2. Bacteriële genetica.pdf

# Structuur en expressie van het bacteriële gen Dit onderwerp verkent de fundamentele opbouw van bacteriële genen en de mechanismen die hun expressie reguleren, met een focus op transcriptie en translatie. ### 1.1 De bacteriële genstructuur Bacteriële genen worden gekenmerkt door specifieke start- en stopcodons die de eiwitsynthese initiëren en beëindigen [3](#page=3). * **Startcodons:** Veelgebruikte startcodons zijn ATG en GTG. Het startcodon codeert voor formylmethionine, wat essentieel is voor het begin van de eiwitketen [3](#page=3). * **Stopcodons:** De stopcodons zijn TAA, TAG en TGA. Deze signaleren het einde van de translatie [3](#page=3). Bacteriële genen kunnen georganiseerd zijn in operons. * **Operon:** Een operon is een functionele eenheid die uit meerdere genen bestaat die achter elkaar liggen en in één keer worden afgeschreven. Deze genen hebben vaak een gerelateerde functie, zoals het produceren van een groep enzymen die nodig zijn voor de afbraak van een specifiek product. Het mRNA dat hieruit wordt afgeleid, wordt dus ook in één keer afgeschreven [3](#page=3). ### 1.2 Regulatie van genexpressie De expressie van bacteriële genen wordt nauwkeurig gereguleerd om efficiënt gebruik te maken van celbronnen en te reageren op omgevingsveranderingen [8](#page=8). #### 1.2.1 De rol van RNA-polymerase, promotors en regulatoire eiwitten * **RNA-polymerase:** Dit enzym is cruciaal voor transcriptie, het proces waarbij DNA wordt overgeschreven naar RNA. De binding van RNA-polymerase aan het DNA, specifiek op de promotorregio voor een gen, bepaalt of transcriptie plaatsvindt [4](#page=4). * **Promotors:** Dit zijn DNA-sequenties die zich vóór het gen bevinden en waar RNA-polymerase aan bindt om de transcriptie te initiëren [4](#page=4). * **Regulatoire eiwitten (repressors en inductors):** De toegang van RNA-polymerase tot de promotor kan worden beïnvloed door regulatoire eiwitten [4](#page=4). * **Repressors:** Deze eiwitten binden aan specifieke DNA-sequenties, vaak gelegen vóór de promotor, en blokkeren de binding van RNA-polymerase, waardoor genexpressie wordt onderdrukt. Indien een repressor aanwezig is, krijgt RNA-polymerase geen toegang tot het gen [5](#page=5) [6](#page=6) [7](#page=7). * **Inducers:** Dit zijn moleculen die, door te binden aan repressors, de repressor inactief maken. Hierdoor kan RNA-polymerase binden aan de promotor en kan genexpressie plaatsvinden. Als een inducer aanwezig is, krijgt RNA-polymerase wel toegang [6](#page=6) [7](#page=7). #### 1.2.2 Ribosomale bindingsplaats (RBS) * De mRNA-sequentie bevat een Ribosome Binding Site (RBS) [8](#page=8). * Deze RBS bevat de Shine-Dalgarno sequentie, die essentieel is voor de binding van het ribosoom aan het mRNA [8](#page=8). * Verschillen in de affiniteit van de RBS voor rRNA kunnen leiden tot variaties in de expressie-niveaus van genen [8](#page=8). ### 1.3 Transcriptie en translatie in bacteriën #### 1.3.1 Transcriptie Transcriptie is het proces waarbij een RNA-kopie van een gen wordt gemaakt. Dit wordt uitgevoerd door RNA-polymerase. Bacteriën hebben doorgaans één type RNA-polymerase dat alle soorten RNA transcribeert. De regulatie hiervan is afhankelijk van de interactie met promotors en regulatoire eiwitten [4](#page=4) [6](#page=6). #### 1.3.2 Translatie Translatie is het proces waarbij de genetische code in mRNA wordt omgezet in een eiwitsequentie. Dit vindt plaats op ribosomen. De translatie begint bij het startcodon en eindigt bij het stopcodon. De efficiëntie van translatie kan worden beïnvloed door factoren zoals de sequentie van de RBS [3](#page=3) [8](#page=8). ### 1.4 Voorbeelden van genexpressieregulatie #### 1.4.1 Lactose-operon De afbraak van lactose in bacteriën is een klassiek voorbeeld van genexpressieregulatie via een operon [10](#page=10). * **Zonder lactose:** Een repressor-eiwit bindt aan de promotor en blokkeert de transcriptie van de genen die nodig zijn voor lactose-afbraak, zoals $\beta$-galactosidase [10](#page=10). * **Met lactose aanwezig:** Lactose fungeert als een inducer. Het bindt aan de repressor, waardoor deze van de promotor loslaat. Dit activeert RNA-polymerase, waardoor de genen voor lactose-afbraak worden afgeschreven en de bacteriën lactose kunnen verwerken [10](#page=10). #### 1.4.2 Tryptofaan-operon De aanmaak van tryptofaan, een essentieel aminozuur, wordt ook gereguleerd via een operon [11](#page=11). * **Zonder tryptofaan:** RNA-polymerase is actief en transcribeert de genen die coderen voor de enzymen in de tryptofaan-syntheseroute [11](#page=11). * **Met veel tryptofaan:** Tryptofaan fungeert als een corepressor. Het bindt aan een repressor-eiwit, waardoor dit eiwit actief wordt en aan de promotor bindt. Dit remt de transcriptie van de tryptofaan-synthesegenen, wat voorkomt dat er te veel tryptofaan wordt geproduceerd [11](#page=11). > **Tip:** Begrijp het concept van operons als functionele eenheden voor het efficiënt reguleren van genen die samenwerken. De interactie tussen inductors, repressors en de promotor