Inleiding

De erfelijkheidsleer of genetica zoals we die nu behandelen is een optelsom
van een paar deelgebieden.
De klassieke of Mendeliaanse genetica houdt zich bezig met de vraag:
Hoe erft een eigenschap over?
De moleculaire genetica richt zich op de vraag:
Wat is de structuur van het gen dat overerft?
Georg Mendel wordt gezien als de grondlegger van de klassieke genetica.

Celdelingen

Om te groeien en om versleten cellen te vervangen moet een organisme steeds nieuwe cellen maken. Dat gebeurt door middel van een celdeling.
Een celdeling bestaat uit twee gebeurtenissen. Kernverdeling en de verdeling van
het cytoplasma met alle andere celorganellen.

Celcyclus

Als cellen zich verdubbelen ontstaan er twee nieuwe cellen. Van de twee nieuwe cellen kan er zich één (of beide) nogmaals gaan verdubbelen. Dit proces kan zich meerdere keren herhalen.
Het proces waarbij cellen zich verdubbelen verloopt met een vaste volgorde, de celcyclus.
De celcyclus bestaat uit de G1-, S-, G2-, en de M-fase.
Na de celdeling ofwel cytokinese kan een cel opnieuw een celcyclus ingaan of gaan differentiëren.
Zonder opdracht uit de omgeving om te delen, belandt de cel in de G0-fase.

 

Fasen van celcyclus

 

G1-fase
In de G1 fase groeit de cel door vermeerdering van het cytoplasma.
Er worden veel eiwitten bijgemaakt, onder andere voor de DNA-replicatie in de S-fase. Ook kan er water opgenomen worden (volume vergroting van de vacuole). De meeste celorganellen gaan delen (mitochondriën) of worden bijgemaakt (ribosomen en ER). Daarna gaat de betreffende cel zijn werk doen.

S-fase
Wanneer in de G1 fase voldoende nucleotiden zijn binnengehaald en de juiste enzymen zijn gemaakt komt de cel in de S-fase.
DNA replicatie (zie "Relaties tussen soorten") zorgt voor een zo zorgvuldig mogelijke verdubbeling van het DNA.
Aan het einde van de S-fase heeft de cel tweemaal zoveel DNA.
Allerlei controle- en reparatiemechanismen proberen te voorkomen dat er fouten bij de replicatie ontstaan.

G2-fase
In deze fase worden allerlei enzymen en eiwitten gemaakt die een rol spelen bij de mitose of meiose. Elke chromatine draad in de cel bestaat uit twee identieke DNA dubbele helices. Aan het einde van de G2-fase zijn ze opgerold en verkort. Op één punt, het centromeer, zitten ze aan elkaar. De twee dochterchromatiden vormen dan een chromosoom.
In de G2 fase kunnen ook remmende enzymen gemaakt worden die het proces stoppen en de dood van de cel (apoptose) tot gevolg hebben.

M-fase
In de M-fase volgt het uit elkaar trekken van de dochterchromosomen.
Dat gebeurt door speciale eiwitdraden die zich aan het centromeer hechten. Afhankelijk van het type celdeling, mitose of meiose worden de chromosomen op een speciale manier in het vlak tussen de twee celpolen (equatoriaalvlak) gerangschikt.

 

Mitose

Voorafgaande aan de celdeling is het erfelijk materiaal in de cel al verdubbeld. Dat is in de S-fase gebeurd.
In de G-2 fase worden uit het chromatine (verdubbeld erfelijk materiaal) de chromosomen gevormd. Samen met eiwitdraden die nodig zijn voor de kerndeling.
Tijdens de kerndeling zijn de chromosomen duidelijk te zien. Ze bestaan ieder uit twee chromatiden.
Het aantal chromosomen is halverwege de mitose (de metafase) heel goed te tellen. Een karyogram is een foto van de chromosomen in de metafase.

 

 

Meiose

Door de meiose of reductiedeling ontstaan cellen met de helft van het aantal chromosomen. In ons geval zitten in een lichaamscel 46 chromosomen en door de meiose ontstaan voortplantingscellen met maar 23 chromosomen.
De voortplantingscellen noemen we ook wel gameten.
De meiose begint na een G2 fase en bestaat uit twee delen.
In de meiose I komen de chromosomen per paar tegenover elkaar te liggen.
Dan gaan deze homologe chromosomen uit elkaar net als bij de mitose.
Er ontstaan twee cellen met elk de helft van het totale aantal chromosomen.
In de meiose II gaan de chromatiden van elke cel uit elkaar. De Meiose II lijkt dus op een mitose van een cel met de helft van het ‘normale’ aantal chromosomen.

