Genetica en genomica HC10.docx

# Soorten mutaties en hun mechanismen Dit onderwerp behandelt de diverse typen mutaties, variërend van veranderingen op chromosoomniveau tot specifieke genmutaties, met een focus op de mechanismen die aan deze veranderingen ten grondslag liggen. ### 1.1 Definitie en classificatie van mutaties Een mutatie is een proces waarbij de sequentie van baseparen in een DNA-molecuul verandert. Mutaties kunnen worden onderverdeeld in twee hoofdtypen: chromosoommutaties en genmutaties. Bovendien kan een mutatie voorkomen in somatische cellen (somatische mutaties), die niet worden doorgegeven aan de volgende generatie, of in kiemlijncellen (kiemlijnmutaties), die wel erfelijk zijn. ### 1.2 Genmutaties Genmutaties betreffen veranderingen binnen een gen. Deze kunnen worden onderverdeeld in verschillende subtypen: #### 1.2.1 Puntmutaties Puntmutaties zijn veranderingen van één of een paar basenparen in de DNA-sequentie. Dit omvat: * **Basensubstituties:** Hierbij wordt één nucleotide vervangen door een ander. Er zijn twee hoofdtypen: * **Transitiemutaties:** Een pyrimidine wordt vervangen door een andere pyrimidine (bijvoorbeeld C naar T), of een purine door een andere purine (bijvoorbeeld A naar G). * **Transversiemutaties:** Een purine wordt vervangen door een pyrimidine (bijvoorbeeld A naar T), of andersom. * **Stille mutaties:** Substituties die, meestal door de redundantie van de genetische code, leiden tot hetzelfde aminozuur. Ze hebben geen effect op de eiwitsequentie. * **Neutrale mutaties:** Substituties die leiden tot een verandering van een aminozuur naar een aminozuur met vergelijkbare chemische eigenschappen. Het fenotype blijft hierdoor meestal onveranderd. * **Missense mutaties:** Substituties die een verandering van een aminozuur veroorzaken. Dit kan variëren van een subtiel effect tot een drastische functionele verandering van het eiwit. * **Voorbeeld:** Sikkelcelanemie ontstaat door een missense mutatie waarbij glutaminezuur wordt vervangen door valine op een specifieke positie. * **Nonsense mutaties:** Substituties die een codon veranderen in een stopcodon. Dit leidt tot vroegtijdige beëindiging van de eiwitsynthese, wat resulteert in een verkort en vaak niet-functioneel eiwit. #### 1.2.2 Inserties en deleties Inserties houden de toevoeging van één of meerdere nucleotidenparen in de DNA-sequentie in, terwijl deleties het verwijderen van één of meerdere nucleotidenparen betreffen. * **Frameshift mutaties:** Als het aantal ingevoegde of verwijderde basen geen veelvoud is van drie, verschuift het leesraam (reading frame) van de translatie. Dit leidt tot een volledig andere sequentie van aminozuren vanaf het punt van de mutatie en vaak tot de vorming van een vroegtijdig stopcodon. * **Deleties/inserties van 3 basenparen of veelvouden daarvan:** Deze mutaties veranderen het leesraam niet, maar leiden wel tot de toevoeging of verwijdering van aminozuren in het eiwit. Grote deleties kunnen zelfs gehele genen verwijderen. #### 1.2.3 Onstabiele triplet repeats Dit zijn dynamische mutaties die optreden in tandem herhalingssequenties. Het aantal herhalingen kan drastisch toenemen, wat vaak leidt tot genetische ziekten, met name erfelijke neurologische aandoeningen. * **Voorbeelden:** Ziekte van Huntington, myotone dystrofie, Fragile X-syndroom. * **Mechanisme:** De slippage van DNA-polymerase tijdens replicatie kan leiden tot de verlenging van deze herhalingssequenties. * **Voorbeeld Fragile X:** Een CGG-repeat in het FMR1 gen. Normaal: circa 29 kopieën. Drager: 55-100 kopieën. Ziek: 200-1300 kopieën. ### 1.3 Chromosoommutaties Chromosoommutaties betreffen veranderingen in de structuur of het aantal van chromosomen. Hoewel dit onderwerp zich primair richt op genmutaties, zijn deze grotere schaal veranderingen wel relevant voor de algemene context van genetische veranderingen. Voorbeelden zijn deleties van grote DNA-segmenten, duplicaties, inversies en translocaties, evenals aneuploïdie (verandering in het aantal chromosomen). ### 1.4 Verlies- en vermeerderingsfunctie mutaties Mutaties kunnen worden geclassificeerd op basis van hun effect op de functie van het genproduct: * **Vermeerderingsfunctie mutatie (Gain-of-function):** De mutatie leidt tot een verhoogde activiteit of een nieuwe functie van het eiwit. * **Verliesfunctie mutatie (Loss-of-function):** De mutatie resulteert in een verminderde of volledige afwezigheid van de eiwitfunctie. * **Dominant negatieve mutatie:** Een speciaal geval van verliesfunctie waarbij het gemuteerde eiwit de functie van het normale eiwit, geproduceerd door het andere allel, remt of verstoort. * **Haploinsufficiëntie:** Een aandoening die optreedt wanneer één functioneel allel van een gen niet voldoende is om de normale functie te handhaven, wat leidt tot een fenotype in heterozygote individuen. ### 1.5 Mutagenese: Spontane en geïnduceerde mutaties Mutagenese is het proces van het creëren van mutaties, die zowel spontaan als geïnduceerd kunnen plaatsvinden. #### 1.5.1 Spontane mutaties Deze treden op in afwezigheid van blootstelling aan mutagene stoffen en omvatten: * **DNA-replicatiefouten:** * **Basenpaar substituties:** Fouten zoals tautomerie van basen (bv. de enol-vorm van thimine kan binden aan guanine) kunnen leiden tot verkeerde basenparing tijdens replicatie. * **Kleine addities en deleties:** Veroorzaakt door het 'looping out' van de template- of nieuwe streng tijdens replicatie, resulterend in inserties of deleties