is de kern van deze regulatie. --- # Regulatie van genexpressie in bacteriën De regulatie van genexpressie in bacteriën is een complex proces dat sterk afhankelijk is van diverse omgevingsfactoren, zoals de atmosfeer, temperatuur, de aanwezigheid van specifieke moleculen (zoals metabolieten en gastheermoleculen), en celcontacten. Deze regulatie zorgt ervoor dat bacteriën hun genetische programma aanpassen aan de heersende omstandigheden, wat essentieel is voor hun overleving en pathogeniteit [13](#page=13). ### 2.1 Invloed van omgevingsfactoren op genexpressie Bacteriën monitoren continu hun omgeving om te bepalen welke genen tot expressie moeten komen. Dit stelt hen in staat om efficiënt te reageren op veranderingen in voedingsstoffen, beschikbaarheid van zuurstof, en de aanwezigheid van gastheercellen of andere micro-organismen [13](#page=13). #### 2.1.1 Voorbeelden van omgevingsafhankelijke expressie ##### 2.1.1.1 Lactose-afbraak Een klassiek voorbeeld van genexpressie-regulatie is de afbraak van lactose door *E. coli*. De genen die nodig zijn voor lactose-metabolisme worden alleen tot expressie gebracht wanneer lactose aanwezig is als koolstofbron en glucose afwezig is [13](#page=13). ##### 2.1.1.2 Tryptofaan-aanmaak Een ander belangrijk voorbeeld is de regulatie van de synthese van tryptofaan. Wanneer tryptofaan in hoge concentraties aanwezig is in de omgeving, wordt de synthese ervan door de bacterie stopgezet om energie en grondstoffen te besparen [13](#page=13). ##### 2.1.1.3 Expressie van *E. coli* enterotoxigene F5 (ETEC) fimbriae De expressie van ETEC F5 fimbriae is een goed voorbeeld van hoe bacteriën genen aanpassen aan specifieke omgevingen. In een rijk milieu met veel nutriënten, zoals in de darm, worden deze fimbriae tot expressie gebracht omdat ze essentieel zijn voor kolonisatie. Echter, wanneer deze bacteriën in een laboratorium op een bloedplaat worden gekweekt, wat een ander milieu is, worden de fimbriae niet tot expressie gebracht omdat ze daar nutteloos zijn en er geen epitheelcellen aanwezig zijn [14](#page=14). ##### 2.1.1.4 Expressie van SPI-1 bij *Salmonella* *Salmonella* utiliseert pathogeniciteitseilanden (SPI's) voor invasie van gastheercellen. Het SPI-1 operon bevat genen die coderen voor eiwitten die een naaldstructuur vormen. Deze naaldstructuur stelt *Salmonella* in staat om eiwitten in de gastheercel te injecteren, wat leidt tot de reorganisatie van het actineskelet en de opname van de bacterie door de gastheercel. Dit proces is cruciaal voor darmkolonisatie en intracellulair overleven [15](#page=15). De expressie van de invasie-regulatoren van SPI-1 wordt beïnvloed door omgevingsfactoren zoals korte-keten vetzuren. In een anaëroob milieu, zoals distaal in de darm (bijvoorbeeld het caecum), worden hoge concentraties azijnzuur geproduceerd door darmbacteriën. Deze hoge concentratie korte-keten vetzuren signaleert aan *Salmonella* dat hij zich in het distale deel van de darm bevindt, en stimuleert de expressie van SPI-1. Dit illustreert de mogelijkheid tot sturing van de pathogeniteit door het reguleren van het fermentatieprofiel in de darm [16](#page=16). > **Tip:** Begrijpen hoe omgevingsfactoren specifieke genen aan- of uitzetten, is de sleutel tot het begrijpen van bacteriële overleving, pathogene mechanismen en mogelijke therapeutische interventies. Focus op de moleculaire signalen die de bacterie ontvangt en hoe deze vertaald worden naar een genetische respons. > **Voorbeeld:** Een bacterie die in een zuurstofrijke omgeving leeft, zal genen voor aerobe ademhaling tot expressie brengen. Zodra de zuurstofconcentratie daalt, zal de expressie van deze genen afnemen en zullen genen die relevant zijn voor anaërobe processen geactiveerd worden. --- # Bacteriële replicatie en andere DNA-structuren Dit deel behandelt de bacteriële replicatie door binaire deling, evenals diverse andere DNA-structuren zoals plasmiden, profagen, insertiesequenties en transposons, inclusief hun kenmerken, functies en overdraagbaarheid. ### 3.1 Bacteriële replicatie Bacteriële replicatie vindt plaats via binaire deling, een proces waarbij de bacterie zich splitst in twee identieke dochtercellen. Dit proces wordt gekenmerkt door de activiteit van DNA-polymerasen die opereren in zogenaamde 'replicatievorken'. Het resultaat van deze replicatie is de vorming van twee identieke dochtercellen [17](#page=17). ### 3.2 Andere DNA-structuren Naast het bacteriële chromosoom, dat de primaire genetische informatie bevat, zijn er diverse andere DNA-structuren die een belangrijke rol spelen in bacteriële genetica en evolutie. #### 3.2.1 Plasmiden Plasmiden zijn circulaire DNA-moleculen die onafhankelijk van het bacteriële chromosoom repliceren. Ze bezitten een eigen oorsprong van replicatie (ORI). Deze extrachromosomale DNA-elementen zijn vaak dragers van genen die resistentie tegen antibiotica en virulentie veroorzaken. Plasmiden kunnen in meerdere kopieën aanwezig zijn binnen een bacteriële cel en zijn overdraagbaar naar andere bacteriën via verschillende mechanismen. De