Microbiology Molecular Biology

# Methoden voor het prepareren en observeren van cellen en weefsels Dit hoofdstuk behandelt de methoden die nodig zijn om cellen en weefsels zichtbaar te maken voor microscopisch onderzoek, met een focus op celcultuurtechnieken en de principes daarachter [7](#page=7). ### 1.1 Principes van cel- en weefselpreparatie Het doel van het prepareren van cellen en weefsels is om ze observeerbaar te maken onder een lichtmicroscoop (LM) of elektronenmicroscoop (EM). Biologisch materiaal laat echter weinig licht door en heeft van nature weinig contrast, wat fixeren, inbedden, snijden en kleuren of contrasteren noodzakelijk maakt [7](#page=7). ### 1.2 Celcultuur: geschiedenis en concepten Celcultuurtechnieken zijn essentieel geworden in biologisch onderzoek. Historisch gezien begon dit met "Tissue Culture" (TC) in 1907 door Harrison, waarbij zenuwen van kikkerembryo's in lymfe op een glasplaat werden gekweekt. Later, in 1948, ontwikkelde Earle 2D-monolaagcultures, die de 3D-structuur van organen en weefsels "simuleren" [8](#page=8). #### 1.2.1 Celtypen in cultuur * **Primaire culturen:** Ontstaan uit explantaten van organen of tumoren. Deze cellen hebben een beperkte levensduur [8](#page=8). * **Cellijnen:** Stabiele, vaak geïmmortaliseerde cellen met een potentieel onbeperkte levensduur. Deze kunnen afkomstig zijn van tumoren of verkregen worden na selectie ("crisis") van culturen die anders zouden verouderen ("senescence"). Immortalisatie kan ook bereikt worden door de introductie van virale oncogenen [8](#page=8). #### 1.2.2 Stadia van celcultivering Het proces om een cellijn te maken vanuit weefsel omvat verschillende stappen [9](#page=9): 1. Enzymatische behandeling van het weefsel om cellen te scheiden [9](#page=9). 2. Cellen laten uitzakken of centrifugeren naar de bodem [9](#page=9). 3. Cellen uitzaten in een groeirecipiënt, zoals een petrischaal [9](#page=9). 4. Overleven en uitgroeien van de cellen [9](#page=9). 5. Bij een confluente laag cellen, deze losmaken en splitsen voor verdere kweek [9](#page=9). #### 1.2.3 Typische celculturen Celculturen kunnen worden geobserveerd op verschillende vergrotingen. Bij hoge vergroting toont elk wit lijntje de celrand. Bij lage vergroting is te zien hoe een kolonie ontstaat uit een enkele cel en uit meerdere cellen bestaat [10](#page=10). ### 1.3 Groeisubstraten en -procedures #### 1.3.1 Groeisubstraten Groeisubstraten dienen als fysieke drager, maar beschermen cellen ook tegen anoïkis (een vorm van geprogrammeerde celdood of apoptose). Dit is essentieel voor adherente celculturen, wat de meeste celtypes betreft. Verschillende materialen kunnen als substraat dienen [15](#page=15): * Glas (negatief geladen) [15](#page=15). * Voorbehandeld polystyreen (gebruikt in microplaten, flessen, multiplaten, rollers, beads) [15](#page=15). * Coatings zoals poly-D-lysine (sterk positief geladen), collageen (een eiwit van de Extracellulaire Matrix - ECM), of geconditioneerd milieu gevormd door feedercelculturen [15](#page=15). #### 1.3.2 Procedures om in vivo condities na te bootsen Om de in vitro condities meer vergelijkbaar te maken met de in vivo situatie, kunnen cellen op eiwitten van de ECM worden gekweekt. Soms hebben cellen signalen of stoffen van omringende cellen nodig. Dit kan nagebootst worden door [15](#page=15): 1. Het gebruik van medium van een moedercultuur [15](#page=15). 2. Het kweken van cellen op een feedercellaag [15](#page=15). ### 1.4 Celgroeidichtheid en celtransfer #### 1.4.1 Celdichtheids-afhankelijke inhibitie Cellen in cultuur delen totdat ze een confluente tweedimensionale (2D) monolaag vormen. Op dat punt treedt "contactinhibitie" van celproliferatie op, mede door concurrentie voor mitogenen. Door vers medium toe te voegen, kunnen delingen opnieuw beginnen. Efficiënter is het splitsen van de cultuur in dochterculturen, vaak met behulp van de trypsine-EDTA procedure [17](#page=17). #### 1.4.2 Groei in 2D en 3D culturen Tumorcellen kunnen het vermogen tot contactinhibitie verloren hebben, waardoor ze in dense foci of hoopjes kunnen groeien, zelfs in 3D. MDCK cellen (Madine-Darby Canine Kidney epitheelcellen) kunnen op een filter een 2D-cultuur vormen of, in de juiste omgeving, cysten vormen in 3D. Bij 3D-groei kunnen eiwitten zich apicaal of basolateraal in de cel plaatsen [18](#page=18) [19](#page=19). #### 1.4.3 Procedure van celtransfer Celtransfer vindt plaats om cellen te vermeerderen en te behouden [20](#page=20). * **Suspensiecultures:** Gebeurt door eenvoudige verdunning, eventueel na zacht centrifugeren en heropname in vers milieu [20](#page=20). * **Adherente cellen:** Celtransfer gebeurt wanneer de cel(mono)laag confluenter wordt, gemiddeld om de 3 tot 7 dagen [20](#page=20). * De cultuur wordt behandeld met trypsine/EDTA (TE) [20](#page=20). * Trypsine is een maagprotease dat oppervlakte-eiwitten degradeert bij korte behandeling [20](#page=20). * EDTA (ethyleendiaminetetra-acetaat) cheleert calcium en magnesium, wat de intercellulaire adhesie en cel-substraatbinding beïnvloedt [20](#page=20). * Onder geschikte condities komen de cellen los van het substraat en elkaar, en vormen een suspensie van levende, opgebolde cellen [20](#page=20). * Deze suspensie wordt optimaal geacht wanneer deze monocellulair is [20](#page=20). * De suspensie wordt vervolgens verdund (uitgesplitst) en uitgezaaid in nieuwe recipiënten. De verdunning varieert van 1 over 3 voor "normale" cellen tot 1 over 30 voor "tumorale" cellen [20](#page=20). * Resterend trypsine wordt geïnhibeerd door protease-inhibitoren, die natuurlijk aanwezig zijn in serum [20](#page=20). ### 1.5 Cellijnen en celbanken Cellen kunnen afkomstig zijn van andere laboratoria, eigen isolatie (primaire culturen), of celbanken. Bekende celbanken zijn ATCC (The American Type Culture Collection) en ECACC (The European Collection of Cell Cultures) [14](#page=14). ### 1.6 Observatietechnieken en apparatuur Cellen in cultuur kunnen worden geobserveerd met behulp van microscopie. Fluorescentiedye-gebaseerde methoden worden vaak gebruikt. Beeldacquisitie kan plaatsvinden op een confocale microscoop, bijvoorbeeld een Olympus FV300 FluoView systeem, met specifieke objectieven (zoals een 60x, 1.4 NA, PlanApo). Illuminatie kan worden verzorgd door een argon/krypton laser, met instelbare intensiteit en pixel dwell times. Cellen worden vaak waargenomen in een afgesloten flowkamer in specifieke groeimedia [13](#page=13). #### 1.6.1 Groeimedia voor celcultuur Voorbeelden van groeimedia die in wetenschappelijke literatuur worden vermeld, zijn onder andere EMEM (Earle's Minimum Essential Medium) en Dulbecco’s modified Eagle’s medium (DME). Deze media worden vaak aangevuld met supplementen zoals fetaal kalfserum (FBS) of foetaal bovine serum (FBS), L-glutamine, antibiotica (penicilline, streptomycin), en buffers zoals Hepes [13](#page=13) [8](#page=8). #### 1.6.2 Immunofluorescentiemicroscopie Voor immunofluorescentie worden cellen, bijvoorbeeld humane osteosarcoom (U2OS) cellen, na plating op met fibronectine gecoate coverslips gefixeerd [13](#page=13). > **Tip:** Bij het werken met cellijnen is het belangrijk te onthouden dat zelfs "stabiele" cellijnen na verloop van passages kunnen veranderen [8](#page=8). > **Tip:** Bij celtransfer is het cruciaal om een monocellulaire suspensie te verkrijgen om aggregaten te vermijden [20](#page=20). --- # Apparatuur voor celcultuur Deze sectie beschrijft de essentiële apparatuur die gebruikt wordt voor celcultuur, met nadruk op de context van het werken met cellen in een laminaire flowbench en de verschillende stappen in celadhesie en -spreiding [21](#page=21) [22](#page=22). ### 2.1 Werken met cellen in een laminaire flowbench Een laminaire flowbench is een cruciale apparatuur voor celcultuurtechnieken, aangezien het een steriele werkomgeving biedt om contaminatie te voorkomen. De flowbench is uitgerust met een High Efficiency Particulate Air (HEPA) filter, dat de lucht steriliseert en beschermt tegen deeltjes, wat essentieel is voor het onderhouden van aseptische omstandigheden. In de context van celcultuurwerkzaamheden, zoals het hanteren van muisfibroblasten, is de flowbench de plaats waar de manipulatie van de cellen plaatsvindt onder gecontroleerde, steriele omstandigheden [21](#page=21) [22](#page=22) [23](#page=23). > **Tip:** Werk altijd met de laminaire flowbench aan, ook als u deze niet direct gebruikt, om de steriele luchtstroom te behouden. ### 2.2 Celadhesie en -spreiding Na het losmaken en uitplanten van cellen, vinden er verschillende stappen plaats die leiden tot celadhesie en -spreiding op het substraat. Dit proces omvat [22](#page=22): 1. **Sedimentatie:** De cellen zakken uit onder invloed van de zwaartekracht [22](#page=22). 2. **Initieel contact:** De cellen maken voor het eerst contact met het substraat. Op dit moment is het contactoppervlak minimaal, omdat de cellen nog een opgebolde vorm hebben [22](#page=22). 3. **Progressieve spreiding:** In de uren die volgen, verspreiden de cellen zich geleidelijk over het substraat. Dit proces vereist energie en veranderingen in het cytoskelet, wat leidt tot een groter contactoppervlak en een versterking van de adhesie aan het substraat [22](#page=22). 4. **Versterkte binding:** De cellen gaan een sterke binding aan met het substraat door de secretie van eigen aangemaakte extracellulaire matrix (ECM) moleculen [22](#page=22). Ondanks deze sterke cel-substraatsadhesie, kunnen cellen in staat zijn om te migreren over het celoppervlak door de adhesie tijdelijk en lokaal te inhiberen waar de cel loskomt, en elders de adhesie weer op te bouwen in de richting van de migratie [22](#page=22). > **Voorbeeld:** SEM-opnames tonen muisfibroblasten op verschillende tijdstippen na uitplating. Na 30 minuten zijn de cellen nog opgebold en hebben ze minimaal contact met het substraat. Na 24 uur zijn ze significant verspreid en hebben ze een groter contactoppervlak gevormd [22](#page=22). ### 2.3 Andere speciale apparatuur voor celcultuur Naast de laminaire flowbench zijn er nog andere belangrijke apparaten in een celcultuurfaciliteit: * **CO2-oven:** Deze incubatoren bieden een gecontroleerde omgeving met een specifieke temperatuur en CO2-concentratie, cruciaal voor celgroei. Ook deze zijn vaak uitgerust met een steriliserend HEPA-filter [23](#page=23). * **Opslag van ingevroren cellen:** Cellen kunnen worden ingevroren voor langdurige opslag, typisch in vloeibare stikstof bij -196°C [23](#page=23). De beschikbaarheid van deze gespecialiseerde apparatuur is essentieel voor succesvolle celkweek en onderzoek [23](#page=23). > **Fact:** De CTC core in The Core (UZ campus) beschikt over 17 flowbenches, wat de omvang van de faciliteit aangeeft [24](#page=24). --- # definities en eigenschappen van stamcellen Een stamcel is een cel die het vermogen heeft om zich voortdurend te delen en te differentiëren in verschillende andere soorten cellen of weefsels. Stamcellen beschikken over twee fundamentele eigenschappen: zelfvernieuwing en differentiatie [27](#page=27) [28](#page=28). ### 3.1 Zelfvernieuwing en differentiatie * **Zelfvernieuwing**: Dit is het vermogen van stamcellen om zichzelf te delen en kopieën van zichzelf te produceren [28](#page=28). * **Differentiatie**: Dit is het proces waarbij stamcellen zich ontwikkelen tot volwassen celtypen die organen en weefsels vormen [28](#page=28). ### 3.2 Typen stamcellen op basis van potentie De potentie van een stamcel verwijst naar het vermogen om te differentiëren in verschillende celtypen. Er zijn verschillende niveiten van potentie: #### 3.2.1 Totipotente stamcellen Totipotente stamcellen hebben de hoogste differentiatiepotentie. Ze kunnen zich niet alleen ontwikkelen tot alle celtypen die een individu vormen, maar ook tot de cellen die de placenta vormen. De bevruchte eicel in de eerste uren na de bevruchting is totipotent [28](#page=28). > **Voorbeeld:** De bevruchte eicel deelt zich direct na de bevruchting, en ten minste één van deze vroege cellen is totipotent, met de mogelijkheid om zich te ontwikkelen tot een volledig organisme [28](#page=28). #### 3.2.2 Pluripotente stamcellen Pluripotente stamcellen kunnen zich ontwikkelen tot alle celtypen van het lichaam, maar niet tot de cellen die de placenta vormen [29](#page=29). > **Voorbeeld:** Ongeveer 4 dagen na de bevruchting, na meerdere delingscycli, vormen de totipotente cellen een holle bol genaamd de blastocyst. De cellen aan de buitenkant van de blastocyst differentiëren zich tot de cellen die de placenta vormen. De cellen binnenin de holle bal, de zogenaamde binnenste celmassa (ICM), zijn pluripotent. Ze kunnen zich niet ontwikkelen tot een foetus zonder de placenta, wat aangeeft dat hun potentie beperkter is dan die van totipotente cellen [29](#page=29). #### 3.2.3 Multipotente stamcellen Multipotente stamcellen zijn meer gespecialiseerde stamcellen. Ze hebben het potentieel om zich te ontwikkelen tot een beperkt aantal celtypen, meestal binnen een specifieke weefsellijn of orgaan [30](#page=30). > **Voorbeeld:** Hemopoëtische stamcellen zijn multipotent. Ze kunnen zich ontwikkelen tot verschillende soorten gespecialiseerde bloedcellen, zoals rode bloedcellen, bloedplaatjes en witte bloedcellen, maar zijn beperkt tot de ontwikkeling van bloedcellen [30](#page=30). --- # ethische overwegingen rondom humane embryonale stamcellen Stamcelonderzoek, en in het bijzonder onderzoek met humane embryonale stamcellen, roept diverse ethische overwegingen op vanwege de oorsprong van deze cellen uit embryo's, wat in bepaalde kringen als gevoelig ligt [33](#page=33). ### 4.1 Het embryo als menselijk leven Verschillende standpunten bestaan over de status van een embryo en de ethische toelaatbaarheid van embryo-onderzoek [33](#page=33). #### 4.1.1 Het embryo als mens in het klein Een minderheidsperspectief stelt dat een embryo een mens in het klein is. Vanuit dit oogpunt wordt het vernietigen van een embryo voor onderzoek beschouwd als moord, waardoor embryo-onderzoek strikt onaanvaardbaar is [33](#page=33). #### 4.1.2 Toelaatbaarheid van embryo-onderzoek Een ander standpunt is dat embryo-onderzoek wel mogelijk is, maar uitsluitend op overgebleven embryo's uit IVF-cycli. De redenering hierbij is dat als embryo's toch al aanwezig zijn en niet voor voortplanting worden gebruikt, ze beter voor onderzoek ingezet kunnen worden dan vernietigd te worden. Het creëren van embryo's specifiek voor onderzoeksdoeleinden wordt echter niet als acceptabel beschouwd [33](#page=33). #### 4.1.3 Het belang van de leeftijd van het embryo Een cruciaal aspect in de ethische discussie is het moment waarop embryo's gebruikt worden. Hoe ouder een embryo, hoe meer het als een mens beschouwd wordt. In België geldt een maximumleeftijd van 12 dagen voor het gebruik van embryo's voor onderzoek [33](#page=33). ### 4.2 Algemene strekking en regelgeving De algemene tendens binnen de westerse onderzoekswereld is dat stamcelonderzoek acceptabel is, mits met de grootste voorzichtigheid. In Nederland is stamcelonderzoek toegestaan, maar is er strenge wetgeving die voorwaarden stelt aan het doel van het onderzoek, de gebruikte methodes, het laboratorium en zelfs de kwalificaties van de onderzoeker [33](#page=33). ### 4.3 Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs) Een alternatief dat ethisch minder beladen is, betreft geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs). Deze cellen worden verkregen door somatische cellen te herprogrammeren tot een pluripotente staat, wat de noodzaak om embryo's te gebruiken omzeilt [34](#page=34). ### 4.4 Kwaliteitscontrole in celculturen Het werken met stamcellen, inclusief embryonale stamcellen, vereist strikte kwaliteitscontrole om de zuiverheid, homogeniteit en stabiliteit van de celculturen te waarborgen. Twee belangrijke aspecten van kwaliteitscontrole zijn de detectie van contaminatie met micro-organismen en de detectie van contaminatie met vreemde cellen [37](#page=37). #### 4.4.1 Contaminatie met micro-organismen Celculturen kunnen gecontamineerd raken met micro-organismen zoals bacteriën, gisten, schimmels en met name antibiotica-resistente mycoplasma's (PPLO). Mycoplasma's zijn parasitair, kunnen deels intracellulair leven, verstoren het cellulaire metabolisme (vaak door verzuring van het milieu) en zijn moeilijk detecteerbaar en elimineerbaar. Methoden voor detectie omvatten cytoplasmatische DNA-kleuring, ELISA en PCR [37](#page=37). ##### 4.4.1.1 Effecten van mycoplasma contaminatie Mycoplasma contaminatie kan diverse effecten hebben op eukaryote cellen, waaronder veranderingen in eiwit-, RNA- en DNA-synthese, metabolisme en morfologie. Het kan leiden tot chromosomale aberraties, veranderingen in de celmembraansamenstelling, inductie of suppressie van immuunreacties, beïnvloeding van virusreplicatie en interferentie met biochemische en biologische assays. Mycoplasma kan ook de proliferatiekenmerken van cellen beïnvloeden en leiden tot totale degeneratie van de cultuur. Specifieke effecten op hybridoma's omvatten inhibitie van cel fusie, beïnvloeding van selectie van fusieproducten, interferentie met screening van antilichamen, productie van antilichamen tegen mycoplasma in plaats van het doelantigeen, en verminderde opbrengst van monoklonale antilichamen [38](#page=38). #### 4.4.2 Contaminatie met vreemde cellen Vreemde celcontaminatie is wijdverspreid. Veel "oudere" cellijnen blijken varianten te zijn van HeLa, een menselijke cervix-tumor lijn. Er zijn ook gevallen bekend waarbij "menselijke" cellijnen afkomstig bleken te zijn van muizen of ratten. Detectie hiervan kan via genetische fingerprinting en karyotypering [37](#page=37). #### 4.4.3 Zuiverheid, homogeniteit en stabiliteit De (genetische) zuiverheid, homogeniteit en stabiliteit van celculturen kunnen worden gemeten door middel van karyotypering, waarbij het aantal en de vorm van de chromosomen in individuele cellen worden bepaald [39](#page=39). ##### 4.4.3.1 Inherente genetische instabiliteit Gecultiveerde cellen vertonen vaak een inherente genetische instabiliteit, waarbij het genotype (chromosoomvorm en -aantal) met de tijd evolueert. Dit is niet te vermijden, maar wel te beperken door regelmatig terug te keren naar stock-cultures die ingevroren zijn met cryoprotectieve middelen zoals glycerol of DMSO in vloeibare stikstof bij -196°C [40](#page=40). --- # Fluorescentiemicroscopie technieken en toepassingen Fluorescentiemicroscopie maakt gebruik van fluorescerende moleculen om specifieke structuren in een monster te visualiseren, wat leidt tot een hogere sensitiviteit en specificiteit in vergelijking met andere microscopische technieken [81](#page=81) [82](#page=82). ### 5.1 Epifluorescentiemicroscopie Epifluorescentiemicroscopie is een klassieke opstelling waarbij het monster wordt belicht via de objectieflens, en de fluorescentie wordt geregistreerd zonder directe oculair observatie met een digitale detector. Dit maakt de combinatie van verschillende technieken mogelijk, zoals het overlayen van beelden verkregen met DIC (Nomarski) voor morfologie, een blauw fluorochroom voor kernen (DNA), en een rood fluochroom voor mitochondria [81](#page=81) [82](#page=82). #### 5.1.1 Voorbeelden van gecombineerde technieken Een voorbeeld van driedubbele fluorescentie is de aankleuring van endotheliale cellen van longarteriën van het rund. Hierbij worden cytoskelet-kabels (actine) in groen, mitochondria in rood, en DNA in blauw gekleurd met specifieke fluorescerende reagentia [83](#page=83). > **Tip:** Het combineren van verschillende fluorochromen met specifieke excitatatie- en emissiespectra maakt het mogelijk om meerdere structuren in één monster gelijktijdig te visualiseren [82](#page=82) [83](#page=83). ### 5.2 Confocale laser scanning microscopie (CLSM) Het principe van de confocale laser scanning microscoop (CLSM) berust op het scannen van het monster met een laserstraal en het gebruik van een pinhole om het signaal te verbeteren. Een puntvormige lichtbron wordt gebruikt om het monster te exciteren. Het emissielicht wordt via de objectieflens naar een detector (vaak een Photomultiplier Tube - PMT) geleid [84](#page=84). > **Tip:** De pinhole is cruciaal omdat deze emissielicht dat niet afkomstig is uit het gewenste focale vlak (boven of onder de focus) blokkeert, waardoor de resolutie en het contrast significant verbeteren [84](#page=84). #### 5.2.1 Werking van de CLSM Bij CLSM wordt het monster optisch gescand in 3 dimensies (XYZ). Alleen emissielicht afkomstig van het scherpe focale vlak bereikt de detector. Een typische confocale laser scanning microscoop bestaat uit laserlichtbronnen, elektronische filters en een spiegelhuis [84](#page=84) [85](#page=85). #### 5.2.2 Vergelijking met conventionele fluorescentiemicroscopie Confocale microscopie biedt superieure beeldkwaliteit, met name in de Z-resolutie, vergeleken met conventionele fluorescentiemicroscopie. Echter, recente softwarematige bewerkingstechnieken, zoals deconvolutie-algoritmes, kunnen ook met conventionele digitale beelden acceptabele hoge resoluties realiseren. Confocale microscopie is beter geschikt voor time-lapse studies van dynamische processen dan conventionele methoden [86](#page=86) [87](#page=87). > **Example:** Confocale microscopie is uitermate geschikt voor het bestuderen van snelle cellulaire processen, zoals de beweging van organellen binnen een cel of de interactie tussen eiwitten in real-time [87](#page=87). --- # Deconvolutie-fluorescentiemicroscopie Deconvolutie-fluorescentiemicroscopie is een softwarematige bewerking van conventionele digitale beelden die, door middel van specifieke algoritmes, in staat is om acceptabel hoge resoluties te verkrijgen. Dit staat tegenover confocale microscopie, die over het algemeen beter geschikt is voor time-lapse en analyse van dynamische processen [86](#page=86) [87](#page=87). ### 6.1 Werkingsprincipe van deconvolutie Deconvolutie-fluorescentiemicroscopie tracht de beeldvormingsfusie die optreedt in een microscoop te corrigeren. Wanneer licht door een object reist, wordt het uitgestraald in alle richtingen, wat resulteert in een verstrooiing van het lichtsignaal. Dit betekent dat een punt in het object niet als een scherp punt in het beeld verschijnt, maar als een uitgesmeerd vlekje, bekend als de *point spread function* (PSF). Deconvolutie-algoritmes proberen deze PSF te kwantificeren en vervolgens het oorspronkelijke beeld te reconstrueren door de effecten van de PSF wiskundig te verwijderen of te verminderen [88](#page=88). > **Tip:** In essentie probeert deconvolutie het beeld "scherper" te maken door de bijdrage van licht uit naburige punten te scheiden en terug te wijzen naar hun oorspronkelijke bron. #### 6.1.1 Algemene principes Het proces van deconvolutie kan worden beschouwd als het omgekeerde van het convolutieproces dat plaatsvindt tijdens de beeldvorming. Convolutie beschrijft hoe het oorspronkelijke signaal (de fluorescentie van het monster) wordt gemodificeerd door de optische en elektronische componenten van de microscoop om het uiteindelijke, gedegradeerde beeld te vormen [88](#page=88). * **Functie:** Het doel van deconvolutie is om het oorspronkelijke, scherpe beeld te herstellen door de PSF te gebruiken om de beeldvormingsfusie te corrigeren [88](#page=88). * **Iteratieve methoden:** Veelgebruikte deconvolutie-algoritmes zijn iteratief, wat betekent dat ze het beeld herhaaldelijk bewerken om de reconstructie te verbeteren totdat een bepaald criterium is bereikt. Deze methoden houden rekening met de natuurlijke beperkingen van beeldvorming, zoals ruis [88](#page=88). * **Beeldvormingsruis:** Ruis is een inherente eigenschap van digitale beelden en kan deconvolutie-algoritmes beïnvloeden. Het correct modelleren en hanteren van ruis is cruciaal voor succesvolle deconvolutie [88](#page=88). #### 6.1.2 Toepassingen en voordelen Deconvolutie kan significant bijdragen aan de beeldkwaliteit in fluorescentiemicroscopie, met name bij het analyseren van complexe structuren en dynamische biologische processen [86](#page=86). * **Verhoogde resolutie:** Het kan de effectieve resolutie van een conventionele microscoop verbeteren, waardoor fijne details zichtbaar worden die anders verborgen zouden blijven [86](#page=86). * **Verbeterd contrast:** Door het reduceren van verstrooid licht en achtergrondruis, verhoogt deconvolutie het contrast tussen het signaal en de achtergrond, wat de interpretatie van beelden vergemakkelijkt [88](#page=88). * **3D beeldvorming:** Het is bijzonder nuttig voor 3D-beeldvorming, omdat het helpt om de scherpte in de Z-richting (diepte) te herstellen, wat vaak een beperking is bij conventionele microscopen [88](#page=88). * **Verbeterde kwantificering:** Met scherpere en duidelijkere beelden is nauwkeurigere kwantificering van fluorescentiesignalen, celmorfologie en dynamische veranderingen mogelijk [88](#page=88). #### 6.1.3 Verschil met confocale microscopie Hoewel deconvolutie-fluorescentiemicroscopie vergelijkbare resultaten kan bereiken als confocale microscopie in termen van beeldkwaliteit, verschillen de onderliggende mechanismen. Confocale microscopie gebruikt een pinhole om onscherp licht van buiten het focusvlak te blokkeren, wat resulteert in een inherent verbeterde scherpte en de mogelijkheid om optische secties te maken. Deconvolutie, daarentegen, is een post-processing techniek die de beelddata *na* de acquisitie verwerkt [86](#page=86) [87](#page=87). > **Voorbeeld:** Een conventionele microscoop kan een beeld creëren dat er "wazig" uitziet, vooral in de diepte. Deconvolutie past vervolgens een algoritme toe op dit wazige beeld om het dichter bij de werkelijke structuur te brengen, terwijl een confocale microscoop probeert om alleen het scherpe licht uit het focusvlak op te vangen. ### 6.2 4D Live Cell Imaging 4D Live Cell Imaging is een geavanceerde techniek die de mogelijkheden van deconvolutie combineert met andere microscopische technieken om dynamische processen in levende cellen over tijd en in drie dimensies vast te leggen [89](#page=89). #### 6.2.1 Componenten van 4D Live Cell Imaging * **3D multi-kleur imaging:** Dit omvat het simultaan registreren van verschillende fluorochromen in de XYZ-dimensies op meerdere posities. Dit maakt het mogelijk om de ruimtelijke distributie van meerdere moleculen tegelijk te bestuderen [89](#page=89). * **Time-lapse recording:** Hierbij worden processen gedurende een bepaalde periode vastgelegd, waarbij op regelmatige tijdstippen 3D beelden worden genomen. Deze beelden worden vervolgens samengevoegd tot een versnelde film, waardoor snelle biologische processen zichtbaar worden. Bijvoorbeeld, een opnametijd van 2 uur met opnames elke 60 seconden kan worden afgespeeld met 30 frames per seconde, wat resulteert in een sterk versnelde weergave van het proces [89](#page=89). #### 6.2.2 Opstelling voor 4D Live Cell Imaging Een typische opstelling voor 4D Live Cell Imaging vereist gespecialiseerde apparatuur om de delicate omstandigheden van levende cellen te handhaven en consistente beeldvorming te garanderen [90](#page=90). * **Incubatiekamer:** Essentieel voor het handhaven van een constante temperatuur en gasmengsel (bv. CO2) om de levensvatbaarheid van de cellen gedurende lange opnamesessies te waarborgen [90](#page=90). * **Geïnverteerde fluorescentiemicroscoop:** Een geïnverteerde microscoop wordt gebruikt omdat de objectieven zich onder het monster bevinden, wat de plaatsing van incubatie- en vloeistofsystemen vergemakkelijkt. Een gemotoriseerde voorwerptafel is nodig voor precieze positionering, en hoogwaardige objectieflenzen zijn cruciaal voor resolutie [90](#page=90). * **Digitale camera:** Een gevoelige digitale camera is vereist om zwakke fluorescentiesignalen efficiënt op te vangen en om snelle acquisitie mogelijk te maken voor time-lapse [90](#page=90). * **Trillingsvrije tafel:** Om bewegingsartefacten, die de resolutie en analyse van de beelden kunnen beïnvloeden, te minimaliseren [90](#page=90). * **Joystick voor Z-focus en XY-positionering:** Biedt de operator flexibiliteit en precisie bij het instellen van de focus en het navigeren door het monster [90](#page=90). * **Lampvoeding en computer:** Voor het aansturen van de verlichting en het uitvoeren van de complexe data-acquisitie en -verwerking [90](#page=90). > **Voorbeeld:** Muisfibroblasten kunnen worden opgenomen gedurende 8 uur met een time-lapse van elke 30 seconden, afgespeeld met 10 frames per seconde, om de dynamische processen van celbeweging en interactie te observeren [91](#page=91). --- # Voorbereiding van biologisch materiaal voor transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) Het voorbereiden van biologisch materiaal voor transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) omvat een reeks stappen om structuren zichtbaar te maken die anders te klein of te weinig contrast zouden hebben . ### 7.1 Algemene beginselen van TEM-beeldvorming Bij TEM worden elektronen gebruikt die versneld worden. De golflengte van deze elektronen valt buiten het bereik van de gevoeligheid van het menselijk oog, waardoor een fluorescentiescherm of fotografische plaat nodig is voor beeldvorming. Beeldvorming ontstaat door elektronenstrooiing op de atomen van het doorstraalde weefsel. Dichte structuren absorberen elektronen, terwijl minder dichte structuren elektronen doorlaten. Biologisch materiaal vertoont van nature weinig densiteitsverschillen, wat contrastverhoging noodzakelijk maakt . ### 7.2 Voorbewerkingstappen van biologisch materiaal Om biologisch materiaal geschikt te maken voor TEM, zijn diverse bewerkingstappen vereist . #### 7.2.1 Fixatie De eerste stap is fixatie, waarbij brokjes ruw materiaal (zoals weefsel of losse cellen) worden behandeld met chemische stoffen zoals glutaaraldehyde. Het doel van fixatie is om fijne structuren zo intact mogelijk te behouden en de cellen doorlaatbaar te maken voor componenten in latere stappen . #### 7.2.2 Spoeling en contrastering ('kleuring') Na fixatie en het uitspoelen van het fixatief, wordt het materiaal behandeld met verbindingen van zware metalen. Voorbeelden hiervan zijn osmiumtetroxide, uranylacetaat of kaliumpermanganaat. Deze zware metalen binden zich specifiek aan bepaalde celregio's, zoals vetrijke membranen van organellen, DNA-clusters in de celkern en eiwitrijke structuren zoals cytoskelet-elementen. Deze metaalverbindingen weerkaatsen elektronen, waardoor de hiermee gemerkte structuren in de elektronenmicroscoop als donkere plekken verschijnen. Dit proces wordt 'kleuren' genoemd, hoewel het in de elektronemicroscopie geen ware kleuren betreft. Het verhogen van densiteitsverschillen door middel van zware metalen leidt tot een toename van elektronenstrooiing en daarmee tot een toename van het contrast. Osmiumtetroxide (OsO4) kan reeds bij de fixatie worden toegevoegd en draagt bij aan het contrast van membranen. Veelgebruikte contrasteringsvloeistoffen bestaan uit uranylacetaat en loodcitraat . > **Tip:** Het gebruik van zware metalen is cruciaal voor zichtbaarheid, omdat deze elektronen absorberen of verstrooien, wat leidt tot een donkerder beeld op de detector . #### 7.2.3 Dehydratatie Om ultradunne coupes (60-90 nm dik) te kunnen snijden die stabiel blijven en elektronen doorlaten, moet het materiaal worden ingebed in kunsthars. Aangezien de meeste harsen hydrofoob zijn, is het noodzakelijk om al het water uit het monster te verwijderen. Dit gebeurt door middel van wasstappen met ethanol of aceton van oplopende concentraties . #### 7.2.4 Inbedding in hars en polymerisatie Na dehydratatie wordt het materiaal geleidelijk geïnfiltreerd met de nog niet-gepolymeriseerde hars. Het hars-doordrongen materiaal wordt in een houdertje geplaatst, bijvoorbeeld een gelatine capsule. Vervolgens vindt polymerisatie plaats, wat kan gebeuren door verhitting in een oven, met een magnetron, of door katalysatie met ultraviolet licht. Dit resulteert in harde, goed snijbare blokjes materiaal . #### 7.2.5 Trimming van het blokje hars en ultradun snijden Om coupes met een dikte van ongeveer 70 nm te produceren, zijn speciale snijinstrumenten vereist, zoals messen van gekliefd puur glas of diamanten messen. Het snijden gebeurt met behulp van een ultramicrotoom . #### 7.2.6 Opvangen van coupes op een gridje Achter het snijvlak van de ultramicrotoom bevindt zich water dat zorgt voor smering van het snijvlak en het opvangen van de uiterst fragiele coupes. De coupes worden van het wateroppervlak "opgelepeld" op een zogenaamd gridje. Een gridje is een klein metaalschijfje (minder dan 5 mm) met een roosterpatroon . > **Example:** Een typische stap in het contrasteringsproces is het onderdompelen van de ultradunne secties op het gridje in oplossingen van uranylacetaat gevolgd door loodcitraat. Dit bindt zich aan specifieke moleculen in de cel en zorgt voor voldoende contrast voor TEM-analyse . --- # cryo-elektronen-tomografie voor 3D reconstructie Cryo-elektronen-tomografie (cryo-ET) is een techniek die wordt gebruikt om driedimensionale structuren van biologische objecten te reconstrueren door middel van een reeks tweedimensionale projecties die onder verschillende hoeken worden verkregen . ### 8.1 Principe van cryo-elektronen-tomografie De kern van cryo-ET is gebaseerd op het principe van tomografie, waarbij een object wordt gescand vanuit verschillende hoeken om een driedimensionale weergave te reconstrueren . #### 8.1.1 Verkrijgen van 2D projecties Bij cryo-ET wordt een object, meestal ingevroren in een dunne laag ijs om de natuurlijke staat te behouden, belicht met een elektronenbundel in een elektronenmicroscoop. De monstener wordt vervolgens geleidelijk gekanteld rond een as, en voor elke kantelhoek wordt een 2D projectie (een beeld) van het object opgenomen . #### 8.1.2 3D Reconstructie De reeks van 2D projecties, genomen onder verschillende hoeken, vormt de basis voor de 3D reconstructie. Dit gebeurt door middel van computeralgoritmen die de projecties analyseren en terugprojecteren naar een virtueel 3D beeld. Een groter aantal projecties met kleinere hoekverschuivingen resulteert in een nauwkeurigere reconstructie en vermindert artefacten die bekend staan als de 'missing-wedge' . > **Tip:** Hoe meer projecties er worden verkregen met kleine hoekverschuivingen, hoe gedetailleerder en nauwkeuriger de uiteindelijke 3D reconstructie zal zijn . #### 8.1.3 Toepassingen van cryo-ET Cryo-ET is bijzonder nuttig voor het bestuderen van de architectuur van grote moleculaire complexen, zoals het nucleaire pore complex (NPC). Door verschillende exemplaren van hetzelfde complex te analyseren en te middelen, kunnen nog meer details zichtbaar worden gemaakt . > **Example:** Een voorbeeld van de toepassing van cryo-ET is de 3D reconstructie van een nucleair pore complex, wat essentieel is voor het transport van moleculen tussen de kern en het cytoplasma . ### 8.2 Vergelijking met andere speciale EM-technieken Cryo-ET is één van de speciale elektronenmicroscopietechnieken die gebruikt worden voor gedetailleerd celonderzoek. Andere technieken die in de documentatie worden genoemd zijn: * **Vries-breek (freeze-fracture):** Deze techniek wordt gebruikt om membraanstructuren te bestuderen door membranen te breken tussen hun binnenste en buitenste bladen. Het levert informatie over de locatie van eiwitten in het membraan . * **Vries-ets (freeze-etching):** Een uitbreiding op vries-breek, waarbij een dunne laag ijs wordt verwijderd door sublimatie onder vacuüm om meer 3D structuur te genereren . * **Serial block face-SEM (SBF-SEM) en Focused Ion Beam-SEM (FIB-SEM):** Bij deze technieken worden delen van het monster binnen de microscoop verwijderd met een ultramicrotoom of ionenlaser, waardoor opeenvolgende doorsneden kunnen worden bekeken . De keuze voor een specifieke techniek hangt af van het type structuur dat bestudeerd moet worden en de gewenste resolutie en dimensionaliteit van de analyse. Cryo-ET is uniek in zijn vermogen om 3D reconstructies te leveren van relatief intacte, bevroren biologische objecten . --- # De klassieke lichtmicroscoop De klassieke lichtmicroscoop, ook wel bekend als de helderveld- of klaarveldmicroscoop, maakt gebruik van doorvallend wit licht om preparaten te visualiseren, waarbij de resolutie voornamelijk wordt bepaald door het objectief en de golflengte van het licht [52](#page=52). ### 9.1 Algemene principes De resolutie van een lichtmicroscoop, de kleinste afstand waarmee twee punten nog net gescheiden worden weergegeven, is fundamenteel beperkt tot ongeveer 200 nanometer. Dit wordt beïnvloed door het objectief en de golflengte van het zichtbare licht, niet door het oculair. Celculturen kunnen vaak direct worden bekeken, terwijl dikker materiaal zoals weefsels en orgaanculturen eerst gefixeerd, ingebed (bijvoorbeeld in paraffine) en versneden moeten worden tot secties, of geanalyseerd met cryosecties van bevroren materiaal. Levende cellen vertonen doorgaans te weinig contrast voor standaard helderveldmicroscopie en vereisen speciale technieken. De effectieve resolutie wordt ook beïnvloed door de aard van het preparaat, zoals of het gefixeerd en gekleurd is voor detectie op basis van lichtabsorptie, of levend en daardoor met een lager contrast [52](#page=52). ### 9.2 Componenten en werking Een lichtmicroscoop bestaat uit optische en fijnmechanische onderdelen. De optiek is opgebouwd uit drie hoofdlenssystemen: de condensor, het objectief en de oculairen [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Lichtbron:** Produceert wit licht dat door een spiegel in de condensor wordt geleid [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Condensor:** Een lenssysteem dat het licht bundelt op het preparaat. De condensor speelt een cruciale rol in het bepalen van de lichtsterkte, resolutie en beeldkwaliteit [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Objectief:** Dit is de lens die zich het dichtst bij het preparaat bevindt en een vergroot, eerste beeld vormt. Het heeft een korte tot zeer korte werkafstand [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Oculair:** Een lens die het door het objectief gevormde beeld verder vergroot en projecteert op het netvlies van de observator [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Prisma:** Dient om de lichtweg te buigen, waardoor een comfortabele observatiehouding mogelijk is [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). Het lichtpad begint bij de lichtbron, wordt gebundeld door de condensor op het preparaat, waarna het objectief een vergroot beeld vormt dat vervolgens door het oculair verder wordt vergroot. > **Tip:** De resolutie van een microscoop wordt niet alleen bepaald door de optische kwaliteit, maar ook door de golflengte van het gebruikte licht. Kortere golflengtes (zoals blauw licht) leiden theoretisch tot een hogere resolutie. ### 9.3 Factoren die de effectieve resolutie beïnvloeden * **Natuur van het preparaat:** Gefixeerde en gekleurde preparaten worden geanalyseerd op basis van lichtabsorptie, terwijl levende preparaten vaak te weinig contrast bieden [52](#page=52). * **Belichting:** De manier waarop het licht door de condensor op het preparaat wordt gebundeld, heeft directe invloed op de resolutie en beeldkwaliteit [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Gebruikte lenssystemen:** De kwaliteit en specificaties van zowel de condensor als het objectief zijn cruciaal voor het bereiken van de maximale resolutie [52](#page=52) [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). ### 9.4 Historische context De ontwikkeling van de lichtmicroscoop kent een snelle evolutie. In 1660 gebruikte Robert Hooke al een microscoop, waarna in de 19e en 20e eeuw verbeterde microscopen werden ontwikkeld. De tweede helft van de 20e eeuw zag de introductie van fluorescentiemicroscopie, digitale opnames en confocale technieken [51](#page=51). --- # Histologische technieken voor microscopisch onderzoek Histologische technieken maken cellen en weefsels zichtbaar onder een microscoop door ze dunner te snijden en het contrast te verhogen [42](#page=42). ### 10.1 Doel van histologische technieken Het hoofddoel van histologische technieken is om weefsels microscopisch observeerbaar te maken voor zowel lichtmicroscopie (LM) als elektronenmicroscopie (EM). Biologisch materiaal is vaak te dik om licht of elektronen door te laten en heeft van nature weinig contrast, wat gedetailleerde observatie bemoeilijkt. Histologische technieken zorgen voor [42](#page=42): * **Verdunnen van weefsels:** Zodat lichtstralen en elektronen erdoorheen kunnen dringen [42](#page=42). * **Verhogen van contrast:** Om structuurdetails zichtbaar te maken [42](#page=42). ### 10.2 De noodzaak van coupevorming Voor het waarnemen van subcellulaire details is het gebruik van dunne secties (coupes) essentieel. Procedure voor paraffinecoupes omvat het fixeren van een klein weefselstukje, dehydrateren, inbedden in vloeibare paraffine, snijden met een microtoom (0,5 – 50 μm), en het kleuren van de secties op een microscoopsglaasje [43](#page=43) [44](#page=44). ### 10.3 Fixeren Fixatie is het proces waarbij weefsels worden bewaard met behoud van hun oorspronkelijke structuur, door eiwitten te denatureren. Zonder fixatie worden afbraakenzymen, die na het wegnemen van weefsel uit de in-vivo situatie actief worden, niet gestopt [45](#page=45). #### 10.3.1 Methoden van fixatie * **Chemische fixatieven:** * Formol (voor LM) [45](#page=45). * Glutaraldehyde (voor EM) [45](#page=45). * Osmiumtetroxide ($OsO_4$) [45](#page=45). Chemische fixatieven werken door eiwitten te cross-linken (bv. formaldehyde, glutaraldehyde) of te precipiteren (bv. alcohol, aceton). Ze stoppen enzymreacties en behouden structurele componenten door cross-linking, waardoor weefselcomponenten bewaard blijven tijdens verdere histologische procedures [45](#page=45). * **Invriezen (koude fixatie):** Bevriezen is een methode die snel werkt en de epitopen beter bewaart voor immuunkleuringen. Dit wordt veel gebruikt in pathologie laboratoria voor snelle diagnoses van biopten en tumoren, soms zelfs tijdens operaties [45](#page=45). #### 10.3.2 Artefacten door fixatie Artefacten zijn veranderingen die tijdens de fixatie in een weefsel ontstaan en afwijken van de in-vivo situatie. Dit kan een structuurverandering zijn (bv. een holte rond kraakbeencellen) of het op een andere plaats voorkomen van componenten (bv. glycogeendrift in leverpreparaten). Chemische fixatieven resulteren over het algemeen in een betere morfologie [45](#page=45). ### 10.4 Inbedden Inbedden is het omwikkelen en doordringen van gefixeerd materiaal met een inbedmiddel. Het inbedmiddel is een substantie die in het weefsel dringt, hard wordt, en het materiaal snijdbaar maakt in dunne plakken [46](#page=46). #### 10.4.1 Inbedmiddelen Veelgebruikte inbedmiddelen zijn paraffine, hars en plastics. Deze middelen zijn meestal hydrofoob [46](#page=46). #### 10.4.2 Dehydrateren en 'clearing' Omdat biologisch materiaal veel water bevat (tot 60%) en inbedmiddelen hydrofoob zijn, moet het water eerst verwijderd worden. Dit gebeurt met een stijgende reeks alcoholbaden (30%, 50%, 70%, 90% en absolute ethanol). Nadat het water is vervangen door alcohol, wordt tolueen gebruikt voor de 'clearing'-stap; tolueen is mengbaar met zowel alcohol als het hydrofobe inbedmiddel [47](#page=47). > **Tip:** Alternatieve inbedmiddelen, zoals hydrofobe harsen met hydrofiele groepen of hydrofiele inbedmiddelen, zijn minder stabiel en resulteren in inferieure morfologie [47](#page=47). ### 10.5 Snijden Door de hardheid van het inbedmateriaal kan het weefsel gesneden worden in dunne plakken [48](#page=48). #### 10.5.1 Snijdikte en toepassingen * **Paraffine:** Produceert coupes van ongeveer 5-10 μm dik, wat geschikt is voor LM omdat het lichtdoorlatend is. Veel epitopen blijven bij de verhitting tot 55°C bewaard [48](#page=48). * **Hars en plastics:** Zijn harder en laten coupes toe tot 60-70 nm dik, wat geschikt is voor EM omdat deze coupes doorlaatbaar zijn voor elektronen. Polymerisatie van hars gebeurt bij 60-65 °C. Harsen zijn minder geschikt voor immuunkleuringen omdat ze moeilijk uit het weefsel te verwijderen zijn [48](#page=48). #### 10.5.2 Gereedschap en plaatsing van coupes Het snijden van ingebed, hard materiaal gebeurt met een **microtoom** [48](#page=48). * **LM microtomem:** Gebruiken stalen messen [48](#page=48). * **EM microtomem:** Gebruiken glazen of diamanten messen [48](#page=48). Coupes voor LM-analyse worden aangebracht op **glazen draagglasjes**. Coupes voor EM-analyse worden geplaatst op **metalen (koper, nikkel) roostertjes** die grids worden genoemd [48](#page=48). > **Example:** Een patholoog wil snel een biopt analyseren tijdens een operatie. Hiervoor wordt het weefsel snel gefixeerd door invriezen en daarna in een microtoom gesneden om onmiddellijk onder de microscoop bekeken te kunnen worden voor een snelle diagnose [45](#page=45). --- # Histologische kleurtechnieken voor weefselanalyse Histologische kleurtechnieken zijn essentieel voor het visualiseren van weefselstructuren en het diagnosticeren van pathologische afwijkingen door specifieke cellulaire en extracellulaire componenten aan te kleuren [65](#page=65). ### 11.1 Hematoxyline- en eosinekleuring (H&E) De Hematoxyline- en eosinekleuring (H&E) is een fundamentele en wijdverbreide kleuringstechniek die al meer dan een eeuw wordt gebruikt voor weefselanalyse en kankerdiagnose [65](#page=65). #### 11.1.1 Werkingsprincipe van H&E * **Hematoxyline:** Dit kleurt nucleïnezuren diep blauw-paars aan door een complexe reactie die nog niet volledig is begrepen. Het laat gedetailleerde intranucleaire structuren zien, zoals condensatiepatronen van heterochromatine, die diagnostisch van groot belang zijn [65](#page=65). * **Eosine:** Dit kleurt eiwitten roze aan. In een typische coupe kleuren de kernen blauw, terwijl het cytoplasma en de extracellulaire matrix variërend roze gekleurd zijn. Nucleoli worden door eosine gekleurd. Overvloedig polyribosomen in het cytoplasma kunnen leiden tot een duidelijke blauwe gloed. De Golgi-zone kan worden geïdentificeerd door een gebrek aan kleuring naast de kern [65](#page=65). #### 11.1.2 Voordelen en beperkingen van H&E * **Voordelen:** * Werkt goed met diverse fixatieven [65](#page=65). * Visualiseert een breed scala aan cytoplasmatische, nucleaire en extracellulaire matrixkenmerken [65](#page=65). * Onthult structurele informatie met specifieke functionele implicaties [65](#page=65). * **Beperkingen:** * Onverenigbaar met immunofluorescentie [65](#page=65). * Hoewel H&E onverenigbaar is met immunofluorescentie, kan een seriële doorsnede gekleurd met H&E nuttig zijn ter oriëntatie voor immunofluorescentie [65](#page=65). * Hematoxyline, vaak zonder eosine, kan worden gebruikt als tegenkleuring voor immunohistochemische of hybridisatieprocedures die colorimetrische substraten gebruiken [66](#page=66). ### 11.2 Specifieke kleurtechnieken Naast H&E zijn er diverse specifieke kleurtechnieken die gericht zijn op het visualiseren van verschillende weefselcomponenten of functies [68](#page=68). #### 11.2.1 Indifferente kleurstoffen Indifferente kleurstoffen zijn technieken die specifiek vetten aankleuren. Een voorbeeld hiervan is Oil Red O, dat wordt gebruikt om vetcellen aan te kleuren [68](#page=68) [69](#page=69). #### 11.2.2 Immunohistochemische kleuring Immunohistochemische kleuringen maken gebruik van antilichaam-antigeenbinding om specifieke bestanddelen in weefsels aan te kleuren. Het antilichaam wordt gelabeld met een kleurstof, fluorescente label of colloïdaal goud. Een voorbeeld hiervan is de kleuring met DAB (diaminobenzidine) om specifieke structuren zoals microtubuli of connexine 43 in muishartweefsel aan te tonen [68](#page=68) [70](#page=70). #### 11.2.3 Enzymkleuringen Enzymkleuringen demonstreren de activiteit van specifieke enzymen. Dit wordt bereikt door het gebruik van een substraat dat specifiek is voor het enzym; de reactie produceert een waarneembare neerslag. Een voorbeeld is de kleuring voor glucose-6-fosfaatdehydrogenase (G6PD) activiteit in erytrocyten met behulp van de tetrazoniumzoutmethode, die onderscheid maakt tussen erytrocyten met en zonder G6PD-activiteit [68](#page=68) [71](#page=71). > **Tip:** Het begrijpen van de basisprincipes van elke kleuringstechniek, inclusief het doelwit, het reactiemechanisme en de verwachte resultaten, is cruciaal voor accurate weefselinterpretatie. > **Example:** Bij de analyse van een weefselcoupe met H&E kleuring, zullen de kernen blauw zijn en het cytoplasma roze. Als de kernen echter onregelmatige, sterk gecondenseerde chromatinepatronen vertonen, kan dit duiden op maligniteit. Wanneer een Oil Red O kleuring wordt toegepast, zullen vetvacuolen in de cellen rood oplichten. Bij immunohistochemische kleuringen, zoals met DAB, kan specifieke eiwitexpressie worden gevisualiseerd als een bruine neerslag op de locatie van het eiwit. --- # Snijden van weefselcoupes voor microscopie Het snijden van weefselcoupes is een essentiële stap om subcellulaire details waar te nemen middels microscopie, waarbij de aard van het inbedmiddel en het type microscopie de dikte van de coupe bepalen [43](#page=43). ### 12.1 Principes van weefselpreparatie voor microscopie #### 12.1.1 Fixatie Fixatie is cruciaal om de oorspronkelijke structuur van weefsels te bewaren door eiwitten te denatureren en zo afbraakprocessen, veroorzaakt door endogene enzymen na weefselontname, te stoppen [45](#page=45). * **Mechanisme:** Chemische fixatieven zoals formol (voor lichtmicroscopie - LM) en glutaraldehyde of OSO4 (voor elektronenmicroscopie - EM) cross-linken eiwitten of slaan ze neer. Bevriezen is een alternatieve methode [45](#page=45). * **Doel:** Naast het stoppen van enzymactiviteit, behouden fixatieven structurele componenten en voorkomen ze veranderingen die afwijken van de in-vivo situatie, wat men artefacten noemt [45](#page=45). * **Vergelijking methoden:** Chemische fixatieven bieden over het algemeen een betere morfologie, terwijl koude fixatie sneller materiaal verwerking toelaat en epitopen beter bewaart voor immuunkleuringen. Bevriezen wordt vaak toegepast in pathologie laboratoria voor snelle diagnoses, zelfs tijdens operaties [45](#page=45). #### 12.1.2 Inbedden Inbedden omvat het omwikkelen en doordringen van gefixeerd materiaal met een substantie die het weefsel hard maakt, waardoor het snijdbaar wordt in dunne plakken (coupes). Deze inbedmiddelen, zoals paraffine, hars of plastics, zijn doorgaans hydrofoob [46](#page=46) [47](#page=47). * **Noodzaak van ontwatering:** Omdat biologisch materiaal tot 60% water bevat en de meeste inbedmiddelen hydrofoob zijn, moet water eerst verwijderd worden. Dit gebeurt met een stijgende reeks alcoholbaden (30%, 50%, 70%, 90% en absolute ethanol) [47](#page=47). * **‘Clearing’:** Na ontwatering met alcohol wordt tolueen gebruikt, een substantie die mengbaar is met zowel alcohol als het inbedmiddel, om de laatste restjes alcohol te vervangen [47](#page=47). #### 12.1.3 Snijden (Coupering) Het harde inbedmateriaal maakt het mogelijk om het weefsel in dunne plakken te snijden [48](#page=48). * **Paraffine coupes:** Deze zijn typisch 5 tot 10 micrometer dik en zijn doorlaatbaar voor licht, waardoor ze geschikt zijn voor lichtmicroscopie (LM). Paraffine wordt verwarmd tot 55°C om te smelten en in het weefsel te dringen, waarbij veel epitopen behouden blijven [48](#page=48). * **Hars en plastic coupes:** Deze zijn dunner, tot ongeveer 60-70 nanometer dik, en doorlaatbaar voor elektronen, wat ze geschikt maakt voor elektronenmicroscopie (EM). Polymerisatie van hars vindt plaats bij 60-65°C, en de moeilijkheid om hars uit het weefsel te verwijderen, maakt het minder geschikt voor immuunkleuringen vergeleken met paraffine [48](#page=48). * **Microtoom:** Het snijden van het ingebedde, harde materiaal gebeurt met een microtoom. Microtomen voor paraffine coupes gebruiken stalen messen, terwijl die voor hars en plastic glazen of diamanten messen gebruiken [48](#page=48). * **Draagvlakken:** Coupes voor LM worden op glazen draag glaasjes geplaatst. Coupes voor EM worden aangebracht op metalen (koper, nikkel) roostertjes die grids genoemd worden [48](#page=48). > **Tip:** De dikte van de coupes is direct gerelateerd aan de penetratie van de stralen (licht of elektronen) van de microscoop, wat essentieel is voor het waarnemen van structuren op verschillende schalen [43](#page=43) [48](#page=48). > **Voorbeeld:** Het waarnemen van subcellulaire organellen vereist ultradunne coupes (70 nm) gemaakt van hars-ingebed weefsel voor EM, terwijl de morfologie van celkernen en weefselstructuren goed zichtbaar is met dikkere coupes (5-10 µm) van paraffine-ingebed weefsel voor LM [43](#page=43) [48](#page=48). #### 12.1.4 Kleuring (Impliciet vermeld) Na het snijden worden de coupes gekleurd om structuren zichtbaar te maken voor microscopische observatie. Hoewel de details van kleuring buiten het bestek van dit specifieke onderwerp vallen, is het een noodzakelijke stap na het snijden voor LM-analyse. H&E (hematoxyline en eosine) is een veelgebruikte kleuring voor LM-coupes [43](#page=43) [44](#page=44). * **Artefacten:** Het is belangrijk om op te merken dat veranderingen die optreden tijdens de preparatieprocedures, zoals fixatie, kunnen leiden tot artefacten, wat afwijkingen zijn van de werkelijke in-vivo situatie [45](#page=45). * **Voorbeeld artefact:** Een holte rond kraakbeencellen of de misplaatsing van componenten zoals glycogeen in een leverpreparaat zijn voorbeelden van artefacten. De grote wanorde in het onderste beeld van een carcinoom van het colon is een voorbeeld van hoe artefacten of weefselveranderingen de interpretatie kunnen beïnvloeden [44](#page=44) [45](#page=45). --- # elektronenmicroscopie (em) technieken Elektronenmicroscopie (EM) technieken maken het mogelijk structuren te visualiseren met een veel hogere resolutie dan lichtmicroscopie door gebruik te maken van elektronen in plaats van fotonen. Dit opent deuren naar de studie van structuren op nanometer- en zelfs atomair niveau [98](#page=98). ### 13.1 Algemene principes van elektronenmicroscopie In tegenstelling tot lichtmicroscopie, die glaslenzen gebruikt, maakt elektronenmicroscopie gebruik van elektromagnetische magneten als lenzen om de elektronenbundel te sturen. Om te voorkomen dat de elektronen worden gestopt door bijvoorbeeld gasmoleculen, vereist EM een hoog vacuüm. Om de elektronen voldoende snelheid te geven, wordt er gewerkt met hoge spanningen [98](#page=98). #### 13.1.1 Principe van beeldvorming Bij EM worden elektronen gebruikt die het monster bombarderen voor beeldvorming. Er is een bron (elektronenkanon) en lenzen (elektromagnetische) die de bundel concentreren en scherpstellen [98](#page=98). #### 13.1.2 Vergroting en resolutie Met elektronenmicroscopen kunnen structuren zichtbaar worden gemaakt die zo klein zijn als 1 nanometer. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) kan vergrotingen tot wel 600.000 en meer bereiken met een scheidend vermogen van 3 nanometer, hoewel theoretisch kleiner mogelijk is [98](#page=98) [99](#page=99). ### 13.2 Typen elektronenmicroscopie Globaal wordt er onderscheid gemaakt tussen twee hoofdtypen elektronenmicroscopie: Transmissie Elektronenmicroscopie (TEM) en Scanning Elektronenmicroscopie (SEM) [99](#page=99). #### 13.2.1 Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) TEM wordt voornamelijk gebruikt om de *binnenkant* van objecten, zoals weefsels, cellen en virussen, te bestuderen [99](#page=99). * **Principe:** Het beeld wordt gevormd doordat zware atomen in ultradunne preparaten de elektronen uit de bundel verstrooien. Het beeld wordt gevisualiseerd op een fluorescerend scherm [100](#page=100) [99](#page=99). * **Resolutie:** TEM heeft een resolutie van ongeveer 1 nanometer [99](#page=99). * **Preparatie:** Biologisch materiaal geeft van zichzelf weinig contrast in een TEM. Daarom worden speciale fixatie- en kleuringstechnieken toegepast . * **Fixatie:** Meestal wordt er gefixeerd met glutaaraldehyde (een bivalente crosslinker voor NH2-groepen, vooral in eiwitten) en osmiumtetroxide (een sterk oxidans dat lipiden en eiwitten stabiliseert) . * **Kleuring:** Om contrast te creëren, wordt het materiaal blootgesteld aan verbindingen van zware metalen, zoals osmium, dat elektronen weerkaatst en zich bindt aan specifieke structuren. Structuren die zich aan deze 'kleurstoffen' binden, verschijnen donker, terwijl structuren met minder affiniteit lichter zichtbaar zijn. Gebruikte kleurstoffen zijn onder andere uranylacetaat en lood . * **Ultradunne secties:** Voor TEM zijn ultradunne secties van 50-100 nanometer nodig. Vanwege de dunte van de coupes is expertise nodig voor een correcte 3-dimensionale interpretatie . * **Specifieke technieken voor TEM:** * **Negatieve kleuring:** Hierbij worden virusdeeltjes of andere deeltjes omgeven door zwaar metaal (bv. uranylacetaat, fosfowolfraamzuur). Het specimen neemt de kleur niet op en is daardoor wit tegen een zwarte achtergrond . * **Shadowing (schaduwbestuiving):** Dit gebeurt door schuine bestuiving met een zwaar metaal zoals platina of goud. Dit creëert een reliëf dat het driedimensionale aspect van het specimen zichtbaar maakt . * **Rotary shadowing:** Een specifieke vorm waarbij het specimen onder een zeer lage hoek op een roterend specimen wordt bestoven met metaal, vaak gebruikt voor het visualiseren van nucleïnezuren . #### 13.2.2 Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) SEM wordt gebruikt om het *oppervlak* van weefsels, macromoleculaire aggregaten of materialen in beeld te brengen [99](#page=99). * **Principe:** Een elektronenbundel scant het preparaat lijn per lijn. Hierbij worden secundaire elektronen uit het preparatoppervlak gegenereerd, die worden gedetecteerd, versterkt en computer-matig verwerkt tot een 3-dimensionaal beeld [100](#page=100) [99](#page=99). * **Preparatie:** Het preparaat mag groter en dikker zijn dan bij TEM, maar moet wel worden gecoat met een zwaar metaal [99](#page=99). * **Beeld:** SEM levert een driedimensionaal beeld op [100](#page=100) [99](#page=99). ### 13.3 Voordelen van elektronenmicroscopie Het belangrijkste voordeel van elektronenmicroscopen is dat de golflengte van elektronen veel kleiner is dan die van zichtbaar licht (400-800 nm). Hierdoor kunnen objecten worden waargenomen die kleiner zijn dan de golflengte van licht, tot op het niveau van individuele atomen . ### 13.4 Technische complicaties en vereisten * **Vacuüm:** Absolute vacuüm is noodzakelijk . * **Hoogspanning:** Vereist voor het versnellen van elektronen . * **Elektromagnetische lenzen:** Nodig om de elektronenstraal te manipuleren . * **Aangepaste preparatietechnieken:** Fixatie en kleuring moeten aangepast zijn aan de vereisten van vacuüm en elektronenbundels . --- # Lichtmicroscopische technieken en kleuringsmethoden Lichtmicroscopie is een fundamentele techniek voor het visualiseren van cel- en weefselstructuren, waarbij verschillende optische principes en kleurstofmethoden worden toegepast om contrast en detail te genereren [56](#page=56). ### 14.1 Typen lichtmicroscopen Lichtmicroscopen variëren in hun ontwerp en toepassing, aangepast aan specifieke observatiebehoeften. #### 14.1.1 Algemene lichtmicroscopen * **Histologie-microscoop:** Standaard microscoop voor het bestuderen van vaste weefselcoupes [56](#page=56). * **Discussie-microscoop:** Vaak uitgerust met digitale camera's om beelden vast te leggen en te delen [56](#page=56). * **Geïnverteerde lichtmicroscoop:** Ideaal voor de observatie van levende celculturen, waarbij de objectieven zich onder het preparaat bevinden [56](#page=56). #### 14.1.2 Speciale lichtmicroscopen voor levende cellen Deze microscopen zijn ontworpen om specimens met weinig inherent contrast, zoals levende cellen, zichtbaar te maken zonder ze te hoeven kleuren. * **Fasecontrastmicroscopie:** Maakt gebruik van de faseverschuiving die licht ondergaat bij het passeren door het preparaat. Kleine faseveranderingen, veroorzaakt door verschillen in brekingsindex, worden omgezet in amplitudeveranderingen (licht/donker), wat resulteert in een zwart-wit beeld. Dit is een uitvinding van Zernike en wordt toegepast op ongekleurde, levende preparaten zoals celculturen of vriescoupes [59](#page=59) [60](#page=60). * **Differentieel Interferentie-Contrast (DIC) microscopie (Nomarski):** Benut de interferentie van doorvallend gepolariseerd licht om verschillen in optische dichtheid en brekingsindex te visualiseren. Het vereist gespecialiseerde prisma's en interferentiefilters [59](#page=59) [60](#page=60). * **Digitale microscopie:** Maakt gebruik van computerverwerking van beelden met ultragevoelige videocamera's. Deze techniek is dynamisch en maakt zowel real-time als time-lapse opnamen mogelijk [59](#page=59). * **(Fluorescentie)microscopen voor 'life cell imaging':** Worden verder besproken in de context van fluorescentietechnieken [59](#page=59). > **Tip:** Ongekleurde preparaten hebben vaak weinig contrast in een standaard klaarveldmicroscoop, wat de analyse bemoeilijkt. Fasecontrast- en DIC-microscopie bieden hier uitkomst door subtiele optische verschillen om te zetten in zichtbare contrastverschillen [59](#page=59) [60](#page=60). ### 14.2 Principes van contrastverhoging in lichtmicroscopie Contrast in lichtmicroscopie kan op twee manieren worden verhoogd: 1. **Histologische kleuring:** Kleurstoffen absorberen specifieke golflengtes van het opvallende licht, wat leidt tot kleurvorming en zo het contrast verhoogt [60](#page=60). 2. **Benutten van optische dichtheidsverschillen:** In ongekleurde preparaten, hoewel transparant, bestaan er kleine verschillen in optische dichtheid. Deze verschillen veroorzaken faseverschuivingen in het licht, die door interferentie (positief of negatief) worden omgezet in een zwart-wit beeld in fasecontrast- of DIC-microscopen [60](#page=60). #### 14.2.1 Optische paden Het optische pad beschrijft de route die licht aflegt door de microscoop, wat verschilt tussen verschillende technieken [61](#page=61). * **Klaarveld-microscoop:** Standaard microscoop waarbij het licht direct door het preparaat schijnt [61](#page=61) [62](#page=62). * **Fasecontrast-microscoop:** Heeft een gespecialiseerde optische weg die faseverschuivingen omzet in zichtbaar contrast [61](#page=61). ### 14.3 Kleuringsmethoden Kleuren is essentieel om de transparante structuren in weefselcoupes zichtbaar te maken en onderscheid te kunnen maken tussen verschillende celcomponenten [63](#page=63). #### 14.3.1 Algemene principes van kleuring * Wit licht bestaat uit een spectrum van golflengtes, wat de basis vormt voor kleur [63](#page=63). * Kleuringstechnieken maken gebruik van kleurstoffen, vaak in waterige oplossingen [63](#page=63). * Voor weefselcoupes die in paraffine zijn ingebed, is een deparaffinisatie stap (met tolueen) nodig voordat gekleurd kan worden [63](#page=63). * Het belangrijkste bindingsmechanisme bij histologische kleuringen is ionische binding, gebaseerd op elektrostatische aantrekking tussen tegengesteld geladen deeltjes in het weefsel en de kleurstof [64](#page=64). #### 14.3.2 Hematoxyline en Eosine (H&E) kleuring De H&E kleuring is een routinekleuring bij uitstek voor histologisch onderzoek vanwege de effectiviteit en breed toepasbare morfologische details [64](#page=64) [65](#page=65). * **Hematoxyline:** * Technisch gezien geen kleurstof op zichzelf; vereist een "beitsmiddel" (vaak metaalionen zoals aluminium) om aan het weefsel te hechten [64](#page=64). * In complex met aluminiumzouten is het kationisch (positief geladen) en werkt als een **basische kleurstof** [64](#page=64). * Reageert met negatief geladen, **basofiele** celbestanddelen, zoals nucleïnezuren in de celkern [64](#page=64). * Kleur: Blauw tot donkerpaars [64](#page=64) [65](#page=65). * Kernen tonen diagnostisch belangrijke patronen van heterochromatinecondensatie [65](#page=65). * **Eosine:** * Is anionisch (negatief geladen) en werkt als een **zure kleurstof** [64](#page=64). * Reageert met positief geladen, **acidofiele** componenten in het weefsel, zoals aminogroepen in eiwitten in het cytoplasma [64](#page=64). * Kleur: Roze [64](#page=64) [65](#page=65). * Kleurt niet-specifiek eiwitten aan [65](#page=65). * Nucleoli worden met eosine gekleurd [65](#page=65). * Overvloedige polyribosomen geven het cytoplasma een blauwe gloed [65](#page=65). * De Golgi-zone kan zichtbaar worden door het gebrek aan kleuring naast de kern [65](#page=65). #### 14.3.3 Periodic Acid Schiff (PAS) kleuring * De PAS-kleuring kleurt vrije suikers aan [57](#page=57). * In het voorbeeld van de darmvillus kleurt het intervilleus slijm, gesecreteerd door slijmbekercellen, en de microvilli (borstelzoom) aan [57](#page=57). #### 14.3.4 Toepassingen en beperkingen van H&E * H&E kleuring is essentieel voor het herkennen van weefseltypes en morfologische veranderingen, met name in de kankerdiagnose [65](#page=65). * De kleuring toont een breed scala aan cytoplasmatische, nucleaire en extracellulaire matrixkenmerken [65](#page=65). * Een beperking is dat H&E onverenigbaar is met immunofluorescentie [65](#page=65). * Hematoxyline, eventueel zonder eosine, kan nuttig zijn als tegenkleuring in immunohistochemische of hybridisatieprocedures die colorimetrische substraten gebruiken (bv. alkalische fosfatase of peroxidase) [65](#page=65) [66](#page=66). > **Voorbeeld:** Bij de analyse van een darmvillus met PAS en hematoxyline, wordt het slijm en de microvilli paars-blauw gekleurd door PAS, terwijl de kernen van de epitheelcellen donkerblauw kleuren door hematoxyline. De basaalmembranen worden aangegeven met pijlen [57](#page=57). > **Voorbeeld:** Een doorsnede van de dunne darm (small intestine) van een muis gekleurd met H&E toont de villi, lamina propria, submucosa en crypten, met duidelijke differentiatie tussen celkernen (blauw) en cytoplasma (roze). Slijmbekercellen zijn herkenbaar door hun roze uiterlijk [58](#page=58). --- # Principes en toepassingen van fluorescentiemicroscopie Fluorescentiemicroscopie is een techniek die gebruikmaakt van fluorescerende moleculen om specifieke structuren of moleculen in biologische monsters zichtbaar te maken [72](#page=72) [73](#page=73). ### 15.1 Algemene principes van fluorescentiemicroscopie #### 15.1.1 Werkingsmechanisme Bij fluorescentiemicroscopie worden fluorescerende kleurstoffen, fluorochromen genaamd, gebruikt. Deze fluorochromen absorberen licht met een bepaalde golflengte (excitatie) en zenden vervolgens licht uit met een langere golflengte (emissie). De absorptiestraling, doorgelaten door een excitatiefilter, moet worden tegengehouden door een barrièrefilter om de emissiestraling te kunnen waarnemen [73](#page=73). Het excitatie- en emissiespectrum van een typisch fluorofoor, zoals fluoresceïne (of Alexa 488), illustreert dit principe, waarbij het emissiespectrum altijd een langere golflengte heeft dan het excitatiespectrum [73](#page=73). #### 15.1.2 Componenten van een epifluorescentiemicroscoop Een typische epifluorescentiemicroscoop bestaat uit de volgende componenten [74](#page=74): 1. **Excitatiebron:** Dit kan een kwikdamplamp (Hg), een xenonlamp (Xe) of lasers zijn [72](#page=72) [74](#page=74). 