 

 

Mendel kruiste jarenlang erwtenplanten en telde de nakomelingen. Daarbij vond hij bepaalde wetmatigheden in de overerving van eigenschappen. Het viel hem bijvoorbeeld op dat bij een kruising van een erwtenplant met rode bloemen en een erwtenplant met witte bloemen, alle nakomelingen rode bloemen hebben. Mendel slaagde erin om dit fenomeen te verklaren.

Dominante en recessieve allelen
Mendel formuleerde de hypothese dat de informatie voor de bloemkleur dubbel voorkomt, aangezien de nakomelingen van beide ouders informatie uit de voortplantingscellen ontvangen. Hij zag ook dat de informatie voor de rode bloemkleur de informatie voor witte bloemkleur overheerst. Het allel voor rode bloemkleur overheerst dus het allel voor witte bloemkleur.
Een overheersend allel heet dominant.
Een allel dat overheerst wordt, heet recessief.

Kun jij je tong ook zo oprollen? Het allel voor
het oprollen van je tong is dominant.

Genen worden met letters aangegeven. Het dominante allel van een gen met een hoofdletter. Het recessieve allel met een kleine letter.
Het genotype wordt met lettercombinaties aangegeven.
In een bepaalde kruising worden alleen die allelencombinaties aangegeven die van belang zijn voor de kruising.

 

Homozygoot en heterozygoot

Een allelenpaar van een gen bevat informatie voor een eigenschap.
Als beide allelen dezelfde informatie bevatten spreken we van een homozygoot genotype.
Wanneer de allelen verschillende informatie bevatten heet het genotype heterozygoot.

Op een bepaalde plaats (locus) op een chromosoom bevindt zich de informatie voor het wel of niet kunnen tongrollen.
Wanneer de ene ouder uit een familie van allemaal tongrollers komt en de andere ouder uit een familie waar niemand dat kan.
Dan krijgen hun kinderen zowel het allel voor tongrollen als het allel om dat niet te kunnen.

 

Het intermediaire fenotype

Als in het fenotype van een diploïde organisme beide allelen voor een kenmerk tot uitdrukking  komen noem je dat een intermediair fenotype.
Je weet dan ook meteen hoe het genotype er voor dat kenmerk uitziet

Kruisingen

Gregor Mendel

G. Mendel ontdekte een aantal wetmatigheden waarmee hij de resultaten van zijn kruisingen kon verklaren. Die wetmatigheden staan bekend als de wetten van Mendel. Met de begrippen van nu:

De uniformiteitswet
Als twee raszuivere (homozygote) individuen voor een eigenschap met elkaar kruisen dan is de eerste generatie nakomelingen (de F1) onderling identiek.

De splitsingswet
Bij onderling kruisen van twee(heterozygote) individuen uit de eerste uniforme generatie komen in de tweede generatie (F2) verschillende fenotypen voor. Vaak in een vaste verhouding van 3:1 voor het dominante en recessieve fenotype.

De onafhankelijkheidswet
Verschillende eigenschappen erven onafhankelijk van elkaar over.
Bekijk de eerste drie pagina's van de animatie 'De wetten van Mendel' op www.bioplek.org

 

Monohybride kruising

De eigenschap bloemkleur bij erwtenplanten wordt bepaald door één gen.
Zo’n kruising noemt men monohybride of monogeen. In het geval van de erwt zijn er twee allelen. Een dominant allel voor rode bloemkleur en een recessief allel voor de witte kleur. De afbeelding toont een schematische uitwerking van de kruising.

Gebruikelijke afkortingen zijn:
P-generatie= ouder generatie(parentes=ouders)
F1-generatie=kinderen(filii) van de P generatie
F2-generatie = kinderen van de F1 generatie(kleinkinderen van de P=generatie

Bekijk de animatie 'Monohybride kruising' op www.bioplek.org

 

Co-dominantie en multiple allelen

G. Mendel heeft de basis voor de klassieke genetica gelegd. Na hem kwamen onderzoekers er achter dat de werkelijkheid ingewikkelder is. Als voorbeeld nemen we de overerving van bloedgroepen in het ABO –systeem. Op de membranen van onze cellen zitten eiwitten die voor een afweer reactie kunnen zorgen. Twee van die eiwitten zitten ook op de rode bloedcellen. Het gen dat voor die eiwitten codeert kent drie in plaats van twee allelen. De multiple allelen zijn IA, IB en i. Er zijn twee dominante en een recessief allel.
Wanneer de beide dominante allelen voorkomen (IAIB) ontstaat een heterozygoot genotype met twee allelen die beide tot uitdrukking komen.
Dat noemen we co-dominantie.
Bekijk de animatie 'ABO-systeem' op www.bioplek.org

 

X-chromosomale genen

Jongen of meisje zijn wordt bepaald door je genen. Sterker nog, er is een chromosomen paar dat bij mannen en vrouwen verschillend is.

