Genetica

Genetica is een discipline van de biologie. Het is de wetenschap van de erfelijkheid. Dit omvat de studie van genen, en de overerving van variatie en eigenschappen van levende organismen. In het laboratorium wordt de genetica beoefend door zorgvuldig geselecteerde organismen te paren en hun nakomelingen te analyseren. Meer informeel is genetica de studie van de manier waarop ouders sommige van hun eigenschappen doorgeven aan hun kinderen. Het is een belangrijk onderdeel van de biologie, en geeft de basisregels waarop de evolutie werkt.

Het feit dat levende wezens eigenschappen van hun ouders erven, is al bekend sinds de prehistorie, en wordt gebruikt om gewassen en dieren te verbeteren door selectief fokken. De moderne wetenschap van de genetica probeert echter het proces van overerving te begrijpen. Dit begon met het werk van Gregor Mendel in het midden van de negentiende eeuw. Hoewel hij de fysische basis voor erfelijkheid niet kende, stelde Mendel vast dat organismen eigenschappen erven via afzonderlijke eenheden van overerving, die nu genen worden genoemd.

DNA

Levende wezens zijn opgebouwd uit miljoenen kleine, op zichzelf staande onderdelen, cellen genaamd. Binnenin elke cel bevinden zich lange en complexe moleculen, desoxyribonucleïnezuur genaamd. DNA slaat informatie op die de cellen vertelt hoe ze dat levende ding moeten maken. Delen van deze informatie die vertellen hoe een klein onderdeel of kenmerk van het levende ding wordt gemaakt - rood haar, of blauwe ogen, of een neiging om lang te zijn - staan bekend als genen.

Elke cel van eenzelfde levend wezen heeft hetzelfde DNA, maar slechts een deel ervan wordt in elke cel gebruikt. Zo worden sommige genen die bepalen hoe delen van de lever worden gemaakt, in de hersenen uitgeschakeld. Welke genen worden gebruikt, kan ook in de loop van de tijd veranderen. Zo worden veel genen al vroeg in de zwangerschap door een kind gebruikt, maar later niet meer.

Een persoon heeft twee kopieën van elk gen, één van zijn moeder en één van zijn vader. Er kunnen verschillende types van één gen zijn, die verschillende instructies geven: één versie kan iemand blauwe ogen geven, een andere bruine. Deze verschillende versies staan bekend als allelen van het gen.

Aangezien een levend wezen twee kopieën heeft van elk gen, kan het twee verschillende allelen hebben op hetzelfde moment. Vaak zal één allel dominant zijn, wat betekent dat het levende ding eruit ziet en handelt alsof het alleen dat ene allel heeft. Het niet tot expressie gebrachte allel wordt recessief genoemd. In andere gevallen kom je uit op iets tussen de twee mogelijkheden in. In dat geval worden de twee allelen co-dominant genoemd.

De meeste kenmerken die je in een levend wezen kunt zien, hebben meerdere genen die daarop van invloed zijn. En veel genen hebben meervoudige effecten op het lichaam, omdat hun functie niet in elk weefsel hetzelfde effect zal hebben. De meervoudige effecten van één enkel gen wordt pleiotropisme genoemd. Het geheel van genen wordt het genotype genoemd, en het totale effect van genen op het lichaam wordt het fenotype genoemd. Dit zijn sleutelbegrippen in de genetica.

Een model van een DNA molecuul.
Een model van een DNA molecuul.

Geschiedenis van de genetica

Pre-Mendeliaanse ideeën

Wij weten dat de mens reeds vroeg is begonnen met het fokken van huisdieren, waarschijnlijk vóór de uitvinding van de landbouw. We weten niet wanneer erfelijkheid voor het eerst als een wetenschappelijk probleem werd gezien. De Grieken, en het duidelijkst Aristoteles, bestudeerden levende wezens en stelden ideeën voor over voortplanting en erfelijkheid.