van één of enkele basen. * **Spontane chemische veranderingen in basen:** * **Deaminering:** Verlies van een aminogroep, bijvoorbeeld van cytosine naar uracil. Het DNA-reparatiesysteem verwijdert de meeste uracil in DNA, maar als dit mislukt, kan het leiden tot een mutatie (C naar T). * **Depurinering/Depyrimidering:** Hydrolyse van de glycosidische binding tussen een base en de suiker, wat leidt tot een apurinische of apyrimidinische site. #### 1.5.2 Geïnduceerde mutaties Deze worden veroorzaakt door blootstelling aan externe mutagene agentia: * **Straling:** * **Ioniserende straling (bv. röntgenstralen):** Kan enkel- en dubbelstrengs breuken in DNA veroorzaken, evenals de vorming van reactieve ionen en vrije radicalen. * **UV-straling:** Kan leiden tot de vorming van thymine-dimeren (covalente bindingen tussen aangrenzende thymines), wat de normale DNA-structuur verstoort en replicatie belemmert. * **Chemische mutagenen:** * **Basenanalogen:** Stoffen die lijken op normale basen en kunnen worden ingebouwd in DNA, maar die vaker foutieve basenparing vertonen. * **Chemicaliën die basen modificeren:** Stoffen die chemische veranderingen aanbrengen aan bestaande basen (bv. alkylerende agentia). * **Intercalerende agentia:** Moleculen die zich tussen DNA-basen voegen, wat leidt tot inserties of deleties tijdens replicatie door het vervormen van de DNA-helix. ### 1.6 Mutatie hotspots Bepaalde DNA-regio's, zoals 5-methylcytosine, kunnen vaker mutaties ondergaan dan andere regio's. Dit komt deels door de spontane deaminering van 5-methylcytosine naar thymine, wat een GC naar AT transitie tot gevolg heeft. ### 1.7 Mechanismen van DNA-herstel Cellen beschikken over diverse herstelmechanismen om DNA-schade te corrigeren: * **Onmiddellijk herstel:** Correctie van kleine fouten, zoals de proefleesfunctie van DNA-polymerase tijdens replicatie. * **Fotoreactiviteit:** Enzymatisch herstel van thymine-dimeren onder invloed van blauw licht. * **Postreplicatie herstel:** Herstel van thymine-dimeren na replicatie, waarbij de sequentie van de template-streng wordt gebruikt om de ontbrekende informatie in de nieuwe streng aan te vullen. * **Excisieherstel:** * **Base excisie herstel (BER):** Een DNA-glycosylase verwijdert de beschadigde base, waarna een endonuclease de fosfodiesterruggegraat knipt. DNA-polymerase en ligase vullen het gat op. * **Nucleotide excisie herstel (NER):** Grotere beschadigde DNA-regio's worden door speciale enzymen (bv. Uvr-genproducten) uitgeknipt. Het gat wordt vervolgens opgevuld door DNA-polymerase en ligase. * **Mismatch herstel (MMR):** Detecteert en corrigeert basenpaar mismatches die niet door de proefleesfunctie van DNA-polymerase zijn opgemerkt. Dit mechanisme maakt onderscheid tussen de oude en nieuwe DNA-streng op basis van methylatiepatronen. ### 1.8 Herstel van dubbelstrengs breuken Complexe DNA-schade, zoals dubbelstrengs breuken, kan worden hersteld via: * **Homologe recombinatie:** Gebruikt een intacte homologe chromosoom of zusterchromatide als template voor herstel. * **Niet-homologe eindverbinding (NHEJ):** Directe verbinding van de gebroken eindes, wat kan leiden tot kleine inserties of deleties. ### 1.9 Transpositie (springende elementen) Transposons, of transposeerbaar genetische elementen, zijn DNA-sequenties die zich binnen het genoom kunnen verplaatsen. * **DNA-transposons:** Verplaatsen zich via een 'cut-and-paste' mechanisme met behulp van het transposase-enzym. * **Retrotransposons:** Verplaatsen zich via een RNA-intermediair (via reverse transcriptie), vergelijkbaar met virale replicatie. Mutagenese door transpositie kan plaatsvinden wanneer een transposon zich integreert in een gen, een gen onderbreekt, of de genexpressie beïnvloedt. ### 1.10 Nomenclatuur voor mutaties Mutaties worden gestandaardiseerd benoemd om hun aard en locatie duidelijk te beschrijven: * **Aminozuur substituties:** Aanduiding van het oorspronkelijke aminozuur, positie en het nieuwe aminozuur (bv. R117H voor Arginine op positie 117 vervangen door Histidine) of een stopcodon (bv. G542X voor Glycine op positie 542 vervangen door Stop). * **Nucleotiden substituties:** Aanduiding van de positie en de verandering (bv. 1162G>A voor Guanine vervangen door Adenine op positie 1162). * **Splice site mutaties:** Indicatie van de locatie ten opzichte van de intron/exon grens (bv. IVS4+1G>T). * **Deleties/inserties:** Aanduiding van de verwijderde of ingevoegde sequentie (bv. F508del voor deletie van de aminozuur F508, 409-410insC voor insertie van C tussen posities 409 en 410). > **Tip:** Begrijp de relatie tussen het type mutatie (puntmutatie, frameshift, etc.) en het potentiële effect op het eiwit en fenotype. Onthoud dat niet alle mutaties een waarneembaar effect hebben. > **Voorbeeld:** Een stille mutatie in het coderende deel van een gen kan de DNA-sequentie veranderen, maar omdat hetzelfde aminozuur wordt gecodeerd, heeft het geen fenotypisch gevolg. Een nonsens mutatie daarentegen leidt vrijwel zeker tot een verkort en niet-functioneel eiwit. --- # Voorkomen en mutagenese Dit deel behandelt de snelheid en frequentie van mutaties, evenals de factoren die mutaties kunnen veroorzaken, zowel spontaan als geïnduceerd. ### 2.1 De snelheid en frequentie van mutaties De snelheid van mutaties verwijst naar de waarschijnlijkheid van een bepaald type mutatie per tijdseenheid. De frequentie van mutatie daarentegen is het aantal keren dat een specifiek type mutatie voorkomt. Het is