Naast 22 paren autosomen heb je als man een X- en een Y-chromosoom.
Vrouwen hebben twee X-chromosomen.
Het aantal genen dat op de geslachtschromosomen ligt is verschillend. Het Y-chromosoom draagt weinig genen. Vrouwen kunnen voor een eigenschap op het X chromosoom heterozygoot zijn. Mannen niet!
Eigenschappen die op de geslachtschromosomen liggen noemen we geslachtsgebonden of X-chromosomale eigenschappen.

Mannen hebben bij een defect gen op het X-chromosoom meer kans op een afwijking als vrouwen. Omdat vrouwen twee X-chromosomen hebben, wordt één defect gen meestal gecompenseerd door een gezond allel. Een vrouw met zo’n defect gen heet draagster.
Bij mannen wordt een defect gen op een X-chromosoom niet gecompenseerd, omdat het Y-chromosoom niet dezelfde genen bevat. Spierdystrofie, hemofilie en kleurenblindheid worden veroorzaakt door een defect gen op het X-chromosoom. Deze ziekten komen veel vaker voor bij mannen dan bij vrouwen.

Een aanwijzing over de plaats van een gen kan voort-komen uit stamboomonderzoek. Dochters hebben altijd één X chromosoom van hun vader en één van hun moeder; zonen hebben het X-chromosoom altijd van hun moeder. Men spreekt wel van geslachtgekoppelde overerving.

Bekijk de animatie 'X-chromosomaal' op www.bioplek.org

Stambomen

Om betrouwbaar erfelijkheidsonderzoek te doen heb je eigenlijk veel nakomelingen nodig. Fruitvliegjes en bacteriën zijn dan ideaal. Mensen krijgen relatief weinig nakomelingen en het duurt nogal een poosje voordat die weer nakomelingen krijgen. Stamboomonderzoek geeft inzicht in de erfelijkheid van eigenschappen bij de mens. Informatie in een stamboom wordt op een speciale manier verpakt. Bekijk eerst de animatie en bestudeer dan de vervolgschermen.

Aandoening door een recessief allel
Een stamboom met een recessief allel. Twee ouders die het kenmerk niet hebben, krijgen een kind dat het kenmerk wel heeft. Beide ouders zijn dus heterozygoot geweest!

Dominante aandoening
De stamboom van een autosomaal (= geen X-chromosomaal) dominant gen.

Geslachtsgekoppelde overerving
Uit stamboomonderzoek kan blijken of een gen dat een afwijking of ziekte veroorzaakt, X-chromosomaal is (zie "X-chromosomale genen"). In deze stamboom van de Engelse koningin Victoria zijn personen met hemofilie (bloederziekte) aangegeven. Het gen voor hemofilie ligt op het X-chromosoom

Dihybride kruising (VWO)

Bij een dihybride kruising zijn twee aparte genenparen betrokken. Er zijn dan twee mogelijkheden.
De genen liggen op aparte chromosomen of ze liggen samen op één chromosoom. Wanneer de genen op twee aparte chromosomen liggen spreken we van onafhankelijke overerving.
Gekoppelde genen die gezamenlijk overerven kunnen door overkruising (crossing over) ontkoppeld raken.
De afbeelding toont een schematisch voorbeeld van een dihybride kruising. Hierbij wordt een zwart, ruwharig rund gekruist met een rode, gladharige soortgenoot. Beide individuen zijn homozygoot voor beide kenmerken en de genenparen liggen op verschillende chromosomenparen. Vervolgens planten de individuen uit de F1 zich onderling voort. Bij runderen is het allel voor zwart haar (A) dominant over het allel voor rood haar (a). Het allel voor ruw haar (B) is dominant over het allel voor glad haar (b).

Er zijn meer genen dan chromosomen in een organisme. Bij de geslachtelijke voortplanting gaan heel veel genen over naar een
volgende generatie. Polyhybrid (polygene) kruisingen zijn de ‘normale‘ gang van zaken. We bestuderen mono- en dihybride kruisingen terwijl ze eerder uitzondering dan regel zijn.