Waarschijnlijk het belangrijkste idee vóór Mendel was dat van Charles Darwin, wiens idee van pangenese uit twee delen bestond. Het eerste, dat hardnekkige erfelijke eenheden van de ene generatie op de andere werden doorgegeven, was volkomen juist. Het tweede was zijn idee dat zij werden aangevuld door "gemmules" uit de somatische (lichaams)weefsels. Dit was volkomen onjuist, en speelt in de wetenschap van vandaag geen rol. Darwin had in één ding gelijk: alles wat in de evolutie gebeurt, moet door middel van erfelijkheid gebeuren, en daarom is een nauwkeurige wetenschap van de genetica van fundamenteel belang voor de evolutietheorie. Het heeft vele jaren geduurd om deze "paring" tussen genetica en evolutie te organiseren. Het resulteerde in de moderne evolutionaire synthese.

Mendeliaanse genetica

De basisregels van de genetica werden rond 1865 voor het eerst ontdekt door een monnik genaamd Gregor Mendel. Al duizenden jaren bestudeerde men hoe eigenschappen van ouders op hun kinderen worden overgeërfd. Het werk van Mendel was echter anders omdat hij zijn experimenten zeer zorgvuldig opzette.

In zijn experimenten bestudeerde Mendel hoe eigenschappen in erwtenplanten werden doorgegeven. Hij begon zijn kruisingen met planten die zich goed voortplantten, en telde kenmerken die van nature of/of waren (lang of kort). Hij kweekte grote aantallen planten en drukte zijn resultaten in getallen uit. Hij gebruikte testkruisingen om de aanwezigheid en het aandeel van recessieve eigenschappen aan het licht te brengen.

Mendel verklaarde de resultaten van zijn experiment aan de hand van twee wetenschappelijke wetten:

  • 1. Factoren, later genen genoemd, komen normaal in paren voor in gewone lichaamscellen, maar scheiden zich bij de vorming van geslachtscellen. Deze factoren bepalen de eigenschappen van het organisme, en worden van de ouders geërfd. Wanneer geslachtscellen door meiose worden geproduceerd, scheiden de twee factoren zich. Een gameet ontvangt slechts de ene of de andere. Dit noemde Mendel de Wet van segregatie.
  • 2. Allelen van verschillende genen scheiden zich onafhankelijk van elkaar af wanneer geslachtscellen worden gevormd. Dit noemde hij de Wet van Onafhankelijke Assortiment. Mendel dacht dus dat verschillende eigenschappen onafhankelijk van elkaar worden vererfd. We weten nu dat dit alleen waar is als de genen zich niet op hetzelfde chromosoom bevinden, in welk geval ze niet met elkaar verbonden zijn.

De wetten van Mendel hielpen de resultaten te verklaren die hij bij zijn erwtenplanten waarnam. Later ontdekten genetici dat zijn wetten ook golden voor andere levende wezens, zelfs mensen. Mendel's bevindingen uit zijn werk met de tuinerwtenplanten hebben bijgedragen aan de totstandkoming van het vakgebied genetica. Zijn bijdragen bleven niet beperkt tot de basisregels die hij ontdekte. Mendel's zorgvuldigheid bij het controleren van de proefomstandigheden en zijn aandacht voor zijn numerieke resultaten vormden een norm voor toekomstige experimenten. In de loop der jaren hebben wetenschappers de ideeën van Mendel veranderd en verbeterd. Maar de wetenschap van de genetica zou vandaag niet mogelijk zijn zonder het vroege werk van Gregor Mendel.

Tussen Mendel en de moderne genetica

In de jaren tussen Mendel's werk en 1900 werden de grondslagen van de cytologie, de studie van de cellen, ontwikkeld. De ontdekte feiten over de celkern en de celdeling waren van essentieel belang om het werk van Mendel goed te kunnen begrijpen.

1832: Barthélémy Dumortier, de eerste die celdeling waarnam in een meercellig organisme.

1841, 1852: Robert Remak (1815-1865), een joods Pools-Duits fysioloog, was de eerste die de grondslag van de celbiologie verklaarde: dat cellen alleen voortkomen uit andere cellen. Dit werd later gepopulariseerd door de Duitse arts Rudolf Virchow (1821-1902), die de beroemde uitdrukking omnis cellula e cellula gebruikte, wat betekent: alle cellen uit andere cellen.

1865: Gregor Mendel's artikel, Experimenten over plant hybridisatie werd gepubliceerd.

