Genregulatie en celdifferentiatie (Biologie vwo), les 1: Uitleg

• New lesson editor
• Biologie
• Middelbare school
• vwo
• Leerjaar 4-6

Introduction

Uitleg over celdifferentiatie en stamcellen, genregulatie bij prokaryoten (repressor en operator) en eukaryoten (transcriptiefactoren en activatoren), nucleosomen, methylering, epigenetica en RNAi, mutagene factoren, kanker en apoptose. Drie blokken met vijf controlevragen.

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Genregulatie en celdifferentiatie

Examenstof biologie vwo

Les 1 van 3: uitleg. Les 2 is de examentraining, les 3 de terugblik met quiz. Syllabus: M3.2, M4.1 (C1, D1). Image credit: Ryddragyn / Wikimedia Commons, publiek domein

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Wat ga je kunnen?

Ik kan uitleggen hoe genregulatie, celdifferentiatie, stamcellen, mutaties en apoptose samenhangen en schema's en tabellen over genregulatie gebruiken.

Welke woorden horen bij: genregulatie en celdifferentiatie?

Verwacht: genen aan en uit, stamcel, spiercel, eiwit, promotor, mutatie, kanker, celdood. Koppel de woorden aan de begrippen van de les: genotype, celdifferentiatie, stamcel, repressor, transcriptiefactor, methylering, proto-oncogen, apoptose. Veelgemaakte misvatting: cellen van verschillende typen hebben verschillende genen. Dat komt in blok 1 terug. Aansluiting: de bouw van DNA en RNA en de eiwitsynthese (transcriptie, RNA-polymerase, translatie) zijn eigen lessen; hier gaat het om het regelen van genexpressie.

Dezelfde genen, in elk celtype andere genen aan

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Hetzelfde genotype, andere celtypen

• Vrijwel alle cellen van een meercellig organisme hebben hetzelfde genotype.

• Toch zijn er verschillende celtypen: spiercellen, huidcellen en cellen van de alvleesklier.

• Bij celdifferentiatie krijgt een cel een eigen vorm en functie: specialisatie.

• Dat komt doordat in elk celtype andere genen worden aan- en/of uitgeschakeld.

Syllabus M3.2 punt 1 tot en met 3: genotype, celtype, celdifferentiatie, specialisatie. Alle drie de cellen op het schema hebben dezelfde drie genen, maar steeds staat er een ander gen aan: spiercellen maken myosine, cellen van de alvleesklier insuline en huidcellen keratine. Waarom 'vrijwel alle': enkele cellen verliezen hun kern, zoals rode bloedcellen bij zoogdieren, en geslachtscellen hebben maar de helft van het DNA. Veelgemaakte fout: denken dat een gespecialiseerde cel de genen van andere celtypen kwijt is. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Embryonale stamcellen en volwassen stamcellen

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Stamcellen en hun typen

• Een stamcel is niet gespecialiseerd, kan zich delen en kan differentiëren tot gespecialiseerde cellen.

• Embryonale stamcellen komen uit een jong embryo en kunnen zich ontwikkelen tot vrijwel alle celtypen.

• Volwassen stamcellen zitten in weefsels, zoals in het rode beenmerg, en maken maar een paar celtypen.

• Bloedstamcellen vormen bijvoorbeeld alleen bloedcellen.

Syllabus M3.2 punt 4: eigenschappen van stamcellen en typen stamcellen. Eigenschappen: zich blijven kunnen delen (zelfvernieuwing) en differentiëren. Typen: embryonaal (veelzijdig) en volwassen (beperkter). Buiten de syllabus maar goed om te weten: gewone lichaamscellen kunnen in het lab worden teruggebracht tot stamcellen (iPS-cellen). Veelgemaakte fout: denken dat een volwassen stamcel alle celtypen van het lichaam kan maken. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Beenmerg van een donor wordt verzameld voor een transplantatie, Washington 2002

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Wat doe je met stamcellen?

• Bij stamcelonderzoek bestudeer je hoe cellen differentiëren en test je bijvoorbeeld medicijnen op cellen.

• Bij stamceltransplantatie krijgt een patiënt gezonde stamcellen van een donor of van zichzelf.

• Voorbeeld: bloedstamcellen uit beenmerg vervangen bij een patiënt met leukemie het beschadigde beenmerg.

