MOLECULAIRE EN ALGEMENE GENETICA
Prof. L. Peelman
2e Bachelor Diergeneeskunde
2022-‘23 Universiteit Gent
,H1 – Inleidende & algemene aspecten v/d genetica: overerving fenotypische variatie ...................... 7
Inleiding: historiek ............................................................................................................................... 7
Algemene begrippen van de erfelijkheidsleer of genetica.................................................................. 8
De grondslagen van de genetica ......................................................................................................... 8
De wetten van Mendel .................................................................................................................... 8
De chromosoomtheorie van de erfelijkheid ................................................................................. 10
De celcyclus – cellulaire klok ..................................................................................................... 10
De mitose of homotypische deling ............................................................................................ 11
De meiose of reductiedeling ..................................................................................................... 11
De chromosoomtheorie van de erfelijkheid ............................................................................. 12
Koppeling of linkage van genen................................................................................................. 12
Overkruising als fysische basis van recombinatie ..................................................................... 13
Mitotische recombinatie (zeldzaam)......................................................................................... 14
Nomenclatuur van genen en allelen ................................................................................................. 14
Allelen en hun functie ....................................................................................................................... 15
Verschillende types van overerving van fenotypen .......................................................................... 17
Volledige dominantie .................................................................................................................... 17
Intermediaire overerving (onvolledige dominantie) ..................................................................... 17
Codominantie ................................................................................................................................ 17
Pleiotropie ..................................................................................................................................... 18
Letale allelen ................................................................................................................................. 18
X(Z)-chromosoom gebonden overerving (geslachtsgebonden) .................................................... 19
Y(W)-chromosoom gebonden overerving ..................................................................................... 20
Pseudo-autosomale overerving .................................................................................................... 20
Cytoplasmatische (mitochondriale) overerving ............................................................................ 20
Maternaal effect genen ................................................................................................................. 21
Genetische anticipatie ................................................................................................................... 21
Genetische heterogeniteit (EX!) .................................................................................................... 21
Onvolledige penetrantie en variabele expressiviteit .................................................................... 21
Geslachtsbeïnvloede kenmerken .................................................................................................. 22
Geslachtsgelimiteerde kenmerken................................................................................................ 23
Geninteractie ................................................................................................................................. 23
Cumulatieve isomerie (duplicatieve interactie) ............................................................................ 23
Epistasie ......................................................................................................................................... 23
Additieve genenwerking................................................................................................................ 24
Multifactoriële (complexe) overerving.......................................................................................... 25
1
, Epigenetica – epigenetische overerving........................................................................................ 25
Genomische imprinting (inprenting) ............................................................................................. 25
Toepassingen ..................................................................................................................................... 26
Het testen van genetische hypothesen: de CHI-KWADRAAT TEST ............................................... 26
Proefkruisingen: voorspelling te verwachten nakomelingen/fenotypen ..................................... 26
Het vierkant van Punnett .......................................................................................................... 26
Het vertakkingsdiagram ............................................................................................................ 27
Waarschijnlijkheidsberekening ................................................................................................. 27
Het opstellen en analyseren van stambomen!!! (zeker examenvraag met stamboom) .............. 27
De complementatietest: het testen van nieuwe mutaties voor allelisme .................................... 29
De opmaak en het gebruik van linkagekaarten............................................................................. 30
De recombinatiefrequentie ....................................................................................................... 30
De invloed van het kruisingstype .............................................................................................. 31
Linkage berekening aan de hand van stambomen.................................................................... 33
H2 – De structuur van het genoom............................................................................................... 38
Inleiding: historiek ............................................................................................................................. 38
Het genoom ....................................................................................................................................... 38
DNA en chromosomen (WSS niet op examen gevraagd) .............................................................. 38
De primaire structuur van DNA ................................................................................................. 38
De secundaire structuur van DNA: de dubbele helix ................................................................ 39
De tertiaire structuur van DNA: chromatine en chromosomen................................................ 41
Karyotypen ................................................................................................................................ 42
De samenstelling van het eukaryote genoom ............................................................................... 42
Extragenisch DNA: junk DNA? ................................................................................................... 44
Repetitief DNA ........................................................................................................................... 44
Het genoom van mitochondriën – mitochondriaal DNA (mtDNA) ............................................... 47
Replicatie: verdubbeling van het genoom ........................................................................................ 48
Replicatie van de telomeren (EXAMEN!)....................................................................................... 50
DNA beschadigingen en mutagenese................................................................................................ 51
Types DNA beschadigingen ........................................................................................................... 51
Algemene terminologie met betrekking tot mutaties .................................................................. 51
Spontane mutagenese................................................................................................................... 52
Replicatiefouten ........................................................................................................................ 52
Strand slippage .......................................................................................................................... 52