1876: Meiose werd ontdekt en voor het eerst beschreven in zee-egel-eieren, door de Duitse bioloog Oscar Hertwig (1849-1922).

1878–1888: Walther Flemming en Eduard Strasburger beschrijven het chromosoomgedrag tijdens mitose.

1883: Meiose werd beschreven op het niveau van chromosomen, door de Belgische zoöloog Edouard van Beneden (1846-1910), in Ascaris (rondworm) eieren.

1883: De Duitse zoöloog Wilhelm Roux (1850-1924) realiseerde zich de betekenis van de lineaire structuur van chromosomen. Hun splitsing in twee gelijke longitudinale helften verzekerde dat elke dochtercel hetzelfde chromosomencomplement kreeg. De chromosomen waren dus de dragers van de erfelijkheid.

1889: De Nederlandse botanicus Hugo de Vries suggereert dat "overerving van specifieke eigenschappen in organismen komt in deeltjes", en noemt zulke deeltjes (pan)genen.

1890: De betekenis van meiose voor de voortplanting en de overerving werd pas in 1890 beschreven door de Duitse bioloog August Weismann (1834-1914), die opmerkte dat er twee celdelingen nodig waren om één diploïde cel in vier haploïde cellen om te zetten, als het aantal chromosomen gehandhaafd moest blijven.

1902–1904: Theodor Boveri (1862-1915), een Duitse bioloog, vestigde in een reeks verhandelingen de aandacht op de overeenkomst tussen het gedrag van chromosomen en de door Mendel verkregen resultaten. Hij zei dat chromosomen "onafhankelijke entiteiten zijn die hun onafhankelijkheid behouden, zelfs in de kern in rust ... Wat uit de celkern komt is wat er in gaat".

1903: Walter Sutton stelde voor dat chromosomen, die segregeren op een Mendeliaanse manier, erfelijke eenheden zijn. Edmund B. Wilson (1856-1939), Sutton's leraar, en de auteur van een van de beroemdste leerboeken in de biologie, noemde dit de Sutton-Boveri hypothese.

Op dit punt versmolten de ontdekkingen in de cytologie met de herontdekte ideeën van Mendel tot een fusie die cytogenetica werd genoemd, (cyto = cel; genetica = erfelijkheid) en die tot op de dag van vandaag heeft standgehouden.

Herontdekking van Mendel's werk

In de jaren 1890 begonnen verschillende biologen experimenten te doen op het gebied van de voortplanting. en al snel werden de resultaten van Mendel gedupliceerd, zelfs voordat zijn verhandelingen waren gelezen. Carl Correns en Hugo de Vries waren de belangrijkste herontdekkers van Mendel's geschriften en wetten. Beiden erkenden Mendel's prioriteit, hoewel het waarschijnlijk is dat de Vries zijn eigen resultaten pas begreep nadat hij Mendel had gelezen. Hoewel Erich von Tschermak oorspronkelijk ook werd gecrediteerd voor de herontdekking, wordt dit niet langer aanvaard omdat hij de wetten van Mendel niet begreep. Hoewel de Vries later zijn belangstelling voor het Mendelisme verloor, bouwden andere biologen de genetica uit tot een wetenschap.

Mendel's resultaten werden gerepliceerd, en genetische linkage werd snel uitgewerkt. William Bateson heeft in het begin misschien wel het meeste gedaan om de theorie van Mendel bekend te maken. Het woord genetica, en andere terminologie, stamt van Bateson.

Mendel's experimentele resultaten zijn later het voorwerp van discussie geweest. Fisher analyseerde de resultaten van de F2 (tweede nageslacht) verhouding en vond dat ze ongeloofwaardig dicht bij de exacte verhouding van 3 tot 1 lagen. Er wordt soms gesuggereerd dat Mendel zijn resultaten gecensureerd kan hebben, en dat zijn zeven eigenschappen elk op een afzonderlijk chromosomenpaar voorkomen, wat uiterst onwaarschijnlijk is als ze willekeurig gekozen zouden zijn. In feite kwamen de genen die Mendel bestudeerde slechts in vier koppelingsgroepen voor, en slechts één genenpaar (van de 21 mogelijke) is dicht genoeg bij elkaar om afwijking van onafhankelijk assortiment te vertonen; dit is niet een paar dat Mendel bestudeerde.