• Bij embryonale stamcellen spelen ethische vragen, omdat daarvoor een embryo wordt gebruikt.

Syllabus M3.2 punt 5: doelen van stamcelonderzoek en stamceltransplantatie. Bij leukemie is het bloedvormende beenmerg ziek of wordt het door behandeling vernietigd; donor-bloedstamcellen vormen daarna nieuwe, gezonde bloedcellen. De ethische vraag is geen examenstof van deze eindterm maar helpt leerlingen de verschillen tussen de typen te onthouden. Veelgemaakte fout: stamcelonderzoek en stamceltransplantatie door elkaar halen. Image credit: U.S. Navy, Chad McNeeley / Wikimedia Commons, publiek domein

Vul in

Een stamcel kan zich delen en kan differentiëren tot een gespecialiseerde cel.

stamcel

delen

differentiëren

muteren

afsterven

Een stamcel deelt zich en differentieert. Verwachte fout: 'muteren' of 'afsterven' kiezen, dat zijn andere processen uit deze les.

Bacteriën van Escherichia coli onder de elektronenmicroscoop

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Waarom genregulatie?

• Genregulatie bepaalt welke genen wanneer en hoeveel worden afgelezen.

• Een cel maakt zo alleen de eiwitten die op dat moment nodig zijn en bespaart energie en grondstoffen.

• Een bacterie past haar genexpressie aan het voedsel aan dat er is.

• Bij meercellige organismen zorgt genregulatie ook voor celdifferentiatie.

Syllabus M4.1 punt 1: het belang van genregulatie. Twee belangen: zuinig omgaan met energie en grondstoffen, en aanpassen aan de omgeving en aan de rol van de cel in het lichaam. Veelgemaakte fout: denken dat genregulatie de genen zelf verandert; het gaat om aflezen, niet om de basenvolgorde. Image credit: Eric Erbe en Christopher Pooley, USDA / Wikimedia Commons, publiek domein

Regulatorgen, promotor, operator en structuurgenen

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Prokaryoten: bouw van het regelsysteem

• Een regulatorgen codeert voor een repressor: een eiwit dat de transcriptie kan blokkeren.

• De promotor is de plek waar RNA-polymerase aan het DNA hecht.

• De operator ligt naast de promotor: daar kan de repressor binden.

• De structuurgenen coderen voor eiwitten, vaak enzymen, en worden samen afgelezen.

Syllabus M4.1 punt 2: structuurgen, regulatorgen, promotor, operator, repressor. Het schema laat een stuk bacterie-DNA zien: R is het regulatorgen, P de promotor, O de operator en S1 tot en met S3 de structuurgenen. RNA-polymerase en transcriptie komen uit de les over eiwitsynthese. Veelgemaakte fout: promotor en operator verwisselen; de promotor is voor RNA-polymerase, de operator voor de repressor. Image credit: Eigen schema, LessonUp

De repressor zonder en met lactose

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Prokaryoten: de repressor aan en uit

• Zonder lactose zit de repressor op de operator: RNA-polymerase kan niet verder en de structuurgenen blijven uit.

• Lactose bindt aan de repressor. Die verandert van vorm en laat de operator los.

• Dan leest RNA-polymerase de structuurgenen af en maakt de cel de enzymen die lactose afbreken.

• Is er geen lactose meer, dan bindt de repressor weer aan de operator en gaan de genen uit.

Syllabus M4.1 punt 2: werking van de repressor, uitgewerkt voor de genen van Escherichia coli die lactose afbreken. Eigenlijk bindt een omzettingsproduct van lactose aan de repressor, en speelt ook glucose een rol; dat is buiten de syllabus en voor dit model niet nodig. Het patroon is het belangrijkste: een stof bindt aan de repressor, de repressor laat de operator los, de genen gaan aan. Veelgemaakte fout: denken dat lactose de promotor activeert in plaats van de repressor uit te schakelen. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Transcriptiefactoren en een activator bij een eukaryoot gen

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Eukaryoten: transcriptiefactoren

• Bij eukaryoten start transcriptie pas als transcriptiefactoren aan de promotor zijn gebonden.

• Daarna hecht RNA-polymerase aan de promotor en maakt mRNA van het gen.

• Een activator bindt aan een specifiek stuk DNA en versterkt de transcriptie.

