Genen en chromosomen 3: genen, eiwitten en mutaties

Introduction

De blauwdruk voor de bouw en werking van het menselijk lichaam is opgeslagen in reeksen desoxyribonucleïnezuur (DNA), genen genaamd. Deze genetische informatie wordt gebruikt om eiwitten met verschillende functies te maken, van structurele eiwitten die essentieel zijn voor de opbouw van spieren, botten en huid tot enzymen die de biochemische reacties katalyseren die essentieel zijn voor het overleven van het lichaam. Fouten in de menselijke genetische code, die mutaties worden genoemd, leiden soms tot de productie van abnormale eiwitten die ziekten kunnen veroorzaken, waaronder auto-immuunziekten en maligniteit.

Proteïnen

Proteïnen zijn essentieel voor zowel de structuur als de functie van het menselijk lichaam. Deze complexe macromoleculen zijn opgebouwd uit bouwstenen die aminozuren worden genoemd, eenvoudige organische verbindingen die een carboxyl- (-COOH) en een aminogroep (-NH2) bevatten. Er zijn 20 natuurlijk voorkomende aminozuren (kader 1); andere varianten kunnen synthetisch worden geproduceerd in het laboratorium.

Aminozuren

Om efficiënt te functioneren, moeten menselijke cellen voortdurend nieuwe eiwitten aanmaken om oudere, beschadigde te vervangen. Dit vereist een gestage aanvoer van alle 20 aminozuren. Tijdens de spijsvertering breekt het maagdarmkanaal de grote dierlijke en plantaardige eiwitten in voedsel achtereenvolgens af in polypeptiden, peptiden en uiteindelijk in ‘vrije’ aminozuren die de darmwand kunnen passeren om in de bloedbaan te worden opgenomen (VanPutte et al, 2017).

Natuurlijk voorkomende aminozuren (Box 1) zijn opgesplitst in twee categorieën:

• Essentieel – de negen aminozuren die menselijke cellen niet kunnen synthetiseren en dus rechtstreeks uit voeding moeten verkrijgen;
• Niet-essentieel – de 11 aminozuren die menselijke cellen kunnen synthetiseren als de rechtstreekse aanvoer via voeding laag is.

Deze terminologie kan verwarrend zijn, omdat zogenaamde niet-essentiële aminozuren eigenlijk essentieel zijn voor de opbouw van eiwitten; de term wordt alleen gebruikt om aan te geven dat zij niet via de voeding hoeven te worden verkregen.

Als een gezonde en evenwichtige voeding wordt aangehouden, krijgen de cellen de aminozuren binnen die nodig zijn voor de eiwitomzet. Slechte voeding, eetstoornissen, bepaalde medicijnen en het verouderingsproces (dat de eetlust kan verminderen) kunnen echter allemaal de beschikbaarheid van aminozuren via de voeding beperken, met name van de negen essentiële aminozuren. Dit brengt het vermogen van het lichaam om eiwitten te vervangen in gevaar, wat kan leiden tot spierverlies en ziekte.

Eiwitvariëteiten

Eiwitten vormen het grootste organische bestanddeel van het menselijk lichaam en maken ongeveer 50% uit van de droge massa van een typische menselijke cel (Radivojac, 2013). Ze worden gesynthetiseerd in het cytoplasma van cellen, waar aminozuren aan elkaar worden gekoppeld door peptidebindingen om lange vertakte ketens te vormen die variëren van een paar aminozuren tot duizenden. Deze aminozuurketens vouwen of draaien verder in de unieke driedimensionale configuraties die ze moeten aannemen om hun aangewezen rollen in het lichaam te vervullen (VanPutte et al, 2017).

Het grootste momenteel bekende eiwit in het menselijk lichaam is een spiereiwit genaamd titine (of connectine), dat bestaat uit ongeveer 33.000 aminozuren. Het werkt als een moleculaire veer en wordt verondersteld bij te dragen aan de kracht van spiercontractie (Powers et al, 2014).