belangrijk te beseffen dat niet elke mutatie leidt tot een fenotypisch effect. Stille mutaties, bijvoorbeeld, veranderen de DNA-sequentie maar hebben geen impact op de aminozuursequentie van het eiwit. ### 2.2 Soorten mutaties en hun mechanismen Mutaties kunnen worden ingedeeld op basis van hun oorzaak en effect. #### 2.2.1 Genmutaties Genmutaties zijn veranderingen in de sequentie van basenparen binnen een DNA-molecuul. * **Basensubstituties (puntmutaties):** Hierbij wordt één nucleotide vervangen door een ander. * **Transities:** Een pyrimidine wordt vervangen door een andere pyrimidine (bv. C naar T) of een purine door een andere purine (bv. A naar G). * **Transversies:** Een purine wordt vervangen door een pyrimidine, of vice versa (bv. A naar T). De gevolgen van basensubstituties variëren: * **Missense mutatie:** Een verandering in een nucleotide leidt tot de incorporatie van een ander aminozuur. * **Nonsense mutatie:** Een verandering in een nucleotide creëert een stopcodon, wat leidt tot vroegtijdige terminatie van de eiwitsynthese. * **Neutrale mutatie:** De verandering van een nucleotide leidt tot een aminozuur met vergelijkbare chemische eigenschappen. * **Stille mutatie:** Door de degeneratie van de genetische code leidt een verandering in het DNA (vaak in de derde positie van een codon) niet tot een verandering van het aminozuur. * **Inserties en deleties:** Hierbij worden één of meerdere nucleotidenparen toegevoegd (insertie) of verwijderd (deletie) uit de DNA-sequentie. * **Frameshift mutaties:** Als het aantal ingevoegde of verwijderde nucleotiden geen veelvoud is van drie, verandert het leesraam voor de translatie. Dit leidt tot een compleet andere sequentie van aminozuren vanaf het punt van de mutatie en kan tevens een vroegtijdig stopcodon introduceren. * **Deleties/inserties van drie basenparen:** Als het aantal drie is, verandert het leesraam niet, maar wordt er een aminozuur verwijderd of toegevoegd. * **Onstabiele triplet repeats (dynamische mutaties):** Dit zijn tandem herhalingssequenties van drie nucleotiden die in aantal sterk kunnen toenemen, wat leidt tot genetische ziekten. Voorbeelden zijn Huntington, myotone dystrofie en het fragiele X-syndroom, waar een toename van CGG-repeats in het FMR1-gen leidt tot mentale retardatie. * **Verlies of vermeerdering van functie mutaties:** * **Vermeerdering (gain-of-function):** De mutatie zorgt voor een verhoogde activiteit of expressie van het eiwit. * **Verlies (loss-of-function):** De mutatie resulteert in een verminderde of afwezige eiwitfunctie. * **Dominant negatieve mutatie:** Het gemuteerde eiwit verstoort de functie van het normale eiwit. * **Haploinsufficiëntie:** Eén functionele kopie van het gen is niet voldoende voor een normale fenotypische expressie. #### 2.2.2 Chromosoommutaties Dit zijn grotere veranderingen die een deel van een chromosoom of het gehele chromosoom betreffen. Ze omvatten structurele (bv. deleties, duplicaties, inversies, translocaties) en numerieke (bv. aneuploïdie) afwijkingen. Hoewel genoemd in de context van mutaties, wordt hier verder geen diepgaande uitleg gegeven over deze categorie. #### 2.2.3 Somatische en kiemlijn mutaties * **Somatische mutaties:** Treedt op in somatische cellen (lichaamscellen) en wordt niet doorgegeven aan nakomelingen. * **Kiemlijn mutaties:** Treedt op in geslachtscellen (gameten) of hun voorlopers en wordt wel doorgegeven aan de volgende generatie. #### 2.2.4 Mutaties in regulatoire gebieden Mutaties kunnen ook optreden in gebieden die genexpressie reguleren: * **Promotor mutaties:** Kunnen de transcriptie remmen of juist versterken. * **Splice site mutaties:** Kunnen leiden tot foutieve splicing van pre-mRNA, wat resulteert in abnormale eiwitten. ### 2.3 Mutagenese: Oorzaken van mutaties Mutagenese is het proces waarbij mutaties worden gecreëerd. Dit kan spontaan gebeuren of geïnduceerd worden door externe factoren. #### 2.3.1 Spontane mutaties Deze treden op in de afwezigheid van mutagene stoffen en zijn een natuurlijk voorkomend fenomeen. * **DNA replicatiefouten:** Fouten gemaakt door DNA-polymerases tijdens de replicatie. * **Tautomerie:** Basen kunnen overgaan in hun tautomerische vormen (bv. de enol vorm van thymine), waardoor ze verkeerd kunnen paren (bv. G met T, A met C). * **Kleine inserties en deleties:** Veroorzaakt door "slippage" van de DNA-polymerase, waarbij een lus ontstaat in de nieuwe of template streng. Als de lus in de nieuwe streng ontstaat, leidt dit tot een insertie; als deze in de template streng ontstaat, leidt dit tot een deletie. * **Spontane chemische veranderingen in basen:** * **Deaminering:** De verwijdering van een aminogroep van een base. Deaminering van cytosine produceert uracil, wat door de cel wordt herkend als een normale component van RNA maar een fout in DNA is. Deaminering van 5-methylcytosine produceert thymine, wat kan leiden tot GC naar AT transitie mutaties. * **Depurinatie:** De hydrolyse van de glycosidische binding tussen een purine base en het suiker-fosfaat skelet, resulterend in een apurinische site. Als dit niet hersteld wordt, kan een willekeurige base worden ingebouwd tijdens replicatie. De meeste spontane fouten worden gecorrigeerd door cellulaire reparatiesystemen. Indien niet hersteld, worden ze permanente veranderingen. #### 2.3.2 Geïnduceerde mutaties Deze worden veroorzaakt door blootstelling aan mutagene stoffen of straling. * **Straling:** * **Ioniserende straling (bv. X-stralen, gammastralen):** Kan