aanwezigheid van meerdere resistentiegenen op een plasmid kan bacteriën resistentie verlenen tegen verschillende klassen antibiotica [18](#page=18). > **Tip:** Selectie voor resistentiegenen, bijvoorbeeld door antibioticagebruik, kan leiden tot een significante toename van bacteriën die deze genen dragen, terwijl gevoelige kiemen afsterven. #### 3.2.2 Profagen Profagen zijn de DNA-sequenties van bacteriofagen (virussen die bacteriën infecteren) die geïntegreerd zijn in het bacteriële chromosoom of als extrachromosomaal DNA in de cel aanwezig zijn. Nadat een bacteriofaag zijn DNA in een bacteriecel injecteert, kan dit DNA integreren in het bacteriële genoom en zo mee overgedragen worden tijdens de celdeling. Deze profagen kunnen ook afkomstig zijn van sequenties die oorspronkelijk van bacteriofagen afkomstig zijn. Ze kunnen integreren in plasmiden en zo overgedragen worden naar andere bacteriën, vaak dragend vele resistentiegenen [19](#page=19). #### 3.2.3 Insertiesequenties Insertiesequenties (IS-elementen) zijn korte DNA-sequenties die geflankeerd worden door 'inverted repeats'. Ze coderen uitsluitend voor een transposase-enzym. Dit enzym stelt de IS-sequentie in staat om te 'springen' door het genoom, een proces ook wel bekend als 'jumping DNA'. Insertiesequenties kunnen zich verplaatsen naar plasmiden en aldus overgedragen worden naar andere bacteriën. Als een insertiesequentie in een coderend gen springt, kan dit het functionele eiwit van dat gen verstoren [20](#page=20). > **Tip:** Insertiesequenties worden soms ook wel 'selfish DNA' genoemd omdat ze de neiging hebben zich te vermenigvuldigen binnen het genoom. #### 3.2.4 Transposons Transposons zijn stukken DNA die, net als insertiesequenties, geflankeerd worden door dergelijke sequenties, maar bevatten daartussen een coderende sequentie. Deze coderende sequentie betreft vaak genen die resistentie tegen antibiotica verlenen. Wanneer een insertiesequentie een coderend gen voor een specifieke functie bevat, zoals een antibioticumresistentiegen, wordt het geclassificeerd als een transposon. Transposons kunnen, vergelijkbaar met insertiesequenties, door het genoom 'springen' en zo bijdragen aan genetische variatie en de verspreiding van resistentiegenen [21](#page=21). --- # Fenotypische en genotypische variatie bij bacteriën Dit onderwerp verklaart de verschillen tussen fenotypische variatie (verandering in expressie zonder genetische wijziging) en genotypische variatie (door genoomwijzigingen zoals mutaties), inclusief de oorzaken en gevolgen van deze variaties [22](#page=22). ### 4.1 Conceptuele indeling van variatie Variatie bij bacteriën kan worden onderverdeeld in twee hoofdcategorieën: fenotypische variatie en genotypische variatie [22](#page=22). #### 4.1.1 Fenotypische variatie Fenotypische variatie betreft veranderingen in de expressie van genen of eiwitten zonder dat het genetische materiaal zelf wordt gewijzigd. Deze variatie ontstaat door regulatie van genexpressie als reactie op signalen uit de omgeving. Fenotypische variatie kan optreden bij de gehele populatie, afhankelijk van de aanwezigheid of afwezigheid van een specifieke stimulus [22](#page=22). > **Tip:** Denk aan fenotypische variatie als een aanpassing in hoe de bacterie zich gedraagt of welke eiwitten ze produceert, zonder dat de "blauwdruk" (het DNA) verandert. #### 4.1.2 Genotypische variatie Genotypische variatie daarentegen is het gevolg van veranderingen in het genoom van de bacterie. Deze wijzigingen kunnen diverse vormen aannemen en komen voor bij enkele individuen binnen de populatie. Wanneer selectiedruk aanwezig is, kunnen bacteriën met gunstige genotypische varianten dominant worden. Een voorbeeld hiervan is de ontwikkeling van resistentie tegen antibiotica [22](#page=22). ### 4.2 Oorzaken van genotypische variatie Wijzigingen in het genetisch materiaal van bacteriën kunnen verschillende oorzaken hebben. Deze worden grofweg onderverdeeld in veranderingen binnen het DNA zelf en de overdracht van bacterieel DNA tussen bacteriën [23](#page=23). #### 4.2.1 Interne genoomwijzigingen * **Mutaties:** Dit zijn directe veranderingen in de DNA-sequentie [24](#page=24). * **Transposonintegratie:** Het inbouwen van mobiele genetische elementen (transposons) in het genoom [23](#page=23). #### 4.2.2 Overdracht van bacterieel DNA * **Transformatie:** Opname van vrij DNA uit de omgeving [23](#page=23). * **Transductie:** Overdracht van DNA via bacteriofagen [23](#page=23). * **Conjugatie:** Directe overdracht van DNA van de ene bacterie naar de andere via cel-cel contact [23](#page=23). * **Lysogene conversie:** Genen van een bacteriofaag worden geïntegreerd in het bacteriële genoom en tot expressie gebracht [23](#page=23). > **Tip:** Verschillende vormen van horizontale genoverdracht, zoals transformatie, transductie en conjugatie, zijn cruciaal voor de snelle verspreiding van eigenschappen zoals antibioticaresistentie binnen bacteriële populaties [23](#page=23). ### 4.3 Types van mutaties Mutaties zijn fundamentele oorzaken van genotypische