Het menselijk genoomproject heeft aangetoond dat mensen iets minder dan 20.000 structurele genen hebben die coderen voor individuele eiwitten. Elk gen kan echter aanleiding geven tot maximaal 100 varianten van het eiwit waarvoor het codeert, dus tot twee miljoen verschillende variëteiten van eiwitten kunnen aanwezig zijn in het menselijk lichaam (Ponomarenko et al, 2016).

Voorbeelden van veel voorkomende eiwitten zijn onder meer:

• Actine en myosine – contractiele eiwitten die worden aangetroffen in spieren;
• Keratine – een dicht eiwit dat wordt aangetroffen in haar, vingernagels en de opperhuid van de huid;
• Collageen – een algemeen structureel eiwit (dat bijvoorbeeld wordt gebruikt voor de opbouw van een raamwerk van kraakbeen en bot) dat in verschillende vezelachtige vormen kan bestaan;
• Proteïneachtige hormonen zoals insuline of glucagon – gewoonlijk in korte ketens, peptiden genaamd, circuleren deze in het bloed en fungeren als chemische boodschappers;
• Catabole spijsverteringsenzymen zoals pepsine, trypsine en amylase – deze helpen bij het verteren en opbreken van macromoleculen in voedsel in eenvoudige componenten die het lichaam kan opnemen;
• Anabole enzymen zoals DNA-polymerase, ribonucleïnezuurpolymerase (RNA) en glycogeensynthase – betrokken bij de opbouw van DNA-, RNA- en glycogeenmoleculen (dierlijk zetmeel);
• Haemoglobine – betrokken bij het transport van zuurstof en kooldioxide in rode bloedcellen (erythrocyten);
• Antilichamen, vaak immunoglobulinen genoemd – kleine Y-vormige eiwitten die een cruciale rol spelen in het immuunsysteem, door zich te binden aan vreemd materiaal en het zo te labelen voor vernietiging;
• Neurotransmitters – kleine eiwitten die werken als chemische boodschappers in het zenuwstelsel (bijvoorbeeld stof P);
• Neurotransmitterreceptoren – deze (bijvoorbeeld de acetylcholinereceptor) ontvangen boodschappen van neurotransmitters.

Ribosomen

Eiwitten worden in de cellen gesynthetiseerd door ribosomen, kleine organellen die dicht bij elkaar liggen en ingebed zijn in het endoplasmatisch reticulum (ER) van het cytoplasma. Het ER is een systeem van afgeplatte, onderling verbonden membranen en het grootste deel van zijn oppervlak is bedekt met ribosomen, waardoor het er ruw en ongelijk uitziet, wat ertoe heeft geleid dat dit gebied bekend is geworden als het ruwe ER. Hier ‘vertalen’ ribosomen de genetische code door aminozuren te assembleren om eiwitten te creëren (Lewis, 2018).

Ribosomen zijn meestal samengesteld uit een gespecialiseerde vorm van RNA genaamd ribosomaal RNA (rRNA), dat wordt gestabiliseerd door kleine hoeveelheden eiwitten die ook helpen bij het assembleren van de ribosomen zelf (De la Cruz et al, 2015). In één menselijke cel kunnen duizenden ribosomen op elk moment actief bezig zijn met het bouwen van eiwitten.

Van genen tot eiwitten

Structurele genen bevatten sequenties van DNA die de volgorde van aminozuren in eiwitten bepalen. Regel- (of regulatie-) genen bepalen welke structurele genen in een bepaald weefsel tot expressie komen (‘ingeschakeld’).

Het gebruik van de genetische informatie in het DNA om eiwitten te bouwen omvat een paar verschillende stappen:

• Transcriptie;
• Post-transcriptionele modificatie;
• Translatie;
• Post-translationele modificaties.