2. **Golflengtefilters in een filterkubus:** * **Excitatiefilter:** Selecteert de golflengte van het excitatielicht [74](#page=74). * **Dichroïsche spiegel (beamsplitter):** Reflecteert het excitatielicht naar het monster en laat het emissielicht door naar de detector [74](#page=74). * **Emissiefilter of stopfilter:** Blokkeert het excitatielicht en laat het emissielicht door [74](#page=74). 3. **Detector:** Dit kunnen de ogen of een camera (digitaal/analoog) zijn [74](#page=74). #### 15.1.3 Confocale laser scanning microscopie (CLSM) Naast conventionele epifluorescentie is er ook confocale laser scanning microscopie (CLSM). CLSM gebruikt doorgaans een laser als exciterende lichtbron en maakt het mogelijk om optische secties van het monster te verkrijgen, wat resulteert in beelden met een hogere resolutie en minder achtergrondruis [72](#page=72). > **Tip:** Het nauwkeurig afstemmen van de excitatiefilters, dichroïsche spiegels en emissiefilters is cruciaal voor het verkrijgen van optimale fluorescentiesignalen en het minimaliseren van achtergrondfluorescentie. ### 15.2 Toepassingen van fluorescentiemicroscopie Fluorescentiemicroscopie wordt breed ingezet voor het visualiseren, lokaliseren en kwantificeren van moleculen in (levende) cellen en weefsels [74](#page=74). #### 15.2.1 Ion-gevoelige kleurstoffen Deze kleurstoffen veranderen hun fluorescentie afhankelijk van de ionenconcentratie in de cel. Een bekend voorbeeld is Fura-2, dat wordt gebruikt om intracellulaire calciumionen (Ca2+) te meten. Veranderingen in Ca2+-concentratie kunnen belangrijke cellulaire processen sturen, zoals responsen op stimuli [74](#page=74). > **Example:** Het observeren van de Ca2+-gradient in een bewegende cel met Fura-2 kan inzicht geven in de richting en de mechanismen van celmigratie [74](#page=74). #### 15.2.2 Immunofluorescentie microscopie Bij deze techniek worden specifieke eiwitten gedetecteerd met behulp van antilichamen waaraan een fluorchroom is gekoppeld (geconjugeerd). Dit maakt het mogelijk om de locatie en distributie van specifieke eiwitten in gefixeerde cellen of weefsels te visualiseren [74](#page=74) [77](#page=77). #### 15.2.3 Tagging van eiwitten met fluorescente eiwitten Eiwitten kunnen genetisch gemodificeerd worden om te fuseren met fluorescente eiwitten, zoals Blue Fluorescent Protein (BFP) of Yellow Fluorescent Protein (YFP). Hierdoor kunnen specifieke eiwitten in levende cellen worden gevolgd en hun dynamiek bestudeerd worden. Diverse soorten fluorescente eiwitten zijn beschikbaar, die tot expressie gebracht kunnen worden in verschillende organismen [75](#page=75) [78](#page=78) [79](#page=79). #### 15.2.4 Visualisatie van organellen Fluorescentiemicroscopie kan ook worden gebruikt om specifieke organellen te markeren en te visualiseren. Voorbeelden hiervan zijn lysosomen en mitochondria in gecultiveerde cellen [75](#page=75). #### 15.2.5 Aankleuring van meerdere eiwitten De techniek maakt het mogelijk om twee of meer eiwitten tegelijkertijd aan te kleuren en te visualiseren, wat inzichten kan verschaffen in hun interacties of co-lokalisatie. Het visualiseren van cytoskelet-kabels (actine in groen) en hun 'voetjes' (vinculine in rood) kan bijvoorbeeld co-lokalisatie aantonen [77](#page=77) [78](#page=78). #### 15.2.6 Combinatie met andere microscopietechnieken Fluorescentiemicroscopie kan gecombineerd worden met technieken zoals Differential Interference Contrast (DIC) of Nomarski microscopie om morfologische informatie (structuur) te integreren met fluorescentiedata. Dit leidt tot samengestelde beelden (overlay-beelden) die een completer beeld geven van het monster, zoals de combinatie van morfologie, kernen en mitochondria [81](#page=81). > **Tip:** Bij het analyseren van beelden met meerdere fluorochromen, zoals driedubbele overlays, is het essentieel om de specifieke emissieprofielen van elke kleurstof te kennen om kruisinterferentie te minimaliseren en de interpretatie te verfijnen [81](#page=81). #### 15.2.7 Registratie in microscopen Klassieke epifluorescentiemicroscopen kunnen uitgerust zijn met digitale registratieapparatuur, waarbij de registratie direct plaatsvindt zonder de noodzaak van oculair observatie. Dit verbetert de gevoeligheid en maakt kwantitatieve analyse mogelijk [80](#page=80). --- # Interpretatieproblematiek van TEM-beelden en driedimensionale reconstructie De interpretatieproblematiek van TEM-beelden en driedimensionale reconstructie omvat de uitdagingen en technieken die gepaard gaan met het visualiseren en reconstrueren van driedimensionale structuren op basis van tweedimensionale microscopische beelden. ### 16.1 Prepareren en observeren van cellen en weefsels Het primaire doel van preparatietechnieken is om cellen en weefsels geschikt te maken voor observatie onder een lichtmicroscoop (LM) of elektronenmicroscoop (EM). Biologisch materiaal biedt van nature weinig contrast en laat weinig licht of elektronen door, wat specifieke procedures noodzakelijk maakt [42](#page=42) [7](#page=7). #### 16.1.1 Belang van histologische technieken Histologische technieken zijn essentieel om weefsels voldoende dun te snijden voor de doorgang van licht of elektronen en om contrast te creëren voor het waarnemen van structuurdetails [42](#page=42). **Methodes voor preparatie omvatten:** * Fixeren [45](#page=45) [7](#page=7). * Inbedden en snijden [46](#page=46) [7](#page=7). * Kleuren of contrasteren [7](#page=7). > **Tip:** Het prepareren van weefsel voor microscopische analyse kan artefacten introduceren, wat de interpretatie van beelden kan beïnvloeden [45](#page=45). #### 16.1.2 Fixeren Fixeren dient om de oorspronkelijke structuur van weefsels te bewaren door eiwitten te denatureren en zo afbraakprocessen te stoppen [45](#page=45). * **Chemische fixatieven:** * Formol (voor LM) [45](#page=45). * Glutardialdehyde (voor EM) [45](#page=45). * OsO$_4$ [45](#page=45). * **Invriezen:** Een alternatieve methode die snelle verwerking mogelijk maakt en epitopen goed bewaart, vaak gebruikt in pathologische laboratoria voor snelle diagnoses [45](#page=45). #### 16.1.3 Inbedden en snijden Na fixatie moet het materiaal worden doordrongen en omwikkeld met een inbedmiddel om het snijdbaar te maken in dunne plakken. Inbedmiddelen zijn doorgaans hydrofoob en vereisen eerst een dehydratatie van het weefsel met alcohol, gevolgd door een 'clearing'-stap met tolueen, dat mengbaar is met zowel alcohol als het inbedmiddel [46](#page=46) [47](#page=47). * **Inbedmiddelen:** * Paraffine: Gebruikt voor lichtmicroscopie (LM), resulteert in coupes van 5-10 µm [48](#page=48). * Harsen en plastics: Gebruikt voor elektronenmicroscopie (EM), laat coupes tot 70 nm toe [48](#page=48). Het snijden gebeurt met een **microtoom**: * Voor LM: Met een stalen mes [48](#page=48). * Voor EM: Met een glazen of diamantmes [48](#page=48). Coupes voor LM worden op glazen draagglas geplaatst, terwijl coupes voor EM op metalen roosters (grids) worden geplaatst [48](#page=48). #### 16.1.4 Kleuren of contrasteren Kleuringen verhogen het contrast in weefsels door specifieke moleculen aan te kleuren, waardoor structuren beter zichtbaar worden [60](#page=60). * **HE-kleuring (Hematoxyline-Eosine):** Hematoxyline kleurt zure (basofiele) componenten zoals kernen, terwijl eosine eosinofiele/acidofiele stoffen (zoals eiwitten) roze aankleurt [57](#page=57). * **PAS (Periodic Acid Schiff):** Kleurt vrije suikers, zoals in slijmbekercellen en microvilli [57](#page=57). ### 16.2 Microscopische observatietechnieken De ontwikkeling van microscopen heeft een revolutie teweeggebracht in de celbiologie, met name de lichtmicroscoop en de elektronenmicroscoop. #### 16.2.1 Lichtmicroscopie (LM) * **Resolutie:** De effectieve resolutie van een lichtmicroscoop wordt beperkt tot ongeveer 200 nm door het objectief en de golflengte van zichtbaar licht [52](#page=52). * **Klaarveldmicroscoop:** Het klassieke type microscoop dat gebruik maakt van doorvallend wit licht. Het bestaat uit een condensor (bundelt licht op preparaat), een objectief (vormt vergroot beeld) en oculair (navergroting) [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55). * **Specialere lichtmicroscopen:** * **Fasecontrastmicroscopie:** Maakt gebruik van faseverschuivingen van licht door verschillen in optische dichtheid van het preparaat om contrast te creëren, ideaal voor levende, ongekleurde cellen [59](#page=59) [60](#page=60) [61](#page=61). * **Differentieel Interferentie-Contrast (DIC) microscopie:** Gebruikt gepolariseerd licht en interferentie om contrast te genereren, ook geschikt voor levende cellen [59](#page=59). * **Digitale microscopie:** Gebruikt ultragevoelige videocamera's en computerverwerking voor dynamische beelden (real-time en time-lapse) [59](#page=59). * **Fluorescentiemicroscopie:** Gebruikt fluorescent gekleurde moleculen om specifieke structuren zichtbaar te maken, belangrijk voor 'live cell imaging' [51](#page=51) [59](#page=59). * **Geïnverteerde lichtmicroscoop:** Ideaal voor de observatie van levende celculturen, omdat de objectieven zich onder het preparaat bevinden [56](#page=56). > **Tip:** De preparaatkwaliteit (bv. gefixeerd en gekleurd vs. levend) beïnvloedt de effectieve resolutie en de waarneembare details [52](#page=52). #### 16.2.2 Elektronenmicroscopie (EM) Voor EM worden ultradunne coupes (70 nm) gesneden van in hars of plastic ingebed materiaal. Dit maakt visualisatie van subcellulaire structuren met een veel hogere resolutie mogelijk dan met LM [48](#page=48). ### 16.3 Driedimensionale Reconstructie Driedimensionale reconstructie is de techniek om een driedimensionaal beeld te construeren uit een reeks van tweedimensionale beelden, verkregen door opeenvolgende coupes of door verschillende focusvlakken van een microscoop. #### 16.3.1 Celcultuur als model Celcultuurtechnieken, die al sinds het begin van de 20e eeuw bestaan (bv. "3D Tissue Culture" door Harrison in 1907), vormen de basis voor veel preparaten. Hoewel vaak met 2D monolaagcultures wordt gewerkt, zijn er ook methodes om 3D structuren te nabootsen of te creëren [19](#page=19) [8](#page=8). * **2D Monolaagcultures:** Simuleren organen/weefsels maar missen de complexe 3D interacties [8](#page=8). * **3D Cultures:** Kunnen cysten vormen met specifieke apicaal/basolaterale eiwitverdeling, wat de in vivo omgeving beter nabootst. Tumorcellen kunnen bijvoorbeeld in 3D groeien als ze hun contactinhibitie verloren hebben [18](#page=18) [19](#page=19). #### 16.3.2 Beeldvormingstechnieken voor 3D Reconstructie Hoewel de directe documentatie van 3D reconstructie technieken beperkt is in de verstrekte tekst (pagina's 1-61), is het principe gebaseerd op het verkrijgen van een serie van overlappende 2D beelden. * **Seriële coupes:** Het snijden van opeenvolgende dunne plakken van een weefsel of celaggregaat. Elke coupe wordt microscopisch bekeken en de beelden worden vervolgens digitaal uitgelijnd en samengevoegd om een 3D model te reconstrueren [43](#page=43) [48](#page=48). * **Confocale microscopie:** Maakt het mogelijk om beelden op verschillende focusdieptes te verzamelen binnen een monster. Deze beelden kunnen worden gestapeld om een 3D reconstructie te maken. De tekst vermeldt het gebruik van een confocaal systeem met photomultiplier tubes [13](#page=13). #### 16.3.3 Interpretatieproblematiek * **Artefacten:** Manipulaties tijdens preparatie (fixatie, inbedden, snijden) kunnen artefacten veroorzaken die de interpretatie van de werkelijke structuur bemoeilijken [45](#page=45). * **Verlies van informatie:** Bij het snijden van seriële coupes kan informatie verloren gaan of worden vervormd, wat de nauwkeurigheid van de 3D reconstructie kan beïnvloeden. * **Uitlijning:** Het nauwkeurig uitlijnen van opeenvolgende 2D beelden is cruciaal voor een correcte 3D reconstructie en kan technisch uitdagend zijn. * **Resolutiebeperkingen:** De resolutie van de gebruikte microscoop beperkt de fijnheid van de details die in de 3D reconstructie kunnen worden waargenomen. De tekst legt de nadruk op de preparatie- en observatiemethoden die *aanleiding geven* tot de beelden die uiteindelijk voor 3D reconstructie gebruikt kunnen worden, maar de specifieke methodologieën voor de reconstructie zelf worden niet uitgebreid behandeld binnen de gegeven pagina's. --- Dit hoofdstuk bespreekt de interpretatieproblematiek van transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) beelden en de technieken voor driedimensionale reconstructie. TEM-beelden bieden uitzonderlijke resolutie, maar de interpretatie ervan kan complex zijn door de aard van de preparaten en de gebruikte technieken. Driedimensionale reconstructie technieken zijn essentieel om de ware structuur van cellen en weefsels te begrijpen op basis van tweedimensionale sneden. ### 16.1 Elektronenmicroscopie: Principes en Technieken Elektronenmicroscopie (EM) gebruikt een bundel elektronen in plaats van licht om beelden te vormen, wat resulteert in aanzienlijk hogere resoluties. Dit komt doordat de golflengte van elektronen veel kleiner is dan die van zichtbaar licht, waardoor kleinere structuren waargenomen kunnen worden. Twee hoofdtypen EM zijn Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) en Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) [98](#page=98) [99](#page=99). #### 16.1.1 Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) Bij TEM wordt een elektronenbundel door een ultradun preparaat gestuurd. De elektronen worden verstrooid door zware atoomkernen in het preparaat, wat resulteert in een beeld op een fluorescerend scherm. De resolutie van TEM kan tot 1 nanometer bedragen [98](#page=98) [99](#page=99). * **Principe:** Een elektronenkanon genereert een bundel elektronen die door elektromagnetische lenzen wordt geconcentreerd en gefocust op een ultradun monster. De doorgelaten elektronen worden gedetecteerd om een beeld te vormen [98](#page=98). * **Technisch vereisten:** Hoge resolutie vereist een vacuümomgeving om interactie van elektronen met gasmoleculen te voorkomen en hoogspanning voor de elektronenbundel . #### 16.1.2 Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) SEM wordt gebruikt om het oppervlak van objecten in beeld te brengen. Een elektronenbundel scant het preparaat lijn per lijn, waarbij secundaire elektronen worden gegenereerd. Deze worden gedetecteerd om een driedimensionaal beeld te construeren. SEM is geschikt voor grotere en dikkere preparaten, die vaak met een zwaar metaal zijn gecoat [99](#page=99). ### 16.2 Preparatie- en Kleurtechnieken voor EM Biologisch materiaal vertoont van zichzelf weinig contrast in een TEM, waardoor speciale preparatie- en kleurtechnieken noodzakelijk zijn om structuren zichtbaar te maken . * **Fixatie:** Materiaal wordt gefixeerd met chemische stoffen zoals glutaaraldehyde en osmiumtetroxide om structuren te stabiliseren en het preparaat toegankelijk te maken voor volgende stappen . * **Kleuring:** Verbindingen van zware metalen, zoals osmiumtetroxide, uranylacetaat en loodcitraat, worden gebruikt om structuren met een hogere densiteit donkerder te laten verschijnen in het beeld. Deze techniek is geen ware kleuring in de zin van kleur, maar verhoogt het contrast door verschillen in elektronenverstrooiing . * **Negatieve kleuring:** Het monster wordt geïncubeerd met een metaalzout, dat de specimen zelf niet opneemt, waardoor het specimen wit is tegen een zwarte achtergrond. Dit wordt vaak gebruikt voor virusdeeltjes of macromoleculen . * **Shadowing (schaduwwerping):** Het preparaat wordt bestoven met een metaal (bv. platina, goud) onder een schuine hoek. Dit creëert een driedimensionaal effect door de schaduwen die de metaaldeeltjes werpen. Rotary shadowing wordt gebruikt voor nucleïnezuren . * **Dehydratatie en Inbedding:** Water wordt verwijderd en het materiaal wordt ingebed in kunsthars om ultradunne secties te kunnen snijden . * **Ultradun snijden:** Met behulp van een ultramicrotoom worden secties van 50-100 nm dik gesneden. Deze coupes worden op een gridje opgevangen . ### 16.3 Interpretatieproblematiek van TEM-beelden De tweedimensionale aard van TEM-sneden kan leiden tot interpretatieproblemen bij het reconstrueren van driedimensionale structuren . * **Verschillende doorsneden van dezelfde structuur:** Een complexe, kronkelende structuur kan in verschillende ultradunne secties zeer uiteenlopende tweedimensionale vormen vertonen . > **Tip:** Het is cruciaal om te beseffen dat een enkele TEM-sectie slechts een 'plakje' van een driedimensionaal object is. Het extrapoleren naar 3D vereist zorgvuldigheid. * **Reconstructie uit opeenvolgende secties:** Om een nauwkeurige 3D-reconstructie te verkrijgen, is het vaak nodig om tijdrovend opeenvolgende secties te stapelen en te analyseren . ### 16.4 Technieken voor Driedimensionale Reconstructie Om de beperkingen van tweedimensionale beelden te overwinnen, zijn er verschillende technieken ontwikkeld voor driedimensionale reconstructie. #### 16.4.1 Cryo-elektronen-tomografie (Cryo-ET) Cryo-ET maakt 3D-reconstructies mogelijk door een serie 2D-projecties te genereren terwijl het monster of de detector rond een as wordt gekanteld . * **Principe:** Het principe is gebaseerd op Fourier-analyse van terugprojecties om een virtueel 3D-beeld van het originele object te reconstrueren. Hoe meer projecties met kleinere hoekverschuivingen, hoe nauwkeuriger de reconstructie en hoe minder 'missing-wedge' artefacten . * **Toepassing:** Deze techniek is zeer geschikt voor het bestuderen van de ultrastructuur van subcellulaire componenten en macromoleculaire complexen, zoals nucleaire pore complexen (NPC's) . #### 16.4.2 Serial Block Face Scanning Electron Microscopy (SBF-SEM) en Focused Ion Beam Scanning Electron Microscopy (FIB-SEM) Deze technieken behoren tot de geavanceerde EM-methoden die driedimensionale reconstructies mogelijk maken. * **SBF-SEM:** Hierbij wordt het monster in de microscoop met een ultramicrotoom in ultradunne secties verwijderd, terwijl tegelijkertijd het resterende 'blokfront' wordt gescand . * **FIB-SEM:** Gebruikt een ionenlaser om materiaal weg te nemen en het monster te structureren, gevolgd door SEM-analyse om 3D-beelden te verkrijgen . #### 16.4.3 Vries-breek en Vries-ets technieken Deze technieken worden voornamelijk gebruikt om membraanstructuren gedetailleerd te bestuderen . * **Vries-breek (Freeze-fracture):** Cellulaire membranen worden door de toepassing van een diepgekoeld mes gebroken, meestal tussen de binnenste en buitenste leaflet van de dubbellaag. Dit onthult de eiwitten en eiwitaggregaten in de membraan . * **Vries-ets (Freeze-etching):** Na het vries-breken wordt een dunne laag ijs verwijderd door sublimatie onder vacuüm, wat meer 3D-structuur genereert dan alleen vries-breek. De visualisatie gebeurt na bestuiving met zware atomen in TEM of SEM . > **Tip:** De keuze van de EM-techniek hangt af van of men de interne structuur (TEM, Cryo-ET), het oppervlak (SEM) of membraanstructuren (Vries-breek) wil bestuderen. ### 16.5 Voorbeelden van TEM- en SEM-analyse * **TEM-analyse van tracheaal epitheel:** Toont twee celtypes: cellen met lange cilia (geciliëerde cellen) en mucus-producerende cellen. Geciliëerde cellen bevatten veel mitochondriën en glad ER, terwijl mucus-producerende cellen veel ruw ER, een uitgebreid Golgi-apparaat en mucus-gevulde secretiedruppels hebben. De cilia zelf zijn begrensd door een dubbelbladige biologische membraan . * **SEM-analyse van tracheaal epitheel:** Bevestigt de aanwezigheid van cellen met lange cilia en mucus-producerende cellen met een koepelvormig oppervlak . * **TEM-analyse van collageenvezels:** Gedetailleerd zichtbaar gemaakt door bestuiving met platina, waar het karakteristieke repetitiepatroon op de vezel zichtbaar is . * **TEM-analyse van virusdeeltjes:** Virussen zoals het coronavirus en poliovirus kunnen worden geanalyseerd met negatieve kleuring of schaduwwerping . * **TEM-analyse van dierlijke cellen:** Toont details zoals kernen, mitochondriën, lysosomen en endoplasmatisch reticulum met hoge resolutie, waardoor de ultrastructuur van cellen gedetailleerd kan worden bestudeerd . --- Dit onderwerp bespreekt de interpretatie van Transmission Electron Microscopy (TEM) beelden, de detectie van specifieke moleculen binnen deze beelden, en technieken voor driedimensionale reconstructie uit grotere volumes. ### 16.1 Interpretatie van celstructuren in TEM-beelden Scanning Electron Microscopy (SEM) analyse van epitheel van de trachea toont twee celtypes: cellen met lange cilia en mucus-producerende cellen met een koepelvormig oppervlak. Voor SEM-analyse worden monsters geleidend gemaakt door ze met een sputter coater van een dun laagje goud of goud/palladium te voorzien. De vergroting in dit specifieke geval is ongeveer 4000x . ### 16.2 Detectie van specifieke eiwitten met behulp van TEM TEM kan worden gebruikt voor de detectie van specifieke eiwitten binnen celstructuren. Dit wordt mogelijk gemaakt door het gebruik van antilichamen die specifiek binden aan doelwit-eiwitten. Een voorbeeld hiervan is een antilichaam tegen een capsid-eiwit, dat specifiek is voor een HIV-partikel dat vanuit een cel uitboert (budding) . ### 16.3 Analyse van grotere volumes met SBF-SEM en FIB-SEM Serial block-face SEM (SBF-SEM) en Focused Ion Beam SEM (FIB-SEM) zijn technieken die analyse van grotere volumes mogelijk maken. Deze methoden verwijderen dunne lagen van het monster in de vacuümkamer van de SEM . * **SBF-SEM:** Maakt gebruik van een diamantmes om dunne lagen van het blok te verwijderen . * **FIB-SEM:** Gebruikt een focused ion beam om lagen van het monster te verwijderen . Deze technieken zijn cruciaal voor het verkrijgen van driedimensionale reconstructies van complexe structuren door opeenvolgende beelden van dunne plakjes te combineren. --- ## 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 | |------|------------| | Celcultuur | Een techniek waarbij cellen buiten hun natuurlijke omgeving, in een laboratorium, worden gekweekt. Dit kan variëren van het kweken van cellen uit een stukje weefsel (primaire culturen) tot het gebruik van stabiele cellijnen met een potentieel onbeperkte levensduur. | | Monolaagcultuur | Een kweekmethode waarbij cellen zich verspreiden en een enkele laag vormen op het groeioppervlak. Dit wordt vaak bereikt door cellen in een geschikt medium te plaatsen, waarna ze zich delen totdat ze een continue laag vormen, bekend als confluente monolaag. | | Cellijn | Een populatie van cellen die afkomstig is van een enkele cel en die in staat is om zich onbeperkt te delen in cultuur. Cellijnen kunnen afkomstig zijn van tumoren (geïmmortaliseerd) of verkregen worden door selectie na veroudering van primaire culturen. | | Immortalisatie | Het proces waarbij cellen het vermogen krijgen om zich onbeperkt te delen, wat resulteert in een cellijn met een potentieel oneindige levensduur. Dit kan optreden bij tumorcellen of geïnduceerd worden door genetische manipulatie of selectie. | | Senescence | Een proces van celveroudering waarbij cellen stoppen met delen na een bepaald aantal passages. Dit is een natuurlijke beperking van de levensduur van de meeste primaire celculturen. | | Groeisubstraat | Een fysieke drager waarop cellen kunnen groeien en zich hechten in cultuur. Dit substraat beschermt de cellen tegen anoïkis (een vorm van geprogrammeerde celdood) en is essentieel voor adherente celculturen. | | Anoïkis | Een vorm van geprogrammeerde celdood (apoptose) die optreedt wanneer cellen hun contact met het extracellulaire matrix of omliggende cellen verliezen. Groeisubstraten helpen dit te voorkomen. | | Contactinhibitie | Het fenomeen waarbij cellen in cultuur stoppen met delen wanneer ze een confluente laag vormen en elkaar raken. Dit wordt veroorzaakt door competitie voor groeifactoren en signalen tussen de cellen. | | Trypsine-EDTA | Een veelgebruikte oplossing voor het losmaken van adherente cellen van het groeioppervlak en van elkaar. Trypsine breekt oppervlakte-eiwitten af, terwijl EDTA calcium- en magnesiumionen cheleert, wat intercellulaire adhesie verstoort. | | Confluentie | De toestand waarbij een celcultuur het groeioppervlak volledig bedekt met een laag cellen. Op dit punt stoppen de meeste cellen met delen vanwege contactinhibitie. | | Extracellulaire Matrix (ECM) | Een complex netwerk van macromoleculen, zoals eiwitten en polysachariden, dat buiten de cellen wordt uitgescheiden en structurele ondersteuning en signaleringsfuncties biedt. Cellen kunnen op ECM-componenten groeien om de in vivo omgeving na te bootsen. | | Spheroid-vorming | De vorming van driedimensionale celaggregaten die lijken op kleine bolletjes. Dit kan optreden in celculturen, met name in collageengels, en bootst de structuur van weefsels na. | | Term | Definitie | | Laminaire flowbench | Een werkstation dat een gecontroleerde, steriele omgeving creëert door middel van een luchtstroom die stofdeeltjes en micro-organismen verwijdert, essentieel voor celcultuurwerkzaamheden om contaminatie te voorkomen. | | HEPA filter | Een High Efficiency Particulate Air filter dat zeer effectief is in het verwijderen van kleine deeltjes, waaronder bacteriën en virussen, uit de luchtstroom binnen de laminaire flowbench en CO2-ovens om steriliteit te waarborgen. | | CO2-oven | Een incubatietoestel dat een gecontroleerde omgeving met een specifieke temperatuur en een verhoogde concentratie koolstofdioxide ($CO_2$) biedt, noodzakelijk voor de groei en het onderhoud van veel celtypen in cultuur. | | Celadhesie | Het proces waarbij cellen zich hechten aan een substraat, zoals een kweekbodem of een ander celoppervlak, wat een cruciale stap is voor celoverleving, groei en differentiatie. | | Celspreiding | Het proces waarbij cellen zich na initiële adhesie progressief over het substraat verspreiden, wat gepaard gaat met veranderingen in het cytoskelet en een vergroting van het celcontactoppervlak. | | Celmigratie | Het vermogen van een cel om zich over een oppervlak te verplaatsen, wat wordt gefaciliteerd door het tijdelijk remmen van adhesie op één locatie en het opbouwen van nieuwe adhesie in de bewegingsrichting. | | Vloeibare stikstof | Een cryogeen vloeistof met een extreem lage temperatuur van -196°C, gebruikt voor de langdurige opslag van cellen en biologische monsters om hun levensvatbaarheid te behouden. | | Stamcel | Een cel met het vermogen om zich voortdurend te delen en te differentiëren (ontwikkelen) in verschillende andere soorten cellen of weefsels. | | Zelfvernieuwing | Het vermogen van stamcellen om zichzelf te delen en kopieën van zichzelf te maken, waardoor de populatie stamcellen behouden blijft. | | Differentiatie | Het proces waarbij een minder gespecialiseerde cel, zoals een stamcel, verandert in een meer gespecialiseerd celtype dat een specifieke functie in het lichaam kan uitvoeren. | | Totipotente stamcellen | Stamcellen die de potentie hebben om zich te ontwikkelen tot een volledig organisme, inclusief de placenta en de foetus. Dit geldt voor de eerste cellen na bevruchting. | | Pluripotente stamcellen | Stamcellen die de potentie hebben om zich te ontwikkelen tot alle celtypen van het lichaam, maar niet tot de placenta. De cellen van de binnenste celmassa van een blastocyst zijn pluripotent. | | Multipotente stamcellen | Stamcellen die de potentie hebben om zich te ontwikkelen tot een beperkt aantal verschillende celtypen, meestal binnen een specifieke weefsellijn. Hemopoëtische stamcellen zijn een voorbeeld, die zich ontwikkelen tot verschillende bloedceltypen. | | Blastocyst | Een holle bal van ongeveer 140 stamcellen die ontstaat uit de bevruchte eicel na meerdere delingscycli, ongeveer 4 dagen na de bevruchting. | | Binnenste celmassa (ICM) | De groep cellen binnenin de blastocyst die zich zal ontwikkelen tot de foetus. Deze cellen zijn pluripotent. | | Humane embryonale stamcellen | Cellen afkomstig uit vroege embryo's, die het potentieel hebben om te differentiëren tot verschillende celtypen en die gebruikt worden in wetenschappelijk onderzoek naar celontwikkeling en ziekten. | | In vitro | Een proces dat plaatsvindt buiten het levende organisme, typisch in een laboratoriumomgeving zoals een reageerbuis of kweekfles. | | Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs) | Volwassen cellen die genetisch zijn herprogrammeerd om zich te gedragen als embryonale stamcellen, waardoor ze zich tot elk celtype kunnen ontwikkelen zonder ethische bezwaren rondom embryo's. | | Contaminatie | De aanwezigheid van ongewenste micro-organismen (zoals bacteriën, gisten, schimmels) of vreemde cellen in een celkweek, wat de resultaten van het onderzoek kan beïnvloeden. | | Mycoplasma's | Een type bacterie dat cellen kan besmetten, vaak parasitair en deels intracellulair, wat leidt tot verstoringen in het cellulaire metabolisme en moeilijk detecteerbaar is. | | Karyotypering | Een techniek die wordt gebruikt om het aantal en de structuur van chromosomen in individuele cellen te analyseren, wat helpt bij het beoordelen van de genetische zuiverheid en stabiliteit van celculturen. | | Genetische instabiliteit | De neiging van gecultiveerde cellen om hun genetische samenstelling, zoals het aantal en de vorm van chromosomen, te veranderen gedurende het kweekproces, wat de betrouwbaarheid van het onderzoek kan beïnvloeden. | | Cryoprotectief | Een stof, zoals glycerol of DMSO, die wordt toegevoegd aan cellen om ze te beschermen tegen schade tijdens het invriesproces, door de vorming van ijskristallen te voorkomen. | | Epifluorescentiemicroscoop | Een klassieke opstelling voor fluorescentiemicroscopie waarbij de excitatie- en emissielichtpaden gescheiden zijn, wat resulteert in een beeld dat wordt gevormd door het totale fluorescente licht dat door het monster wordt uitgestraald. | | Confocaal laser scanning microscoop (CLSM) | Een geavanceerde microscopietechniek die een laserstraal gebruikt om het monster punt voor punt optisch af te tasten, waarbij een pinhole wordt ingezet om strooilicht te elimineren en alleen licht uit het scherpe vlak naar de detector te laten gaan, wat resulteert in beelden met een hogere resolutie en contrast. | | Pinhole | Een kleine opening die in de emissiepad van een confocale microscoop wordt geplaatst om te voorkomen dat emissielicht van buiten het gewenste focale vlak de detector bereikt, wat bijdraagt aan de optische sectie en verbeterde resolutie. | | Optische aftasting | Het proces waarbij een confocale microscoop het monster systematisch scant met een laserstraal, punt voor punt, om een digitaal beeld op te bouwen door de fluorescentie-emissie van elk punt te detecteren. | | Deconvolutie-algoritmes | Softwarematige bewerkingen die worden toegepast op conventionele digitale microscoopbeelden om de effecten van optische aberraties en strooilicht te corrigeren, waardoor de resolutie en de beeldkwaliteit aanzienlijk worden verbeterd. | | Fluorochroom | Een chemische stof die fluorescentie vertoont wanneer deze wordt geëxciteerd door licht van een specifieke golflengte, en die wordt gebruikt om specifieke structuren of moleculen in biologische monsters zichtbaar te maken. | | DIC (Differentieel Interferentie Contrast) | Een microscopietechniek die wordt gebruikt om morfologische details van transparante monsters zichtbaar te maken door interferentiepatronen te creëren op basis van brekingsindexverschillen, vaak gebruikt in combinatie met fluorescentiemicroscopie voor overlay-beelden. | | Time lapse microscopie | Een techniek waarbij een reeks beelden van een levend monster over een langere periode wordt opgenomen, waardoor dynamische processen zoals celbeweging of intracellulaire veranderingen kunnen worden geanalyseerd. Confocale microscopie is hierbij vaak beter geschikt. | | Deconvolutie-fluorescentiemicroscopie | Een techniek waarbij softwarematige bewerkingen, genaamd deconvolutie-algoritmes, worden toegepast op conventionele digitale beelden om een hogere resolutie te verkrijgen. Dit proces helpt bij het verbeteren van de beeldkwaliteit door het verwijderen van onscherpte die veroorzaakt wordt door optische aberraties. | | Conventionele fluorescentiemicroscoop | Een type microscoop dat fluorescentie gebruikt om beelden te genereren, maar waarbij de beelden na acquisitie softwarematige bewerkingen vereisen om de resolutie te verbeteren. Deze microscopen zijn vaak minder geavanceerd dan confocale of deconvolutie-systemen wat betreft inherente beeldkwaliteit. | | Confocale microscopie | Een geavanceerde microscopietechniek die een punt van licht gebruikt om een beeld te scannen, waardoor alleen licht uit het brandpunt wordt gedetecteerd. Dit resulteert in beelden met een hogere resolutie en minder achtergrondruis, wat het beter geschikt maakt voor het analyseren van dynamische processen. | | 4D Live Cell Imaging | Een geavanceerde microscopietechniek die de combinatie maakt van snelle 3D-multi-kleuren imaging met time-lapse opnames. Dit maakt het mogelijk om de dynamische processen in levende cellen over tijd, in drie ruimtelijke dimensies en met meerdere fluorescentiekanalen, te bestuderen. | | 3D multi kleur imaging | Het simultaan registreren van verschillende fluorochromen in de XYZ-dimensies van een monster. Dit stelt onderzoekers in staat om de ruimtelijke distributie van meerdere moleculen of structuren binnen een cel of weefsel tegelijkertijd te visualiseren. | | Time lapse recording | De registratie van processen gedurende een welbepaalde periode, waarbij op vaste tijdspunten telkens een beeld wordt genomen. Deze beelden worden vervolgens geassembleerd tot een versnelde film om snelle biologische gebeurtenissen zichtbaar te maken. | | Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) | Een techniek die gebruik maakt van een bundel elektronen om een beeld te vormen van een preparaat. De elektronen gaan door het preparaat heen, waarbij de interactie met de atomen van het materiaal leidt tot beeldvorming. | | Fixatie | Het proces waarbij biologische structuren in cellen en weefsels chemisch worden vastgelegd om hun oorspronkelijke vorm en integriteit te behouden, en om ze doorlaatbaar te maken voor de volgende voorbereidingsstappen. | | Zware metalen | Verbindingen van elementen met een hoge atoommassa die worden gebruikt om biologisch materiaal te "kleuren" in TEM. Deze metalen binden zich aan specifieke celcomponenten en verhogen de elektronenstrooiing, waardoor deze structuren donkerder verschijnen in het microscopische beeld. | | Dehydratatie | Het proces waarbij water uit het biologische monster wordt verwijderd. Dit is noodzakelijk omdat de kunstharsen die gebruikt worden voor het inbedden hydrofoob zijn, en water de infiltratie en polymerisatie van de hars zou verstoren. | | Inbedding in hars | Het proces waarbij biologisch materiaal wordt doordrenkt met een vloeibare kunsthars die vervolgens wordt uitgehard (gepolymeriseerd). Dit creëert een stabiel blok dat ultradun gesneden kan worden voor microscopisch onderzoek. | | Ultradun snijden | Het proces van het snijden van extreem dunne secties (typisch 60-90 nm dik) van het ingebedde biologische materiaal met behulp van een ultramicrotoom en speciale messen, zoals glas- of diamanten messen. | | Gridje | Een klein metalen schijfje (minder dan 5 mm in diameter) met een roosterpatroon, waarop de ultradunne coupes worden opgevangen. Dit gridje wordt vervolgens in de elektronenmicroscoop geplaatst. | | Contrasteren | Het proces waarbij de zichtbaarheid van structuren in biologisch materiaal wordt verbeterd door het gebruik van zware metalen. Deze metalen verhogen de dichtheid van de structuren, wat leidt tot meer elektronenstrooiing en dus een hoger contrast in het TEM-beeld. | | Elektronenstrooiing | Het proces waarbij elektronen van richting veranderen wanneer ze interageren met de atomen van het preparaat. Dichte structuren strooien meer elektronen, wat resulteert in een donkerder beeld, terwijl minder dichte structuren elektronen doorlaten en lichter verschijnen. | | Cryo-elektronen-tomografie | Een techniek die 3D reconstructies van objecten mogelijk maakt door een serie van 2D projecties te verzamelen terwijl het object of de detector rond een as wordt gekanteld. De reconstructie wordt verkregen door middel van Fourieranalyse van terugprojecties. | | 3D reconstructie | Het proces waarbij een driedimensionaal beeld van een object wordt opgebouwd uit een reeks tweedimensionale projecties of sneden. Dit wordt bereikt door geavanceerde computeralgoritmen toe te passen op de verzamelde data. | | 2D projecties | Tweedimensionale beelden die worden verkregen door een object vanuit verschillende hoeken te belichten met elektronen. Deze projecties vormen de basis voor de uiteindelijke 3D reconstructie. | | Fourieranalyse | Een wiskundige methode die wordt gebruikt om een signaal (in dit geval de 2D projecties) te ontbinden in zijn samenstellende frequenties. Dit is essentieel voor het reconstrueren van het originele 3D object uit de projecties. | | Terugprojectie | Het proces waarbij de informatie uit de 2D projecties wordt teruggevoerd naar een virtueel 3D beeld. Dit gebeurt iteratief om de meest nauwkeurige representatie van het object te verkrijgen. | | Artefacten (door missende wiggen) | Beeldvervormingen of onnauwkeurigheden die ontstaan in de 3D reconstructie doordat er geen projecties zijn verzameld over bepaalde hoeken. Dit wordt ook wel de "missing-wedge" artefact genoemd. | | Nucleair pore complex (NPC) | Een grote moleculaire machine die de nucleaire envelop doordringt en de passage van moleculen tussen de kern en het cytoplasma reguleert. Cryo-elektronen-tomografie wordt gebruikt om de structuur ervan in hoge resolutie te bestuderen. | | Slijmzwam (Dictyostelium discoideum) | Een modelorganisme dat vaak wordt gebruikt in celbiologisch onderzoek. De kern van deze slijmzwam, inclusief structuren zoals het nucleair pore complex, kan worden geanalyseerd met cryo-elektronen-tomografie. | | Ruw endoplasmatisch reticulum (RER) | Een netwerk van membranen binnen eukaryote cellen dat betrokken is bij de eiwitsynthese en -vouwing. De structuur ervan kan gedetailleerd worden onderzocht met behulp van cryo-elektronen-tomografie. | | Golgi-apparaat | Een organel in eukaryote cellen dat verantwoordelijk is voor het modificeren, sorteren en verpakken van eiwitten en lipiden voor secretie of aflevering aan andere organellen. De driedimensionale architectuur is bestudeerbaar met deze techniek. | | Resolutie | De kleinste afstand waarmee twee punten nog net gescheiden worden weergegeven door een microscoop. De resolutie van een lichtmicroscoop wordt beperkt door het objectief en de golflengte van het zichtbaar licht. | | Lichtmicroscoop (LM) | Een microscoop die gebruikmaakt van zichtbaar licht om beelden van objecten te vergroten. De klassieke lichtmicroscoop wordt ook wel helderveld- of klaarveldmicroscoop genoemd. | | Klaarveldmicroscoop (Bright field) | Een type lichtmicroscoop waarbij het preparaat wordt belicht met doorvallend wit licht, wat resulteert in een helder beeld met donkere structuren. | | Objectief | Een van de drie lenssystemen in een lichtmicroscoop dat zich dicht bij het preparaat bevindt en een vergroot beeld vormt. Het objectief bepaalt mede de resolutie van de microscoop. | | Oculair (Eyepiece) | Een van de drie lenssystemen in een lichtmicroscoop dat het door het objectief gevormde beeld verder vergroot en op het netvlies van de waarnemer projecteert. | | Condensor | Een lenssysteem in een lichtmicroscoop dat het licht van de lichtbron bundelt op het preparaat. De condensor beïnvloedt de lichtsterkte, resolutie en beeldkwaliteit. | | Preparaten | Materiaal dat wordt onderzocht onder de microscoop. Dit kan variëren van celcultures op dekglaasjes tot versneden weefsels of orgaanculturen. | | Inbedding (Paraffine) | Een techniek waarbij weefselmonsters worden ondergedompeld in gesmolten paraffine om ze te ondersteunen en te stabiliseren, zodat ze in dunne secties kunnen worden versneden voor microscopisch onderzoek. | | Cryosecties | Dunne plakjes van bevroren biologisch materiaal die worden gemaakt met behulp van een cryostaat. Deze methode maakt het mogelijk om weefsels te analyseren zonder fixatie of inbedding in paraffine. | | Lichtabsorptie | Het proces waarbij een stof bepaalde golflengtes van licht opneemt. In de klaarveldmicroscopie worden preparaten vaak gekleurd om structuren te creëren die licht absorberen, waardoor ze zichtbaar worden. | | Prisma | Een optisch element dat wordt gebruikt om de lichtweg in een microscoop te buigen. Dit maakt een comfortabelere kijkpositie voor de onderzoeker mogelijk. | | Fixeren | Het proces waarbij weefsels worden behandeld om hun oorspronkelijke structuur te behouden door eiwitten te denatureren. Dit stopt afbraakprocessen door enzymen en zorgt ervoor dat cel- en weefselcomponenten behouden blijven voor verdere histologische procedures. | | Inbedden | Het proces waarbij gefixeerd weefsel wordt omwikkeld en doordrongen met een substantie die hard wordt, waardoor het materiaal snijdbaar wordt in dunne plakken (coupes) die geschikt zijn voor microscopisch onderzoek. | | Microtoom | Een instrument dat wordt gebruikt om ingebed, hard materiaal in zeer dunne plakken (coupes) te snijden. Er zijn verschillende typen microtomen, uitgerust met stalen, glazen of diamanten messen, afhankelijk van het inbedmiddel en het type microscopie. | | Artefacten | Veranderingen die tijdens de fixatie in een weefsel ontstaan en afwijken van de in vivo situatie. Dit kan leiden tot structurele veranderingen of het op een andere plaats voorkomen van componenten in het weefselpreparaat. | | Secties (coupes) | Zeer dunne plakken van weefsel die gesneden worden na fixatie en inbedding. Deze secties zijn essentieel om voldoende dun te zijn zodat lichtstralen of elektronen erdoorheen kunnen dringen voor microscopische observatie. | | Inbedmiddel | Een substantie die wordt gebruikt om gefixeerd weefsel te doordringen en te verharden, waardoor het mogelijk wordt om dunne coupes te snijden. Veelgebruikte inbedmiddelen zijn paraffine, harsen en plastics. | | Denaturatie | Een proces waarbij de driedimensionale structuur van een eiwit wordt veranderd, wat leidt tot verlies van zijn oorspronkelijke functie. In de histologie wordt denaturatie van eiwitten gebruikt om weefselafbraak te stoppen en de structuur te behouden. | | Hydrofoob | Een eigenschap van stoffen die water afstoten. Veel inbedmiddelen die in de histologie worden gebruikt, zijn hydrofoob en vereisen daarom dat het weefsel eerst wordt ontwaterd. | | Dehydrateren | Het proces waarbij water uit biologisch materiaal wordt verwijderd. In de histologie wordt dit meestal gedaan met behulp van een reeks alcoholbaden van oplopende concentraties om het weefsel voor te bereiden op inbedding met hydrofobe middelen. | | Hematoxyline- en eosinekleuring (H&E) | Een veelgebruikte histologische kleuring die al meer dan een eeuw essentieel is voor het identificeren van weefseltypes en morfologische veranderingen, met name in de kankerdiagnose. Hematoxyline kleurt nucleïnezuren diep blauw-paars, terwijl eosine eiwitten roze kleurt, waardoor kernen blauw en cytoplasma en extracellulaire matrix roze worden. | | Nucleïnezuren | Moleculen zoals DNA en RNA die de genetische informatie van een cel bevatten. In de H&E kleuring worden deze door hematoxyline diep blauw-paars gekleurd, wat belangrijk is voor het beoordelen van intranucleaire details en heterochromatinecondensatie. | | Cytoplasma | Het deel van een cel dat zich buiten de celkern bevindt, inclusief de organellen en het cytosol. In de H&E kleuring kleurt het cytoplasma roze door de binding van eosine aan eiwitten, en kan het een blauwe gloed vertonen bij overvloedige polyribosomen. | | Extracellulaire matrix | Een complex netwerk van macromoleculen buiten de cellen, dat structurele ondersteuning biedt en celactiviteiten reguleert. In de H&E kleuring wordt de extracellulaire matrix roze gekleurd door eosine. | | Heterochromatine | Een dicht opeengepakte vorm van chromatine die minder toegankelijk is voor transcriptie. De patronen van heterochromatinecondensatie, gekleurd door hematoxyline, zijn diagnostisch van groot belang bij het beoordelen van celtypen en kankers. | | Nucleoli | Dense structuren binnen de celkern die betrokken zijn bij de synthese van ribosomen. In de H&E kleuring worden nucleoli gekleurd met eosine. | | Immunofluorescentie | Een techniek die antilichamen gebruikt die gelabeld zijn met fluorescerende moleculen om specifieke antigenen in weefsels of cellen te detecteren. Hematoxylinekleuring is onverenigbaar met immunofluorescentie. | | Immunohistochemische kleuring | Een techniek die antilichamen gebruikt om specifieke antigenen in weefsels aan te tonen. Het antilichaam is gekoppeld aan een kleurstof, enzym of ander label dat zichtbaar wordt gemaakt. | | Colorimetrische substraten | Stoffen die door een enzymatische reactie worden omgezet in een gekleurd product, waardoor de aanwezigheid en activiteit van het enzym zichtbaar wordt. Deze worden gebruikt in immunohistochemische en hybridisatieprocedures. | | Indifferente kleurstoffen | Kleurstoffen die niet-specifiek bepaalde componenten in het weefsel aankleuren, zoals vetten. | | Enzymkleuringen | Technieken die de activiteit van specifieke enzymen in weefsels aantonen door gebruik te maken van een voor het enzym specifiek substraat, wat resulteert in de vorming van een waarneembare neerslag. | | Tetrazoniumzoutmethode | Een specifieke methode die gebruikt wordt voor enzymkleuringen, zoals de kleuring van glucose-6-fosfaat dehydrogenase (G6PD) activiteit in erytrocyten. | | Denaturatie van eiwitten | Een proces waarbij de driedimensionale structuur van eiwitten wordt veranderd, waardoor hun biologische functie verloren gaat. In de context van weefselpreparatie stopt dit enzymatische afbraakprocessen. | | Chemische fixatieven | Stoffen die worden gebruikt om weefsels te fixeren door eiwitten te cross-linken of te precipiteren, waardoor de cellulaire en weefselstructuren behouden blijven voor verdere histologische procedures. Voorbeelden zijn formol en glutaraldehyde. | | Ontwateren | Het verwijderen van water uit biologisch materiaal, vaak met behulp van een reeks alcoholbaden met oplopende concentraties, om de penetratie van hydrofobe inbedmiddelen mogelijk te maken. | | Clearing | Een stap in het inbedproces waarbij een substantie (zoals tolueen) wordt gebruikt die mengbaar is met zowel de alcohol die het weefsel heeft ontwaterd als met het hydrofobe inbedmiddel, om de overgang te vergemakkelijken. | | Coupes | De dunne plakken weefsel die worden gesneden met behulp van een microtoom, bedoeld voor observatie onder een microscoop. De dikte varieert afhankelijk van het type microscopie (licht- of elektronenmicroscopie). | | Lichtmicroscopie (LM) | Een microscopische techniek die gebruikmaakt van zichtbaar licht om structuren te vergroten en te observeren. Weefselcoupes voor LM zijn doorgaans dikker (5-10 µm) en worden op glazen draagglasjes geplaatst. | | Elektronenmicroscopie (EM) | Een microscopische techniek die gebruikmaakt van een bundel elektronen om structuren te vergroten en te observeren, waardoor veel hogere resoluties worden bereikt dan met LM. Coupes voor EM zijn extreem dun (ongeveer 70 nm) en worden op metalen roosters (grids) geplaatst. | | Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) | Een type elektronenmicroscopie waarbij een elektronenbundel over het oppervlak van een monster wordt gescand. De detectie van teruggekaatste en secundaire elektronen genereert een driedimensionaal beeld van het oppervlak van het monster. | | Elektromagnetische lenzen | Componenten in een elektronenmicroscoop die, in plaats van glazen lenzen in een lichtmicroscoop, elektromagnetische velden gebruiken om de elektronenbundel te focussen en te sturen, wat essentieel is voor het creëren van een scherp beeld. | | Vacuüm | Een omgeving met een zeer lage druk, die essentieel is voor elektronenmicroscopie omdat elektronen gemakkelijk worden gestopt of afgebogen door gasmoleculen. Hoog vacuüm zorgt ervoor dat de elektronenbundel ongehinderd het monster kan bereiken. | | Negatieve kleuring | Een preparatietechniek voor elektronenmicroscopie waarbij het monster wordt omgeven door een zwaarmetaal-oplossing. Het zware metaal sluit bepaalde structuren uit, waardoor deze als lichte gebieden tegen een donkere achtergrond verschijnen, wat de morfologie van bijvoorbeeld virusdeeltjes zichtbaar maakt. | | Shadow casting (schaduwbestuiving) | Een preparatietechniek waarbij een monster onder een schuine hoek wordt bestoven met verdampt metaal. Dit creëert een "schaduw" achter de uitstekende structuren, wat helpt bij het visualiseren van driedimensionale details en de oriëntatie van moleculen. | | Ultradunne secties | Zeer dunne plakjes van biologisch materiaal (typisch 50-100 nm dik) die worden gesneden voor transmissie-elektronenmicroscopie. Deze dunheid is noodzakelijk om de elektronenbundel door het monster te laten passeren en een beeld te vormen. | | Lichtmicroscoop | Een instrument dat licht gebruikt om beelden van kleine objecten te vergroten, zoals cellen en weefsels, waardoor structuren zichtbaar worden die met het blote oog niet te zien zijn. | | Geïnverteerde lichtmicroscoop | Een type lichtmicroscoop waarbij de objectieven zich onder het monster bevinden en de lichtbron erboven, wat ideaal is voor de observatie van levende celculturen in hun kweekmedia. | | Discussiemicroscoop | Een lichtmicroscoop die is uitgerust met een digitale camera, waardoor beelden kunnen worden vastgelegd, opgeslagen en gedeeld voor analyse en discussie tussen onderzoekers. | | PAS-kleuring (Periodic Acid Schiff) | Een histologische kleuringstechniek die vrije suikers en koolhydraten in weefselcoupes aankleurt, vaak resulterend in een roze tot paarse kleur, wat nuttig is voor het identificeren van slijm en glycogeen. | | Hematoxyline | Een basische kleurstof die, vaak in combinatie met een beitsmiddel zoals aluminiumzouten, negatief geladen, basofiele celbestanddelen zoals nucleïnezuren in de celkern aankleurt, wat resulteert in een blauwe tot donkerpaarse kleur. | | Eosine | Een zure kleurstof die positief geladen, acidofiele componenten in het weefsel aankleurt, zoals eiwitten in het cytoplasma, wat resulteert in een roze kleur. | | HE-kleuring (Hematoxyline en Eosine) | Een veelgebruikte histologische kleuringstechniek die hematoxyline en eosine combineert om verschillende weefselstructuren zichtbaar te maken; kernen kleuren blauw en cytoplasma en extracellulaire matrix roze. | | Villus (darmvlok) | Een vingerachtige uitstulping aan de binnenkant van de dunne darm die de absorptie van voedingsstoffen verhoogt; in HE-kleuring zijn de kernen van de epitheelcellen blauw en het cytoplasma roze. | | Microvilli (borstelzoom) | Kleine, haarachtige uitsteeksels aan het apicale oppervlak van epitheelcellen, met name in de darm, die het oppervlak voor absorptie vergroten; deze kunnen worden aangekleurd met PAS-kleuring. | | Basale membraan | Een dunne laag extracellulaire matrix die epitheel- en endotheelcellen scheidt van het onderliggende bindweefsel; deze kan zichtbaar worden gemaakt met specifieke kleuringen of door contrastverschillen. | | Fasecontrastmicroscopie | Een lichtmicroscopische techniek die kleine faseverschuivingen van licht, veroorzaakt door brekingsverschillen in het preparaat, omzet in amplitudeveranderingen (licht/donker), waardoor ongekleurde preparaten, zoals levende cellen, zichtbaar worden. | | Differentieel interferentie-contrastmicroscopie (DIC of Nomarski) | Een techniek die gebruikmaakt van gepolariseerd licht en speciale prisma's om verschillen in optische dichtheid en brekingsindex binnen een preparaat te detecteren, wat resulteert in een beeld met reliëfachtige details, vooral nuttig voor levende, ongekleurde cellen. | | Epifluorescentie | Een methode binnen de fluorescentiemicroscopie waarbij het preparaat wordt geactiveerd met excitatielicht van korte golflengte, waarna de fluorochroom in het preparaat emissielicht uitzendt van een langere golflengte. Dit kan conventioneel gebeuren met een lamp of via confocale laser scanning microscopie. | | Confocale laser scanning microscopie (CLSM) | Een geavanceerde techniek binnen de fluorescentiemicroscopie die gebruikmaakt van een laser als exciterende lichtbron om zeer scherpe beelden te verkrijgen. Door een punt-voor-punt scanning en het gebruik van een pinhole wordt achtergrondfluorescentie onderdrukt, wat resulteert in verbeterde resolutie en optische secties. | | Excitatie spectrum | Het bereik van golflengten van licht dat een fluorofoor kan absorberen om in een geëxciteerde toestand te komen. Dit spectrum bepaalt welke golflengte van licht nodig is om fluorescentie op te wekken. | | Emissiespectrum | Het bereik van golflengten van licht dat een fluorofoor uitzendt nadat het geëxciteerd is. De emissiegolflengte is altijd langer dan de excitatiegolflengte, een fenomeen dat bekend staat als Stokes-verschuiving. | | Barrièrefilter (Stopfilter) | Een filter dat wordt gebruikt in de fluorescentiemicroscopie om het excitatielicht te blokkeren en alleen het emissielicht van de fluorochroom door te laten naar de detector. Dit is essentieel om een helder beeld van de fluorescentie te verkrijgen. | | Dichroïsche spiegel (Beamsplitter) | Een speciaal optisch component dat in fluorescentiemicroscopen wordt gebruikt om het excitatielicht naar het preparaat te reflecteren en tegelijkertijd het emissielicht door te laten naar de detector. Het scheidt de twee lichtpaden efficiënt. | | Immunofluorescentie microscopie | Een techniek die gebruikmaakt van antilichamen, waaraan een fluorochroom is gekoppeld, om specifieke eiwitten of antigenen in cellen of weefsels te detecteren en te visualiseren. De fluorescentie lokaliseert de doelmoleculen. | | Fluorescente eiwitten | Eiwitten die zelf fluorescentie vertonen, zoals Green Fluorescent Protein (GFP) en zijn varianten. Ze kunnen genetisch worden gekoppeld aan andere eiwitten om hun lokalisatie en dynamiek in levende cellen te bestuderen. | | Colocalisatie | Het verschijnsel waarbij twee of meer verschillende fluorescerende signalen (afkomstig van verschillende fluorochromen of fluorescente eiwitten) zich in dezelfde regio van een cel of weefsel bevinden. Dit duidt op een mogelijke functionele interactie tussen de gelokaliseerde moleculen. | | Celbiologie (Cytologie) | De tak van de biologie die zich bezighoudt met de studie van cellen, hun structuur, functies, en levensprocessen. | | Snijden (Coupes) | Het proces van het maken van dunne plakjes (coupes) van ingebed weefsel met behulp van een microtoom, zodat licht of elektronen erdoorheen kunnen dringen voor observatie onder een microscoop. | | Kleuren (Contrastverhoging) | Het aanbrengen van kleurstoffen op weefselcoupes om specifieke structuren of componenten zichtbaar te maken en het contrast te verhogen, wat essentieel is voor observatie onder een lichtmicroscoop. | | Klaarveldmicroscopie (Helderveldmicroscopie) | Een standaard lichtmicroscopietechniek waarbij doorvallend wit licht wordt gebruikt om het specimen te belichten, wat resulteert in een beeld waarbij de structuren donkerder zijn dan de achtergrond. | | Differentieel Interferentie-Contrast microscopie (DIC of Nomarski) | Een geavanceerde lichtmicroscopietechniek die gebruik maakt van gepolariseerd licht en interferentie om zeer gedetailleerde beelden te genereren met een pseudo-3D-effect, vooral nuttig voor levende, ongekleurde preparaten. | | Fluorescentiemicroscopie | Een microscopietechniek die gebruik maakt van fluorescerende kleurstoffen (fluorochromen) die licht absorberen bij een bepaalde golflengte en dit weer uitzenden bij een langere golflengte, waardoor specifieke moleculen of structuren zichtbaar worden. |

# Bacteriën: structuur, metabolisme en variatie Bacteriën zijn microscopisch kleine, eencellige organismen met een prokaryote celstructuur, die essentieel zijn voor ecosystemen en menselijke gezondheid, gekenmerkt door hun aanpassingsvermogen, diverse metabolische capaciteiten en genetische variatie [12](#page=12) [13](#page=13) [1](#page=1). ### 1.1. Situering van bacteriën Bacteriën, voornamelijk behorend tot het domein Bacteria (ook wel Eubacteria), vormen een zeer grote en diverse groep levensvormen. Archaea, hoewel recent ook gevonden in de menselijke darmflora, worden momenteel meer beschouwd als omgevingsbacteriën. In tegenstelling tot eukaryoten, die een kern en organellen bezitten, hebben bacteriën een celmembraan, meestal een celwand, cytoplasma, ribosomen en een enkel circulair genoom, maar missen ze een kern, mitochondriën en endoplasmatisch reticulum. Virussen daarentegen zijn obligate intracellulaire parasieten. Bacteriën kunnen extracellulair of in gastheercellen groeien, met een breed scala aan kweekbaarheid in het laboratorium. Hun afmetingen variëren van 0,5 tot 10 micrometer [12](#page=12) [5](#page=5). ### 1.2. Anatomie van bacteriën #### 1.2.1. Celmembraan De celmembraan van bacteriën is opgebouwd uit een fosfolipidenbilayer die macromoleculen zoals glycoproteïnen bevat voor celcontact en uitwisseling met de omgeving [13](#page=13). #### 1.2.2. Celwand De meeste bacteriën hebben buiten de celmembraan een celwand die essentieel is voor de celvorm en Gram-kleurbaarheid. De samenstelling varieert tussen Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën [14](#page=14). * **Gram-positieve bacteriën:** Hebben een celwand met grote hoeveelheden peptidoglycaan en additionele macromoleculen [14](#page=14). * **Gram-negatieve bacteriën:** Bezitten een dunne laag peptidoglycaan omgeven door een tweede lipidenmembraan, waarin lipopolysacchariden (LPS) zijn geïntegreerd. LPS, ook bekend als endotoxine, heeft een krachtige ontstekingsreactie bij de mens en veroorzaakt koorts en activering van de stolling. Het bestaat uit drie onderdelen: lipid A, de core polysacchariden (constant), en het variabele O-antigen (soort- of typespecifiek) [14](#page=14) [15](#page=15). * **Mycobacteriën:** Hebben een celwand die uniek is door de aanwezigheid van lange mycolzuren, wat bijdraagt aan hun lange overleving, besmettelijkheid, resistentie tegen antibiotica en zuurvastheid [20](#page=20). * **Celwandloze bacteriën:** Sommige soorten, zoals Mycoplasmata en Chlamydiae, hebben geen celwand [14](#page=14). #### 1.2.3. Vorm en Gramkleuring De celwand bepaalt de vorm van de bacterie, die meestal bolvormig (kok) of staafvormig (bacil) is, maar ook fusiform, kommavormig of spirocheet kan zijn. De Gram-kleuring, een methode gebaseerd op verschillen in de peptidoglycaansamenstelling, verdeelt bacteriën in Gram-positieve (kleuren blauw) en Gram-negatieve (kleuren rood na tegenkleuring). De vier basale groepen zijn Gram-positieve en Gram-negatieve kokken en staven [18](#page=18) [19](#page=19). > **Tip:** De Gram-kleuring is een fundamentele diagnostische techniek die helpt bij de initiële identificatie van bacteriën en richting geeft aan de keuze van antibiotica [18](#page=18). #### 1.2.4. Bacterieel genoom Het bacterieel genoom bestaat uit één circulair, dubbelstrengs DNA-molecuul dat compact is opgevouwen door supercoiling, mede mogelijk gemaakt door enzymen zoals gyrases en topoisomerasen, die targets zijn voor antibiotica zoals chinolonen. Naast het chromosoom kunnen bacteriën ook circulaire plasmiden bevatten met extra genetisch materiaal [21](#page=21). * **Minimaal aantal genen:** Prokaryote genomen zijn doorgaans kleiner dan eukaryote, variërend van 0,5 tot 10 miljoen nucleotiden en 500 tot 10.000 genen. Bacteriën met de kleinste genomen, zoals mycoplasmata (ongeveer 500 genen), zijn sterk afhankelijk van eukaryote cellen. Grotere genomen (bv. 4-5 duizend genen bij *Escherichia coli*) bevatten genen voor antibioticaresistentie, overleving onder diverse condities, virulentiefactoren, en sporevorming, wat wijst op een groot aanpassingsvermogen. Het genoom van bacteriën weerspiegelt hun vermogen om zich aan te passen aan uiteenlopende omgevingsfactoren, wat leidt tot verschillen in genexpressie en eiwitproductie [22](#page=22) [23](#page=23) [24](#page=24). > **Tip:** Het aantal genen correleert bij prokaryoten directer met de genoomgrootte dan bij eukaryoten, omdat eukaryote genomen ook non-coderend RNA bevatten dat een rol speelt in genregulatie [22](#page=22). #### 1.2.5. Extra structuren Bacteriën kunnen extra structuren bezitten die hun overleving en pathogeniteit bevorderen: * **Kapsel:** Een polysaccharidenlaag rond de celwand die beschermt tegen fagocytose [25](#page=25). * **Flagellen:** Zorgen voor beweeglijkheid [25](#page=25). * **Fimbriae (of pili):** Aanhechtingsmoleculen die binden op specifieke receptoren, belangrijk voor kolonisatie en virulentie. Sommige pili, ook pilus genoemd, maken genetische uitwisseling mogelijk door de overdracht van plasmiden [25](#page=25) [28](#page=28). * **Sporen:** Een metabool inactieve, beschermende fase van de bacterie tegen vijandige omstandigheden, zoals droogte en straling. Sporevormende bacteriën zijn onder meer *Clostridium tetani* en *Bacillus anthracis* [28](#page=28). ### 1.3. Metabolisme, celgroei en fenotypische adaptatie Bacteriën beschikken over een breed scala aan metabolische capaciteiten voor energieproductie en omzetting van organische moleculen. Hun metabolisme kan de omgeving beïnvloeden, zowel buiten als in het lichaam [29](#page=29). #### 1.3.1. Celdeling Bacteriën vermenigvuldigen zich door celdeling, wat leidt tot logaritmische groei onder optimale omstandigheden, met een delingstijd van ongeveer 20-30 minuten. De groei verloopt typisch via een lag-fase (adaptatie), een logaritmische groeifase, een stationaire fase door uitputting van voedingsstoffen, en ten slotte een fase van afsterven [30](#page=30). #### 1.3.2. Invloed van de omgeving Omgevingsfactoren zoals pH, temperatuur, osmotische druk, en zuurstof- en CO2-spanning beïnvloeden de groei van bacteriën significant [31](#page=31). * **Zuurtegraad (pH):** Sommige bacteriën floreren in zure omgevingen (*Streptococcus mutans*), andere in alkalische [31](#page=31). * **Zuurstof (O2) en kooldioxide (CO2):** Bacteriën kunnen obligaat aeroob (zuurstof nodig, bv. *Mycobacterium tuberculosis*), facultatief aeroob/anaeroob, of strikt anaeroob zijn. Capnofiele bacteriën groeien beter in een omgeving met hoge CO2-spanning [31](#page=31). * **Temperatuur:** Elke bacterie heeft een optimale temperatuur voor groei, met variaties in minimum en maximum. Humane pathogenen groeien het best rond 36,5 °C [31](#page=31). > **Tip:** Het begrijpen van de fysiologische eisen van bacteriën is cruciaal voor kweekomstandigheden in het laboratorium en voor het overleven van monsters tijdens transport [31](#page=31). #### 1.3.3. Fenotypische variatie en adaptatie Bacteriën passen hun metabolisme aan omgevingsomstandigheden aan door genexpressie te reguleren, vaak via operons [32](#page=32) [33](#page=33). * **Operon model:** Dit model beschrijft de genexpressieregulatie bij bacteriën, waarbij de beschikbaarheid van voedingsstoffen (bv. glucose, lactose) de transcriptie van specifieke genen beïnvloedt via repressors en activators [33](#page=33). * **Planktonische vs. sessiele bacteriën:** Klassiek worden bacteriën bestudeerd in planktonische vorm in reincultuur, wat kan afwijken van hun gedrag *in vivo* waar ze vaak in gemengde, suboptimale of metabool inactieve omstandigheden verkeren [34](#page=34). * **Persisters:** Dit zijn bacteriën die metabolisch minder actief zijn, waardoor ze ongevoelig zijn voor antibiotica. Dit is een actief overlevingsmechanisme [34](#page=34) [38](#page=38). * **Sporen:** Een overlevingsstrategie in hostiele omstandigheden [34](#page=34). * **Fenotypisch switchen ('bet hedging'):** Populaties kunnen bestaan uit subpopulaties die zich aanpassen aan verschillende omgevingsscenario's [34](#page=34). #### 1.3.4. Biofilm en quorum sensing Biofilms zijn driedimensionale structuren van bacteriële populaties, omgeven door slijm, die resistent zijn tegen antibiotica en macrofagen [35](#page=35). * **Quorum sensing:** Bacteriën communiceren via signaalmoleculen. Wanneer een kritieke dichtheid wordt bereikt, worden metabole pathways aangepast (bv. minder celdeling, meer toxineproductie). Dit proces bevordert de vorming van biofilms, die de overleving van bacteriën ten goede komen [35](#page=35). * Biofilms spelen een rol bij infecties, zowel rond lichaamsvreemde voorwerpen als bij weefselinfecties [37](#page=37). #### 1.3.5. Interacties in biofilm Bacteriën in biofilms kunnen elkaar zowel positief (bv. door het verschaffen van aanhechtingsplaatsen of nuttige metabolieten) als negatief (door competitie, of productie van antibacteriële middelen zoals bactericines) beïnvloeden. Deze interacties, samen met die met het menselijk lichaam, zijn cruciaal voor de microbiële ecologie [39](#page=39). ### 1.4. Naamgeving en taxonomie De naamgeving en taxonomie van bacteriën steunt, net als bij andere organismen, op zowel fenotypische als