variatie en omvatten diverse veranderingen in de DNA-sequentie [24](#page=24). #### 4.3.1 Puntmutaties (substituties) Puntmutaties betreffen de verandering van één enkele nucleotide. Deze kunnen spontaan optreden tijdens de bacteriële DNA-replicatie met een frequentie die varieert van $10^{-5}$ tot $10^{-11}$ per gen. Ze zijn dikwijls reversibel, wat betekent dat de oorspronkelijke sequentie hersteld kan worden door een tweede mutatie [24](#page=24) [25](#page=25). * **Oorzaken:** Fouten in bacteriële DNA-replicatie [25](#page=25). * **Frequentie:** Gen-afhankelijk, variërend van $10^{-5}$ tot $10^{-11}$ [25](#page=25). * **Reversibiliteit:** Vaak reversibel [25](#page=25). * **Mutagene agentia:** Stoffen die de kans op mutatie en reversie verhogen [25](#page=25). > **Tip:** De Ames-test is een veelgebruikte methode om mutagene eigenschappen van stoffen te evalueren door de frequentie van mutaties in bacteriën te meten [25](#page=25). Bepaalde chromosomale regio's, zoals die betrokken zijn bij de opbouw van lipopolysacchariden (LPS), zijn erg gevoelig aan mutaties, wat kan leiden tot de vorming van veel verschillende serotypen met diverse fenotypische gevolgen en antimicrobiële resistentiepatronen [25](#page=25). #### 4.3.2 Deleties Deleties omvatten het verwijderen van één of meerdere nucleotiden, variërend van enkele basenparen tot grote stukken DNA. Deze mutaties zijn doorgaans niet reversibel door terugmutaties [24](#page=24) [26](#page=26). * **Omvang:** Van 1 tot honderden basenparen [26](#page=26). * **Reversibiliteit:** Niet reversibel door terugmutaties [26](#page=26). * **Gevolg:** Leiden meestal tot "nonsense mutaties" (premature stopcodons) en daardoor niet-functionele eiwitten [26](#page=26). > **Tip:** Deletiemutaties die specifieke virulentiegenen uitschakelen, worden gebruikt om verzwakte stammen te creëren voor gebruik als vaccins, die wel immuniteit opwekken maar minder pathogeen zijn [24](#page=24) [26](#page=26). #### 4.3.3 Inserties Inserties zijn het toevoegen van één of meerdere nucleotiden aan het DNA-molecuul. Duplicaties worden beschouwd als een specifieke vorm van insertie waarbij een DNA-segment meerdere keren wordt gekopieerd [24](#page=24). #### 4.3.4 Inversies Inversies betreffen het omkeren van een segment van DNA [24](#page=24). ### 4.4 Gevolgen van mutaties Mutaties kunnen diverse gevolgen hebben voor de bacterie, afhankelijk van de aard van de mutatie, de locatie in het genoom en de omgevingscondities [27](#page=27). * **Lethale of verzwakkende effecten:** Mutaties, zoals nonsense mutaties of die leiden tot een abnormaal eiwit, kunnen de bacterie dodelijk zijn of haar vitaliteit aanzienlijk verminderen [27](#page=27). * **Geen waarneembaar effect:** Soms heeft een mutatie geen significant gevolg voor de bacterie. Dit kan gebeuren als het mutante triplet codeert voor hetzelfde aminozuur, of als de verandering in aminozuur de structuur of functie van het eiwit niet beïnvloedt. De mutatie kan zich ook in een niet-coderend gebied bevinden of in een deel van het DNA dat niet wordt afgeschreven [27](#page=27). * **Voordelig onder selectiedruk:** Mutaties die een voordeel bieden onder specifieke omgevingsomstandigheden, zoals de aanwezigheid van antibiotica, kunnen leiden tot de dominantie van de gemuteerde stam. Bijvoorbeeld, een mutatie die resistentie verleent tegen een antibioticum zal de bacterie helpen overleven en zich vermenigvuldigen onder antibiotische druk [27](#page=27). * **Gevolgen voor identificatie:** Genotypische variaties, met name mutaties die enzymatische activiteit beïnvloeden, kunnen de fenotypering bemoeilijken. Vroeger werd bacteriële identificatie sterk gebaseerd op fenotypische eigenschappen, zoals de capaciteit om substraten om te zetten. Een mutatie in het gen dat codeert voor een essentieel enzym kan de bacterie onherkenbaar maken met deze methoden. Hedendaagse DNA-gebaseerde methoden, zoals 16S ribosomale sequentieanalyse of volledige genoomsequenering, zijn minder gevoelig voor dit soort fenotypische veranderingen [27](#page=27). > **Tip:** Het begrijpen van de potentiële gevolgen van mutaties is essentieel voor zowel diagnostische doeleinden als voor de ontwikkeling van strategien tegen bacteriële infecties en de resistentieontwikkeling. --- # Horizontale gentransfermechanismen Horizontale gentransfer is het proces waarbij genetisch materiaal wordt overgedragen tussen organismen die niet via voortplanting met elkaar verbonden zijn, en dit is cruciaal voor de evolutie en aanpassing van bacteriën [36](#page=36). ### 5.1 Transformatie Transformatie is een vorm van horizontale gentransfer waarbij bacteriën vrij DNA uit hun omgeving opnemen en integreren in hun eigen genoom [36](#page=36). #### 5.1.1 Mechanisme en principes * Bacteriën kunnen naakt DNA opnemen van donorbacteriën en dit laten recombineren met hun eigen DNA [36](#page=36). * Natuurlijk competente bacteriën kunnen dit DNA opnemen door externe signalen [36](#page=36). * Het proces vereist energievergende DNA-opnamesystemen, zoals type IV pili, om