Gregor Mendel, vader van de moderne genetica.
Gregor Mendel, vader van de moderne genetica.

Hulpmiddelen van de genetica

Mutaties

Tijdens het DNA-replicatieproces treden soms fouten op. Deze fouten, mutaties genaamd, kunnen gevolgen hebben voor het fenotype van een organisme. Op zijn beurt heeft dat meestal een effect op de fitheid van het organisme, zijn vermogen om met succes te leven en zich voort te planten.

De foutenpercentages zijn gewoonlijk zeer laag - 1 fout per 10-100 miljoen basen - dankzij de "proofreading"-capaciteit van DNA-polymerasen. Bij veel virussen zijn de foutenpercentages duizendmaal hoger. Omdat zij afhankelijk zijn van DNA- en RNA-polymerasen die geen "proofreading"-capaciteit hebben, krijgen zij hogere mutatiepercentages.

Processen die de snelheid van veranderingen in het DNA verhogen, worden mutageen genoemd. Mutagene chemicaliën vergroten de fouten in de DNA-replicatie, vaak door te interfereren met de structuur van de basenparen, terwijl UV-straling mutaties induceert door schade aan de DNA-structuur te veroorzaken. Chemische beschadiging van het DNA komt ook van nature voor en cellen gebruiken DNA-reparatiemechanismen om discrepanties en breuken in het DNA te herstellen, maar soms lukt het niet om het DNA in zijn oorspronkelijke volgorde terug te brengen.

In organismen die chromosomale crossovers gebruiken om DNA uit te wisselen en genen te recombineren, kunnen fouten in de uitlijning tijdens de meiose ook mutaties veroorzaken. Fouten bij de kruising zijn vooral waarschijnlijk wanneer gelijksoortige sequenties partnerchromosomen ertoe brengen een verkeerde uitlijning aan te nemen; dit maakt sommige regio's in genomen vatbaarder voor mutaties op deze manier. Deze fouten veroorzaken grote structurele veranderingen in de DNA-sequentie - verdubbelingen, inversies of deleties van hele regio's, of de toevallige uitwisseling van hele delen tussen verschillende chromosomen (translocatie genoemd).

Punnett vierkanten

Punnett-vierkanten, ontwikkeld door Reginald Punnett, worden door biologen gebruikt om de waarschijnlijkheid te bepalen dat nakomelingen een bepaald genotype hebben.

Maternaal

B

b

Paternal

B

BB

Bb

b

Bb

bb

Als B staat voor het allel voor het hebben van zwart haar en b voor het allel voor het hebben van wit haar, dan hebben de nakomelingen van twee Bb ouders 25% kans op het hebben van twee wit haar allelen (bb), 50% kans op het hebben van één van beide (Bb), en 25% kans op het hebben van alleen zwart haar allelen (BB).

Stamboomgrafiek

Genetici (biologen die genetica bestuderen) gebruiken stamboomdiagrammen om eigenschappen van mensen in een familie vast te leggen. Met behulp van deze kaarten kunnen genetici bestuderen hoe een eigenschap van persoon tot persoon wordt overgeërfd.

Genetici kunnen ook gebruik maken van stamboom grafieken om te voorspellen hoe eigenschappen zullen worden doorgegeven aan toekomstige kinderen in een gezin. Bijvoorbeeld, genetische raadslieden zijn professionals die werken met gezinnen die kunnen worden getroffen door genetische ziekten. Als onderdeel van hun werk, maken ze stamboom grafieken voor de familie, die kunnen worden gebruikt om te bestuderen hoe de ziekte kan worden overgeërfd.