vrije radicalen produceren die DNA-strengen breken en covalente bindingen beschadigen. * **UV-straling:** Veroorzaakt de vorming van covalente bindingen tussen aangrenzende thymine basen (thymine dimeren). Deze dimeren vervormen de DNA-structuur en belemmeren replicatie en transcriptie. * **Chemische mutagenen:** * **Basenanalogen:** Stoffen die structureel lijken op DNA-basen en ingebouwd kunnen worden tijdens replicatie, waardoor ze verkeerde paringen bevorderen. * **Chemicaliën die basen modificeren:** Stoffen die de chemische structuur van basen veranderen, waardoor verkeerde paringen ontstaan of ze worden herkend als beschadigd. * **Intercalerende agentia:** Moleculen die zich tussen de basenparen in het DNA nestelen. Dit kan leiden tot inserties of deleties van basenparen tijdens replicatie, wat frameshift mutaties veroorzaakt. ### 2.4 DNA herstelmechanismen Cellen beschikken over verschillende DNA-herstelmechanismen om mutaties te corrigeren: * **Direct herstel:** Herstelt direct de chemische beschadiging, zoals het herstel van thymine dimeren door fotoreactivatie na blootstelling aan blauw licht. * **Excisieherstel:** Verwijderde beschadigde basen of nucleotiden en vervangt ze. * **Base excisie herstel (BER):** Verwijdert een beschadigde base, waarna de DNA-backbone wordt geknipt en het gat wordt opgevuld. * **Nucleotide excisie herstel (NER):** Verwijdert een groter gebied rond de beschadiging, waarna het gat wordt opgevuld. * **Mismatch herstel (MMR):** Detecteert en corrigeert basen die niet correct paren na replicatie. Dit mechanisme maakt gebruik van methylatiepatronen om de oude (gemethyleerde) streng te onderscheiden van de nieuwe (niet-gemethyleerde) streng, en corrigeert de fouten op de nieuwe streng. * **Herstel van dubbelstrengige breuken:** Mechanisme zoals homologe recombinatie herstelt breuken waarbij stukken van het chromosoom verloren gaan of gerearrangeerd worden. > **Tip:** Het begrijpen van de verschillende DNA-herstelmechanismen is cruciaal om te snappen hoe het genoom zijn stabiliteit handhaaft ondanks constante blootstelling aan mutagene factoren. ### 2.5 Nomenclatuur voor mutaties Er is een gestandaardiseerde manier om mutaties te beschrijven: * **Aminozuur substituties:** Aangeduid met de naam van het oorspronkelijke aminozuur, het positienummer en het nieuwe aminozuur (bv. R117H voor arginie naar histidine op positie 117) of met een stopcodon (bv. G542X voor glycine naar stop op positie 542). * **Nucleotide substituties:** Aangeduid met het oorspronkelijke nucleotide, het positienummer en het vervangende nucleotide (bv. 1162G>A, wat aangeeft dat guanine op positie 1162 is vervangen door adenine). * **Splice site mutaties:** Worden vaak aangeduid met IVS (intervening sequence) gevolgd door het intronnummer en de positie ten opzichte van de splice site, met de nucleotidenverandering (bv. IVS4+1G>T). * **Deleties/inserties:** Aangeduid met de positie(s) en de letter(s) die verwijderd of ingevoegd zijn (bv. F508del voor deletie van fenylalanine op positie 508; 409-410insC voor insertie van cytosine op posities 409-410). ### 2.6 Transpositie Transpositie is het proces waarbij DNA-sequenties, transposons genaamd, zich door het genoom kunnen verplaatsen. * **DNA transposons:** Verplaatsen zichzelf als DNA-moleculen via een "cut-and-paste" mechanisme, mogelijk gemaakt door het enzym transposase. * **Retrotransposons:** Verplaatsen zichzelf via een RNA-intermediair. Ze worden eerst getranscribeerd naar RNA, waarna een reverse transcriptase-enzym DNA kopieën van dit RNA maakt, die vervolgens in het genoom worden geïntegreerd. Mutagenese door transpositie kan optreden wanneer een transposon zich integreert in een gen, een regulatoir element, of zorgt voor chromosomale herschikkingen. > **Example:** De ziekte van Huntington is een voorbeeld van een genetische aandoening die ontstaat door de expansie van triplet repeats (CAG) in het huntingtine-gen, wat wordt geclassificeerd als een dynamische mutatie. ### 2.7 Voorbeelden van genetische afwijkingen door genmutaties * Ziekte van Huntington * Cri du chat syndroom (een chromosoomafwijking, maar illustreert de impact van genetische veranderingen) * Prader-Willi syndroom (vaak veroorzaakt door deleties op chromosoom 15) --- # DNA herstelmechanismen Cellen beschikken over diverse mechanismen om DNA-schade te repareren en de integriteit van het genoom te handhaven. ## 3.1 Algemene principes van DNA-herstel DNA-schade kan ontstaan door interne processen zoals replicatiefouten of externe factoren zoals UV-straling en chemische stoffen. Deze schade kan leiden tot mutaties, die op hun beurt de normale celfunctie kunnen verstoren. Cellen hebben een repertoire aan herstelenzymen die specifiek verschillende soorten schade kunnen detecteren en repareren. ## 3.2 Herstelmechanismen ### 3.2.1 De proefleesfunctie van DNA polymerase Tijdens de DNA-replicatie speelt DNA polymerase een cruciale rol in het voorkomen van fouten. Veel DNA polymerasen hebben een ingebouwde proefleesfunctie (proofreading). * **Mechanisme:** Als DNA polymerase een verkeerd nucleotide inbouwt, detecteert het dit door een verkeerde basenparing, wat leidt tot een verhoogde spanning in de fosfodiësterruggengraat. De 3' naar 5' exonuclease activiteit van het polymerase verwijdert dan het verkeerde nucleotide, waarna het juiste nucleotide kan worden ingebouwd. > **Tip:** De proefleesfunctie vermindert de frequentie van replicatiefouten