genetische kenmerken. Recente taxonomische inzichten, met name gebaseerd op genetische gelijkenis, hebben geleid tot herclassificaties en nieuwe naamgevingen [40](#page=40). #### 1.4.1. Ribosomaal RNA als leidraad Het gen voor het ribosomale 16S-RNA is een ideale sequentie voor het bestuderen van taxonomische verwantschap vanwege de essentiële structurele functie en langzame mutatiegraad, waardoor variaties de evolutieduur weerspiegelen [41](#page=41). #### 1.4.2. Nieuwe classificatie en naamgeving Nieuwe taxonomische inzichten hebben geleid tot veranderingen in de classificatie en naamgeving van diverse bacteriële geslachten, met voorbeelden zoals de hernoeming van *Actinobacillus actinomytemcomitans* naar *Aggregatibacter actinomycetemcomitans* [42](#page=42). #### 1.4.3. Schrijfwijze van bacterienamen In de Latijnse nomenclature worden genusnamen cursief geschreven, met een hoofdletter voor het genus en een kleine letter voor de soortnaam (bv. *Staphylococcus aureus*). Afkortingen zoals 'spp.' worden gebruikt om soorten aan te duiden (*Pseudomonas* spp.) [43](#page=43). ### 1.5. Genotypische variatie bij bacteriën Genetische variatie bij bacteriën ontstaat door mutatie, selectie en uitwisseling van genetisch materiaal. Deze variatie is groter dan binnen diersoorten en leidt tot stammen met verschillende kenmerken, waaronder toxineproductie en antibioticaresistentie [44](#page=44). #### 1.5.1. Mechanismen van genetische uitwisseling * **Transformatie:** Opname van vrij DNA uit de omgeving [45](#page=45). * **Transductie:** Genetische overdracht via bacteriofagen [45](#page=45). * **Conjugatie:** Overdracht van genen op plasmiden, vaak via transposons [45](#page=45). * **Transfectie:** Een techniek voor genetische opname, voornamelijk *in vitro* [45](#page=45). #### 1.5.2. Belang van genotypische verschillen Genotypische verschillen zijn belangrijk voor het onderscheiden van bacteriële stammen met variërende pathogeniteit, het bestuderen van epidemiologische verspreidingspatronen, en voor de ontwikkeling van vaccins. Technieken zoals serotypering en genotypering, inclusief fingerprinting en whole genome sequencing, worden gebruikt om deze verschillen te karakteriseren. Klonaal verwante stammen zijn genetisch zeer vergelijkbaar, terwijl een kloon identiek is [46](#page=46). #### 1.5.3. Serotypering van bacteriën Serotypering maakt gebruik van specifieke antilichamen om oppervlakkige moleculen (antigenen) van bacteriën te detecteren. Gram-negatieve bacteriën hebben O-antigenen (somatisch) en K-antigenen (kapsel), terwijl sommige ook H-antigenen (flagellair) hebben. Verschillen in antigenen per soort en zelfs binnen de soort definiëren serotypen. Voorbeelden zijn *Escherichia coli* O157:H7 en meningokokken serotypen A, B, en C, waarbij vaccinatie vaak gericht is op specifieke serotypen [47](#page=47). #### 1.5.4. Genotypering van bacteriën Moleculaire fingerprinting of genotypering is gebaseerd op specifieke DNA-sequenties en maakt gebruik van technieken zoals PCR en restrictie-enzymen. Next-generation sequencing en whole genome sequencing worden steeds meer toegepast voor de karakterisering van bacteriën [48](#page=48). --- # Virussen: structuur, levenscyclus en interactie met het immuunsysteem Virussen zijn obligate intracellulaire parasieten die zich voortplanten binnen gastheercellen, waarbij ze gebruikmaken van de celmachinerie van de gastheer om hun eigen replicatie te bewerkstelligen [1](#page=1) [3](#page=3). ### 2.1 De aard en structuur van virussen #### 2.1.1 Classificatie van virussen De classificatie van virussen is complex en gebaseerd op diverse criteria, waaronder het type genetisch materiaal (DNA of RNA), de structuur van het virion, en de replicatiestrategie [3](#page=3). #### 2.1.2 Structuur van een virion Een virion, de complete virale deeltje buiten de gastheercel, bestaat uit een genetische kern (DNA of RNA) omgeven door een eiwitmantel, het capside [3](#page=3). ##### 2.1.2.1 Eigenschappen van naakte virussen Naakte virussen bezitten alleen een capside ter bescherming van hun genetisch materiaal [3](#page=3). ##### 2.1.2.2 Eigenschappen van omhulde virussen Omhulde virussen hebben, naast het capside, een lipide dubbellaag die afkomstig is van de gastheercelmembraan, verrijkt met virale eiwitten (envelop-glycoproteïnen) [3](#page=3). ##### 2.1.2.3 RNA virussen RNA virussen bevatten RNA als genetisch materiaal en kunnen verschillende vormen van RNA hebben, zoals enkelstrengs (ssRNA) of dubbelstrengs (dsRNA), positief-sense of negatief-sense [3](#page=3). #### 2.1.3 Aantonen van virussen Het aantonen van virussen kan plaatsvinden via diverse methoden, zoals microscopie, serologische tests of moleculaire technieken [3](#page=3). ### 2.2 Virale levenscycli De levenscyclus van virussen omvat verschillende stappen, van binding aan de gastheercel tot de vrijgave van nieuwe virionen. #### 2.2.1 Virale levenscyclus: adsorptie De levenscyclus begint met de binding van het virion aan specifieke receptoren op het oppervlak van de gastheercel [3](#page=3). #### 2.2.2 Virale levenscyclus: penetratie Na adsorptie treedt het virus de gastheercel binnen. Dit kan gebeuren door fusie van het virale envelop met het celmembraan, endocytose, of injectie van genetisch materiaal [3](#page=3). #### 2.2.3 Virale levenscyclus: expressie en replicatie Zodra het virale genetisch materiaal in de cel is, wordt het gerepliceerd en worden virale eiwitten gesynthetiseerd met behulp van de machinerie van de gastheercel [3](#page=3). ##### 2.2.3.1 RNA en DNA sensors: Pathogen recognition receptor voor virussen en bacteriën Het aangeboren immuunsysteem detecteert virussen en bacteriën via pathogen recognition receptors (PRRs), zoals Toll-like receptors (TLRs), die virale of bacteriële componenten herkennen [3](#page=3). ##### 2.2.3.2 Innate immune effector mechanisme: interferon stimulated genes (ISG) De detectie van virale infectie activeert de productie van interferonen, die op hun beurt de expressie van interferon-stimulated genes (ISGs) induceren. ISGs coderen voor eiwitten die antivirale mechanismen activeren, zoals de remming van virale replicatie [3](#page=3). #### 2.2.4 Virale levenscyclus: virion productie Nieuwe virale genoomkopieën en eiwitten worden samengevoegd tot nieuwe virionen binnen de gastheercel [3](#page=3). #### 2.2.5 Virale levenscyclus: release De nieuw gevormde virionen worden uit de gastheercel vrijgegeven. Dit kan leiden tot celdood (lyse) of via exocytose (bij omhulde virussen) [3](#page=3). #### 2.2.6 Virale levenscyclus: lytische levenscyclus bacteriofaag Bij de lytische levenscyclus van een bacteriofaag, een virus dat bacteriën infecteert, leidt de replicatie van het virus tot de lysie (barsten) van de bacterie en vrijgave van nieuwe faagdeeltjes [3](#page=3). #### 2.2.7 Virale levenscyclus: temperate bacteriofaag Temperate bacteriofagen kunnen een lysogene cyclus doorlopen, waarbij hun genetisch materiaal integreert in het bacterieel genoom en meerepliceert met de bacterie, zonder onmiddellijke lysis te veroorzaken [3](#page=3). #### 2.2.8 Virale levenscyclus: dierlijk virus Dierlijke virussen volgen vergelijkbare levenscycli als hierboven beschreven, maar met specifieke aanpassingen afhankelijk van het type virus en de gastheercel [3](#page=3). #### 2.2.9 Virale levenscyclus: expressie en replicatie HCV De levenscyclus van het Hepatitis C virus (HCV) is een specifiek voorbeeld van een RNA virus dat complexe replicatiemechanismen binnen de levercel vertoont [3](#page=3). #### 2.2.10 Virale levenscyclus: HIV De levenscyclus van het Human Immunodeficiency Virus (HIV) omvat de integratie van viraal RNA in het genoom van de gastheercel (via reverse transcriptase), wat leidt tot latente infectie of actieve virale productie [1](#page=1) [3](#page=3). ### 2.3 Interactie met het immuunsysteem en medicatie #### 2.3.1 Aangeboren immuunreactie op virale infecties Het aangeboren immuunsysteem speelt een cruciale rol in de eerste respons tegen virale infecties door middel van PRRs en de productie van interferonen [3](#page=3). #### 2.3.2 Medicatie en virale infecties Antivirale medicijnen grijpen aan op specifieke stappen van de virale levenscyclus, zoals replicatie, penetratie of vrijgave, om de virale infectie te bestrijden [1](#page=1). #### 2.3.3 Belang van integratie in humaan DNA, latentie en oncogene transformatie Bij sommige virussen, zoals retrovirussen (bv. HIV), kan integratie in het humaan DNA leiden tot latentie, waarbij het virus gedurende lange tijd inactief blijft. In andere gevallen kan virale integratie leiden tot oncogene transformatie, wat het risico op kanker verhoogt [1](#page=1). > **Tip:** Begrijpen hoe virussen zich vermenigvuldigen is essentieel om te weten waar medicatie kan ingrijpen en hoe het immuunsysteem reageert op deze infecties. Let op de verschillen tussen naakte en omhulde virussen, en tussen DNA- en RNA-virussen, aangezien deze de replicatiestrategie beïnvloeden [3](#page=3). --- # Medische microbiologie en de impact van micro-organismen Medische microbiologie bestudeert de rol van micro-organismen en hun invloed op de menselijke gezondheid, met specifieke aandacht voor bacteriële infecties en de interactie tussen micro-organismen en de gastheer [7](#page=7) [8](#page=8). ### 3.1 De rol van micro-organismen in de gezondheid #### 3.1.1 Invloed op orgaanfuncties Micro-organismen kunnen de functie van organen belemmeren door infecties te veroorzaken. Een voorbeeld hiervan is necrose, weefselafbraak, die kan optreden na een infectie met bacteriën zoals *Streptococcus pyogenes* [8](#page=8). #### 3.1.2 Het belang van een microbiële omgeving Zelfs zonder de aanwezigheid van specifieke ziekteverwekkers, kan de afwezigheid van een normale microbiële omgeving leiden tot afwijkingen in de ontwikkeling van organen. Muismodellen die volledig vrij zijn van bacteriën (germ-free) vertonen bijvoorbeeld afwijkingen in de darmen en longen. Dit onderstreept het belang van de microbiële kolonisatie voor een gezonde ontwikkeling [7](#page=7). > **Tip:** Het concept van "gnotobiologie" (gnotobiology) verwijst naar de studie van organismen met een volledig bekende microbiële samenstelling, wat cruciaal is voor het begrijpen van de rol van micro-organismen [7](#page=7). #### 3.1.3 Overdracht van micro-organismen en de impact op kinderen De microbiële flora van de moeder wordt overgedragen op het kind, waarbij het type geboorte een rol speelt. Een vaginale bevalling resulteert in een andere kolonisatie van micro-organismen dan een keizersnede [9](#page=9). > **Voorbeeld:** De vaginale flora van de moeder kan bacteriën bevatten die, hoewel normaal aanwezig, potentieel pathogeen kunnen zijn voor de pasgeborene. Dit kan leiden tot infecties zoals sepsis bij baby's, met de vaginale flora als bron [10](#page=10). ### 3.2 Leren omgaan met micro-organismen Medische microbiologie omvat ook het bestuderen van hoe we kunnen leren omgaan met de constante aanwezigheid van micro-organismen. Dit impliceert het ontwikkelen van strategieën om zowel de voordelen van commensale micro-organismen te benutten als de risico's van pathogene micro-organismen te beheersen [11](#page=11). --- # Studie- en leerrichtlijnen De studiestof moet primair worden benaderd met een focus op inzicht in plaats van pure feitenkennis, waarbij de relevantie voor de medische praktijk centraal staat [4](#page=4). ### 4.1 Richtlijnen voor studieaanpak De manier van studeren is gericht op het ontwikkelen van inzicht, wat belangrijker wordt geacht dan het puur memoriseren van feiten. Een cruciale vraag bij het bestuderen van de materie is of de opgedane kennis of het verworven inzicht zal bijdragen aan het functioneren als een goede arts. Hoe groter de potentiële impact op de arts-patiëntrelatie, hoe belangrijker de kennis of het inzicht geacht wordt te zijn [4](#page=4). > **Tip:** Richt je studieactiviteiten zo in dat je continu de link legt tussen de studiestof en de dagelijkse medische praktijk. Vraag jezelf af hoe je de geleerde stof zou toepassen bij een patiënt. ### 4.2 Gebruik van studiemateriaal De studiestof bevat verschillende soorten informatie, onderscheiden door kleur. Zwarte tekst geeft informatie aan die expliciet in de les is besproken en inhoudelijk is behandeld. Grijze tekst bevat informatie die mogelijk niet expliciet in de les is uitgediept, omdat deze als evident wordt beschouwd of zonder verdere uitleg te begrijpen zou moeten zijn, hoewel deze informatie desalniettemin van belang is. Symbolen die in de tekst voorkomen, dienen ter illustratie en vereisen geen memorisatie [4](#page=4). > **Tip:** Besteed extra aandacht aan de zwarte tekst, aangezien dit de kernonderwerpen zijn die in de les zijn benadrukt. Verwaarloos de grijze tekst echter niet, maar integreer deze in je begrip van de zwarte tekst. ### 4.3 Groepspresentaties en examenvragen Groepspresentaties kunnen dienen als een waardevolle bron om examenvragen van voorgaande jaren te bestuderen. Dit biedt inzicht in de aard en het niveau van de vragen die gesteld worden, en helpt bij het focussen op de meest relevante aspecten van de stof [4](#page=4). > **Tip:** Gebruik de groepspresentaties niet alleen om je kennis te testen, maar ook om de structuur en het type vragen te analyseren. Identificeer terugkerende thema's of concepten. --- ## 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 | |------|------------| | Bacteriën | Eencellige micro-organismen die essentieel zijn voor een gezond menselijk leven, met een eigen metabolisme, celwand en genoom, en die zich kunnen aanpassen aan veranderende omgevingsfactoren. | | Virussen | Obligate intracellulaire parasieten die geen eigen metabolisme hebben en gastheercellen nodig hebben voor hun replicatie en expressie, bestaande uit genetisch materiaal omgeven door een eiwitmantel. | | Immuunsysteem | Het biologische verdedigingssysteem dat het lichaam beschermt tegen ziekteverwekkers zoals bacteriën en virussen door middel van cellulaire en humorale mechanismen. | | Antimicrobiële middelen | Stoffen die gebruikt worden om de groei van micro-organismen, zoals bacteriën, te remmen of te doden; antibiotica vallen hieronder. | | Pathogenen | Micro-organismen die ziekte kunnen veroorzaken bij een gastheer. | | Microbiële flora | De gemeenschap van micro-organismen, voornamelijk bacteriën, die van nature op en in het menselijk lichaam leven en vaak een beschermende rol vervullen. | | Exponentiële groei | Een groeipatroon waarbij de populatie zich in een constant tempo vermenigvuldigt, wat resulteert in een logaritmische toename van het aantal individuen over tijd. | | Quorum sensing | Een communicatiemechanisme waarbij bacteriën signalen uitwisselen om de populatiedichtheid te bepalen, wat leidt tot gecoördineerde gedragsveranderingen op populatieniveau. | | Biofilm | Een gestructureerde gemeenschap van micro-organismen die ingebed is in een zelfgeproduceerde matrix van polysachariden en andere macromoleculen, vaak aan oppervlakken gehecht, wat hun resistentie tegen antibiotica verhoogt. | | Fenotypische adaptatie | Het vermogen van een bacterie om zijn uiterlijke kenmerken of fysiologische eigenschappen te veranderen als reactie op omgevingsfactoren, zonder dat het onderliggende genoom verandert. | | Virulentie | De mate waarin een micro-organisme in staat is ziekte te veroorzaken, vaak geassocieerd met specifieke factoren zoals toxines, adhesie-eiwitten of enzymen. | | Latentie | Een fase in de levenscyclus van sommige virussen waarbij het virale genetisch materiaal aanwezig is in de gastheercel zonder actieve replicatie of productie van nieuwe virionen. | | Oncogene transformatie | Het proces waarbij normale cellen veranderen in kankercellen, vaak geïnitieerd door virussen die oncogenen in het genoom van de gastheercel introduceren of activeren. | | Virion | Een volledig gevormd virusdeeltje, bestaande uit genetisch materiaal (DNA of RNA) omgeven door een eiwitmantel (capside), en soms een buitenste envelop. | | Gramkleuring | Een veelgebruikte microbiologische kleuringstechniek die bacteriën onderscheidt in twee hoofdgroepen (Gram-positief en Gram-negatief) op basis van de chemische samenstelling van hun celwand. | | Peptidoglycaan | Een polymeer dat een essentieel bestanddeel vormt van de celwand van de meeste bacteriën, waardoor deze stevigheid en structuur krijgt. | | Lipopolysacchariden (LPS) | Grote moleculen die voornamelijk in de buitenste lipide laag van de celwand van Gram-negatieve bacteriën voorkomen en een belangrijke rol spelen bij de immuunrespons en ontstekingen. | | Endotoxine | Een toxine dat deel uitmaakt van de celwand van Gram-negatieve bacteriën (zoals LPS) en bij vrijkomen koorts, inflammatie en shock kan veroorzaken. | | Genoom | Het complete genetische materiaal van een organisme, bestaande uit al het DNA of RNA, dat alle genen bevat die nodig zijn voor de groei, ontwikkeling en voortplanting. | | Plasmiden | Kleine, circulaire, dubbelstrengs DNA-moleculen die los van het chromosoom in het cytoplasma van bacteriën voorkomen en vaak genen dragen die extra eigenschappen verlenen, zoals antibioticaresistentie. | | Persisters | Een fenotype van bacteriële cellen die metabool inactief zijn en daardoor ongevoelig voor antibiotica, wat hen in staat stelt te overleven tijdens een behandeling. | | Taxonomie | De wetenschap die zich bezighoudt met de classificatie, naamgeving en indeling van organismen, gebaseerd op hun evolutionaire relaties en gedeelde kenmerken. | | Ribosomaal RNA (rRNA) | Een type RNA dat een structureel en functioneel bestanddeel vormt van ribosomen, de cellulaire machinerie voor eiwitsynthese, en waarvan de sequentie nuttig is voor taxonomische analyse. | | Serotypering | Een methode om bacteriële stammen te classificeren op basis van hun antigeenprofiel, met name oppervlakteantigenen zoals het O-antigeen (LPS), K-antigeen (kapsel) en H-antigeen (flagellen). | | Genotypering | Een techniek om bacteriële stammen te identificeren en te differentiëren op basis van hun genetische kenmerken, vaak door middel van DNA-sequencing of moleculaire fingerprinting. |

# Basisprincipes van bacteriën en virussen Dit topic introduceert de fundamentele eigenschappen van bacteriën en virussen, met de nadruk op hun classificatie, structuur, aanpassingsvermogen en interactie met het immuunsysteem en antimicrobiële middelen. ### 1.1 Bacteriën Bacteriën zijn eencellige organismen met een complexe aanpassingsstrategie. Ze kunnen hun genexpressie aanpassen aan de omgeving, overgaan van een actieve naar een slapende of zelfs tijdelijk inactieve staat, afhankelijk van de omstandigheden. Hun groei en overleving zijn sterk afhankelijk van omgevingsfactoren zoals pH en temperatuur [1](#page=1). #### 1.1.1 Classificatie en concept van species Het concept van een "species" bij bacteriën kan complex zijn. De taxonomie van bacteriën ordent deze organismen, variërend van artificiële minimale vormen tot meer complexe variëteiten [1](#page=1). #### 1.1.2 Groei, aanpassingsvermogen en genetische mechanismen De groeiregulatie en groeivereisten van bacteriën zijn cruciaal voor het begrijpen van hun reactie op antibiotica en hun vestiging in specifieke niches. Belangrijke aspecten hierbij zijn [1](#page=1): * **Exponentiële groei:** Een periode van snelle toename van het aantal bacteriën [1](#page=1). * **Quorum sensing:** Communicatie tussen bacteriën om gezamenlijke activiteiten te coördineren [1](#page=1). * **Biofilm:** Een gemeenschap van bacteriën die zich inpakken in een beschermende matrix [1](#page=1). * **pH-, T-afhankelijkheid:** Gevoeligheid voor de zuurgraad en temperatuur van de omgeving [1](#page=1). Daarnaast beschikken bacteriën over genetische mechanismen die snelle mutaties, resistentieontwikkeling en virulentieverhoging mogelijk maken [1](#page=1). ### 1.2 Virussen Virussen zijn "obligate intracellulaire parasieten". Ze zijn infectieus, wat betekent dat ze een gastheercel kunnen binnendringen en hun genoom kunnen introduceren, maar voor replicatie zijn ze volledig afhankelijk van de machinerie van de gastheercel [2](#page=2). #### 1.2.1 Structuur van een virion Virussen hebben geen celstructuur of organellen. Ze bestaan uit [2](#page=2): * **Erfelijk materiaal:** Dit kan RNA of DNA zijn, enkelstrengs (ss) of dubbelstrengs (ds), en kan één of meerdere chromosomen bevatten [2](#page=2). * **Structurele eiwitten:** Deze eiwitten vormen de bouwstenen van het virus [2](#page=2). * **Nucleocapside:** De combinatie van genetisch materiaal en de structurele eiwitten, samen met nucleïnezuurbindende eiwitten en eventuele enzymen [3](#page=3). * **Enveloppe (optioneel):** Sommige virussen, de "virussen met enveloppe", zijn omgeven door een membraan. Dit membraan bevat vaak glycoproteïnen die als receptoren fungeren en matrixproteïnen aan de binnenzijde. "Naakte virussen" bestaan enkel uit een nucleocapside [3](#page=3). #### 1.2.2 Grootte van virussen Virussen variëren in grootte van ongeveer 20 nanometer (nm) tot 100 nm. Ze zijn aanzienlijk kleiner dan bacteriën. Bacteriële filters met poriegrootte van 0,45 µm tot 0,2 µm zijn effectief in het steriliseren van oplossingen, omdat ze bacteriën, en ook grotere virussen, tegenhouden. Nanofiltratie kan gebruikt worden om virussen te verwijderen uit eiwitoplossingen, zoals stollingsfactoren (bijvoorbeeld FVIII), met membranen van 15 nm [4](#page=4). > **Tip:** De groottevergelijking (in nm) met bacteriën, eiwitten en atomen is nuttig om de schaal van virussen te visualiseren [4](#page=4). #### 1.2.3 Levenscyclus en relevantie De levenscyclus van virussen is cruciaal voor hun interactie met het immuunsysteem en de ontwikkeling van medicatie. Belangrijke aspecten van de virale levenscyclus zijn [1](#page=1): * **Integratie in humaan DNA:** Sommige virussen kunnen hun genetisch materiaal integreren in het DNA van de gastheercel [1](#page=1). * **Latentie:** De periode waarin een virus inactief is in de gastheercel [1](#page=1). * **Oncogene transformatie:** Het vermogen van sommige virussen om kanker te veroorzaken [1](#page=1). #### 1.2.4 Classificatie van virussen De indeling van virussen op basis van hun genoom is medisch gezien het meest relevant. Daarnaast is de aanwezigheid of afwezigheid van een membraan (enveloppe) ook van medisch belang [6](#page=6). > **Voorbeeld:** Virussen zoals het coronavirus, influenzavirus en bacteriofaag T4 illustreren de variëteit in virale morfologie. Parvovirus B19 is een voorbeeld van een virus dat ingedeeld kan worden op basis van zijn genoom [5](#page=5) [6](#page=6). --- # Eigenschappen en classificatie van virussen Dit topic beschrijft de fundamentele eigenschappen die virussen onderscheiden, met een focus op het onderscheid tussen naakte en omhulde virussen, en de classificatie op basis van het genoomtype, wat cruciaal is voor medische toepassingen [10](#page=10) [7](#page=7) [8](#page=8) [9](#page=9). ### 2.1 Eigenschappen van virussen Virussen vertonen diverse eigenschappen die hun overleving, verspreiding en interactie met de gastheer bepalen. Een belangrijk onderscheid kan gemaakt worden tussen naakte en omhulde virussen, gebaseerd op hun structuur en vrijkomingsmechanisme uit de cel [7](#page=7) [8](#page=8). #### 2.1.1 Naakte virussen Naakte virussen zijn virussen die niet omgeven zijn door een lipide-envelop [7](#page=7). * **Vrijkoming:** Ze komen vrij door lyse (cellysis) van de geïnfecteerde cel, waarbij de cel doorgaans sterft [7](#page=7). * **Stabiliteit:** Naakte virussen zijn relatief stabiel en bestand tegen diverse omgevingsfactoren, waaronder temperatuur, zuren, detergenten en uitdroging [7](#page=7). * **Gevolgen van eigenschappen:** * Ze verspreiden zich gemakkelijk, mede door hun stabiliteit [7](#page=7). * Ze blijven infectieus, zelfs na uitdroging [7](#page=7). * Ze kunnen passage door een zure maag en basische darminhoud overleven, wat hun verspreiding via riolen mogelijk maakt [7](#page=7). * Humorale immuniteit is vaak voldoende voor bestrijding, omdat de geïnfecteerde cellen afsterven, waardoor er minder behoefte is aan tussenkomst van cytotoxische cellen zoals CD8 T-cellen en NK-cellen [7](#page=7). #### 2.1.2 Omhulde virussen Omhulde virussen beschikken over een lipide-envelop, die afkomstig is van het celmembraan van de gastheer [8](#page=8). * **Vrijkoming:** Ze komen vrij door afsnoering (budding) van het celmembraan, en mogelijk ook door lyse, waarbij de geïnfecteerde cel niet noodzakelijk sterft [8](#page=8). * **Structuur:** Het membraan van omhulde virussen bevat glycoproteïnen, waarvan sommige viraal en andere cellulair van oorsprong zijn [8](#page=8). * **Labieliteit:** Omhulde virussen zijn daarentegen labiel en gevoelig voor temperatuur, zuren, detergenten en uitdroging [8](#page=8). * **Gevolgen van eigenschappen:** * Ze verspreiden zich minder gemakkelijk, typisch via grote druppels, bloed of seksueel contact [8](#page=8). * Ze zijn niet meer infectieus na uitdroging [8](#page=8). * Ze overleven passage door het maag-darmkanaal niet goed [8](#page=8). * Zowel humorale als cellulaire immuniteit zijn nodig voor eliminatie, aangezien persistentie intracellulair mogelijk is. Cytotoxische cellen zijn noodzakelijk voor de eliminatie [8](#page=8). * **Toepassing:** De labieliteit van het envelop is praktisch relevant. Bij de pathogen-inactivatie van bloedeiwitten, zoals factor VIII, kunnen omhulde virussen zoals HIV, HCV en HBV gemakkelijk worden verwijderd door behandeling met een detergent (zeep). Deze methode beschadigt de eiwitten niet, enkel de membranen van de virussen. Tegen naakte virussen, zoals HAV, is deze inactivatie methode echter totaal inefficiënt [8](#page=8). > **Tip:** Het onderscheid tussen naakte en omhulde virussen is essentieel voor het begrijpen van hun transmissieroutes, stabiliteit en de vereiste immunologische respons. ### 2.2 Classificatie van virussen Virussen kunnen geclassificeerd worden op basis van verschillende criteria, waaronder het type genoom. Deze classificatie is van groot medisch belang [10](#page=10) [9](#page=9). #### 2.2.1 Classificatie op basis van genoomtype De aard van het genetisch materiaal van een virus (DNA of RNA, enkel- of dubbelstrengs) beïnvloedt sterk de replicatiestrategie en de gevoeligheid voor mutatie [10](#page=10) [9](#page=9). * **RNA-virussen:** * RNA-virussen hebben doorgaans een kleiner genoom in vergelijking met DNA-virussen [9](#page=9). * Ze muteren gemakkelijker. Dit komt deels doordat hun replicatie (afhankelijk van een viraal gecodeerd RNA-afhankelijk RNA polymerase) frequenter fouten maakt tijdens het kopiëren. Deze hoge mutatiesnelheid kan een evolutionaire keuze zijn om de variabiliteit te verhogen [9](#page=9). * Ze kunnen aanleiding geven tot **quasispecies**. Een quasispecies is een populatie van genetisch vergelijkbare, maar niet identieke, virale genomen die binnen één gastheer circuleren. Wanneer een persoon geïnfecteerd raakt, kan het initiële virus enkele varianten bevatten, die na verloop van tijd evolueren tot een reeks van verschillende virussen binnen het lichaam. Er is vaak één dominante sequentie, maar deze kan vervangen worden door een succesvollere variant, bijvoorbeeld door een immuunrespons of de start van antivirale therapie [9](#page=9). * Voor de meeste RNA-virussen is geen prototypische sequentie beschikbaar, in tegenstelling tot DNA-virussen. Wel bestaan er **consensussequenties**, die de meest frequente base per positie weergeven. Sommige delen van het RNA-genoom zijn goed geconserveerd, essentieel voor eiwitfunctie, regulatie van expressie/replicatie, of de opvouwing van het genoom [9](#page=9). * Vergelijking van sequenties met algoritmes kan leiden tot de ontwikkeling van een fylogenetische boom, waarbij de afstand tussen de takken een maat is voor de diversiteit, en species en types geïdentificeerd kunnen worden [9](#page=9). #### 2.2.2 Voorbeelden van virale pathogenen per genoomtype De classificatie in groepen op basis van het genoomtype is nuttig om menselijke pathogenen te categoriseren [10](#page=10). | "Group" | Family | Human pathogens (disease) | | :------------- | :--------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | **dsDNA** | Poxviridae | Variola (smallpox); Orf (pustular dermatitis); Molluscum contagiosum (pustular dermatitis) | | | Herpesviridae | Herpes simplex 1,2 (oral, genital herpes); Varicella-zoster (chickenpox); Epstein-Barr (mononucleosis); Cytomegalovirus (neonatal abnormalities); HHV6 (roseola); HHV8 (Kaposi's sarcoma) | | | Adenoviridae | Adenovirus (respiratory infection, conjunctivitis) | | | Polyomaviridae | Polyomavirus (benign kidney infection, respiratory disease, leukoencephalopathy) | | | Papillomaviridae | Papillomavirus (warts, genital carcinoma) | | **ssDNA** | Anellovirus | Unknown | | | Parvoviradae | B-19 (fifth disease, fetal death) | | **Retro** | Hepadnaviridae | Hepatitis B ("serum" hepatitis) | | | Retroviridae | HIV (aids); HTLV (leukemia) | | **dsRNA** | Reoviridae | Rotavirus (infantile gastroenteritis) | | **ssRNA (-)** | Rhabdoviridae | Rabies virus (rabies) | | | Filoviridae | Ebola virus (ebola) | | | Paramyxoviridae | Parainfluenza virus (respiratory infection); Mumps virus (mumps); Respiratory syncytial virus (respiratory infection); Measles virus (measles) | | | Orthomyxoviridae | Influenza virus (influenza) | | | Bunyaviridae | Hantaan virus (hemorrhagic fever with renal syndrome) | | | Arenaviridae | Lassa fever virus (hemorrhagic fever) | | | Deltavirus | Hepatitis D (fulminant acute hepatitis) | | **ssRNA (+)** | Picornaviridae | Poliovirus (polio), rhinovirus (URI), Hepatitis A ("infectious" hepatitis) | | | Calciviridae | Norwalk (gastroenteritis) | | | Hepevirus | Hepatitis E (acute hepatitis) | | | Astroviridae | Astrovirus (gastroenteritis) | | | Coronaviridae | Coronavirus (respiratory infection) | | | Flaviviridae | Yellow fever virus (yellow fever); Hepatitis C (hepatitis) | | | Togaviridae | Eastern Equine encephalitis virus (encephalitis); Rubella virus (rubella) | > **Example:** Het identificeren van een virus als zijnde ssRNA (+) van de Picornaviridae familie helpt ons direct te begrijpen dat het waarschijnlijk gevoelig is voor uitdroging en maagzuur, en dat het zich gemakkelijk kan verspreiden via feco-orale route, zoals bij Poliovirus [10](#page=10). --- # Virale levenscyclus en interactie met het immuunsysteem Dit topic onderzoekt de verschillende stadia van de virale levenscyclus, van adsorptie tot replicatie en vrijgave, en hoe het aangeboren immuunsysteem hierop reageert. ### 3.1 De virale levenscyclus: een overzicht De virale levenscyclus wordt, zij het enigszins artificieel, opgedeeld in verschillende stappen die deels simultaan kunnen verlopen. Deze stappen bieden inzicht in de cyclus zelf en potentiële aangrijpingspunten voor antivirale medicatie [12](#page=12). ### 3.2 Fasen van de virale levenscyclus #### 3.2.1 Adsorptie Adsorptie is de initiële binding van het virus aan de gastheercel, wat plaatsvindt via een specifieke receptor-virusligand interactie. De receptor op de cel kan een koolhydraat, (glyco)proteïne of (glyco)lipide zijn, vaak gerelateerd aan ionpompen. De aanwezigheid van deze receptor bepaalt de infecteerbaarheid van een cel en wordt ook wel een restrictiefactor genoemd. Sommige receptoren, zoals sialezuur voor influenza, komen breed tot expressie op veel celtypen terwijl andere, zoals CD4 met de co-receptoren CCR5 of CXCR4 voor HIV, slechts op beperkte celtypen voorkomen. Mutaties in de receptor of ligand kunnen de infecteerbaarheid moduleren. Vaccins spelen een rol door de structuur van het virus die aan de receptor bindt, af te dekken met neutraliserende antistoffen, zoals het hepatitis B-vaccin dat recombinant HBs-antigeen bevat [13](#page=13). #### 3.2.2 Penetratie Na adsorptie vindt de penetratie plaats, waarbij het virale genoom de cel binnendringt. Bij bacteriofagen wordt het genoom in de cel geïnjecteerd, direct door de celwand heen. Dierlijke virussen brengen hun genoom in via het nucleocapside, wat kan gebeuren door endocytose of membraanfusie [14](#page=14). * **Voorbeeld: Influenza A virus** [15](#page=15). * Het influenza virus bindt aan sialezuurresiduen op oppervlakte-eiwitten van de cel [15](#page=15). * Het virale neuraminidase-enzym in de envelop voorkomt dat virussen aan elkaar kleven. Behandeling met neuraminidase-inhibitoren is hierop gebaseerd [15](#page=15). * Na opname via endocytose komt het virus in het zure milieu van het endosoom [15](#page=15). * Protonen die door het M2-kanaal in de envelop gaan, induceren een conformationele verandering in hemagglutinine, waardoor het een fusogeen eiwit wordt [15](#page=15). * Dit leidt tot fusie van de envelop met het endosoommembraan en het vrijkomen van het capside in het cytoplasma. M2-kanaal-blokkerende medicatie is hier een voorbeeld van therapeutische toepassing [15](#page=15). #### 3.2.3 Expressie en replicatie De expressie en replicatie van virale genomen zijn afhankelijk van de aard (RNA/DNA; enkelstrengs/dubbelstrengs) en organisatie van het genoom, wat belangrijke medische implicaties heeft voor therapie, resistentiemechanismen en persistentie [17](#page=17). * **Expressie:** * DNA-virussen: Het genoom komt doorgaans tot expressie in de celkern, net als het gastheergenoom, met dubbelstrengs DNA als template. Enkelstrengs DNA (klasse II) of partieel dubbelstrengs DNA (klasse VII) wordt eerst omgezet naar dubbelstrengs DNA. Pokkenvirussen zijn een uitzondering; ondanks een dubbelstrengs DNA-genoom blijven ze in het cytoplasma en moeten ze veel eigen enzymen meebrengen die normaal gesproken alleen nucleair aanwezig zijn in zoogdiercellen [17](#page=17). * Enkelstrengs RNA-virussen (klasse IV): Positief-georiënteerd RNA kan functioneren als mRNA en direct leiden tot eiwitproductie [17](#page=17). * Negatief-strengs of dubbelstrengs RNA-genomen: Deze moeten eerst (deels) worden overgeschreven naar positief-georiënteerd RNA dat als mRNA dient. Dit vereist een RNA-afhankelijk RNA-polymerase, dat in het virion moet zijn verpakt aangezien menselijke cellen dit enzym niet bezitten [17](#page=17). * Retrovirussen (klasse VI): Hun positief-strengs RNA-genoom wordt na uncoating niet direct vertaald, maar eerst omgezet in DNA via reverse transcriptie en vervolgens geïntegreerd in het genoom als dubbelstrengs DNA [17](#page=17). * **Replicatie:** * DNA-virussen: Het genoom repliceert meestal in de celkern, waarbij dubbelstrengs DNA als template dient. Enkelstrengs DNA (klasse II) wordt eerst omgezet naar dubbelstrengs DNA. Klasse VII virussen zijn een uitzondering, die een RNA-kopie van het nucleaire DNA-genoom in het cytoplasma omzetten naar een partieel dubbelstrengs DNA-genoom. Pokkenvirussen repliceren ook in het cytoplasma en hebben hiervoor eigen enzymen nodig [18](#page=18). * RNA-virussen: Het genoom wordt door een nieuw aangemaakt, viraal gecodeerd RNA-afhankelijk RNA-polymerase overgeschreven. Hierbij kan een grote amplificatie van kopieën optreden door herhaaldelijk kopiëren [18](#page=18). * Retrovirussen (klasse VI): Hun positief-strengs genoom wordt door cellulaire polymerasen overgeschreven van het geïntegreerde dubbelstrengs DNA proviraal genoom [18](#page=18). > **Tip:** Virusspecifieke structuren, zoals DNA-uiteinden in de kern, dubbelstrengs RNA, of RNA zonder 5'-cap, kunnen fungeren als 'pathogen-associated molecular patterns' (PAMPs) en zijn potentiële targets voor antivirale therapie [17](#page=17) [18](#page=18). #### 3.2.4 Virion productie Bij virionproductie wordt het viraal genoom verpakt in een capside om een nucleocapside te vormen. Dit proces kan spontaan (auto-assembly) plaatsvinden, gevolgd door maturatie van het virion [22](#page=22). #### 3.2.5 Release Virions worden vrijgegeven door middel van 'budding' (uitknopen) of door lyse van de gastheercel. De vrijlating kan worden beperkt doordat het virus aan de producerende cel blijft kleven. Dit kan gebeuren door binding aan receptoren (evolutionaire oplossingen zijn receptor-downregulatie of afknippen van receptoren, zoals sialezuur door neuraminidase bij influenza) of door binding aan tetherin, een interferon-geïnduceerde cellulaire receptor die virale partikels aan het membraan bindt. Het HIV-eiwit Vpu kan tetherin ongedaan maken. De vrijgekomen virions kunnen vervolgens nieuwe cellen infecteren, wat cel-naar-cel transmissie mogelijk maakt. Deze transmissiewijze beschermt het virus relatief tegen neutraliserende antistoffen omdat de blootstelling aan het extracellulaire milieu kort is [23](#page=23). ##### 3.2.5.1 Lytische levenscyclus (bacteriofaag) De lytische levenscyclus verloopt snel en resulteert in het afsterven van de bacterie. Bacteriofagen worden onderzocht voor potentieel gebruik als antibiotherapie, hoewel resistentieontwikkeling door mutatie van bacteriële receptoren een uitdaging vormt [24](#page=24). ##### 3.2.5.2 Temperate bacteriofaag (lysogene levenscyclus) De lysogene levenscyclus maakt overdracht naar dochtercellen mogelijk zonder schade aan gastheercellen. Een repressor-eiwit van de faag wordt tot expressie gebracht, wat replicatie van de faag onderdrukt. Bij inductie wordt de repressor afgebroken. Dit mechanisme is belangrijk voor transductie van antibioticaresistentie en toxines, en kan geïnduceerd worden door antibiotische stress [26](#page=26). ##### 3.2.5.3 Bacteriofaag kinetiek Bij gesynchroniseerde infecties met bacteriofagen kan de kinetiek van replicatie (soms binnen een half uur) en het aantal vrijgegeven infectieuze partikels per geïnfecteerde cel (burst size) gemeten worden. Er is een onderscheid in expressie tussen vroege (enzymen, regulatoren) en late (capside) eiwitten [28](#page=28). ##### 3.2.5.4 Dierlijke virussen Dierlijke virussen zijn vaak minder complex dan bacteriofagen, omdat ze geen celwand hoeven te penetreren. Ze groeien trager dan bacteriofagen door compartimentalisatie (kern-cytoplasma) en benodigde transporten [29](#page=29). * **Voorbeeld: Herpesvirussen** [29](#page=29). * Penetratie en uncoating [29](#page=29). * Genoom naar de kern, waar replicatie en packaging van dubbelstrengs DNA plaatsvinden [29](#page=29). * Expressie van mRNA in het cytoplasma, gevolgd door eiwitsynthese [29](#page=29). * Transport van eiwitten naar de kern [29](#page=29). * Packaging in de kern [29](#page=29). * Budding door het kernmembraan en opnieuw door het cytoplasmamembraan [29](#page=29). * Release [29](#page=29). * **Voorbeeld: Influenza (orthomyxovirus)** [29](#page=29). * Negatief-strengs RNA-virus, maar replicatie vindt plaats in de kern [29](#page=29). ##### 3.2.5.5 Hepatitis C virus (HCV) * HCV heeft een positief-strengs RNA-genoom dat na vrijlating in het cytoplasma wordt omgezet in één eiwit. Dit eiwit wordt, deels autocatalytisch, verknipt tot structurele eiwitten (core, envelop E1 en E2) en niet-structurele eiwitten (NS) [30](#page=30). * NS5B is het RNA-afhankelijk RNA-polymerase (RdRP) dat negatief-strengs kopieën en vervolgens nieuwe positief-strengs kopieën aanmaakt [30](#page=30). * De NS-proteasen en het polymerase zijn doelwitten van antivirale medicatie [30](#page=30). * Replicatie van HCV vindt plaats aan het membraan van het endoplasmatisch reticulum [30](#page=30). ##### 3.2.5.6 Human Immunodeficiency Virus (HIV) * Ligand-receptor herkenning vindt plaats [31](#page=31). * Fusie van de envelopmembraan met de cellulaire membranen, waarna het nucleocapside in het cytoplasma terechtkomt. Dit kan ook via endocytose met daaropvolgende membraanfusie gebeuren [31](#page=31). * In het cytoplasma zet het reverse transcriptase (RT) het RNA-genoom om naar DNA, vaak met fouten [31](#page=31). * Het dubbelstrengs DNA vormt een pre-integratiecomplex [31](#page=31). * Integratie in het gastheergenoom gebeurt door de integrase (IN) activiteit, waarbij de LTR-sequenties een rol spelen [31](#page=31). * Transcriptie van het provirus vindt plaats via de 5' LTR-promotoractiviteit, met behulp van cellulaire polymerasen, en verloopt foutloos [31](#page=31). * Polyadenylatie gebeurt via de 3' LTR-poly-A activiteit, en splicing is mogelijk [31](#page=31). * Gespliced en ongespliced RNA coderen voor eiwitten; het ongespliced (full-length) RNA dient ook als genoom [31](#page=31). * Budding vindt plaats aan het celmembraan [31](#page=31). * LTR staat voor 'long terminal repeat' sequentie [31](#page=31). ### 3.3 Interactie met het immuunsysteem Het aangeboren immuunsysteem reageert op virale infecties door specifieke moleculaire patronen (PAMPs) te herkennen. #### 3.3.1 PAMP-herkenning * **Viraal RNA:** * Dubbelstrengs RNA (dsRNA) wordt herkend door TLR3 (membraan) en RIG-I (cytoplasmatisch). dsRNA wordt door Dicer geknipt tot siRNA [17](#page=17) [19](#page=19). * Niet-gecapteerd RNA in het cytoplasma wordt herkend door RIG-I [17](#page=17). * RNA in het endosoom wordt herkend door TLR7 [17](#page=17). * **Viraal DNA:** * DNA in het endosoom (ongemethyleerd CpG) wordt herkend door TLR9 [17](#page=17). * DNA in het cytoplasma kan worden herkend door DNA-sensoren en inflammasomen [19](#page=19). #### 3.3.2 Cytoplasmatische en membraanreceptoren Naast membraanreceptoren zoals TLR3 zijn er ook cytoplasmatische receptoren zoals RIG-I en inflammasomen die virale componenten kunnen herkennen. Membraanreceptoren (bv. TLR9) en cytoplasmatische DNA-receptoren, evenals inflammasomen, detecteren ook DNA [19](#page=19). > **Tip:** Het onderscheid dat DNA-receptoren maken tussen endogeen en vreemd DNA is niet altijd duidelijk. Vrijgekomen endogeen DNA kan als 'damage signal' fungeren bij celdood. Bij auto-immuunziekten zoals lupus komen anti-DNA responsen en antistoffen voor [19](#page=19). #### 3.3.3 Signaaltransductie en interferonproductie De herkenning van PAMPs door pattern recognition receptors (PRRs) zoals Toll-like receptors (TLRs) triggert signaaltransductiewegens. Dit leidt tot de activatie van transcriptiefactoren zoals IRF3/7 en NF-κB. Deze factoren induceren de productie van interferonen (IFN) en andere cytokines zoals IL-1, IL-6 en TNF. Interferonen zetten de expressie aan van interferon-gestimuleerde genen (ISGs) in dezelfde of andere cellen [19](#page=19) [20](#page=20). #### 3.3.4 Interferon-gestimuleerde genen (ISGs) ISGs worden geïnduceerd door type I en type III interferonen. Deze ongeveer 300 genen zijn gericht op het blokkeren van virusreplicatie en zijn actief tegen zowel RNA- als DNA-virussen. Voorbeelden van ISGs en hun functies zijn [21](#page=21): * **Interferon-inducible transmembrane proteins (IFITM):** Blokkeren virusbinding en vrijlating uit het endosoom [21](#page=21). * **ISG15:** Een ubiquitin-achtig proteïne dat zich hecht aan andere eiwitten (ISG-ylation), wat hun turnover-tijd verkort [21](#page=21). * **Tetherin:** Voorkomt de vrijlating van virussen van het celmembraan [21](#page=21). * **cGAS (cyclic GMP-AMP cyclase):** Een DNA-sensor die RNA- en DNA-virusreplicatie blokkeert [21](#page=21). * **RNAseL:** Knipt viraal en cellulair RNA [21](#page=21). * **PKR:** Fosforyleert de eukaryotische translatie-initiatiefactor EIF2A, wat eiwitsynthese stillegt [21](#page=21). > **Tip:** Neuraminidase speelt een rol bij de virusvrijlating, maar tetherin is een innate verdedigingslijn die virale partikels aan het membraan bindt [21](#page=21) [23](#page=23). ### 3.4 Aantonen van virussen Virussen kunnen worden aangetoond door bijvoorbeeld de zichtbare effecten van virusinfectie, zoals lysis van cellen, te observeren. Dit wordt gemeten als plaque-forming units (PFU) voor dierlijke virussen of via het cytopathisch effect. Hoge titers van virussen kunnen worden gedetecteerd door middel van verdunningen en de vorming van plaques [33](#page=33). --- ## 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 | |------|------------| | Bacteriën | Eencellige micro-organismen zonder celkern (prokaryoten) die kunnen bestaan als zelfstandige organismen. Ze kunnen variëren van nuttig tot ziekteverwekkend. | | Virussen | Microscopische infectieuze agentia die zich alleen kunnen repliceren binnen de levende cellen van andere organismen. Ze bestaan uit genetisch materiaal (DNA of RNA) omgeven door een eiwitlaag. | | Immuunsysteem | Het complexe netwerk van cellen, weefsels en organen dat het lichaam beschermt tegen infecties en ziekten door lichaamsvreemde stoffen te herkennen en te elimineren. | | Antimicrobiële middelen | Een brede klasse van medicijnen die worden gebruikt om infecties te bestrijden die worden veroorzaakt door micro-organismen zoals bacteriën, virussen, schimmels en parasieten. | | Species (bij bacteriën) | Een groep bacteriën die genetisch nauw verwant zijn en vergelijkbare kenmerken vertonen; bij bacteriën is het concept van species minder strikt gedefinieerd dan bij hogere organismen. | | Taxonomie | De wetenschappelijke classificatie van organismen in een hiërarchisch systeem op basis van hun gedeelde kenmerken en evolutionaire verwantschap. | | Artificiële minimale bacterie | Een theoretisch of experimenteel geconstrueerde bacterie die is gereduceerd tot het absolute minimum aan genen en componenten die nodig zijn voor overleving en replicatie. | | Genen | Een eenheid van erfelijk materiaal die de instructies bevat voor het maken van een specifiek eiwit of functionele RNA-molecuul, en die van een ouder op een nakomeling wordt doorgegeven. | | Groeiregulatie | Het proces waarbij de groei en reproductie van micro-organismen zoals bacteriën wordt gecontroleerd, beïnvloed door factoren zoals voedingsstoffen, temperatuur en de aanwezigheid van andere stoffen. | | Exponentiële groei | Een groeipatroon waarbij de populatie zich in een constante verhouding tot zijn huidige grootte vermenigvuldigt over een bepaalde tijdseenheid, wat resulteert in een steeds snellere toename. | | Quorum sensing | Een communicatiemechanisme waarbij bacteriën signalen uitwisselen om de dichtheid van hun populatie te meten en collectieve gedragingen te coördineren, zoals de vorming van biofilms. | | Biofilm | Een gestructureerde gemeenschap van micro-organismen, vaak bacteriën, die ingebed zijn in een zelfgeproduceerde extracellulaire matrix en vastgehecht zijn aan een oppervlak. | | pH-afhankelijkheid | De mate waarin de groei of activiteit van een organisme, zoals een bacterie, wordt beïnvloed door de zuurgraad (pH) van de omgeving. | | T-afhankelijkheid | Verwijst naar de afhankelijkheid van de temperatuur voor optimale groei of activiteit van een organisme, zoals een bacterie. | | Muten | Veranderingen in de DNA-sequentie van een genoom die spontaan kunnen optreden of worden veroorzaakt door externe factoren, en die kunnen leiden tot variatie binnen een populatie. | | Resistentie | Het vermogen van een micro-organisme, zoals een bacterie, om te overleven en te groeien ondanks de aanwezigheid van een antimicrobieel middel dat normaal gesproken dodelijk zou zijn. | | Virulentie | De mate waarin een ziekteverwekker in staat is om schade te veroorzaken aan de gastheer en ziekte te veroorzaken; het omvat aspecten zoals infectiviteit en pathogeniteit. | | Levenscyclus van virussen | De reeks gebeurtenissen die een virus ondergaat vanaf het moment dat het een gastheercel infecteert totdat nieuwe virusdeeltjes worden geproduceerd en vrijgegeven om nieuwe cellen te infecteren. | | Aangeboren immuunsysteem | Het eerste en algemene verdedigingsmechanisme van het lichaam tegen ziekteverwekkers, dat niet-specifiek is en geen geheugen heeft. | | Integratie in humaan DNA | Het proces waarbij het genetisch materiaal van een virus, zoals DNA of RNA dat is omgezet in DNA, wordt ingebouwd in het DNA van de gastheercel. | | Latentie | Een fase in de levenscyclus van een virus waarbij het zich in de gastheercel bevindt maar niet actief repliceert of ziekte veroorzaakt. | | Oncogene transformatie | Het proces waarbij normale cellen door een virus worden veranderd, waardoor ze ongecontroleerd gaan groeien en zich vermenigvuldigen, wat kan leiden tot kanker. | | Obligaat intracellulaire parasiet | Een organisme dat niet kan repliceren of overleven buiten een levende gastheercel. | | Infectieus | In staat om een infectie te veroorzaken. | | Genoom | Het complete DNA- of RNA-molecuul dat de genetische informatie van een organisme of virus bevat. | | Replicatie | Het proces waarbij een organisme of virus zijn genetische materiaal kopieert om nieuwe kopieën van zichzelf te produceren. | | Gastheercel | Een levende cel die geïnfecteerd wordt door een virus, parasiet of bacterie. | | Celstructuur | De organisatie en componenten van een cel, zoals het celmembraan, cytoplasma en organellen. | | Organellen | Grote, gespecialiseerde structuren binnen een cel die bepaalde functies uitvoeren, zoals de nucleus of mitochondriën. | | Erfelijk materiaal | Het molecuul dat de genetische informatie bevat en wordt doorgegeven van generatie op generatie, zoals DNA of RNA. | | Chromosomen | Structuren in de celkern die DNA bevatten, georganiseerd in specifieke vormen. | | Structurele eiwitten | Eiwitten die bijdragen aan de fysieke structuur van een virusdeeltje of cel. | | Regulatoren | Moleculen, zoals eiwitten of RNA, die de expressie van genen of de activiteit van biologische processen reguleren. | | Eiwitmantel (capside) | De beschermende eiwitschaal die het genetische materiaal van een virus omgeeft. | | Nucleocapside | Het complex gevormd door het genetische materiaal van een virus en zijn eiwitmantel. | | Naakt virus | Een virus dat geen externe lipidenenvelop heeft, alleen de nucleocapside. | | Enveloppe (envelop) | Een buitenste membraanlaag die sommige virussen omgeeft, afgeleid van het celmembraan van de gastheercel. | | Glycoproteïnen | Eiwitten die gebonden zijn aan koolhydraatketens; op virussen spelen ze vaak een rol bij de binding aan de gastheercel. | | Receptoren (viraal) | Specifieke moleculen op het oppervlak van een virus die binden aan receptoren op de gastheercel om infectie mogelijk te maken. | | Matrix eiwitten | Eiwitten die zich onder de virale envelop bevinden en een rol spelen bij de assemblage en stabiliteit van het virion. | | Virion | Een compleet virusdeeltje dat buiten een cel wordt aangetroffen en in staat is om een nieuwe cel te infecteren. | | Classificatie (viraal) | Het organiseren van virussen in groepen op basis van gedeelde kenmerken, zoals genetisch materiaal, structuur en replicatiemechanisme. | | Indeling op basis van genoom | De classificatie van virussen voornamelijk op basis van het type genetisch materiaal (DNA of RNA) en de structuur daarvan (enkelstrengs of dubbelstrengs). | | Partikelgrootte | De afmeting van een virusdeeltje, vaak uitgedrukt in nanometers (nm). | | Genoomgrootte | De lengte van het genetisch materiaal van een virus, vaak uitgedrukt in kilobases (kb) of megabases (Mb). | | RNA virussen | Virussen die RNA als hun genetisch materiaal gebruiken. | | DNA virussen | Virussen die DNA als hun genetisch materiaal gebruiken. | | Naakte virussen (eigenschappen) | Kenmerken van virussen zonder envelop, zoals hun stabiliteit tegen omgevingsfactoren en de manier waarop ze vrijkomen uit de cel. | | Lyse van de geïnfecteerde cel | Het proces waarbij de geïnfecteerde cel barst en sterft, waardoor virusdeeltjes vrijkomen. | | Stabiliteit (viraal) | De weerstand van een virus tegen omgevingsomstandigheden zoals temperatuur, pH-veranderingen, detergenten en uitdroging. | | Verspreiding (viraal) | De manieren waarop virussen zich van de ene gastheer naar de andere verspreiden, bijvoorbeeld via druppeltjes, bloed of seksueel contact. | | Humorale immuniteit | De immuunrespons die wordt gemedieerd door antilichamen, geproduceerd door B-cellen. | | Cytotoxische cellen | Immuuncellen, zoals CD8 T-cellen en Natural Killer (NK) cellen, die geïnfecteerde cellen kunnen doden. | | Enveloppe virussen (eigenschappen) | Kenmerken van virussen met een lipidenenvelop, zoals hun labiliteit en de manier waarop ze vrijkomen uit de cel. | | Afsnoering (budding) | Een proces waarbij een virusdeeltje de celmembraan van de gastheercel meeneemt om zijn envelop te vormen en de cel verlaat zonder deze onmiddellijk te doden. | | Glycoproteïnen (viraal membraan) | Eiwitten die aan koolhydraten gebonden zijn en zich in de virale envelop bevinden, vaak betrokken bij de interactie met de gastheercel. | | Labiel (viraal) | Gevoelig voor afbraak of inactivatie door omgevingsfactoren. | | Gastro-intestinale tractus | Het spijsverteringskanaal, van de mond tot de anus. | | Cellulaire immuniteit | De immuunrespons die wordt gemedieerd door cellen, met name T-cellen, die direct geïnfecteerde cellen aanvallen. | | Virostatica | Medicijnen die de replicatie van virussen remmen. | | Pathogeen-inactivatie | Het proces waarbij ziekteverwekkende agentia, zoals virussen, onschadelijk worden gemaakt, vaak in medische preparaten. | | Solvens, detergenre methode | Een methode om virussen met een envelop te inactiveren door ze bloot te stellen aan zeepachtige stoffen (detergenten) die de lipidenenvelop beschadigen. | | Naakte virussen (resistentie) | De weerstand van naakte virussen tegen methoden die enveloppe virussen zouden inactiveren, zoals behandeling met detergenten. | | RNA virussen (specificaties) | Kenmerken van virussen met RNA als genetisch materiaal, inclusief hun grootte, mutatiesnelheid en de ontwikkeling van quasispecies. | | Quasispecies | Een populatie van nauw verwante, maar verschillende viraal genomen die in één gastheer voorkomen, ontstaan door snelle mutaties tijdens replicatie. | | RNA-afhankelijk RNA polymerase | Een enzym dat wordt gecodeerd door virussen en dat RNA als template gebruikt om nieuwe RNA-moleculen te synthetiseren. | | Consensus sequenties | Een representatieve sequentie die de meest voorkomende nucleotide op elke positie in een reeks verwante sequenties weergeeft. | | Fylogenetische boom | Een diagram dat de evolutionaire relaties en verwantschappen tussen verschillende soorten of genomen weergeeft, gebaseerd op genetische vergelijkingen. | | Pseudospecies | Een term die wordt gebruikt om de diversiteit binnen een viraal genoom binnen een gastheer te beschrijven, vergelijkbaar met quasispecies. | | Bacteriofaag | Een virus dat bacteriën infecteert. | | Retrovirussen | Een klasse van virussen die een RNA-genoom hebben en reverse transcriptase gebruiken om hun RNA om te zetten in DNA, dat vervolgens in het genoom van de gastheercel wordt geïntegreerd. | | HIV (Human Immunodeficiency Virus) | Het virus dat AIDS veroorzaakt. | | HTLV (Human T-lymphotropic Virus) | Virussen die leukemie kunnen veroorzaken. | | dsRNA | Dubbelstrengs RNA. | | Reoviridae | Een familie van virussen die dubbelstrengs RNA (dsRNA) bevatten, zoals rotavirus. | | ssRNA (-) | Enkelstrengs RNA met een negatieve polariteit. | | Rhabdoviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals rabiesvirus. | | Filoviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals ebolavirus. | | Paramyxoviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals mazelenvirus en paramyxovirus. | | Orthomyxoviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals influenzavirus. | | Bunyaviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals Hantaanvirus. | | Arenaviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals Lassa-koortsvirus. | | Deltavirus | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals hepatitis D-virus. | | ssRNA (+) | Enkelstrengs RNA met een positieve polariteit. | | Picornaviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals poliovirus en rhinovirussen. | | Calciviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals Norwalk-virus. | | Hepevirus | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals hepatitis E-virus. | | Astroviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals astrovirus. | | Coronaviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals coronavirus. | | Flaviviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals gele koorts virus en hepatitis C-virus. | | Togaviridae | Een familie van virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals Eastern Equine Encephalitis virus en rubellavirus. | | dsDNA | Dubbelstrengs DNA. | | Poxviridae | Een familie van virussen met dubbelstrengs DNA, zoals pokkenvirus. | | Herpesviridae | Een familie van virussen met dubbelstrengs DNA, zoals herpes simplex virus. | | Adenoviridae | Een familie van virussen met dubbelstrengs DNA, zoals adenovirus. | | Polyomaviridae | Een familie van virussen met dubbelstrengs DNA, zoals polyomavirus. | | Papillomaviridae | Een familie van virussen met dubbelstrengs DNA, zoals papillomavirus. | | ssDNA | Enkelstrengs DNA. | | Anellovirus | Een familie van virussen met enkelstrengs DNA. | | Parvoviradae | Een familie van virussen met enkelstrengs DNA, zoals parvovirus B19. | | Hepadnaviridae | Een familie van virussen met gedeeltelijk dubbelstrengs DNA en een RNA-tussenstap, zoals hepatitis B-virus. | | Postulaten van Koch | Een reeks criteria om een specifiek micro-organisme te identificeren als de oorzaak van een bepaalde ziekte. | | Elektronenmicroscoop (EM) | Een krachtige microscoop die elektronen gebruikt om beelden van zeer kleine objecten, zoals virussen, te creëren. | | Bacteriofaag studie | Het onderzoek naar virussen die bacteriën infecteren, wat een cruciale rol heeft gespeeld in de ontwikkeling van de moleculaire biologie. | | Celcultuur | Het kweken van cellen buiten het lichaam in een gecontroleerde omgeving, vaak gebruikt om virussen te bestuderen en te vermenigvuldigen. | | Reverse transcriptase | Een enzym dat RNA als template gebruikt om DNA te synthetiseren; cruciaal voor retrovirussen. | | Nucleotiden sequentie | De volgorde van de nucleotiden (bouwstenen van DNA of RNA) in een genetisch molecuul. | | Eukaryoot virus | Een virus dat eukaryote cellen (cellen met een celkern) infecteert. | | Papovavirus SV40 | Een klein dubbelstrengs DNA-virus dat apen en mensen kan infecteren, gebruikt als modelorganisme in onderzoek. | | Human herpes virus 8 (HHV8) | Een herpesvirus dat geassocieerd wordt met Kaposi-sarcoom. | | SARS-CoV-1 en SARS-CoV-2 | Virussen die SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) veroorzaken. | | Influenza H5N1 | Een type vogelgriepvirus dat potentieel gevaarlijk is voor mensen. | | Mpox | Een virale ziekte die voorheen bekend stond als apenpokken. | | Virale levenscyclus | De reeks stappen die een virus doorloopt om zich te repliceren, inclusief interactie met de gastheercel. | | Adsorptie | Het proces waarbij een virus zich bindt aan het oppervlak van een gastheercel via specifieke receptor-ligand interacties. | | Receptor-virusligand interactie | De specifieke binding tussen een molecuul op de gastheercel (receptor) en een molecuul op het virus (ligand). | | Restrictiefactor | Een cellulaire component of mechanisme dat de replicatie van een virus in een bepaalde cel voorkomt. | | Siaalzuur | Een type koolhydraat dat vaak voorkomt op celoppervlakken en dient als receptor voor sommige virussen, zoals influenza. | | CD4+co-receptor CCR5 of CXCR4 | Specifieke receptoren op T-cellen die door HIV worden gebruikt om de cel binnen te dringen. | | Neutraliserende antistoffen | Antilichamen die de infectiviteit van een virus kunnen blokkeren door te binden aan essentiële virale structuren. | | Recombinant HBs antigen | Een deel van het hepatitis B-virus (het oppervlakteantigeen) dat synthetisch is geproduceerd en wordt gebruikt in vaccins. | | Penetratiie | Het proces waarbij een virus het membraan van de gastheercel binnendringt om zijn genetisch materiaal vrij te geven. | | Endocytose | Een proces waarbij de cel een stof aan de buitenkant opneemt door het celmembraan te laten instulpen en een vesikel te vormen. | | Membraanfusie | Het proces waarbij de membranen van twee verschillende structuren, zoals een virusenvelop en het celmembraan, samensmelten. | | Uncoating | Het proces waarbij het virus zijn eiwitmantel verwijdert om het genetisch materiaal vrij te geven in de gastheercel. | | Hemagglutinine (HA) | Een eiwit op het oppervlak van influenza virussen dat essentieel is voor de binding aan de gastheercel en fusie van de virale envelop met het endosoommembraan. | | M2 kanaal | Een ionenkanaal in de envelop van influenza virussen dat een rol speelt bij de ontmanteling van het virus binnen de cel. | | Endosoom | Een met membraan omgeven blaasje binnen een cel dat betrokken is bij transport en verwerking van stoffen. | | Fusogeen eiwit | Een eiwit dat het samensmelten van membranen kan veroorzaken. | | Cytoplasma | Het deel van de cel dat zich buiten de celkern bevindt en de organellen bevat. | | Expressie (viraal genoom) | Het proces waarbij de genetische informatie in het virale genoom wordt omgezet in functionele eiwitten. | | Replicatie (viraal genoom) | Het proces waarbij het virale genoom wordt gekopieerd om nieuwe virusdeeltjes te produceren. | | Virostatica | Medicijnen die de replicatie van virussen remmen. | | PAMP (Pathogen-Associated Molecular Pattern) | Moleculaire structuren die aanwezig zijn op pathogenen maar niet op gastheercellen, en die worden herkend door het immuunsysteem. | | TLR9 (Toll-like receptor 9) | Een immuunreceptor die specifiek viraal en bacterieel DNA herkent. | | TLR7 | Een immuunreceptor die viraal enkelstrengs RNA (ssRNA) herkent. | | RIG-I (Retinoic acid-inducible gene I) | Een cytoplasmatische receptor die viraal RNA herkent. | | Dicer | Een enzym dat dubbelstrengs RNA (dsRNA) opknipt in kleinere stukjes, zoals kleine interfererende RNA (siRNA). | | siRNA (small interfering RNA) | Kleine RNA-moleculen die een rol spelen bij genregulatie en RNA-interferentie, en die kunnen worden gegenereerd uit viraal dsRNA. | | PKR (Protein kinase R) | Een eiwit dat betrokken is bij de antivirale respons en de eiwitsynthese kan remmen door fosforylering van initiatiefactoren. | | EIF2A (Eukaryotic translation initiation factor 2 alpha) | Een eiwitfactor die essentieel is voor het initiëren van eiwitsynthese in eukaryote cellen. | | cGAS (cyclic GMP-AMP synthase) | Een DNA-sensor die een rol speelt bij de detectie van vreemd DNA in het cytoplasma en de antivirale respons activeert. | | RNAseL | Een enzym dat zowel viraal als cellulair RNA kan afbreken, en dat wordt geactiveerd door interferonen. | | Viraal virion productie | Het proces van assemblage en vorming van nieuwe, infectieuze virusdeeltjes binnen de gastheercel. | | Auto-assembly | Het spontane proces waarbij componenten van een virusdeeltje, zoals eiwitten, samenkomen om een functionele structuur te vormen. | | Maturatie | De laatste ontwikkelingsfase van een virusdeeltje, waarbij het infectieus wordt. | | Vrijstelling (virion) | Het proces waarbij nieuwe virusdeeltjes de gastheercel verlaten. | | Budding (viraal) | Het proces waarbij een virus de celmembraan van de gastheercel gebruikt om zijn envelop te vormen en de cel verlaat. | | Lyse (gastheercel) | Het barsten en doden van de gastheercel, wat resulteert in de vrijlating van virusdeeltjes. | | Receptor down-regulatie | Het verminderen van het aantal receptoren op het celoppervlak, een mechanisme om virusinfectie te voorkomen. | | Neuraminidase | Een enzym op het oppervlak van influenza virussen dat helpt bij de vrijlating van nieuwe virusdeeltjes door de binding aan sialzuur te verbreken. | | Tetherin | Een cellulaire receptor die virale partikels aan het celmembraan bindt en zo de vrijlating van nieuwe virions belemmert. | | Vpu (virion protein unique) | Een eiwit van HIV dat de antivirale functie van tetherin tenietdoet. | | Cel-naar-cel transmissie | De overdracht van een virus van een geïnfecteerde cel naar een naburige cel, zonder dat het virus in het extracellulaire milieu wordt blootgesteld. | | Neutraliserende antilichamen | Antilichamen die de infectiviteit van een virus kunnen blokkeren door te binden aan virale structuren. | | Lytische levenscyclus | Een virale replicatiecyclus die leidt tot de vernietiging van de gastheercel. | | Bacteriofaag | Een virus dat bacteriën infecteert. | | Antibiotherapie | Het gebruik van antibiotica of andere middelen om bacteriële infecties te behandelen. | | Resistentie (bacteriofaag) | Het vermogen van bacteriën om resistent te worden tegen bacteriofagen, bijvoorbeeld door mutaties in de receptoren. | | Lysogene levenscyclus | Een virale replicatiecyclus waarbij het virale genoom in het gastheergenoom wordt geïntegreerd en replicatie plaatsvindt zonder de cel onmiddellijk te doden. | | Temperate bacteriofaag | Een bacteriofaag die zowel een lytische als een lysogene cyclus kan doorlopen. | | Transductie | Het proces waarbij genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere wordt overgebracht door een bacteriofaag. | | Antibiotica stress | De omstandigheden die worden veroorzaakt door de aanwezigheid van antibiotica, wat de lysogene cyclus van sommige faag-geïnfecteerde bacteriën kan induceren. | | Kinetiek van replicatie | De snelheid waarmee een virus zich repliceert binnen de gastheercel. | | Burst size | Het aantal nieuwe virusdeeltjes dat wordt geproduceerd en vrijgegeven uit één geïnfecteerde cel. | | Vroege eiwitten (viraal) | Eiwitten die vroeg in de virale replicatiecyclus worden gesynthetiseerd en vaak betrokken zijn bij genregulatie en replicatie-enzymen. | | Late eiwitten (viraal) | Eiwitten die laat in de virale replicatiecyclus worden gesynthetiseerd en vaak structurele componenten van het virus vormen, zoals capside-eiwitten. | | Dierlijk virus | Een virus dat dierlijke cellen infecteert. | | Compartimentalisatie | De aanwezigheid van verschillende functionele gebieden (compartimenten) binnen een cel, zoals de kern en het cytoplasma, die de processen van replicatie en expressie kunnen beïnvloeden. | | Kern (celkern) | Het organel in eukaryote cellen dat het genetisch materiaal bevat en waar veel processen van genexpressie en DNA-replicatie plaatsvinden. | | Nucleair lokalisatie signaal | Een specifieke aminozuursequentie op een eiwit die ervoor zorgt dat het eiwit naar de celkern wordt getransporteerd. | | Budding door nucleair membraan | Het proces waarbij virusdeeltjes de binnenste kernmembraan passeren. | | Hepatitis C virus (HCV) | Een virus dat hepatitis C veroorzaakt, een leverontsteking. | | Positief streng