Ongelijke overkruising ............................................................................................................... 52
Spontane deaminatie ................................................................................................................ 53
2
, Spontane depurinatie ................................................................................................................ 53
Tautomerische verschuivingen.................................................................................................. 53
Geïnduceerde mutagenese ........................................................................................................... 53
Basenanalogen .......................................................................................................................... 53
Intercalerende mutagenen........................................................................................................ 53
Chemische mutagenen .............................................................................................................. 53
Straling....................................................................................................................................... 53
Verschillende types mutaties ........................................................................................................ 54
Classificatie volgens de verandering op DNA-niveau ................................................................ 54
Classificatie volgens het effect op het fenotype ....................................................................... 54
Mutaties: effect op expressieniveau (fenotype) ....................................................................... 54
DNA herstelmechanismen ................................................................................................................. 56
DNA damage response (DDR) ........................................................................................................ 56
Proofreading .................................................................................................................................. 56
Mismatch herstel (MMR) .............................................................................................................. 56
Direct DNA-herstel ........................................................................................................................ 56
Excisieherstel ................................................................................................................................. 57
Het Fanconi anaemia network ...................................................................................................... 57
DNA-beschadiging tolerantie ........................................................................................................ 57
Recombinatie..................................................................................................................................... 58
Homologe recombinatie ................................................................................................................ 58
Genconversie ................................................................................................................................. 59
Plaatsspecifieke recombinatie (nonhomolous end joining) .......................................................... 59
H3 – Genotype tot fenotype: de genetische informatiestroom..................................................... 60
Inleiding: historiek ............................................................................................................................. 60
De structuur van RNA ........................................................................................................................ 60
De verschillende types RNA en hun genstructuur in vertebraten .................................................... 60
De voornaamste types RNA........................................................................................................... 60
De genstructuur............................................................................................................................. 60
Eiwit coderende genen (mRNA) ................................................................................................ 60
ncRNA genen ............................................................................................................................. 61
Transcriptie........................................................................................................................................ 61
RNA polymerasen .......................................................................................................................... 61
De Promotor(regio) ....................................................................................................................... 62
Initiatie van de transcriptie .......................................................................................................... 62
Transcriptie: RNA-synthese ........................................................................................................... 62
3
, Terminatie van de transcriptie ...................................................................................................... 63
RNA processing.................................................................................................................................. 63
Het ribosomaal RNA (rRNA) .......................................................................................................... 63
Het transfer RNA (tRNA) ................................................................................................................ 63
Het messenger RNA (mRNA) ......................................................................................................... 63
5’-Capping.................................................................................................................................. 63
3’-Polyadenylering ..................................................................................................................... 63
mRNA splicing ............................................................................................................................ 64
Alternatieve splicing .................................................................................................................. 65
RNA-modificaties/RNA editing .................................................................................................. 66
Translatie ........................................................................................................................................... 67
De genetische code ....................................................................................................................... 68
De polypeptidesynthese – translatie............................................................................................. 70
De scanning hypothese ............................................................................................................. 70
De codon-anticodon interactie.................................................................................................. 70
Aminoacyl-tRNA synthetasen .................................................................................................... 71
Initiator tRNA............................................................................................................................. 71
Vorming van de polypeptideketen: elongatie ........................................................................... 72
Terminatie van de translatie ..................................................................................................... 72
Detectie/afbraak van defecte (mutante) mRNAs .......................................................................... 72
Posttranslationele modificaties ..................................................................................................... 73
Trimming en proteolyse ............................................................................................................ 73
Modificatie van aminozuren ..................................................................................................... 73
Glycosylatie ............................................................................................................................... 74
Complexering............................................................................................................................. 74
Regulatie van de genenexpressie ...................................................................................................... 74
Algemene aspecten van de regulatie ............................................................................................ 75
Regulatie van de chromatinestructuur – de epigenetische code ................................................. 75
Algemene aspecten ................................................................................................................... 75