drastisch, waardoor de kans op spontane mutaties wordt verkleind. ### 3.2.2 Fotoreactiviteit Fotoreactiviteit is een direct herstelmechanisme dat specifiek gericht is op de schade veroorzaakt door UV-straling, met name de vorming van thymine dimeren. * **Schade:** UV-straling kan leiden tot de vorming van covalente bindingen tussen aangrenzende thyminebasen op dezelfde DNA-streng, waardoor een thymine dimeer ontstaat. Dit dimeer vervormt de DNA-helix en verstoort de normale basenparing. * **Herstel:** In veel organismen (zoals bacteriën en veel eukaryoten) bestaat een enzym genaamd fotolyase. Dit enzym bindt aan het thymine dimeer en, onder invloed van blauw licht, gebruikt het de energie van het licht om de covalente bindingen binnen het dimeer te verbreken, waardoor de oorspronkelijke thyminebasen worden hersteld. ### 3.2.3 Excisieherstel Excisieherstel is een algemeen mechanisme waarbij beschadigde of incorrecte nucleotiden worden verwijderd en vervangen door de juiste. Er zijn twee belangrijke vormen: basexcisieherstel (BER) en nucleotidexcisieherstel (NER). #### 3.2.3.1 Basexcisieherstel (BER) BER richt zich op de verwijdering van individuele beschadigde of gemodificeerde basen. * **Mechanisme:** 1. Een DNA glycosylase detecteert en verwijdert de specifieke beschadigde base door de N-glycosidische binding te verbreken. Dit creëert een apurinische/apyrimidinische (AP) site. 2. Een AP endonuclease herkent de AP site en maakt een knip in de fosfodiësterruggengraat van de DNA-streng. 3. DNA polymerase vult het gat op met de correcte nucleotide(n). 4. DNA ligase sluit de nick in de ruggengraat, waardoor de herstelde streng compleet wordt. > **Voorbeeld:** Deaminering van cytosine naar uracil wordt hersteld door BER. Een specifieke DNA glycosylase (uracil-DNA glycosylase) verwijdert het uracil. #### 3.2.3.2 Nucleotidexcisieherstel (NER) NER is een veelzijdig mechanisme dat grotere beschadigde segmenten van het DNA kan verwijderen, waaronder thymine dimeren, chemisch gemodificeerde basen en cross-links. * **Mechanisme:** 1. Een complex van eiwitten herkent de DNA-schade. 2. Het enzym splijt de DNA-streng aan beide zijden van de schade, waardoor een oligonucleotide segment dat de beschadigde nucleotiden bevat, wordt verwijderd (excisie). 3. DNA polymerase synthetiseert een nieuw stuk DNA dat complementair is aan de onbeschadigde streng, waarbij het gat wordt opgevuld. 4. DNA ligase sluit de resterende nick. > **Tip:** NER is een robuust mechanisme dat schade kan herstellen die BER niet kan aanpakken. Het is essentieel voor de bescherming tegen UV-schade en andere DNA-beschadigende agentia. ### 3.2.4 Mismatchherstel (MMR) Mismatchherstel (Mismatch Repair - MMR) corrigeert fouten die optreden tijdens de DNA-replicatie die niet door de proefleesfunctie van DNA polymerase zijn gedetecteerd. Dit zijn voornamelijk verkeerde basenparingen of kleine inserties/deleties. * **Mechanisme:** 1. **Detectie:** Het MMR-systeem detecteert een verkeerde basenparing of een kleine indel (insertie/deletie). 2. **Herkenning van de oude streng:** Cruciaal voor MMR is het vermogen om de nieuw gesynthetiseerde (ongemethyleerde) streng te onderscheiden van de oude (gemethyleerde) streng. In veel bacteriën, zoals *E. coli*, wordt dit gedaan door methylatie van Adenine in de sequentie GATC. De nieuwe streng is tijdelijk ongemethyleerd. 3. **Excisie:** Een complex van MMR-eiwitten (zoals MutS, MutL, en MutH in *E. coli*) bindt aan de mismatch. Het systeem snijdt de *ongemethyleerde* streng aan de zijde van de fout en verwijdert een segment van deze streng dat de fout bevat. 4. **Synthese:** DNA polymerase vult het gat op met de correcte nucleotiden, gebaseerd op de templatestrang van de oude, gemethyleerde DNA-streng. 5. **Ligatie:** DNA ligase sluit de nick. > **Voorbeeld:** Als DNA polymerase een A inbouwt tegenover een G op de template, zal MMR dit detecteren en het incorrecte A verwijderen en vervangen door een C. ### 3.2.5 Herstel van dubbelstrengs breuken Dubbelstrengs breuken (Double-Strand Breaks - DSBs) zijn potentieel de meest schadelijke vorm van DNA-schade, omdat ze beide strengen van de helix tegelijkertijd aantasten. Er zijn twee belangrijke recombinatie-afhankelijke herstelpaden: #### 3.2.5.1 Homologe recombinatie (HR) Homologe recombinatie is een nauwkeurig herstelmechanisme dat plaatsvindt in de S- en G2-fase van de celcyclus, wanneer een zusterchromatide beschikbaar is als template. * **Mechanisme:** 1. De breukpunten worden verwerkt door nucleasen, die een enkele streng uitsteken aan de 5'-uiteinden van de breuk. 2. Deze enkele strengen scannen de zusterchromatide om een complementaire sequentie te vinden (strand invasion). 3. De geïnfiltreerde streng dient als primer voor DNA-synthese, waarbij de genetische informatie van de zusterchromatide wordt gekopieerd om de breuk te overbruggen. 4. Vervolgens worden er crossover- of non-crossover-structuren gevormd en opgeruimd, wat leidt tot een nauwkeurig herstel van de dubbelstrengs breuk. > **Tip:** HR zorgt voor een vrijwel foutloos herstel van DSBs omdat het een intacte templatestreng gebruikt. #### 3.2.5.2 Niet-homologe eindverbinding (NHEJ) Niet-homologe eindverbinding (Non-Homologous End Joining - NHEJ) is een sneller, maar minder nauwkeurig herstelmechanisme dat in alle fasen van de celcyclus kan plaatsvinden. Het verbindt de gebroken eindes van de DNA-strengen direct aan elkaar, zonder dat er een template nodig is. * **Mechanisme:** 1. Het gebroken DNA-eindes worden direct door een complex van eiwitten (waaronder Ku-eiwitten en DNA-ligase IV) herkend en samengevoegd. 