Tweelingstudies

Aangezien de mens niet experimenteel kan worden gefokt, moet de menselijke genetica met andere middelen worden bestudeerd. Een recente manier is de studie van het menselijk genoom. Een andere manier, die vele jaren ouder is, is het bestuderen van tweelingen. Eeneiige tweelingen zijn natuurlijke klonen. Zij dragen dezelfde genen en kunnen worden gebruikt om te onderzoeken in welke mate erfelijkheid bijdraagt tot individuele mensen. Studies met tweelingen zijn heel interessant geweest. Als we een lijst maken van karakteristieke eigenschappen, zien we dat ze verschillen in de mate waarin ze aan erfelijkheid te danken zijn. Bijvoorbeeld:

  • Oogkleur: volledig erfelijk
  • Gewicht, lengte: deels erfelijk, deels door omgeving
  • Welke taal iemand spreekt: geheel afhankelijk van de omgeving.

De manier waarop de studies worden gedaan is als volgt. Neem een groep van eeneiige tweelingen en een groep van broederlijke tweelingen. Meet ze op verschillende kenmerken. Doe een statistische analyse (zoals analyse van variantie). Dit vertelt je in welke mate de eigenschap erfelijk is. De eigenschappen die gedeeltelijk overgeërfd zijn, zullen bij eeneiige tweelingen significant meer op elkaar lijken. Dergelijke studies kunnen verder gaan, door eeneiige tweelingen die samen zijn opgevoed te vergelijken met eeneiige tweelingen die in verschillende omstandigheden zijn opgevoed. Dat geeft een handvat voor de mate waarin omstandigheden de uitkomsten van genetisch identieke mensen kunnen veranderen.

De eerste die onderzoek deed naar tweelingen was Francis Galton, de halfneef van Darwin, die een grondlegger was van de statistiek. Zijn methode was om tweelingen door hun levensgeschiedenis te volgen, waarbij hij vele soorten metingen verrichtte. Hoewel hij wist van mono- en dizygote tweelingen, zag hij helaas het echte genetische verschil niet. Moderne tweelingenstudies verschenen pas in de jaren 1920.

Genverdubbeling maakt diversificatie mogelijk door redundantie te bieden: één gen kan muteren en zijn oorspronkelijke functie verliezen zonder het organisme schade te berokkenen.
Genverdubbeling maakt diversificatie mogelijk door redundantie te bieden: één gen kan muteren en zijn oorspronkelijke functie verliezen zonder het organisme schade te berokkenen.

Een voorbeeld van een stamboomgrafiek.
Een voorbeeld van een stamboomgrafiek.

Genetica van prokaryoten en virussen

De genetica van bacteriën, archaea en virussen is een belangrijk onderzoeksgebied. Bacteriën delen zich meestal door ongeslachtelijke celdeling, maar hebben ook een vorm van seks door horizontale genoverdracht. Bacteriële conjugatie, transductie en transformatie zijn hun methoden. Bovendien is de volledige DNA-sequentie van veel bacteriën, archaea en virussen nu bekend.

Hoewel veel bacteriën generieke en specifieke namen hebben gekregen, zoals Staphylococcus aureus, is het hele idee van een soort tamelijk zinloos voor een organisme dat geen geslachten en kruisingen van chromosomen heeft. In plaats daarvan hebben deze organismen stammen, en dat is hoe ze in het laboratorium worden geïdentificeerd.

Genen en ontwikkeling

Genexpressie

Genexpressie is het proces waarbij de erfelijke informatie in een gen, de sequentie van DNA-basenparen, wordt omgezet in een functioneel genproduct, zoals eiwit of RNA. Het basisidee is dat DNA wordt getranscribeerd in RNA, dat vervolgens wordt vertaald in eiwitten. Eiwitten maken veel van de structuren en alle enzymen in een cel of organisme.

Verschillende stappen in het genexpressieproces kunnen worden gemoduleerd (afgestemd). Dit omvat zowel de transcriptie als de  translatie, en de uiteindelijke gevouwen toestand van een eiwit. Genregulatie schakelt genen aan en uit, en regelt zo celdifferentiatie en morfogenese. Genregulatie kan ook dienen als basis voor evolutionaire verandering: controle van de timing, plaats en hoeveelheid van genexpressie kan een diepgaand effect hebben op de ontwikkeling van het organisme. De expressie van een gen kan sterk variëren in verschillende weefsels. Dit wordt pleiotropisme genoemd, een wijdverbreid fenomeen in de genetica.