lineair enkelstrengs DNA op te nemen [36](#page=36). * Integratie in het genoom gebeurt meestal via homologe recombinatie, waarbij endonucleasen en ligasen betrokken zijn [36](#page=36). * Afgestorven bacteriën kunnen hun DNA vrijgeven, dat vervolgens door levende bacteriën kan worden opgenomen [36](#page=36). #### 5.1.2 Historisch bewijs Het oorspronkelijke bewijs voor transformatie werd geleverd door Griffith in 1928 met *S. pneumoniae*. Hij toonde aan dat genen die coderen voor kapselvorming door levende, niet-kapselvormende bacteriën konden worden opgenomen en geïntegreerd, waardoor deze pathogeen werden [37](#page=37) [40](#page=40). > **Tip:** Kapselvorming verbetert de overleving van bacteriën en hun weerstand tegen bijvoorbeeld macrofagen [37](#page=37). #### 5.1.3 Voorbeeld: resistentie tegen antibiotica Een belangrijk voorbeeld van transformatie is de verwerving van resistentie tegen bèta-lactam antibiotica door *Streptococcus pneumoniae*. Mozaïek PBP-genen (penicillin-binding proteins), die resistentie verlenen, worden via transformatie en recombinatie verkregen. De donoren van dit DNA zijn gevoelige streptokokken uit de normale orale microbiota [41](#page=41). #### 5.1.4 Artificiële transformatie In laboratoria wordt transformatie vaak kunstmatig toegepast om DNA, zoals plasmiden, in bacteriën in te brengen. Dit gebeurt door bacteriën 'competent' te maken, bijvoorbeeld via chemische methoden of electroporatie, waarbij elektrische pulsen kleine poriën in de celwand creëren waar het DNA doorheen kan. Dit wordt veel gebruikt bij *E. coli* voor recombinante eiwitproductie, zoals de productie van insuline [42](#page=42). ### 5.2 Overdracht via bacteriofagen Bacteriofagen, virussen die bacteriën parasiteren, spelen een belangrijke rol bij DNA-overdracht naar het bacterieel chromosoom via lysogene conversie en transductie [43](#page=43). #### 5.2.1 Bacteriofagen * Bacteriofagen zijn gastheerspecifieke virussen die bacteriën parasiteren [44](#page=44). * De belangrijkste groep zijn de Caudovirales, die meestal dubbelstrengs DNA bevatten [44](#page=44). * Fagen binden aan specifieke receptoren op het bacteriële oppervlak en gebruiken enzymen zoals virolysine en holine om de celwand te lyseren [44](#page=44). * Ze kunnen zowel een lytische als een lysogene cyclus induceren [44](#page=44). #### 5.2.2 Lytische cyclus De lytische cyclus van virulente bacteriofagen omvat de volgende stappen [45](#page=45): 1. **Adsorptie:** Binding aan een receptor op het bacteriële oppervlak [45](#page=45). 2. **Penetratie:** Injectie van faag-DNA in de bacteriële cel via enzymen [45](#page=45). 3. **Biosynthese:** Replicatie van faag-DNA en synthese van faageiwitten [45](#page=45). 4. **Rijping:** Het bacteriële chromosoom wordt geżyserd, en faag-DNA wordt verpakt in nieuwe faagpartikels [45](#page=45). 5. **Vrijkomen:** Nieuwe viruspartikels komen vrij na lyse van de celwand door faag-enzymen [45](#page=45). Tijdens dit proces kunnen stukjes bacterieel DNA in de faagpartikels terechtkomen en zo naar andere bacteriën worden verspreid [45](#page=45). #### 5.2.3 Lysogene cyclus In de lysogene cyclus van getemperde bacteriofagen wordt het faag-DNA geïntegreerd in het bacteriële chromosoom en wordt 'profaag' genoemd [47](#page=47). * Er worden geen faageiwitten geproduceerd, omdat een repressor-eiwit het RNA polymerase blokkeert [47](#page=47). * Het profaag-DNA repliceert mee met het bacteriële DNA, waardoor het in alle dochtercellen aanwezig is (clonale expansie) [47](#page=47). * Onder bepaalde omstandigheden (bijvoorbeeld stress) kan de profaag geactiveerd worden en overgaan naar de lytische cyclus [48](#page=48). > **Tip:** Getemperde fagen kunnen potentieel voordelig zijn voor de bacterie, omdat de sequentie van de profaag virulentiefactoren of toxines kan bevatten [49](#page=49). #### 5.2.4 Lysogene conversie Profagen, inclusief defectieve profagen, kunnen genen tot expressie brengen die nieuwe eigenschappen aan een bacterie verlenen. Dit fenomeen staat bekend als lysogene conversie. Voorbeelden hiervan zijn de productie van exotoxines, zoals het cholera toxine door de CTX faag in *Vibrio cholerae*, of Shiga-like toxine door de lambda faag in enterohemorragische *E. coli*. Andere overgedragen eigenschappen kunnen biofilmvorming of sporulatie zijn [50](#page=50). #### 5.2.5 Transductie Transductie is de overdracht van DNA tussen twee bacteriën via bacteriofagen en is alleen mogelijk bij 'fouten' tijdens de replicatie van de bacteriofaag. Er zijn twee hoofdtypen [51](#page=51): ##### 5.2.5.1 Beperkte transductie * Bij beperkte transductie neemt een profaag, bij het verlaten van het bacteriële chromosoom, een klein stuk bacterieel DNA mee in het faagpartikel [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * Dit gebeurt tijdens de overgang van de lysogene naar de lytische cyclus van getemperde fagen [56](#page=56). * De geïnfecteerde bacterie kan het bacterieel DNA integreren via recombinatie, waarna het een profaag met 'vreemd' bacterieel DNA bevat [56](#page=56). * Altijd