De DNA modificatie code .......................................................................................................... 76
De histoncode............................................................................................................................ 77
Genomische imprinting ............................................................................................................. 77
X-chromosoom inactivatie – dosiscompensatie........................................................................ 78
Gen/chromosoom verwijdering en vermeerdering ...................................................................... 79
Regulatie van de transcriptie......................................................................................................... 80
Transcriptiefactoren .................................................................................................................. 80
4
, Hormonen ................................................................................................................................. 81
Enhancers en insulators/silencers ............................................................................................. 82
Posttranscriptionele regulatie ....................................................................................................... 83
Algemene aspecten – levensduur van mRNA ........................................................................... 83
Sequentie gemedieerde mRNA afbraak .................................................................................... 83
RNA methylatie.......................................................................................................................... 84
Regulatie door ncRNAs .............................................................................................................. 84
H4 – Gentechnologie: praktische toepassingen ........................................................................... 86
DNA-technieken ................................................................................................................................ 86
Het kloneren van DNA-moleculen ................................................................................................. 86
Schematische voorstelling ......................................................................................................... 86
Isolatie van DNA uit dierlijke cellen ........................................................................................... 86
Het fragmenteren/knippen van DNA-moleculen ...................................................................... 86
Scheiding van DNA-moleculen: gelelektroforese ...................................................................... 88
Kloneringvectoren: 3 basiseigenschappen ................................................................................ 89
Ligatie ........................................................................................................................................ 90
Transformatie ............................................................................................................................ 91
Het opsporen v/e specifiek DNA fragment i/e (complex) mengsel van DNA fragmenten ............ 91
DNA hybridisatie ........................................................................................................................ 92
De polymerase kettingreactie (PCR) ZEKER EX .......................................................................... 92
Sequentiebepaling ......................................................................................................................... 93
Sanger sequencing..................................................................................................................... 93
Reversible terminator sequencing ............................................................................................ 94
Single molecule real-time (SMRT- sequencing)......................................................................... 95
Nanopore sequencing ............................................................................................................... 95
Bisulfiet sequencing................................................................................................................... 95
Toepassingen in de diergeneeskunde! (zeker een op examen) ........................................................ 96
Het opsporen van dragers (heterozygoten) van recessieve kenmerken ...................................... 96
Inleiding ..................................................................................................................................... 96
Analyse van stambomen ........................................................................................................... 96
Testkruisingen ........................................................................................................................... 97
Genotypering ............................................................................................................................. 97
Marker assisted selection .......................................................................................................... 98
Geslachtsbepaling ......................................................................................................................... 99
Geslachtsbepaling bij vogels ..................................................................................................... 99
Geslachtsbepaling bij runderen............................................................................................... 100
5
, Prenatale geslachtsbepaling bij het paard: via PCR ................................................................ 100
Identificatie van individuen en ouderschapscontrole ................................................................. 100
Merkersystemen ..................................................................................................................... 100
Variable number of tandem repeats- de “klassieke” DNA-fingerprint ................................... 101
Lengtebepaling van microsatellieten ...................................................................................... 101
Evaluatie van merkersystemen in de praktijk ......................................................................... 105
Identificatie van diersoorten ....................................................................................................... 105
RNA technieken ............................................................................................................................... 106
Complementair DNA (cDNA) – RNA-seq ..................................................................................... 106
Real-time reverse transcriptase PCR (PCR corona) ..................................................................... 106
Gentherapie en transgenese ........................................................................................................... 107
Transfer van DNA in dierlijke cellen ............................................................................................ 107
Somatische cel gentherapie ........................................................................................................ 107
Inleiding ................................................................................................................................... 107
Gentransfer via virale vectoren ............................................................................................... 108
Gentransfer door injectie ........................................................................................................ 108
Oligonucleotiden als geneesmiddel ........................................................................................ 109
Transgenese................................................................................................................................. 110
Inleiding ................................................................................................................................... 110
Microïnjectie............................................................................................................................ 110
Embryonale stamcellen (ES) cellen ......................................................................................... 110
Gene targeting en conditionele (in)activatie........................................................................... 111
Transgenese via klonering van dieren ..................................................................................... 113
Toepassingen van transgene dieren........................................................................................ 113
EXAMEN........................................................................................................................................... 113
6
,H1 – Inleidende & algemene aspecten v/d
genetica: overerving fenotypische variatie
Inleiding: historiek
- Pre-mendeliaanse erfelijkheidsleer
- Domesticatie (begon door landbouw-gemeenschap) > 10 000 BC?