Transcriptie

De genetische informatie die in de kern van een cel is opgeslagen, moet aan de ribosomen in het cytoplasma worden afgeleverd. In de celkern bestaat DNA in de vorm van enorme dubbele helices. DNA-moleculen zijn te groot om rechtstreeks aan de ribosomen te worden doorgegeven, zodat de in het DNA opgeslagen genetische informatie moet worden gekopieerd naar een kleiner, beweeglijker medium – dat proces wordt transcriptie genoemd.

Tijdens de transcriptie wordt een gensequentie die codeert voor een eiwit gekopieerd van dubbelstrengs DNA naar enkelstrengs RNA (fig. 1). Enkelstrengs RNA-moleculen zijn veel kleiner dan DNA-moleculen en kunnen zich daarom door de minuscule poriën van het kernmembraan verplaatsen. De rol van de RNA-molecule bestaat erin instructies voor de bouw van eiwitten aan een ribosoom te geven. Aangezien deze vorm van RNA informatie overbrengt van de kern naar het cytoplasma, wordt het boodschapper-RNA (mRNA) genoemd.

Zoals DNA is RNA opgebouwd uit nucleotidebasen, maar in tegenstelling tot DNA heeft het geen thyminebasis. In RNA wordt thymine vervangen door een andere nucleotide base, uracil. De regels voor basenparen in transcriptie verschillen daarom enigszins van de regels voor basenparen in DNA-replicatie (kader 2).

Het proces van DNA-transcriptie lijkt sterk op dat van DNA-replicatie (zie deel 2) en omvat de volgende stappen:

• Het enzym RNA-polymerase bindt zich aan het begin van de DNA-gensequentie (ook wel promotorsequentie genoemd);
• RNA-polymerase wikkelt een klein deel van de DNA-dubbelhelix af om het enkelstrengs te maken (een proces dat vaak wordt beschreven als analoog aan het losmaken van een ritssluiting) – het kleine gebied van afgewikkeld enkelstrengs DNA wordt een transcriptiebubbel genoemd (VanPutte et al, 2017);
• Alleen een van de blootgelegde DNA-strengen bevat nuttige informatie voor het construeren van een eiwit – die streng wordt gebruikt als sjabloon voor transcriptie;
• RNA-polymerase synthetiseert een complementaire mRNA-streng met behulp van de regels voor basenparen van de transcriptie.

Box 3 toont een voorbeeld van transcriptie.

Post-transcriptionele modificaties

Niet alle informatie die in mRNA-strengen is gecodeerd, is nuttig voor de constructie van een eiwit. Een nieuw getranscribeerde RNA-streng bestaat uit twee elementen:

• Exons – sequenties met essentiële informatie voor het bouwen van een eiwit dat de juiste volgorde van aminozuren heeft;
• Introns – sequenties die de exon-coderende sequenties onderbreken en gewoonlijk geen nuttige informatie bevatten voor het bouwen van een eiwit. Ooit werden introns beschouwd als junksequenties, maar nu wordt gedacht dat ze een rol spelen bij het reguleren van genexpressie (Chorev en Carmel, 2012).

De introns moeten worden uitgeknipt en de exonen samengesplitst om een aaneengesloten ‘high-fidelity’ mRNA-sequentie te vormen: dit knippen en splitsen – post-transcriptionele modificatie genoemd – wordt gedaan door enzymen in de kern. Het proces wordt getoond in fig. 2.

Natuur van de genetische code

De genetische code is een triplet van drie stikstofhoudende basen die coderen voor één aminozuur. Aangezien er 20 natuurlijk voorkomende aminozuren zijn, kan elk aminozuur met drie basen door één tripletcode worden vertegenwoordigd (en sommige worden meer dan eens vertegenwoordigd). De tripletcode maakt het ook mogelijk ‘start-and-stop’-instructies in de mRNA-streng te coderen, zodat ribosomen weten wanneer ze met de bouw van een eiwit moeten beginnen en eindigen.