dezelfde specifieke bacteriële genen worden overgedragen, omdat deze naast de integratieplaats van de profaag liggen [57](#page=57). * Resistentiegenen kunnen op dit bacterieel stuk aanwezig zijn en zo worden overgedragen [55](#page=55). > **Tip:** Beperkte transductie vindt alleen plaats bij getemperde fagen [57](#page=57). ##### 5.2.5.2 Veralgemeende transductie * Bij veralgemeende transductie wordt willekeurig bacterieel chromosomaal materiaal ingekapseld in een faagpartikel [58](#page=58) [59](#page=59). * Dit kan gebeuren bij zowel virulente als getemperde fagen tijdens de lytische cyclus [61](#page=61). * De faagpartikels bevatten bacterieel DNA, en soms ook plasmiden of ander DNA, maar geen faag-DNA [62](#page=62). * Bij infectie van een nieuwe bacterie kan dit DNA worden geïnsereerd [60](#page=60). ### 5.3 Conjugatie Conjugatie is de overdracht van DNA van een donor- naar een acceptor-bacterie via een eiwittunnel (pilus) [66](#page=66). #### 5.3.1 Plasmide-gemedieerde conjugatie Dit is de meest voorkomende vorm van conjugatie en wordt veroorzaakt door overdraagbare plasmiden die de benodigde transfergenen (tra-genen) bevatten [66](#page=66) [67](#page=67). * **F-plasmide:** Het F-plasmide (fertility factor) is een klassiek voorbeeld van een overdraagbaar plasmide dat tra-genen codeert en de vorming van de pilus mogelijk maakt [66](#page=66). * **Andere genen:** Naast de tra-genen kunnen plasmiden ook andere genen dragen die specifieke fenotypes overdragen, zoals resistentiegenen (R-plasmiden) [67](#page=67). * **Overdracht:** Eén streng van het plasmide wordt overgedragen naar de acceptor, waarna beide strengen worden gerepliceerd om dubbelstrengs DNA te vormen [66](#page=66). * **Multiresistentie:** Plasmiden kunnen meerdere resistentiegenen tegen verschillende antibiotica bevatten, wat kan leiden tot de vorming van multiresistente bacteriën na overdracht. Selectiedruk, zoals de toediening van tetracyclines, kan de selectie van deze multiresistente stammen versnellen [69](#page=69). * **Mobilliseerbare plasmiden:** Een plasmide zonder tra-genen kan ook worden overgedragen als het zich in dezelfde cel bevindt als een plasmide met tra-genen (via een conjugeerbaar plasmide) [70](#page=70). > **Tip:** Conjugatie vindt vaak plaats tussen bacteriële stammen van hetzelfde soort, maar kan ook voorkomen tussen bacteriën van verschillende genera, hoewel dit minder frequent is [67](#page=67). #### 5.3.2 Overdracht van chromosomale genen via conjugatie * **Hfr-stammen:** Wanneer een plasmide integreert in het bacteriële chromosoom, kan dit leiden tot de vorming van een 'Hfr' (high frequency of recombination) stam [71](#page=71). * **Chromosomale overdracht:** Bij conjugatie van Hfr-stammen wordt een deel van het bacteriële chromosoom overgedragen naar de acceptor, wat recombinatie mogelijk maakt [71](#page=71) [72](#page=72). * Plasmiden kunnen ook stukken chromosomaal DNA bevatten die vervolgens kunnen worden overgedragen [72](#page=72). #### 5.3.3 Conjugatie via conjugatieve transposons * Conjugatieve transposons zijn mobiele genetische elementen die tra-genen bevatten en daardoor kunnen circuleren via conjugatie [73](#page=73). * Ze kunnen resistentiegenen dragen en kunnen zowel in het bacteriële chromosoom als in plasmiden integreren [73](#page=73). * Transposons die resistentiegenen dragen kunnen in plasmiden insereeren en zo mee worden overgedragen [73](#page=73). > **Tip:** Begrip van deze mechanismen is essentieel om te begrijpen hoe bacteriën genetisch materiaal uitwisselen en resistentie verwerven [73](#page=73). --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | RNA polymerase | Een enzym dat verantwoordelijk is voor het synthetiseren van RNA-moleculen uit een DNA-sjabloon, essentieel voor genexpressie. Dit enzym bindt aan promotors op het DNA om de transcriptie te starten. | | Promotor | Een specifieke DNA-sequentie die zich vóór een gen bevindt en dient als bindingsplaats voor RNA-polymerase om de transcriptie te initiëren. | | Repressor | Een eiwit dat zich kan binden aan een operatorsequentie in het DNA, waardoor de transcriptie van naburige genen wordt geblokkeerd of sterk verminderd. | | Inducer | Een molecuul dat de expressie van genen kan activeren, vaak door te binden aan een repressor-eiwit en deze te inactiveren, waardoor RNA-polymerase toegang krijgt tot de promotor. | | Transcriptie | Het proces waarbij de genetische informatie van een DNA-sequentie wordt overgeschreven naar een complementaire RNA-sequentie, uitgevoerd door RNA-polymerase. | | Translatie | Het proces waarbij de genetische informatie die in mRNA is gecodeerd, wordt vertaald naar een specifieke sequentie van aminozuren om een eiwit te vormen, plaatsvindend op ribosomen. | | Operon | Een functionele eenheid van genen in bacteriën die gezamenlijk worden getranscribeerd en gereguleerd, vaak betrokken bij de synthese van een bepaalde stof of de afbraak van een substraat. | | Formylmethionine | Een gemodificeerd aminozuur dat bij bacteriën het start-aminozuur is van eiwitsynthese en