RNA genoom | Een RNA-genoom dat direct kan fungeren als messenger-RNA (mRNA) en door de ribosomen van de gastheercel kan worden vertaald naar eiwitten. | | Autocatalytisch | Een proces waarbij een molecuul, vaak een enzym, zichzelf kan knippen of modificeren. | | Structurele eiwitten (HCV) | Eiwitten die deel uitmaken van de virale structuur van HCV, zoals core en envelop E1/E2. | | Niet-structurele eiwitten (HCV) | Eiwitten die door HCV worden geproduceerd en betrokken zijn bij de replicatie en assemblage van het virus, maar geen deel uitmaken van de virale structuur. | | NS5B | Het RNA-afhankelijke RNA-polymerase (RdRP) van HCV, essentieel voor de replicatie van het virale genoom. | | Endoplasmatisch reticulum | Een netwerk van membranen in de cel dat betrokken is bij eiwit- en lipidesynthese. | | HIV (Human Immunodeficiency Virus) | Het virus dat AIDS veroorzaakt. | | Ligand-receptor herkenning | De specifieke interactie tussen een ligand (molecuul op het virus) en een receptor (molecuul op de cel) die nodig is voor virusinfectie. | | Fusie membraan enveloppe met cellulaire membranen | Het samensmelten van de lipidendubbellaag van de virale envelop met het celmembraan van de gastheercel, waardoor het virusdeeltje de cel binnendringt. | | Nucleocapside | Het complex gevormd door het genetische materiaal van een virus en zijn eiwitmantel. | | Omzetting van RNA naar DNA | Het proces van reverse transcriptie, waarbij RNA als template wordt gebruikt om DNA te synthetiseren. | | Pre-integratiecomplex | Een complex van virale componenten dat zich in de celkern bevindt voordat het virale DNA in het gastheergenoom wordt geïntegreerd. | | Integrase (IN) | Een enzym dat door retrovirussen wordt geproduceerd en dat het virale DNA in het genoom van de gastheercel integreert. | | LTR (Long Terminal Repeat) | Herhalende DNA-sequenties aan de uiteinden van het retrovirale genoom die belangrijk zijn voor integratie en transcriptie. | | Transcriptie | Het proces waarbij de genetische informatie van DNA wordt gekopieerd naar RNA. | | Provirus | De vorm van het virale genoom (DNA) die covalent is geïntegreerd in het genoom van de gastheercel. | | Promotor | Een DNA-sequentie die het beginpunt van genexpressie aangeeft en waar transcriptiefactoren binden. | | Cellulaire polymerasen | Enzymen in de gastheercel die verantwoordelijk zijn voor de transcriptie van DNA naar RNA. | | Polyadenylatie | Het toevoegen van een reeks adenine-nucleotiden (een poly-A-staart) aan het 3'-uiteinde van een RNA-molecuul, wat belangrijk is voor stabiliteit en transcriptie. | | Splicing | Het proces waarbij niet-coderende sequenties (intronen) uit een precursor-RNA worden verwijderd en de coderende sequenties (exonen) aan elkaar worden geplakt om een volwassen mRNA te vormen. | | Full length RNA | Het complete, ongesplitste RNA-genoom van een retrovirus, dat zowel de code voor eiwitten bevat als dient als genoom voor nieuwe virusdeeltjes. | | Aantonen van virussen | Methoden en technieken die worden gebruikt om de aanwezigheid van virussen te detecteren en te identificeren. | | Plaque forming units (PFU) | Een maat voor de concentratie van infectieuze virusdeeltjes in een monster, gebaseerd op het aantal plaques dat ze vormen in een celcultuur. | | Cytopathisch effect (CPE) | Veranderingen in het uiterlijk of gedrag van geïnfecteerde cellen die veroorzaakt worden door virusreplicatie en die zichtbaar zijn onder de microscoop. | | Hoge titer | Een hoge concentratie van infectieuze virusdeeltjes in een monster. | | Lage titer | Een lage concentratie van infectieuze virusdeeltjes in een monster. | | Plaques | Gebieden van celvernietiging of verandering in een celcultuur die worden veroorzaakt door de replicatie van virussen. | | Dilutie virus | Het proces van het verdunnen van een virusmonster om de concentratie te verminderen, vaak gebruikt bij titratiebepalingen. |

# Barrières tegen micro-organismen Het lichaam beschikt over een reeks gelaagde verdedigingsmechanismen om het binnendringen en vestigen van micro-organismen te voorkomen, bestaande uit fysieke, chemische en microbiële componenten, waarbij de normale flora een cruciale rol speelt [1](#page=1) [4](#page=4). ### 1.1 Fysieke barrières Fysieke barrières scheiden het lichaam van de externe omgeving en variëren in structuur afhankelijk van het lichaamsoppervlak [6](#page=6). #### 1.1.1 Meerlagig epitheel De huid, bestaande uit meerlagig epitheel bedekt met dode cellen, vormt een robuuste barrière die de penetratie van virussen door intacte huid verhindert. Huidepitheeldefecten bieden echter toegang voor micro-organismen zoals virussen, bacteriën en schimmels [6](#page=6). #### 1.1.2 Slijmvliezen De slijmvliezen van de luchtwegen, urinewegen, het maag-darmkanaal en de geslachtsorganen zijn opgebouwd uit levende cellen, vaak éénlagig, om uitwisseling van gassen en voedingsstoffen mogelijk te maken. Deze levende cellen kunnen echter een ingangspoort zijn voor virussen [6](#page=6). #### 1.1.3 Mechanische afvoer en celvernieuwing De fysieke barrières functioneren mede door mechanische processen: * **Spoelfunctie:** Een continue stroom van mucus voert micro-organismen af richting de uitgang [6](#page=6) [7](#page=7). * **Cellulaire turnover:** Snel vernieuwende epitheelcellen, zoals die in de darm die elke 3-4 dagen worden afgestoten, helpen bij het verwijderen van pathogenen [6](#page=6). * **Aanhechtingspreventie:** Bacteriën kunnen zich alleen aan slijmvliezen hechten door specifieke adhesiemoleculen. De schilfering van epithelia vereist constante herkolonisatie door bacteriën. Tandglazuur schilfert niet, wat het belang van poetsen benadrukt [7](#page=7). * **Trapping, filtering en afvoer:** Micro-organismen worden gevangen in slijm en afgevoerd door trilhaarcellen of ingeslikt. Beweging van lichaamsvloeistoffen zoals darmperistaltiek, speekselstroom en urinelediging zijn essentieel voor afvoer. Vernauwingen en incomplete lediging in de darm, urinewegen en luchtwegen verhogen het risico op infectie [7](#page=7). > **Voorbeeld:** Poststenotische pneumonie bij longcarcinoom, cholecystitis door een steen in de galwegen, en urineweginfecties bij een vergrote prostaat illustreren het risico van verminderde afvoer [7](#page=7). ### 1.2 Chemische barrière De chemische barrière omvat omgevingsfactoren, beschikbare metabole bronnen en specifieke antimicrobiële stoffen [8](#page=8). #### 1.2.1 Omgevingsfactoren Factoren zoals de aanwezigheid van zuurstof (anaeroob milieu in haarfollikels, colon, tandplak) en de zuurgraad (bv. vagina, maaginhoud) bepalen de groeiomstandigheden voor micro-organismen [8](#page=8). #### 1.2.2 Metabole bronnen * **Positieve invloeden:** De vagina levert glycogeen, een subron voor lactobacillen die lactaat produceren (melkzuur). De dikke darm biedt grote hoeveelheden onverteerd voedsel voor een complex microbieel systeem [8](#page=8). * **Negatieve invloeden:** Wat voor de ene soort gunstig is, kan voor de andere negatief zijn, wat leidt tot de vorming van specifieke niches [8](#page=8). * **Hormonale invloeden:** Hormonen beïnvloeden het metabolisme, wat effect heeft op de huid (vetten, talg), en vaginale epitheelcellen (glycogeen) [8](#page=8). #### 1.2.3 Antibacteriële stoffen en immuunglobulines * **Lysosyme:** Een enzym dat peptidoglycanen in bacteriële celwanden afbreekt [8](#page=8). * **Lipocaline/siderocaline:** Bindt bacteriële sideroforen (ijzer-bindende moleculen) om ijzer beschikbaar te maken voor degradatie door granulocyten, in plaats van voor bacteriële groei [8](#page=8) [9](#page=9). * **Defensines:** Humane antimicrobiële peptiden, korte kationische peptiden met hydrofobe delen die in membraan van bacteriën, virussen of schimmels kunnen inbreken. Alfa-defensines worden afgescheiden door neutrofielen, macrofagen en Paneth-cellen, terwijl bèta-defensines door epitheelcellen worden afgescheiden. Ze worden actief na secretie. Het aantal defensine genen varieert per individu [10](#page=10) [8](#page=8). * **Dimeer IgA:** Een vorm van immunoglobuline A [8](#page=8). ##### 1.2.3.1 De oorlog om ijzer Vertebraten minimaliseren vrij ijzer door ijzer-bindende moleculen zoals transferrine (Tf) en intracellulaire opslag (hemoglobine (Hb), ferritine (Fn)). Dit beperkt bacteriële groei. Bacteriën ontwikkelen strategieën om hiertegen te vechten: receptoren voor humane ijzer-bindende moleculen, aanmaak van eigen ijzer-bindende sideroforen, en hemolysines/cytolysines om ijzer uit cellen vrij te maken. Als reactie hierop produceren vertebraten siderocaline (Sn) die bacteriële sideroforen bindt voor opname door granulocyten. Gastheerdieren kunnen ook ijzeropname uit de darm stopzetten en ijzermobilisatie beperken [9](#page=9). ### 1.3 Barrière-functie van de normale flora De normale microflora, bestaande uit micro-organismen die op en in het lichaam leven, is een essentieel onderdeel van de barrière tegen pathogene organismen [11](#page=11) [4](#page=4). #### 1.3.1 Concurrentie en beïnvloeding * **Competitie:** De normale flora concurreert met potentieel pathogene micro-organismen om ruimte en voedingsstoffen [11](#page=11). * **Productie van metabolieten:** Sommige bacteriën bevorderen de groei van andere door het produceren van metabolieten of het creëren van gunstige pH [11](#page=11). * **Remming:** Andere bacteriën remmen de groei van pathogenen door de productie van metabolieten of 'bacteriocines' (door bacteriën zelf aangemaakte antibiotica) [11](#page=11). #### 1.3.2 Belang van de normale flora De normale flora heeft diverse functies, waaronder: * Productie van vitamines en hulp bij de vertering van voedsel [11](#page=11). * Stimulatie van het immuunsysteem [11](#page=11). * Vorming van endogene infecties bij verstoring [11](#page=11). * **Kolonisatieresistentie:** Door het bezetten van niches, het beïnvloeden van de lokale omgeving, en het remmen van de vestiging van nieuwe soorten of stammen, vormt de flora een belangrijke barrière tegen kolonisatie door pathogenen [11](#page=11). > **Tip:** De normale flora kan niet volledig worden geëlimineerd, maar kan wel tijdelijk of langdurig worden gewijzigd [11](#page=11). #### 1.3.3 Variatie in microflora De samenstelling van de microflora varieert sterk per locatie in en op het lichaam, aangepast aan de lokale fysisch-chemische omstandigheden. Dit geldt voor de huid, mondholte, luchtwegen, maag-darmtractus en het genitale stelsel [11](#page=11) [4](#page=4). > **Voorbeeld:** De flora op de huid verschilt tussen droge huid en huidplooien, en ook tussen de mondholte (lippen, wangen, tandoppervlak, tong, tonsillen, oropharynx) en de verschillende segmenten van het spijsverteringsstelsel [11](#page=11). --- # Microflora van verschillende lichaamsoppervlakken Dit gedeelte biedt een overzicht van de normale microflora en de bijbehorende barrières op diverse lichaamsoppervlakken, waaronder de huid, luchtwegen, maag-darmstelsel en urogenitale slijmvliezen [3](#page=3). ### 2.1 Barrières tegen micro-organismen Het lichaam beschikt over diverse barrières om micro-organismen buiten te houden of de groei ervan te beperken [2](#page=2). #### 2.1.1 Fysieke barrières Fysieke barrières scheiden het lichaam van de externe omgeving. De intacte huid vormt een zeer effectieve barrière tegen infecties door bacteriën en virussen. De hoornlaag van het epitheel is droog en zuur, wat de groei van veel micro-organismen ontmoedigt. Speeksel en talg bevochtigen bepaalde oppervlakken, waarbij talg lipofiele gisten zoals *Malassezia* ondersteunt. In de gehoorgang wordt oorsmeer (cerumen) geproduceerd. Epitheliale cellen, zoals keratinocyten, drukken receptoren uit van het aangeboren immuunsysteem (TLR, NOD, mannose receptoren) die PAMPs herkennen. Langerhanscellen in de epidermis fungeren als weefselmacrofagen die de barrière bewaken en inflammatie induceren bij detectie van gevaar. Over het algemeen is de bescherming tegen indringers via de intacte huid uitstekend, met weinig bacteriën die deze kunnen penetreren [13](#page=13) [2](#page=2). #### 2.1.2 Chemische barrières Chemische barrières omvatten stoffen die door het lichaam worden geproduceerd om micro-organismen te bestrijden [2](#page=2). #### 2.1.3 Barrière-functie: de normale flora De normale flora speelt een cruciale rol als barrière tegen pathogenen. Bepaalde bacteriën produceren metabolieten die de groei van onaangepaste bacteriën afremmen [13](#page=13) [2](#page=2). ### 2.2 Overzicht van lichaamsoppervlakken, barrières en microflora #### 2.2.1 Huidbarrière De huidbarrière is droog en zuur, met een oppervlakkige laag van gekeratiniseerd epitheel. De normale flora op de huid bestaat voornamelijk uit coagulase-negatieve stafylokokken, *Corynebacterium* en *Cutibacterium* spp. Andere soorten zijn transiënt aanwezig en verdwijnen snel. In vochtiger niches, zoals bij orificia, is er meer variatie met aanwezigheid van *S. aureus* en *Acinetobacter* [13](#page=13). **Verstoring van de huidbarrière:** * **Te nat:** Maceratie en occlusie (onder verband) kunnen leiden tot woekering van *S. aureus*, gramnegatieve staven en gisten, wat kan evolueren naar infectie [14](#page=14). * **Te vet:** Een toename van de lipofiele gist *Malassezia* kan schilfering (roos) veroorzaken [14](#page=14). * **Blokkering van talgklieren:** Stuwing van talg kan leiden tot acne, mede door woekering van *Cutibacterium* [14](#page=14). * **Defecten in de huid:** Grote defecten, zoals brandwonden, maken de huid zeer gevoelig voor infectie [14](#page=14). Dermatofyten zijn schimmels die keratine als voedsel gebruiken en oppervlakkige huid-, nagel- en haarinfecties kunnen veroorzaken [14](#page=14). ##### 2.2.1.1 Stafylokokken * **Coagulase-negatieve stafylokokken (o.a. *S. epidermidis*):** Deze zijn goed aangepast aan de droge huid en talrijk aanwezig. Ze veroorzaken geen infectie, zelfs niet bij grote huidletsels, maar kunnen bij aanwezigheid op vreemde lichamen (protheses) biofilms vormen die moeilijk te elimineren zijn [15](#page=15). * ***S. lugdunensis*:** Hoewel coagulase-negatief, is deze soort even virulent als *S. aureus* [15](#page=15). ##### 2.2.1.2 *S. aureus* * **Bron, reservoir en overdracht:** *S. aureus* is een bacterie van de mens, met vochtige huidgebieden (neusgang, perineum) als belangrijkste reservoirs. Ongeveer 30% van de gezonde mensen is drager in de neus. Overdracht vindt plaats via droplets en contact (direct en indirect) [16](#page=16). * **Pathogenese:** De bacterie produceert toxines, enzymen, adhesines en escape-elementen die cel- en weefselinvasie, bescherming en pyogene infecties mogelijk maken. Het kan overleven in macrofagen en zich zo verspreiden via de bloedbaan, wat leidt tot metastatische infecties [16](#page=16). * **Ziekten door toxines:** Enterotoxines veroorzaken voedselintoxicaties. Toxic Shock Syndrome (TSS) toxine kan leiden tot shock en schilfering van handpalmen en voetzolen. Het Stafylokokken Scalded Skin Syndroom wordt gekenmerkt door huidloslating [16](#page=16). * **Immuniteit:** Immuniteit tegen *S. aureus* wordt bemoeilijkt door een B-cel superantigeen (SpA), wat levenslange bescherming voorkomt [17](#page=17). #### 2.2.2 Mondholte en bovenste luchtwegen De neusschelpen verwarmen en zuiveren de ingeademde lucht door turbulentie, waarbij stofdeeltjes en bacteriën worden opgevangen in speeksel en mucus. Hoesten, niezen en slikken dragen bij aan de afvoer van micro-organismen. Speeksel helpt bij de spijsvertering, buffert zuren en bevat een geringe hoeveelheid voedingsstoffen. Neusbijholten en middenoor zijn grotendeels bacterievrij [19](#page=19). * **Tanden:** De gingivo-creviculaire vloeistof in de sulcus gingivalis bevat eiwitten, immunoglobulines en macrofagen. Tandplak, een laag bacteriën, zet glucose om in zure metabolieten die glazuur kunnen oplossen en cariës veroorzaken [19](#page=19). * **Nasopharynx en oropharynx:** Het lymfoïde weefsel (ring van Waldeyer) in de keelholte koloniseert met potentieel pathogene bacteriën zoals meningokokken, *H. influenzae*, pneumokokken en *S. pyogenes*. Direct contact met het immuunsysteem voorkomt vaak infecties [20](#page=20). * **Mondholte:** De mondholte herbergt grote aantallen bacteriën, waaronder orale streptokokken [20](#page=20). * **Bescherming van diepe luchtwegen en darmkanaal:** De glottis, slijm, cilia, slikken, hoesten en niezen beschermen de diepe luchtwegen. Het maagzuur vormt een barrière voor het darmkanaal [20](#page=20). ##### 2.2.2.1 Streptokokken Streptokokken kunnen medisch worden ingedeeld in drie groepen: de pyogene groep, *S. pneumoniae*, en de *S. viridans*-groep (orale streptokokken) [21](#page=21). * **Lancefield-antigenen:** Deze celwand-antigenen worden gebruikt om species te onderscheiden, zoals *S. pyogenes* (Groep A streptokok) en *S. agalactiae* (Groep B streptokok) [22](#page=22). * **Hemolyse:** Op bloedagar kan hemolyse worden waargenomen: * **β-hemolytisch:** Volledige lysering van rode bloedcellen [22](#page=22). * **α-hemolytisch (vergroening):** Gedeeltelijke lysering [22](#page=22). * **γ-hemolytisch (niet-hemolytisch):** Geen lysering [22](#page=22). ##### 2.2.2.2 *S. pyogenes* (Groep A Lancefield streptokok) * **Bron, reservoir en overdracht:** Reservoir is de nasopharynx van de mens; overdracht via droplets of geïnfecteerde huidletsels. Kan tijdelijk koloniseren en ziekte veroorzaken of dragerschap [23](#page=23). * **Pathogenese:** Vele virulentiefactoren, waaronder adhesines, toxines, immuun ontwijkende moleculen en weefseldestructieve enzymen [23](#page=23). * **Infecties:** Keelontsteking, huid- en weke deleninfecties (impetigo, cellulitis, necrotiserende fasciitis), scarlatina (roodvonk), en andere infecties. Niet-pyogene complicaties (glomerulonefritis, artritis, hartklepletsels) ontstaan door immuuncomplexen of kruisreactiviteit van antilichamen [23](#page=23). * ***S. dysgalactiae* (Groep C/G streptokok):** Biologisch en qua infecties vergelijkbaar met *S. pyogenes*, maar minder frequent en met minder ernstige complicaties [23](#page=23). * **Bescherming:** Intacte barrières en antilichamen (type-specifiek) [24](#page=24). ##### 2.2.2.3 Orale streptokokken Dit is een grote groep van niet-virulente streptokokken die voornamelijk in de mondholte voorkomen. Ze worden ook wel *S. viridans* of vergroenende streptokokken genoemd [25](#page=25). * **Reservoir en overdracht:** Nasopharynx en andere slijmvliezen; overdracht via droplets of slijmvliescontact [25](#page=25). * **Infecties:** Over het algemeen weinig pathogeen. Kunnen deel uitmaken van gemengde flora bij abcessen. *S. mutans* speelt een rol bij cariës door lactaatproductie. Ze kunnen endocarditis veroorzaken na bacteriëmie, vooral bij beschadigde hartkleppen [25](#page=25). * **Pathogenese:** Glucanen worden geproduceerd om aan tandoppervlakken en hartkleppen te hechten [25](#page=25). ##### 2.2.2.4 De meningokok of *Neisseria meningitidis* * **Bron, reservoir en overdracht:** Reservoir is de nasopharynx van mensen; overdracht via droplets. Meestal asymptomatisch dragerschap [26](#page=26). * **Pathogenese:** Virulentiefactoren zoals kapsel, anticomplementaire moleculen en moleculair switchen van oppervlakte antigenen. Kan epitheelcellen binnendringen en de bloedbaan bereiken. Endotoxine (LPS) veroorzaakt een krachtige inflammatoire reactie. Kapsels (serotypes A, B, C) zijn belangrijke virulentiefactoren [26](#page=26). #### 2.2.3 Diepe luchtwegen De diepe luchtwegen zijn grotendeels steriel dankzij beschermende mechanismen zoals de glottis, ciliair epitheel, mucus, slikken, hoesten en niezen. Alveolaire macrofagen bieden bescherming in de alveoli. Infecties ontstaan vaak na kolonisatie van de nasopharynx en aspiratie. Chronische inflammatie kan leiden tot permanente kolonisatie door bacteriën. Gramnegatieve staven zijn geen verwekkers van community-acquired pneumonia, maar wel van hospital-acquired pneumonia bij risicopatiënten [27](#page=27) [28](#page=28). ##### 2.2.3.1 Bovenste en onderste luchtweginfecties (behalve pharyngitis) * **Pathogenese:** Verminderde barrièrefunctie (door koude, pollutie, allergie, virale infecties) maakt kolonisatie en infectie mogelijk. Virussen kunnen epitheelcellen binnendringen via specifieke receptoren. Sommige bacteriën, zoals *Streptococcus pyogenes*, pneumokokken en *H. influenzae*, zijn 'professionele' invadors die adhesie, inflammatie en toxines gebruiken [29](#page=29). ##### 2.2.3.2 *Streptococcus pneumoniae* of pneumokok * **Biologie:** Sterk verwant aan orale streptokokken, maar door verwerving van pathogenicity-islands zeer pathogeen geworden [30](#page=30). * **Bron, reservoir en overdracht:** Reservoir is de nasopharynx; overdracht via droplets of slijmvliescontact [30](#page=30). * **Infecties:** Invasieve infecties (pneumonie, meningitis) en respiratoire infecties (bronchitis, otitis, conjunctivitis) [30](#page=30). * **Pathogenese:** Kolonisatie van de nasopharynx en micro-aspiratie. Het kapsel is beschermend tegen neutrofielen en macrofagen. Pneumolysine is een sterk inflammatoire molecule [30](#page=30). * **Bescherming:** Stam-specifieke immuniteit (meer dan 90 kapseltypes); intacte barrières [31](#page=31) [32](#page=32). * **Preventie:** Voorkomen van risicofactoren en vaccinatie [31](#page=31). * **Diagnose:** Typische grampositieve diplokokken [31](#page=31). > **Tip:** *Streptococcus pneumoniae*, *Haemophilus influenzae* en *Moraxella catharralis* worden samen de "infernal trio" genoemd, omdat ze de meest frequente bacteriële verwekkers van luchtweginfecties zijn en hun natuurlijke biotoop de nasopharynx is [33](#page=33). #### 2.2.4 Gastro-intestinaal stelsel De maag vormt een belangrijke barrière vanwege zijn hoge zuurgraad, waardoor de meeste bacteriën niet overleven. *Helicobacter pylori* is een uitzondering, met de maagmucosa als zijn niche, waar het zuur neutraliseert met urease. Andere spijsverteringssappen, zoals gal, kunnen ook remmend werken op bacteriële groei. In de darm wordt bacteriële groei bevorderd door voedsel, dode darmcellen en metabolieten, en tegengewerkt door slijm, darmbewegingen en de aanwezigheid van immuuncellen. De darmflora, met meer dan 500 soorten in de feces, verschilt sterk van de flora aan het begin van het spijsverteringskanaal. Mucus in de colonwand verhindert de adherentie van bacteriën aan epitheelcellen. De microflora heeft invloed op algemene lichaamsconditie, hersenfuncties en de ontwikkeling van het immuunsysteem [35](#page=35) [36](#page=36). ##### 2.2.4.1 Enterokokken Enterokokken, voorheen *Streptococcus faecalis* genoemd, komen normaal gesproken alleen in de darm voor. Ze zijn resistent tegen veel antibiotica maar gevoelig voor ampicillines. Ze kunnen abcessen, urineweginfecties en endocarditis veroorzaken [38](#page=38). ##### 2.2.4.2 Anaeroben De *Bacteroides fragilis*-groep is resistenter dan andere anaeroben tegen antibiotica en speelt een rol bij gemengde abcessen en wondinfecties. Anaeroben zijn met 100 keer meer talrijk dan aeroben in de darm [38](#page=38). ##### 2.2.4.3 *Escherichia coli* *E. coli* is aangepast aan de darm van warmbloedige dieren en komt bij vrijwel alle individuen voor. De omgeving is gecontamineerd met *E. coli* in ontlasting, wat het een indicator maakt voor fecale contaminatie [38](#page=38) [39](#page=39). * **Pathogenese:** Een groot deel van het genoom is variabel, waardoor sommige stammen pathogenen zijn voor urinewegen en maag-darmkanaal. Commensale stammen kunnen conditionele infecties veroorzaken bij defecten van barrières of het immuunsysteem. Resistente stammen komen steeds vaker voor [39](#page=39). ##### 2.2.4.4 *E. coli*, Enterobacterales, gramnegatieve staven Deze groep bacteriën lijkt microscopisch op elkaar en deelt biologische eigenschappen. Ze zijn belangrijk in de infectieziekten, maar hun epidemiologie, ziekteverwekkend vermogen en gevoeligheid voor antibiotica variëren. *Pseudomonas aeruginosa*, *Acinetobacter*, en *Vibrio cholerae* zijn voorbeelden van bacteriën in deze bredere categorie [40](#page=40) [41](#page=41). #### 2.2.5 Urogenitale slijmvliezen * **Vagina (en urethra bij vrouw):** Gevoelig voor fysiologische veranderingen (menstruatiecyclus), nabijheid van anus/perineum, en invloed van sperma. In de geslachtsrijpe periode zorgen oestrogenen voor een dikker epitheel en glycogeenopslag. Lactobacillen gebruiken glycogeen en onderhouden een zure pH door melkzuurproductie, wat kolonisatieresistentie biedt. Voor en na de menopauze is deze flora minder aanwezig [42](#page=42). * **Mannelijke genitaliën:** Relatief stabieler, met prostaatsecretie die antibacteriële stoffen bevat. Minder contact met het anale gebied dan bij de vrouw. Beperkte, gemengde aeroob-anaerobe flora [42](#page=42). **Bescherming van urinewegen tegen infectie:** 1. **Mechanisch:** Wegspoelen door urinestroom; volledige lediging van de blaas is cruciaal [43](#page=43). 2. **Eigenschappen van urine:** Hoge osmolariteit en zure pH remmen bacteriële groei. Inhibitoren van bacteriële adherentie en lactoferrine werken ook beschermend [43](#page=43). 3. **Blaaswand:** Bevat immuuncellen en moleculen die de barrière vormen [43](#page=43). Urineweginfecties ontstaan door een minder goede barrière (vrouwelijke urinewegen), afvloeistoornissen van urine, of uropathogene soorten zoals uropathogene *E. coli* [43](#page=43). --- # Abnormale flora en dysbacteriose Dit onderwerp behandelt verstoringen van de normale microbiële flora, met name dysbacteriose, de gevolgen hiervan zoals abnormale kolonisatie, en concrete voorbeelden van ziektebeelden die hieruit voortkomen. ### 3.1 Abnormale flora (kolonisatie) Abnormale flora verwijst naar de aanwezigheid van micro-organismen op een locatie waar ze normaal niet of in zeer kleine aantallen voorkomen. Deze micro-organismen zijn vaak minder aangepast aan de specifieke ecologische omstandigheden van die locatie. De aanwezigheid van deze kiemen kan transiënt zijn en hoeft niet direct symptomen of ziekte te veroorzaken. Echter, onder invloed van ecologische veranderingen, zoals na antibioticagebruik, kunnen deze abnormale kolonisaties persisteren en zich ontwikkelen tot een symptomatische aanwezigheid, wat leidt tot een infectie [44](#page=44). **Voorbeelden van abnormale kolonisatie:** * **Urinewegen:** Patiënten die in het ziekenhuis zijn opgenomen, kunnen de urethra gekoloniseerd krijgen met *Pseudomonas* sp., die vervolgens een urineweginfectie kunnen veroorzaken [44](#page=44). * **Mondholte:** Bacteriën zoals *Bacteroides fragilis* en gramnegatieve staven (bv. *E. coli*, *Klebsiella*, *Serratia*) komen normaal gesproken niet voor in de mondflora, maar kunnen wel aangetroffen worden bij chronische ziekte, na meerdere antibioticabehandelingen of bij veranderde 'klaring' [44](#page=44). * **Darm:** Hoewel *E. coli* de belangrijkste aerobe gramnegatieve staaf in de normale darmflora is, kunnen na antibioticabehandeling andere species zoals *Enterobacter* sp. of *P. aeruginosa* dominant worden. Een veelvoorkomend voorbeeld, vooral na langdurig gebruik van breedspectrumantibiotica zoals amoxicilline-clavulaanzuur, is de overgroei van *Clostridioides difficile*, wat kan leiden tot post-antibiotische diarree [44](#page=44). * **Anatomische sites die normaal steriel zijn:** Bij veranderde 'klaring' kunnen anatomische locaties die normaal geen bacteriën bevatten, gekoloniseerd raken. Voorbeelden zijn de neussinussen bij chronische afwijkingen, de bronchiën bij bronchiëctasieën, en de blaas bij de aanwezigheid van een verblijfsonde [44](#page=44). Het belang van abnormale kolonisatie ligt in het feit dat het op zichzelf geen infectie is, maar wel kan evolueren tot een 'opportunistische' infectie. Deze opportunistische infecties zijn vaak moeilijker te behandelen omdat de veroorzakende micro-organismen resistenter kunnen zijn tegen de initieel voorgeschreven antibiotica [44](#page=44). ### 3.2 Dysbacteriose Dysbacteriose wordt gedefinieerd als een veranderde microbiële flora die aanleiding geeft tot symptomen of op de langere termijn gevolgen heeft voor de gezondheid. Het impliceert de aanwezigheid van micro-organismen (bacteriën en schimmels) die men doorgaans niet op een bepaalde locatie verwacht [44](#page=44) [45](#page=45). **Voorbeelden van dysbacteriosen:** * Bacteriële vaginose [45](#page=45) [46](#page=46). * Candida van huid en slijmvliezen, zoals vaginitis [45](#page=45) [47](#page=47). * Caries en parodontitis [45](#page=45) [48](#page=48). * Clostridioides difficile diarree [45](#page=45) [50](#page=50). * Ziekte van Crohn [45](#page=45) [50](#page=50). #### 3.2.1 Bacteriële vaginose Bacteriële vaginose (BV) is een veelvoorkomende aandoening waarbij de normale vaginale flora, die hoofdzakelijk gedomineerd wordt door *Lactobacillus* soorten, verandert naar een flora met een overwicht aan *Gardnerella vaginalis*, anaeroben, streptokokken en mycoplasmata [46](#page=46). * **Klinische tekenen:** Vuilgrijze afscheiding, een verhoogde vaginale pH en de aanwezigheid van stinkende metabolieten (amines) [46](#page=46). * **Symptomen:** Een penetrante, visachtige geur en een toename van de afscheiding [46](#page=46). * **Verloop:** De aandoening komt frequent voor en kan bij sommige vrouwen hardnekkig recidiverend zijn, zelfs ondanks adequate antibioticabehandeling. De precieze oorzaak van deze dysbacteriose is onbekend. Pogingen om BV te behandelen met probiotica (lokale toediening van lactobacillen) zijn tot op heden niet erg succesvol gebleken [46](#page=46). #### 3.2.2 Candida vaginitis Candida vaginitis ontstaat wanneer gistcellen, die normaal in zeer kleine aantallen aanwezig zijn in de vagina, gaan woekeren [47](#page=47). * **Klinische tekenen:** Een rode vagina met een wit beslag [47](#page=47). * **Symptomen:** (Witte) fluor (vaginale afscheiding) en een branderig gevoel [47](#page=47). * **Oorzaken en verloop:** Vaginale candidiase kan uitgelokt worden door antibioticagebruik, maar kan ook spontaan ontstaan. Bij sommige personen treden frequente of hardnekkige recidieven op zonder dat hiervoor een duidelijke onderliggende oorzaak aanwijsbaar is. Op een vaginaal uitstrijkje kunnen lactobacillen en gistcellen gezien worden; de Candida-cellen presenteren zich hierbij vaak als lange hyphen (pseudomycelia) [47](#page=47). Bacteriële vaginose en vaginale candidiase zijn de meest voorkomende microbiële oorzaken van vaginitis. Een derde, minder frequente oorzaak is een infectie veroorzaakt door de protozo *Trichomonas vaginalis* [47](#page=47). #### 3.2.3 Ziekten door tandplaque Tandplaque, een dikke laag bacteriën die zich vormt op tanden bij gebrek aan poetsen of tandzorg, kan leiden tot symptomen en letsels via twee belangrijke mechanismen. Deze processen kunnen zich veralgemenen in de mondholte of geconcentreerd zijn op moeilijk te poetsen plaatsen [48](#page=48). * **Supragingivale plaque:** In deze plaque woekeren zuurminnende bacteriën zoals *Streptococcus mutans*. Deze zetten voedingssuikers om in onder andere melkzuur, wat leidt tot de oplossing van tandglazuur. Dit maakt de weg vrij voor bacteriële invasie, wat resulteert in tandbederf of caries [48](#page=48). * **Subgingivale plaque:** Bij de rand van de gingivale sulcus vindt woekering plaats van anaërobe gramnegatieve staven. Dit veroorzaakt inflammatie (gingivitis) en kan leiden tot verlies van steunweefsel en bot, bekend als parodontitis of parodontale afbraak, met als gevolg loskomen van tanden [48](#page=48). Caries en parodontitis zijn significante oorzaken van tandabcessen en vormen tevens een risico voor bacteriëmie en de ontwikkeling van endocarditis of andere metastatische infecties [48](#page=48). #### 3.2.4 Clostridioides difficile diarree *C. difficile* is een belangrijke verwekker van diarree die optreedt tijdens of na antibioticagebruik. De symptomen kunnen variëren van banaal tot zeer ernstig, met onder andere ulcera en perforatie [50](#page=50). * **Pathogenese:** Kleine hoeveelheden van de bacterie, inclusief sporen, zijn normaal aanwezig in de darm. De ziekte ontstaat door een verstoring van de normale darmflora, waardoor *C. difficile* kan toenemen en toxines gaat produceren. Na genezing treedt er doorgaans weer een inperking van de *C. difficile* aantallen op, mede dankzij de normale flora [50](#page=50). * **Recidieven en resistentie:** Sommige patiënten blijven recidiveren ondanks behandeling met 'gepaste' antibiotica zoals orale metronidazol of vancomycine. De bacterie kan in de omgeving van de patiënt overleven als sporen, wat een verhoogd risico op verspreiding in ziekenhuizen met zich meebrengt [50](#page=50). * **Behandelingsinzicht:** Dat de infectie een uiting is van dysbacteriose wordt geïllustreerd door het succes van fecestransplantatie (van een gezonde donor) om de darmflora te herstellen [50](#page=50). **Casus van *C. difficile* diarree:** Een 66-jarige man, opgenomen voor een coloncarcinoom, ontwikkelde na profylactische antibiotica en het langdurig dragen van een blaassonde, koorts en hevige diarree na de operatie. Laboratoriumonderzoek bevestigde een positieve test voor *Clostridioides difficile* antigen, en coloscopie toonde grote membranen aan. Aanvankelijk werd vancomycine oraal voorgeschreven, maar dit had onvoldoende effect, waardoor de patiënt werd overgeplaatst naar intensieve zorgen. Daar werd vancomycine gestopt en vervangen door intraveneus metronidazol, waarna de patiënt snel herstelde [49](#page=49). #### 3.2.5 Ziekte van Crohn De ziekte van Crohn is een chronische, vaak moeilijk te behandelen ziekte van het maag-darmkanaal. Er is steeds meer bewijs dat deze ziekte mede veroorzaakt wordt door een intestinale dysbacteriose [50](#page=50). > **Tip:** Dysbacteriose zelf is geen infectie, maar een verstoorde balans in de microbiële gemeenschap. Het creëert echter wel een omgeving waarin opportunistische infecties kunnen ontstaan en gedijen, vaak met een verhoogde resistentie tegen standaardbehandelingen. > > **Tip:** Let bij de behandeling van infecties die mogelijk verband houden met dysbacteriose op de rol van antibiotica. Hoewel ze infecties bestrijden, kunnen ze ook de onderliggende dysbacteriose verergeren of nieuwe dysbacteriose veroorzaken. --- # Positieve beïnvloeding van de microflora Het positief beïnvloeden van de microflora richt zich op het omkeren of voorkomen van dysbacteriose door middel van verschillende strategieën [51](#page=51). ### 4.5.1. Interferentiestrategieën Verschillende methoden worden ingezet om de microflora positief te beïnvloeden [51](#page=51). #### 4.5.1.1. Probiotica Probiotica zijn levende micro-organismen die, wanneer in adequate hoeveelheden toegediend, een gezondheidsvoordeel bieden aan de gastheer. Voorbeelden hiervan zijn *Saccharomyces* sp. (bakkersgist) en lactobacillen. Ze worden vaak gebruikt voor algemene gezondheid en fitheid, en ter bestrijding van obstipatie of diarree na antibioticagebruik [51](#page=51). #### 4.5.1.2. Prebiotica Prebiotica zijn voedingsbestanddelen die preferentieel bepaalde bacteriën in de darm laten toenemen zonder dat deze bacteriën zelf direct worden toegediend [51](#page=51). #### 4.5.1.3. Stoelgangstransplantatie Stoelgangstransplantatie (ook wel fecestransplantatie genoemd) is inmiddels erkend als de beste behandeling voor recidiverende *Clostridioides difficile* diarree [51](#page=51). ### 4.5.2. Huidige stand van onderzoek en controverses Veel interventies gericht op de microflora blijven controversieel en zijn moeilijk te bewijzen met goede klinische studies. Dit komt mede doordat deze producten vaak worden aangeboden als voedingssupplementen en daardoor niet onder de strenge regelgeving voor geneesmiddelen vallen [51](#page=51). Onderzoek naar de commensale flora middels deep sequencing, waarbij microbiomen worden bestudeerd, heeft geleid tot de vaststelling van correlaties tussen bepaalde flora-types en chronische darmziekten, zwaarlijvigheid en neurologische aandoeningen. Nieuwe studies zullen naar verwachting leiden tot verdere ontdekkingen en mogelijk nieuwe behandelingen of interventies [51](#page=51). --- ## 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 | |------|------------| | Barrières | Fysische, chemische, microbiële en immunologische mechanismen die organismen buiten het lichaam houden. | | Normale flora | De gemeenschap van micro-organismen die van nature op en in het lichaam leven zonder ziekte te veroorzaken; ook wel commensale flora genoemd. | | Kolonisatie | De aanwezigheid van micro-organismen op een lichaamsoppervlak zonder dat dit leidt tot symptomen of weefselschade. | | Infectie | De invasie en vermenigvuldiging van ziekteverwekkende micro-organismen in het lichaam, wat kan leiden tot schade aan weefsels en symptomen. | | Dysbacteriose | Een verstoring van de normale balans van micro-organismen in een ecosysteem, zoals de darmflora, wat kan leiden tot gezondheidsproblemen. | | Fysische barrières | De structurele scheidingen tussen het lichaam en de externe omgeving, zoals de huid en slijmvliezen, die de toegang van micro-organismen beperken. | | Chemische barrière | Verdedigingsmechanismen die gebruikmaken van chemische stoffen, zoals maagzuur, speeksel, antimicrobiële peptiden (defensines) en de strijd om ijzer, om de groei van micro-organismen te remmen. | | Sideroforen | Moleculen die door bacteriën worden geproduceerd om ijzer uit de omgeving te binden, wat essentieel is voor hun groei en overleving. | | Defensines | Kleine, kationische antimicrobiële peptiden die door gastheercellen worden uitgescheiden om bacteriële, virale of schimmelmembranen te doorboren. | | Bacteriocines | Antibiotica die door bacteriën zelf worden geproduceerd om de groei van concurrerende bacteriën te remmen. | | Kolonisatieresistentie | Het vermogen van de normale flora om de vestiging van nieuwe micro-organismen te voorkomen door competitie om ruimte en voedingsstoffen, en door het creëren van een ongunstige omgeving. | | Coagulase-negatieve stafylokokken | Een groep stafylokokken, waarvan Staphylococcus epidermidis de meest voorkomende is, die meestal commensalen zijn op de huid en zelden infecties veroorzaken, tenzij op vreemde lichamen. | | S. aureus | Staphylococcus aureus, een pathogene bacterie die huidinfecties, abcessen en toxinetoxicose kan veroorzaken. Het kan ook in de neusgaten en het perineum van gezonde personen voorkomen. | | Toxines | Giftige stoffen die door micro-organismen worden geproduceerd en die cellulaire functies kunnen verstoren of weefselschade kunnen veroorzaken. | | Enterotoxines | Toxines die door bacteriën worden geproduceerd en die diarree en braken veroorzaken, meestal door het consumeren van besmet voedsel. | | Toxic Shock Syndrome Toxin (TSST) | Een superantigeen geproduceerd door sommige stammen van Staphylococcus aureus, dat kan leiden tot levensbedreigende toxische shock. | | Adhesines | Moleculen aan het oppervlak van bacteriën die helpen bij de aanhechting aan gastheercellen of oppervlakken, wat een eerste stap is in kolonisatie en infectie. | | Pathogenicity islands | Grote segmenten van het genoom van een pathogeen die genetische informatie bevatten voor virulentiefactoren, waardoor de bacterie pathogeen wordt. | | Neisseria meningitidis | Een bacterie die hersenvliesontsteking (meningitis) en septikemie kan veroorzaken, voornamelijk via nasofaryngeale kolonisatie en overdracht via druppels. | | Streptococcus pneumoniae (pneumokok) | Een veelvoorkomende oorzaak van bacteriële pneumonie, meningitis en otitis media, die nasofaryngeaal koloniceren en zich verspreiden. | | Virulentiefactoren | Kenmerken van een micro-organisme die bijdragen aan zijn vermogen om ziekte te veroorzaken, zoals toxines, enzymen, adhesines en immuunontwijkende mechanismen. | | Enterokokken | Een groep bacteriën die normaal in de darm voorkomen en resistent kunnen zijn tegen veel antibiotica; ze kunnen urineweginfecties, abcessen en endocarditis veroorzaken. | | Anaeroben | Micro-organismen die kunnen groeien in afwezigheid van zuurstof. | | Escherichia coli (E. coli) | Een bacterie die een veelvoorkomend onderdeel is van de normale darmflora, maar ook uropathogene en enteropathogene stammen kan hebben die infecties veroorzaken. | | Urogenitale slijmvliezen | De slijmvliezen van de urinewegen en de geslachtsorganen, die hun eigen beschermende mechanismen en normale flora hebben. | | Lactobacillen | Bacteriën die melkzuur produceren en een belangrijke rol spelen in de bescherming van de vagina door een zure pH te handhaven. | | Lactoferrine | Een eiwit in lichaamsvloeistoffen dat ijzer bindt, wat de groei van bacteriën remt, aangezien ijzer essentieel is voor hun metabolisme. | | Dysbacteriose | Een verstoring in de balans van de normale flora, waarbij abnormale micro-organismen de overhand krijgen, wat kan leiden tot ziekte. | | Clostridioides difficile (C. difficile) | Een bacterie die diarree kan veroorzaken, vooral na antibioticagebruik, door de productie van toxines die de darmwand beschadigen. | | Fecestransplantatie | Een medische procedure waarbij ontlasting van een gezonde donor wordt overgebracht naar de darm van een patiënt om de normale darmflora te herstellen, met name bij terugkerende C. difficile infecties. | | Probiotica | Levende micro-organismen die, wanneer in voldoende hoeveelheden toegediend, een gezondheidsvoordeel bieden aan de gastheer. | | Prebiotica | Niet-verteerbare voedingsbestanddelen die selectief de groei en/of activiteit van gunstige bacteriën in de darm stimuleren. |

# Reservoir en overdracht van infectieziekten Dit onderwerp behandelt de bronnen waar ziekteverwekkers zich in stand houden en de mechanismen waarmee ze van het ene naar het andere organisme worden overgedragen [1](#page=1) [4](#page=4). ### 1.1 De rol van het reservoir Het reservoir is de "pool" waarin een micro-organisme zich in stand kan houden door replicatie en van waaruit een vatbare gastheer besmet kan worden [4](#page=4). * **Mens als reservoir:** Vaak is de mens het primaire reservoir, zoals bij het poliovirus. Als het reservoir zich bij de mens bevindt, kan vaccinatie potentieel het reservoir uitroeien, wat leidt tot kudde-immuniteit [4](#page=4) [5](#page=5). * **Dieren als reservoir:** Soms zijn ook dieren gastheren die het reservoir vormen, zoals bij de lintworm (Taenia) of malaria (Plasmodium). Wanneer het reservoir zich in dieren bevindt, heeft vaccinatie op de mens geen directe invloed op het reservoir zelf. Als de mens een eind- of tussengastheer is, maar niet deel uitmaakt van het reservoir omdat de kiem zich niet in de mens kan in stand houden, kan uitroeiing van de dierlijke gastheren theoretisch het reservoir vernietigen, zoals bij aviaire influenza [4](#page=4) [5](#page=5). * **Omgeving als reservoir:** Bij uitbreiding kan de hele wereld, inclusief dode materie, dienen als reservoir. Voorbeelden hiervan zijn *Clostridium tetani* (in aarde/vuil) en *Legionella* [4](#page=4). ### 1.2 Overdracht van ziekteverwekkers Het transport van de kiem van het reservoir naar de gastheer gebeurt door middel van een vector (een levend organisme) of een carrier [4](#page=4). * **Voorbeelden van overdracht:** * **Poliovirus:** Via zaken of vloeistoffen die besmet zijn met menselijke stoelgangresten en ingeslikt worden [4](#page=4). * **Taenia saginata (rundsworm):** Via rauw rundsvlees dat besmet is met cysten, of via zaken/vloeistoffen besmet met runder- of menselijke stoelgangresten die ingeslikt worden [4](#page=4). * **Plasmodium spp. (malaria):** Via de Anopheles mug, door bloed. Het uitroeien van de vector, zoals muggen bij malaria, kan de verspreiding stoppen [4](#page=4) [5](#page=5). * **Clostridium tetani (tetanus):** Via aarde of vuil dat besmet is met de bacteriën of sporen en in wonden terechtkomt [4](#page=4). * **Vibrio cholerae (cholera):** Via water of voeding besmet met de bacteriën uit menselijke fecaliën [4](#page=4). * **Toxoplasma gondii:** Via onvoldoende verhit vlees, groenten die in de openlucht zijn gekweekt, of andere zaken die besmet zijn met (katten)stoelgangresten [4](#page=4). ### 1.3 Gastheer types en transmissie De gastheer kan een tussengastheer of een eindgastheer zijn [6](#page=6). * **Tussengastheer:** Een tussengastheer neemt deel aan de levenscyclus van de parasiet, maar horizontale verspreiding binnen deze gastheersoort is niet mogelijk. Voor *Toxoplasma gondii* is de mens een tussengastheer; directe mens-mens besmetting is hierdoor doorgaans niet mogelijk, behalve in specifieke gevallen zoals bij kanibalisme. Verticale transmissie (van moeder op kind) is wel mogelijk [6](#page=6). * **Eindgastheer:** Een eindgastheer is een organisme waarin de parasiet zich seksueel kan voortplanten en dat horizontale verspreiding mogelijk maakt [6](#page=6). ### 1.4 Transmissietypen * **Horizontale transmissie:** Dit is de meest voorkomende vorm van infectieoverdracht, waarbij ziekteverwekkers van de ene individuele gastheer op de andere worden overgedragen. Dit wordt verwacht in dichtbevolkte menselijke populaties [6](#page=6). * **Verticale transmissie:** Deze vorm van transmissie vindt plaats van een ouder op de nakomelingen, bijvoorbeeld van moeder op kind tijdens de zwangerschap, bevalling of borstvoeding. Verticale transmissie wordt belangrijker in kleine, geïsoleerde gemeenschappen [6](#page=6). > **Tip:** Begrijpen welk organisme fungeert als reservoir en de specifieke overdrachtsmechanismen zijn cruciaal voor het ontwikkelen van effectieve preventie- en bestrijdingsstrategieën voor infectieziekten. > **Voorbeeld:** De uitroeiing van de Anopheles mug (vector) heeft wereldwijd geleid tot een drastische vermindering van malaria in veel gebieden, wat illustreert hoe het aanpakken van de overdrachtsroute een infectieziekte kan indammen [5](#page=5). --- # Onderscheid tussen exogene en endogene infectieziekten Dit hoofdstuk legt het verschil uit tussen infecties die worden veroorzaakt door externe pathogenen en infecties die voortkomen uit de eigen flora van het lichaam, vaak bij verminderde weerstand [2](#page=2) [3](#page=3). ### 6.1.1. Exogene infectieziekten Exogene infectieziekten treden op wanneer de ziekteverwekker (het pathogeen) oorspronkelijk niet tot de normale flora van het lichaam behoorde. Dit zijn de typische pathogenen die we associëren met infectieziekten, zoals *Salmonella*, Hepatitis B virus (HBV) en influenza. Ook infecties veroorzaakt door een tijdelijke "passant" in de flora, zoals *Neisseria meningitidis*, worden beschouwd als exogeen [3](#page=3). > **Tip:** Denk bij exogene infecties aan ziekteverwekkers die van buiten het lichaam komen en een nieuwe infectie veroorzaken. ### 6.1.2. Endogene infectieziekten Endogene infectieziekten ontstaan wanneer een reeds aanwezige kiem uit de eigen lichaamsflora, onder invloed van verminderde weerstand, een (opportunistische) infectieziekte veroorzaakt. Dit treedt vaak op wanneer bacteriën die normaal gesproken deel uitmaken van de darmflora of huidflora, weefsels binnendringen. Een ander voorbeeld is wanneer micro-organismen uit de flora van de bovenste luchtwegen afdalen naar de lagere luchtwegen en daar een infectie veroorzaken. Ook (herpes)virussen kunnen analoog een endogene infectie veroorzaken, zoals koortsblaasjes (herpes simplex virus) of gordelroos (varicella zoster virus) [3](#page=3). > **Voorbeeld:** Een patiënt met een verzwakt immuunsysteem na een chemokuur ontwikkelt een longontsteking veroorzaakt door bacteriën die normaal gesproken in de keelholte aanwezig zijn. ### 6.1.3. Rol van de arts bij endogene infecties De arts kan een significante rol spelen in het optreden van endogene infecties. Het gebruik van antibiotica kan bijvoorbeeld leiden tot een verstoring van de normale flora, waardoor opportunistische kiemen de overhand krijgen. Invasieve technieken, zoals het plaatsen van katheters of het uitvoeren van operaties, kunnen de normale barrières van het lichaam doorbreken en zo endogene pathogenen toegang geven tot anders steriele gebieden. Ook immunosuppressiva, medicijnen die de afweer onderdrukken, verhogen het risico op endogene infecties [3](#page=3). > **Conclusie:** Doordacht handelen door de arts en het strikt respecteren van hygiëneprotocollen zijn cruciaal om het ontstaan van endogene infecties te minimaliseren [3](#page=3). --- # Epidemiologie en de verspreiding van HIV Dit deel behandelt de principes van epidemieën, de specifieke verspreiding van HIV, en illustreert dit met analyses van clusters en moleculaire evolutie. ### 3.1 Epidemieën in het algemeen Een epidemie wordt onderhouden door voldoende geschikt contact tussen vatbare personen. Transmissie van een infectieziekte veronderstelt geschikt contact tussen een vatbaar persoon en een infectieus agens [10](#page=10) [8](#page=8). ### 3.2 De verspreiding van HIV #### 3.2.1 HIV-1 pandemie: oorsprong en vroege verspreiding * **Oorsprong in Centraal Afrika:** De HIV-1 pandemie begon in Centraal Afrika [11](#page=11). * **Moleculaire evolutie en oorsprong:** * Moleculaire klok simulaties, gebaseerd op de snelheid van mutaties in het virus, suggereren dat een gemeenschappelijke voorouder van HIV-1 rond de wisseling van de 19e en 20e eeuw moet zijn ontstaan [9](#page=9). * Deze voorouder maakte waarschijnlijk een succesvolle sprong van aap naar mens, mogelijk tijdens de jacht op of bereiding van apenvlees [9](#page=9). * Er is direct bewijs van uitgebreide diversiteit van HIV-1 in Kinshasa rond 1960 [9](#page=9). * **Vroege verspreiding en bevolkingsgroei:** * De doorbraak van de epidemie in Belgisch Congo correleert met de bevolkingsexplosie in Afrikaanse steden, zoals Kinshasa [10](#page=10). * Voor de ontdekking van aids in 1981, stierven honderdduizenden zwarte mensen waarschijnlijk onopgemerkt aan de ziekte [9](#page=9). * HIV-1 kan al vele jaren in Centraal Afrika aanwezig zijn geweest voordat verhoogde migratie en sociaaleconomische onrust het virus vanaf eind jaren '70 begon te verspreiden [11](#page=11). * **Verspreiding buiten Afrika:** * Vanuit Afrika verspreidde het virus zich naar Europa [11](#page=11). * Via Haïti (nakomelingen van slaven met familiebanden in Afrika) verspreidde het virus zich naar Amerika [11](#page=11). * Buiten Afrika traden de meeste infecties op bij mannen [11](#page=11). #### 3.2.2 Epidemiologische clusteranalyse en seksuele transmissie * **Voorbeeld van seksuele transmissie:** Een voorbeeld van een epidemiologische clusteranalyse illustreert de verspreiding van HIV via seksueel contact [7](#page=7). * De indexpatiënt (patiënt 0) verspreidt het virus door seksueel contact [7](#page=7). * In het getoonde voorbeeld is de indexpatiënt een homofiele steward van Air Canada die door seksuele contacten het virus verspreidde in verschillende Amerikaanse steden [7](#page=7). * Zijn seksuele partners gaven het virus vervolgens door aan derden [7](#page=7). * **Representatie van patiënten:** In een epidemiologische clusteranalyse wordt elke cirkel gebruikt om een patiënt weer te geven [7](#page=7). * Informatie die per patiënt kan worden weergegeven is de stad van diagnose en de symptomen [7](#page=7). * Voorbeelden van symptomen zijn Kaposi sarcoom (KS), Pneumocystis jiroveci (carinii) pneumonie (PCP), of andere opportunistische infecties (other OI) [7](#page=7). * Lijnen die cirkels verbinden, geven seksuele blootstelling aan [7](#page=7). #### 3.2.3 Moleculaire analyse en verwantschap * **RNA-sequentie homologie:** Moleculaire analyses, zoals het vergelijken van RNA-sequenties, tonen de verwantschap tussen verschillende HIV-isolaten [9](#page=9). * **Lijnlengte als maat voor verwantschap:** Hoe verder twee sequenties van elkaar verwijderd zijn op een fylogenetische boom (weergegeven door de lengte van de lijnen), hoe minder verwant ze zijn [9](#page=9). ### 3.3 Belangrijke concepten voor epidemieonderhoud * **Reproductiegetal ($R_0$):** Een epidemie kan slechts worden onderhouden als er voldoende geschikte contacten tussen vatbare personen plaatsvinden, wat neerkomt op een reproductiegetal ($R_0$) groter dan 1 [10](#page=10). * Het concept $R_0$ is cruciaal voor het begrijpen van de aanhouding van een epidemie. Als $R_0 > 1$, groeit het aantal geïnfecteerden exponentieel. Als $R_0 < 1$, sterft de epidemie uit. Als $R_0 = 1$, stabiliseert de situatie [10](#page=10). > **Tip:** De analyse van moleculaire evolutie, zoals RNA-sequentie homologie en moleculaire klokken, biedt cruciale inzichten in de historische oorsprong en verspreidingspatronen van virussen zoals HIV. > **Voorbeeld:** De clustering van patiënten met HIV in een geografisch gebied, zoals geschetst in de analyse van de steward, kan helpen bij het identificeren van bronnen van infectie en het begrijpen van lokale transmissieketens. --- # Verplicht aan te geven infectieziekten Dit onderwerp behandelt de wettelijke verplichting voor artsen en laboratoria om bepaalde infectieziekten te melden, de redenen achter deze meldingsplicht, en de praktische uitvoering hiervan. ### 4.1 De meldingsplicht De meldingsplicht voor infectieziekten is ingesteld door de overheid en geldt voor specifieke zorgprofessionals en instellingen. #### 4.1.1 Wie is meldingsplichtig? De volgende personen en instanties zijn verplicht infectieziekten te melden: * Behandelende artsen [17](#page=17). * Artsen van het centrum voor leerlingenbegeleiding [17](#page=17). * Bedrijfsartsen [17](#page=17). * Artsen belast met het medisch toezicht op kinderen en jongeren in voorzieningen [17](#page=17). * CRA-artsen (coördinatie in woonzorgcentra) [17](#page=17). * Instellingsartsen [17](#page=17). * Het hoofd van het laboratorium microbiologie waar het onderzoek plaatsvond [17](#page=17). #### 4.1.2 Rationale voor de meldingsplicht De belangrijkste redenen voor de meldingsplicht zijn: * **Urgentie:** Snel signaleren is cruciaal om de verspreiding van infectieziekten te beheersen [17](#page=17) [18](#page=18). * **Epidemiepreventie:** Het beperken van het aantal gevallen en het voorkomen van epidemieën [17](#page=17) [18](#page=18). * **Samenwerking:** Het faciliteren van de samenwerking tussen artsen en de gezondheidsautoriteiten [17](#page=17). #### 4.1.3 Wat moet gemeld worden? Zowel vermoedelijke als geconfirmeerde infectieziekten moeten gemeld worden [17](#page=17). #### 4.1.4 Termijn van melding * Vermoedelijke en geconfirmeerde infectieziekten moeten binnen 24 uur gesignaleerd worden [17](#page=17). * In gevallen waar onmiddellijke interventie vereist is, dient zo snel mogelijk telefonisch contact te worden opgenomen [17](#page=17). #### 4.1.5 Aan wie wordt gemeld? De meldingen dienen te geschieden aan de bevoegde artsen van de dienst Infectieziektebestrijding van de Vlaamse Gemeenschap in de provincie waar het incident (ziekte of cluster) zich voordoet [17](#page=17). #### 4.1.6 Rol van de overheid en verdere stappen * De overheid (via de arts Infectieziekten) kan aanvullende gegevens opvragen [17](#page=17). * Er wordt overlegd met de melder over de zinvolle inperkingsmaatregelen die nog genomen kunnen worden [17](#page=17). * De melding wordt geregistreerd [17](#page=17). * Indien nuttig, wordt informatie verstrekt op het gebied van diagnostiek, therapie, omvang en preventie [17](#page=17). * Leden van de dienst infectieziektebestrijding nemen zo nodig contact op met andere betrokken personen of artsen en stroomlijnen het samenwerkingsproces [17](#page=17). * **Belangrijk:** De meldingsplicht ontslaat de aanmeldende artsen niet van hun eigen plicht om te handelen en inperkingsmaatregelen te nemen of aan te bevelen [17](#page=17). > **Tip:** De praktijk leert dat de meldingsplicht helaas vaak wordt nagelaten, wat kan leiden tot onbetrouwbare cijfers over de daadwerkelijke prevalentie van infectieziekten. Het is daarom essentieel om de onderlijnde ziekten (in de documentatie) zeker te kennen [17](#page=17) [18](#page=18). ### 4.2 Lijst van verplicht aan te geven infectieziekten De volgende infectieziekten zijn verplicht aan te geven door artsen en laboratoria [18](#page=18): * Anthrax (miltvuur) * Botulisme * Brucellose * Cholera * Chikungunya * Dengue koorts * Difterie * Ebola * EHEC (Enterohaemorragische E. coli) * Gastro-enteritis, bij epidemische verheffing in een collectiviteit * Gele koorts * Gonorree * Haemophilus influenzae B invasieve infecties (hersenvliesontsteking en epiglotitis) * Hepatitis A * Acute hepatitis B * Humane infectie met aviaire (of nieuw subtype) influenza * Legionellose * Leptospirose * Malaria waarbij vermoed wordt dat de besmetting gebeurde op het Belgisch grondgebied, inclusief (lucht)havens * Marburg * Mazelen * Meningokokkeninfecties van bloed of hersenvliezen * MERS- coronavirus * Kinkhoest (Bordetella pertussis) * Pest * Pokken * Polio(myelitis) * Psittacose (Chlamydia psittaci) * Q-koorts (Coxiella burnetii) * Rabies * Salmonella typhi of paratyphi * SARS (Severe Acute Respiratory Syndrome) * Shigellose * Streptococcus pyogenes invasieve infecties * Syfilis * Tuberculose * Tularemie (Francisella tularensis) * Variola (pokken) * Virale hemorragische koorts (Ebola-, Lassa-, Marburg- en gelijkaardige virussen) * Vlektyfus (Rickettsia prowazekii of Rickettsia typhi) * Voedselinfectie (vanaf twee gevallen) * West Nilevirus * Zikavirus * Zorginfecties door multiresistente micro-organismen * Elke dreigende epidemie van een (vermoedelijk) infectieus syndroom > **Tip:** Raadpleeg de website http://www.zorg-en-gezondheid.be/meldingsplichtigeinfectieziekten/ voor de meest actuele en volledige lijst en specifieke richtlijnen. --- ## 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 | |------|------------| | Reservoir | De 'pool' waarin een organisme zich in stand houdt door replicatie en van waaruit een vatbare gastheer kan worden besmet. Dit kan een ander organisme (mens, dier) of de omgeving (dode materie, aarde) zijn. | | Overdracht | Het transport van een ziekteverwekker van het reservoir naar een nieuwe gastheer. Dit kan direct gebeuren of via intermediaire agenten zoals vectoren of dragers. | | Exogene infectieziekten | Infectieziekten die worden veroorzaakt door een ziekteverwekker die oorspronkelijk niet tot de normale flora van het lichaam behoorde en van buitenaf wordt binnengebracht. | | Endogene infectieziekten | Infectieziekten die optreden wanneer een reeds aanwezig micro-organisme (uit de normale flora) opportunistisch een infectie veroorzaakt, vaak ten gevolge van verminderde weerstand van de gastheer. | | Flora | De verzameling micro-organismen die normaal gesproken op of in het lichaam leven, zoals bacteriën op de huid of in de darmen, die meestal geen ziekte veroorzaken. | | Opportunistische infectie | Een infectie die wordt veroorzaakt door een pathogeen dat normaal gesproken het lichaam niet infecteert, maar dit wel kan doen wanneer de afweer van de gastheer verzwakt is. | | Vector | Een organisme, meestal een insect zoals een mug, dat ziekteverwekkers overbrengt van een geïnfecteerd individu of reservoir naar een vatbare gastheer. | | Drager (Carrier) | Een persoon of dier dat besmet is met een ziekteverwekker en deze kan verspreiden zonder zelf duidelijke ziekteverschijnselen te vertonen. | | Kudde-immuniteit | Het indirecte beschermingsmechanisme dat optreedt wanneer een voldoende groot deel van een populatie immuun is voor een infectieziekte, waardoor de verspreiding ervan sterk wordt verminderd en ook ongevaccineerden beschermd worden. | | Tussengastheer | Een gastheer in de levenscyclus van een parasiet waarin het organisme zich ontwikkelt, maar niet de volwassenheid bereikt of zich seksueel voortplant. Horizontale transmissie tussen mensen is hierbij meestal niet mogelijk. | | Eindgastheer | De gastheer waarin een parasiet zijn volwassen stadium bereikt en/of zich seksueel voortplant. Horizontale verspreiding van de ziekte is hierbij wel mogelijk. | | Horizontale transmissie | De overdracht van een ziekteverwekker van de ene individuele gastheer naar de andere op een niet-seksuele manier, of van persoon tot persoon binnen een generatie. | | Verticale transmissie | De overdracht van een infectie van een moeder op haar kind, hetzij tijdens de zwangerschap, de bevalling, of via borstvoeding. | | Epidemiologie | De studie van de verspreiding, oorzaken en effecten van ziekte in specifieke populaties, met als doel de controle en preventie ervan te verbeteren. | | R0 (Reproductiegetal) | Het basis reproductiegetal, dat aangeeft hoeveel secundaire gevallen gemiddeld worden veroorzaakt door één infectieus individu in een volledig vatbare populatie. Een R0 groter dan 1 duidt op een potentiële epidemie. | | Meldingplichtige infectieziekten | Infectieziekten die volgens de wet verplicht moeten worden gemeld aan de gezondheidsautoriteiten door artsen en laboratoria, om zo uitbraken te kunnen monitoren en bestrijden. | | Zorginfecties | Infecties die worden opgelopen in een zorginstelling, zoals een ziekenhuis of verpleeghuis, vaak veroorzaakt door multiresistente micro-organismen. |

# Het influenzavirus en de acute virale infectie Dit onderwerp behandelt de primo-infectie veroorzaakt door het influenzavirus, inclusief de overdracht, incubatie, symptomatologie, natuurlijke beloop en complicaties, alsook de rol van aangeboren en specifieke immuniteit [1](#page=1). ### 1.1 Verloop van een infectie Een infectie kent een algemeen natuurlijk verloop waarbij pathogenen zich aanbieden bij de gastheer, wat een onderscheid maakt tussen het interne en externe milieu. De gastheer controleert het externe milieu, maar bij overschrijding van de grens tussen intern en extern treedt een onmiddellijke, aangeboren respons op via receptoren voor pathogen-associated molecular patterns (PAMPs). Voorbeelden hiervan zijn Toll-like receptoren, complementeiwitten en celtypen zoals granulocyten en NK-cellen. Cytopathogene effecten of schade door virale celdood leiden tot damage-associated molecular patterns (DAMPs), die eveneens de aangeboren immuniteit activeren, vergelijkbaar met adjuvans in vaccins. Deze responsen zijn effectief tegen veel indringers, maar virale infecties zijn vaak asymptomatisch en reflecteren een zwakke of afwezige gastheerrespons wegens uitblijvende schade. Wanneer er wel schade is of afweer optreedt, manifesteert dit zich in symptomen en een acuut ziektebeeld, veroorzaakt door PAMPs en DAMPs. Enkel PAMPs zonder DAMPs kunnen leiden tot een chronisch verloop [4](#page=4). ### 1.2 Eigenschappen van een acute virale infectie Acute virale infecties worden gekenmerkt door een "hit and run" principe, waarbij het virus slechts tijdelijk in het lichaam aantoonbaar is. Dit komt doordat geïnfecteerde cellen meestal niet chronisch besmet blijven, deels omdat ze afsterven en deels door de verspreiding van het virus te beperken met de verworven afweer. Als gevolg hiervan herstelt de gastheer (met mogelijke langdurige immuniteit) of overlijdt de patiënt. Deze eigenschap is typisch voor naakte virussen die de gastheercel doden, zoals hepatitis A, maar kan ook voorkomen bij omhulde virussen zoals influenza en coronavirussen [5](#page=5). #### 1.2.1 Influenza virussen Influenza A-virussen infecteren een breed scala aan gastheren, waaronder vogelsoorten, mensen, varkens en paarden. Influenza B-virussen infecteren waarschijnlijk uitsluitend mensen, terwijl influenza C-virussen voornamelijk bij mensen voorkomen, maar soms ook bij varkens. Influenza A- en B-virussen bestaan uit 8 verschillende RNA-segmenten, in tegenstelling tot influenza C-virussen die 7 RNA-segmenten hebben. De transcriptie en replicatie van het virus vinden plaats in de celkern. Het virustdelt uit (budding) bij het celmembraan, waarbij zowel gastheer- als virale eiwitten in de envelop terechtkomen, wat resulteert in polymorfe virionen [5](#page=5). ### 1.3 Overdracht en incubatie De overdracht van het influenzavirus gebeurt via druppeltjes, niet via aerosolen. Er is dicht contact nodig, binnen 1,5 meter, via recent gevormde druppeltjes. Besmetting kan plaatsvinden door het aanraken van deurklinken, openbaar vervoer, of door handen te geven en vervolgens het slijmvlies aan te raken (bijvoorbeeld neuspeuteren of wrijven in de ogen). Handhygiëne is daarom cruciaal tijdens influenza-epidemieën [7](#page=7). Op de slijmvliezen stuit het virus op barrières zoals de slijmlaag en IgA-antilichamen. Het virus moet binden aan een levende cel via hemagglutinine (HA), dat sialzuurresiduen herkent [7](#page=7). #### 1.3.1 Hemagglutinine (HA) Hemagglutinine (HA) is een integraal membraaneiwit van het influenzavirus dat bindt aan sialzuurhoudende receptoren op het celoppervlak, wat essentieel is voor de binding van het virusdeeltje aan de cel. HA kan rode bloedcellen laten agglutineren, vandaar de naam. Het eiwit is verantwoordelijk voor de penetratie van het virus in het cytoplasma door fusie mogelijk te maken tussen de membraan van het geëndocyteerde virusdeeltje en de endosomale membraan, waardoor het virale nucleocapside in het cytoplasma vrijkomt. HA is het voornaamste antigeen waartegen neutraliserende antilichamen worden gevormd, en veranderingen in de antigeenstructuur van HA zijn gerelateerd aan influenza-epidemieën. Na endocytose ontsnapt het virus uit het lysosoom dankzij membraanfusie, een proces dat wordt getriggerd door de conformatieverandering van HA bij lage pH, waarna replicatie kan beginnen [7](#page=7). #### 1.3.2 Reactie van de gastheer De gastheer reageert op de influenza-infectie met een aangeboren respons, waarbij PAMP-receptoren leiden tot de vrijgave van interferon, wat naburige cellen beschermt en NK-cellen activeert. Tegelijkertijd wordt een verworven immuniteit opgestart, waarbij mucosale dendritische cellen (DCs) antigenen/virussen opnemen en migreren naar lymfoïd weefsel voor T-celpriming in de drainerende lymfeklieren [7](#page=7). ### 1.4 Influenza A virus: aangeboren immuniteit Het genoom van het influenzavirus repliceert in de kern van geïnfecteerde cellen, waaronder epitheelcellen, monocyten en macrofagen, evenals andere witte bloedcellen. Sensing van het virale RNA vindt plaats door Toll-like receptor 3 (TLR3), die dubbelstrengs RNA (dsRNA) in endosomen herkent, en door cytoplasmatische RNA-sensoren die de afwezigheid van een 5'-cap op de virale RNA-moleculen detecteren. Deze herkenning induceert de activatie van NF-κB, wat leidt tot de productie van cytokines zoals