Alternatieve splicing is een moderne ontdekking van groot belang. Het is een proces waarbij uit één enkel gen een groot aantal verschillende eiwitten kan worden samengesteld. Eén bepaald Drosophila-gen (DSCAM) kan alternatief worden gespliced in 38.000 verschillende mRNA.

Epigenetica en controle van ontwikkeling

Epigenetica is de studie van veranderingen in genactiviteit die niet worden veroorzaakt door veranderingen in de DNA-sequentie. Het is de studie van genexpressie, de manier waarop genen hun fenotypische effecten teweegbrengen.

Deze veranderingen in de genactiviteit kunnen gedurende de rest van het leven van de cel blijven bestaan en kunnen ook vele generaties van cellen, via celdelingen, blijven bestaan. Er is echter geen verandering in de onderliggende DNA-sequentie van het organisme. In plaats daarvan zorgen niet-erfelijke factoren ervoor dat de genen van het organisme zich anders gaan gedragen (tot expressie komen).

Hox-genen zijn een complex van genen waarvan de eiwitten zich binden aan de regulerende regio's van doelgenen. De doelgenen activeren of onderdrukken dan celprocessen om de uiteindelijke ontwikkeling van het organisme te sturen.

Extranucleaire overerving

Er zijn bepaalde vormen van erfelijkheid die buiten de celkern plaatsvinden. Normale overerving is van beide ouders via de chromosomen in de kern van een bevruchte eicel. Er zijn ook andere vormen van overerving.

Organel erfelijkheid

Mitochondriën en chloroplasten dragen zelf ook wat DNA. Hun samenstelling wordt bepaald door genen in de chromosomen en genen in het organel. Carl Correns ontdekte een voorbeeld in 1908. De vier-uur-plant, Mirabilis jalapa, heeft bladeren die wit, groen of bont kunnen zijn. Correns ontdekte dat het stuifmeel geen invloed had op deze vererving. De kleur wordt bepaald door genen in de chloroplasten.

Infectieuze erfelijkheid

Dit wordt veroorzaakt door een symbiotische of parasitaire relatie met een micro-organisme.

Maternaal effect

In dit geval worden nucleaire genen in de vrouwelijke gameet getranscribeerd. De producten hopen zich op in het cytoplasma van de eicel, en hebben een effect op de vroege ontwikkeling van de bevruchte eicel. Het oprollen van een slak, Limnaea peregra, is op deze manier bepaald. Rechtsdraaiende schelpen hebben genotype Dd of dd, terwijl linksdraaiende schelpen genotype dd hebben.

Het belangrijkste voorbeeld van maternale werking is te vinden bij Drosophila melanogaster. Het eiwitproduct genen met maternale werking activeert andere genen, die op hun beurt nog meer genen activeren. Dit werk werd in 1995 bekroond met de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde.

Aspecten van de moderne genetica

Bij veel modern onderzoek wordt gebruik gemaakt van een mengsel van genetica, celbiologie en moleculaire biologie. Onderwerpen waarvoor Nobelprijzen in de chemie of de fysiologie zijn toegekend, zijn onder meer:

  • Alternatieve splicing, waarbij één gen codeert voor een verscheidenheid van verwante eiwitproducten.
  • Genomica, de sequentie en analyse van de functie en structuur van genomen.
  • Genetische manipulatie, het veranderen van het genoom van een organisme met behulp van biotechnologie.
  • Mobiele genetische elementen, soorten DNA die van plaats kunnen veranderen in het genoom.
  • Horizontale genoverdracht, waarbij een organisme genetisch materiaal van een ander organisme krijgt zonder dat het de nakomeling van dat organisme is.

Genetica van menselijk gedrag

Veel bekende gedragsstoornissen bij de mens hebben een genetische component. Dit betekent dat de overerving ervan het gedrag gedeeltelijk veroorzaakt, of de kans vergroot dat het probleem zich voordoet. Voorbeelden zijn:

  • Autisme
  • ADHD (aandachtstekortstoornis)
  • Drugsgebruik en -misbruik
  • Het nemen van risico's
  • Schizofrenie

Ook normaal gedrag wordt sterk beïnvloed door erfelijkheid:

·          

·          

Verwante pagina's


AlegsaOnline.com - 2020 / 2021 - License CC3