vaak aan het begin van een polypeptideketen wordt ingebouwd. | | Codons | Sequenties van drie nucleotiden in mRNA die specificeren welk aminozuur moet worden ingebouwd tijdens de translatie, of fungeren als stop-signaal. | | mRNA | Messenger RNA; een RNA-molecuul dat de genetische code van een gen draagt en functioneert als sjabloon voor eiwitsynthese. | | Ribosomale bindingsplaats (RBS) | Een specifieke sequentie op het mRNA, nabij het startcodon, waaraan het ribosoom bindt om de translatie te initiëren. De affiniteit van deze plaats kan de expressie-efficiëntie beïnvloeden. | | Shine-Dalgarno sequentie | Een consensus-sequentie in bacteriële mRNA die complementair is aan een deel van het rRNA in het 30S ribosoom, cruciaal voor de correcte positionering van het ribosoom op het mRNA. | | Lactose afbraak | Het enzymatische proces waarbij lactose, een disacharide, wordt afgebroken tot glucose en galactose, wat typisch wordt gereguleerd door het lac-operon. | | Beta-galactosidase | Een enzym dat betrokken is bij de afbraak van lactose; het katalyseert de hydrolyse van beta-galactosiden. | | Tryptophaan aanmaak | Het biosynthetische pad voor de productie van het aminozuur tryptophaan in micro-organismen, vaak gereguleerd door feedbackremming. | | Corepressor | Een molecuul dat zich bindt aan een repressor en deze activeert, waardoor de repressor kan binden aan de operator en genexpressie onderdrukt. | | Fimbriae | Korte, draadachtige eiwitstructuren aan het oppervlak van bacteriën die helpen bij adhesie aan gastheercellen of andere oppervlakken. | | Pathogeniciteitseiland (SPI) | Grote genomische regio's die genen bevatten die bijdragen aan de virulentie van een pathogeen, zoals genen voor invasie of toxineproductie. | | Binaire deling | Een vorm van aseksuele voortplanting waarbij een enkele cel zich in tweeën splitst, resulterend in twee genetisch identieke dochtercellen. | | DNA-polymerasen | Enzymen die betrokken zijn bij de synthese van DNA, essentieel voor DNA-replicatie. Ze voegen nucleotiden toe aan een groeiende DNA-streng. | | Plasmiden | Kleine, circulaire, extrachromosomale DNA-moleculen die in bacteriën voorkomen en vaak genen dragen die voordelig zijn, zoals resistentiegenen. | | ORI (Origin of Replication) | De specifieke DNA-sequentie waar de replicatie van een replicatie-eenheid (zoals een chromosoom of plasmide) begint. | | Resistentiegenen | Genen die bacteriën resistentie verlenen tegen antibiotica of andere antimicrobiële stoffen, vaak aanwezig op plasmiden of transposons. | | Virulentiegenen | Genen die bijdragen aan de pathogene eigenschappen van een micro-organisme, zoals het vermogen om te infecteren, invasie, of toxineproductie. | | Profagen | Het DNA van een bacteriofaag dat is geïntegreerd in het bacteriële chromosoom of aanwezig is als extrachromosomaal DNA. | | Bacteriofaag | Een virus dat specifiek bacteriën infecteert. | | Insertiesequentie (IS-element) | Een mobiel genetisch element dat zich kan verplaatsen binnen een genoom. Het codeert meestal alleen voor een transposase-enzym. | | Transposase | Een enzym dat de verplaatsing van transposons en insertiesequenties binnen het genoom katalyseert. | | Jumping DNA | Een informele term voor mobiele genetische elementen zoals transposons en insertiesequenties die hun positie in het genoom kunnen veranderen. | | Transposon | Een mobiel genetisch element dat zich kan verplaatsen binnen het genoom en genen kan bevatten, vaak resistentiegenen. Het is geflankeerd door insertiesequenties. | | Fenotypische variatie | Veranderingen in de waarneembare kenmerken (fenotype) van een organisme die niet het gevolg zijn van veranderingen in het genetisch materiaal, maar eerder van verschillen in genexpressie. | | Genotypische variatie | Veranderingen in het genetisch materiaal (genoom) van een organisme, zoals mutaties of recombinatie. | | Mutatie | Een permanente verandering in de DNA-sequentie van een organisme. | | Transformatie | Het proces waarbij bacteriën genetisch materiaal opnemen uit hun omgeving, vaak in de vorm van vrij DNA van afgestorven bacteriën. | | Lysogene conversie | Een proces waarbij een bacteriofaag die een lysogene cyclus doorloopt, bijdraagt aan de eigenschappen van de gastheerbacterie door zijn eigen DNA in het bacteriële genoom te integreren en genen te coderen die het fenotype veranderen. | | Transductie | Het proces waarbij genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere wordt overgedragen via een bacteriofaag. | | Conjugatie | Een proces van directe cel-tot-cel overdracht van genetisch materiaal, meestal plasmiden, tussen bacteriën via een pilus. | | Substitutie (nucleotide) | Een type mutatie waarbij één nucleotide in de DNA-sequentie wordt vervangen door een ander nucleotide. | | Deletie | Een type mutatie waarbij een deel van het DNA, variërend van één nucleotide tot grote stukken, verloren gaat. | | Insertie | Een type mutatie waarbij nucleotiden of DNA-segmenten worden toegevoegd aan een DNA-sequentie. | | Inversie | Een type mutatie waarbij een segment van een