IL-1, IL-6 en TNF, en de activatie van IRF3, wat resulteert in de productie van type-I interferonen (IFN-α en IFN-β) [8](#page=8). ### 1.5 RNA en DNA sensors: Pathogen Recognition Receptor voor virussen en bacteriën (Dit gedeelte is niet expliciet behandeld in de opgegeven pagina's voor dit specifieke onderwerp, maar is wel een subsectie in de inhoudsopgave.) [2](#page=2). ### 1.6 Soluble antiviral factor: interferon (Dit gedeelte is niet expliciet behandeld in de opgegeven pagina's voor dit specifieke onderwerp, maar is wel een subsectie in de inhoudsopgave.) [2](#page=2). ### 1.7 Innate immune effector mechanism: Interferon stimulated genes (ISG) (Dit gedeelte is niet expliciet behandeld in de opgegeven pagina's voor dit specifieke onderwerp, maar is wel een subsectie in de inhoudsopgave.) [2](#page=2). ### 1.8 De balans tussen de respons van de gastheer en de interferentie door het virus Infectie met influenza induceert een antivirale respons (interferon) en een pro-inflammatoire respons (NF-κB). De pro-inflammatoire respons ondersteunt virusreplicatie, maar induceert ook cytokines en chemokines die leiden tot inflammatie en de rekrutering van de verworven immuniteit. Excessieve cytokineproductie kan leiden tot een "cytokine storm", met mogelijke capillaire lekkage en multiple organ failure (MOF), wat fataal kan zijn; dit is met name waargenomen bij aviaire influenza infecties bij de mens (vogelgriep) [13](#page=13). De virale polymerasen maken misbruik van de gastheermachinerie en degraderen gastheer mRNA. Het influenza-eiwit NS1 inhibeert splicing en nucleaire export van gastheer RNA. In het cytoplasma vindt preferentieel translatie van viraal RNA plaats, omdat virale mRNAs minder gevoelig zijn voor inhibitie door PKR-activatie. Dit resulteert in een "shut-off" van de eigen eiwitsynthese van de gastheercel, wat leidt tot een verminderde antivirale respons en apoptose binnen 40 uur na infectie. Hoewel influenza een buddend virus is, is de infectie dus lytisch voor de cel. Naast de aangeboren afweer (interferon, NK-cellen), treedt ook verworven immuniteit op, waarbij virusneutraliserende antilichamen en cytotoxische T-cellen een belangrijke rol spelen. Gespecialiseerde virale eiwitten kunnen de gastheerrespons moduleren, zowel op cellulair niveau (bv. interferonrespons) als op het niveau van het immuunsysteem (bv. invloed op de aard van de immuunrespons) [13](#page=13). ### 1.9 Respons op infectie: opstarten verworven immuunrespons (Dit gedeelte is niet expliciet behandeld in de opgegeven pagina's voor dit specifieke onderwerp, maar is wel een subsectie in de inhoudsopgave.) [2](#page=2). ### 1.10 Levenscyclus influenza virus De levenscyclus van het influenzavirus omvat verschillende stappen, zoals weergegeven in de illustratie [15](#page=15). #### 1.10.1 Neuraminidase (NA) Neuraminidase (NA) is een integraal membraaneiwit en het tweede subtype-specifieke glycoproteïne van influenza A- en B-virussen. NA katalyseert de klieving van het $\alpha$-ketoside tussen het terminale sialzuur en het nabijgelegen D-galactose. Een functie van NA is het verwijderen van sialzuur van HA, NA zelf, en van het oppervlak van de gastheercel tijdens budding. NA kan ook het transport van het virus door het slijm in de luchtwegen faciliteren, zodat het virus zijn weg naar de doelwit-epitheelcellen kan vinden [16](#page=16). De enzymatische activiteit van neuraminidase verhindert de zelfaggregatie van dochtervirussen door sialinezuren van de oligosaccharideketens op de receptoren te verwijderen. Wanneer virussen worden gekweekt in aanwezigheid van een NA-inhibitor, ziet men grote aggregaten van dochtervirussen aan het oppervlak van de geïnfecteerde cellen [17](#page=17). ### 1.11 Pathogenese De pathogenese van influenza wordt gekenmerkt door een acute infectie waarbij geïnfecteerde cellen afsterven en lokale inflammatoire reacties optreden, wat leidt tot oedeem en mogelijk pijn in de larynx, trachea en bronchi. Een mogelijke complicatie is bacteriële surinfectie. Cytokinevrijlating veroorzaakt systemische effecten zoals koorts, vermoeidheid en spierpijn. Virale shedding vindt meestal plaats vóór de start van de symptomen (24 uur) tot enkele dagen, met een maximum van ongeveer een week daarna. Dit kan langer duren bij verminderde immuniteit of bij eerste infecties, zoals bij kinderen die nog geen verworven immuniteit hebben opgebouwd. De uitgesproken klachten, zoals koorts, duren meestal 3 tot 5 dagen [18](#page=18). De intrede van effectieve verworven immuniteit is cruciaal voor het vermijden van volgende infecties. Het virus probeert dit te omzeilen door antigene drift en shift [18](#page=18). > **Tip:** Zonder cellulaire immuniteit, bijvoorbeeld bij patiënten die chemotherapie ondergaan of HIV-patiënten, kan de influenzainfectie wel geklaard worden, maar is er een verhoogd risico op gecompliceerde (diepe) infecties van het hart of de longen. Daarom wordt vaccinatie aanbevolen voor deze groepen [18](#page=18). > **Voorbeeld:** De Spaanse griep trof voornamelijk jongeren, terwijl ouderen relatief beschermd waren door eerdere infecties met analoge virussen [18](#page=18). ### 1.12 Bloedbeeld bij een virale infectie (Dit gedeelte is niet expliciet behandeld in de opgegeven pagina's voor dit specifieke onderwerp, maar is wel een subsectie in de inhoudsopgave.) [2](#page=2). ### 1.13 Kliniek en diagnostiek Een influenzainfectie belet normaal functioneren, in tegenstelling tot een banale verkoudheid. Herstel "ad integrum" (zonder restverschijnselen) is de regel [21](#page=21). #### 1.13.1 Complicaties Mogelijke complicaties van influenza zijn onder andere: * Virale pneumonie [21](#page=21). * Bacteriële surinfectie van de bovenste en soms onderste luchtwegen [21](#page=21). * Systemische complicaties, met name bij personen met cardiovasculaire belasting (door koorts en cytokines), diabetici, 60-plussers, 2-jarigen, en zwangere vrouwen [21](#page=21). > **Tip:** Vanwege deze complicaties wordt vaccinatie ten zeerste aanbevolen voor risicogroepen, evenals voor gezondheidswerkers, dierenartsen en kippenkwekers. Vaccinatie heeft ook economische redenen, met name voor de werkende bevolking [21](#page=21). #### 1.13.2 Diagnostiek Snelle diagnostiek kan plaatsvinden middels antigeendetectie op nasofarynxmonsters, wat met name nuttig is bij hoge virusuitscheiding kort na het begin van de symptomen. RT-PCR op dezelfde monsters is gevoeliger. In de praktijk wordt vaak een klinische diagnose gesteld, ondersteund door epidemiologische gegevens (via peilpraktijken en referentielaboratoria) [21](#page=21). ### 1.14 Behandeling en preventie De basis van de behandeling is "uitzieken". Symptomatische therapie omvat het gebruik van paracetamol als koortswerend middel bij cardiovasculaire belasting. Cave: salicylaten kunnen het syndroom van Reye veroorzaken bij kinderen en adolescenten. Etiologische therapie kan bestaan uit neuraminidase-remmers zoals oseltamivir en zanamivir, hoewel deze een beperkt effect kunnen hebben en resistentie tijdens behandeling kan optreden. M2-blokkers (amantadine, rimantadine) worden niet meer gebruikt vanwege snel optredende resistentie [23](#page=23). Preventie is essentieel: jaarlijkse vaccinatie tegen seizoensgriep is de belangrijkste maatregel. Het vaccin bevat circulerende stammen van influenza A en B, waarvan de samenstelling wordt bepaald door de WHO [23](#page=23). > **Tip:** Onderschat influenza nooit; het is een belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit [23](#page=23). ### 1.15 Rol van specifieke immuniteit en virusvariabiliteit Bescherming tegen influenza, met name in de luchtweg epitheelcellen, is voornamelijk antilichaam-gemedieerd tegen hemagglutinine (H) en neuraminidase (N) in het viruskapsel. Jaarlijkse griepepidemieën zijn mogelijk door "shifts" en "drifts", wat wijst op de genetische variabiliteit van het virus. RNA-virussen zoals influenza zijn over het algemeen minder stabiel en vertonen vaak immuunontwijking door mutaties en immuunselectie, in tegenstelling tot DNA-virussen [25](#page=25). #### 1.15.1 Antigene drift en shift Antigene drift verwijst naar kleine, incrementele veranderingen in de virale antigenen (HA en NA) door puntmutaties. Deze veranderingen kunnen leiden tot epidemieën doordat de verworven immuniteit tegen eerdere stammen minder effectief wordt. Antigene shift daarentegen omvat grotere, abrupte veranderingen in de virale antigenen, vaak als gevolg van genetische reassortment wanneer twee verschillende influenzavirussen tegelijkertijd dezelfde cel infecteren. Dit kan leiden tot de opkomst van nieuwe virusstammen met een potentieel pandemisch karakter [25](#page=25). --- # Mechanismen van aangeboren immuniteit bij virale infecties De aangeboren immuniteit speelt een cruciale rol in de eerste verdediging tegen virale infecties door middel van pathogen recognition receptors (PRRs), interferonen en interferon-gestimuleerde genen (ISGs) [2](#page=2). ### 2.1 Rol van pathogen recognition receptors (PRRs) bij virale infecties Patogen-associated molecular patterns (PAMPs) zijn moleculaire structuren die kenmerkend zijn voor pathogenen en worden herkend door Pathogen Recognition Receptors (PRRs) van de gastheer. Bij virale infecties zijn dit voornamelijk virale nucleïnezuren (RNA en DNA). PRRs kunnen zich zowel op het celmembraan (bv. Toll-like receptors, TLRs) als in het cytoplasma bevinden [10](#page=10) [4](#page=4). * **Herkenning van viraal RNA:** Viraal RNA, met name dubbelstrengs RNA (dsRNA) of niet-gecapteerd RNA, wordt herkend door specifieke PRRs. Voorbeelden hiervan zijn TLR3, dat zich in endosomen bevindt en dsRNA herkent, en cytoplasmatische RNA sensoren zoals RIG-I. De afwezigheid van een 5' cap op viraal RNA is een belangrijk signaal voor herkenning door cytoplasmatische sensoren [10](#page=10) [8](#page=8). * **Herkenning van viraal DNA:** Membraangebonden (bv. TLR9) en cytoplasmatische DNA receptoren kunnen ook viraal DNA detecteren. Dit is relevant voor DNA-virussen, maar ook voor bacteriële infecties die DNA vrijgeven in het cytoplasma. Het onderscheid tussen endogeen en vreemd DNA door deze receptoren is nog niet volledig opgehelderd. Schade-signalen, zoals de vrijstelling van endogeen DNA door celdood, kunnen ook de aangeboren immuniteit activeren [10](#page=10) [4](#page=4). * **Activering van signaalroutes:** De herkenning van PAMPs door PRRs leidt tot de activering van intracellulaire signaalroutes, zoals NF-κB en IRF3. NF-κB inductie resulteert in de productie van pro-inflammatoire cytokines zoals IL-1, IL-6 en TNF. IRF3 activeert de productie van type-I interferonen (IFN-α en IFN-β) [10](#page=10) [8](#page=8). > **Tip:** De signalering via PAMPs en DAMPs (damage-associated molecular patterns) leidt tot een acute ziektebeeld [4](#page=4). ### 2.2 De rol van interferonen (IFN) Interferonen (IFN) zijn essentiële oplosbare antivirale factoren die door geïnfecteerde cellen worden geproduceerd. Bij virale infecties, met name door RNA-virussen, worden typisch type I interferonen (IFN-α en IFN-β) geïnduceerd [11](#page=11). * **Productie en afgifte:** Viraal dubbelstrengs RNA (dsRNA), een bijproduct van virale replicatie, is een sterke inductor van type I IFN. De geïnfecteerde cel geeft deze interferonen af aan de omgeving [11](#page=11). * **Signaaltransductie:** Interferonen binden aan specifieke receptoren op naburige cellen (en de producerende cel zelf), wat de JAK-STAT signaalroute activeert. Dit leidt tot de expressie van interferon-gestimuleerde genen (ISGs) [11](#page=11). * **Antivirale effecten:** Interferonen vormen een belangrijke afweerstrategie tegen virussen door de replicatie ervan te remmen. Virussen hebben echter ook mechanismen ontwikkeld om de interferoneffecten te ontwijken, zoals het blokkeren van de inductie van interferonen, het produceren van virale decoy IFN-receptoren, het verstoren van intracellulaire signalisatie, of het blokkeren van de expressie van ISGs [11](#page=11). ### 2.3 Interferon-gestimuleerde genen (ISGs) Interferon-gestimuleerde genen (ISGs) zijn een set van ongeveer 300 genen waarvan de expressie wordt geïnduceerd door type I en type III interferonen. Deze genen spelen een cruciale rol in de aangeboren immuunrespons tegen virussen, zowel RNA als DNA virussen [12](#page=12). Enkele belangrijke voorbeelden van ISGs en hun functies: * **Interferon inducible transmembrane proteins (IFITM):** Deze eiwitten blokkeren virusbinding aan de cel en het loslaten van het virus uit endosomen [12](#page=12). * **ISG15:** Dit is een ubiquitine-achtig eiwit dat zich kan hechten aan andere eiwitten (ISG-ylatie), waardoor hun omlooptijd verkort wordt en hun functie wordt gemoduleerd [12](#page=12). * **Tetherin:** Voorkomt de loslating van virusdeeltjes van de celmembraan [12](#page=12). * **cGAS (cyclic GMP-AMP synthase):** Fungeert als een DNA sensor en blokkeert de replicatie van zowel RNA- als DNA-virussen [12](#page=12). * **RNAse L:** Is een enzym dat zowel viraal als cellulair RNA kan knippen, wat de virale replicatie belemmert [12](#page=12). * **PKR (Protein kinase R):** Fosforyleert de eukaryote translatie-initiatie factor EIF2A, wat leidt tot de stilstand van eiwitsynthese. Dit kan echter ook leiden tot verzwakking van de cellulaire antivirale respons [12](#page=12) [13](#page=13). > **Voorbeeld:** Influenza virus eiwit NS1 kan de translatie van viraal RNA begunstigen door de inhibitie van PKR-activatie, terwijl de translatie van gastheer-mRNA wordt onderdrukt [13](#page=13). ### 2.4 Balans tussen gastheerrespons en virale interferentie De interactie tussen de gastheer en een virus is een dynamisch proces waarbij virussen mechanismen hebben ontwikkeld om de aangeboren immuunrespons te ontwijken of te manipuleren [13](#page=13). * **Influenza en de aangeboren respons:** Infectie met influenza induceert een antivirale respons via interferonen en een pro-inflammatoire respons via NF-κB. De pro-inflammatoire respons ondersteunt virale replicatie en rekruteert componenten van de verworven immuniteit. Excessieve pro-inflammatoire reacties kunnen leiden tot een cytokine storm, met potentieel fatale gevolgen zoals capillaire lekkage en multi-orgaanfalen [13](#page=13). * **Virale strategieën voor replicatie:** Virale polymerasen kunnen de gastheer machinerie overnemen en gastheer mRNA degraderen. Het influenza eiwit NS1 inhibeert bijvoorbeeld splicing en de nucleaire export van gastheer RNA, en bevordert preferentieel de translatie van viraal RNA. Viraal RNA is minder gevoelig voor de inhibitie van translatie door PKR activatie. Dit leidt tot een stopzetting van de eigen eiwitsynthese van de gastheercel, verminderde antivirale respons en uiteindelijk apoptose [13](#page=13). * **Modulatie van immuunrespons:** Gespecialiseerde virale eiwitten kunnen de gastheerrespons op cellulair niveau (zoals de interferonrespons) en op het niveau van het immuunsysteem moduleren. Naast de aangeboren afweer (interferon, NK-cellen) treedt ook verworven immuniteit op, met virusneutraliserende antilichamen en cytotoxische T-cellen [13](#page=13). > **Tip:** Begrip van de balans tussen de gastheerrespons en virale interferentie is cruciaal voor het begrijpen van de pathologie van virale infecties, zoals de gevaarlijke cytokine storm bij vogelgriep [13](#page=13). --- # Evolutionaire veranderingen en epidemiologie van influenza Dit deel behandelt de manieren waarop influenza virussen veranderen (antigene drift en shift), de epidemiologie van vogelgriep A virussen, historische pandemieën zoals de Spaanse Griep, en humane besmettingen door vogelgriepvirussen. ### 3.1 Genetische variabiliteit van influenza A virussen Influenza A virussen zijn voortdurend in evolutie, wat bijdraagt aan jaarlijkse epidemieën en het ontstaan van pandemieën. Deze genetische variabiliteit is een algemene eigenschap van RNA-virussen, die hierdoor vaak immuunevasie toepassen door middel van mutaties en immuunselectie, in tegenstelling tot DNA-virussen [25](#page=25). #### 3.1.1 Antigene drift Antigene drift zijn kleine, continue wijzigingen in het virus die voornamelijk ontstaan door puntmutaties. Wanneer een individu geïnfecteerd wordt door een bepaald griepvirus, produceert het daar antilichamen tegen. Als er echter een nieuwere stam opduikt door antigene drift, zullen de reeds bestaande antilichamen dit nieuwe virus niet optimaal herkennen, wat opnieuw tot besmetting kan leiden. Dit fenomeen verklaart waarom mensen meerdere keren door griep besmet kunnen worden en waarom de samenstelling van het influenzavaccin jaarlijks aangepast moet worden. De samenstelling van het vaccin voor een bepaald halfrond wordt bepaald op basis van de influenzastammen die in het voorgaande winterseizoen in het andere halfrond circuleerden, aangevuld met gegevens van het jaar daarvoor. Oudere individuen beschikken over een uitgebreider repertoire aan virusneutraliserende antilichamen, wat hen relatief beschermt, zoals werd waargenomen bij de H1N1-pandemie waarbij voornamelijk jongeren werden getroffen [18](#page=18) [24](#page=24). > **Tip:** Antigene drift is de belangrijkste oorzaak van seizoensgebonden griepepidemieën en vereist jaarlijkse vaccinatieaanpassingen. #### 3.1.2 Antigene shift Antigene shift is een plotselinge en ingrijpende verandering van influenza A-virussen. Deze shift resulteert in de productie van nieuwe hemagglutinine (H) en/of neuraminidase (N) eiwitten in de griepvirussen die mensen infecteren. Wanneer een antigene shift plaatsvindt, hebben de meeste mensen weinig tot geen bescherming tegen het nieuwe virus, wat leidt tot pandemieën [24](#page=24). > **Tip:** Antigene shift is verantwoordelijk voor grieppandemieën omdat het menselijke immuunsysteem niet eerder met deze nieuwe virusvarianten in aanraking is gekomen. #### 3.1.3 Evolutie van influenza virussen Influenza virussen infecteren de epitheelcellen van de luchtwegen. Bescherming hiertegen is voornamelijk antilichaam-gemedieerd, gericht tegen hemagglutinine (H) en neuraminidase (N) eiwitten op het viruskapsel, vandaar de benamingen zoals H1N1. Virussen zoals influenza, die een hoog mutatievermogen hebben, kunnen geleidelijk ontsnappen aan het immunologisch geheugen zonder een compenserende immuunrespons te stimuleren, een fenomeen dat bekend staat als "original antigenic sin". Het influenzavirus bevat acht eiwitten die kunnen wijzigen [25](#page=25) [33](#page=33). > **Tip:** Het "original antigenic sin" fenomeen verklaart deels waarom herhaalde blootstelling aan vergelijkbare, maar licht afwijkende virusstammen niet leidt tot een optimale opbouw van immuniteit tegen de nieuwste varianten. ### 3.2 Epidemiologie van vogelgriep A virussen Influenza A virussen zijn pantroop, wat betekent dat ze een breed scala aan gastheren kunnen infecteren, waaronder varkens, paarden, zeehonden, diverse vogelsoorten en ook de mens. Alle bekende subtypen van influenza A-virussen (15 HA- en 9 NA-subtypen) zijn geïsoleerd bij watervogels, wat een cruciaal reservoir vormt voor genetische vermenging en de potentiële ontwikkeling van nieuwe pandemische humaan-stammen [26](#page=26). #### 3.2.1 Receptorbinding en transmissie Humane influenzavirussen binden zich aan $\alpha$2-6 gebonden sialzuur-bevattende receptoren, die voornamelijk in de bovenste luchtwegen voorkomen. Vogelgriepvirussen daarentegen binden preferentieel aan $\alpha$2-3 gebonden sialzuur-residuen, die dieper in de luchtwegen van de mens te vinden zijn, wat kan leiden tot virale pneumonie bij aviaire influenza-infecties. Varkens bezitten echter beide receptor-typen, waardoor ze fungeren als een "mengvat" waar genetisch materiaal van verschillende influenzavirussen kan uitwisselen en nieuwe, potentieel gevaarlijke stammen kan ontstaan [26](#page=26). > **Tip:** De aanwezigheid van beide sialzuurreceptoren bij varkens maakt ze tot een belangrijke intermediaire gastheer voor de evolutie van influenza virussen met pandemisch potentieel. ### 3.3 Historische influenza pandemieën #### 3.3.1 De Spaanse Griep . De pandemie van 1918, bekend als de Spaanse Griep, was de meest dodelijke pandemie in de geschiedenis. Deze pandemie eiste het leven van naar schatting 675.000 Amerikanen, wat meer slachtoffers eiste dan alle Amerikaanse oorlogen in de 20e eeuw samen. Wereldwijd resulteerde de pandemie in de dood van 40 tot 50 miljoen mensen. Opvallend was dat voornamelijk jongvolwassenen stierven, terwijl ouderen relatief beschermd waren, waarschijnlijk door reeds doorgemaakte infecties met analoge virussen [18](#page=18) [27](#page=27). #### 3.3.2 Pandemieën in de 20e eeuw De 20e eeuw kende meerdere significante influenzapandemieën, naast de Spaanse Griep van 1918 [29](#page=29). * **1918: Spaanse Griep:** Veroorzaakte 50-100 miljoen doden [29](#page=29). * **1957: Aziatische Griep (H2N2):** Resulteerde in ongeveer 1,1 miljoen doden [29](#page=29). * **1968: Hongkong Griep (H3N2):** Eiste naar schatting 1 miljoen levens [29](#page=29). * **2009: Mexicaanse Griep (H1N1):** Had een lager dodental van ongeveer 0,25 miljoen [29](#page=29). > **Example:** De Spaanse Griep van 1918 is een klassiek voorbeeld van hoe een nieuw virus met een hoge pathogeniteit en efficiënte transmissie een wereldwijde catastrofe kan veroorzaken, vooral wanneer de bevolking geen immunologische bescherming heeft [27](#page=27). ### 3.4 Humane besmetting door vogelgriepvirussen Humane besmettingen door vogelgriepvirussen, hoewel zeldzaam, vormen een potentiële bedreiging voor de volksgezondheid. #### 3.4.1 Recente uitbraken en onderzoek In de tweede helft van 1997 werd een uitbraak van het vogelgriepvirus A, serotype H5N1, geregistreerd in Hongkong, waarbij 18 personen besmet raakten, afkomstig van besmette kippen. Sinds deze gebeurtenis hebben de tot nu toe ontdekte vogelgriepvirussen die humane besmettingen veroorzaakten, zich niet gehandhaafd als blijvende infectie bij de mens en zijn ze ook niet van mens op mens verspreid. Echter, in 2012 publiceerden twee laboratoria de aanpassing van vogelgriepvirussen voor transmissie in zoogdieren, specifiek door veranderingen in het hemagglutinine (HA) gen, waardoor het virus zich kon binden aan een andere sialzuurreceptor, en het PB2-gen, dat invloed heeft op de temperatuurregeling van het virus ($42$ °C in de darm van een vogel versus $36$-$37$ °C in de luchtweg van een mens) [31](#page=31). #### 3.4.2 Gevalideerde humane infecties met aviaire influenza De volgende tabel geeft een overzicht van bevestigde humane gevallen van infectie met aviaire influenzavirussen tot januari 2014 [31](#page=31): | Jaar | Stam | Land | Aantal bevestigde humane gevallen | Aantal bevestigde humane sterfgevallen | |-------------|----------|-------------|-----------------------------------|---------------------------------------| | 1997 | A/H5N1 | Hong Kong | 18 | 6 | | 1999 | A/H9N2 | Hong Kong | 2 | 0 | | 2003 | A/H5N1 | Hong Kong | 2 | 1 | | 2003 | A/H7N3 | Canada | 2 | 0 | | 2003 | A/H7N7 | Nederland | 84 | 1 | | 2003 | A/H9N2 | Hong Kong | 1 | 0 | | 2003-2013 | A/H5N1 | Vietnam, Indonesië, Egypte, Cambodja, China | 648 | 384 | | 2013-14 | A/H7N9 | China | 144 | 46 | | 2013-14 | A/H10N8 | China | 2 | 1 | > **Example:** De uitbraak van A/H5N1 in Vietnam, Indonesië, Egypte, Cambodja en China tussen 2003 en 2013, met 648 gevallen en 384 sterfgevallen, benadrukt het potentieel van vogelgriepvirussen om ernstige ziekte te veroorzaken bij mensen wanneer ze de soortbarrière oversteken [31](#page=31). ### 3.5 Pathogenese en klinische aspecten van influenza infecties Influenza infecties manifesteren zich als acute infecties met lokale inflammatoire reacties en systemische symptomen [18](#page=18). #### 3.5.1 Verloop van de infectie Een acute infectie leidt tot het afsterven van geïnfecteerde cellen en lokale ontstekingsreacties in de luchtwegen (oedeem, pijn). Een bacteriële surinfectie is een mogelijke complicatie. Vrijkomen van cytokines veroorzaakt systemische effecten zoals koorts, vermoeidheid en spierpijn. Virus shedding, de verspreiding van het virus, vindt plaats vanaf 24 uur voor de symptoomontwikkeling tot enkele dagen erna, met een maximum tot een week. Bij kinderen, die nog geen verworven immuniteit hebben, of bij personen met een verminderde immuniteit kan dit langer duren. De uitgesproken klachten, zoals koorts, duren meestal 3 tot 5 dagen [18](#page=18). #### 3.5.2 Immuunrespons en preventie De ontwikkeling van een effectieve verworven immuunrespons is cruciaal voor het bestrijden van herhaalde infecties. Zonder cellulaire immuniteit, zoals bij patiënten met chemotherapie of aids, kan de influenza-infectie wel geklaard worden, maar bestaat een verhoogd risico op gecompliceerde (diepe) infecties van het hart of de longen. Om deze reden wordt vaccinatie aanbevolen [18](#page=18). > **Tip:** Vaccinatie tegen influenza is essentieel, vooral voor immuungecompromitteerde personen, om het risico op ernstige complicaties te verminderen. --- # Kliniek, diagnostiek en preventie van influenza Dit deel behandelt de klinische presentatie, diagnostische methoden, het bloedbeeld bij virale infecties, de behandeling en preventieve maatregelen voor influenza. ### 4.1 Pathogenese van influenza Influenza veroorzaakt een acute infectie met celdood van geïnfecteerde cellen en lokale inflammatoire reacties, zoals oedeem en pijn in de luchtwegen. Een mogelijke complicatie is bacteriële surinfectie. Vrijkomende cytokines leiden tot systemische effecten zoals koorts, vermoeidheid en spierpijn. Het virus wordt uitgescheiden, doorgaans voor de aanvang van de symptomen (ongeveer 24 uur ervoor) tot enkele dagen erna, met een maximum van een week, hoewel dit langer kan duren bij verminderde immuniteit of bij primaire infecties bij kinderen. De uitgesproken klachten, zoals koorts, duren meestal drie tot vijf dagen. De effectieve verworven immuniteit is cruciaal voor het voorkomen van toekomstige infecties, waarbij het virus probeert te ontsnappen aan immuniteit door antigene drift en shift [18](#page=18). > **Tip:** Zonder cellulaire immuniteit, zoals bij patiënten die chemotherapie ondergaan of aids hebben, bestaat een verhoogd risico op gecompliceerde (diepe) infecties van hart en longen, ondanks dat de influenza-infectie mogelijk wel geklaard kan worden. Vaccinatie wordt om deze reden aanbevolen [18](#page=18). De Spaanse griep illustreert dat voornamelijk jongeren stierven, terwijl ouderen relatief beschermd waren door eerdere infecties met vergelijkbare virussen. Interferontherapie, gebruikt voor bijvoorbeeld chronische hepatitis C, kan symptomen veroorzaken die lijken op die van een ernstige virale infectie zoals griep [18](#page=18) [19](#page=19). ### 4.2 Bloedbeeld bij een virale infectie Bij een virale infectie is er geen duidelijke acute fase respons zoals bij een bacteriële infectie. Dit betekent dat er geen neutrofilie, linksverschuiving of verhoogde acute fase-eiwitten in het serum worden waargenomen, met een nauwelijks meetbare stijging van CRP. Wel kan er een lymfocytose optreden, gerelateerd aan de verworven immuunreactie. Soms wordt ook neutropenie gezien, mogelijk gerelateerd aan systemisch interferon. Lymfocytose kan niet alleen door een specifieke immuunreactie worden uitgelokt, maar ook direct door virale eiwitten, zoals bij EBV en CMV [20](#page=20). Deze bloedbeeldkenmerken zijn weinig specifiek en dragen diagnostisch weinig bij, behalve bij het uitsluiten of minder waarschijnlijk maken van een bacteriële infectie. Het onderscheid tussen viraal en bacterieel is niet altijd scherp; lymfocytose kan ook bij bacteriële infecties voorkomen, bijvoorbeeld bij kinkhoest (het pertussis toxine remt de instroom van lymfocyten in lymfeklieren vanuit de bloedbaan) [20](#page=20). Diagnostisch belangrijker is het aantonen van een specifieke serologische respons (detectie van specifieke IgM, toename in specifieke IgG of complementfixatie) en, indien nodig, het aantonen van het virus. De diagnostiek bij acute virale infecties is over het algemeen meer klinisch van aard (anamnese, lichamelijk onderzoek en symptomen) dan gebaseerd op laboratoriumonderzoek [20](#page=20). ### 4.3 Kliniek en diagnostiek van influenza Influenza beïnvloedt het normale functioneren, in tegenstelling tot een banale verkoudheid. Herstel 'ad integrum' (volledig herstel) is de regel [21](#page=21). Complicaties kunnen omvatten: * Virale pneumonie [21](#page=21). * Bacteriële surinfectie van de bovenste en soms onderste luchtwegen [21](#page=21). * Systemische complicaties, met name bij personen met een reeds bestaande cardiovasculaire belasting (door koorts, cytokines), diabetici, 60-plussers, kinderen onder de 2 jaar, en (hoog)zwangeren [21](#page=21). > **Tip:** Gezien het risico op complicaties wordt vaccinatie sterk aanbevolen voor risicogroepen, gezondheidswerkers, dierenartsen, kippenkwekers en voor de werkende bevolking om economische redenen [21](#page=21). Snelle diagnostiek kan plaatsvinden door antigen detectie op nasofaryngeale monsters, wat vooral nuttig is bij hoge virusuitscheiding (kort na aanvang van symptomen). RT-PCR op dezelfde monsters is gevoeliger. In de praktijk is de klinische diagnose, ondersteund door epidemiologische gegevens (peilpraktijken, referentielaboratoria), vaak leidend [21](#page=21). Influenza monitoring wordt uitgevoerd door het Wetenschappelijk Instituut Volksgezondheid, met wekelijkse rapporten gebaseerd op meldingen en samples van peilpraktijken. Ook sociale media en datamining, zoals Google Flu Trends, worden ingezet [22](#page=22). ### 4.4 Behandeling en preventie van influenza De standaardbehandeling is uitzieken. Symptomatische therapie omvat het gebruik van paracetamol als koortswerend middel bij cardiovasculaire belasting. Cave salicylaten bij kinderen en adolescenten vanwege het risico op het syndroom van Reye [23](#page=23). Etiologische therapie kan bestaan uit neuraminidase remmers (oseltamivir, zanamivir), hoewel deze een beperkt effect hebben en resistentie tijdens de behandeling kan optreden. M2 blokkers (amantadine, rimantadine) worden vanwege de snel optredende resistentie niet meer gebruikt [23](#page=23). Preventie is essentieel: jaarlijks vaccineren tegen seizoensgriep is de belangrijkste maatregel. Het vaccin bevat de circulerende stammen van influenza A en B, en de samenstelling wordt bepaald door de WHO [23](#page=23). > **Tip:** Onderschat influenza nooit; het wordt wel de 'vriend van de begrafenisondernemer' genoemd [23](#page=23). --- ## 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 | |------|------------| | Primo-infectie | De eerste infectie met een specifiek pathogeen in een gastheer, wat belangrijk is voor de ontwikkeling van immuniteit. | | Incubatieperiode | De tijdsduur tussen de blootstelling aan een ziekteverwekker en het optreden van de eerste symptomen. | | Symptomatologie | De verzameling van symptomen die kenmerkend zijn voor een bepaalde ziekte of aandoening. | | Aangeboren immuniteit | Het niet-specifieke immuunsysteem van het lichaam dat onmiddellijk reageert op ziekteverwekkers, nog voordat specifieke antilichamen zijn gevormd. | | Specifieke immuniteit | Het deel van het immuunsysteem dat zich richt op specifieke ziekteverwekkers, gepaard gaande met de aanmaak van antilichamen en geheugencellen. | | Cytopathogeen effect | Een effect van een virus op een gastheercel dat leidt tot schade of celdood. | | DAMP (Damage-associated molecular pattern) | Moleculaire patronen die vrijkomen uit beschadigde of necrotische lichaamseigen cellen en een ontstekingsreactie kunnen opwekken. | | PAMP (Pathogen-associated molecular pattern) | Moleculaire patronen die kenmerkend zijn voor ziekteverwekkers (virussen, bacteriën) en herkend worden door het immuunsysteem. | | Toll-like receptoren (TLR's) | Een klasse van receptoren op immuuncellen die PAMP's herkennen en zo de aangeboren immuunrespons activeren. | | Cytokine storm | Een overmatige en ongecontroleerde productie van cytokines door het immuunsysteem, die kan leiden tot ernstige weefselschade en orgaanfalen. | | Interferon (IFN) | Een groep eiwitten die door cellen worden geproduceerd als reactie op virale infecties en die helpen de virusreplicatie te remmen en het immuunsysteem te activeren. | | Interferon-gestimuleerde genen (ISGs) | Genen die worden geactiveerd door interferonen en die eiwitten produceren met antivirale eigenschappen, zoals het remmen van virusreplicatie of het afbreken van viraal genetisch materiaal. | | Hemagglutinine (HA) | Een glycoproteïne op het oppervlak van het influenzavirus dat verantwoordelijk is voor de binding aan sialzuur-bevattende receptoren op gastheercellen, wat essentieel is voor de virusinfectie. | | Neuraminidase (NA) | Een enzym op het oppervlak van het influenzavirus dat helpt bij de vrijlating van nieuwe virusdeeltjes uit geïnfecteerde cellen door het afbreken van sialzuur op het celoppervlak en slijm, wat ook zelfaggregatie van virusdeeltjes voorkomt. | | Antigene drift | Kleine, geleidelijke veranderingen in de antigenen van een virus door puntmutaties, wat kan leiden tot het omzeilen van de immuniteit die is opgebouwd tegen eerdere stammen en de noodzaak voor jaarlijkse vaccinupdates. | | Antigenische shift | Een plotselinge, ingrijpende verandering in de antigenen van een virus, met name bij influenza virussen, die ontstaat door de uitwisseling van genetisch materiaal tussen verschillende virusstammen. Dit kan leiden tot pandemieën omdat de menselijke populatie weinig of geen immuniteit heeft tegen het nieuwe virus. | | RNA-virussen | Virussen waarvan het genetisch materiaal bestaat uit RNA, in tegenstelling tot DNA-virussen. RNA-virussen hebben vaak een hogere mutatiesnelheid, wat bijdraagt aan hun evolutie en vermogen om immuunrespons te ontwijken. | | Endogene versus vreemd DNA | Een onderscheid dat het immuunsysteem moet maken tussen DNA dat afkomstig is uit het lichaam zelf (endogeen) en DNA dat van buitenaf komt, zoals bij een bacteriële of virale infectie (vreemd). Dit onderscheid is cruciaal om auto-immuunreacties te voorkomen. | | JAK-STAT signalisatie | Een intracellulair signaaltransductiepad dat wordt geactiveerd door verschillende receptoren, waaronder die voor interferonen, en dat leidt tot veranderingen in genexpressie. | | Mucinelaag | Een slijmlaag die de epitheelcellen van de luchtwegen bedekt en die helpt bij het afvangen en verwijderen van pathogenen en deeltjes uit de ademhalingswegen. | | Sialzuur residu"s | Een type suikergroep die voorkomt op de oppervlakte van cellen en glycoproteïnen, en die door het influenzavirus wordt herkend als bindingsplaats voor infectie. | | Cellulaire immuniteit | De immuunrespons die wordt gemedieerd door cellen, zoals T-cellen, in tegenstelling tot humorale immuniteit die door antilichamen in het bloed wordt gemedieerd. | | Surinfectie | Een secundaire infectie die optreedt bovenop een reeds bestaande infectie, vaak veroorzaakt door een ander type pathogeen. Bij virale infecties komt dit vaak voor met bacteriële surinfecties. | | Epidemiologie | De studie van de verspreiding, oorzaken en effecten van ziekten in populaties. | | Syndroom van Reye | Een zeldzame, maar ernstige aandoening die voornamelijk kinderen en adolescenten treft, en die kan worden uitgelokt door het gebruik van salicylaten (zoals aspirine) tijdens een virale infectie, zoals influenza of waterpokken. | | M2 blokkers | Een klasse van antivirale medicijnen die specifiek werken tegen het M2-kanaalproteïne van het influenzavirus, waardoor de virale replicatie wordt geremd. Deze medicijnen worden echter minder gebruikt vanwege de snelle ontwikkeling van resistentie. | | Neuraminidase remmers | Een groep antivirale medicijnen die de activiteit van het neuraminidase-enzym van het influenzavirus blokkeren, wat helpt de verspreiding van het virus te beperken en de symptomen te verminderen. Voorbeelden zijn oseltamivir en zanamivir. |

# E. coli infecties en hun pathogenese Hieronder volgt een gedetailleerde samenvatting over E. coli infecties en hun pathogenese, opgesteld als studiegids. ## 1\. E. coli infecties en hun pathogenese Deze samenvatting behandelt de rol van \_E. coli als pathogeen, van commensale stammen die conditionele infecties veroorzaken tot specifieke pathogene stammen die urineweginfecties en gastro-intestinale infecties teweegbrengen, inclusief hun mechanismen van infectie en verspreiding. ### 1.1. E. coli en zijn ecologische niche \_Escherichia coli (\_E. coli) is een bacterie waarmee studenten reeds vertrouwd zijn vanuit eerdere lessen over normale flora, urineweginfecties en pathogenese. Het is een veelvoorkomende bewoner van het darmkanaal bij zowel mensen als vele warmbloedige dieren, wat het een indicator maakt voor fecale contaminatie van leidingwater [3](#page=3). #### 1.1.1. Commensale kolonisatie en barrières Het menselijk lichaam kent een weerstand tegen infecties door \_E. coli. Deze bacterie slaagt erin de dunne en dikke darm te koloniseren dankzij de daar aanwezige geschikte omstandigheden. In andere ecosystemen, zoals de keel, is kolonisatie minder waarschijnlijk, tenzij de barrières van het lichaam verzwakt zijn. Veranderingen in de normale flora, bijvoorbeeld na antibiotica-inname, of bij chronisch zieke personen, kunnen leiden tot abnormale kolonisatie op plaatsen zoals de keel. Ook vochtige en gemacereerde huidplooien, en chronische wonden zoals decubitusletsels, kunnen abnormale kolonisatie door \_E. coli vertonen [3](#page=3). #### 1.1.2. Genetische variabiliteit en pathogeniteit Een aanzienlijk deel van het \_E. coli genoom is variabel en bevat extra genen en zogenaamde 'pathogenicity islands' (PAI's). Hoewel \_E. coli door zijn basisgenoom commensale eigenschappen bezit, zijn bepaalde stammen specifiek pathogeen en kunnen ze urineweginfecties en gastro-intestinale infecties veroorzaken. Daarnaast kunnen commensale stammen, onder specifieke omstandigheden zoals defecten in lichaamsbarrières of het immuunsysteem, conditionele infecties veroorzaken [3](#page=3). ### 1.2. Conditionele infecties met ‘commensale’ E. coli Conditionele infecties veroorzaakt door commensale \_E. coli stammen treden meestal op als gevolg van een verminderde functie van de natuurlijke barrières van het lichaam [4](#page=4). #### 1.2.1. Infecties door verminderde afvoerwegen en weerstand Wanneer de afvoerwegen van het lichaam afwijkingen vertonen, of wanneer de algemene weerstand daalt, kan \_E. coli de galblaas en galwegen infecteren, wat leidt tot cholecystitis, of de urinewegen infecteren. Dit wijst op een functioneel beschadigde barrière [4](#page=4). #### 1.2.2. Infecties bij abnormale huidkolonisatie Bij abnormale kolonisatie van de huid, bijvoorbeeld door maceratie, kan \_E. coli oppervlakkige ontstekingen veroorzaken, zoals intertrigo in de liezen of otitis externa in de gehoorgang. Dit treedt op onder gewijzigde omstandigheden van de huidbarrières [4](#page=4). #### 1.2.3. Weefselinvasie en menginfecties \_E. coli kan dieper gelegen weefsels binnendringen en inflammatie veroorzaken, variërend van diffuse ontstekingen tot abcessen. Voorbeelden hiervan zijn peritonitis en buikabcessen, of postoperatieve wondinfecties. Deze infecties zijn vaak menginfecties waarbij de virulentiefactoren van andere bacteriële species complementair werken, wat duidt op massaal beschadigde barrières [4](#page=4). #### 1.2.4. Metastatische infecties Wanneer cellen (met bacteriën) in de bloedbaan terechtkomen, kunnen ze naar andere plaatsen worden vervoerd, wat leidt tot meningitis en andere metastatische infecties, zoals artritis. De aanwezigheid van specifieke O- en K-antigenen bevordert deze verspreiding [4](#page=4). #### 1.2.5. Belang van immuniteit Door voortdurend contact met diverse \_E. coli stammen bouwt het lichaam geleidelijk immuniteit op. Echter, door de grote variatie aan stammen zullen er altijd nieuwe opduiken waarvoor nog geen beschermende immuniteit bestaat [4](#page=4). ### 1.3. Virulentiefactoren van E. coli De virulentiefactoren van \_E. coli kunnen worden onderverdeeld in factoren die bij alle stammen aanwezig zijn, en factoren die specifiek zijn voor uro- en enteropathogene stammen [13](#page=13). #### 1.3.1. Factoren aanwezig bij alle stammen * **Adhesines:** Moleculen die bacteriën helpen zich te hechten aan gastheercellen [13](#page=13). * **Hemolysine:** Een cytotoxisch toxine dat rode bloedcellen kan afbreken [13](#page=13). * **Kapsels:** Bieden bescherming tegen fagocytose door immuuncellen [13](#page=13). * **Sideroforen:** Moleculen die ijzer uit de omgeving kunnen opnemen, essentieel voor bacteriegroei [13](#page=13). * **Sommige O-antigenen:** Kunnen anti-complementair werken, wat de immuunrespons verzwakt [13](#page=13). * **Endotoxine:** Aanwezig in de celwand van alle gramnegatieve bacteriën, waaronder \_E. coli, en speelt een rol bij het veroorzaken van inflammatie [13](#page=13). #### 1.3.2. Factoren aanwezig bij uro- en enteropathogenen * **Extra adhesines en toxines:** Deze specifieke factoren worden later verder besproken en dragen bij aan de pathogeniteit van deze stammen [13](#page=13). De illustratie toont een schematische weergave van het \_E. coli genoom, met het basisgenoom (groen) en de pathogene eilandjes (PAI's) die verantwoordelijk zijn voor pathogeniteit (rood, blauw, oranje) [13](#page=13). ### 1.4. Infecties met pathogene E. coli stammen Pathogene stammen van \_E. coli kunnen diverse ziektebeelden veroorzaken, voornamelijk urineweginfecties en gastro-intestinale infecties. #### 1.4.1. Uropathogene E. coli (UPEC) \_E. coli is de meest voorkomende verwekker van urineweginfecties (UTI's). Dit komt mede doordat de bacterie commensaal in de darm aanwezig is, wat de nabijheid tot de urinewegen verklaart. UTI's kunnen ontstaan onder bevorderende factoren die de blaaslediging compromitteren, hoewel \_E. coli ook de belangrijkste verwekker is bij zogenaamde 'spontane' UTI's, vooral bij vrouwen [14](#page=14). * **Virulentie van UPEC:** Uropathogene stammen zijn bijzonder virulent en in staat het blaas- en/of nierepitheel te koloniseren door middel van specifieke adhesines, met name Type 1 pili. Deze adhesines binden aan specifieke receptoren op de gastheercellen, wat een genetische component in de vatbaarheid verklaart. Verschillen in de epithcelcellen van de blaas en nieren kunnen verklaren waarom sommige stammen vaker cystitis veroorzaken en andere pyelonefritis [14](#page=14). > **Tip:** De aanwezigheid van specifieke receptoren op blaas-epitheelcellen speelt een cruciale rol in de kolonisatie door uropathogene \_E. coli stammen [14](#page=14). #### 1.4.2. Gastro-intestinale infecties door E. coli Diarree is wereldwijd een belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit, met name in economisch minder ontwikkelde landen door de frequente feco-orale overdracht. Naast virale, bacteriële en protozoaire verwekkers, kan ook \_E. coli diarree veroorzaken, maar uitsluitend 'enteropathogene \_E. coli' stammen. Deze stammen veroorzaken diverse klinische beelden [15](#page=15): * **Gastroenteritis:** Variërend van milde tot ernstige diarree met aanzienlijk vochtverlies [15](#page=15). * **Dysenterie-achtig beeld:** Ernstigere klachten met bloed en etter in de ontlasting, koorts en algeheel ziektegevoel, vergelijkbaar met een \_Shigella infectie [15](#page=15). * **Afstandseffecten:** Zoals het Hemolytisch Uremisch Syndroom (HUS) [15](#page=15). > **Tip:** De illustratie toont de proportie van infecties veroorzaakt door verschillende pathogenen in arme landen, waarbij \_E. coli een significant aandeel heeft, ook al is de oorzaak niet altijd geïdentificeerd [15](#page=15). #### 1.4.3. Reservoirs en transmissieroutes van pathogene E. coli Pathogene \_E. coli stammen kunnen in diverse dierlijke reservoirs worden aangetroffen en zich tussen deze dieren verspreiden. Fecale materie kan voedsel, irrigatiewater of recreatief/drinkwater contamineren. Mensen kunnen worden blootgesteld na het consumeren van gecontamineerd voedsel of water, of via direct contact met gekoloniseerde dieren. Secundaire transmissie kan plaatsvinden tussen mensen, veelal in kinderdagverblijven of verpleeghuizen. Voedsel kan besmet raken door slechte kookpraktijken (bv. onvoldoende garen van vlees) of door asymptomatische of symptomatische voedselbereiders met onvoldoende handhygiëne. Besmetting van recreatief of drinkwater kan gebeuren via blootstelling aan menselijk rioolwater [16](#page=16). > **Tip:** Het schema beschrijft de faeco-orale transmissie van \_E. coli als veroorzaker van diarree. Dit patroon is gelijkaardig voor de meeste andere veroorzakers van gastro-intestinale infecties [16](#page=16). #### 1.4.4. Diverse typen enteropathogene E. coli (EPEC) \_E. coli stammen kunnen op verschillende manieren diarree veroorzaken, wat resulteert in uiteenlopende klinische beelden en complicaties [18](#page=18). * **Enteropathogene E. coli (EPEC):** Deze hechten zich aan het darmepitheel en veroorzaken vervlakking van de microvili [18](#page=18). * **Shiga toxin-producing E. coli (STEC):** Deze stammen produceren Shiga toxine en worden verderop besproken [18](#page=18). * **Enterotoxigene E. coli (ETEC):** Bezitten 'colonization factors' (CFs) voor aanhechting en produceren enterotoxines die vergelijkbaar zijn met cholera toxine, leidend tot zuiver water- en elektrolytenverlies [18](#page=18). * **Enteroaggregative E. coli (EAEC):** Vormen biofilms op de mucosa door onderlinge aanhechting en aanhechting aan het celoppervlak, met 'aggregative adherence' (AA) patronen, ook wel 'gestapelde bakstenen' genoemd [18](#page=18). * **Diffusely adherent E. coli (DAEC):** De bacteriën verspreiden zich los over het oppervlak, wat resulteert in een 'diffuse adherence' (DA) patroon [18](#page=18). * **Adherent invasive E. coli (AIEC):** Koloniseren de intestinale mucosa, kunnen epitheelcellen binnendringen en zich repliceren in macrofagen. AIEC gebruikt type I pili voor adhesie aan intestinale cellen [18](#page=18). * **Enteroinvasieve E. coli (EIEC):** Vergelijkbaar met \_Shigella spp., zijn dit intracellulaire pathogenen die de mucosale cellen penetreren via M-cellen en zich tot in de submucosa verspreiden. EIEC en \_Shigella doden submucosale macrofagen en verspreiden zich via laterale invasie van colonocyten [18](#page=18). #### 1.4.5. STEC (Shiga toxin-producerende E. coli) Naast specifieke adhesines, produceren STEC-stammen Shiga toxine en kunnen ze andere genen of pathogenicity islands bezitten die via bacteriofagen of plasmiden worden overgebracht. Enterohemorrhagische \_E. coli (EHEC) en verotoxine producerende \_E. coli (VTEC) zijn (bijna) synoniemen voor STEC [19](#page=19). * **Klinisch beeld:** Het ziektebeeld varieert van gewone diarree tot bloederige diarree, al dan niet gecompliceerd door Hemolytisch Uremisch Syndroom (HUS) [19](#page=19). * **Fase 1:** Diarree, vaak bloederig, door lokale celschade veroorzaakt door het toxine [19](#page=19). * **Fase 2:** Complicatie, vaak 7-10 dagen later, door de werking van het toxine op diverse cellen, waaronder niercellen, resulterend in trombocytopenie, hemolytische anemie en acute nierinsufficiëntie. Er zijn geen bacteriën aanwezig op de plaats van deze letsels, omdat het toxine op afstand van de infectiehaard werkt [19](#page=19). * **Bekende stammen en associaties:** Een bekende STEC-stam is \_E. coli O157:H7. Niet alle van deze stammen zijn pathogeen, en omgekeerd veroorzaken verschillende andere stammen dezelfde ziekte. Deze specifieke stam is sterk geassocieerd met runderen en rundvlees, wat een grote impact heeft gehad op het management van voedselveiligheid (bv. hamburgerketens, waar onvoldoende gegaard voedsel een risico vormt) [19](#page=19). * **Diagnose:** De diagnose wordt niet zozeer gesteld door het opzoeken van typische serotypes, maar door het aantonen van de toxines in stoelgang of gekweekte \_E. coli stammen met moleculaire technieken, grotendeels in referentielaboratoria [19](#page=19). > **Tip:** Het Hemolytisch Uremisch Syndroom (HUS) wordt veroorzaakt door de binding van Shiga-toxine aan de globotriaosylceramide (Gb3) receptor op het oppervlak van de glomerulaire endotheelcellen. Beschadiging van de nierfunctie kan leiden tot nierinsufficiëntie, waarbij soms tijdelijke of definitieve behoefte aan nierdialyse of niertransplantatie ontstaat. Sommige personen met reeds bestaande chronische ziekten kunnen hieraan overlijden [20](#page=20). #### 1.4.6. De HUS-epidemie in Duitsland . In 2011 veroorzaakte een nieuwe stam van \_Escherichia coli O104:H4 een ernstige uitbraak van voedselgerelateerde ziekten in Noord-Duitsland. Deze ziekte werd gekenmerkt door bloederige diarree met een hoge frequentie van ernstige complicaties, waaronder HUS. Aanvankelijk werd gedacht dat een enterohemorragische (EHEC) stam de oorzaak was, maar later bleek het een enterotoxigene \_E. coli (EAEC) stam te zijn die genen voor Shiga toxineproductie had verworven [20](#page=20). * **Omvang van de epidemie:** De epidemie kende 4075 gevallen in 16 landen, met 908 gevallen van HUS die hemodialyse vereisten, en resulteerde in 50 sterfgevallen. De bacterie was een nieuwe stam, waardoor het enige tijd duurde voordat onderzoekslaboratoria de stam hadden gekarakteriseerd en deze gemakkelijker kon worden opgespoord [21](#page=21). * **Bronopsporing:** Na de melding dat komkommers en tomaten de bron van de infectie waren, stortte de Europese groentemarkt in, met enorme economische schade. Later bleek dat de bron fenegriekzaadjes te zijn, die na kieming in rauwkostschotels werden geserveerd. De zaadjes waren afkomstig uit Egypte, waar ze mogelijk waren besproeid met water dat besmet was met vee of een andere fecale bron [22](#page=22). ### 1.5. Diagnose van E. coli infecties De diagnose van \_E. coli infecties is afhankelijk van het type infectie en het type monster dat wordt afgenomen. #### 1.5.1. E. coli en urineweginfecties Urine is een type II monster, wat betekent dat contaminatie met bacteriën die normaal of tijdelijk aanwezig zijn in de omgeving (urethra, vulva, glans) kan optreden. Daarom is zorgvuldige afname van urine essentieel. De urine wordt kwantitatief gekweekt, en er wordt specifiek gezocht naar uropathogene bacteriën. De drempel voor een positieve kweek is afhankelijk van de afnameprocedure, het geslacht van de patiënt (minder contaminatie bij mannen), en de aanwezigheid van symptomen (bij asymptomatische patiënten is de drempel hoger) [23](#page=23). #### 1.5.2. E. coli en diarree Feces is een type III monster, wat betekent dat er altijd bacteriën aanwezig zijn. Het laboratorium moet in staat zijn de verwekkers van diarree te herkennen, meestal met behulp van selectieve media. Enteropathogene \_E. coli (in brede zin) kunnen enkel van commensale stammen worden onderscheiden met moleculaire technieken, wat in de praktijk zelden gebeurt. Hierdoor is de diagnose van diarree door \_E. coli moeilijker dan bij andere verwekkers [23](#page=23). #### 1.5.3. E. coli en diepe infecties Bij infecties van de buikholte of galwegen is vaak geen monster voorhanden, tenzij er een chirurgische ingreep plaatsvindt. Bij meningitis of artritis kan materiaal voor kweek verkregen worden door punctie. Hemoculturen kunnen de verwekker eventueel opsporen, maar dit zijn type I monsters die kwetsbaar zijn voor contaminatie door huidbacteriën [23](#page=23). #### 1.5.4. E. coli in chronische wonden Chronische wonden zijn vaak gecontamineerd met diverse bacteriën, waaronder \_E. coli. De aanwezigheid van \_E. coli in een chronische wond betekent op zich niet automatisch dat er sprake is van een infectie die behandeld moet worden [23](#page=23). #### 1.5.5. Typering van E. coli Een oudere methode om stammen van elkaar te onderscheiden is serotypering, gebaseerd op O-, H- en K-antigenen [24](#page=24). * **O-antigeen (somatisch antigen):** Dit is een component van de celwand [24](#page=24). * **H-antigeen (flagellair antigen):** Dit is een component van de flagellen [24](#page=24). * **K-antigeen (kapsel-antigeen):** Dit is een component van het kapsel [24](#page=24). Vroeger was serotypering van groot belang, omdat bepaalde serotypes geassocieerd waren met pathotypes. Echter, het verband tussen specifieke serotypes en enteropathogene eigenschappen is inmiddels minder duidelijk gebleken dan men aanvankelijk dacht. Tegenwoordig zijn er diverse nieuwe moleculaire technieken beschikbaar voor stamtypering [24](#page=24). > **Voorbeeld:** De aanduiding \_Escherichia coli O104:H4 verwijst naar de serotypes van de O-, H- en K-antigenen van een specifieke stam [24](#page=24). ### 1.6. Behandeling van E. coli infecties (Deze sectie is niet gedetailleerd in de verstrekte documentfragmenten. De behandeling van \_E. coli infecties hangt sterk af van het type infectie, de locatie, de ernst en de resistentiepatronen van de specifieke stam). * * * # Afweer tegen pyogene bacteriën Deze sectie behandelt de immuunrespons tegen extracellulaire, pyogene bacteriën, inclusief de inflammatoire respons, de effector arm van de afweer, de rol van bloedbeeldveranderingen, en specifieke complicaties zoals abcessen en septische shock. ### 2.1 De inflammatoire respons op een bacteriële infectie De eerste detectie van bacteriën vindt plaats door weefselmacrofagen, die beschikken over pathogen recognition receptoren (PRRs) zoals Toll-like receptors (TLRs). Deze receptoren kunnen pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) herkennen, bijvoorbeeld lipopolysaccharide (LPS) van gramnegatieve bacteriën via het TLR4/CD14 complex. Na detectie fagocyteren macrofagen de bacteriën en scheiden ze cytokines (o.a. IL-1, IL-6, IL-8, TNF) en prostaglandines af, die een inflammatoire respons induceren [7](#page=7). Deze mediatoren, samen met geactiveerd complement en histamine uit mestcellen, veroorzaken: * **Verhoogde vasculaire permeabiliteit**: Dit leidt tot lokale accumulatie van plasmafactoren en vocht, resulterend in zwelling (tumor) [7](#page=7). * **Verhoogde bloeddoorstroming**: Vasodilatatie zorgt voor lokale roodheid (rubor) en warmte (calor), wat de instroom van immuuncellen faciliteert, zoals neutrofielen die worden aangetrokken door IL-8 [7](#page=7). * **Pijn en functieverlies**: Zwelling en inflammatoire mediatoren stimuleren pijnsensibele zenuwen (dolor) en kunnen de functie van het aangetaste gebied belemmeren (functio laesa) [7](#page=7). Dit resulteert in de klassieke symptomen van inflammatie: tumor, calor, rubor, dolor en functio laesa. De inflammatoire reactie is gericht op het snel opruimen van bacteriën door fagocytose, mede mogelijk gemaakt door opsonisatie en directe lyse via complement [7](#page=7). Naast lokale reacties kunnen er systemische effecten optreden bij voldoende inflammatie, zoals koorts (veroorzaakt door IL-1/TNF-effect op het centrale zenuwstelsel), wat metabolisme en immuuncel-functioneren kan versnellen en bacteriële replicatie kan remmen. Ook de synthese van acute fase eiwitten (IL-6 gemedieerd) in de lever, zoals C-reactief proteïne (CRP), neemt toe [7](#page=7). > **Tip:** Het herkennen van PAMPs door PRRs is een cruciaal eerste signaal voor de immuunrespons tegen bacteriële infecties. ### 2.2 Effector arm De bescherming tegen extracellulaire, pyogene bacteriën omvat verschillende elementen: * Neutrofielen * Antilichamen * Complement * Oxidatieve burst (generatie van reactieve zuurstofspecies) * NETosis (ejectie van kernmateriaal door neutrofielen, wat een netwerk vormt om bacteriën te vangen) [9](#page=9). ### 2.3 Inflammatoire response op een bacteriële infectie: bloedbeeld De systemische effecten van inflammatoire mediatoren zijn diagnostisch relevant. Bij een bacteriële infectie treedt vaak een verhoogd aantal neutrofielen op, inclusief meer immature vormen (een 'linksverschuiving') en thrombocytose [10](#page=10). Daarnaast veranderen de concentraties van acute fase eiwitten: * **Positieve acute fase eiwitten**: Verhoogd in concentratie, zoals CRP, serum amyloid A, haptoglobine en fibrinogeen [10](#page=10). * **Negatieve acute fase eiwitten**: Verlaagd in concentratie, zoals transferrine, wat leidt tot een daling van serumijzer en andere metalen. Deze afname remt bacteriële replicatie, aangezien metalen essentieel zijn voor hun metabolisme [10](#page=10). Deze chemische veranderingen in het bloed beïnvloeden de sedimentatiesnelheid van rode bloedcellen (bloedbezinking, ESR), een aspecifieke, maar waardevolle indicator van inflammatie [10](#page=10). > **Voorbeeld:** De linksverschuiving bij neutrofielen, waarbij meer onrijpe vormen in het bloed circuleren, wijst op een verhoogde productie door het beenmerg als reactie op een infectie. ### 2.4 Complicaties: abces Indien de bacteriële eliminatie door de inflammatoire respons minder efficiënt is, of bij een verhoogde kiemlast of een verzwakte afweer, kan het proces leiden tot de vorming van ettercollecties. Deze collecties, bestaande uit dode afweercellen en bacteriën, kunnen lichaamsruimtes vullen (empyeem, bv. in de buikholte na darmperforatie) of zich inkapselen in het weefsel als een abces [11](#page=11). Het ontstaan van een abces wordt gezien als een teken van een reactieve gastheer ("pus bonum et laudabile"). Een abces vormt echter een moeilijk toegankelijke reservoir voor immuuncellen en antibiotica, en vereist daarom chirurgische interventie voor evacuatie ("ubi pus, ibi evacua") [11](#page=11). ### 2.5 Complicaties: septische shock Massale systemische inflammatoire reacties, vaak veroorzaakt door een grote hoeveelheid circulerende bacteriën, kunnen leiden tot levensbedreigende septische shock. Kenmerken zijn systemische vasodilatatie met bloeddrukdaling, diffuse intravasculaire stolling, capillaire lekkage en multiorgaanfalen. Experimenteel kan septische shock worden uitgelokt door intraveneuze injectie van LPS [12](#page=12). Risicogroepen voor sepsis zijn patiënten met verminderde klaring, zoals asplenie, neutropenie of deficiënties in het complementsysteem of antilichaamproductie. Behandelingen met anti-cytokine antistoffen (bv. anti-TNF, anti-IL6) hebben tot op heden onvoldoende effectiviteit getoond [12](#page=12). * * * # Diagnostiek en behandeling van E. coli infecties Deze sectie bespreekt de methoden voor het diagnosticeren van E. coli infecties, afhankelijk van het type infectie (urinewegen, diarree, diepe infecties, chronische wonden), en zet de behandeling uiteen, inclusief de rol van antibiotica, chirurgische interventies en supportieve zorg. ### 3.1 Diagnostiek van E. coli infecties De diagnostiek van E. coli infecties is afhankelijk van het type infectie en het type biologisch staal dat wordt afgenomen [23](#page=23). #### 3.1.1 E. coli en urineweginfecties Urine wordt beschouwd als een type II staal, wat betekent dat contaminatie met bacteriën uit de omgeving (urethra, vulva, glans) mogelijk is tijdens de afname. Zorgvuldige afname is daarom essentieel. Bij de kweek van urine wordt kwantitatief gemeten en worden alleen uropathogene bacteriën gezocht en gerapporteerd. De drempelwaarde voor een positieve kweek hangt af van de afnamemethode, het geslacht van de patiënt (minder contaminatie bij mannen) en de aanwezigheid van symptomen (hogere drempel bij asymptomatische patiënten) [23](#page=23). #### 3.1.2 E. coli en diarree Feces is een type III staal, wat betekent dat er altijd bacteriën aanwezig zijn. Het laboratorium moet weten welke bacteriën diarree veroorzaken en hoe deze te herkennen, meestal met behulp van selectieve bodems. Enteropathogene E. coli stammen kunnen in de praktijk moeilijk worden onderscheiden van 'commensale' stammen zonder moleculaire technieken, wat de diagnose van diarree door E. coli bemoeilijkt in vergelijking met andere verwekkers [23](#page=23). #### 3.1.3 E. coli en diepe infecties Bij diepe infecties zoals abcessen en cholecystitis (type I) is er vaak geen staal beschikbaar, tenzij er een operatie plaatsvindt. Voor meningitis en artritis kan materiaal voor kweek worden verkregen door punctie. Hemoculturen kunnen de verwekker soms detecteren, hoewel deze kwetsbaar zijn voor contaminatie door huidbacteriën tijdens de afname [23](#page=23). #### 3.1.4 E. coli in chronische wonden Chronische wonden zijn vaak gecontamineerd met diverse bacteriën, waaronder E. coli. De aanwezigheid van E. coli in een chronische wond betekent niet automatisch dat deze een infectie veroorzaakt en dus behandeld moet worden [23](#page=23). #### 3.1.5 Moleculaire en serologische diagnostiek Een oudere methode om E. coli stammen te onderscheiden is serotypering op basis van O (somatisch), H (flagellair) en K (kapsel) antigenen. Serotypes waren in het verleden geassocieerd met pathotypes, maar dit verband blijkt minder duidelijk dan gedacht. Tegenwoordig worden ook moleculaire technieken gebruikt voor stamdifferentiatie. Voor Shiga-toxine producerende E. coli (STEC) is de diagnose vaak gebaseerd op het aantonen van de toxines in feces of in gekweekte stammen met moleculaire technieken, meestal in een referentielaboratorium [19](#page=19) [24](#page=24). ### 3.2 Behandeling van E. coli infecties De behandeling van E. coli infecties omvat antibiotica, chirurgische interventies en supportieve zorg [25](#page=25). #### 3.2.1 Antibiotherapie * **Algemeenheden:** De gevoeligheid van E. coli voor antibiotica is in de loop der tijd afgenomen door toenemende resistentie. De antibioticumdruk en kans op overdracht (bv. nosocomiale) beïnvloeden de resistentie [25](#page=25). * **Niet behandelen met antibiotica:** In sommige gevallen is antibiotische behandeling niet geïndiceerd. Dit geldt voor asymptomatische bacteriurie en de meeste gevallen van diarree. Bij STEC-infecties kunnen antibiotica zelfs leiden tot meer complicaties. Hoewel bij Salmonella gasto-enteritis antibiotica soms nodig zijn, zijn neomacroliden hiervoor een optie vanwege goede concentraties in de darm en effectiviteit tegen intracellulaire bacteriën, in tegenstelling tot bijvoorbeeld bèta-lactams [19](#page=19) [25](#page=25). * **Menginfecties:** Bij infecties zoals abcessen in de buikholte of peritonitis is er vaak sprake van menginfecties met meerdere bacteriën. De keuze van het antibioticum houdt hier rekening mee, conform richtlijnen zoals BAPCOC [25](#page=25). ##### 3.2.1.1 Gevoeligheid van E. coli voor antibiotica De tabel toont een vergelijking van de gevoeligheid van E. coli voor verschillende antibiotica in urinestalen van vrouwen in de huisartsenpraktijk (1995 vs. 2014) en van ziekenhuispatiënten (recent opgenomen vs. langer opgenomen). Hieruit blijkt een stijgende resistentie voor een aantal antibiotica [26](#page=26). AntibioticaUrine vrouwen (Huisarts, 1995)Urine vrouwen (Huisarts, 2014)UZ-Gent (Patiënten < 5 dagen)UZ-Gent (Patiënten > 5 dagen)Amoxycilline73563526Cotrimoxazol83775756Ofloxacine99867264Furadantine\*1001009797Fosfomycine\*\_1009898Gentamycine\_909389Temocilline \[S1009791\_Amoxycilline-clavulaanzuur \[S938271\_Ceftriaxone \[s978382\_Piperacilline-tazobactam \[S989898\_Meropenem \[S10099.899.8\_ \* alleen voor cystitis [26](#page=26). \[S: niet getest, als gevoelig beschouwd [26](#page=26). #### 3.2.2 Heelkundige behandeling Chirurgische interventies omvatten het draineren van abcessen, het verwijderen van pus en necrotisch weefsel, en het herstellen van de anatomie om onderliggende afwijkingen te corrigeren en de ontstekingshaard te stoppen [25](#page=25). #### 3.2.3 Supportieve behandeling Bij zeer ernstige infecties kan er een impact zijn op de bloeddruk en orgaanfuncties. Deze moeten worden ondersteund met passende therapieën zoals het handhaven van de bloeddruk, beademing en nierdialyse [25](#page=25). ### 3.3 Reservoirs en transmissie van pathogene E. coli Pathogene E. coli stammen kunnen in diverse dierlijke reservoirs voorkomen en zich daartussen verspreiden. Fecale materie kan voedsel, irrigatiewater of recreatief/drinkwater contamineren. Mensen kunnen blootgesteld worden na inname van gecontamineerd voedsel of water, of via direct contact met gekoloniseerde dieren. Secundaire transmissie kan optreden tussen mensen, vaak in kinderdagverblijven of verzorgingstehuizen. Voedsel kan gecontamineerd raken door slechte kookpraktijken (bv. onvoldoende doorbakken vlees) of door asymptomatische of symptomatische voedselbereiders bij onvoldoende handhygiëne. Contaminatie van recreatief of drinkwater kan gebeuren door blootstelling aan menselijk rioolwater. Dit schema beschrijft faeco-orale transmissie van E. coli als verwekker van diarree, een patroon dat voor veel andere verwekkers van gastro-intestinale infecties vergelijkbaar is [16](#page=16). ### 3.4 Specifieke E. coli pathotypes #### 3.4.1 Shiga-toxine producerende E. coli (STEC) Naast specifieke adhesines bezitten STEC-stammen Shiga-toxine en mogelijk andere genen of een pathositeitseiland dat via bacteriofaag of plasmide wordt overgedragen. Enterohemorragische E. coli (EHEC) en verotoxine producerende E. coli (VTEC) zijn nagenoeg synoniemen. De klinische presentatie varieert van gewone diarree tot bloederige diarree, al dan niet gecompliceerd door hemolytisch uremisch syndroom (HUS) [19](#page=19). * **Eerste fase:** Diarree, vaak bloederig, als gevolg van lokale celschade door het toxine [19](#page=19). * **Tweede fase (7-10 dagen later):** Complicaties door de werking van het toxine op diverse cellen, waaronder niercellen, leidend tot trombocytopenie, hemolytische anemie en acute nierinsufficiëntie. Er worden geen bacteriën aangetroffen op de plaats van deze letsels, aangezien het toxine op afstand van de infectiehaard werkt [19](#page=19). Een bekende STEC is \_E. coli O157:H7, maar niet alle stammen van dit serotype zijn pathogeen en diverse andere stammen kunnen dezelfde ziekte veroorzaken. Deze \_E. coli (O157) was sterk geassocieerd met rundvee en -vlees, wat een grote impact heeft gehad op voedselveiligheidsmanagement (bv. hamburgerketens waar kleine aantallen bacteriën kunnen overleven indien het voedsel niet volledig gaar is) [19](#page=19). ##### 3.4.1.1 Laboratoriumdiagnostiek van STEC De diagnose wordt niet zozeer gesteld door het opzoeken van typische serotypes, maar door het aantonen van de toxines in feces of in gekweekte E. coli stammen met moleculaire technieken, voornamelijk in referentielaboratoria [19](#page=19).

