Je leest:

Jongleren met vier letters

Jongleren met vier letters

Auteur: | 10 april 2004

Een overweldigende hoeveelheid genetische informatie komt op de wetenschapper af en dreigt hem te verstikken. Hoe kan een onderzoeker uit de ellenlange volgorde van vier DNA-letters fundamentele biologische vragen beantwoorden over de functie van de eiwitten waarvoor genen coderen?

De kennis van het genoom – het geheel van erfelijke instructies – vormt een niet te onderschatten leidraad in het opsporen en behandelen van elke ziekte. De genen vormen immers de inventaris van alle eiwitten die tot uiting komen in de cel. Eiwitten zorgen niet alleen voor de structuur van de cel, ze dirigeren ook alle chemische reacties waarmee een cel overleeft, groeit, deelt en haar functies kan uitoefenen.

Eiwit als parelsnoer

Eiwitten zijn samengesteld uit basiseenheden die wetenschappers aminozuren noemen. Deze zijn aan elkaar geregen als parels aan een rijgdraad. Het parelsnoer van het eiwit is opgerold en opgevouwen. Sommige eiwitten zijn kort en eenvoudig, andere zijn lang en complex.

Een eiwitketen – hier in uitgerekte toestand – bestaat al gauw uit twintig verschillende aminozuren.

Natuurwetenschap & Techniek

In tegenstelling tot DNA, dat slechts vier basisletters heeft, kennen eiwitten een uitgebreider alfabet van maar liefst twintig aminozuren. Aangezien de genen worden vertaald in eiwitten, zet de cel het vierletteralfabet van het DNA om in het twintigletteralfabet van de eiwitten.

Elke drie basen in mRNA (een ‘codon’) coderen voor één aminozuur.

Natuurwetenschap & Techniek

Elke combinatie van drie opeenvolgende DNA-letters vormt de code voor één aminozuur. De DNA-lettercombinatie CGG codeert voor het aminozuur arginine (Arg) en de lettercode ACC voor threonine (Thr).

Het centrale dogma van de moleculaire biologie. De DNA-boodschap wordt in twee stappen via mRNA overschreven in eiwit: eerst transcriptie, dan translatie.

Natuurwetenschap & Techniek

Vertalen van DNA tot eiwitten gebeurt in twee stappen. Allereerst wordt in de celkern de lettercode van het gen overgeschreven naar een tweede, veel mobieler, nucleïnezuur: het boodschapper-RNA (afgekort mRNA van messenger-RNA). Dat overschrijvingsproces heet transcriptie. Het mRNA fungeert als een intermediaire matrijs tussen het DNA en het eiwit. Omdat een RNA-streng veel korter is dan een DNA -streng, kan het makkelijk de reis van de kern naar het cytoplasma (celvocht) maken. Daar vindt de vertaling (translatie) naar eiwitten plaats.

Elke cel produceert duizenden eiwitten, elk met hun eigen structuur en hun eigen functie. Voor elke celfunctie zijn één of meer eiwitten nodig, of het nu gaat om zuurstoftransport, suikerafbraak, spierbeweging, opwekking van elektrische impulsen of uitscheiding van hormonen. Zonder eiwitten zouden de cellen hulpeloos zijn. Ze voeren in essentie zelfs zeer complexe hersenactiviteiten uit zoals observeren, onthouden, rekenen, plannen en coördineren.

Genetische code

De combinatie van codon en aminozuur is specifiek en is vastgelegd in de genetische code. Drie mRNA-letters (een codon) coderen voor één aminozuur. Voor een aantal aminozuren bestaan er meerdere codons (er zijn immers 64 mogelijkheden voor maar twintig aminozuren). Drie codons geven een Stop aan: het eiwit is af.

Natuurwetenschap & Techniek

Als het DNA het instructieboek van het leven is, dan zijn de eiwitten de uitvoerders van dat instructieboek. Zij zijn de ingenieurs en de vaklui – maar tegelijkertijd vormen ze ook één van de belangrijkste bouwstenen van de cel. Als we dus de genetische code, het DNA, de genen, willen begrijpen, moeten we vooral de functie van de eiwitten begrijpen. Een mens is een bundel eiwitten.

Witte, gele, bruine, rode mensen

Alhoewel het genenboek van twee individuen voor 99,9% overeenstemt, is toch elke mens weer anders. Er zijn witte, gele, bruine en rode mensen. Sommigen hebben blauwe ogen en blond haar, anderen zwarte krullen en bruine ogen. Sommigen worden olympisch atleet, anderen schoppen het tot universiteitsprofessor in de elementaire-deeltjesfysica.

