Om te begrijpen hoe de genetica onze eigenschappen wel of niet bepaalt, is onvermijdelijk enige basiskennis vereist. De vertaling van DNA, via eiwitten, naar een levend wezen met specifieke eigenschappen verloopt als volgt: al het leven op aarde wordt bepaald door een eenvoudig, bijna romantisch gegeven: het paren van basen.
De vier basen guanine, adenine, thymine en cytosine zijn de essentiële componenten van de drager van onze erfelijke eigenschappen, het DNA. Samen vormen ze, in afwisselende volgorde, de genetische code voor de ongeveer twee miljoen eiwitten die de cellen in ons lichaam vorm en functie geven. We spreken van een gen als het gaat om de genetische informatie voor een enkele eigenschap, en van het genoom als we het hebben over de totale genetische informatie van een cel.
Gespiegelde kopie
Het simpele feit dat adenine alleen met thymine een interactie aangaat en guanine alleen met cytosine, de zogenoemde basenparen, zorgt ervoor dat het DNA bestaat uit twee complementaire strengen die elkaars spiegelbeeld zijn. Dit is een belangrijk gegeven. Een dubbelstrengs DNA-molecuul bevat nu namelijk één DNA-streng waarin de genetische code is gelegen, en ook één gespiegelde DNA-streng die als matrijs kan dienen bij het overschrijven van de genetische code.
Het DNA kan zo gekopieerd worden door speciale enzymen, waardoor de cel in staat is te delen en beide nieuwe cellen een exacte kopie van het originele DNA mee te geven. Na vele celdelingen is er sprake van een individu dat bestaat uit diverse celtypen, elk met een eigen functie, zoals levercellen, hartcellen, zenuwcellen, maar steeds weer met dezelfde DNA-code.
De genetische code in het DNA wordt niet alleen gekopieerd, maar uiteraard ook gebruikt om eiwitten mee te maken. Daartoe wordt de code uitgelezen in de vorm van messenger-RNA.
In dit messenger-RNA wordt de code per afzonderlijke eigenschap gekopieerd en naar de eiwitsynthetiserende fabrieken in de cel getransporteerd: de ribosomen. In deze ribosomen vindt de synthese van eiwitten plaats, elk met hun eigen specifieke functie.
De verschillende eiwitten bepalen in belangrijke mate de eigenschappen van de cel. Sommige eiwitten zorgen voor stevigheid van de cel, andere hebben enzymatische of hormonale eigenschappen, zorgen voor signaaloverdracht of hebben bijvoorbeeld een functie in de afweer tegen ziekteverwekkers. Er zijn zelfs eiwitten die ervoor zorgen dat het DNA correct wordt gekopieerd en onbeschadigd blijft. Het genoom zorgt op deze manier ook goed voor zichzelf.
Een foutje is snel gemaakt
Het DNA in een celkern is verdeeld over 23 paren chromosomen. Het bestaat uit in totaal ruim drie miljard basenparen, die coderen voor ongeveer 23.000 genen. De totale lengte van deze – opgevouwen – DNA-strengen is ruim twee meter. Bij het kopiëren van zoveel DNA wordt natuurlijk wel eens een fout gemaakt. Het genoom levert daarom zelf eiwitten die deze fouten kunnen herstellen. Allereerst corrigeert het enzym dat het DNA-molecuul kopieert zélf de eventuele fouten, door steeds te controleren of de ingebouwde base wel klopt.
Fouten die dan alsnog gemaakt worden in de DNA-synthese, worden hersteld door de zogenoemde mismatch repair-eiwitten. Hierdoor wordt gemiddeld slechts één fout per miljard basenparen geïntroduceerd. Zelfs als de cel daarna wordt blootgesteld aan zonlicht, sigarettenrook of andere DNA-beschadigende invloeden, dan heeft het genoom nog een set eiwitten achter de hand die ook deze schade kunnen repareren. Kortom: het genoom lijkt zijn zaken goed voor elkaar te hebben.
De bulk van de DNA-codes en de bijbehorende eiwitten is voor ieder mens gelijk. Toch verschillen mensen in veel opzichten van elkaar. We verschillen in uiterlijk, huidskleur, lengte en breedte. Ook de manier waarop we reageren op medicijnen, dieet of hormonen verschilt. Dit is grotendeels terug te voeren op de variatie in de DNA-codes. Elk individu is uniek. De variatie in het DNA bedraagt echter niet meer dan 0,1%. En veel van die genetische variëteit heeft niet eens een noemenswaardig effect. Slechts een klein deel van dat relatieve kleine beetje variatie zorgt voor specifieke eigenschappen tussen individuen of rassen, zoals huidskleur. In andere gevallen leiden DNA-veranderingen tot gezondheidsproblemen.