| Term | Definition | |------|------------| | Extracellulaire pathogenen | Micro-organismen die buiten de lichaamscellen infecties veroorzaken en zich voornamelijk in de lichaamsvloeistoffen of weefselruimtes bevinden. | | Pyogene bacteriën | Bacteriën die ettervorming (pus) veroorzaken, wat een kenmerk is van veel bacteriële infecties die leiden tot ontsteking en weefselbeschadiging. | | Primo-infectie | De eerste infectie met een bepaald pathogeen in een organisme dat nog geen immuniteit heeft opgebouwd tegen dat specifieke agens. | | Pathologie | De studie van ziekten, inclusief de oorzaken, mechanismen, symptomen en gevolgen van ziekteprocessen op cellulair, weefsel- en orgaanniveau. | | E. Coli | Een veelvoorkomende bacteriesoort, Escherichia coli, die normaal gesproken deel uitmaakt van de darmflora maar onder bepaalde omstandigheden pathogeen kan worden. | | Overdracht | Het proces waarbij een ziekteverwekker van de ene gastheer naar de andere wordt verspreid, via verschillende mechanismen zoals direct contact, druppeltjes of indirect contact met besmette objecten. | | Ingangspoort | De specifieke locatie in het lichaam waar een pathogeen het lichaam binnendringt om een infectie te veroorzaken, bijvoorbeeld de luchtwegen, het spijsverteringskanaal of de huid. | | Incubatieperiode | De tijdspanne tussen de blootstelling aan een ziekteverwekker en het optreden van de eerste symptomen van de ziekte. | | Aangeboren immuniteit | De niet-specifieke, eerstelijnsverdediging van het immuunsysteem die direct na blootstelling aan een pathogeen wordt geactiveerd en geen eerdere blootstelling vereist. | | Virulentie | De mate waarin een pathogeen in staat is om een ziekte te veroorzaken, gemeten aan de hand van de ernst van de ziekte en de kans op infectie na blootstelling. | | Symptomatologie | De studie en beschrijving van de symptomen die kenmerkend zijn voor een bepaalde ziekte of aandoening. | | Laboratoriumdiagnostiek | Het gebruik van laboratoriumtests en -analyses om ziekten te identificeren, te diagnosticeren en te monitoren, bijvoorbeeld door middel van bloedonderzoek of kweek van lichaamsmaterialen. | | Acute bacteriële infectie | Een infectie veroorzaakt door bacteriën die plotseling en vaak ernstig optreedt, met een relatief korte duur. | | Natuurlijk verloop | De typische progressie van een ziekte vanaf de initiële infectie tot het herstel, de chronische fase of de dood, zonder specifieke medische interventie. | | Complicaties | Secundaire ziekten of aandoeningen die zich ontwikkelen als gevolg van een reeds bestaande ziekte of behandeling, en die de toestand van de patiënt kunnen verergeren. | | Pathogeen vermogen | Het vermogen van een micro-organisme om ziekte te veroorzaken bij een gastheer, afhankelijk van factoren zoals virulentie en de afweer van de gastheer. | | S. aureus | Staphylococcus aureus, een bacteriesoort die verschillende infecties kan veroorzaken, variërend van huidinfecties tot ernstige systemische aandoeningen. | | S. pyogenes | Streptococcus pyogenes, een bacteriesoort die keelontsteking, huidinfecties en ernstigere aandoeningen zoals roodvonk en sepsis kan veroorzaken. | | Conditionele infecties | Infecties die alleen optreden wanneer de afweermechanismen van de gastheer verzwakt zijn of wanneer er specifieke omstandigheden zijn die de groei van het micro-organisme bevorderen. | | Commensale flora | Micro-organismen die normaal gesproken op of in het lichaam van een gastheer leven zonder ziekte te veroorzaken, en die zelfs voordelen kunnen bieden, zoals bescherming tegen pathogene micro-organismen. | | Barrières | Fysieke, chemische of biologische mechanismen in het lichaam die voorkomen dat pathogenen het lichaam binnendringen en infecties veroorzaken, zoals de huid, slijmvliezen, maagzuur en het immuunsysteem. | | Genoom | Het volledige DNA-gehalte van een organisme, dat alle genetische informatie bevat die nodig is voor de groei, ontwikkeling en voortplanting. | | Pathogenicity islands (PAIs) | Specifieke groepen genen binnen het genoom van een pathogeen die verantwoordelijk zijn voor virulente eigenschappen en die vaak door horizontale genoverdracht zijn verkregen. | | Uropathogene stammen | E. coli stammen die specifiek urineweginfecties veroorzaken, vaak door zich te hechten aan het uroteeltel. | | Enteropathogene stammen | E. coli stammen die infecties van het maag-darmkanaal veroorzaken, leidend tot diarree en andere gastro-intestinale symptomen. | | Afvoerwegen | Structuren die vloeistoffen uit het lichaam transporteren, zoals de urinewegen of galwegen. | | Cholecystitis | Ontsteking van de galblaas, vaak veroorzaakt door bacteriële infectie. | | Maceratie | Het verzachten en afbreken van weefsel door langdurige blootstelling aan vocht. | | Intertrigo | Huiduitslag die ontstaat in huidplooien door wrijving, vocht en warmte, vaak gecompliceerd door bacteriële of schimmelinfecties. | | Otitis externa | Ontsteking van de uitwendige gehoorgang. | | Peritonitis | Ontsteking van het buikvlies (peritoneum), vaak veroorzaakt door bacteriële infectie na buikoperaties of perforatie van een orgaan. | | Buikabces | Een ophoping van pus in de buikholte, vaak als complicatie van buikinfecties. | | Postoperatieve wondinfectie | Een infectie die optreedt in een chirurgische wond na een operatie. | | Menginfecties | Infecties veroorzaakt door twee of meer verschillende micro-organismen die samenwerken om de infectie te veroorzaken of te verergeren. | | Metastatische infecties | Infecties die zich verspreiden vanuit een primaire infectiehaard naar andere delen van het lichaam via de bloedbaan of lymfestelsel. | | Meningitis | Ontsteking van de hersenvliezen, de beschermende membranen rond de hersenen en het ruggenmerg. | | Artritis | Ontsteking van een gewricht. | | O-antigenen | Lipopolysacchariden aan de buitenkant van gramnegatieve bacteriën die de immuniteit kunnen beïnvloeden. | | K-antigenen | Kapselantigenen die de virulentie van bacteriën kunnen beïnvloeden door fagocytose te weerstaan. | | Cytokines | Kleine eiwitten die signalen afgeven tussen cellen van het immuunsysteem en andere cellen, en die een rol spelen bij ontsteking, immuunrespons en weefselherstel. | | Chemokines | Een specifieke klasse van cytokines die chemoattractie van immuuncellen veroorzaken naar de plaats van ontsteking of infectie. | | Interleukines (IL) | Een groep cytokines die voornamelijk worden geproduceerd door leukocyten en die een belangrijke rol spelen bij de communicatie en regulatie van immuunreacties. | | Inflammatie | Een lokale reactie van het lichaam op letsel of infectie, gekenmerkt door roodheid, zwelling, warmte en pijn. | | Koorts | Een verhoging van de lichaamstemperatuur boven het normale bereik, vaak als reactie op infectie of ontsteking. | | Cardiovasculaire shock | Een levensbedreigende toestand waarbij de bloeddruk gevaarlijk laag wordt, waardoor vitale organen niet voldoende zuurstof krijgen. | | Granulocytose | Een verhoging van het aantal granulocyten (een type witte bloedcel) in het bloed, vaak als reactie op infectie. | | Acute fase eiwitten | Eiwitten in het bloed waarvan de concentratie verandert tijdens een acute fase van ontsteking of infectie, zoals C-reactief proteïne (CRP). | | Macrophages | Grote, fagocyterende cellen van het immuunsysteem die lichaamsvreemde deeltjes, zoals bacteriën, opruimen en een rol spelen bij het activeren van andere immuuncellen. | | Pathogen Recognition Receptors (PRRs) | Receptoren op immuuncellen die moleculaire patronen herkennen die geassocieerd zijn met pathogenen (PAMPs), zoals lipopolysaccharide (LPS) op gramnegatieve bacteriën. | | TLRs | Toll-like receptors, een belangrijke klasse van PRRs die een cruciale rol spelen bij de herkenning van bacteriële componenten en de initiatie van immuunreacties. | | LPS | Lipopolysaccharide, een belangrijk bestanddeel van de celwand van gramnegatieve bacteriën dat een sterke immuunrespons kan uitlokken. | | TLR4/CD14 complex | Een receptorcomplex op immuuncellen dat LPS detecteert en een signaaltransductieketen activeert die leidt tot ontstekingsreacties. | | Fagocyteren | Het proces waarbij cellen van het immuunsysteem, zoals macrofagen en neutrofielen, ziekteverwekkers en celresten opnemen en vernietigen. | | T-cellen | Een type witte bloedcel dat een centrale rol speelt in de celgemedieerde immuniteit, inclusief het herkennen en doden van geïnfecteerde cellen en het reguleren van de immuunrespons. | | Th1 hulp | Hulp van T-helpercellen van type 1, die cruciale signalen leveren voor de ontwikkeling van celgemedieerde immuniteit en de activering van macrofagen. | | Cytokines (IL-1, IL-6, IL-8, TNF) | Signaalmoleculen die de inflammatoire respons moduleren; IL-1 en TNF spelen een rol bij koorts en ontstekingen, IL-6 bij acute fase reacties, en IL-8 is een chemoattractant voor neutrofielen. | | Prostaglandines | Lipide mediatoren die een rol spelen bij ontsteking, pijn en koorts. | | Complement | Een complex systeem van eiwitten in het bloed dat een belangrijke rol speelt bij de afweer tegen infecties, door bacteriën te lyseeren, fagocytose te bevorderen en ontstekingen te mediëren. | | Histamine | Een stof die vrijkomt uit mestcellen en basofielen, en die een rol speelt bij allergische reacties en ontsteking door vasodilatatie en verhoogde vasculaire permeabiliteit te veroorzaken. | | Vasculaire permeabiliteit | De mate waarin de wanden van bloedvaten doorlaatbaar zijn voor vloeistoffen, cellen en moleculen; verhoogde permeabiliteit leidt tot zwelling (oedeem). | | Vasodilatatie | Verwijding van bloedvaten, wat leidt tot verhoogde bloedtoevoer naar een bepaald gebied en kan bijdragen aan roodheid en warmte tijdens ontsteking. | | Tumor | Zwelling, een van de klassieke tekenen van ontsteking, veroorzaakt door vochtophoping. | | Rubor | Roodheid, een klassiek teken van ontsteking, veroorzaakt door verhoogde bloedtoevoer naar het getroffen gebied. | | Calor | Warmte, een klassiek teken van ontsteking, veroorzaakt door verhoogde bloedtoevoer en verhoogde metabole activiteit. | | Dolor | Pijn, een klassiek teken van ontsteking, veroorzaakt door stimulatie van pijnreceptoren. | | Functio laesa | Beperking van de functie, een klassiek teken van ontsteking, waarbij de normale werking van het getroffen weefsel of orgaan is aangetast. | | Fagocytose | Het proces waarbij immuuncellen ziekteverwekkers of celresten opnemen en vernietigen. | | Opsonisatie | Het proces waarbij pathogenen worden bedekt met eiwitten, zoals antilichamen en complementfactoren, wat hun fagocytose door immuuncellen vergemakkelijkt. | | Lyse | Het afbreken of vernietigen van een cel, bijvoorbeeld door het complement systeem of antibiotica. | | Antilichamen | Eiwitten geproduceerd door B-cellen die specifiek binden aan antigenen op pathogenen, wat helpt bij hun neutralisatie of eliminatie. | | Acute fase eiwitsynthese | Het verhoogde productieproces van acute fase eiwitten door de lever onder invloed van pro-inflammatoire cytokines, wat bijdraagt aan de immuunrespons. | | CRP | C-reactief proteïne, een acute fase eiwit dat stijgt bij ontsteking en infectie en helpt bij de activatie van het complement systeem en fagocytose. | | Interferon | Een groep eiwitten die door cellen worden geproduceerd als reactie op virale infecties en die de antivirale respons van naburige cellen kunnen induceren. | | Autofagie | Een cellulair proces waarbij de cel haar eigen beschadigde componenten of overtollige eiwitten afbreekt en recycleert, wat ook een rol kan spelen bij de afweer tegen intracellulaire pathogenen. | | IgG antilichamen | Immunoglobuline G, het meest voorkomende type antilichaam in het bloed, dat een cruciale rol speelt bij de langetermijnimmuniteit tegen pathogenen. | | IgA antilichamen | Immunoglobuline A, antilichamen die voornamelijk worden gevonden in slijm, tranen en speeksel, en die een belangrijke rol spelen bij de bescherming van slijmvliezen tegen infecties. | | Neutrofielen | Een type witte bloedcel dat een primaire rol speelt bij de bestrijding van bacteriële infecties door middel van fagocytose en de afgifte van antimicrobiële stoffen. | | NETosis | Een proces waarbij neutrofielen hun kernmateriaal vrijgeven in de vorm van extracellulaire DNA-netwerken (NETs) om pathogenen te vangen en te doden. | | Oxidatieve burst | De snelle productie van reactieve zuurstofsoorten (ROS) door fagocyterende cellen zoals neutrofielen, die essentieel is voor het doden van bacteriën. | | Linksverschuiving | Een toename van onrijpe witte bloedcellen (zoals staven en metamyelocyten) in het bloed, wat wijst op een verhoogde productie van deze cellen door het beenmerg als reactie op infectie of ontsteking. | | Thrombozythosis | Een verhoging van het aantal bloedplaatjes (trombocyten) in het bloed, wat kan optreden als reactie op ontsteking of infectie. | | Transferrine | Een eiwit dat ijzer in het bloed transporteert; de concentratie ervan kan dalen tijdens acute fase reacties, waardoor het ijzer minder beschikbaar is voor bacteriën. | | Serumijzer | De concentratie van ijzer in het serum (vloeibare deel van het bloed), die kan dalen tijdens acute fase reacties om de groei van bacteriën te beperken. | | Bloedbezinking (ESR) | Erythrocyte sedimentation rate, een maat voor de snelheid waarmee rode bloedcellen bezinken in een staal bloed; een verhoogde ESR is een aspecifieke indicator van ontsteking. | | Abces | Een gelokaliseerde ophoping van pus in een weefsel of orgaan, veroorzaakt door een infectie. | | Granulocyten | Een groep witte bloedcellen die korrels in hun cytoplasma bevatten, waaronder neutrofielen, eosinofielen en basofielen, die een rol spelen bij de immuunrespons. | | Ettercollecties | Ophopingen van pus, bestaande uit dode witte bloedcellen, bacteriën en weefselresten. | | Empyeem | Een ophoping van pus in een lichaamsholte, zoals de pleuraholte of de buikholte. | | Ubi pus, ibi evacua | Latijnse uitdrukking die betekent "waar pus is, daar evacueer het", wat het belang van drainage van abcessen benadrukt. | | Septische shock | Een levensbedreigende toestand die wordt veroorzaakt door een ernstige infectie, waarbij de bloeddruk gevaarlijk daalt en orgaanfalen kan optreden. | | Diffuse intravasculaire stolling (DIC) | Een ernstige aandoening waarbij bloedstolsels zich vormen in kleine bloedvaten door het hele lichaam, wat kan leiden tot orgaanbeschadiging en bloedingen. | | Capillaire lek | Verhoogde doorlaatbaarheid van de haarvaten, waardoor vloeistof en eiwitten uit de bloedbaan in de weefsels lekken, wat kan bijdragen aan shock en oedeem. | | Multiple orgaan falen (MOF) | Het falen van twee of meer vitale organen, vaak als complicatie van ernstige ziekte, zoals sepsis. | | LPS intraveneus | Toediening van lipopolysaccharide (LPS) rechtstreeks in de bloedbaan, wat kan leiden tot een ernstige inflammatoire reactie en shock. | | Asplenie | Het ontbreken van de milt of het functioneren ervan, wat de vatbaarheid voor bepaalde infecties verhoogt, met name door gekapselde bacteriën. | | Neutropenie | Een tekort aan neutrofielen in het bloed, wat de vatbaarheid voor bacteriële infecties verhoogt. | | Complement- of antilichaamdeficiënties | Aandoeningen waarbij het immuunsysteem tekortschiet in de productie of functie van complementfactoren of antilichamen, wat leidt tot verhoogde vatbaarheid voor infecties. | | Anti-TNF, anti-IL6, anti-HMGB antistoffen | Medicijnen die specifiek ontstekingsmediatoren (zoals TNF, IL-6) of andere moleculen (HMGB) blokkeren, gebruikt bij de behandeling van ernstige ontstekingsreacties. | | Adhesines | Moleculen op het oppervlak van bacteriën die hen helpen zich te hechten aan gastheercellen of weefsels. | | Hemolysine | Een toxine geproduceerd door sommige bacteriën dat rode bloedcellen kan afbreken (hemolyse). | | Sideroforen | Moleculen geproduceerd door bacteriën om ijzer uit de omgeving op te nemen, wat essentieel is voor hun groei. | | Endotoxine | Een toxine dat deel uitmaakt van de celwand van gramnegatieve bacteriën (LPS) en dat een krachtige immuunrespons kan veroorzaken. | | Uro-pathogenen | Micro-organismen die specifiek urineweginfecties veroorzaken. | | Enteropathogenen | Micro-organismen die infecties van het maag-darmkanaal veroorzaken. | | Colonization factors (CFs) | Factoren op het oppervlak van bacteriën die hun vermogen om zich aan gastheercellen te hechten en te koloniseren verbeteren. | | Enterotoxines | Toxines geproduceerd door bacteriën die water- en zoutverlies in de darmen veroorzaken, leidend tot diarree. | | Cholera toxine | Een krachtig enterotoxine geproduceerd door Vibrio cholerae, dat ernstige waterige diarree veroorzaakt door de actieve secretie van ionen en water in de darmen. | | Biofilms | Gemeenschappen van micro-organismen die aan een oppervlak zijn gehecht en ingebed in een zelfgeproduceerde extracellulaire matrix, wat hen beschermt tegen antibiotica en immuunrespons. | | Mucosa | Het slijmvlies dat de binnenkant van lichaamsholtes bedekt, zoals de darm, de luchtwegen en de urinewegen. | | Aggregative adherence (AA) | Een patroon van bacteriële hechting waarbij bacteriën zich aan elkaar en aan het celoppervlak hechten, waardoor aggregaten ontstaan, vaak gezien bij enteropathogene E. coli. | | Diffuse adherence (DA) | Een patroon van bacteriële hechting waarbij bacteriën zich gelijkmatig verspreiden over het celoppervlak zonder aggregatie. | | Adherent invasive E. coli (AIEC) | Een subtype van E. coli dat intestinale epitheelcellen kan binnendringen en zich daarin vermenigvuldigen, en dat geassocieerd is met inflammatoire darmziekten. | | Enteroinvasieve E. coli (EIEC) | Een subtype van E. coli dat de darmmucosa kan binnendringen, vergelijkbaar met Shigella, en invasieve infecties veroorzaakt. | | M-cellen | Gespecialiseerde epitheelcellen in de darm die een rol spelen bij de opname van antigenen uit het darmlumen en de presentatie ervan aan immuuncellen. | | Submucosa | De laag weefsel onder het epitheel van de darmwand, die bloedvaten, zenuwen en lymfatisch weefsel bevat. | | Colonocytes | De belangrijkste celtypen van de darmepitheel. | | Shiga toxin-producing E. coli (STEC) | E. coli stammen die Shiga toxine produceren, wat ernstige gastro-intestinale ziekten kan veroorzaken, waaronder hemolytisch-uremisch syndroom (HUS). | | EHEC (enterohemorragische E. coli) | Een subtype van E. coli dat bloederige diarree veroorzaakt en geassocieerd is met het Shiga toxine. | | VTEC (verotoxigene E. coli) | Verotoxigene E. coli, een synoniem voor STEC, omdat het verotoxine produceert dat vergelijkbaar is met Shiga toxine. | | Hemolytisch uremisch syndroom (HUS) | Een ernstige complicatie van infecties met STEC, gekenmerkt door hemolytische anemie, nierfalen en lage bloedplaatjesaantallen. | | Trombocytopenie | Een laag aantal bloedplaatjes in het bloed. | | Hemolytische anemie | Een aandoening waarbij rode bloedcellen sneller worden afgebroken dan ze kunnen worden aangemaakt. | | Acute nierinsufficiëntie | Plotseling verlies van nierfunctie. | | Globotriaosylceramide (Gb3) receptor | Een receptor op de oppervlakte van cellen, met name op endotheelcellen in de nieren, waaraan Shiga toxine bindt om celschade te veroorzaken. | | Nierdialyse | Een medische behandeling om de functie van falende nieren te vervangen door kunstmatige middelen. | | Niertransplantatie | Chirurgische vervanging van een zieke nier door een gezonde nier van een donor. | | Enteroaggregative E. coli (EAEC) | Een subtype van E. coli dat zich aggregeert op de darmmucosa en diarree kan veroorzaken, en dat in sommige gevallen ook Shiga toxine kan produceren. | | Enterotoxigenic E. coli (ETEC) | Een subtype van E. coli dat enterotoxines produceert, wat leidt tot waterige diarree, een veelvoorkomende oorzaak van reizigersdiarree. | | Enteropathogenic E. coli (EPEC) | Een subtype van E. coli dat zich aan de darmepitheelcellen hecht en de microvili kan beschadigen, wat leidt tot diarree, vooral bij jonge kinderen. | | Diffusely adherent E. coli (DAEC) | Een subtype van E. coli dat zich diffuus aan het darmepitheel hecht en diarree kan veroorzaken. | | Fenegriek-zaadjes | Zaden van de fenegriekplant, die gebruikt worden als specerij en soms als rauwkost. | | Type II staal | Een lichaamsvloeistof of afscheiding die normaal gesproken enige bacteriële contaminatie kan bevatten, zoals urine, waardoor kwantitatieve analyse en zorgvuldige interpretatie vereist zijn. | | Kwantitatieve kweek | Een laboratoriummethode om het exacte aantal bacteriën in een monster te bepalen. | | Asymptomatische bacteriurie | De aanwezigheid van bacteriën in de urine zonder dat er symptomen van een urineweginfectie optreden. | | Type III staal | Een lichaamsmateriaal dat van nature een grote hoeveelheid bacteriën bevat, zoals feces, waardoor de identificatie van pathogenen uit de normale flora bemoeilijkt kan worden. | | Moleculaire technieken | Laboratoriummethoden die gebaseerd zijn op de analyse van DNA of RNA, zoals PCR, om micro-organismen te identificeren en te karakteriseren. | | Referentielabo | Een gespecialiseerd laboratorium dat geavanceerde diagnostische tests uitvoert en wordt geraadpleegd voor complexe of ongebruikelijke gevallen. | | Type I staal | Een steriel lichaamsvloeistof of weefsel dat normaal gesproken geen bacteriën bevat, zoals bloed of cerebrospinale vloeistof. | | Hemoculturen | Een bloedkweek om de aanwezigheid van bacteriën of schimmels in het bloed te detecteren. | | Serotypering | Een methode om bacteriële stammen te classificeren op basis van hun antigenen, zoals de O-, H- en K-antigenen. | | Pathotypen | Bacteriële stammen die specifieke ziektebeelden veroorzaken, vaak gerelateerd aan hun genetische samenstelling en virulente eigenschappen. | | Antibiotherapie | De behandeling van infecties met antibiotica. | | Resistentie | Het vermogen van bacteriën om de effecten van antibiotica te weerstaan, waardoor de antibiotica minder effectief worden. | | Nosocomiale overdracht | De overdracht van infecties binnen een gezondheidszorgomgeving, zoals een ziekenhuis. | | Asymptomatische bacteriurie | De aanwezigheid van bacteriën in de urine zonder dat er symptomen van een urineweginfectie optreden. | | STEC infecties | Infecties veroorzaakt door Shiga toxine-producerende E. coli (STEC), die soms verergeren na toediening van antibiotica. | | Salmonella gasto-enteritis | Een infectie van het maag-darmkanaal veroorzaakt door Salmonella-bacteriën. | | Neomacroliden | Een klasse van antibiotica die soms wordt gebruikt voor de behandeling van intracellulaire bacteriën, zoals Salmonella, omdat ze goed doordringen in cellen. | | MICs | Minimale Inhibitorische Concentraties, de laagste concentratie van een antibioticum die de zichtbare groei van een bacterie remt. | | BAPCOC richtlijnen | Richtlijnen van de Belgische Vereniging voor Apothekers, Klinisch Chemie en Klinische Biologie, die aanbevelingen geven voor de keuze van antibiotica bij infecties. | | Heelkundige behandeling | Behandeling die chirurgische ingrepen omvat, zoals het draineren van abcessen of het herstellen van beschadigde anatomie. | | Supportieve behandeling | Behandeling gericht op het ondersteunen van de lichaamsfuncties tijdens een ernstige ziekte, zoals het handhaven van de bloeddruk of het bieden van ventilatie. | | Cystitis | Ontsteking van de blaas. | | UZ-Gent | Universitair Ziekenhuis Gent. | | Temocilline | Een bèta-lactam antibioticum dat gebruikt wordt voor de behandeling van infecties met gramnegatieve bacteriën. | | Amoxycilline-clavulaanzuur | Een combinatieantibioticum dat amoxycilline (een penicilline) combineert met clavulaanzuur, een bèta-lactamase-remmer, waardoor het effectiever is tegen resistentere bacteriën. | | Ceftriaxone | Een derde generatie cefalosporine antibioticum met een breed spectrum aan activiteit tegen grampositieve en gramnegatieve bacteriën. | | Piperacilline-tazobactam | Een combinatie van een breedspectrum penicilline met een bèta-lactamase-remmer, effectief tegen veel grampositieve en gramnegatieve bacteriën, inclusief Pseudomonas aeruginosa. | | Meropenem | Een carbapenem antibioticum, een van de breedspectrum antibiotica met de hoogste activiteit tegen een breed scala aan bacteriën, inclusief multiresistente stammen. |

# Vergelijking tussen bacteriën en eukaryoten Dit onderwerp belicht de fundamentele verschillen en overeenkomsten tussen bacteriële en eukaryote cellen op het gebied van grootte, celwandstructuur, genetisch materiaal en interne organellen. ### 1.1 Afmetingen Bacteriën zijn over het algemeen veel kleiner dan eukaryote cellen. De meeste bacteriën hebben een afmeting van minder dan 10 micrometer ($\mu$m), met een typische grootte rond de 2 $\mu$m. Eukaryote cellen daarentegen zijn groter dan 5 $\mu$m en kunnen veel groter zijn. Dit verschil in grootte betekent dat bacteriën doorgaans alleen microscopisch bekeken kunnen worden [11](#page=11). ### 1.2 Celwandstructuur Er zijn significante verschillen in de celwandstructuur tussen bacteriën en eukaryoten. Het plasmamembraan is een fosfolipide bilayer in beide celtypen. Echter, de aanwezigheid en samenstelling van de celwand variëren. Bij bacteriën is een celwand vaak aanwezig, soms aangevuld met een kapsel. Uitzonderingen hierop zijn *Mycoplasma* en *Ureaplasma* soorten, die geen celwand bezitten. Bij eukaryoten ontbreekt een celwand in het dierenrijk (Animalia). Sommige antibiotica (AB) richten zich specifiek op de celwandstructuren van bacteriën, waardoor deze worden afgebroken of de vorming ervan wordt verhinderd, wat leidt tot celdood. Het effect van het antibioticum hangt af van de specifieke componenten waarop het werkt [12](#page=12). ### 1.3 Kernmembraan Een cruciaal onderscheid is de aanwezigheid van een kernmembraan. Eukaryote cellen bezitten een goed gedefinieerd kernmembraan dat het genetisch materiaal omsluit. Bacteriën daarentegen hebben geen kernmembraan; hun genetisch materiaal bevindt zich in een regio genaamd de nucleoïde [13](#page=13). ### 1.4 Genetisch materiaal Bacteriën hebben doorgaans één chromosoom, terwijl eukaryoten meerdere chromosomen bezitten [14](#page=14). ### 1.5 Plasmamembraan en interne structuren Bij bacteriën kan het plasmamembraan invaginaties vertonen, bekend als mesosomen. In tegenstelling hiermee beschikken eukaryoten over intracellulaire, membraanomgeven structuren zoals het Golgi-apparaat en het endoplasmatisch reticulum [15](#page=15) [16](#page=16) [17](#page=17) [18](#page=18). ### 1.6 Gespecialiseerde organellen Bacteriën missen gespecialiseerde organellen voor oxidatieve processen, zoals mitochondriën, en voor fotosynthese, zoals chloroplasten. Deze functies worden in eukaryoten door specifieke organellen uitgevoerd [17](#page=17) [18](#page=18). ### 1.7 Ribosomen Een belangrijk verschil ligt in de ribosomen. Bacteriën hebben 70S ribosomen, terwijl eukaryoten 80S ribosomen bezitten. Dit verschil is van cruciaal belang voor de selectieve werking van bepaalde antibiotica en antimicrobiële middelen, zoals macroliden, tetracyclines en aminoglycosiden. Deze middelen kunnen specifiek gericht zijn tegen de 70S ribosomen van bacteriën, waardoor eiwitsynthese wordt geblokkeerd en de bacteriën worden gedood [18](#page=18). > **Tip:** Het begrijpen van de structurele en functionele verschillen tussen bacteriële en eukaryote cellen is essentieel voor het verklaren van de werking van antibiotica en het begrijpen van microbiële pathogenese. --- # Structuur en morfologie van bacteriën Dit onderdeel behandelt de diverse vormen die bacteriën kunnen aannemen, de samenstelling en functie van hun celwand (inclusief Gram-positieve en Gram-negatieve varianten), en andere structurele elementen zoals flagellen, pili, kapsels en mesosomen [21](#page=21). ### 2.1 Bacteriële vormen (morfologie) Bacteriën vertonen een scala aan microscopisch waarneembare vormen, welke vaak bepaald worden door de celwandstructuur en de aanwezigheid van specifieke appendages [22](#page=22). #### 2.1.1 Gangbare vormen * **Coccen:** Bolvormige bacteriën. Ze kunnen solitair voorkomen, in paren (diplococcen), kettingen (streptococcen), groepen die lijken op druiventrossen (stafylococcen) of vierkantige pakketjes (tetraden) [25](#page=25) [27](#page=27). * **Voorbeeld:** *Streptococcus equi* dat droes bij paarden veroorzaakt, is een Gram-positieve coccus die kettingen vormt. *Staphylococcus aureus* vormt druiventrossen [28](#page=28) [29](#page=29). * **Bacillen:** Staafvormige bacteriën. Ze kunnen kort (coccobacillen) of langwerpig zijn [24](#page=24) [25](#page=25). * **Voorbeeld:** *Clostridium perfringens* is een lange, bacilvormige, sporevormende bacterie. *Escherichia coli* is een Gram-negatieve bacterie [30](#page=30) [32](#page=32). * **Spirocheten:** Gram-negatieve, spiraalvormige en langgerekte bacteriën [25](#page=25). * **Voorbeeld:** *Brachyspira* *Leptospira* [33](#page=33) [34](#page=34). * **Fusiform:** Spoelvormig [24](#page=24). * **Voorbeeld:** *Fusobacterium* [35](#page=35). #### 2.1.2 Afwijkende en speciale vormen * **Actinomyceten:** Gram-positieve bacteriën die vertakte structuren vormen, lijkend op schimmeldraden [25](#page=25) [36](#page=36). * **Mycoplasma en Ureaplasma:** Deze bacteriën hebben geen celwand en zijn daardoor niet te kleuren met een Gram-kleuring. Ze hebben wel een celmembraan die cholesterol bevat [25](#page=25). #### 2.1.3 Grootte Bacteriële grootte varieert aanzienlijk, van minder dan 1 micrometer (µm) tot wel 10-15 µm in lengte. Spirocheten kunnen langer dan 10 µm zijn [38](#page=38). ### 2.2 Bacteriële celwand De celwand is een cruciaal structureel element van bacteriën, essentieel voor hun vorm en overleving. De samenstelling ervan bepaalt mede de Gram-kleuring [22](#page=22). #### 2.2.1 Gram-kleuring De Gram-kleuring is een differentiële kleuring gebaseerd op de chemische samenstelling van de celwand, met name de hoeveelheid peptidoglycaan [22](#page=22). * **Gram-positief:** Kleurt paars/blauw. Deze bacteriën hebben een dikke peptidoglycaanlaag [22](#page=22) [52](#page=52). * **Gram-negatief:** Kleurt rood. Deze bacteriën hebben een dunne peptidoglycaanlaag, omgeven door een buitenmembraan [22](#page=22) [52](#page=52). Het proces omvat het aanbrengen van een kleurstof (kristalviolet), fixatie met jodium, ontkleuring met aceton (waardoor Gram-negatieven hun kleur verliezen), en naderhand tegenkleuring met een rode kleurstof (safranine) [22](#page=22). #### 2.2.2 Peptidoglycaan Peptidoglycaan is een complex polymeer dat de ruggengraat van de bacteriële celwand vormt. Het bestaat uit afwisselende N-acetylglucosamine (NAG) en N-acetylmuraminezuur (NAM) eenheden, versterkt door peptidebruggen. De synthese van peptidoglycaan vindt plaats in het cytoplasma en de inbouw gebeurt door enzymen genaamd Penicilline Binding Proteins (PBPs), zoals transglycolylasen en transpeptidasen. Antibiotica zoals bèta-lactam middelen interfereren met deze synthese, met name de peptidebrugvorming, wat leidt tot cellyse, vooral bij delende cellen [49](#page=49) [53](#page=53) [54](#page=54) [55](#page=55) [56](#page=56) [57](#page=57). #### 2.2.3 Celwand van Gram-positieve bacteriën * **'Gewone' Gram-positieven:** Bestaan voornamelijk uit een dikke laag peptidoglycaan. Daarbovenop bevinden zich eiwitten (zoals adhesines) en lipoteichoïnezuren (LT) en teichoïnezuren (T) [52](#page=52) [63](#page=63). * **Lipoteichoïnezuren:** Bevatten lipiden en glycerofosfaateenheden, verankerd in de plasmamembraan met lange ketens die door de peptidoglycaanlaag lopen. Ze spelen een rol als oppervlakte antigenen, stabiliseren de celwand, en kunnen bijdragen aan adhesie en het opwekken van ontstekingsreacties. Ze kunnen ook 'toxische' eigenschappen hebben en bijdragen aan algemene ziektetekens door interactie met Toll-like receptoren (TLRs) op immuuncellen [63](#page=63) [64](#page=64) [65](#page=65) [66](#page=66) [67](#page=67). * **Teichoïnezuren:** Vergelijkbaar met LT, maar zonder de lipideanker in de plasmamembraan [63](#page=63). * **'Bijzondere' Gram-positieven (Actinobacteria):** Zoals *Mycobacterium*, *Corynebacterium*, *Nocardia*, en *Rhodococcus equi*. Deze hebben een unieke celwandopbouw [68](#page=68): 1. Peptidoglycaan (dunne laag) [68](#page=68). 2. Myco-membraan (lipidenrijk, o.a. mycolaten) [68](#page=68). 3. Eiwitten (bv. lipoproteïnen) [68](#page=68). 4. Lipo-glycaan (bv. Lipoarabinomannan - LAM) [68](#page=68) [71](#page=71). Deze lipidenrijke celwand maakt ze zeer resistent tegen macrofagen en omgevingsfactoren, wat bijdraagt aan persistentie en de vorming van abcessen [70](#page=70) [71](#page=71). #### 2.2.4 Celwand van Gram-negatieve bacteriën Gram-negatieve bacteriën hebben een complexere structuur met een dunne peptidoglycaanlaag die zich bevindt in de periplasmatische ruimte, omgeven door een buitenmembraan [78](#page=78). * **Peptidoglycaan:** Een dunne laag, die de stabiliteit van de celwand waarborgt via lipoproteïnen [76](#page=76) [78](#page=78). * **Periplasmatische ruimte:** De ruimte tussen het plasmamembraan en de buitenmembraan, waarin de peptidoglycaanlaag zich bevindt [78](#page=78). * **Buitenste membraan (Outer membrane):** Een dubbele laag van fosfolipiden, eiwitten en lipopolysacchariden (LPS) [73](#page=73) [78](#page=78). * **Lipopolysacchariden (LPS, Endotoxine):** Bestaat uit Lipid A (het toxische deel), een kern, en O-antigenen (variabel en antigenisch). LPS fungeert als een barrière tegen toxische stoffen en het complementsysteem en veroorzaakt een sterke ontstekingsreactie wanneer het in contact komt met immuuncellen via TLR4 (endotoxine-activiteit). LPS kan vrijkomen bij cellyse of via membraanvesikels [74](#page=74) [75](#page=75) [79](#page=79) [81](#page=81) [85](#page=85) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Eiwitten (Outer Membrane Proteins - OMP):** Inclusief lipoproteïnen voor structurele stabiliteit, porines voor transport van voedingsstoffen, en adhesines die betrokken zijn bij pathogenese, zoals ijzeropname [73](#page=73) [77](#page=77) [78](#page=78). > **Tip:** De verschillende celwandstructuren verklaren waarom Gram-positieve en Gram-negatieve bacteriën verschillend reageren op antibiotica en het immuunsysteem. #### 2.2.5 Impact van celwand op pathogenese De celwand is niet alleen een structureel element, maar speelt ook een cruciale rol in pathogenese. Het kan bescherming bieden tegen fagocytose, de immuunrespons moduleren (bv. door LPS of teichoïnezuren), en fungeren als aangrijpingspunt voor adhesie aan gastheercellen [65](#page=65) [70](#page=70) [85](#page=85). ### 2.3 Andere bacteriële structuren Naast de celwand beschikken bacteriën over diverse structuren die belangrijk zijn voor hun levenscyclus, interactie met de omgeving en pathogeniciteit [41](#page=41). #### 2.3.1 Genetisch materiaal Bacteriën bezitten circulair dubbelstrengs DNA (dsDNA) dat zich bevindt in het cytoplasma. Naast het chromosoom kunnen ze plasmiden (kleine, circulaire DNA-moleculen), faag DNA, en insertiesequenties bevatten. Genomische eilanden, die groepen genen coderen voor virulentie- of resistentiefactoren, kunnen zowel chromosomaal als op plasmiden voorkomen [42](#page=42) [43](#page=43) [45](#page=45). #### 2.3.2 Cytoplasma Het cytoplasma is de interne vloeistof van de cel en bevat ribosomen. In tegenstelling tot eukaryoten missen bacteriën organellen zoals ER, Golgi-apparaat, chloroplasten en mitochondriën [47](#page=47). * **Ribosomen:** Bacteriële ribosomen zijn van het 70S-type, bestaande uit een 50S en een 30S subeenheid. Veel antibiotica, zoals die welke inwerken op rRNA, richten zich specifiek op deze bacteriële ribosomen om eiwitsynthese te blokkeren [47](#page=47). #### 2.3.3 Plasmamembraan Het plasmamembraan, bestaande uit een dubbele laag fosfolipiden en eiwitten, is verantwoordelijk voor transport van stoffen en energieproductie. Een uitzondering hierop zijn Mycoplasma en Ureaplasma, die sterolen in hun plasmamembraan hebben [46](#page=46). #### 2.3.4 Mesosomen Mesosomen, waaronder septale mesosomen, zijn instulpingen van het plasmamembraan die betrokken zijn bij de binaire deling van bacteriën, met name bij de replicatie en scheiding van het chromosoom. Verstoring van mesosomen kan leiden tot celwanddefecten en lyse [41](#page=41) [60](#page=60) [61](#page=61). #### 2.3.5 Kapsel Een kapsel is een extracellulaire laag, niet bij alle bacteriën aanwezig, die kan bestaan uit polysacchariden en/of eiwitten. Het functioneert als een virulentiefactor voor kolonisatie en invasie, beschermt tegen fagocytose en complement, en speelt een rol bij adhesie. Kapsels worden ook aangeduid als K-antigenen . #### 2.3.6 Flagellen Flagellen zijn beweeglijke aanhangsels die bacteriën voortstuwing verlenen. Ze bestaan uit eiwitten en worden aangeduid als H-antigenen. Hun beweging is vaak gericht door chemotaxis. Flagellen zijn belangrijk voor migratie naar gunstige omgevingen, zoals de plaats van infectie [19](#page=19) [41](#page=41). * **Voorbeeld:** *Helicobacter suis* gebruikt flagellen om zich van de zure maaginhoud naar de maagwand te bewegen . #### 2.3.7 Pili en Fimbriae Pili (ook wel gewone pili of fimbriae genoemd) zijn draadvormige structuren die belangrijk zijn voor adhesie aan gastheercellen. Ze kunnen ook fungeren als F-antigenen. Conjugatieve pili (sex pili) zijn betrokken bij de overdracht van genetisch materiaal (DNA-uitwisseling) tussen bacteriën [41](#page=41). * **Voorbeeld:** Enterotoxigene *E. coli* (ETEC) gebruikt specifieke fimbriae (bv. F4, F18) om zich aan enterocyten te hechten, wat essentieel is voor kolonisatie en het veroorzaken van diarree . #### 2.3.8 IJzeropname systemen IJzer is een essentieel element voor bacteriële groei, maar in de gastheer is vrij ijzer beperkt. Pathogene bacteriën hebben diverse systemen ontwikkeld om ijzer op te nemen, waaronder siderofoor-receptoren, transferrine-receptoren en hemoglobine-receptoren [88](#page=88) [89](#page=89) [90](#page=90). * **Sideroforen:** Kleine moleculen die ijzer kunnen chelaten uit ijzerbindende eiwitten van de gastheer. Ze binden aan siderofoor-receptoren op de bacteriële celwand . * **Voorbeeld:** Neonatale septische *E. coli* maakt gebruik van sideroforen voor ijzeropname. Colostrale antistoffen kunnen de siderofoor-receptor blokkeren, wat bescherming biedt [92](#page=92). * **Voorbeeld:** *Actinobacillus pleuropneumoniae* gebruikt transferrine- en hemoglobine-bindende proteïnen voor ijzeropname in de longen . #### 2.3.9 Endosporen Bepaalde bacteriën, zoals *Bacillus* en *Clostridium* genera, kunnen endosporen vormen als overlevingsvormen in ongunstige omstandigheden. Endosporen zijn zeer resistent tegen hitte, chemicaliën en uitdroging. Wanneer de omstandigheden gunstig worden, kunnen ze ontkiemen tot vegetatieve cellen [30](#page=30). * **Voorbeeld:** *Clostridium perfringens* vormt endosporen in aerobe omstandigheden en wordt weer vegetatief in anaërobe milieus. *Paenibacillus larvae* veroorzaakt Amerikaans vuilbroed bij bijen door de productie van exotoxines die de larven doen verslijmen [30](#page=30). ### 2.4 Afwijkende bacteriële structuren * **Mycoplasma en Ureaplasma:** Deze bacteriën missen een celwand en bevatten cholesterol in hun plasmamembraan. Hierdoor zijn ze intrinsiek resistent tegen antibiotica die gericht zijn op de celwandsynthese . * **Spirocheten:** Gram-negatieve, spiraalvormige bacteriën met flagellen in de periplasmatische ruimte, die zorgen voor hun beweeglijkheid. Ze kunnen tot meer dan 10 µm lang zijn en zijn fijn van structuur . > **Tip:** Het begrijpen van de diverse bacteriële structuren is essentieel voor het ontwikkelen van effectieve antimicrobiële strategieën, aangezien veel antibiotica specifiek gericht zijn op deze structuren of processen. --- # Metabolisme en groei van bacteriën Dit onderwerp behandelt de chemische en fysische voorwaarden die nodig zijn voor bacteriële groei, inclusief hun stofwisseling, energieproductie, en voorkeuren voor zuurgraad, CO2, zuurstof en temperatuur . ### 3.1 Indeling van bacteriën op basis van stofwisseling Bacteriën kunnen worden ingedeeld op basis van hun koolstofbron en energiebron . #### 3.1.1 Koolstofbron * **Autotroof:** Gebruikt koolstofdioxide (CO2) als koolstofbron . * **Heterotroof:** Gebruikt organische stoffen als koolstofbron, zoals polysachariden, eiwitten en vetten. Pathogene bacteriën voor dier en mens zijn doorgaans chemoheterotroof . #### 3.1.2 Energiebron * **Chemotroof:** Verkrijgt energie uit chemische reacties, waarbij zowel organische als anorganische stoffen als substraat kunnen dienen . * **Fototroof:** Verkrijgt energie uit licht . ### 3.2 Energieproductie Bacteriën kunnen energie verkrijgen via respiratie of fermentatie . #### 3.2.1 Respiratie Respiratie is een proces waarbij elektronen worden overgedragen van een energiebron naar een elektronenacceptor . * **Aerobe respiratie:** Gebruikt zuurstof (O2) als eindelektronenacceptor . * **Anaerobe respiratie:** Gebruikt andere moleculen dan zuurstof als eindelektronenacceptor, zoals sulfaat ($SO_4^{2-}$), sulfiet ($SO_3^{2-}$), sulfide ($S^{2-}$), nitraat ($NO_3^-$) of nitriet ($NO_2^-$) . #### 3.2.2 Fermentatie Fermentatie is een proces waarbij geen netto-elektronenoverdracht plaatsvindt, maar wel fosforylatie-energiestappen. De eindproducten zijn organische zuren, alcoholen of gassen. Voorbeelden van nuttige fermentatieproducten zijn boterzuur, dat ontstekingsremmend kan werken . #### 3.2.3 Indeling van pathogene bacteriën op basis van energie Pathogene bacteriën zijn chemo-heterotroof en worden verder ingedeeld op basis van hun energieverkrijging : * **Obligaat oxydatieve bacteriën:** Vertrouwen uitsluitend op respiratie . * **Obligaat fermentatieve bacteriën:** Vertrouwen uitsluitend op fermentatie . * **Facultatief fermentatieve bacteriën:** Kunnen zowel oxidatie (respiratie) als fermentatie uitvoeren . ### 3.3 Vereisten voor groei Bacteriële groei is afhankelijk van verschillende omgevingsfactoren. #### 3.3.1 Zuurgraad (pH) * De meeste pathogene bacteriën groeien optimaal rond een pH van 7 tot 7.5 . * Groei wordt geremd bij een pH lager dan 4, en kan leiden tot afdoding . * Uitzonderingen zijn maagbacteriën zoals *Helicobacter* en *Mycobacterium* soorten, die lagere pH-waarden kunnen verdragen. Dit laatste is te danken aan hun dikke, lipiderijke celwand, wat hen helpt de zure omgeving te ontwijken . * Het aanpassen van de pH wordt gebruikt bij de conservering van voedsel en in desinfectieprocessen . > **Tip:** Het isoleren van specifieke bacteriën kan baat hebben bij het aanpassen van de pH van het kweekmedium, vooral wanneer men zuurtolerante kiemen wil bestuderen . #### 3.3.2 Koolstofdioxide (CO2) * De normale atmosfeer bevat ongeveer 0.03% CO2 . * **Capnofiele bacteriën** vereisen hogere concentraties CO2, typisch 5% tot 10%, voor optimale groei . * Voorbeelden van capnofiele bacteriën zijn *Taylorella equigenitalis* (veroorzaker van contagieuze equine metritis) en *Enterococcus cecorum* (veroorzaker van bacteriële chondronecrose met osteomyelitis bij vleeskippen) . > **Tip:** Voor het isoleren van capnofiele bacteriën is incubatie onder een atmosfeer met verhoogde CO2-concentratie noodzakelijk . #### 3.3.3 Zuurstofgevoeligheid Zuurstof kan schadelijke reactieve zuurstofspecies vormen, zoals superoxide ($O_2^-$), waterstofperoxide ($H_2O_2$) en hydroxylionen ($OH^\circ$). De gevoeligheid van bacteriën voor zuurstof hangt af van de aanwezigheid van enzymen die deze toxische producten kunnen afbreken. Belangrijke enzymen hiervoor zijn superoxide dismutase, katalase en peroxidase . * **Obligaat aeroob:** Vereist zuurstof voor groei (bv. *Pseudomonas*). Deze bacteriën produceren detoxyficatie-enzymen . * **Facultatief anaeroob:** Kan groeien in de aan- of afwezigheid van zuurstof, waarbij ze aerobe of anaerobe respiratie toepassen (bv. *Salmonella*) . * **Micro-aerofiel:** Vereist zuurstof, maar bij lagere concentraties (ongeveer 6%) dan de normale atmosfeer (bv. *Helicobacter*, *Campylobacter*). Deze bacteriën produceren detoxyficatie-enzymen in lagere concentraties . * **Obligaat anaeroob:** Kan niet overleven in de aanwezigheid van zuurstof. Overlevingsvormen zoals *Clostridium* sporen kunnen wel aanwezig zijn . * **Zuurstoftolerant:** Kan overleven in de aanwezigheid van zuurstof, maar groeit hier niet optimaal (bv. *Brachyspira*) . #### 3.3.4 Temperatuur Bacteriële groei is afhankelijk van temperatuur, met een minimale, optimale en maximale temperatuur voor groei . * **Minimale temperatuur:** Onder deze temperatuur vindt geen groei plaats, maar de bacteriën kunnen overleven. Koelkastbewaring remt groei, maar laat overleving toe. Bevriezen remt ook groei en overleving is mogelijk . * **Optimale temperatuur:** Temperatuur waarbij de bacteriën het snelst groeien. Voor de meeste pathogenen ligt deze rond de 37°C . * **Maximale temperatuur:** Boven deze temperatuur vindt afdoding plaats . * **Psychrotolerant:** Bacteriën die kunnen overleven en soms langzaam groeien bij lage temperaturen (bv. *Listeria*), wat relevant is voor voedselbederf en koudbloeddieren . #### 3.3.5 Vocht en osmotische druk * De meeste pathogenen geven de voorkeur aan een **isotonisch** milieu, waarbij de osmotische druk binnen en buiten de cel gelijk is . * In een **hypotoon** milieu (bv. gedestilleerd water) vindt geen groei plaats en veel Gram-negatieve bacteriën worden niet direct afgedood omdat water de cel binnendringt . * In een **hypertoon** milieu groeien halofiele bacteriën (zoutminnende bacteriën), zoals die in zeevissen . * Hypertoon milieu wordt toegepast voor het bewaren van voedsel, bijvoorbeeld door toevoeging van zout of suiker, drogen of vriesdrogen . ### 3.4 Groei en vermenigvuldiging * Individuele bacteriële cellen vermenigvuldigen zich door **binaire deling**, wat resulteert in klonale nakomelingen . * De **generatietijd** is de tijd die een bacterie nodig heeft om zich te delen. Voor de meeste pathogenen is dit 15 tot 30 minuten, maar er zijn uitzonderingen zoals *Mycobacterium* soorten die 6 weken nodig hebben . --- ## 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 | |------|------------| | Bacteriën | Eéncellige micro-organismen die behoren tot het domein van de bacteriën en gekenmerkt worden door hun prokaryote celstructuur zonder celkern of membraan-gebonden organellen. Ze komen in diverse vormen voor en hebben uiteenlopende metabolische capaciteiten. | | Fungi (Schimmels) | Een divers rijk van eukaryote organismen, waaronder gisten (unicellulair) en schimmels (multicellulair). Ze hebben celwanden die chitine bevatten en zijn heterotroof, waarbij ze nutriënten absorberen uit hun omgeving. | | Eukaryoten | Organismen waarvan de cellen een duidelijke celkern en membraan-gebonden organellen bevatten, zoals mitochondria en het endoplasmatisch reticulum. Dit omvat planten, dieren, schimmels en protisten. | | Prokaryoten | Organismen waarvan de cellen geen celkern of membraan-gebonden organellen bezitten. Bacteriën en Archaea zijn voorbeelden van prokaryoten. | | Pathogenen | Micro-organismen die ziekte kunnen veroorzaken bij een gastheer. Dit kan variëren van milde infecties tot levensbedreigende aandoeningen. | | Normale Microbiota | De gemeenschap van micro-organismen die van nature op of in een gastheer leven, vaak zonder ziekte te veroorzaken en soms zelfs met nuttige functies, zoals hulp bij de vertering of bescherming tegen pathogenen. | | Facultatief pathogeen | Een micro-organisme dat onder bepaalde omstandigheden ziekte kan veroorzaken, maar dat normaal gesproken deel uitmaakt van de normale microbiota of een vrije-levende levenswijze heeft. | | Obligaat pathogeen | Een micro-organisme dat altijd ziekte veroorzaakt wanneer het een geschikte gastheer infecteert. Het kan niet overleven of zich vermenigvuldigen zonder gastheer. | | Zoönose | Een ziekte die van dieren op mensen kan worden overgedragen. | | Antroponose | Een ziekte die primair bij mensen voorkomt en zelden of nooit op dieren wordt overgedragen. | | Peptidoglycaan | Een complex polymeer dat een essentieel bestanddeel vormt van de celwand van de meeste bacteriën. Het bestaat uit een suikerrug van afwisselende N-acetylglucosamine (NAG) en N-acetylmuraminezuur (NAM) residuen, versterkt door korte peptideketens. | | Gram-kleuring | Een differentiële kleuringstechniek die wordt gebruikt om bacteriën te classificeren op basis van de samenstelling van hun celwand. Gram-positieve bacteriën behouden de paarse kristalviolet-kleurstof, terwijl Gram-negatieve bacteriën ontkleuren en rood worden na tegenkleuring. | | Gram-positief | Bacteriën die bij Gram-kleuring paars kleuren. Ze hebben een dikke laag peptidoglycaan in hun celwand. | | Gram-negatief | Bacteriën die bij Gram-kleuring rood kleuren. Ze hebben een dunne laag peptidoglycaan en een buitenmembraan met lipopolysacchariden. | | Coccen | Bacteriën met een bolvormige of sferische morfologie. | | Bacillen | Bacteriën met een staafvormige of cilindrische morfologie. | | Spirocheten | Een groep Gram-negatieve bacteriën die spiraalvormig zijn en zich voortbewegen met behulp van flagellen die zich in de periplasmatische ruimte bevinden. | | Actinomyceten | Een groep Gram-positieve bacteriën die vertakte, draadachtige structuren kunnen vormen, vergelijkbaar met schimmels. | | Mycoplasma | Een genus van bacteriën die geen celwand hebben en daardoor intrinsiek resistent zijn tegen veel antibiotica die de celwand aanvallen. Ze hebben een variabele vorm en bevatten cholesterol in hun celmembraan. | | Ureaplasma | Een genus van bacteriën dat nauw verwant is aan Mycoplasma, eveneens zonder celwand, en dat ureum kan metaboliseren. | | Mesosoom | Een instulping van het cytoplasmamembraan in bacteriën, vaak geassocieerd met celdeling en DNA-replicatie, hoewel hun exacte functie nog onderwerp van onderzoek is. | | Kapsel | Een buitenste laag van polysacchariden of peptiden die sommige bacteriën omgeeft. Het kan helpen bij adhesie, bescherming tegen fagocytose en uitdroging. | | Flagellen | Lange, zweepachtige aanhangsels die de beweging van veel bacteriën en andere micro-organismen mogelijk maken. Ze bestaan uit het eiwit flagelline en worden aangedreven door een roterende motor. | | Pili en Fimbriae | Filamentachtige eiwitstructuren aan het buitenoppervlak van bacteriën. Fimbriae zijn korter en talrijker en spelen een rol bij adhesie aan oppervlakken en gastheercellen. Pili kunnen langer zijn en betrokken zijn bij DNA-uitwisseling (conjugatieve pili) of beweging. | | Chromosoom | Het primaire genetische materiaal van een bacterie, meestal een circulair dubbelstrengs DNA-molecuul dat zich in het cytoplasma bevindt (niet omgeven door een kernmembraan). | | Plasmiden | Kleine, circulaire, extrachromosomale DNA-moleculen die in veel bacteriën voorkomen. Ze kunnen genen bevatten die bijdragen aan de virulentie, zoals resistentie tegen antibiotica. | | Faag DNA | DNA van een bacteriofaag, een virus dat bacteriën infecteert. Faag-DNA kan integreren in het bacteriële genoom en nieuwe eigenschappen verlenen. | | Genomische Eilanden | Discrete regio's in het bacteriële genoom die genen bevatten die vaak coderen voor specifieke functies, zoals virulentiefactoren (pathogeniciteitseilanden) of resistentiegenen (resistentie-eilanden). | | Pathogeniciteitseilanden | Genomische eilanden die genen bevatten die essentieel zijn voor de pathogeniteit van een bacterie, zoals toxines, invasiefactoren of mechanismen voor gastheerimmmuunontwijking. | | Resistentie-eilanden | Genomische eilanden die groepen genen bevatten die coderen voor resistentie tegen antimicrobiële middelen. | | Plasmamembraan | De binnenste membraanlaag van een bacteriële cel, bestaande uit een fosfolipide bilayer met ingebedde eiwitten, die de celinhoud scheidt van de omgeving en betrokken is bij transportprocessen. | | Cytoplasma | De gel-achtige substantie die de organellen en het genetisch materiaal van een cel omgeeft. In bacteriën bevat het ribosomen en diverse metabolische componenten. | | Ribosomen (70S) | Kleine cellulaire deeltjes die verantwoordelijk zijn voor eiwitsynthese. Bacteriële ribosomen hebben een sedimentatiecoëfficiënt van 70S, bestaande uit een 50S en een 30S subeenheid, wat ze onderscheidt van eukaryote ribosomen (80S). | | Cellyse | Het proces waarbij een cel barst, meestal als gevolg van osmotische druk of de afbraak van de celwand. | | Beta-lactam antibiotica | Een klasse antibiotica (bv. penicilline, amoxicilline, cefalosporines) die de synthese van peptidoglycaan in de bacteriële celwand remmen door te binden aan penicilline-bindende eiwitten (PBP's). | | Penicilline-bindende eiwitten (PBP's) | Enzymen die betrokken zijn bij de synthese en cross-linking van peptidoglycaan in de bacteriële celwand. Ze zijn het doelwit van bèta-lactam antibiotica. | | Lipoteichoïnezuren | Glycerofosfaat-bevattende moleculen die in de celwand van Gram-positieve bacteriën voorkomen en verankerd zijn in het plasmamembraan. Ze spelen een rol bij adhesie en het induceren van ontstekingsreacties. | | Teichoïnezuren | Glycerofosfaat-bevattende polymeren die in de celwand van Gram-positieve bacteriën voorkomen, maar niet verankerd zijn in het plasmamembraan. Ze dragen bij aan de stabiliteit van de celwand en de afweerrespons. | | Lipopolysacchariden (LPS) | Een complex molecuul dat een belangrijk bestanddeel is van het buitenmembraan van Gram-negatieve bacteriën. Het bestaat uit lipid A (endotoxine), een kernpolysaccharide en O-antigenen. | | Lipid A | Het endotoxische deel van lipopolysacchariden (LPS). Het kan bij Gram-negatieve bacteriële infecties ernstige ontstekingsreacties en shock veroorzaken. | | Endotoxine | Een toxische component van de celwand van Gram-negatieve bacteriën, voornamelijk lipid A in LPS, dat een krachtige immuunrespons kan opwekken. | | Periplasmatische ruimte | De ruimte tussen het cytoplasmamembraan en het buitenmembraan van Gram-negatieve bacteriën. Deze ruimte bevat het dunne peptidoglycaanlaagje en diverse enzymen. | | Binaire deling | De primaire methode van ongeslachtelijke voortplanting bij bacteriën, waarbij een cel zich in twee genetisch identieke dochtercellen deelt. | | Generatietijd | De tijd die een bacteriepopulatie nodig heeft om te verdubbelen door middel van binaire deling. | | Siderofoor | Een klein molecuul met een hoge affiniteit voor ijzer, geproduceerd door veel bacteriën om ijzer uit de omgeving te cheleren en op te nemen. | | Siderofoor receptor | Een eiwit op het oppervlak van bacteriën dat specifieke sideroforen bindt, waardoor ijzer kan worden opgenomen in de cel. | | Transferrine | Een eiwit in het bloedplasma dat ijzer bindt en transporteert. | | Hemoglobine | Het zuurstoftransport-eiwit in rode bloedcellen, dat ook ijzer bevat. | | Exotoxinen | Toxines die door bacteriën worden uitgescheiden in hun omgeving. Ze zijn vaak eiwitten en kunnen specifieke effecten hebben op gastheercellen. | | Endosporen | Hittebestendige overlevingsstructuren die door sommige bacteriën, zoals Bacillus en Clostridium, worden gevormd onder ongunstige omgevingsomstandigheden. Ze kunnen langdurig overleven en weer ontkiemen tot vegetatieve cellen wanneer de omstandigheden gunstig zijn. | | Capnofiele bacteriën | Bacteriën die een verhoogde