Samenvatting Medical Genomics

Samenvatting Medical Genomics Basis Moleculaire biologie Genoom: bevat alle biologische informatie die nodig voor het bouwen en onderhouden van levende organismen. Humaan genoom bestaat uit 23 chromosomenparen en dus 46 chromosomen in totaal (3.2 x10^9 bp).

Genomics en genetica Bij genomics is het de bedoeling om het hele genoom tegelijkertijd te bestuderen, terwijl genetica ook beperkt kan zijn tot één gen

DNA Het Dubbelstrengs DNA (deoxyribonucleic acid) is opgebouwd uit 4 soorten

deoxynucleotide basen:

Purines (bestaat uit 2 ringen):

• Adenine (A)
• Guanine (G)

Pyramidines (bestaat uit 1 ring)

• Cytosine (C)
• Thymine (T)

De 2 strengen van het DNA zijn complementair aan elkaar en vormen de dubbele helix door H-bruggen. Een Adenine bindt altijd door 2 waterstofbruggen een Thymine. Een Cytosine wordt door 3 waterstofbruggen verbonden aan een Guanine (C-G = sterkere verbinding).

Structuur van nucleotide

• Base
• Suiker
• Fosfaat

Nucleotiden bestaan uit 1 base, 1 of meer fosfaatgroepen en een suiker. Deze suiker kan een ribose (RNA) of deoxyribose (DNA) zijn. Ribose bevat een extra 2’-OH- groep.

De basen worden verbonden aan de suikergroep via een N-glycosidische binding.Nucleotiden worden onderling verbonden via fosfodiester bonds. Dit maakt de suiker-fosfaat backbone. Aan het 5’ is een vrije Fosfaatgroep aanwezig (PO4-), extensie vindt plaats aan de hydroxylgroep (OH-) aan het 3’ einde. DNA wordt altijd gelezen en beschreven van 5’ naar 3’.

Centrale dogma: van genen tot eiwit: DNA wordt door transcriptie omgezet in RNA (vindt plaats in de kern), RNA wordt via translatie omgezet tot eiwit (in cytoplasma). DNA à pre-mRNA à mRNA à eiwit

• / 4

Genen en regulatoire sequenties Structurele elementen van functionele genen

1. Een promotor (of regulatoire sequentie): faciliteert de productie van

mRNA. Promotor is altijd aan 5’ einde van DNA georiënteerd en ligt upstream van de getranscribeerde regio.

2. Een transcriptie terminatie signaal: aan het 3’ einde van het gen is een

stop signaal aanwezig. Is deel van de 3’ ongetranslateerde regio (bevat vaak ook een Poly A staart)

3. Een startcodon: vaak ATG op de DNA-template (AUG in mRNA). Hier

starten de ribosomen met de synthese van methionine. Kozac sequentie is een regio rondom het startcodon die effectief de translatie initieert

• Open reading frame (ORF): is een serie codons (nucleotide tripletten). Elk codon codeert

voor 1 aminozuur. ORF loopt van start tot stopcodon.

• Het stopcodon: zorgt voor het loslaten van ribosoom van het RNA à translatie terminatie.

Hier is geen extra aminozuur voor. Het laatste aminozuur is de C-terminus. Het eerste aminozuur wordt de N terminus genoemd.

Eukaryoot vs Prokaryoot Eukaryoten en prokaryoten hebben een zeer diverse gen organisatie.