• Elk celtype heeft eigen transcriptiefactoren en activatoren, dus in elk celtype staan andere genen aan.

Syllabus M4.1 punt 3: promotor, transcriptiefactor, activator bij eukaryoten. Het schema is een vereenvoudiging: in werkelijkheid zijn er veel transcriptiefactoren en bindt een activator vaak ver van het gen; het DNA buigt zodat activator en RNA-polymerase elkaar raken. De link met differentiatie uit blok 1: welke transcriptiefactoren en activatoren aanwezig zijn, verschilt per celtype. Veelgemaakte fout: eukaryote genregulatie met repressor en operator beschrijven. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Welk deel van het DNA codeert bij prokaryoten voor de repressor?

A

De operator

B

Het regulatorgen

C

De promotor

D

De structuurgenen

Het regulatorgen codeert voor de repressor. Verwachte fout: de operator kiezen omdat de repressor daaraan bindt; de operator is geen gen maar een bindingsplek.

Waaraan binden transcriptiefactoren bij eukaryoten voor de start?

A

Aan de operator van het gen

B

Aan het mRNA van het gen

C

Aan de histonen van een nucleosoom

D

Aan de promotor van het gen

Transcriptiefactoren binden aan de promotor, daarna kan RNA-polymerase beginnen. Verwachte fout: de operator kiezen, dat is het prokaryote systeem.

Een gen uit en aan: verpakking en methylering

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Nucleosomen en methylering

• Eukaryoot DNA ligt om histonen: DNA met histonen vormt een nucleosoom.

• Is het DNA strak verpakt, dan komen RNA-polymerase en transcriptiefactoren er moeilijk bij: het gen staat uit.

• Bij methylering komen methylgroepen aan het DNA, vaak bij de promotor. Dat schakelt een gen uit.

• Is het DNA losser verpakt en niet gemethyleerd, dan kan het gen worden afgelezen.

Syllabus M4.1 punt 4: nucleosoom en methylering. Histonen zijn al aan de orde geweest bij de bouw van DNA en RNA. Strakke verpakking en methylering gaan vaak samen en maken een gen minder toegankelijk. Veelgemaakte fout: denken dat methylering de basenvolgorde verandert; alleen een methylgroep wordt toegevoegd, de volgorde blijft gelijk. Image credit: Eigen schema, LessonUp

RNAi: klein RNA bindt aan mRNA

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Epigenetica en RNAi

• Epigenetica onderzoekt veranderingen in genexpressie zonder verandering van de basenvolgorde.

• Methylering en verpakking van het DNA zijn voorbeelden. Voeding, stress en roken kunnen ze beïnvloeden.

• Bij RNAi bindt een klein RNA-molecuul aan een passend mRNA, dat wordt afgebroken of niet vertaald.

• Genexpressie is dus een dynamisch proces dat door veel factoren wordt geregeld.

Syllabus M4.1 punt 4: epigenetica en RNAi, genexpressie als dynamisch proces. Epigenetische kenmerken worden bij celdeling meestal doorgegeven aan dochtercellen. Bij RNAi gebeurt de regeling na de transcriptie: het mRNA is al gemaakt maar levert geen eiwit op. Veelgemaakte fout: epigenetica verwarren met mutatie. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Een melanoom op de schouder, omcirkeld voor een biopsie

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Mutagene factoren en kanker

• Een mutagene factor veroorzaakt mutaties, zoals UV-straling, röntgenstraling en stoffen in tabaksrook.

• Een mutatie kan de genregulatie verstoren, bijvoorbeeld in genen die de celdeling regelen.

• Kanker ontstaat als cellen ongeremd delen en een tumor vormen.

• Meestal zijn meerdere mutaties nodig voordat een cel een kankercel wordt.

Syllabus M4.1 punt 5: mutagene factor en verstoring van genregulatie. UV-straling uit zonlicht kan DNA van huidcellen beschadigen, wat tot huidkanker zoals melanoom kan leiden. Veelgemaakte fout: denken dat één mutatie meteen kanker geeft. Image credit: Dermanonymous / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Gaspedaal en rem van de celdeling

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Proto-oncogenen en tumorsuppressorgenen

• Een proto-oncogen stimuleert de celdeling, als een gaspedaal, en is actief na een groeisignaal.

• Door een mutatie kan het blijvend actief worden: een oncogen. De cel blijft delen.