De juiste hoeveelheid eiwit op het juiste moment
De benodigde hoeveelheid van een specifiek eiwit kan erg verschillen. Zo hebben verschillende celtypen elk hun eigen specifieke eiwitten nodig en kan eiwitproductie in de tijd variëren. De snelle ontwikkeling van een jong kind moet op het juiste moment afremmen en de acute productie van stresshormonen is alleen nuttig en noodzakelijk bij gevaar.
De cel regelt de productie van eiwitten op verschillende niveaus, waarbij genregulatie een belangrijk mechanisme is. Het genoom regelt de mate waarin een gen uitgelezen wordt door middel van regulerende stukken DNA in en rondom het betreffende gen. De zogenoemde promotersequenties bepalen wanneer het gen wordt afgelezen. Of er veel of weinig RNA wordt geproduceerd om het DNA om te zetten in eiwit, dat bepalen de enhancer- en silencersequenties. Het genoom zorgt dus voor eiwitproductie op maat afhankelijk van de behoefte van de cel of het individu.
Deze ‘gas- en rempedalen’ van het gen worden op hun beurt weer bediend door eiwitcomplexen. Hiervoor moet het DNA toegankelijk zijn voor deze eiwitcomplexen. Deze toegang wordt gereguleerd door zogenoemde epigenetische veranderingen.
Epigenetische veranderingen zijn omkeerbare veranderingen waardoor de functie of activiteit van een gen verandert, zonder dat de genetische code verandert. Het zijn chemische veranderingen aan het DNA, en aan de eiwitstructuren waar het DNA omheen gewonden zit, de histonen. Die histonen zorgen ervoor dat het DNA meer of minder gecondenseerd of ‘opgevouwen’ wordt. Onder andere door een methylgroep aan de base cytosine in het DNA te hechten, wordt het betreffende stuk DNA minder toegankelijk.
Er zijn tientallen verschillende chemische veranderingen mogelijk die de structuur van de het DNA en de histonen bepalen. Een open DNA-structuur gaat gepaard met een verhoogde genactiviteit, een gesloten DNA-structuur gaat gepaard met een verminderde genactiviteit. Het totaal aan epigenetische veranderingen aan het genoom noemen we het epigenoom.
Genoomdiagnostiek
In het jaar 2000 werd, in aanwezigheid van de Amerikaanse president Bill Clinton en de Engelse premier Tony Blair, de ruwe kaart van het genoom van de mens gepresenteerd. Ook veel Nederlandse onderzoekers hebben een bijdrage geleverd aan de totstandkoming van deze kaart. Het was ontegenzeggelijk een mijlpaal.
Toch heeft de ontrafeling van de genetische code zeventien jaar na dato niet alle hooggespannen verwachtingen waargemaakt. De eigenschappen van het DNA zijn nog lang niet zomaar te koppelen aan wie we zijn en waarom we verschillend zijn, ook niet als het gaat om behandeling en genezing van ziekten. Er is nog meer dan genoeg te onderzoeken.
Zo maakt de genetische code voor de 23.000 humane genen maar 2 % uit van de complete DNA-volgorde. Deze 23.000 genen coderen op een slimme manier voor ruim 100.000 messenger RNA’s en meer dan 2 miljoen eiwitten. De overige 98% is niet-coderend DNA, maar daarmee zeker niet nutteloos. Het speelt bijvoorbeeld een belangrijke rol in de genregulatie.
In de genoomdiagnostiek wordt dit deel van het genoom nog nauwelijks onderzocht. Dat is ten onrechte. Er komt steeds meer informatie boven over genregulatie. Er zijn grote verschillen tussen etnische groepen als het gaat om de frequentie waarin erfelijke ziektebeelden voorkomen en welke mutaties er worden gevonden. Kennis opgedaan in Europa is niet altijd even nuttig voor diagnostiek bij niet-westerse bewoners. Voor een deel liggen de sleutels hier mogelijk in die 98% niet-coderende stukken DNA. Daarnaast speelt ook hier de omgeving een belangrijke rol.