Elke reeks van drie basen (tripletcode) op een mRNA-streng wordt een codon genoemd. Het eerste codon op een mRNA-streng is altijd het ‘start’-codon – AUG genaamd – dat het ribosoom opdraagt met de eiwitsynthese te beginnen. Aangezien AUG ook codeert voor het aminozuur methionine, is methionine het eerste aminozuur dat in een eiwit wordt opgenomen – als het eigenlijk niet nodig is, wordt het later verwijderd (Xiao et al, 2010).

De aminozuren zelf worden aan de ribosomen geleverd door transfer RNA (tRNA)-moleculen. Een unieke tRNA-molecule correspondeert met elk aminozuur en elke tRNA-molecule heeft zijn eigen unieke tripletcode, die correspondeert met een codon op de mRNA-streng. Deze tRNA-sequenties vullen de mRNA-codons aan en worden daarom anticodons genoemd (VanPutte et al, 2017).

Translatie

Na transcriptie en post-transcriptionele modificatie ontstaat een rijpe, ononderbroken sequentie van mRNA. Bij binnenkomst in het cytoplasma hecht deze sequentie zich aan een ribosoom en kan dan worden gebruikt voor eiwitsynthese in een proces dat translatie wordt genoemd.

DNA translatie (Fig 3) verloopt in een reeks stappen:

• Een streng rijp mRNA hecht zich aan een ribosoom;
• Drie basen op de mRNA-streng (codon) worden blootgelegd op het ribosoom – bijvoorbeeld AUG (het ‘start’-codon dat ook codeert voor methionine);
• Een tRNA-molecuul komt aan bij het ribosoom, stemt zijn anticodon af op het codon op de mRNA-streng en levert het corresponderende aminozuur – bijvoorbeeld, voor het ‘start’-codon AUG levert het corresponderende anticodon UAC methionine;
• De mRNA-streng beweegt zich drie basen verder langs het ribosoom, waarbij het volgende codon wordt blootgelegd, waarna de volgende tRNA-molecule arriveert met zijn complementaire anticodon en een ander aminozuur levert;
• Peptidebindingen vormen zich tussen elk aangrenzend aminozuur en een eiwitketen begint zich te vormen;
• De mRNA-streng blijft zich drie basen verder voortbewegen langs het ribosoom, waarbij elk codon om de beurt wordt blootgelegd. De tRNA-moleculen met overeenkomstige anticodons blijven aminozuren leveren, peptidebindingen blijven zich vormen en de eiwitketen blijft langer worden;
• Eindelijk wordt aan het eind van de mRNA-streng een ‘stop’-codon (UAA, UAG of UGA) bereikt en wordt de eiwitsynthese stopgezet – het proces van DNA-vertaling heeft een ruw eiwit gecreëerd.

Post-translationele modificaties

Het ruwe eiwit moet meestal worden gemodificeerd voordat het zijn uiteindelijke 3D-configuratie kan aannemen en zijn functie in het lichaam kan gaan vervullen. Deze modificaties vinden plaats in het cytoplasma in een organel genaamd het Golgi-apparaat (ook bekend als het Golgi-lichaam of gewoon het Golgi), dat vaak wordt beschreven als het “verpakkings- en exportgebied” van een cel.

Eiwitten ondergaan als volgt post-translationele modificaties:

• De ruwe versie van het eiwit wordt verpakt in een klein membraangebonden zakje, het transferblaasje;
• Het transferblaasje verlaat het ruwe ER en migreert naar het Golgi-apparaat;
• In het Golgi-apparaat wordt het ruwe eiwit geraffineerd, waarbij vaak suikerresiduen aan de keten van aminozuren worden toegevoegd via glycosylering (Huang en Wang, 2017) – veel eiwitten in het menselijk lichaam zijn eigenlijk glycoproteïnen (eiwitten met toegevoegde suiker);
• Het geraffineerde eiwit verlaat het Golgi-apparaat en wordt ofwel gebruikt in de cel of verpakt in een secretorisch blaasje om te worden geëxporteerd;
• Eiwitten die zijn ontworpen om te worden geëxporteerd, worden uit de cel geloosd als hun secretorische blaasje versmelt met het plasmamembraan.