Ook dat verschil in uiterlijk en aanleg heeft te maken met ons genoom, en bij uitbreiding, met onze eiwitten. De studie van die moleculaire verschillen leert ons beter begrijpen waarom we allemaal gelijk zijn, maar toch ook weer uniek. Wetenschappers hopen dat die verschillen hen ook leren waarom iemand toch vroegtijdig overlijdt aan hart- en vaatziekten, ondanks een gezonde levensstijl, terwijl een ander zondigt tegen alle aanbevelingen van de Hartstichting en niettemin honderdtien wordt.

Codons en ribosomen

De vertaling van RNA naar eiwitten wordt uitgevoerd door kleine transfer- RNA-moleculen (tRNA). Deze dragen aan één zijde een aminozuur en aan de andere zijde een combinatie van drie letters van het genetische alfabet, een zogenaamd anti-codon. Dat past precies op het codon van het mRNA, net zoals een sleutel in een slot past. Het vertaalproces van mRNA naar eiwit wordt gestuurd door kleine eiwitfabriekjes in de cel, de ribosomen. Zij ‘rollen’ als het ware over het mRNA en binden telkens een tRNA waarvan het anti-codon complementair is aan het codon op het mRNA. Vervolgens rijgen de aminozuren van het tRNA zich aaneen, doordat de zich vormende eiwitketen van het ene tRNA op het andere wordt overgedragen. Het eiwit wordt langer en langer, totdat het ribosoom een stopcodon ontmoet. Een stopcodon vertelt dat de eiwitketen volledig is aangemaakt.

Natuurwetenschap & Techniek

Niet alleen elk mens is uniek, hetzelfde geldt voor elke cel. Alhoewel cellen twee volledige kopieën van het genoom dragen, één van moeder en één van vader, hebben ze allemaal een verschillend uiterlijk en een verschillende functie. Een mens heeft ongeveer tweehonderd tot driehonderd typen cellen. Levercellen, bloedcellen, huidcellen, spiercellen en zenuwcellen hebben allemaal hun eigen specifieke functies doordat ze diverse reeksen eiwitten aanmaken. Een cel zal dus bijna nooit het volledige repertoire van genen uit de inventaris vertalen. Naast een standaardpakket, de zogenaamde huishoudgenen die de basisfuncties in een cel verzorgen, zal elk celtype een specifiek pakket genen vertalen. Precies die vertaling van een stel specifieke genen maakt een levercel tot levercel en een zenuwcel tot zenuwcel.

Speuren, na het genoom

De ontrafeling van de functie van elke eiwit in zijn cellulaire context is een gigantische speurtocht. Gelukkig hebben we het genoom als inventarislijst. Er is echter niet één wetenschapper of wetenschapsdiscipline die deze taak alleen aankan. Genoom- en eiwitonderzoek is een multidisciplinaire onderzoekstaak, het is niet langer het exclusieve jachtdomein van de geneticus of de moleculair-bioloog. Er komen computerdeskundigen, fysiologen, biochemici, chemici en fysici aan te pas.

Gloednieuwe onderzoeksrichtingen passeren de revue, sommige zijn zo nieuw dat er niet eens een fatsoenlijke Nederlandstalige benaming voor bestaat. U kunt in N&T wetenschapsmagazine de achtergronden lezen van hippe termen als expressiechiptechnologie, datamining, bioinformatica, proteomica, farmacogenomica, functionele genanalyse en genetische epidemiologie.

Eén gen, meerdere eiwitten

Uit één gen kunnen verschillende eiwitten ontstaan.

Natuurwetenschap & Techniek

Ons genoom bestaat niet alleen uit coderende sequenties. Grote delen zijn ‘zinloos’ en hebben, voor zover we nu weten, niet echt een fysiologische functie. Meer dan 95% van onze inventaris is met andere woorden een betekenisloze opeenvolging van basen. Deze zinloze stukken kregen de benaming ‘junk’-DNA.

Ook bijna elk gen is onderbroken door stukjes junk- DNA. Deze onderbrekingen bestaande uit betekenisloos DNA heten introns, de betekenisvolle stukken heten exons. Dit mengsel van opeenvolgende stukjes coderend en niet-coderend DNA laat de cel toe om uitgaande van één gen, verschillende eiwitten te maken. Telkens kan een andere combinatie van exonen worden afgeschreven.

Daarnaast kent één gen vaak meer plekken waar de afschrijving kan starten. Er zijn eiwitten bekend waarvan bijvoorbeeld in de hersenen een kleinere versie wordt aangemaakt dan in de spieren of andere lichaamscellen. Daarenboven ondergaat elk eiwit dat volledig ‘af’ is, nog een aantal nabewerkingen die de functie eveneens kunnen veranderen en die soms celtype specifiek zijn. Er zijn dus diverse niveaus waarop cellen een uniek palet aan eiwitten kunnen voortbrengen. Ken je als het expressiepatroon van de cel, dan ken je de cel zelf.

Dit artikel is een publicatie van Natuurwetenschap & Techniek.
© Natuurwetenschap & Techniek, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 10 april 2004

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.