concentratie CO2 (meestal 5-10%) nodig hebben voor optimale groei, hoger dan de atmosferische concentratie. | | Chemoheterotroof | Een organisme dat organische verbindingen gebruikt als bron van zowel koolstof als energie. De meeste pathogenen vallen in deze categorie. | | Respiratie | Een metabolisch proces waarbij energie wordt gewonnen door de oxidatie van organische of anorganische verbindingen, waarbij een externe elektronacceptor (zoals zuurstof) wordt gebruikt. | | Fermentatie | Een metabolisch proces waarbij energie wordt gewonnen uit de afbraak van organische verbindingen in afwezigheid van een externe elektronacceptor. Eindproducten zijn vaak organische zuren, alcoholen of gassen. | | Isotonisch milieu | Een oplossing waarbij de osmotische druk gelijk is aan die van de cel, wat resulteert in geen netto waterbeweging. | | Hypotoon milieu | Een oplossing met een lagere osmotische druk dan de cel, wat leidt tot water dat de cel binnendringt. | | Hypertoon milieu | Een oplossing met een hogere osmotische druk dan de cel, wat leidt tot water dat de cel verlaat. | | Motiliteit | Het vermogen van een organisme om zich zelfstandig te verplaatsen. Bij bacteriën gebeurt dit vaak via flagellen. | | Conjugatie | Een proces waarbij genetisch materiaal, meestal in de vorm van plasmiden, wordt overgedragen van de ene bacterie naar de andere via directe cel-cel-contact, vaak gemedieerd door conjugatieve pili. | | Enterotoxines | Toxines geproduceerd door bacteriën die specifiek inwerken op de cellen van de darmwand, wat leidt tot diarree. | | Villi (darm) | Vingerachtige uitsteeksels aan de binnenwand van de dunne darm die het absorptie-oppervlak vergroten. | | Crypten (darm) | Groeven of klieren aan de basis van de villi in de darmwand, waar enterocyten worden geproduceerd. | | O-antigenen | De variabele, buitenste suikerketens van lipopolysacchariden (LPS) in het buitenmembraan van Gram-negatieve bacteriën. Ze zijn belangrijk voor serotypering en de immuunrespons. | | H-antigenen | Antigenen die geassocieerd zijn met flagellen van bacteriën. | | F-antigenen | Antigenen die geassocieerd zijn met pili of fimbriae van bacteriën. | | K-antigenen | Antigenen die geassocieerd zijn met het kapsel van bacteriën. | | Autotroof | Een organisme dat zijn eigen organische verbindingen produceert uit anorganische bronnen, zoals CO2. | | Fototroof | Een organisme dat licht gebruikt als energiebron voor de productie van organische verbindingen. | | Chemotroof | Een organisme dat energie verkrijgt uit chemische reacties, door de oxidatie van organische of anorganische verbindingen. | | Pasteurellaceae | Een familie van Gram-negatieve bacteriën die vaak voorkomen bij dieren, waaronder Actinobacillus en Mannheimia. Ze zijn meestal facultatief anaëroob. | | RTX toxines | Een klasse van eiwittoxines die een kenmerkende herhalende sequentie bevatten en vaak de plasmamembraan van gastheercellen perforeren. | | Lipoarabinomannan (LAM) | Een complex glycolipide dat wordt aangetroffen in de celwand van Mycobacteriën en een belangrijke rol speelt in de interactie met het immuunsysteem van de gastheer. | | Macrophagen | Grote fagocyterende cellen van het immuunsysteem die betrokken zijn bij het opruimen van pathogenen, celresten en lichaamsvreemde stoffen. | | Toll-like receptoren (TLRs) | Receptoren op immuuncellen die specifieke moleculaire patronen van micro-organismen herkennen en zo een immuunrespons initiëren. | | Cytokines | Signaalmoleculen die door immuuncellen worden uitgescheiden en die communicatie tussen cellen reguleren en ontstekingsreacties moduleren. | | Complement | Een systeem van eiwitten in het bloed die een rol spelen bij de immuunrespons, waaronder het herkennen en elimineren van pathogenen. | | Hageman factor | Een factor in het bloedstollingssysteem die ook een rol speelt in de ontstekingsreactie. | | Membraanvesikels | Kleine, membraangebonden blaasjes die door bacteriën worden afgesnoerd en die virulente componenten kunnen bevatten. |

# Chronische virale infecties en het humaan immunodeficiëntie virus (HIV) Dit onderwerp behandelt de kenmerken van chronische virale infecties, met een specifieke focus op het humaan immunodeficiëntie virus (HIV), inclusief de pathogenese, transmissie en immuunevasie. ### 1.1 Chronische virale infectie Chronische virale infecties worden gekenmerkt doordat het virus niet op korte termijn uit het lichaam wordt geklaard. Dit komt doordat geïnfecteerde cellen lang genoeg blijven leven om de virale aanwezigheid te handhaven, soms door latente aanwezigheid van het virale genoom zonder continue replicatie of vrijlating van nieuwe virale deeltjes. De gastheer kan hierdoor accumulerende schade ondervinden en een potentiële bron van infectie blijven. Voorbeelden zijn Hepatitis C virus (HCV), waarbij 15 tot 25% het virus binnen zes maanden klaart, en herpesvirusinfecties en Humaan Immunodeficientie Virus (HIV), die nagenoeg nooit spontaan worden geklaard [4](#page=4). HIV is een schoolvoorbeeld van een chronische virale infectie. Het infecteert enkel de mens; HIV-1 is pandemisch en HIV-2 komt voor in West-Afrika en is minder virulent. HIV is een retrovirus, wat betekent dat het een RNA-genoom heeft dat zich als DNA kopie inbouwt in het genoom van de gastheercel [4](#page=4). #### 1.1.1 Kenmerken van chronische virale infectie * **Persitentie:** Het virus blijft gedurende lange tijd, vaak levenslang, in het lichaam aanwezig [1](#page=1). * **Reactivatie:** In sommige gevallen kan het virus periodiek weer actief worden, wat leidt tot symptomen [1](#page=1). ### 1.2 Humaan immunodeficiëntie virus (HIV) #### 1.2.1 HIV infectie HIV infecteert CD4+ T-cellen en mononucleair fagocyterende cellen, waaronder macrofagen, monocyten, dendritische cellen en microgliale cellen in het centrale zenuwstelsel. Dit leidt tot veranderingen in de functie en levensduur van deze cellen, wat resulteert in immuundeficiëntie en potentieel dementie. Een CCR5 homozygote deletie bij ongeveer 1% van de gezonde blanken maakt hen resistent tegen infectie met HIV dat CCR5 als co-receptor gebruikt [12](#page=12). #### 1.2.2 Transmissie HIV De belangrijkste transmissieroutes van HIV omvatten seksueel contact, bloedtransfusie, en van moeder op kind. Heteroseksuele transmissie is met name prominent in resource-arme landen, maar neemt ook toe in resource-rijke landen. Intraveneus drugsgebruik is eveneens een belangrijke risicofactor [13](#page=13). Na mucosale transmissie worden dendritische cellen geïnfecteerd, die het virus naar lymfeknopen en lymfoïd weefsel transporteren waar een massale infectie van T-cellen plaatsvindt. Initiële symptomen kunnen griepaal zijn, met eventuele lymfadenopathieën. In het perifere bloed worden zeer hoge virale titers waargenomen, samen met een snelle daling van CD4+ cellen, wat kan leiden tot opportunistische infecties [14](#page=14). Binnen zes weken treedt er meestal een daling van de virale titer op en herstellen de CD4+ counts enigszins, dankzij de controle door het immuunsysteem, met name de CTL respons en neutraliserende antilichamen. Seroconversie vindt meestal plaats binnen tien weken na infectie. Daarna volgt een periode van persistentie, soms met tekenen van continue immuunactivatie en een geleidelijke afname van CD4+ counts over jaren, met mogelijk milde opportunistische infecties. Na gemiddeld tien jaar versnelt de virale titer, en dalen de CD4+ counts aanzienlijk, wat leidt tot ernstige opportunistische infecties en uiteindelijk overlijden binnen een jaar indien onbehandeld [14](#page=14). #### 1.2.3 HIV immuunpathologie Het instorten van de immuniteit wordt gekenmerkt door CD4+ counts onder de 200 cellen per microliter. Dit leidt tot ernstige opportunistische infecties zoals spruw, *Pneumocystis jirovecii*, diarree veroorzaakt door *Giardia lamblia*, *Cryptosporidium*, *Microsporidia*. Bij CD4+ counts onder de 100 cellen per microliter kunnen toxoplasmose, CMV-opflakkeringen, *Cryptococcus neoformans* meningitis en atypische mycobacteriën optreden. Tevens neemt het risico op maligniteiten zoals Kaposi-sarcoom en lymfomen toe. Daarnaast kan HIV-geassocieerde wasting optreden, met meer dan 10% gewichtsverlies, koorts en cachexie. Dementie is ook een mogelijke complicatie. Deze AIDS-definiërende condities kunnen, met therapie, terugkeren naar een asymptomatische fase, maar zonder behandeling is de prognose somber [15](#page=15). #### 1.2.4 AIDS AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome) is de meest gevorderde fase van HIV-infectie, gekenmerkt door een ernstig verzwakt immuunsysteem en de aanwezigheid van ernstige opportunistische infecties en maligniteiten [15](#page=15). #### 1.2.5 Diagnose HIV infectie De diagnose van een HIV-infectie verloopt in stappen [16](#page=16). * **Stap 1: Opsporen antilichamen (seropositiviteit).** Dit gebeurt via ELISA-testen. Bij acute infectie kan er een 'window phase' zijn, daarom gebruiken huidige 4e generatie testen ook simultane detectie van p24. Vanwege de hoge specificiteit van de testen kan een positieve ELISA in populaties met lage prevalentie een beperkte positief predictieve waarde hebben, waardoor bevestiging met een tweede ELISA van een andere fabrikant en een Western blot in een referentielaboratorium noodzakelijk is [16](#page=16). * **Stap 2: Bevestigde seropositieven.** Dit wordt exclusief door HIV-specialisten en gespecialiseerde laboratoria gedaan. Hierbij wordt de virale lading (hoeveelheid virus in het bloed) aangetoond met RT-PCR, wat belangrijk is voor het starten van therapie en het bepalen van baseline resistentie. RT-PCR is gevoeliger en wordt ook gebruikt voor screening van bloeddonoren [16](#page=16). * **Stap 3: Opvolging patiënten.** Dit gebeurt in gespecialiseerde referentiecentra waar zowel klinisch (bijwerkingen therapie) als virologisch (virale lading, eventueel sequentieanalyse) wordt opgevolgd [16](#page=16). Analoge strategieën voor diagnose en opvolging bestaan ook voor andere chronische virale infecties zoals HCV en HBV, waarbij serologie en genoomdetectie worden gecombineerd met therapiemonitoring en soms genoomsequencing [16](#page=16). De opvolging van CD4+ counts met flowcytometrie is essentieel om de status van het immuunsysteem te beoordelen. De virale load wordt opgevolgd met RT-PCR [17](#page=17) [18](#page=18). #### 1.2.6 Behandeling HIV infectie: specifieke inhibitoren De behandeling van HIV-infectie berust op combinatie antiretrovirale therapie (ART). Klassiek betreft dit tripeltherapie, bestaande uit twee nucleoside analoog RT-inhibitoren en een niet-nucleoside analoog RT-inhibitor of protease-inhibitor. Tegenwoordig zijn ook fusieremmers, bindingsremmers (die CCR5 blokkeren) en integraseremmers beschikbaar. De therapie wordt gestart bij een daling van de immuniteit, typisch vanaf 400 tot 500 CD4+ cellen per microliter [19](#page=19). Bij AIDS wordt ook de opportunistische infecties behandeld, waarbij voorzichtigheid geboden is vanwege het immuun-reconstitutie syndroom (IRIS). IRIS treedt op wanneer het herstellende immuunsysteem, door de ART, plotseling de aanwezige opportunistische infecties detecteert en ertegen begint te vechten, wat leidt tot klinische verslechtering. Daarom worden soms eerst andere infecties, zoals tuberculose, behandeld voordat de maximale ART wordt ingezet. Dit illustreert dat symptomen van infectieziekten vaak het gevolg zijn van het immuunantwoord en niet van directe schade door de kiem [19](#page=19). Preventie van HIV-infectie omvat veilige seksuele praktijken en veilige bloedtransfusie, evenals behandeling van dragers om transmissie te verminderen. Er bestaat momenteel geen vaccin. Post-expositie profylaxe kan na blootstelling, zoals een prikaccident of verkrachting, worden toegepast. Genezing is uiterst zeldzaam en is tot op heden slechts in enkele gevallen beschreven, onder meer na transplantatie met HIV-ongevoelig beenmerg of zeer snelle therapie na infectie. Analoog aan HIV bestaat er ook specifieke antivirale therapie voor HCV en HBV [19](#page=19). ### 1.3 Levenscyclus retrovirus De levenscyclus van een retrovirus, zoals HIV, omvat de volgende stappen [20](#page=20): * **Receptorbinding:** Ligand-receptorherkenning vindt plaats (Env-CD4+ co-receptor) [20](#page=20). * **Fusie:** De membraanen van het virale envelop en de cel fuseren, of de cel neemt het virus op via endocytose [20](#page=20). * **Reverse transcriptie:** In het cytoplasma zet reverse transcriptase (RT) het RNA-genoom om in cDNA, en vervolgens in dubbelstrengs DNA (dsDNA). RT maakt veel fouten, wat leidt tot variabiliteit en de vorming van pseudospecies [20](#page=20). * **Integratie:** Het dsDNA, als onderdeel van een pre-integratiecomplex, gaat de kern binnen en integreert in het genoom van de gastheercel met behulp van integrase activiteit. De LTRs (Long Terminal Repeats) spelen hierbij een rol [20](#page=20). * **Transcriptie:** Het provirus wordt getranscribeerd via de 5' LTR promotoractiviteit door cellulaire enzymen, wat foutloos gebeurt zonder extra mutaties. Polyadenylatie vindt plaats via de 3' LTR. Splicing is ook mogelijk [20](#page=20). * **Assemblage en budding:** Het nucleocapside assembleert en het virus deelt zich af (budding) van het celmembraan [20](#page=20). * **Maturatie:** Na vrijlating vindt er interne reorganisatie van het nucleocapside plaats onder invloed van virale protease activiteit, wat resulteert in een rijp en infectieus virion [20](#page=20). ### 1.4 Immuunevasie door virussen Virussen ontwikkelen diverse mechanismen om het immuunsysteem te ontwijken en zo persisterende infecties tot stand te brengen [21](#page=21) [23](#page=23). #### 1.4.1 Evasie aangeboren immuniteit Virussen kunnen de aangeboren immuniteit ontwijken door: * **Non-invasiviteit:** Bijvoorbeeld HPV, waarbij er geen manifeste blootstelling aan het immuunsysteem is en geen gevaarsignalen worden afgegeven [21](#page=21). * **Verberging:** Zoals latentie bij HIV, waarbij er nauwelijks expressie is en dus geen antigenen zichtbaar zijn [21](#page=21). * **Immunomodulatie:** Ontwijken van aangeboren immuniteit door bijvoorbeeld sensing van virale structuren, zoals dsRNA, tegen te gaan. Virussen kunnen dit doen door sensing te belemmeren (bv. influenza NS1), signaaltransductie na sensing te blokkeren (bv. INF-receptor decoys), of effectorfuncties van interferon-geïnduceerde genen (ISGs) tegen te gaan (bv. blokkeren van PKR) [22](#page=22). #### 1.4.2 Evasie verworven immuniteit Virussen ontwijken ook de verworven immuniteit via diverse strategieën: * **Verberging:** Zoals latentie bij HIV [23](#page=23). * **Immunomodulatie:** Ontwijken van zowel aangeboren als verworven immuniteit [23](#page=23). * **Belemmering van MHC-I presentatie:** Virussen kunnen de presentatie van intracellulaire antigenen via MHC-I belemmeren. Dit voorkomt dat CD8+ T-cellen geïnfecteerde cellen herkennen en verwijderen. Voorbeelden zijn HIV Nef, dat de oppervlakte expressie van HLA-A en HLA-B vermindert. Andere virussen verhogen de endocytose van MHC-I of remmen de TAP-loading van MHC-I, zoals CMV US6 [23](#page=23) [24](#page=24). * **Ontlopen van MHC-I presentatie door mutatie:** Virussen kunnen muteren om verminderde presentatie te verkrijgen, zoals CTL-escape mutaties bij HIV, wat leidt tot antigenische variabiliteit (quasiespecies). Patiënten met het MHC-allotype HLA-B5703 vertonen lagere virale loads en tragere progressie naar AIDS, deels door mutaties in het p24 gag-eiwit van HIV [25](#page=25) [27](#page=27). * **Infectie van immuungedeprimeerden:** Virussen zoals rubella en CMV kunnen foetussen infecteren [27](#page=27). * **Overproductie van antigen:** Virussen zoals HBV kunnen grote hoeveelheden antigenen produceren [27](#page=27). * **Induceren van een TH2 respons:** Sommige virussen, zoals EBV, remmen de TH1 respons en induceren een TH2 respons [27](#page=27). * **Immunosuppressie:** Dit kan gebeuren door infectie van immuuncellen (bv. HIV infecteert T-cellen en DCs; mazelen infecteert T-cellen en DCs; EBV infecteert en (dys)activeert B-cellen; CMV infecteert monocyten/macrofagen/DCs). Ook polyklonale activatie van B-cellen (bv. EBV leidt tot auto-immune en heterofiele antilichamen) draagt bij. Antilichaambinding, bijvoorbeeld via Fc-receptoren voor IgG van herpesvirussen tegen ADCC, kan ook een rol spelen [27](#page=27). Herpesvirussen infecteren de mens al zeer lang, waardoor er een relatie is ontstaan waarbij het virus het immuunsysteem omzeilt en levenslang aanwezig is. Ze gebruiken mechanismen om T-immuniteit te blokkeren via HLA-presentatie en NK-immuniteit door interferentie met NK-receptoren. EBV produceert zelfs een immuunsuppressief cytokine (IL10) [28](#page=28). ### 1.5 Persistentie Persistentie is een overlevingsstrategie voor micro-organismen. Virussen zoals herpes en HBV, maar ook wormen, kunnen persistentie vertonen. Dit biedt voordelen voor de kiem, zoals meer kans op transmissie, en kan uiteindelijk leiden tot integratie in de kiembaan (erfelijk). Persistentie kan helpen de kiem te handhaven in beperkte populaties gastheren, in tegenstelling tot niet-persistente virussen zoals influenza of mazelen. Persistentie is soms geassocieerd met chronische ziekten en kanker (bv. HBV, EBV, HPV, HIV) [29](#page=29). ### 1.6 Reactivatie Reactivatie van virussen is nog niet volledig begrepen. Herpes Simplex Virus (HSV), dat koortsblaasjes veroorzaakt, blijft na een primaire infectie levenslang latent aanwezig in zenuwcellen. Reactivatie kan optreden bij koorts, hormonale veranderingen, verminderde weerstand, tumoren of AIDS. Tijdens latentie worden geïnfecteerde cellen niet door CD8+ cellen aangevallen omdat er nauwelijks virale peptiden aanwezig zijn en neuronen weinig MHC klasse I tot expressie brengen [30](#page=30). ### 1.7 Pathogenese Pathogenese verwijst naar de wijze waarop infectieuze organismen ziekte veroorzaken, direct of indirect via immuunmechanismen. Virussen kunnen ziekte veroorzaken door directe schade of door overmatige activering van natuurlijke of adaptieve immuunmechanismen [31](#page=31). #### 1.7.1 Virussen en kanker Verschillende virussen kunnen kanker veroorzaken [32](#page=32): * **Epstein-Barr virus (EBV):** Geassocieerd met Burkitt's lymfoom, nasofaryngeaal carcinoom en (non)Hodgkin lymfoom [32](#page=32). * **Humaan papillomavirus (HPV):** Geassocieerd met cervixcarcinomen en anogenitale carcinomen [32](#page=32). * **Hepatitis B virus (HBV):** Geassocieerd met hepatocellulair carcinoom [32](#page=32). * **Hepatitis C virus (HCV):** Geassocieerd met hepatocellulair carcinoom [32](#page=32). * **HTLV-1:** Geassocieerd met T-cel leukemie [32](#page=32). * **Humaan herpes virus 8 (HHV-8):** Geassocieerd met Kaposi-sarcoom [32](#page=32). * **Humaan immunodeficiëntie virus (HIV):** Geassocieerd met Kaposi-sarcoom en lymfomen, hoewel het virus zelf niet direct de genetische oorzaak is, maar de immuundeficiëntie die het veroorzaakt [32](#page=32). Virussen kunnen kanker veroorzaken door het produceren van eiwitten die de celcyclus wijzigen, anti-apoptotisch zijn, of signaaltransductie veranderen. Tevens kan integratie van viraal DNA in het genoom leiden tot insertionele mutagenese. Bacteriën zoals *Helicobacter pylori* worden ook geassocieerd met kanker [33](#page=33). --- # Immuunevasie door virussen Virussen gebruiken diverse strategieën om zowel de aangeboren als de verworven immuniteit van de gastheer te ontwijken, waardoor ze chronische infecties kunnen veroorzaken en overleven [21](#page=21). ### 2.1 Evasie aangeboren immuniteit Virussen kunnen de aangeboren immuniteit ontwijken door middel van verschillende tactieken. Een primaire strategie is het zich 'verstoppen' binnen gastheercellen, wat de effectiviteit van antilichamen beperkt tot het voorkomen van infectie en overdracht in de extracellulaire ruimte. Op cellulair niveau detecteert het immuunsysteem virale structuren, zoals dubbelstrengs RNA (dsRNA). Virussen weren zich hiertegen door deze detectie tegen te gaan, bijvoorbeeld door het influenza NS1-eiwit. Ze kunnen ook signaaltransductie na detectie blokkeren, zoals interferonreceptor decoys bij Vaccinia en andere poxvirussen, of interferentie met interferon responsive factor (IRF) decoys door HHV8, wat de expressie van interferon-gestimuleerde genen (ISGs) verhindert. Verder kunnen virussen de effectorfunctie van ISGs tegengaan, bijvoorbeeld door de blokkering van PKR door NS1 (influenza), NS5a (HCV), Us11 en ICP34.5 (HSV1), en E3L (Vaccinia) [21](#page=21) [22](#page=22). Een andere strategie is non-invasiviteit, waarbij virussen zoals HPV geen manifeste blootstelling aan het immuunsysteem veroorzaken en geen gevaarsignalen afgeven. Verberging via latentie, zoals bij HIV, is ook een effectieve methode, waarbij minimale of geen eiwitexpressie leidt tot afwezigheid van antigenen. Immunomodulatie is een overkoepelende term die zowel het ontwijken van aangeboren als verworven immuniteit omvat [21](#page=21) [23](#page=23). > **Tip:** De strategieën om aangeboren immuniteit te ontwijken zijn cruciaal voor de initiële overleving van het virus, omdat de aangeboren immuniteit de eerste verdedigingslinie vormt. ### 2.2 Evasie verworven immuniteit Het ontwijken van de verworven immuniteit is essentieel voor langdurige virale persistentie. Een belangrijk mechanisme is het belemmeren van de presentatie van antigenen via het Major Histocompatibility Complex klasse I (MHC-I). Normaal gesproken presenteren geïnfecteerde cellen intracellulaire antigenen via MHC-I moleculen, die herkend worden door CD8 T-cellen, leidend tot de eliminatie van de geïnfecteerde cel. Virussen hebben echter manieren ontwikkeld om deze presentatie te verstoren [23](#page=23) [24](#page=24). HIV's Nef-eiwit vermindert bijvoorbeeld de oppervlakte-expressie van HLA-A en HLA-B, maar niet HLA-C en HLA-E. HLA-E is met name belangrijk omdat het NK-celactivatie kan vermijden. NK-cellen zijn namelijk geëvolueerd om MHC-I-negatieve cellen, potentieel viraal geïnfecteerd, te herkennen en te lyseren. Andere virussen, zoals CMV, kunnen de endocytose van MHC-I verhogen (door ubiquitinatie), MHC-I intracellulair retineren, of de presentatie zelf inhiberen. CMV's US6-eiwit inhibeert bijvoorbeeld de TAP-loading van MHC-I, met uitzondering van HLA-E. Virussen kunnen ook NK-cel functies inhiberen om de eliminatie door NK-cellen te omzeilen, een mechanisme dat bijvoorbeeld door herpesvirussen wordt toegepast door de expressie van MIC-A en -B te verhinderen, wat de activatie van NK-receptoren zoals NKG2D onderbreekt [24](#page=24) [28](#page=28). > **Example:** HIV-patiënten met het MHC-allotype HLA-B5703 vertonen lagere virale loads en tragere progressie naar AIDS. Virusisolaten van deze patiënten vertonen vaak mutaties in het p24 gag-eiwit, specifiek op locaties die door CD8 T-cellen worden herkend. Deze 'escape mutaties' (bijvoorbeeld in de ISW9, KF11 en TW10 regio's) maken het mogelijk voor het virus om de immuunrespons te ontwijken [25](#page=25). Andere mechanismen om de verworven immuniteit te ontwijken zijn: * **MHC-I presentatie ontlopen door muteren:** Dit leidt tot 'CTL-escape' mutaties, zoals waargenomen bij HIV. Dit is vergelijkbaar met antigenische variabiliteit, waarbij het virus voortdurend muteert tot een quasiespecies, zoals bij HIV, waardoor de antilichamen en T-cellen niet meer effectief zijn [27](#page=27). * **Antigenische variabiliteit:** Protozoën zoals *Trypanosoma brucei* (verwekker van slaapziekte) passen hun oppervlakteglycoproteïnen (VSG) continu aan, waardoor ze aan de antilichamen van de gastheer kunnen ontsnappen. Elk trypanosoom heeft duizenden genen voor VSG's en kan door genconversie een ander VSG tot expressie brengen [26](#page=26). * **Infectie van immuungedeprimeerde individuen:** Virussen zoals rubella en CMV infecteren foetussen, die een nog niet volledig ontwikkeld immuunsysteem hebben [27](#page=27). * **Overproductie van antigenen:** Virussen zoals HBV produceren grote hoeveelheden antigenen, wat het immuunsysteem kan overweldigen [27](#page=27). * **Induceren van een TH2-respons waar TH1 nodig is:** EBV kan bijvoorbeeld TH1-responsen remmen door een IL10-homoloog te produceren, wat de effectiviteit van de cel-gemedieerde immuniteit vermindert [27](#page=27) [28](#page=28). * **Immunosuppressie:** * **Infectie van immuuncellen:** Virussen zoals HIV infecteren en depeteren T-cellen en spelen een rol bij dendritische cellen (DCs). Mazelen depeteren en silencen T-cellen, terwijl EBV B-cellen infecteert en (dys)activeert. CMV infecteert monocyten, macrofagen en DCs [27](#page=27). * **Polyklonale activatie van B-cellen:** EBV kan dit veroorzaken, leidend tot auto-immune en heterofiele antilichamen. Dit kan diagnostische problemen opleveren, omdat patiënten met mononucleosis IgM-positief kunnen zijn voor meerdere virussen [27](#page=27). * **Antilichaambinding:** Herpesvirussen kunnen bijvoorbeeld Fc-receptoren voor IgG gebruiken om antilichaam-afhankelijke cel-gemedieerde cytotoxiciteit (ADCC) te inhiberen [27](#page=27). > **Tip:** Begrijpen hoe virussen MHC-I presentatie belemmeren, is cruciaal, aangezien dit een directe aanval is op de herkenning door cytotoxische T-lymfocyten (CTL's). --- # Persistentie en pathogenese van virale infecties Dit onderwerp onderzoekt hoe virussen langdurig in een gastheer kunnen blijven en de mechanismen achter ziekteontwikkeling. ### 3.1 Persistentie van virussen Persistentie is een overlevingsstrategie voor micro-organismen, waarbij een virus niet op korte termijn uit het lichaam wordt geklaard. Dit wordt mogelijk gemaakt doordat geïnfecteerde cellen lang genoeg in leven blijven om de virale aanwezigheid te handhaven. Soms is er geen continue replicatie, maar is het virale genoom latent aanwezig in de cel, met mogelijk virale genexpressie zonder replicatie of vrijlating van nieuwe virions. Dit kan leiden tot accumulerende schade bij de gastheer en maakt de gastheer een potentiële bron van infectie. Persistentie biedt voordelen voor het virus, zoals een grotere kans op transmissie en de uiteindelijke integratie in de kiembaan, wat erfelijk kan worden (bv. endogene retrovirussen). Dit stelt virussen in staat zich te handhaven in beperkte gastheerpopulaties, in tegenstelling tot niet-persistente virussen zoals influenza en mazelen, die grotere populaties nodig hebben voor overleving of een reservoir in dieren vinden. Persistentie wordt soms geassocieerd met chronische ziekten, zoals hepatitis B (HBV), en kan leiden tot kanker, zoals bij HBV, Epstein-Barr virus (EBV), humaan papillomavirus (HPV) en humaan immunodeficiëntie virus (HIV) [29](#page=29) [4](#page=4). #### 3.1.1 Latentie en reactivatie Een schoolvoorbeeld van persistentie is het herpes simplex virus (HSV), verantwoordelijk voor koortsblaasjes. Na een primaire infectie blijft het virus levenslang latent aanwezig in zenuwcellen. Reactivatie kan optreden bij factoren zoals koorts, hormonale veranderingen, verminderde weerstand (ouderdom, zwangerschap, vermoeidheid, tumoren, AIDS, iatrogene oorzaken) of blootstelling aan UV-straling. Bij reactivatie wordt het virus geproduceerd door de afferente zenuwcellen en getransporteerd naar epitheelcellen, wat leidt tot symptomen zoals koortsblaasjes. Tijdens de latente fase worden de geïnfecteerde cellen niet door CD8+ T-cellen aangevallen, omdat er weinig virale peptiden in het cytoplasma aanwezig zijn en neuronen weinig MHC klasse I tot expressie brengen, wat herkenning door CD8 cytotoxische T-cellen belemmert [30](#page=30). > **Tip:** Het onderscheid tussen persistentie in infectieve vorm en ware latentie is niet altijd duidelijk, met name bij virussen zoals CMV en bij de veroorzaker van tuberculose [3](#page=3). #### 3.1.2 Voorbeelden van persistente virale infecties * **Hepatitis C virus (HCV):** 15-25% klaart het virus binnen 6 maanden, de overigen zelden zonder therapie [4](#page=4). * **Herpesvirus infecties:** Deze zijn steeds levenslang aanwezig [4](#page=4). * **Humaan Immunodeficientie Virus (HIV):** Nagenoeg nooit spontane klaring. HIV infecteert alleen de mens; HIV-1 is pandemisch en HIV-2, voornamelijk in West-Afrika, is minder virulent. HIV is een retrovirus met een RNA-genoom dat als DNA-kopie inbouwt in het genoom van de gastheercel. Na mucosale transmissie infecteren dendritische cellen het virus naar lymfeknopen en lymfoïd weefsel, waar massale infectie van T-cellen plaatsvindt. Klinisch kan dit leiden tot een griepaal syndroom en lymfadenopathie. In het bloed worden zeer hoge virale titers waargenomen en een snelle daling van CD4+ cellen, wat kan leiden tot opportunistische infecties. Binnen 6 weken daalt de virale titer meestal en herstellen de CD4+ counts, wat aangeeft dat het immuunsysteem het virus controleert, mede dankzij CTL-respons en neutraliserende antilichamen. Seroconversie vindt meestal binnen 10 weken plaats. Hierna volgt een periode van persistentie, soms met tekenen van continue immuunactivatie en een geleidelijke afname van CD4-counts over jaren, met mogelijk milde opportunistische infecties. Na gemiddeld 10 jaar versnelt het oplopen van de virale titer en de instorting van CD4-counts, wat leidt tot ernstige opportunistische infecties en overlijden binnen het jaar [14](#page=14) [4](#page=4). ### 3.2 Pathogenese van virale infecties Pathogenese beschrijft de mechanismen waarmee virussen ziekte veroorzaken. Virale infecties kunnen zowel directe als indirecte schade veroorzaken. Indirecte schade kan ontstaan door overmatige activatie van immuunmechanismen, zowel aangeboren als adaptief. Mechanische schade, zoals bij worminfecties, is ook een mogelijkheid [31](#page=31). #### 3.2.1 Virussen en kanker Verschillende virussen kunnen kanker veroorzaken door mechanismen zoals: * **Productie van eiwitten:** Deze eiwitten kunnen de celcyclus wijzigen, anti-apoptotisch zijn of signaaltransductiepathways beïnvloeden [33](#page=33). * **Integratie in het genoom:** Dit kan leiden tot insertionele mutagenese [33](#page=33). Enkele voorbeelden van virussen en geassocieerde kankers zijn: | Virus | Geassocieerde Kanker | Virusgenoom in kankercellen | | :------------------------- | :------------------------------- | :-------------------------- | | Epstein-Barr virus | Burkitt's lymfoom | + | | | Nasofaryngeaal carcinoom | + | | | (non)Hodgkin lymfoom | +/- (zie les 13) | | Humaan papillomavirus | Cervixcarcinoom | + | | | Anogenitale carcinomen | + | | Hepatitis B virus | Hepatocellulair carcinoom | + | | Hepatitis C virus | Hepatocellulair carcinoom | - | | HTLV-1 | T-cel leukemie | + | | Humaan herpes virus 8 | Kaposi sarcoom | + | | Humaan immunodeficiëntie virus | Kaposi sarcoom, lymfomen | - | * Geografische spreiding suggereert een invloed van gastheerfactoren [32](#page=32). Bacteriën, zoals *Helicobacter pylori*, kunnen ook geassocieerd worden met kanker, zoals maag- en duodenumkanker, waarbij antibiotica een rol kunnen spelen in de therapie van geassocieerde lymfomen [33](#page=33). > **Tip:** Het natuurlijke verloop van een infectieziekte wordt bepaald door de balans tussen het micro-organisme en de afweer van de gastheer. Dit omvat het type kiem en zijn virulentie, alsook de individuele eigenschappen van de gastheer. Een daling van de afweer kan bijvoorbeeld leiden tot verminderde controle over virale replicatie (zoals bij zonnebrand) of tot minder symptomen. Een illustratief voorbeeld is een HBV-geïnfecteerde AIDS-patiënt die hepatitis-symptomen ontwikkelt na het aanslaan van een cART-behandeling [3](#page=3). --- ## 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 | |------|------------| | Chronische virale infectie | Een infectie veroorzaakt door een virus die langdurig of levenslang in het lichaam van de gastheer aanhoudt, waarbij het virus niet volledig wordt uitgeruimd. | | Humaan immunodeficiëntie virus (HIV) | Een retrovirus dat het immuunsysteem van de mens aantast, specifiek de CD4+ T-cellen, wat kan leiden tot verworven immunodeficiëntie (AIDS). | | Immuunevasie | Het vermogen van pathogenen, zoals virussen, om te ontsnappen aan of de immuunrespons van de gastheer te omzeilen, waardoor ze succesvol kunnen infecteren en persisteren. | | Persistente infectie | Een infectie die langdurig aanhoudt in het lichaam van de gastheer, vaak als gevolg van de integratie van het virale genoom in de gastheercel of de productie van virussen in een tempo dat het immuunsysteem niet kan bijhouden. | | Reactivatie | Het opnieuw actief worden van een latent virus in de gastheer, vaak uitgelokt door factoren zoals stress, verminderde weerstand of hormonale veranderingen, wat leidt tot een nieuwe infectiecyclus. | | Retrovirus | Een type virus dat een RNA-genoom heeft en gebruikmaakt van reverse transcriptase om zijn RNA om te zetten in DNA, dat vervolgens in het genoom van de gastheercel wordt geïntegreerd. | | Levenscyclus retrovirus | Het volledige proces dat een retrovirus doorloopt, vanaf de binding aan de gastheercel, de replicatie van het genoom via reverse transcriptie en integratie, tot de assemblage en vrijlating van nieuwe virionen. | | Immuunpathologie | Schade aan weefsels of organen die wordt veroorzaakt door een ontregelde of overmatige immuunrespons, in plaats van door de directe werking van het pathogeen. | | AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome) | Het gevorderde stadium van een HIV-infectie, gekenmerkt door een ernstig verzwakt immuunsysteem dat leidt tot ernstige opportunistische infecties en kankers. | | Opportunistische infectie | Een infectie veroorzaakt door pathogenen die normaal gesproken geen ziekte veroorzaken bij personen met een gezond immuunsysteem, maar die wel ziekte kunnen veroorzaken bij personen met een verzwakt immuunsysteem. | | Seroconversie | Het proces waarbij het lichaam antilichamen produceert tegen een infectieus agens, wat leidt tot de detectie van deze antilichamen in het bloed en het einde van de "windowfase" van de infectie. | | Virale lading | De hoeveelheid viraal RNA of DNA die aanwezig is in een specifiek volume lichaamsvloeistof, meestal bloed, en die een maat is voor de intensiteit van de virale replicatie. | | Antiretrovirale therapie (cART) | Een combinatie van geneesmiddelen die wordt gebruikt om de replicatie van retrovirussen, zoals HIV, te remmen. | | MHC-I presentatie | Het proces waarbij intracellulaire antigenen, zoals virale eiwitten, worden afgebroken en gepresenteerd op het celoppervlak gebonden aan MHC klasse I moleculen, zodat ze door CD8+ T-cellen herkend kunnen worden. | | CTL respons (Cytotoxic T Lymphocyte response) | De immuunrespons waarbij cytotoxische T-cellen (CTL's) geïnfecteerde cellen herkennen en vernietigen, wat essentieel is voor de klaring van virale infecties. | | Pathogenese | Het mechanisme waarmee een ziekte ontstaat en zich ontwikkelt, inclusief de interacties tussen het pathogeen en de gastheer. | | Latentie | Een fase in de levenscyclus van sommige virussen waarbij het virale genoom aanwezig is in de cel, maar het virus zich niet actief repliceert of nieuwe virionen produceert. |

# Het ontstaan van het leven op aarde Dit deel behandelt de verschillende hypothesen en experimenten rond het ontstaan van de eerste organische moleculen en cellen op aarde, waaronder de oersoeptheorie, hydrothermale bronnen en de RNA-wereld hypothese. ### 1.1 De atmosfeer van het leven De huidige atmosfeer van de aarde, bestaande uit 78% stikstof, 21% zuurstof en kleine fracties waterdamp en koolstofdioxide, is cruciaal voor het bestaan van leven. De samenstelling van de atmosfeer is echter door de tijd heen sterk veranderd, en deze veranderingen speelden een rol in het ontstaan van leven [9](#page=9). ### 1.2 Hypothesen voor het ontstaan van organische moleculen Na het ontstaan van de aarde, ongeveer 4,6 miljard jaar geleden, bestond de atmosfeer uit waterdamp, N2, NO, CO2, CH4 en NH3, met een zeer laag percentage zuurstof. Deze omstandigheden leidden tot verschillende hypothesen over de vorming van de eerste organische moleculen [9](#page=9). #### 1.2.1 Oersoeptheorie De oersoeptheorie, onafhankelijk voorgesteld door Oparin en Haldane in de jaren 1920, stelt dat de vroege aardatmosfeer reducerend was, wat de synthese van eenvoudige organische moleculen uit minerale moleculen mogelijk maakte. Energie hiervoor kwam van uv-straling en blikseminslagen. Haldane suggereerde dat de oceaan een oplossing van organische moleculen was, een "primitieve soep" waaruit leven kon ontstaan [10](#page=10) [9](#page=9). Het experiment van Miller en Urey in 1953 testte deze hypothese door de vroege aardatmosfeer na te bootsen. Ze gebruikten een gesloten systeem met waterdamp, waterstof, ammoniak en methaan, en elektrische ontladingen als bliksem. Na een week vonden ze formaldehyde, waterstofcyanide, aminozuren en lange koolwaterstofketens in de "primordiale soep". Dit toonde aan dat organische moleculen abiotisch konden worden gesynthetiseerd. Het experiment kon echter geen nucleïnezuren produceren [10](#page=10) [11](#page=11). **Tip:** Het experiment van Miller en Urey was revolutionair omdat het aantoonde dat de chemische bouwstenen van het leven spontaan konden ontstaan, wat de theorie van spontane generatie ontkrachtte. Recent onderzoek suggereert dat de vroege aardatmosfeer mogelijk minder reducerend was dan aangenomen in het experiment van Miller en Urey. Experimenten met een atmosfeer van voornamelijk waterdamp, CO2 en N2 produceerden wel eenvoudige organische moleculen, maar geen aminozuren. De oersoeptheorie biedt daarom waarschijnlijk geen volledige verklaring. Wetenschappers vermoeden nu dat specifieke gebieden, zoals rond vulkanische openingen, wel reducerend waren en mogelijk de locatie waren voor het ontstaan van het eerste leven [11](#page=11) [12](#page=12). #### 1.2.2 Hydrothermale en alkalische bronnen als bron van leven Een andere hypothese plaatst het ontstaan van het eerste leven rond hydrothermale bronnen (black smokers) en alkalische bronnen op de oceaanbodem [12](#page=12). * **Hydrothermale bronnen:** Deze ontstaan op vulkanisch actieve plaatsen waar water in de aardkorst sijpelt, opwarmt en weer de oceaan instroomt, waarbij mineralen neerslaan en "schoorstenen" vormen. Ze kunnen temperaturen tot 300-400 °C bereiken [12](#page=12) [13](#page=13). * **Alkalische bronnen:** Deze hebben lagere temperaturen (40-90 °C) en een hoge pH (9-11). Ze ontstaan door een chemische reactie tussen olivijn en water, waarbij waterstofgas wordt geproduceerd. Deze bronnen hebben poreuze structuren met minuscule poriën [13](#page=13). In deze bronnen konden de eerste organische verbindingen ontstaan door chemische reacties tussen waterstof en koolstofdioxide. Het pH-verschil tussen de alkalische vloeistof van de bron en het zuurdere oceaanwater creëerde een protonengradiënt, die als energiebron diende. Dit kon leiden tot de vorming van ribosemoleculen, een onderdeel van nucleïnezuren. Bij hydrothermale bronnen is de hoge temperatuur de drijvende kracht voor molecuulvorming [13](#page=13). **Voorbeeld:** De poreuze structuren van alkalische bronnen boden een omgeving waar moleculen konden worden geconcentreerd en waar chemische reacties konden plaatsvinden, mogelijk geholpen door de pH-gradiënt [13](#page=13). #### 1.2.3 De hypothese van de “RNA-wereld” In de jaren 60 werd de hypothese van de "RNA-wereld" voorgesteld, die stelt dat het vroegste leven gebaseerd was op RNA, en dat DNA zich pas later ontwikkelde. Volgens deze hypothese was het vroegste leven heterotroof en ontstond het uit prebiotische organische stoffen. Onderzoek heeft de abiotische synthese van adenine, guanine, cytosine en uracil (bouwstenen van RNA) uit eenvoudige moleculen aangetoond [14](#page=14). #### 1.2.4 Combinatie van hypothesen? Er is nog veel onduidelijkheid over het ontstaan van het eerste leven, en geen enkele hypothese is momenteel volledig [15](#page=15). * **Oersoeptheorie:** Hoewel het experiment van Miller de vorming van organische bouwstenen in zeeën en vijvers bevestigde, waren de experimentele omstandigheden (atmosfeer) niet geheel representatief. Ook ontbrak een ozonlaag die bescherming bood tegen uv-straling, wat gevormde moleculen kon afbreken. Tegenstrijdig bewijs bestaat over de hoeveelheid vulkanische activiteit op de vroege aarde [14](#page=14) [15](#page=15). * **Hydrothermale bronnen:** Deze bieden mineralen, organische moleculen en energie, en bescherming tegen uv-straling. Echter, de hoge temperaturen (tot 400 °C) roepen vragen op over de stabiliteit van complexe organische moleculen en het overleven van leven bij zulke temperaturen [15](#page=15). * **Alkalische bronnen:** Ontdekt rond 2000, bieden ze gunstigere omstandigheden (lagere temperatuur). Discussie bestaat of polymerisatie hier goed kan plaatsvinden, omdat bouwstenen kunnen wegspoelen, en of er voldoende fosforbronnen waren voor de synthese van nucleïnezuren [15](#page=15). * **RNA-wereld hypothese:** De abiotische synthese van volledige ribonucleotiden is chemisch uitdagend na te bootsen, en RNA is chemisch relatief onstabiel. Het is onduidelijk hoe ribozymen replicatie mogelijk maakten zonder ondersteunende moleculen [16](#page=16). Wetenschappers achten tegenwoordig een hybride of sequentiële hypothese het meest realistisch, waarbij organische bouwstenen uit verschillende bronnen (atmosferische reacties, meteorieten) in geologische niches worden geconcentreerd, energie uit redox-stromen of pH-gradiënten gebruiken, en vervolgens RNA (of RNA-achtige systemen) ontstaat en co-evolueert met membranen en peptiden [16](#page=16). ### 1.3 Polymerisatie van organische moleculen De vorming van aminozuren uit kleine moleculen was de eerste stap. Aminozuren bestaan uit een centraal C-atoom gebonden aan een aminegroep, een carboxylgroep, een H-atoom en een restgroep (R). Ze kunnen onder afsplitsing van water aan elkaar worden gekoppeld om polymeren te vormen [16](#page=16). **Tip:** Klei kan als katalysator werken door de binding van kleine moleculen op zijn oppervlak, wat polymerisatie kan bevorderen [16](#page=16). Onderzoek heeft aangetoond dat polymeren van aminozuren of RNA-nucleotides spontaan kunnen worden gevormd door het druppelen van deze componenten op warm zand, klei of rots. Deze ketens konden als zwakke katalysatoren hebben gediend op de jonge aarde. Wanneer aminozuren en RNA-nucleotides samen aanwezig waren of ontstonden, kan dit hebben geleid tot de vorming van de eerste cellen, in de vorm van protobionten [17](#page=17). ### 1.4 De eerste cellen: de protobionten De volgende stap was de vorming van blaasjes die zelfreplicerende moleculen opsloten: de protobionten. Dit zijn verzamelingen van abiotisch geproduceerde moleculen omgeven door een membraanachtige structuur. Protobionten vertonen enkele eigenschappen van leven, zoals eenvoudige vermenigvuldiging, een simpel metabolisme en het onderhouden van een intern chemisch milieu dat verschilt van de omgeving [17](#page=17). * **Liposomen:** Kleine vetbolletjes omgeven door een membraan, spontaan gevormd wanneer vetdruppeltjes in water worden gebracht. Fosfolipiden, de bouwstenen, hebben een hydrofiele kop en een hydrofobe staart, waardoor ze in water een dubbele laag (bilayer) vormen [17](#page=17) [18](#page=18). * **Metabolisme in protobionten:** Met de toevoeging van enzymen kunnen liposomen eenvoudige metabolische reacties uitvoeren [18](#page=18). Het eerste genetische materiaal was waarschijnlijk RNA, dat enzymatische katalytische functies (ribozymes) kan uitoefenen en kleine stukjes RNA kan repliceren. Protobionten met zelfreplicerend RNA ondergingen een vorm van natuurlijke selectie: stabielere RNA-sequenties repliceerden sneller en efficiënter, waardoor deze protobionten beter aangepast waren. Grotere protobionten splitsten zich, wat leidde tot zelfreplicatie [18](#page=18) [19](#page=19). ### 1.5 Wat is ‘leven’? Leven wordt gedefinieerd als "een zelfvoorzienend chemisch systeem dat in staat is tot Darwiniaanse evolutie". Er is echter nog geen universeel aanvaarde definitie van leven. De wetenschappelijke consensus benadrukt echter de volgende gemeenschappelijke kenmerken van levende cellen [19](#page=19): 1. **Homeostase:** Het vermogen om het interne milieu constant te houden [19](#page=19). 2. **Organisatie en structuur:** Verband tussen vorm en functie; de cel is de basale bouwsteen [20](#page=20). 3. **Groei:** Toename van grootte en complexiteit gedurende de levenscyclus [20](#page=20). 4. **Metabolisme:** Opnemen en omzetten van energie via biochemische processen [20](#page=20). 5. **Aanpassing:** Structurele of gedragsmatige aanpassingen die overleven en voortplanting bevorderen [20](#page=20). 6. **Prikkelbaarheid:** Het vermogen om te reageren op stimuli [20](#page=20). 7. **Voortplanting:** Het proces waarbij nakomelingen worden voortgebracht, wat zelfreplicerende dragers van erfelijk materiaal vereist [20](#page=20). Het eerste leven op aarde ontstond naar schatting 3,5 tot 4 miljard jaar geleden [20](#page=20). --- # Evolutiegeschiedenis en celstructuur van prokaryoten en eukaryoten Hier is een uitgebreide studiegids voor het onderwerp "Evolutiegeschiedenis en celstructuur van prokaryoten en eukaryoten". ## 2. Evolutiegeschiedenis en celstructuur van prokaryoten en eukaryoten Dit onderwerp verkent de evolutionaire reis van het leven op aarde, de overgang van eenvoudige prokaryote naar complexere eukaryote cellen, en de gedetailleerde architectuur van beide celtypen. ### 2.1 Belangrijke gebeurtenissen in de geschiedenis van het leven Het leven op aarde, dat ongeveer 3,5 tot 4 miljard jaar geleden begon, heeft een lange en gevarieerde evolutie doorgemaakt. De geologische tijdschaal, gebaseerd op fossielenonderzoek en gemarkeerd door massa-extincties, helpt ons deze gebeurtenissen te plaatsen [20](#page=20) [22](#page=22). #### 2.1.1 Het ontstaan van eencellige organismen De eerste microbiële cellen verschenen zo'n 3,5 miljard jaar geleden, waarschijnlijk nabij oceaanbodems. In de vroege anoxische atmosfeer en oceanen konden alleen organismen met anaerobe stofwisseling overleven (#page=22, 23). Deze vroege cellen waren waarschijnlijk chemolithotroof en gebruikten H2 en H2S als elektronendonoren, en CO2 als koolstofbron [22](#page=22) [23](#page=23). #### 2.1.2 Fotosynthese en de zuurstofrevolutie Ongeveer een miljard jaar na het ontstaan van leven, ontwikkelden zich fototrofe micro-organismen die zonlichtenergie konden vastleggen. De evolutie van cyanobacteriën (blauwalg) ongeveer 2,5 miljard jaar geleden, die zuurstof produceerden via fotosynthese, leidde tot de "zuurstofrevolutie". De fotosynthesereactie is [23](#page=23) [24](#page=24): $$6 \text{CO}_2 + 6 \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6 \text{O}_2$$ [24](#page=24). De vrijgekomen zuurstof reageerde aanvankelijk met opgelost ijzer, wat leidde tot de vorming van ijzerformaties. Pas nadat het ijzer was neergeslagen, kon zuurstof zich ophopen in de oceanen en vervolgens ontsnappen naar de atmosfeer, waardoor deze voor ongeveer twintig procent zuurstof ging bevatten. Dit had grote gevolgen: anaerobe organismen stierven uit of overleefden in specifieke niches, terwijl aerobe micro-organismen een energetisch voordeel kregen, wat de evolutie van complexere cellen stimuleerde [24](#page=24). #### 2.1.3 Endosymbiose en het ontstaan van de eukaryoten Gedurende twee miljard jaar domineerden prokaryote cellen met een anaerobe levenswijze. De toename van zuurstof in de atmosfeer viel samen met de evolutie van eukaryote cellen, die complexer zijn en membraangebonden organellen bevatten, zoals de kern, mitochondriën en endoplasmatisch reticulum [25](#page=25). De endosymbiosetheorie suggereert dat eukaryoten zijn ontstaan uit een samenwerking tussen prokaryoten (#page=25, 26). Mitochondriën zouden zijn ontstaan uit aerobe bacteriën die door een grotere gastheercel (waarschijnlijk een Archaea) werden opgenomen, en plastiden (zoals chloroplasten) uit fotosynthetische prokaryoten [25](#page=25) [26](#page=26). > **Tip:** De endosymbiosetheorie wordt ondersteund door bewijzen zoals de aanwezigheid van eigen circulair DNA in mitochondriën en plastiden, die lijken op bacterieel DNA, en de gelijkenis van hun ribosomen met die van prokaryoten [27](#page=27). De opsplitsing van de plasmamembraan van de gastheercel vormde waarschijnlijk de kernmembraan en het endoplasmatisch reticulum. Deze endosymbiotische gebeurtenissen diversifieerden het metabolisme van vroege eukaryoten [27](#page=27). #### 2.1.4 Meercellige organismen en de kolonisatie van land De efficiëntere energieproductie door zuurstofverbruikende organismen maakte de evolutie van meercellige levensvormen mogelijk. Hoewel het leven voor 80% microbieel was, verschenen er al vanaf 1,9 miljard jaar geleden complexe eencellige algen. Rond 0,6 miljard jaar geleden, toen de zuurstofconcentratie vergelijkbaar werd met het huidige niveau, ontstond de Ediacarische fauna. De "Cambrische explosie" (ongeveer 0,5 miljard jaar geleden) zag een snelle diversificatie van meercellige eukaryoten, inclusief de eerste roofdieren [27](#page=27) [28](#page=28). De kolonisatie van het land, beginnend rond 500 miljoen jaar geleden met schimmels en planten, was een volgende belangrijke stap. Dieren zoals geleedpotigen volgden kort daarna [28](#page=28). ### 2.2 Celstructuur bij pro- en eukaryoten Alle levende organismen zijn opgebouwd uit cellen, de kleinste levende eenheden. Cellen delen gemeenschappelijke kenmerken zoals een celmembraan, cytoplasma met cytosol en ribosomen, en chromosomen (DNA). We onderscheiden echter twee fundamentele celtypen: prokaryote en eukaryote cellen [28](#page=28) [29](#page=29). #### 2.2.1 De prokaryote celstructuur Prokaryote cellen, gevonden bij bacteriën en archaea, missen membraangebonden organellen en een kern. Ze zijn over het algemeen kleiner dan eukaryote cellen (diameter 1-5 µm versus 10-100 µm) [29](#page=29). Kernstructuren van prokaryoten zijn: * **Cytoplasmamembraan:** Een barrière die het cytoplasma scheidt van de omgeving en selectief permeabel is (#page=29, 31) [29](#page=29) [31](#page=31). * **Celwand:** Een stevige structuur rond het membraan die zorgt voor stabiliteit en bescherming tegen osmotische druk (#page=29, 30, 33) [29](#page=29) [30](#page=30) [33](#page=33). * **Cytoplasma:** Bevat macromoleculen, kleine organische moleculen, ionen en ribosomen [30](#page=30). * **Ribosomen:** Verantwoordelijk voor eiwitsynthese (#page=28, 30) [28](#page=28) [30](#page=30). * **Genoom:** Meestal een circulair chromosoom geconcentreerd in een membraanloze nucleoïde. Daarnaast kunnen er plasmiden zijn, die extra, vaak niet-essentiële genen bevatten [30](#page=30). #### 2.2.2 Celmembraan en celwand bij prokaryoten De celwand en het celmembraan vormen de buitenste lagen van de prokaryote cel en zijn cruciaal voor interactie met de omgeving, transport, energiebehoud en bescherming [31](#page=31). ##### 2.2.2.1 Het cytoplasmamembraan Het cytoplasmamembraan is een dubbele fosfolipidenlaag met ingebedde eiwitten [31](#page=31). * **Bij bacteriën en eukaryoten:** Fosfolipiden hebben hydrofobe vetzuurstaarten (gebonden aan glycerol via esterbindingen) en hydrofiele "kopgroepen" (glycerol, fosfaat, functionele groep) [31](#page=31). * **Bij archaea:** De bindingen tussen glycerol en de hydrofobe staarten zijn etherbindingen, en de staarten zijn opgebouwd uit isopreeneenheden. Sommige archaea hebben zelfs een enkele lipidelaag [32](#page=32). ##### 2.2.2.2 De celwand bij bacteriën De celwand beschermt tegen osmotische lyse en behoudt de celvorm. Bacteriële celwanden worden ingedeeld als grampositief of gramnegatief op basis van hun structuur en reactie op Gram-kleuring [33](#page=33). * **Grampositief:** Dikke celwand (20-35 nm), rijk aan peptidoglycaan (tot 90%), met 15+ lagen peptidoglycaan. Bevat teichoïnezuren en lipoteichoïnezuren (#page=33, 35) [33](#page=33) [35](#page=35). * **Gramnegatief:** Dunner (2-7 nm), met een enkele laag peptidoglycaan, een periplasma en een buitenmembraan [33](#page=33). Het belangrijkste bestanddeel van de bacteriële celwand is **peptidoglycaan**, een polysacharide van afwisselende N-acetylglucosamine (G) en N-acetylmuraminezuur (M) eenheden, verbonden door β-1,4 glycosidebindingen, met een korte peptideketen eraan. Peptideketens van aangrenzende strengen zijn cross-linked via peptidebindingen, wat een driedimensionaal netwerk vormt (#page=34, 35) [34](#page=34) [35](#page=35). > **Tip:** Penicillines en cefalosporines werken in op de synthese van peptidoglycaan, waardoor bacteriën gevoelig worden voor osmotische lyse. Menselijke cellen, zonder celwand, worden hierdoor niet beïnvloed [34](#page=34). Lysozym breekt peptidoglycaan af door de β-1,4 glycosidebindingen te splitsen, wat ook cellyse kan veroorzaken en dient als een verdedigingsmechanisme [38](#page=38). * **Buitenmembraan (Gramnegatief):** Een tweede dubbele fosfolipidenlaag die polysacchariden (lipopolysachariden, LPS) bevat. LPS draagt bij aan celsterkte, oppervlakteherkenning en virulentie. Het bevat ook porines voor niet-specifiek transport [37](#page=37). * **Periplasma (Gramnegatief):** De ruimte tussen het cytoplasmamembraan en het buitenmembraan, die de dunne peptidoglycaanlaag bevat en eiwitten huisvest met functies buiten het cytoplasma [37](#page=37). ##### 2.2.2.3 De celwand bij archaea Archaea hebben celwanden die *geen* peptidoglycaan bevatten. Ze variëren in samenstelling en kunnen bestaan uit polysachariden, eiwitten of glycoproteïnen [38](#page=38). * **Pseudomureïne:** Sommige methanogenen hebben een structuur die lijkt op peptidoglycaan, maar met N-acetyltalosaminuronzuur in plaats van N-acetylmuraminezuur, β-1,3 glycosidebindingen en uitsluitend L-aminozuren. Pseudomureïne is niet gevoelig voor lysozym of penicilline [38](#page=38) [39](#page=39). * **S-laag:** Bijna alle archaea hebben een buitenste laag van eiwitten of glycoproteïnen die een kristallijn rooster vormt. Deze S-laag kan de functie van de celwand overnemen en zorgt voor celvorm, sterkte en bescherming [39](#page=39). #### 2.2.3 Structuren aan het celoppervlak en inclusies van prokaryoten * **Kapsels en slijmlagen:** Kleverige of slijmerige lagen van polysachariden of eiwitten aan het celoppervlak. Kapsels zijn georganiseerd en stevig, slijmlagen zijn losser. Ze bevorderen hechting, beschermen tegen stress en uitdroging, en spelen een rol in biofilms en virulentie (#page=40, 41) [40](#page=40) [41](#page=41). * **Pili en fimbriae:** Dunne eiwitstructuren die uit het celmembraan ontspringen. Korte pili, fimbriae genoemd, faciliteren hechting aan oppervlakken en weefsels. Pili dragen bij aan de virulentie van pathogenen [41](#page=41). * **Celinclusies:** Ophopingen van opslagstoffen zoals PHB (poly-β-hydroxyboterzuur), glycogeen of polyfosfaat. Ze verminderen osmotische stress en nemen minder ruimte in dan opgeloste stoffen [42](#page=42). * **Endosporen:** Sterk gedifferentieerde, slapende cellen gevormd door bepaalde grampositieve bacteriën (vooral *Bacillus* en *Clostridium*) om extreme omstandigheden te overleven (#page=42, 43, 45). Ze zijn geen reproductieve structuren, maar een levensfase [42](#page=42) [43](#page=43) [45](#page=45). > **Tip:** Endosporen zijn zeer resistent tegen