Exporteerde eiwitten kunnen ofwel lokaal in een weefsel worden gebruikt, ofwel door het bloed naar verafgelegen gebieden van het lichaam worden getransporteerd. Het hormoon insuline bijvoorbeeld, dat wordt gesynthetiseerd in de pancreas-bètacellen, wordt rechtstreeks in de circulatie gebracht wanneer de bloedglucosespiegel stijgt. Het fungeert dan als een chemische boodschapper die zich bindt aan receptoren (die zelf eiwitten zijn) op veel menselijke cellen en hen opdraagt glucose op te nemen, waardoor de glucoseconcentratie in het bloed wordt genormaliseerd.

Mutaties

Om goed te kunnen functioneren moeten eiwitten de juiste volgorde van aminozuren hebben, hetgeen er uiteindelijk op berust dat de genetische code constant blijft. Er zijn echter zoveel nucleotidebasen in het menselijk genoom (ongeveer drie miljard basenparen) dat er steevast fouten optreden. Dergelijke fouten worden mutaties genoemd en kunnen leiden tot de productie van eiwitten die mogelijk niet goed functioneren. Abnormale eiwitten worden in verband gebracht met een aantal ziekten, waaronder sommige vormen van auto-immuunziekten en kwaadaardigheid.

Genetische mutaties kunnen willekeurig optreden na fouten in de DNA-replicatie (beschreven in deel 1 van deze serie), met name wanneer het lichaam ouder wordt; ze kunnen ook worden veroorzaakt door omgevingsfactoren die DNA-moleculen rechtstreeks beschadigen. Alles wat DNA kan beschadigen en tot mutatie kan leiden, wordt een mutageen genoemd (VanPutte et al, 2017). Veel genetische mutaties treden op in delen van het DNA die niet coderen voor eiwitten (bijvoorbeeld in de niet-coderende introns), zodat ze meestal weinig invloed hebben op de fysiologische functie.

Factoren waarvan bekend is dat ze het DNA beschadigen, en daardoor het risico op mutatie verhogen, zijn onder meer:

• Verouder worden;
• Vuilstoffen;
• Infecties – met name virale infecties, omdat virussen vaak hun genen in het menselijk DNA inbrengen, waardoor genreeksen mogelijk worden onderbroken;
• Stralingen – bijvoorbeeld ultraviolet (UV) licht van de zon of röntgenstraling van medische beeldvorming.

UV-licht van de zon (vooral UVB) staat erom bekend het DNA in huidcellen te beschadigen. Als er mutatie optreedt in de controlegenen die de celdeling reguleren of in de genen die coderen voor DNA-reparatie-enzymen, kan het resultaat ongecontroleerde celdeling en huidkanker zijn (Hopkins, 2015). Hoewel de menselijke huid die wordt blootgesteld aan zonlicht zijn eigen natuurlijke UV-bescherming produceert in de vorm van melanine (het donkere pigment dat de huid bruint), kunnen de afbraak van de ozonlaag en overmatige tijd in de zon leiden tot schadelijke doses UV-straling die het risico op huidkanker verhogen. Zonnebrandcrèmes bieden een betere UV-bescherming en blijken de door UV-straling veroorzaakte huidschade en huidkanker aanzienlijk te verminderen (Green en Williams, 2007).

Mutaties zoals die welke door UV-straling in het DNA van de huid worden veroorzaakt, worden over het algemeen niet van generatie op generatie doorgegeven. Wanneer mutaties echter de kiemcellen van de testes en de eierstokken aantasten, kunnen zij door het nageslacht worden geërfd. Er zijn meer dan 100.000 mutaties gerapporteerd in menselijke kiemcellen, waarvan er vele in verband worden gebracht met veel voorkomende erfelijke genetische ziekten (Vipond, 2013; Cooper et al, 2010). Sommige van deze zullen worden onderzocht in het vierde en laatste artikel in deze reeks.