie. Na gelelektroforese van de DNA-stalen ontstaat er een uniek bandenpatroon, dat je kunt vergelijken met de unieke

De resterende bandjes van het kind komen overeen met bandjes in de genetische vingerafdruk van de werkelijke vader. Zijn vaderschap is daarmee bewezen.

Dezelfde resterende bandjes van het kind komen niet overeen met bandjes in de genetische vingerafdruk van een vermoedelijke vader. Het vaderschap is daarmee weerlegd.

VA N

De DNA-bandjes van de moeder worden geïdentificeerd in de vingerafdruk van het kind. De overblijvende bandjes van het kind moeten afkomstig zijn van de vader.

vingerafdruk van elke mens. Vandaar ook de term ‘genetische vingerafdruk’ of DNA fingerprint.

S Afb. 223 Schematische voorstelling van de genetische vingerafdrukken van een moeder (groen), een kind (rood) en twee mogelijke vaders (lichtblauw en donkerblauw)

TOEPASSING DADERIDENTIFICATIE BIJ MISDRIJVEN

Het zoeken naar de oorsprong van specifieke

DNA-fragmenten wordt gebruikt in de forensische geneeskunde. Het laat toe om een verdachte als dader te identificeren als bijvoorbeeld zijn bandenpatroon overeenkomt met

het bandenpatroon dat is opgemaakt met DNA van biologische misdaadsporen (sperma, bloed, haar, speeksel).

Wetenschappers kunnen tegenwoordig ook vanuit een DNA-profiel uitwendige kenmerken van

een persoon achterhalen. Zo lokaliseerden ze

S Afb. 224 Men gebruikt DNA-gelelektroforese om een daderprofiel op te stellen bij misdaden.

dertien merkers op elf verschillende genen die gelinkt zijn aan de haarkleur van een persoon. Door die dertien merkers met elkaar te combineren, kan men tot 90 % juist de haarkleur van een persoon voorspellen.

Tijdens DNA-gelelektroforese worden DNA-strengen in een elektrisch veld gescheiden op basis van hun grootte. Gelelektroforese stelt een onderzoeker in staat om met behulp van een DNA-ladder de lengte van een DNA-streng te bepalen. Men gebruikt gelelektroforese onder andere bij ouderschapsbepaling en forensisch onderzoek. Daarbij bekomt men een persoonsunieke DNA fingerprint.

THEMA 04

hoofdstuk 2

209

DNA-sequentie bepalen: DNA-sequencing

De volgorde van de nucleotiden in een DNA-streng noem je de DNA-sequentie. Met behulp van

LABO 06

de techniek DNA-sequencing kunnen wetenschappers de sequentie bepalen van genen, nietcoderende DNA-fragmenten en zelfs het totale genoom van organismen.

3.1 Principe van DNA-sequencing De eerste DNA-sequencingtechnieken lieten enkel toe om de DNA-sequentie van één DNA-staal tegelijk te bepalen. De klassieke methode van DNA-sequencing is de ketenterminatiemethode. Die werd ontwikkeld door Frederik Sanger (1918-2013). Bij die methode wordt het DNA-staal

in vitro vermenigvuldigd in aanwezigheid van gewone en licht gewijzigde nucleotiden, de dideoxynucleotiden (ddNTP’s: ddATP, ddCTP, ddGTP en ddTTP). Een dideoxynucleotide is

een molecule die lijkt op een normaal nucleotide, maar waarbij aan het 3’-uiteinde een OH-

groep ontbreekt. DNA-polymerase kan aan een ddNTP geen nucleotide toevoegen, waardoor de synthese stopt. Dideoxynucleotiden worden daarom ook ‘stopnucleotiden’ genoemd. De

DNA-synthese gebeurt in vier verschillende reacties. Bij elke reactie wordt er één bepaald ddNTP toegevoegd. DNA-polymerase gebruikt willekeurig de vier basisnucleotiden of het aangebrachte ddNTP, waardoor er fragmenten met een verschillende lengte ontstaan.

Met gelelektroforese worden de bekomen DNA-fragmenten gescheiden. Op basis van het laatst

VA N

toegevoegde ddNTP kan de eindbase van elk fragment worden bepaald. Analyse van elk fragment levert de totale DNA-sequentie op.

THEMA 04

hoofdstuk 2

5’

A C A

T G G

? G A C A T G C G

T C

DNA-polymerase nucleotiden

C G T C

4 ? C T G T A C G C

DNA-polymerase nucleotiden

G C

C A

DNA-polymerase nucleotiden

G C

T C A

S Afb. 225 Schematische voorstelling van het verloop van DNA-sequencing volgens de ketenterminatiemethode

210

aﬂeesrichting basensequentie

= ddTTP

= ddCTP

bewegingsrichting DNA-enkelstrengen

G A

= ddATP

3 = ddGTP

A C A

G C

T C A

C A

DNA-polymerase nucleotiden

C A

G C

3’

primer

G A C A

5’

3’

Het dubbelstrengige DNA wordt via PCR in veel kopieën aangemaakt en er worden vier reacties uitgevoerd. Per reactie worden DNA-polymerase, primers en losse nucleotiden aangebracht. Daarnaast wordt een van de vier stopnucleotiden toegevoegd.

In het staal met bijvoorbeeld stopnucleotide G (ddGTP) zal DNA-polymerase complementair aan een C-nucleotide een G of een ddGTP inbouwen. De keuze gebeurt bij toeval. Telkens als ddGTP wordt ingebouwd, zal de ketenverlenging stilvallen. Het resultaat is dat de nieuwgevormde DNA-strengen een verschillende lengte hebben en eindigen op een ddGTP. Een gelijkaardig resultaat wordt verkregen bij de drie andere reacties met ddATP, ddCTP en ddTTP.

Met gelelektroforese worden alle fragmenten van de vier aparte reacties op basis van hun

lengte van elkaar gescheiden. Door alle banden op de gel te doorlopen, kent men de hele sequentie van de DNA-enkelstreng. Het laatste nucleotide zal niet gekend zijn, omdat die streng van maximale lengte in elke proefbuis werd aangemaakt.

Tegenwoordig labelt men de vier types stopnucleotiden met telkens een verschillende

fluorescente merker. Die labelmethode laat toe om de vier sequentiebepalingsreacties

(met de vier stopnucleotiden) tegelijkertijd in één microbuisje uit te voeren. Als de fragmenten

uit de sequentiebepalingsreactie tijdens de elektroforese een sensor passeren, wordt die merker gedetecteerd. De DNA-sequentie wordt in dat geval automatisch gereconstrueerd. Vandaar

VA N

de benaming automatische sequentiebepaling. Een computer analyseert het signaal en zet het om in een elektroferogram, waarin elke piek overeenstemt met één base.

primer

intensiteit van het ﬂuorescentiesignaal

5'- Label - CTAGGCTC