Gekoppelde genen

De ongeveer 30.000 genen die ons erfelijk materiaal vormen liggen op 23 chromosomen.
Dat betekent dat er heel veel genen op één chromosoom liggen.
Een monohybride kruising is dus een grote versimpeling.
Genen op een chromosoom zijn gekoppeld.
Die gekoppelde genen komen tijdens de meiose samen in de nieuwe gameten.
Ze blijven niet altijd bij elkaar want door het proces van ontkoppeling ontstaan nieuwe combinaties in de geslachtscellen. Daardoor ontstaat er een grote variatie aan geslachtscellen en dus aan nakomelingen.

Gekoppelde genen en crossing over (VWO)
In veel gevallen dat de koppeling kan worden verbroken. Er worden dan delen van chromosomen uitgewisseld tussen homologe chromosomen. Dit heet crossing-over. Crossing-over doet zich voor in de profase tijdens de paring van de homologe chromosomen, waarbij chiasmata ontstaan. Bij het uit elkaar gaan van de chromatiden worden chromosoomdelen gerecombineerd.
De chiasmata ontstaan door breuken in de chromatiden. Het optreden van deze breuken berust niet op toeval, maar is een essentieel onderdeel in het proces. Bij een meiose treden wel 1000 x zoveel breuken op als bij een mitose.


Meestal wordt de term recombinatie gebruikt voor de herschikking van de genetische eigenschappen van een individu, zodat het nageslacht een andere combinatie van genen heeft dan het individu zelf. Een voorbeeld:
De fruitvlieg (Drosophila melanogaster) heeft 2n = 8 chromosomen. Een geslachtscel heeft n = 4 chromosomen. Er zijn 2^4 (=16) mogelijke combinaties van de ouderchromosomen.

Anders dan Mendel

Chromosoom preparaat

Niet alle kruisingen verlopen volgens de regels (wetten) die door G. Mendel zijn geformuleerd. De rol van chromosomen, meiose en mitose waren hem onbekend. Pas in de vorige eeuw is de moleculaire bouw van genen en de manier waarop ze vertaald worden uitgezocht.
Inmiddels is een nieuw veld van onderzoek binnen de genetica ontstaan.
De epigenetica houdt zich bezig met de omkeerbare veranderingen in genfuncties.
Die veranderingen hebben geen invloed op de bouw van het DNA.
Het zijn dus fenotypische veranderingen die het genotype niet wijzigen.
De genetica van Mendel verklaarde hoe genotypische verschijnselen in het fenotype tot uitdrukking kwamen. Denk aan het dominant of recessief zijn van een allel van een gen.

Drie epigenetische verschijnselen zijn:

  • genomische afstempelen (genomic imprinting)
  • extra chromosomale erfelijkheid
  • regeling van de genexpressie

 

Genomic imprinting

Bij de meeste kruisingsexperimenten die gedaan worden, maakt het niet uit of de allelen nu van de vader of van de moeder afkomstig zijn. Toch is er ook variatie in fenotype mogelijk doordat, tijdens de vorming van de geslachtscellen, een allel wordt stilgelegd (silencing) in de gameten.
Bij muizen die heterozygoot zijn voor een gen dat een bepaalde groeifactor regelt (insuline like growth factor) is de expressie afhankelijk van de ouder die het betreffende allel doorgeeft.

 

Extrachromosomale erfelijkheid

Niet alleen in de celkern van een cel bevinden zich chromosomen. Mitochondriën en plastiden (chloroplasten) bevatten eigen DNA. Bij mensen komen ziektes voor, zoals mitochondriale myopathie, waarbij de chemische reacties in de mitochondriën worden verstoord. Mitochondriën krijg je alleen via de eicel van je moeder. In 1909 ontdekte Correns al een vorm van overerving via de plastiden bij de Croton dioicus.

 

Regeling van de genexpressie

  • Het geslachtschromatine (Barr body) is een structuur in de kern bij cellen van vrouwelijke zoogdieren. Vrouwelijke zoogdieren, hebben twee
    X-chromosomen. Als beide chromosomen tot expressie komen, is dat dodelijk voor de cel. Daarom wordt altijd een X-chromosoom uitgeschakeld (X-inactivatie).
  • Het verbinden van een methyl-groep (CH3-) aan een van de basen in het DNA(cytosine) zorgt er voor dat een gedeelte van het DNA niet in een eiwit vertaald kan worden. DNA-methylering is een van de manieren om de genexpressie te regelen zonder dat de DNA-structuur veranderd.