chromosoom wordt omgekeerd. | | Duplicatie | Een type mutatie waarbij een deel van het DNA wordt gedupliceerd, wat resulteert in een extra kopie van die sequentie. | | Puntmutatie | Een mutatie die slechts één nucleotidepaartje in het DNA beïnvloedt, meestal door een substitutie. | | Ames test | Een laboratoriumtest die wordt gebruikt om de mutageniteit van chemische stoffen te evalueren door de frequentie van terugmutaties in specifieke bacteriestammen te meten. | | Nonsense mutatie | Een puntmutatie die een codon verandert in een stopcodon, wat leidt tot premature beëindiging van de translatie en een verkort, meestal niet-functioneel eiwit. | | Lethaal | Veroorzakend de dood. | | Verzwakkend | Het verminderen van de virulentie of het vermogen om ziekte te veroorzaken. | | Voordelig | Gunstig of ten voordele. | | Selectiedruk | De omgevingsoverwegingen die bepalen welke organismen het meest succesvol zullen zijn in overleven en voortplanten, wat leidt tot selectie van bepaalde eigenschappen. | | MIC (Minimale Inhiberende Concentratie) | De laagste concentratie van een antibioticum die de zichtbare groei van een bacterie in vitro remt. | | Streptomycine | Een antibioticum uit de aminoglycosideklasse dat wordt gebruikt om bacteriële infecties te behandelen. | | 30S ribosomale subeenheid | Een van de twee subeenheden van het bacteriële ribosoom, verantwoordelijk voor het binden van mRNA en tRNA tijdens de translatie. | | S12 eiwit | Een specifiek eiwitcomponent van de 30S ribosomale subeenheid dat betrokken is bij de interactie met aminoglycoside-antibiotica zoals streptomycine. | | Horizontale gentransfer (HGT) | Het proces waarbij genetisch materiaal van de ene naar de andere organisme wordt overgedragen, niet via voortplanting (verticale overdracht), maar door andere mechanismen zoals transformatie, transductie en conjugatie. | | Natuurlijk competent | De eigenschap van sommige bacteriën om vrij DNA uit hun omgeving op te nemen. | | Homologe recombinatie | Een proces waarbij genetische informatie wordt uitgewisseld tussen twee DNA-moleculen die vergelijkbare sequenties hebben. | | Endonucleasen | Enzymen die DNA-strengen kunnen knippen op specifieke locaties. | | Ligasen | Enzymen die DNA-strengen aan elkaar kunnen verbinden. | | Bacteriofaag | Een virus dat bacteriën infecteert. | | Virolysinen | Enzymen geproduceerd door sommige bacteriofagen die bijdragen aan het lyseren van de bacteriële celwand. | | Holine | Een membraan-doorborend eiwit dat door bacteriofagen wordt geproduceerd en samenwerkt met virolysinen om de bacteriële celwand te lyseren. | | Lytische cyclus | Een cyclus van virale replicatie waarbij de gastheercel uiteindelijk wordt vernietigd na de productie van nieuwe virussen. | | Lysogene cyclus | Een cyclus van virale replicatie waarbij het virale DNA in het bacteriële genoom wordt geïntegreerd als een profaag, zonder onmiddellijke cellysis. | | Profaag | Het DNA van een bacteriofaag dat is geïntegreerd in het bacteriële chromosoom. | | Viraal genoom | Het genetisch materiaal van een virus, bestaande uit DNA of RNA. | | Exotoxinen | Toxines die door bacteriën worden uitgescheiden naar hun omgeving. | | Biofilm vorming | Het proces waarbij bacteriën zich aan oppervlakken hechten en een beschermende matrix vormen, wat hun overleving en resistentie verhoogt. | | Sporulatie | Het proces waarbij bacteriën sporen vormen, die zeer resistente overlevingsstructuren zijn die bestand zijn tegen ongunstige omstandigheden. | | Beperkte transductie | Een vorm van transductie waarbij alleen specifieke bacteriële genen die dicht bij het profaag-integratiepunt liggen, worden overgedragen door een bacteriofaag. | | Veralgemeende transductie | Een vorm van transductie waarbij willekeurige stukken van het bacteriële genoom door een bacteriofaag worden ingekapseld en overgedragen. | | Conjugatieve transposons | Mobiele genetische elementen die de genen bevatten die nodig zijn voor conjugatie, waardoor ze zichzelf en andere genetische elementen kunnen overdragen. | | Pilus | Een haarachtige structuur aan het oppervlak van bacteriën die betrokken is bij adhesie, beweging, of de overdracht van genetisch materiaal tijdens conjugatie. | | Tra-genen (transfer genen) | Genen die coderen voor de eiwitten die nodig zijn voor de vorming van de pilus en de overdracht van genetisch materiaal tijdens conjugatie. | | F-plasmide (fertility plasmide) | Een plasmide dat de genen bevat die nodig zijn voor conjugatie en de overdracht van zichzelf naar een ontvangende bacterie. | | R-plasmide (resistentie plasmide) | Een plasmide dat genen bevat die resistentie verlenen tegen antibiotica. | | Mobiliseerbare plasmiden | Plasmiden die geen eigen conjugatiegenen hebben, maar wel kunnen worden overgedragen tijdens conjugatie wanneer een conjugeerbaar plasmide aanwezig is. | | Hfr-stam (high frequency of recombination) | Een bacteriële stam waarin een F-plasmide is geïntegreerd in het chromosoom, wat resulteert in een hoge frequentie van chromosomale gentransfer naar ontvangende bacteriën. |