Prokaryoot:

– DNA ligt los in de cel (geen celkern) – mRNA is mature, heeft geen processing nodig – Veel genen liggen in een operon, worden – Getranscribeerd als polycitronic mRNA. Een groot mRNA met de code van meerdere genen Elk gen in het operon heeft ribosome bindings site

Transcriptie Van DNA naar RNA (in kern): transcriptiefactoren binden aan de TATA-box (promotor). Enhancers binden aan het distale controle element en samen vormt dit een transcriptie initiatie complex.Hieraan kan RNA polymerase II binden en wordt de RNA synthese gestart. RNA polymerase II leest het DNA van 3’ naar 5’ (template streng) en maakt een 5’à3’ mRNA transcript. Terminatie: Transcriptie voorloopt voorbij poly-A signaal à herkenning van Poly-A signaal door complex van knipenzymen. Poly-adenylering beschermt het 3’ einde door poly-A bindende eiwitten. Ook vindt hierna Splicing en capping plaats om mature mRNA te maken Alternatieve RNA splicing: Het pre-mRNA bevat intronen en exonen. De intronen worden verwijderd door splicing en van de exonen wordt het uiteindelijke mRNA gemaakt. Normaal worden alle intronen verwijderd. Bij alternatieve splicing kunnen bepaalde intronen verwijderd worden à ander mRNA ontstaat à ander eiwit à andere functie.

**DNA polymerase: is verantwoordelijk voor DNA synthese tijden replicatie

Translatie Het gevormde mRNa uit de kern wordt getransporteerd naar het cytoplasma. Vervolgens bindt een ribosoom (met kleine en grote subunit) aan het mRNA. Hier vindt translatie plaats. De genetische code van het eiwit is een tripletcode; 3 basen in het mRNA vormen de tripletcode voor een aminozuur. De aminozuren worden d.m.v. tRNA aan elkaar gekoppeld. Het startcodon (AUG) fungeert als startsignaal en het codeert voor methionine. Ribosoom vertaald alle volgende codons tot aminozuren (Elongatie), totdat het stopcodon bereikt wordt (UAG, UGA, UAA).Dan vindt terminatie plaats. Hierna vindt ook modificatie plaats.

Eukaryoot:

– DNA ligt in de celkern – Hebben een intron-exon structuur.Imanture stracript meot nog splicing ondergaan

– Geen operons, maar enkele genen:

monocystronic mRNA.

• / 4

Ribosoom bestaat uit 3 verschillende sites:

A site (acceptor) P site (peptidyl site) E site (exit site)

**Initiatie: Methionine wordt direct op de P site gebracht.

Hierdoor kan het eerstvolgende AA direct op de A site worden gebracht en kan de peptide binding gevormd worden.

Eiwitten Eiwitten zijn polymeren van aminozuren. Kettingen van verbonden aminozuren worden polypeptiden genoemd. De aan- elkaar-gekoppelde aminozuren worden onderling verbonden door peptide bindingen. Deze peptide binding ontstaat tussen het carboxylgroep (C-atoom) van het 1 e AA en de aminogroep (N-atoom) van de 2 e AA. Secundaire structuur – Alfa helix – Beta sheet – Random coils

Soorten

1. Structurele componenten: bouwstenen van cellulaire structuren

• Enzymen: drijven chemische processen door te katalyseren:

– Brengen substraten dicht bij elkaar waardoor de kans op een chemische reactie toeneemt – Oriënteren de substraten zodat de reactie sneller plaatsvindt – Binden substraten in een manier die waarschijnlijk is om te reageren – Beinvloeden de energetische staat van de substraten

• Signaaltransductie eiwitten: reguleren cellulaire processen als reactie op veranderingen in het

milieu. Coördineren biologische processen

• Hormonen: verspreiden signalen (door de verschillende weefsels van het lichaam

5. Antilichamen: herkennen lichaamsvreemde moleculen en leveren immuniteit

6. Regulatoire eiwitten: binden specifieke genen en reguleren hun expressie

7. Membraan transporters en kanalen: transporteren componenten naar specifieke

compartimenten en reguleren de permeabiliteit van het membraan

8. Transport moleculen: dragen zuurstof of andere moleculen

Genome structure De structurele organisatie van het genoom is belangrijk en draagt bij aan transcriptionele regulatie.Voor gen transcriptie is bereikbaarheid van de DNA strand voor de transcriptiefactoren en RNA polymerase noodzakelijk, dus het DNA moet ontvouwen worden op bepaalde punten. Actieve genen zijn hierdoor minder ‘strak’ (densed) verpakt dan inactieve genen. Voor mitose moet het DNA in de meest compacte vorm gevouwen zijn. Het ontvouwen en verpakken van DNA is dynamisch.