• Een tumorsuppressorgen remt de celdeling, als een rem, of laat een beschadigde cel sterven.

• Valt een tumorsuppressorgen uit door een mutatie, dan ontbreekt de rem.

Syllabus M4.1 punt 5: proto-oncogen en tumorsuppressorgen. Een mutant proto-oncogen werkt dominant (één gemuteerd allel is genoeg); bij een tumorsuppressorgen moeten meestal beide allelen uitvallen. Dat hoeft niet op de dia. Veelgemaakte fout: de twee soorten genen verwisselen. Image credit: Eigen schema, LessonUp

Boomkikkertje aan het eind van de metamorfose, Príncipe (kleiner dan 1 cm)

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Apoptose: geprogrammeerde celdood

• Apoptose is geprogrammeerde celdood: een cel breekt zichzelf gecontroleerd af.

• Enzymen uit lysosomen breken de celinhoud af; andere cellen ruimen de resten op.

• Zo verdwijnen tijdens de ontwikkeling cellen tussen de vingers van een embryo en de staart van een kikkervisje.

• Cellen met ernstige DNA-schade ondergaan normaal apoptose. Kankercellen ontsnappen er vaak aan.

Syllabus M3.2 punt 6 en 7: een cel is in staat tot apoptose; rol bij de ontwikkeling van een meercellig organisme; de syllabus noemt lysosoom en kanker. Apoptose is geen ontsteking, anders dan celdood door verwonding. Door apoptose ontstaan losse vingers en tenen. Veelgemaakte fout: apoptose zien als iets slechts; het hoort bij een gezonde ontwikkeling en beschermt tegen kanker. Image credit: Charles J. Sharp / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0

Waaromheen ligt het DNA in een nucleosoom?

Goed: histonen. Verwachte fout: 'nucleotiden' of 'ribosomen' noemen.

Wat is kenmerkend voor kanker?

A

Cellen delen ongeremd en vormen een tumor

B

Alle cellen ondergaan tegelijk apoptose

C

Cellen differentiëren tot gespecialiseerde cellen

D

Het genotype van alle cellen verandert

Bij kanker delen cellen ongeremd. Verwachte fout: denken dat het genotype van alle cellen verandert; alleen de tumorcellen hebben mutaties.

Wat vond je vandaag het lastigst?

1

Celdifferentiatie en stamcellen

2

Genregulatie bij prokaryoten en eukaryoten

3

Nucleosomen, methylering, epigenetica en RNAi

4

Kanker en apoptose

Gebruik de uitslag om het onderdeel met de meeste stemmen in de volgende les nog eens met een schema te doorlopen.

Welke vraag heb je nog over genregulatie en celdifferentiatie?

Verzamel de vragen. Vragen over hoe een eiwit wordt gemaakt horen bij de les over eiwitsynthese.

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Begrippen (1/2)

• genotype, celtype en celdifferentiatie: Vrijwel alle cellen hebben hetzelfde genotype; celdifferentiatie geeft een cel een eigen vorm en functie.

• stamcel: Niet-gespecialiseerde cel die zich kan delen en kan differentiëren; embryonaal of volwassen.

• stamcelonderzoek en stamceltransplantatie: Onderzoek aan stamcellen, en het overbrengen van gezonde stamcellen naar een patiënt.

• genregulatie bij prokaryoten: Regulatorgen maakt repressor; die bindt aan de operator naast de promotor en blokkeert de structuurgenen.

• transcriptiefactor en activator: Eukaryote eiwitten die transcriptie vanaf de promotor mogelijk maken en versterken.

MOLECULAIR · GENREGULATIE

Begrippen (2/2)

• nucleosoom en methylering: DNA om histonen, en methylgroepen aan het DNA: strak verpakt of gemethyleerd DNA is uitgeschakeld.

• epigenetica en RNAi: Veranderde genexpressie zonder andere basenvolgorde, en uitschakelen van mRNA door klein RNA.

• mutagene factor en kanker: Mutagene factoren veroorzaken mutaties; kanker is ongeremde deling van cellen.

• proto-oncogen en tumorsuppressorgen: Een proto-oncogen stimuleert de deling en kan een oncogen worden; een tumorsuppressorgen remt de deling.

• apoptose en lysosoom: Geprogrammeerde celdood, waarbij enzymen uit lysosomen de cel afbreken.