2. Voordat de uiteinden worden verbonden, kunnen ze worden "schoongemaakt" (door nucleasen) of verlengd (door polymerasen), wat kan leiden tot kleine inserties of deleties op de breukplaats. > **Voorbeeld:** NHEJ is het dominante DSB-herstelpad in veel dierlijke cellen, maar de introductie van kleine mutaties op de breukplaats kan leiden tot functieverlies van het gen. ## 3.3 Transpositie en mutagenese Transpositie is een proces waarbij mobiele genetische elementen, transposons genaamd, zich binnen het genoom kunnen verplaatsen. Dit proces kan leiden tot mutaties. ### 3.3.1 Transposons Transposons zijn DNA-sequenties die het vermogen hebben om "springende genen" te vormen en zich op verschillende locaties in het genoom te integreren. * **Mechanisme van transposon transpositie (DNA transposons):** 1. Transposons coderen voor een enzym genaamd transposase. 2. Transposase herkent specifieke sequenties aan de uiteinden van het transposon (inverted repeat sequences - ITRs). 3. Transposase maakt knippen in het DNA op de doellocatie en in het transposon zelf. 4. Het transposon wordt uit zijn oorspronkelijke locatie geknipt en in de doellocatie geïntegreerd. 5. De cel vult de gaten aan de oorspronkelijke locatie en de nieuwe locatie aan, vaak resulterend in korte directe repeats (direct repeats - DRs) op de doellocatie. * **Retrotranspositie (Retrotransposons):** Sommige transposons (retrotransposons) bewegen via een RNA-intermediair. Ze worden eerst getranscribeerd naar RNA, dat vervolgens door een reverse transcriptase wordt omgezet naar DNA, dat dan op een nieuwe locatie in het genoom kan worden geïntegreerd. Dit proces is vergelijkbaar met de levenscyclus van retrovirussen. ### 3.3.2 Mutagenese door transpositie De integratie van een transposon op een willekeurige locatie in het genoom kan leiden tot verschillende soorten mutaties: * **Insertiemutaties:** Als een transposon integreert in een gen, kan het dit gen inactiveren door de coderende sequentie te onderbreken. * **Genexpressie veranderingen:** Een transposon dat nabij een gen integreert, kan de regulatie van genexpressie veranderen door zijn eigen promotor of enhancer elementen die de expressie van naburige genen beïnvloeden. * **Chromosomale herschikkingen:** Transpositie kan leiden tot duplicaties, deleties of inversies van DNA-segmenten, vooral als er meerdere kopieën van een transposon aanwezig zijn in het genoom. > **Voorbeeld:** Onstabiele triplet repeats, zoals die voorkomen bij ziekten als de ziekte van Huntington en Fragiele X-syndroom, kunnen ontstaan door slippage tijdens replicatie of door de activiteit van transposon-achtige elementen, leidend tot een verhoogd aantal herhalingen en ziekteontwikkeling. --- # Transpositie en genetische afwijkingen Dit deel bespreekt transposons, mobiele genetische elementen die mutaties kunnen veroorzaken via DNA-transpositie en retrotranspositie, evenals genetische afwijkingen die voortkomen uit genmutaties. ### 4.1 Genetische afwijkingen door genmutaties Genmutaties zijn veranderingen in de sequentie van baseparen in een DNA-molecuul. Deze kunnen onderverdeeld worden in verschillende categorieën: #### 4.1.1 Basensubstituties (puntmutaties) Bij basensubstituties wordt één nucleotiden veranderd. Er zijn verschillende types: * **Transitie mutatie:** Een pyrimidine wordt vervangen door een andere pyrimidine, of een purine door een andere purine. * **Transversie mutatie:** Een purine wordt vervangen door een pyrimidine, of vice versa. Afhankelijk van het effect op het aminozuur zijn er verschillende soorten basensubstituties: * **Missense mutatie:** Een verandering in het nucleotide leidt tot een ander aminozuur. * **Nonsense mutatie:** Een verandering in het nucleotide creëert een stopcodon, wat leidt tot de vroegtijdige beëindiging van de eiwitsynthese. * **Neutrale mutatie:** De verandering van de middelste baseparen resulteert in de incorporatie van een aminozuur met vergelijkbare chemische eigenschappen. * **Stille mutatie:** De verandering van basenparen (vaak de laatste base van een codon) resulteert niet in een verandering van het aminozuur. #### 4.1.2 Inserties en deleties Inserties houden de toevoeging van één of meerdere nucleotidenparen in de DNA-sequentie in, terwijl deleties het verwijderen van één of meerdere nucleotidenparen betreffen. * **Frameshift mutaties:** De toevoeging of verwijdering van een aantal baseparen dat geen veelvoud van drie is, verandert het leesraam (reading frame) van de genetische code. Dit resulteert in een sequentie van totaal andere aminozuren vanaf het punt van de mutatie. * **Mutaties die geen veelvoud van drie basen betreffen:** Leiden tot een verandering van het leesraam (frameshift mutaties). * **Mutaties die een veelvoud van drie basen betreffen:** Veranderen het leesraam niet, maar leiden tot de toevoeging of verwijdering van aminozuren. Grote deleties kunnen zelfs hele genen verwijderen. #### 4.1.3 Onstabiele triplet repeats (dynamische mutaties) Dit zijn tandem herhalingssequenties waarbij het aantal herhalingen sterk kan toenemen, wat vaak leidt tot ziekten. Deze mutaties komen vooral voor bij erfelijke neurologische aandoeningen zoals Huntington, myotone dystrofie en het Fragiele X-syndroom. * **Fragiele X-syndroom:** Veroorzaakt mentale retardatie door een defect in het FMR1-gen. Een CGG-herhalingssequentie die