Organisatie van de nucleus Onder de elektronenmicroscoop zijn donkere plekken te zien: heterochromatine. De lichtere delen bestaan uit euchromatine. Sommige regio’s van het DNA zijn altijd in de heterochromatine vorm: constitutief heterochromatine. Andere regio’s kunnen afwisselen tussen hetero- en euchromatine, afhankelijk van de transcriptionele activiteit (facultatief heterochromatine).Nuclear pores: kanalen in het membraan die nodig zijn voor het transport van RNA en eiwitten. Deze regio’s worden gescheiden van het heterochromatine.Nucleolus: is de ribosoom fabriek. Hier worden de ribosomen (àrRNA’s (ribosomen)), tRNA’s en snRNA moleculen geproduceerd. In cellen die actief zijn eiwitsynthese is de nucleolus erg prominent aanwezig. 3 / 4

Chromatine condensatie Elke cel bevat 2 meter van DNA. Het DNA wordt verpakt/gecondenseerd in verschillende fases tot de

metafase chromosomen zijn ontstaan. Fases van (oplopende) condensatie:

-Dubbele helix - nucleotide -Nucleosomen -Chromatine fiber -Chromatine coil -Chromatine coiled coil -Metafase chromatide -Chromosoom

DNA verpakken – Histonen en nucleosomen De dunste chromatine fibers worden gevormd door middel van interacties van het Dubbelstrengs DNA met de Histonen. Histonen zijn Hoog-geconserveerde eiwitten (mutaties zijn niet toegestaan) en bevatten positief geladen aminozuren. Het hele

oppervlakte van het histon is geoptimaliseerd om te binden aan DNA: histonen

interacteren met de nucleïnezuren van het negatief geladen DNA.Histonen assembleren in een octameer complex (eiwitcomplex bestaande uit 8 subunits).

Histon core complex bevat 2 van elke volgende subunits: H2A, H2B, H3 en H4. DNA

bindinsplek is naar buiten gericht en DNA helix wikkelt circulair 1.65 keer om een histon octameer heen.

Nucleosoom: DNA-Histon complex. Bevat 147 basenparen van het DNA.

Beads on a string: de formative van meerdere nucleosomen in een lang DNA leidt tot ‘beads on a string’, kleine stukjes DNA van ongeveer 60 basenparen verbinden de 2 nucleosomen.

(Posttranslationele) Modificatie van het Histon met:

N-terminale staart van Histonstaarten steken uit het nucleosoom uit. Deze staarten zijn belangrijk in de regulatie van de condensatie van het DNA. Staarten zijn heel erg positief geladen.Zonder modificatie van de arginines (R) en Lysines (K) residuen op de histonstaarten, blijven ze erg positief geladen en zullen de histonen erg sterk binden met het DNA. Sterke binding van de

histonstaarten maakt het DNA onbereikbaar. Modificatie van histonen:

– Acetylatie: neutraliseert de positieve lading van de histonstaart (arginine en lysine) door binding van acteylgroep à maakt het negatiever, hierdoor bindt het minder goed aan het DNA en wordt het DNA bereikbaarder à actieve transcriptie is mogelijk.– Methylatie: de arginine en lysine residuen kunnen gemethyleerd worden, dit leidt meestal tot transcriptie repression.– Fosforylatie – Ubiquitinaltie

Enzymen die de histonen modificeren HAT: histon acetyl transferase: plakt acetyl erop HDAC: histon acetyl deacetylase: verwijderd acetylrgeoep

HMT: histon methyl transferase

H3 kinase (fosforylatie)

PP: protein phosphatase

Ubiquitine ligating enzymes: plakt ubiquitine erop

Deubiquitinase

• / 4