➔ Soortgelijk brengt soortgelijk voort: bv. 2 witte katten hebben grotere kans op witte
pups, dit had men ook al door, zet wel aan tot inteelt (kans op gewenste kleur bv. nog
groter: voorspelbaarheid stijgt, maar veel negatieve gevolgen dus afgeraden)
Pangenesis
- Bv. koe (bont, vrouwelijk, hoorns → fenotypsiche kenmerken) → al de gemmules omvatten
deze informatie → gonade → gameten → zygote → koe
- Pangenesis: “pan” (allesomvattend), 1e misomvatting (aanleiding), allemaal kleine partikels
met informatie gaan naar de gameten
Misopvattingen (EX!)
1. Overerving van verworven karakteristieken (tijdens leven opgedaan)
➔ Bv. ouders kunnen goed piano: kans kind groter
➔ Alcmaeon: ja, Aristoteles: nee (argument: hand afhakken in gevecht, zal kind wel alle
handen nog hebben)
➔ Lamarckisme: giraf met korte nek, lage blaadjes opgegeten dus giraf moet strekken om
aan hogere blaadjes te kunnen, daardoor langere nek op termijn
▪ Sprak darwinisme tegen: survival of the fittest, varianten al in de populatie en
best aangepaste overleven en planten verder voort
➔ Epigenetica: staat boven de genetica
➔ Performantionisme: mens met alle kenmerken zit al klaar in de spermacel
2. Versmelting van kenmerken?
➔ Hybriden hebben intermediair uitzicht: combinatie moederlijk en vaderlijk kenmerk
➔ Intermediaire overerving
➔ Nee: opduiken kenmerken niet aanwezig bij ouders, wel bij grootouders (kenmerken
slaan vaak generatie over), erfelijke kenmerken versmelten niet tijdens bevruchting
Erfelijkheidsleer – genetica
- Term geïntroduceerd door Johanssen (1909) en gepopulariseerd door Bateson
Genetica = wetenschappelijke studie v/d overerving van bepaalde kenmerken, overerving v variatie
- Gelijkenissen: diermodellen, klonen van dieren zijn genetisch identiek
- Verschillen: identificatie (forensics), gendefecten (mutaties, veroorzaken erfelijke ziektes)
7
, Kenmerken
- Kwalitatieve genetica: meestal deze i/d cursus, 1/3 kenmerken deze
➔ Monogenisch (variatie afhankelijk van 1 gen), discontinue variatie (aanwezig/afwezig),
geen milieu-invloeden (variatie wel volledig bepaald door type variant van dat ene gen)
- Kwantitatieve genetica: 2/3 kenmerken deze
➔ Polygenisch (kenmerken die van meerdere genen afhangen), continue variatie, wel
dikwijls milieu-invloeden
➔ Complexe overerving, vaak mathematisch weergegeven
➔ Bv. lichaamslengte, heupdysplasie, lichaamsgewicht (sommige vormen van obesitas door
mutatie van 1 gen)
Algemene begrippen van de erfelijkheidsleer of genetica
- Populatiegenetica: niet naar 1 individu kijken (zie 1e master: belang fokadvies)
- Transmissie genetica: overdracht (H1 vnl. dit, doorgeven fenotypes)
- Moleculaire genetica: vanaf H2 dit, DNA, RNA
De grondslagen van de genetica
De wetten van Mendel
- Verschil Darwin: die werkte met veel kenmerken tegelijk, op duiven
- Mendel: zo simpel mogelijk beginnen, 1 kenmerk bestuderen
Monohybridisme: monogenische kruising, proefobject: tuinerwten
- Veel uniforme, fokzuivere variëteiten beschikbaar (klonen,
altijd zelfde type gekruist)
- Gemakkelijk te kweken, korte generatieduur
- Rassen onderling gemakkelijk te kruisen
- Kruisingen leveren vruchtbare dochterplanten op
- Veel nakomelingen kan je statistische analyse op doen
Mendel: 7 bestudeerde kenmerken
- Monogenische kenmerken: fenotypisch kenmerk afh. v 1 gen
8