normaal 29 kopieën telt, kan bij dragers oplopen tot 55-100 kopieën en bij patiënten zelfs tot 200-1300 kopieën. Het ontstaan van deze "stottergenen" kan komen door een fout tijdens DNA-replicatie, leidend tot 'slippage' en verlenging van de streng. #### 4.1.4 Verlies of vermeerdering van functie mutaties * **Vermeerdering van functie:** De mutatie leidt tot een verhoogde aanmaak van het eiwit. * **Verlies van functie:** De mutatie resulteert in een verminderde of afwezige eiwitproductie. * **Dominant negatieve mutatie:** De mutatie produceert een abnormaal proteïne dat de functie van het normale proteïne kan verstoren. * **Haploinsufficiëntie:** Bij heterozygoten is het gezonde allel niet voldoende om de normale functie te garanderen, wat leidt tot een dominante stoornis. ### 4.2 Mutagenese Mutagenese is het proces waarbij mutaties ontstaan, hetzij spontaan, hetzij geïnduceerd. #### 4.2.1 Spontane mutaties Deze treden op in afwezigheid van mutagene stoffen en kunnen ontstaan door: * **DNA-replicatiefouten:** Fouten tijdens de replicatie, zoals basenpaar substituties of kleine addities en deleties. Tautomerie van basen (enol vorm in plaats van keto vorm) kan leiden tot verkeerde basenparing (bv. G met T, A met C). * **Spontane chemische veranderingen in basen:** * **Deaminering:** Verwijdering van een aminogroep, bijvoorbeeld van cytosine naar uracil. * **Depurinering/Depurinering:** Verlies van een purine door hydrolyse van de binding tussen de base en de suiker, wat resulteert in een apurinische site. * **Mismatches:** Wanneer DNA-polymerase een foutieve base incorporeert die niet wordt gedetecteerd door het proefleesmechanisme of niet wordt hersteld door Mismatch Repair (MMR). **Mutatie hot spots** zijn gebieden in het DNA met een hogere mutatiegraad. 5-methylcytosine is een bekende hotspot vanwege spontane deaminering naar thymine, wat leidt tot een GC naar AT transitie. #### 4.2.2 Geïnduceerde mutaties Deze worden veroorzaakt door externe factoren: * **Straling:** * **X-stralen:** Kunnen breuken in het DNA veroorzaken. * **UV-straling:** Kan leiden tot de vorming van thyminedimeren, waarbij aangrenzende thymines covalent aan elkaar binden en de DNA-structuur verstoren. * **Ioniserende radiatie:** Produceert vrije radicalen die covalente bindingen kunnen breken. * **Chemische mutagenen:** Stoffen die basen modificeren, fungeren als basenanalogen, of interkaleren tussen de basenparen. * **Intercalerende agentia:** Zorgen voor een "relaxerende" vorm van de helix, wat bij replicatie kan leiden tot additie- of deletiemutaties. ### 4.3 Transpositie Transpositie is het proces waarbij **transposons** (ook wel "springende genen" genoemd) zich door het genoom verplaatsen. Dit kan leiden tot mutaties. #### 4.3.1 Transposons Dit zijn DNA-sequenties die de capaciteit hebben om van locatie te veranderen binnen het genoom. Ze bestaan typisch uit: * **Open reading frames (ORFs):** Genen die coderen voor eiwitten die betrokken zijn bij transpositie, zoals transposase. * **ITR-sequenties:** Inverted Terminal Repeats (omgekeerde terminale herhalingen) aan beide uiteinden. * **Direct Repeat:** Sequenties aan beide uiteinden die identiek zijn, maar niet elkaars inverse. #### 4.3.2 DNA-transpositie Bij dit type transpositie wordt het transposon zelf uit het donor-DNA geknipt en ingevoegd in een nieuwe locatie in het genoom. * Het transposon wordt aan zijn uiteinden door transposase geknipt. * Het wordt vervolgens ingevoegd in het doelwit-DNA, dat op een specifieke sequentie wordt opengeknipt. * De uiteinden van het transposon worden aangevuld met een complementaire streng, en DNA-ligase voltooit het proces. #### 4.3.3 Retrotranspositie Retrotransposons verplaatsen zich via een RNA-intermediair. Dit proces lijkt op de replicatie van retrovirussen. * Het retrotransposon wordt getranscribeerd naar RNA. * Dit RNA wordt vervolgens teruggesynthetiseerd naar DNA via reverse transcriptase (vaak gecodeerd door het retrotransposon zelf). * Het nieuw gevormde DNA-kopie wordt in het genoom geïntegreerd. #### 4.3.4 Mutagenese door transpositie De insertie van een transposon op een nieuwe locatie kan leiden tot mutaties door: * Interferentie met de expressie van naburige genen. * Onderbreking van de coderende sequentie van een gen. * Inductie van recombinatie tussen repetitieve sequenties. ### 4.4 Voorbeelden van genetische afwijkingen door genmutaties * **Ziekte van Huntington:** Een neurologische aandoening veroorzaakt door een expansie van triplet repeats. * **Cri du chat syndroom:** Een genetische aandoening die ontstaat door een deletie op de korte arm van chromosoom 5. * **Prader-Willi syndroom:** Een genetische aandoening die kan ontstaan door deleties of imprinting-afwijkingen op chromosoom 15. > **Tip:** Begrijp het verschil tussen transities en transversies, en hoe missense, nonsense en stille mutaties de eiwitfunctie beïnvloeden. Vergeet ook niet de implicaties van frameshift mutaties. > **Tip:** Onthoud dat niet alle mutaties fenotypische effecten hebben; stille mutaties zijn een belangrijk voorbeeld hiervan. > **Tip:** Wees bedacht op de verschillende mechanismen van DNA-herstel; deze zijn cruciaal voor het behoud van genomische stabiliteit. > **Tip:** De mechanismen van DNA-transpositie en retrotranspositie tonen de dynamische aard van genomen aan en hoe deze mobiele elementen kunnen bijdragen aan genetische variatie en ziekten. --- ## 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 | |------|------------| | Mutaties | Overerfbare veranderingen in de genetische informatie, waarbij de sequentie van baseparen in een DNA-molecuul verandert. | | Chromosoommutaties | Veranderingen in de structuur of het aantal van chromosomen. Dit kan variëren van kleine structurele afwijkingen tot numerieke veranderingen. | | Genmutaties | Veranderingen in de sequentie van nucleotiden binnen een gen. Deze kunnen variëren van puntmutaties tot grotere inserties of deleties. | | Somatische mutaties | Mutaties die optreden in lichaamscellen (somatische cellen) en niet worden doorgegeven aan nakomelingen. | | Kiemlijn mutaties | Mutaties die optreden in geslachtscellen (kiemlijn) en dus wel kunnen worden overgedragen naar de volgende generatie. | | Basensubstituties | Een type genmutatie waarbij een enkel basepaar in het DNA wordt vervangen door een ander basepaar. Dit wordt ook wel een puntmutatie genoemd. | | Puntmutaties | Veranderingen van één enkel nucleotidenpaar in de DNA-sequentie. Deze kunnen stille mutaties, missense mutaties of nonsens mutaties veroorzaken. | | Deleties | Het verwijderen van één of meerdere nucleotiden uit de DNA-sequentie. Afhankelijk van de grootte kunnen deleties het leesraam van het gen beïnvloeden. | | Inserties | Het toevoegen van één of meerdere nucleotiden aan de DNA-sequentie. Net als bij deleties kunnen inserties het leesraam veranderen. | | Frameshift mutaties | Mutaties die ontstaan door de toevoeging of verwijdering van een aantal nucleotiden dat geen veelvoud van drie is, waardoor het leesraam van het mRNA verschuift en de eiwitsequentie drastisch verandert. | | Transitiemutatie | Een type basensubstitutie waarbij een pyrimidine wordt vervangen door een andere pyrimidine (C <-> T) of een purine door een andere purine (A <-> G). | | Transversiemutatie | Een type basensubstitutie waarbij een purine wordt vervangen door een pyrimidine, of vice versa (A/G <-> C/T). | | Missense mutatie | Een puntmutatie die resulteert in de codering van een ander aminozuur dan het oorspronkelijke aminozuur, wat kan leiden tot een verandering in de eiwitfunctie. | | Nonsens mutatie | Een puntmutatie die een codon voor een aminozuur verandert in een stopcodon, wat leidt tot voortijdige beëindiging van de eiwitsynthese. | | Stille mutatie | Een puntmutatie waarbij het veranderde codon nog steeds codeert voor hetzelfde aminozuur, vaak door redundantie in de genetische code, waardoor er geen functionele verandering in het eiwit optreedt. | | Onstabiele triplet repeats | Dynamische mutaties die ontstaan door repetitieve sequenties van drie nucleotiden. De toename in het aantal herhalingen kan leiden tot genetische ziekten. | | Mutagenese | Het proces waarbij mutaties ontstaan, hetzij spontaan, hetzij geïnduceerd door externe factoren zoals straling of chemische stoffen. | | Spontane mutaties | Mutaties die optreden in afwezigheid van blootstelling aan een bekende mutagene stof, vaak veroorzaakt door fouten tijdens DNA-replicatie of natuurlijke chemische veranderingen. | | Geïnduceerde mutaties | Mutaties die worden veroorzaakt door blootstelling aan externe agentia, zoals ioniserende straling, UV-straling of bepaalde chemische verbindingen. | | Thymine dimeren | Covalente bindingen die ontstaan tussen twee aangrenzende thyminebasen in DNA, meestal veroorzaakt door UV-straling, wat de DNA-structuur verstoort. | | Intercalerende agentia | Chemische stoffen die zich tussen de baseparen van DNA kunnen inbedden, wat kan leiden tot inserties of deleties tijdens DNA-replicatie en dus tot frameshift mutaties. | | DNA herstel | Een verzameling cellulaire mechanismen die zijn ontworpen om schade aan het DNA te detecteren en te corrigeren, waardoor de genetische integriteit behouden blijft. | | Excisieherstel | Een algemene term voor DNA-herstelprocessen waarbij beschadigde of misplaatste nucleotiden uit de DNA-streng worden verwijderd (excisie) en vervolgens worden vervangen. | | Base excisie herstel (BER) | Een specifiek DNA-herstelpad dat kleine beschadigingen aan individuele basen aanpakt, zoals oxidatie of deaminering, door de beschadigde base te verwijderen en te vervangen. | | Nucleotiden excisie herstel (NER) | Een DNA-herstelpad dat grotere beschadigingen aan het DNA behandelt, zoals thymine dimeren of chemische adducten, door een langere sequentie van nucleotiden te verwijderen en te vervangen. | | Mismatch herstel (MMR) | Een DNA-herstelmechanisme dat foutieve baseparing detecteert die optreedt tijdens DNA-replicatie en deze corrigeert door de verkeerd ingevoegde nucleotide(n) te verwijderen en te vervangen door de juiste. | | Dubbelstrengs breuken | Een ernstige vorm van DNA-schade waarbij beide strengen van de dubbele helix op dezelfde plaats worden verbroken. Deze worden voornamelijk hersteld door homologe recombinatie of non-homologe eindverbinding. | | Transposons | Genetische elementen die in staat zijn om hun positie binnen het genoom te veranderen, ook wel springende genen genoemd. Ze kunnen mutaties veroorzaken door hun insertie of deletie. | | Retrotranspositie | Een type transposon-transpositie dat plaatsvindt via een RNA-intermediair, waarbij het genexpressieproduct van het retrotransposon reverse transcriptase gebruikt om RNA om te zetten in DNA, dat vervolgens in het genoom wordt geïntegreerd. | | Reverse transcriptase | Een enzym dat RNA als template gebruikt om DNA te synthetiseren. Het is cruciaal voor de replicatie van retrovirussen en retrotransposons. |