hitte, straling en chemische stoffen, en kunnen vele jaren slapend blijven. Het proces van vorming heet sporulatie en de terugkeer naar een actieve cel heet kieming [43](#page=43) [44](#page=44). De structuur van een endospore omvat een kern, binnenmembraan, cortex (peptidoglycaan), buitenmembraan, sporemantel en soms een exosporium [44](#page=44). #### 2.2.4 Celbeweging bij prokaryoten Prokaryoten kunnen bewegen middels zwemmen of glijden [45](#page=45). * **Flagellen (Bacteriën):** Lange, dunne draden die uit het basaal lichaampje in de cel roteren, aangedreven door protonengradiënten, om de cel voort te stuwen (#page=45, 46). Ze kunnen polair of peritrich geplaatst zijn [45](#page=45) [46](#page=46). * **Archaella (Archaea):** Vergelijkbaar in functie met flagellen, maar evolutionair meer verwant aan type IV pili en aangedreven door ATP-hydrolyse. Archaea zwemmen over het algemeen langzamer dan bacteriën [46](#page=46). * **Glijdende motiliteit:** Vormen van oppervlaktebeweging die hechting aan een oppervlak vereisen en langzamer zijn dan zwemmen [47](#page=47). #### 2.2.5 De eukaryote celstructuur Eukaryote cellen, gevonden in protisten, fungi, planten en dieren, zijn groter en complexer dan prokaryoten, met membraangebonden organellen (#page=29, 47) [29](#page=29) [47](#page=47). * **Kern (Nucleus):** Omgeven door een dubbel membraan, bevat het genetisch materiaal [47](#page=47). * **Mitochondriën:** Locatie van cellulaire respiratie en ATP-productie [47](#page=47). * **Chloroplasten:** Alleen in fototrofe eukaryoten, locatie van fotosynthese [47](#page=47). * **Endoplasmatisch reticulum (ER):** Netwerk van membranen voor lipiden- en eiwitsynthese (glad ER) en eiwitsynthese (ruw ER, met ribosomen) (#page=47, 48) [47](#page=47) [48](#page=48). * **Golgi-complex:** Synthese, modificatie, sortering en secretie van celproducten [47](#page=47). * **Lysosomen:** Bevatten spijsverteringsenzymen [47](#page=47). * **Cytoskelet:** Bepaalt celvorm en -beweging [47](#page=47). Eukaryote flagellen en cilia zijn structureel verschillend van prokaryote flagellen en bestaan uit 9 dubbele microtubuli rond een centraal paar, waarbij dyneïne voor beweging zorgt. Het plasmamembraan is een dubbele fosfolipidenlaag, vergelijkbaar met prokaryoten, maar kan extra lipiden zoals sterolen bevatten. Celwanden bij eukaryoten variëren: planten hebben lignocellulose, schimmels hebben chitine [48](#page=48). #### 2.2.6 Het verschil tussen plantaardige en dierlijke cellen Plantaardige en dierlijke cellen, beide eukaryoot, hebben duidelijke verschillen [49](#page=49): * **Dierlijke cellen:** Hebben geen celwand, vaak kleine of geen vacuolen, lysosomen, centrosomen met centriolen, en eventueel flagellen [49](#page=49). * **Plantaardige cellen:** Hebben een dikke celwand (lignocellulose), chloroplasten, een grote centrale vacuole, en plasmodesmata die verbindingen tussen cellen mogelijk maken (#page=48, 49) [48](#page=48) [49](#page=49). --- # Diversiteit van het leven op aarde en fylogenie Dit deel van de studie behandelt de classificatie van organismen (taxonomie), de evolutionaire geschiedenis (fylogenie) en de diversiteit binnen de domeinen Bacteria, Archaea, Fungi en Plantae. ### 3.1 Taxonomie #### 3.1.1 Het groeperen van soorten: de basisidee Taxonomie is de wetenschap die zich bezighoudt met de classificatie van organismen in groepen op basis van gelijkenissen. Het precieze aantal soorten op aarde is onbekend, schattingen variëren van 8,7 miljoen tot 1-6 miljard, met ongeveer 2,16 miljoen formeel beschreven soorten. Deze classificatie is essentieel voor het ordenen van de natuurlijke diversiteit en voor effectieve wetenschappelijke communicatie. Taxonomische niveaus lopen hiërarchisch van soort tot domein: soort, geslacht, familie, orde, klasse, stam, rijk en domein. Latijn wordt veel gebruikt in taxonomische benamingen voor wereldwijde duidelijkheid. Een soort krijgt een tweeledige wetenschappelijke naam, bestaande uit de genusnaam (met hoofdletter) gevolgd door de soortnaam (kleine letter), beide schuin gedrukt. Deze regels werden vastgelegd door Carolus Linnaeus. Een taxon is de taxonomische eenheid op elk niveau, waarbij taxa hoger dan genusniveau met een hoofdletter worden geschreven en niet schuin gedrukt [52](#page=52) [53](#page=53) [54](#page=54). #### 3.1.2 De drie (?) domeinen van het leven Vroege pogingen om de evolutiegeschiedenis te bestuderen waren gericht op fossielen en vergelijkende biologie, wat minder geschikt was voor micro-organismen. De ontdekking van DNA en het gebruik van rRNA voor evolutionaire analyses leidde tot de erkenning van drie domeinen van leven: Bacteria, Archaea en Eukarya. Dit drie-domeinensysteem vervangt het oudere vijf-rijkensysteem. Recente genomische studies suggereren dat eukaryote cellen een mix van archaeale en bacteriële kenmerken bezitten, en dat sommige archaea (zoals de Asgard-groep) nauwer verwant zijn aan eukaryoten dan aan andere archaea. Dit kan leiden tot een herziening naar een twee-domeinen systeem waarbij eukaryoten binnen de Archaea vallen [55](#page=55) [56](#page=56) [57](#page=57). ### 3.2 Fylogenie #### 3.2.1 De link tussen fylogenie en classificatie Fylogenie bestudeert de evolutionaire geschiedenis van soorten en de evolutionaire relaties tussen hen. Organismen delen kenmerken door gemeenschappelijke voorouders. Een fylogenetische boom is een diagram dat deze evolutionaire geschiedenis weergeeft en voorspellingen over kenmerken mogelijk maakt. De hiërarchische classificatie van Linnaeus is zichtbaar in de vertakking van fylogenetische bomen, maar geeft op zichzelf weinig fylogenetische informatie. DNA-analyse en ander nieuw bewijsmateriaal kunnen leiden tot herclassificaties om de evolutionaire geschiedenis correct weer te geven [57](#page=57) [58](#page=58). #### 3.2.2 Convergente evolutie Homoplasie, ook wel convergente evolutie genoemd, treedt op wanneer organismen een eigenschap delen die niet van een gemeenschappelijke voorouder is geërfd. Dit gebeurt door vergelijkbare omgevingsfactoren en natuurlijke selectie die leiden tot gelijkaardige aanpassingen in evolutionair verschillende lijnen. Vleugels bij insecten en vogels zijn een voorbeeld van convergente evolutie [59](#page=59). #### 3.2.3 Hoe ‘lees’ je fylogenetische bomen? Een fylogenetische boom is een hypothese over evolutionaire relaties en bestaat uit knopen (vertakkingspunten die gemeenschappelijke voorouders vertegenwoordigen) en takken. De uiteinden van de takken stellen bestaande soorten voor. Zustertaxa zijn groepen die een gemeenschappelijke voorouder delen die door geen enkele andere groep wordt gedeeld; ze zijn elkaars dichtste verwanten. Fylogenetische bomen kunnen horizontaal, verticaal of diagonaal getekend worden; alleen de knooppunten zijn informatief, rotatie rond knooppunten verandert de topologie niet. Taklengtes kunnen het aantal veranderingen aangeven, maar zijn niet altijd informatief. Een gewortelde boom bevat een tak die de meest recente gemeenschappelijke voorouder van alle taxa weergeeft. Een basaal taxon is een evolutionaire lijn die vroeg in de geschiedenis afwijkt van de rest van de groep. Fylogenetische bomen tonen afstammingspatronen, niet noodzakelijk fenotypische gelijkenis; ze geven niet aan wanneer soorten zijn geëvolueerd of hoeveel verandering er heeft plaatsgevonden [59](#page=59) [60](#page=60) [61](#page=61). #### 3.2.4 Hoe maak je fylogenetische bomen? Fylogenetische bomen worden gemaakt op basis van moleculaire data (DNA- of eiwitsequenties). De complexiteit neemt exponentieel toe met het aantal sequenties. Cladistiek is een methode om fylogenetische bomen (cladogrammen) te construeren op basis van gedeelde afgeleide kenmerken. Een clade is een groep die een voorouder en al zijn afstammelingen omvat. Een outgroup is een nauw verwante soort buiten de te bestuderen groep (ingroup) die als referentie dient. Kenmerken die zowel in de ingroup als outgroup voorkomen, worden als afkomstig van een gemeenschappelijke voorouder beschouwd, terwijl kenmerken die slechts in een deel van de ingroup voorkomen, aangeven wanneer die eigenschap is ontstaan [62](#page=62) [63](#page=63). Alternatief kan een cladogram worden opgesteld op basis van genetische informatie door het uitlijnen van sequenties, het opstellen van een dissimilariteitsmatrix en hiërarchische clustering (bv. UPGMA) [64](#page=64). ### 3.3 Archaea Het domein Archaea is vernoemd naar het Archaean, de periode waarin leven zich voor het eerst verspreidde. Hoewel veel archaea in extreme omgevingen leven, bezetten ze een breed scala aan habitats en zijn ze genetisch en fysiologisch verschillend van Bacteria, met veel overeenkomsten met Eukarya. De meeste archaea zijn moeilijk te kweken, waardoor veel over hun eigenschappen nog onbekend is. Gemeenschappelijke kenmerken zijn ethergebonden lipiden, afwezigheid van peptidoglycaan in celwanden en RNA-polymerasen die lijken op die van Eukarya. Methaanproductie is een uniek kenmerk van methanogenen. Archaea omvatten ook veel extremofielen [66](#page=66) [67](#page=67). ### 3.4 Bacteria #### 3.4.1 bacteriën zijn prokaryoten Bacteria hebben een prokaryote celstructuur en kunnen zich goed aanpassen aan veranderende omgevingscondities. Cyanobacteriën hebben de aarde gevormd door oxygenatie en produceren nog steeds veel zuurstof [67](#page=67). #### 3.4.2 Celmorfologie in Bacteria Bacteriële celvormen variëren en hebben ecologische betekenis. Algemene vormen zijn kokken (bol- of eivormig), staafjes (cilindrisch), spirillen (spiraalvormig, stijf) en spirocheten (spiraalvormig, flexibel). Celdeling kan leiden tot specifieke groepsverbanden, zoals diplokokken, streptokokken, tetraden, sarcinae en stafylokokken bij kokken. Filamenteuze bacteriën vormen lange filamenten uit vele cellen. Staafjes komen voor als individuele bacteriën, streptobacillen (ketens van 3+) of diplobacillen (ketens van 2) [68](#page=68) [69](#page=69). #### 3.4.3 Celvermenigvuldiging bij bacteriën Bacteriële celvermenigvuldiging omvat vele chemische reacties, waaronder polymerisatiereacties voor de vorming van macromoleculen. Bacteriën planten zich snel voort via binaire splijting, waarbij één cel zich deelt in twee identieke dochtercellen [70](#page=70). #### 3.4.4 bacteriën, een diverse groep met diverse eigenschappen Bacteria zijn bekend van ziekteverwekkers en hun gebruik in voedselproductie [71](#page=71). ##### 3.4.4.1 De belangrijkste fylogenetische groepen binnen de bacteriën * **Proteobacteriën:** Diverse gramnegatieve bacteriën (bv. *Thiomargarita namibiensis*, *Neisseria gonorrhoeae*, *Vibrio cholerae*, *Helicobacter pylori*) [71](#page=71). * **Chlamydia’s:** Obligate intracellulaire parasieten met afwijkende celwanden (bv. *Chlamydia trachomatis*) [71](#page=71). * **Spirocheten:** Spiraalvormige gramnegatieve heterotrofen (bv. *Treponema pallidum*, *Borrelia burgdorferi*) [72](#page=72). * **Cyanobacteriën:** Gramnegatieve fotoautotrofen, de enige prokaryoten die fotosynthese uitvoeren [72](#page=72). * **Grampositieve bacteriën:** Zeer diverse groep, waaronder Actinomyceten (bv. *Streptomyces*), *Staphylococcus aureus*, *Bacillus anthracis*, en *Clostridium botulinum* [72](#page=72). ##### 3.4.4.2 bacteriën spelen een essentiële rol in de biosfeer Prokaryoten recyclen chemische elementen, breken dode organismen af (ontleders), produceren organische moleculen uit CO2, fixeren stikstof en produceren zuurstof [72](#page=72). ##### 3.4.4.3 bacteriën hebben zowel gunstige als schadelijke gevolgen voor de mens * **Gunstig:** Darmbacteriën produceren vitamines en helpen bij nutriëntenabsorptie. Gebruikt in biotechnologie (bv. insulineproductie), productie van biologisch afbreekbare kunststoffen en bioremediatie [73](#page=73). * **Schadelijk:** Vele ziekteverwekkers (bv. *Mycobacterium tuberculosis*) [73](#page=73). ### 3.5 Fungi #### 3.5.1 Belang van fungi Schimmels zijn wijdverspreide, voornamelijk niet-beweeglijke organismen die een cruciale rol spelen bij de ontbinding van organisch materiaal, wat bijdraagt aan de nutriëntencyclus. Ze kunnen ook plantpathogenen zijn of symbiotische relaties aangaan met planten. Velen zijn gunstig voor de mens door fermentatie en antibioticaproductie [73](#page=73) [74](#page=74). #### 3.5.2 Fysiologie en voedingsmechanisme van fungi Fungi zijn chemoorganotrofen die extracellulaire enzymen uitscheiden om polymere materialen te verteren tot monomeren. Ze breken hout af met behulp van lignine-afbrekende schimmels (basidiomyceten) [74](#page=74). #### 3.5.3 Morfologie Meeste fungi zijn meercellig en vormen netwerken van draadvormige structuren, **hyfen** genaamd. Vegetatieve hyfen staan in voor voedselopname, reproductieve hyfen voor voortplanting. Hyfen kunnen **apocytisch** (met tussenschotten) of **coënocytisch** (meerdere kernen zonder tussenschotten) zijn. Hyfen vormen samen het **mycelium**. Vormen reproductieve structuren, **vruchtlichamen** (bv. paddenstoelen) waarin miljoenen **sporen** worden gevormd. Sommige fungi groeien als enkele cellen: **gisten**. Celwanden bestaan meestal uit **chitine** [74](#page=74) [75](#page=75). #### 3.5.4 Reproductie en fylogenie Fungi planten zich ongeslachtelijk voort (mitose, duplicaten) en seksueel (meiose, genetische diversiteit) [75](#page=75). ##### 3.5.4.1 Aseksuele reproductie bij fungi * Productie van sporangiosporen (endogeen) [76](#page=76). * Productie van conidiosporen (exogeen) [76](#page=76). * Fragmentatie van hyfen met arthrosporen of lidsporen [76](#page=76). * Chlamydosporen: dikwandige rustsporen [77](#page=77). * Celdeling: celsplijting (gist) of knopvorming (blastosporen) [77](#page=77). ##### 3.5.4.2 Seksuele reproductie bij fungi Seksuele reproductie omvat **plasmogamie** (cytoplasmasmelting), gevolgd door een **dikaryoot** stadium, en vervolgens **karyogamie** (kernsmelting) resulterend in een diploïde zygote. Hierna volgt meiose en vorming van genetisch diverse, haploïde seksuele sporen. Seksuele sporen zijn doorgaans resistenter dan aseksuele sporen [77](#page=77) [78](#page=78). ##### 3.5.4.3 Fylogenie van fungi Fungi delen een voorouder met dieren en zijn nauwer verwant aan dieren dan aan enige andere eukaryotische groep. Belangrijke groepen zijn Chytridiomycota, Mucoromycota, Ascomycota en Basidiomycota [78](#page=78) [79](#page=79). ##### 3.5.4.4 Reproductie bij Mucoromycetes Aseksuele voortplanting via **sporangiosporen** gevormd in een sporangium op een sporangiofoor. Seksuele voortplanting via **zygosporangium** na plasmogamie en karyogamie [79](#page=79) [80](#page=80). ##### 3.5.4.5 Reproductie bij Ascomycetes Aseksuele voortplanting door **conidiosporen** gevormd op conidioforen. Seksuele voortplanting resulteert in **asci** (zakvormige structuren) die **ascosporen** bevatten na plasmogamie en karyogamie. Gisten zijn eencellige ascomyceten die zich vermenigvuldigen door celsplijting of knopvorming [82](#page=82) [83](#page=83). ##### 3.5.4.6 Reproductie bij Basidiomycetes Seksuele sporen (**basidiosporen**) worden gevormd in knotsvormige structuren (**basidium**) op het vruchtlichaam. Aseksuele levenscyclus door fragmentatie van hyfen tot **arthrosporen** [85](#page=85). ### 3.6 Plantae #### 3.6.1 Het plantenlichaam heeft een hiërarchie van organen, weefsels en cellen Planten hebben organen (wortels, stengels, bladeren) bestaande uit weefsels, die op hun beurt uit celtypen bestaan. De drie basisorganen vormen een wortelsysteem en een scheutsysteem. Wortels ankeren de plant en nemen water en mineralen op. Stengels dragen bladeren en knoppen en verlengen de scheut. Bladeren zijn het belangrijkste fotosynthetische orgaan [86](#page=86) [87](#page=87). #### 3.6.2 Dermale, vasculaire en grondweefsels * **Dermale weefsel:** Buitenste beschermende laag (epidermis, periderm) [88](#page=88). * **Vasculaire systeem (vaatsysteem):** Transport van materialen (xyleem transporteert water, floëem transporteert suikers) [89](#page=89). * **Grondweefsel:** Vulweefsel, verantwoordelijk voor metabolische functies (merg en cortex) [89](#page=89). #### 3.6.3 Algemene plantenceltypes ##### 3.6.3.1 De plantencelwand De plantencelwand biedt mechanische ondersteuning en controleert transport. Bestaat uit cellulose, hemicelluloses en pectines [89](#page=89) [90](#page=90). * **Primaire celwand:** Dun, flexibel, rijk aan pectine en hemicellulose, uitrekbaar voor celgroei [91](#page=91). * **Secundaire celwand:** Dik, gelaagd, rijk aan cellulose en lignine, vormt een rigide structuur [91](#page=91). ##### 3.6.3.2 Parenchymcellen Minst gespecialiseerde cellen, verantwoordelijk voor metabolische functies, fotosynthese en opslag. Behoudt de mogelijkheid tot delen en differentiëren [91](#page=91) [92](#page=92). ##### 3.6.3.3 Collenchymcellen Bieden flexibele ondersteuning aan jonge scheutdelen; hebben dikkere, maar ongelijkmatig verdikte primaire celwanden [92](#page=92). ##### 3.6.3.4 Sclerenchymcellen Bieden rigide ondersteuning; hebben dikke secundaire celwanden, vaak versterkt met lignine. Rijpe sclerenchymcellen zijn vaak dood maar blijven als skelet achter [93](#page=93). ##### 3.6.3.5 Watertransporterende cellen van het xyleem * **Tracheïden:** Lange, dunne cellen met scherp uitlopende einden, verstevigd met lignine [93](#page=93). * **Houtvaten:** Breder, korter, met geperforeerde platen aan de uiteinden voor doorstroom [94](#page=94). ##### 3.6.3.6 Suikertransporterende cellen van het floëem * **Zeefcellen en zeefbuiselementen:** Levende cellen zonder kern, ribosomen en duidelijke vacuole; hebben zeefplaatjes aan de uiteinden [95](#page=95). * **Zustercellen (companion cells):** Niet-transporterende cellen die de zeefcellen ondersteunen en voorzien van kern en ribosomen [95](#page=95). #### 3.6.4 Organisatie van weefsels en cellen in de plant * **Wortels:** Epidermis, cortex (grondweefsel), endodermis en vasculaire cilinder (xyleem en floëem). Dicotylen hebben vaak een stervormig xyleem; monocotylen hebben afwisselende ringen van xyleem en floëem [95](#page=95) [96](#page=96). * **Stengels:** Epidermis, grondweefsel (parenchym, collenchym, sclerenchym) en vaatbundels (xyleem aan de binnenkant, floëem aan de buitenkant). Bij dicotylen zijn vaatbundels in een ring gerangschikt; bij monocotylen zijn ze verspreid [96](#page=96). * **Bladeren:** Epidermis (met huidmondjes/stomata), mesofyl (palissadeparenchym en sponsparenchym) en nerven (vaatbundels) [97](#page=97). ### 3.7 Protisten Protisten zijn microbiële eukaryoten die geen plant, dier of schimmel zijn. Ze zijn zeer divers en vertonen grote fylogenetische diversiteit [98](#page=98). #### 3.7.3 Excavata Diverse groep protisten, waaronder diplomonaden en parabasaliden (zonder mitochondriën) en eugleniden (chemo- en fototroof) [99](#page=99). #### 3.7.4 SAR Supergroep bestaande uit Stramenopiles, Alveolata en Rhizarians [100](#page=100). * **Alveolata:** Gekenmerkt door alveoli (cytoplasmatische zakjes). Groepen: Ciliaten, dinoflagellaten (veroorzaken rode getijden) en apicomplexanen (parasieten, bv. *Plasmodium*) [100](#page=100). * **Stramenopiles:** Dragen haarachtige verlengstukken aan flagellen. Groepen: Diatomeeën (glasachtige wand), oomyceten (bv. *Phytophthora infestans*) en bruinwieren (zeewieren) . * **Rhizaria:** Gebruiken draadvormige cytoplasmatische uitsteeksels (pseudopodia) . #### 3.7.5 Amoebozoa Gebruiken kwabvormige pseudopodia voor beweging. Fylogenetisch divergeerden van een geslacht dat leidde tot schimmels en dieren . ### 3.8 Algen Algen behoren tot de Archaeplastida en voeren zuurstofhoudende fotosynthese uit . #### 3.8.2 Rode algen (rhodofyten) Voornamelijk marien, bevatten fycobiliproteïnen (bv. fycoerythrine). Ze produceren agar en carrageen . #### 3.8.3 Groene algen Hebben chloroplasten die lijken op die van planten (chlorofyl a en b). Ze zijn fylogenetisch nauw verwant aan planten. Verschillende morfologieën: eencellig (bv. *Chlamydomonas*), draadvormig (bv. *Spirogyra*), koloniaal (bv. *Volvox*) en meercellig (bv. *Ulva*). Sommige groene algen, zoals *Botryococcus braunii*, produceren koolwaterstoffen die gebruikt kunnen worden voor biodiesel. Endolithische fototrofe groene algen leven in rotsen . ### 3.9 Celcultuur en modelorganismen Modelorganismen zijn essentieel voor het bestuderen van cellulaire mechanismen, moleculaire biologie, genetica en ontwikkeling . #### 3.9.1 Cel- en weefselculturen * **Dierlijke celcultuur:** Kweek van dierlijke cellen in vitro. Kankercellen groeien oneindig (bv. HeLa-cellen) . * **Plantenweefselcultuur:** In vitro kweek van plantencellen, weefsels of organen voor regeneratie of productie. Plantencellen zijn totipotent . * **Beperkingen:** Afwezigheid van anatomische architectuur en systemische interacties . #### 3.9.2 Veelgebruikte modelorganismen * ***Escherichia coli*:** Model voor bacteriën, gebruikt in moleculaire biologie en biotechnologie . * ***Arabidopsis thaliana*:** Model voor planten, met een korte levenscyclus en klein genoom . * ***Caenorhabditis elegans*:** Rondworm, model voor ontwikkelingsbiologie en veroudering; transparant met een vaste celafstamming . * ***Drosophila melanogaster*:** Fruitvlieg, klassiek genetisch model sinds begin 20e eeuw . * ***Mus musculus* (laboratoriummuis):** Belangrijk model voor biomedisch onderzoek vanwege overeenkomsten met de mens . * ***Danio rerio* (zebravis):** Alternatief voor de laboratoriummuis, met transparante embryo's en hoge vruchtbaarheid . --- # Ecologie en microbiële groei Dit deel van de studiehandleiding behandelt de principes van ecologie, de groei van micro-organismen, de factoren die deze groei beïnvloeden, en nutriëntencycli. ## 4.1 Ecologie ### 4.1.1 Inleiding tot de ecologie Ecologie beschrijft hoe organismen interageren met elkaar en met hun omgeving, die zowel levende als niet-levende (fysische) aspecten omvat. Microscopisch kleine organismen, ondanks hun kleine omvang, spelen een cruciale rol in ecosystemen en menselijke gezondheid door hun diverse metabole capaciteiten en interacties binnen complexe gemeenschappen. De studie van microbiële ecologie richt zich op biodiversiteit (identificatie en kwantificering van soorten) en microbiële activiteit (meten van metabolische processen) . ### 4.1.2 Enkele belangrijke begrippen binnen de ecologie Ecologen bestuderen soorten op verschillende niveaus: individu, populatie, gemeenschap, ecosysteem en de biosfeer . * **Populatie:** Een groep organismen van dezelfde soort die zich op hetzelfde moment op dezelfde plaats bevinden. Microbiële populaties kunnen afstammen van één enkele cel . * **Gemeenschap:** Bestaat uit verschillende populaties die samenleven in een bepaald gebied of habitat. De soorten in een gemeenschap zijn aangepast aan de beschikbare nutriënten en omstandigheden . * **Metapopulatie:** Een groep ruimtelijk gescheiden populaties van een soort die interageren door immigratie en emigratie . * **Ecosysteem:** Een dynamisch complex van gemeenschappen (planten, dieren, micro-organismen) en hun abiotische omgeving, die als een functionele eenheid interageren . * **Habitat:** Een deel van een ecosysteem dat het meest geschikt is voor één of enkele populaties. Veel habitats zijn primair of uitsluitend microbiëel . * **Biosfeer:** Het globale ecosysteem dat alle ecosystemen op aarde omvat . ### 4.1.3 Microbiële ecologie Micro-organismen zijn essentieel voor nutriëntencycli en hun activiteit wordt bepaald door de aanwezige soorten, hun aantallen en de omgevingscondities . * **Soortenrijkdom:** Het totale aantal verschillende soorten in een gemeenschap . * **Soortenabundantie:** Het aandeel van elke soort binnen de gemeenschap . Factoren die de soortenrijkdom en abundantie bepalen, omvatten de beschikbare voedingsstoffen en omstandigheden. Extreme omgevingen hebben vaak een lage soortenrijkdom, maar hoge abundantie van enkele aangepaste soorten . Tabel 1: Voedingsbronnen en omstandigheden die de microbiële groei bepalen . | Resources | Conditions | | :------------------------------------------------------------- | :----------------------------------------------------- | | Carbon (organic, CO2) | Temperature: cold → warm → hot | | Nitrogen (organic, inorganic) | Water potential: dry → moist → wet | | Other macronutrients (S, P, K, Mg) | pH: 0 → 7 → 14 | | Micronutrients (Fe, Mn, Co, Cu, Zn, Mn, Ni) | O2: oxic → microoxic → anoxic | | O2 and other electron acceptors (NO3-, SO42-, Fe3+) | Light: bright light → dim light → dark | | Inorganic electron donors (H2, H2S, Fe2+, NH4+, NO2-) | Osmotic conditions: freshwater → marine → hypersaline | ### 4.1.4 Biotische en abiotische factoren beperken de verspreiding van species #### 4.1.4.1 Biotische factoren Biotische factoren zijn de levende invloeden van andere organismen op een organisme. Predatie en herbivorie zijn voorbeelden van biotische beperkingen die de verspreiding van soorten kunnen beïnvloeden . > **Voorbeeld:** De aanwezigheid van de zee-egel ( *Centrostephanus rodgersii*) kan de verspreiding van zeewier beperken. Verwijdering van zee-egels leidt tot een toename van zeewierbedekking . Andere biotische factoren zijn bestuivers, voedselbronnen, parasieten, ziekteverwekkers en concurrerende organismen . #### 4.1.4.2 Abiotische factoren Abiotische factoren zijn niet-levende, fysische en chemische invloeden. Deze omvatten temperatuur, water, zuurstof, zoutgehalte, zonlicht en bodemgesteldheid . * **Temperatuur:** Beïnvloedt biologische processen. Extreme temperaturen (onder 0 °C of boven 45 °C) kunnen schadelijk zijn. Klimaatverandering kan de verspreidingsgebieden van soorten beïnvloeden, zoals de uitbreiding van *C. rodgersii* naar het zuiden door stijgende zeetemperaturen . * **Waterbeschikbaarheid:** Cruciaal voor overleving. Terrestrische organismen zijn kwetsbaar voor uitdroging . * **Zuurstof:** Belangrijk in water en overstroomde bodems. Langzame diffusie in water kan respiratie beperken. Oppervlaktewater is meestal zuurstofrijk . * **Zoutconcentratie:** Beïnvloedt de waterbalans door osmose. Organismen zijn vaak beperkt tot zoet- of zoutwaterhabitats. Zalm migreert tussen zoet en zout water en gebruikt specifieke aanpassingen om te osmoreguleren . * **Zonlicht:** Levert energie voor de meeste ecosystemen. Te weinig licht beperkt fotosynthetische soorten, te veel licht kan temperatuurstress verhogen. Op grote hoogte kan UV-straling schade veroorzaken . * **Bodem (pH, mineralen, structuur):** Beperkt de verspreiding van planten en de bijbehorende dieren. Bodem-pH beïnvloedt de oplosbaarheid van toxines en nutriënten . ## 4.2 Inzichten in de groei van micro-organismen door de jaren heen ### 4.2.1 Pasteur ontkracht de spontane generatie theorie Louis Pasteur, een chemicus, leverde fundamenteel werk dat de microbiologie vooruit hielp. Zijn onderzoek naar optische isomeren toonde aan dat micro-organismen onderscheid konden maken tussen moleculen . Hij ontdekte dat fermentatie, zoals de productie van alcohol en melkzuur, werd gekatalyseerd door micro-organismen en niet door louter chemische processen. Pasteur bewees dit door organismen in een gecontroleerde omgeving te kweken . De theorie van spontane generatie, die stelde dat leven spontaan uit niet-levend materiaal ontstond, werd door Pasteur weerlegd. Met zijn zwanenhalskolf (Pasteurfles) toonde hij aan dat voedingsoplossingen steriel bleven als ze beschermd werden tegen contaminatie uit de lucht. Dit leidde tot het belang van sterilisatieprocedures en de ontwikkeling van aseptische technieken in de geneeskunde (Joseph Lister) en pasteurisatie in de voedselindustrie . ### 4.2.2 Koch en zijn onderzoek naar infectieziekten en zuivere culturen Robert Koch leverde definitief bewijs dat micro-organismen infectieziekten kunnen veroorzaken. Door studie van miltvuur bij dieren, formuleerde hij de **postulaten van Koch** om het oorzakelijk verband tussen een ziekteverwekker en een ziekte aan te tonen . De postulaten van Koch omvatten: 1. De vermoedelijke ziekteverwekker moet in alle zieke organismen aanwezig zijn en afwezig in gezonde organismen . 2. De vermoedelijke ziekteverwekker moet geïsoleerd worden en in een zuivere cultuur gekweekt worden . 3. De gekweekte ziekteverwekker moet, indien geïntroduceerd bij een gezond organisme, de ziekte veroorzaken . 4. De ziekteverwekker moet opnieuw geïsoleerd kunnen worden uit het zieke organismen en identiek blijken te zijn . Koch en zijn medewerkers ontwikkelden methoden om zuivere culturen te verkrijgen, gebruikmakend van vaste groeimedia zoals agar. Richard Petri ontwikkelde de Petrischaal, een standaardinstrument voor zuivere culturen. Dit werk legde de basis voor de classificatie van bacteriën . ## 4.3 Populatiegroei ### 4.3.1 Populatiegroei is exponentieel in een ideale ongelimiteerde omgeving In een ideale omgeving met overvloedige voedingsmiddelen kan een populatie exponentieel groeien. Dit betekent dat de populatiegrootte met een constante factor toeneemt op elk moment . De formule voor exponentiële groei is: $$ \frac{dN}{dt} = rN $$ Waarin: * $ \frac{dN}{dt} $ de snelheid van populatietoename is . * $N$ de huidige populatiegrootte is . * $r$ de intrinsieke groeisnelheid is (snelheid per hoofd van de populatie) . Dit resulteert in een J-vormige groeicurve wanneer de populatiegrootte tegen de tijd wordt uitgezet . ### 4.3.2 Het logistisch groeimodel beschrijft beter hoe populaties werkelijk groeien In de praktijk zijn grondstoffen beperkt. Het **logistisch groeimodel** houdt rekening met de draagkracht ($K$) van de omgeving, wat de maximale populatiegrootte is die een ecosysteem kan ondersteunen . De formule voor logistische groei is: $$ \frac{dN}{dt} = rN \left( \frac{K - N}{K} \right) $$ Waarin: * $K$ de draagkracht is . * $(K - N)/K$ de fractie van de draagkracht die nog beschikbaar is voor groei . Naarmate de populatiegrootte ($N$) de draagkracht ($K$) nadert, neemt de groeisnelheid af. Dit model resulteert in een sigmoïde (S-vormige) groeicurve. De groei is het hoogst bij ongeveer $K/2$ . > **Tip:** Het logistisch model is een betere benadering van werkelijke populatiegroei omdat het rekening houdt met beperkte bronnen en de draagkracht van de omgeving. ### 4.3.3 Microbiële groeidynamiek #### 4.3.3.1 De bacteriële groeicurve In batchculturen (beperkte voedingsstoffen in een afgesloten systeem) vertonen micro-organismen een typische groeicyclus met vier fasen : 1. **Lagfase (Latente fase):** Initiële periode van weinig of geen groei na enting in een nieuw medium. Cellen passen zich metabolisch aan de nieuwe omstandigheden aan. Kan verkort worden door gelijkaardige groeiomstandigheden te behouden . 2. **Exponentiële fase (Logfase):** Cellen groeien en verdubbelen zich met een constante snelheid. De logaritme van het aantal cellen is lineair in functie van de tijd . 3. **Stationaire fase (Evenwichtsfase):** Groei stopt door uitputting van voedingsstoffen of ophoping van afvalproducten. De afsterving van cellen compenseert de aanmaak van nieuwe cellen; er is geen netto toename . 4. **Afstervingsfase (Dalende fase):** Het totale aantal cellen neemt af door celdood . #### 4.3.3.2 Microbiële groeiparameters * **Generatietijd (g):** De tijd die nodig is voor één cel om te verdubbelen (delingstijd) . * **Specifieke groeisnelheid (k):** De snelheid waarmee de populatie groeit per tijdseenheid (eenheid: h⁻¹) . De formule voor populatiegroei na $n$ generaties is: $$ N_t = N_0 \cdot 2^n $$ Waarin $N_t$ het aantal cellen op tijdstip $t$ is en $N_0$ het initiële celaantal. De generatietijd ($g$) kan berekend worden als: $$ g = \frac{t}{n} $$ Exponentiële groei wordt het best weergegeven in een semilogaritmische grafiek . ## 4.4 Voedingsmechanismen en groeibehoeften bij bacteriën ### 4.4.1 Metabolische groepen bij prokaryoten Prokaryoten zijn ingedeeld op basis van hun energiebron (licht of chemicaliën) en koolstofbron (organisch of CO2) . * **Energiewinning:** * **Fototrofen:** Winnen energie uit licht . * **Chemotrofen:** Winnen energie uit chemicaliën . * **Chemoorganotrofen:** Energie uit organische moleculen . * **Chemolithotrofen:** Energie uit anorganische moleculen (bv. H₂, H₂S, NH₄⁺, Fe²⁺) . * **Koolstofbron:** * **Autotrofen:** Gebruiken CO₂ als koolstofbron . * **Heterotrofen:** Gebruiken organische verbindingen als koolstofbron . Combinaties leiden tot groepen zoals **chemoorganoheterotrofen** (bv. de meeste bacteriën in labo's) en **chemolithoautotrofen** (bv. zwavel-, ijzer-, nitrificerende bacteriën) . ### 4.4.2 Nutriënten of voedingsstoffen #### 4.4.2.1 Chemische samenstelling van een bacteriële cel Een bacteriële cel bestaat voor meer dan 75% uit water. De droge massa bestaat voornamelijk uit koolstof, zuurstof, stikstof, waterstof, fosfor en zwavel (ca. 96%). Andere belangrijke elementen zijn K, Na, Ca, Mg, Cl, Fe. Macromoleculen zoals eiwitten, lipiden, polysachariden en nucleïnezuren vormen meer dan 96% van het drooggewicht . #### 4.4.2.2 Koolstof, stikstof en andere macronutriënten * **Koolstof (C):** Essentieel voor celmateriaal. Heterotrofen halen dit uit organische verbindingen, autotrofen uit CO₂ . * **Stikstof (N):** Onderdeel van eiwitten en nucleïnezuren. Opgenomen als NH₃, NO₃⁻ of N₂ (stikstoffixatie) . * **Fosfor (P):** Nodig voor nucleïnezuren en fosfolipiden, opgenomen als fosfaat (PO₄³⁻) . * **Zwavel (S):** In aminozuren (cysteïne, methionine) en vitaminen. Opgenomen als sulfaat (SO₄²⁻) of sulfide (H₂S) . * **Kalium (K):** Nodig voor enzymactiviteit . * **Magnesium (Mg):** Stabiliseert ribosomen, membranen, nucleïnezuren; nodig voor enzymactiviteit . * **Calcium (Ca) en Natrium (Na):** Essentieel voor sommige organismen (bv. zeemicro-organismen hebben NaCl nodig) . #### 4.4.2.3 Micronutriënten: sporenelementen en groeifactoren * **Sporenelementen:** Metaalionen nodig als cofactoren voor enzymen, bv. ijzer (in cytochromen) . * **Groeifactoren:** Organische micronutriënten, zoals vitaminen (vaak co-enzymen), aminozuren, purines en pyrimidines. Sommige micro-organismen synthetiseren ze zelf, andere moeten ze opnemen uit de omgeving . ## 4.5 Invloedsfactoren op de groei van micro-organismen Groei wordt beïnvloed door temperatuur, pH, wateractiviteit en zuurstof, zelfs bij optimale voedingsstoffen . ### 4.5.1 Temperatuur #### 4.5.1.1 Minimum, maximum en optimale groeitemperatuur Elk micro-organisme heeft een minimum-, optimum- en maximumtemperatuur voor groei . * **Minimumtemperatuur:** Onder deze temperatuur is geen groei mogelijk. * **Optimale temperatuur:** De temperatuur waarbij de groei het snelst is . * **Maximumtemperatuur:** Boven deze temperatuur treedt denaturatie van essentiële celcomponenten op en is geen groei meer mogelijk . #### 4.5.1.2 Indeling van micro-organismen op basis van temperatuur * **Psychrofielen:** Optima rond 15 °C of lager . * **Mesofielen:** Optima rond gematigde temperaturen (bv. *E. coli* optimum rond 39 °C) . * **Thermofielen:** Optima rond hoge temperaturen (boven 45 °C) . * **Hyperthermofielen:** Optima rond zeer hoge temperaturen (boven 80 °C) . Organismen die in extreme temperaturen leven, worden **extremofielen** genoemd . #### 4.5.1.3 Microbieel leven bij lage temperaturen Psychrofielen hebben celmembranen met meer onverzadigde vetzuren die flexibel blijven bij lage temperaturen. Ze produceren ook cold shock eiwitten en cryoprotectanten (bv. glycerol). Vastgevroren cellen kunnen jarenlang levensvatbaar blijven met cryoprotectanten . #### 4.5.1.4 Microbieel leven bij hoge temperaturen Thermofielen en hyperthermofielen hebben hittebestendige enzymen en eiwitten. Hun cytoplasmamembranen hebben meer langeketen- en verzadigde vetzuren. Hyperthermofiele archaea kunnen celmembranen hebben die bestaan uit een lipidenmonolaag . > **Voorbeeld:** Taq polymerase uit *Thermus aquaticus* is een hittebestendig enzym dat cruciaal is voor PCR . ### 4.5.2 pH of zuurtegraad Elk organisme heeft een pH-bereik en een pH-optimum voor groei . * **Neutrofielen:** Groeien optimaal bij pH 5,5 - 7,9 (bv. *E. coli*) . * **Acidofielen:** Groeien optimaal bij lage pH-waarden (onder 5,5) . * **Alkalofielen (Basofielen):** Groeien optimaal bij hoge pH-waarden (boven 8) . Extreme acidofielen en alkalofielen handhaven een intracellulaire pH rond neutraliteit . ### 4.5.3 De wateractiviteit ($a_w$) Wateractiviteit is de beschikbaarheid van water, beïnvloed door opgeloste stoffen. Waarden variëren van 0 (geen vrij water) tot 1 (puur water) . * **Halofielen:** Hebben NaCl nodig voor groei . * **Extreme halofielen:** Vereisen hoge NaCl-concentraties (15-30%) . * **Halotoleranten:** Kunnen hoge zoutconcentraties verdragen, maar groeien optimaal zonder toegevoegde zouten . * **Osmofielen:** Kunnen groeien in suikerrijke omgevingen . * **Xerofielen:** Kunnen groeien in droge omgevingen . De algemene ondergrens voor de wateractiviteit van levende organismen is 0,61. Compatibele oplosmiddelen (bv. suikers, alcoholen, glycinebetaïne) helpen cellen om waterbalansen te handhaven in omgevingen met lage $a_w$ . ### 4.5.4 Zuurstof #### 4.5.4.1 Indeling van micro-organismen op basis van zuurstofbehoefte * **Obligaat aeroben:** Vereisen zuurstof voor groei en sterven zonder zuurstof af . * **Microaerofielen:** Vereisen zuurstof, maar bij een lagere concentratie dan in lucht . * **Anaeroben:** Groeien zonder zuurstof. * **Aerotolerante anaeroben:** Verdragen zuurstof, maar hun metabolisme is fermentatief . * **Obligaat (strikt) anaeroben:** Worden geremd of gedood door zuurstof . * **Facultatief aeroben:** Kunnen groeien met of zonder zuurstof, maar groeien beter met zuurstof . #### 4.5.4.2 Waarom is zuurstof giftig voor sommige micro-organismen? Moleculaire zuurstof kan worden omgezet in giftige zuurstofbijproducten zoals superoxideanion (O₂·⁻), waterstofperoxide (H₂O₂) en hydroxylradicaal (HO·). Anaerobe micro-organismen missen de enzymen om deze reactieve zuurstofsoorten (ROS) te neutraliseren. Aerobe micro-organismen gebruiken enzymen zoals katalase en superoxide dismutase om deze toxische stoffen af te breken . ## 4.6 Groei van micro-organismen in een laboratorium ### 4.6.1 Groeimedia of voedingsmedia Groeimedia voorzien micro-organismen van de benodigde voedingsstoffen voor groei en vermenigvuldiging . #### 4.6.1.1 Gedefinieerde en complexe media * **Gedefinieerde media:** Exact bekende samenstelling van pure chemicaliën . * **Complexe media:** Gebaseerd op extracten van biologische producten (bv. gistextract); samenstelling is onbekend . #### 4.6.1.2 Voedingsbodems kunnen ingedeeld worden op basis van hun toepassingsgebied * **Algemene/niet-selectieve media:** Laten de groei van alle micro-organismen toe . * **Selectieve media:** Laten de groei van specifieke soorten of groepen toe door remming van andere . * **Electieve/differentiële media:** Bevatten componenten die visuele herkenning van specifieke microbiële kolonies mogelijk maken (bv. door kleurverandering via een indicator) . ### 4.6.1.3 Nutritionele behoeften: link samenstelling voedingsbodem en metabolisme Verschillende micro-organismen hebben sterk uiteenlopende voedingsbehoeften, wat de keuze van het groeimedium beïnvloedt . ### 4.6.1.4 Groei in voedingsmedia in het laboratorium Media kunnen vloeibaar, vast of halfvast zijn . * **Vaste media (met agar):** Vormen zichtbare, geïsoleerde celmassa's genaamd kolonies . * **Halfvaste media:** Gebruikt om de beweeglijkheid te testen . * **Vloeibare media (broth/bouillon):** Groei wordt waargenomen als troebeling . ### 4.6.2 Isoleren van micro-organismen en entingsmethoden #### 4.6.2.1 Aseptisch werken Aseptisch werken is essentieel om contaminatie te voorkomen tijdens het overbrengen van micro-organismen. Dit gebeurt in de nabijheid van een bunsenbrander of in een laminaire flowkast . #### 4.6.2.2 Uitdunningsenting De methode voor het verkrijgen van zuivere culturen en het controleren van de zuiverheid is de uitdunningsenting (reinstrijk). Hierbij wordt een monster verspreid over een vaste voedingsbodem in sectoren, wat leidt tot individuele kolonies in de laatste sectoren . ### 4.6.3 Incuberen van voedingsbodems Incubatie vindt plaats onder optimale omstandigheden (temperatuur, pH, zuurstof). De incubatietijd varieert per micro-organisme . * Bacteriën: 1-2 dagen . * Gisten: 2-3 dagen . * Schimmels: 1-2 weken . Aeroben vereisen beluchting, anaeroben vereisen een zuurstofvrije omgeving (anoxische jar) . ### 4.6.4 Opvolgen van microbiële groei #### 4.6.4.1 Telkamers Microscopische celtellingen in telkamers geven een schatting van het totale celaantal. Nadelen zijn het niet kunnen onderscheiden van levende/dode cellen en moeilijkheden met kleine of bewegelijke cellen . #### 4.6.4.2 Tellen van het aantal levende cellen Levensvatbare tellingen (plaattelling) meten het aantal levende cellen dat zich kan delen op een groeimedium. Dit gebeurt via de strijkplaatmethode of de gietplaatmethode. Alleen platen met 30-300 kolonies zijn telbaar. Resultaten worden uitgedrukt in kolonievormende eenheden (kve of CFU). Seriële verdunningen zijn nodig om een telbaar aantal kolonies te verkrijgen . Formule voor berekening van kve/g of kve/mL: $$ \text{kve/g (of mL)} = \frac{\text{aantal kolonies geteld op telbare platen}}{\text{volume uitgeplaat in mL} \times \text{verdunningsfactor}} $$ #### 4.6.4.3 Turbidimetrie Troebelheidsmetingen met een spectrofotometer schatten het aantal cellen op basis van lichtverstrooiing. Een standaardcurve relateert optische dichtheid (OD) aan celaantal. Deze methode is snel, niet-destructief en kan herhaaldelijk worden uitgevoerd . ### 4.6.5 Beperken van groei van micro-organismen Methoden om groei te beperken omvatten reiniging, desinfectie en sterilisatie . * **Reiniging:** Verwijderen van vuil en micro-organismen. * **Desinfectie:** Proces gericht op ziekteverwekkers. Fysische methoden: * **Hitte:** Vochtige warmte is effectiever dan droge warmte. Autoclaveren (121 °C) doodt endosporen. De decimale reductietijd (D) kwantificeert de effectiviteit van hitte . * **Straling:** UV-licht (beschadigt DNA) en ioniserende straling (röntgen, gammastraling) doden micro-organismen . * **Filtratie:** Gebruik van membranen met kleine poriën (bv. 0,2 µm) om micro-organismen te verwijderen, vooral voor warmtegevoelige vloeistoffen . Chemische controle: * **Chemotherapeutica, antibiotica, conserveermiddelen, desinfectantia, antiseptica** . ## 4.7 Nutriëntencycli ### 4.7.1 Belang van nutriëntencycli en de link met ecosystemen Ecosystemen kenmerken zich door energiestromen en chemische kringlopen. Microbiële activiteiten domineren de nutriëntencycli, waarbij elementen zoals koolstof en stikstof circuleren tussen biotische en abiotische componenten . ### 4.7.2 Watercyclus De watercyclus beschrijft de beweging en aggregatietoestand van water. Zonne-energie drijft verdamping aan, condensatie vormt wolken, en neerslag keert terug naar de aarde. Menselijke activiteiten beïnvloeden de watercyclus (urban water cycle) door drinkwaterproductie, afvalwaterbehandeling en lozing . ### 4.7.3 De koolstofcyclus Koolstof is essentieel voor organische verbindingen . * **Koolstofreservoirs:** Sedimenten en rotsen (langzaam), landplanten, dood organisch materiaal (humus). De atmosfeer (CO₂, CH₄) is de snelste transportroute . * **Fotosynthese en ontbinding:** Autotrofen (fototrofen, chemolithotrofen) fixeren CO₂ uit de lucht om organische verbindingen te vormen. Ademhaling produceert CO₂. Accumulatie van organisch materiaal vereist een hogere fotosynthesesnelheid dan ademhalingssnelheid . * **Methanogenese:** De productie van methaan (CH₄) in anoxische omgevingen door methanogenen (Archaea). Methanogenen kunnen CO₂ reduceren tot CH₄ met H₂ als donor, of acetaat splitsen . De koolstofcyclus is gekoppeld aan andere cycli, zoals de stikstofcyclus . ### 4.7.4 De stikstofcyclus Stikstof is essentieel voor aminozuren, eiwitten en nucleïnezuren . * **Reservoirs:** Atmosfeer (N₂), bodem, sedimenten, water, biomassa . * **Processen:** * **Stikstoffixatie:** Omzetting van N₂ in bruikbare vormen (bv. NH₃) door bacteriën en archaea . * **Denitrificatie (nitraatademhaling):** Omzetting van nitraat (NO₃⁻) naar stikstofgas (N₂) onder anoxische omstandigheden. Kan nuttig zijn voor waterzuivering, maar produceert ook broeikasgassen (N₂O) en draagt bij aan zure regen . * **Ammonificatie:** Vrijmaking van ammoniak (NH₃) uit organische stikstofverbindingen . * **Nitrificatie:** Oxidatie van NH₃ tot nitraat (NO₃⁻) door nitrificerende bacteriën en archaea in zuurstofrijke bodems . * **Anammox (anaerobe ammoniumoxidatie):** Oxidatie van NH₃ tot N₂ onder anoxische condities met NO₂⁻ als elektronacceptor . Deze processen zijn cruciaal voor de beschikbaarheid van stikstof voor organismen . --- ## 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 | |---|---| | Micro- en macrobiologie | Een studiegebied dat zich bezighoudt met de wetenschap van micro-organismen (zoals bacteriën, archaea, virussen, fungi en protisten) en macro-organismen (zoals planten en dieren) en hun interacties met elkaar en met hun omgeving. | | Evolutiegeschiedenis | Het proces van geleidelijke ontwikkeling van soorten door natuurlijke selectie, waarbij organismen die beter zijn aangepast aan hun omgeving meer kans hebben om te overleven en zich voort te planten. | | Prokaryoten | Eencellige organismen zonder celkern of membraanom sloten organellen, zoals bacteriën en archaea. | | Eukaryoten | Organismen waarvan de cellen een celkern en membraanom sloten organellen bevatten, zoals planten, dieren, fungi en protisten. | | Endosymbiose | Een evolutionaire theorie die stelt dat bepaalde organellen in eukaryote cellen, zoals mitochondriën en chloroplasten, afkomstig zijn van vrijlevende prokaryoten die in andere cellen werden opgenomen en een symbiotische relatie aangingen. | | Taxonomie | De wetenschap van het classificeren, benoemen en ordenen van organismen op basis van hun gedeelde kenmerken en evolutionaire relaties. | | Fylogenie | De studie van de evolutionaire geschiedenis en verwantschap van soorten, vaak weergegeven in een fylogenetische boom. | | Archaea | Een van de drie domeinen van het leven, bestaande uit eencellige, prokaryote organismen die verschillen van bacteriën en eukaryoten en vaak in extreme omstandigheden leven. | | Bacteria | Een van de drie domeinen van het leven, bestaande uit eencellige, prokaryote micro-organismen die wijdverspreid zijn en een breed scala aan metabolische eigenschappen hebben. | | Fungi | Een domein van eukaryote organismen, waaronder schimmels, gisten en paddenstoelen, die zich voeden door absorptie van organische stoffen uit hun omgeving. | | Plantae | Een domein van eukaryote organismen dat planten omvat, gekenmerkt door fotosynthese en een complexe structuur van wortels, stengels en bladeren. | | Ecologie | De wetenschap die de interacties tussen organismen en hun omgeving bestudeert, inclusief biotische en abiotische factoren. | | Populatiegroei | De toename of afname van het aantal individuen in een populatie over tijd, beïnvloed door factoren zoals geboorte-, sterfte-, immigratie- en emigratiesnelheden. | | Batchcultuur | Een gesloten systeem waarin micro-organismen groeien in een vaste hoeveelheid voedingsmedium, waarbij de groei typisch een lagfase, exponentiële fase, stationaire fase en afstervingsfase doorloopt. | | Generatietijd | De tijd die nodig is voor een cel om zich te delen en te verdubbelen in aantal, een belangrijke parameter voor het beschrijven van microbiële groei. | | Metabolisme | Het geheel van chemische processen die plaatsvinden in een levend organisme om leven te ondersteunen, inclusief de opname en omzetting van energie en materie. | | Fotosynthese | Het proces waarbij organismen, zoals planten en cyanobacteriën, lichtenergie gebruiken om kooldioxide en water om te zetten in glucose en zuurstof. | | Nutriëntencycli | De cyclische beweging van chemische elementen, zoals koolstof en stikstof, door levende organismen en de niet-levende omgeving, essentieel voor het behoud van ecosystemen. | | Stikstoffixatie | Het proces waarbij atmosferisch stikstofgas (N2) wordt omgezet in reactieve vormen van stikstof, zoals ammoniak (NH3), die door organismen kunnen worden gebruikt. | | Cellulair membraan | Een selectief permeabele barrière die de inhoud van de cel scheidt van de externe omgeving en een rol speelt in transport en energiemetabolisme. | | Celwand | Een externe laag die de celwand van veel bacteriën, archaea, fungi en planten versterking en bescherming biedt, en die varieert in samenstelling afhankelijk van het organisme. | | Peptidoglycaan | Een polysacharide die een essentieel onderdeel vormt van de celwand van de meeste bacteriën, waardoor deze stevigheid en vorm krijgt. | | S-laag | Een laag van eiwitten of glycoproteïnen die de buitenste laag van de celwand van veel archaea en sommige bacteriën vormt en diverse functies vervult zoals bescherming en hechting. | | Endosporen | Inactieve, hittebestendige structuren die door bepaalde bacteriën worden gevormd om te overleven in ongunstige omgevingsomstandigheden. | | Flagellen | Zweepachtige structuren die bij veel bacteriën en archaea worden gebruikt voor voortbeweging in vloeibare media. | | Turbidimetrie | Een methode om de hoeveelheid zwevende deeltjes in een suspensie te meten door de lichtverstrooiing te analyseren, vaak gebruikt om microbiële celconcentraties te schatten. | | Sterilisatie | Het proces van het doden of verwijderen van alle micro-organismen van een oppervlak, object of medium. | | Pasteurisatie | Een proces waarbij vloeistoffen zoals melk kortstondig worden verhit om ziekteverwekkende micro-organismen te doden zonder de kwaliteit van het product significant te veranderen. | | Postulaten van Koch | Een reeks criteria die worden gebruikt om de oorzakelijke rol van een specifiek micro-organisme bij een bepaalde ziekte vast te stellen. | | Groeimedium | Een voedingsstofrijke omgeving, meestal in vloeibare of vaste vorm, die wordt gebruikt om micro-organismen in het laboratorium te laten groeien. | | Zuivere cultuur | Een kweek die uitsluitend één type micro-organisme bevat, essentieel voor het bestuderen van de eigenschappen van specifieke soorten. | | Confervatie | Het behoud van eigenschappen of structuren door natuurlijke selectie, wat leidt tot aanpassingen die de overleving en reproductie bevorderen. | | Uitdunningsenting | Een laboratoriumtechniek die wordt gebruikt om een zuivere cultuur van micro-organismen te verkrijgen door het inoculeren van een voedingsbodem met geleidelijke verdunningen. | | Wateractiviteit (aw) | De maat voor de hoeveelheid beschikbaar water in een omgeving, essentieel voor microbiële groei en beïnvloed door de concentratie opgeloste stoffen. | | Extremofielen | Organismen die gedijen in extreme omgevingsomstandigheden, zoals hoge of lage temperaturen, hoge zoutgehaltes of extreme pH-waarden. | | Chemolithotroof | Een organisme dat energie verkrijgt uit de oxidatie van anorganische verbindingen. | | Chemoorganotroof | Een organisme dat energie verkrijgt uit de oxidatie van organische verbindingen. | | Fototroof | Een organisme dat energie verkrijgt uit licht. | | Autotroof | Een organisme dat zijn eigen voedsel kan produceren uit anorganische bronnen, zoals kooldioxide. | | Heterotroof | Een organisme dat zijn voedsel haalt uit organische stoffen die door andere organismen zijn geproduceerd. | | Protisten | Een diverse groep eukaryote micro-organismen die geen planten, dieren of schimmels zijn. | | Algen | Een diverse groep eukaryote organismen, voornamelijk aquatisch, die fotosynthese uitvoeren en chlorofyl bevatten. | | Modelorganisme | Een organisme dat wordt gebruikt in wetenschappelijk onderzoek vanwege zijn geschiktheid voor het bestuderen van specifieke biologische processen, zoals Escherichia coli voor moleculaire biologie of Arabidopsis thaliana voor plantenonderzoek. |

# Inleiding tot bacteriën en virussen Dit gedeelte introduceert de basiskenmerken van bacteriën en virussen, inclusief hun rol in het menselijk lichaam, de interactie met het immuunsysteem, en concepten als groei, resistentie en virale levenscycli. ### 1.1 Situering van bacteriën Bacteriën vormen een zeer grote en diverse groep micro-organismen, mede door hun lange evolutionaire geschiedenis en optimale adaptatie. De meeste bacteriën die infecties veroorzaken en die in het menselijk lichaam aanwezig zijn, behoren tot de *Bacteria* (ook wel *Eubacteria* genoemd). *Archaea* zijn omgevingsbacteriën die recentelijk ook in de complexe darmflora zijn aangetroffen; hun functie of belang voor de menselijke gezondheid, zoals in de tandheelkunde, wordt mogelijk nog ontdekt [5](#page=5). Medische microbiologie bestudeert het effect van micro-organismen op de gezondheid. Een balans in de microbiële flora is essentieel voor een gezond leven; de eigen microbiële flora beschermt ons tegen infecties met pathogenen. Een muis die vrij is van bacteriën (germ-free) vertoont afwijkingen, bijvoorbeeld in de darmen en longen, wat het belang van een normaal microbioom onderstreept [1](#page=1) [7](#page=7) [8](#page=8). * **Microbioomoverdracht bij baby's:** Baby's komen na de steriele omgeving van de baarmoeder terecht in een omgeving vol bacteriën. Het immuunsysteem wordt onderdrukt om deze bacteriën te kunnen opnemen. Het microbioom wordt voornamelijk verkregen via de stoelgang van de moeder. Bij een keizersnede is er geen blootstelling aan de stoelgang, waardoor het microbioom voornamelijk via de huid wordt verkregen. Het is belangrijk om te beseffen dat de flora van de moeder kan worden overgedragen op het kind, en dat deze flora ook pathogenen kan bevatten. Een voorbeeld hiervan is sepsis bij een baby afkomstig uit de vaginale flora [10](#page=10) [9](#page=9). ### 1.2 Rol van bacteriën in het menselijk lichaam en interactie met het immuunsysteem Bacteriën zijn essentieel voor een gezond menselijk leven. De microbiële flora beschermt ons tegen infecties door pathogenen. Bacteriën kunnen zich aanpassen aan de omgeving door om te schakelen van een hyperactieve naar een slapende, of zelfs schijnbaar "dode" toestand, afhankelijk van de omgevingsvereisten, wat belangrijke klinische implicaties heeft [1](#page=1). #### 1.2.1 Groei, groei-eisen en adaptatie van bacteriën Het begrijpen van de groei-regulatie en groei-eisen van bacteriën is cruciaal om te snappen hoe ze reageren op antibiotica en hoe ze gedijen in specifieke niches. Belangrijke concepten hierbij zijn exponentiële groei, quorum sensing, biofilms, en afhankelijkheid van pH en temperatuur [1](#page=1). * **Exponentiële groei:** Bacteriële groei volgt vaak een exponentieel patroon, waarbij de populatie zich in een vast tijdsinterval verdubbelt, onder optimale omstandigheden [1](#page=1). * **Quorum sensing:** Dit is een communicatiemechanisme waarbij bacteriën dichtheidsafhankelijke genexpressie reguleren door middel van de productie en detectie van signaalmoleculen [1](#page=1). * **Biofilm:** Bacteriën kunnen zich vestigen op oppervlakken en een biofilm vormen, een complexe gemeenschap van micro-organismen ingebed in een zelfgeproduceerde matrix. Biofilms bieden bescherming tegen omgevingsstress en antimicrobiële middelen [1](#page=1). * **Omgevingsinvloeden:** De groei en overleving van bacteriën zijn sterk afhankelijk van omgevingsfactoren zoals pH en temperatuur [1](#page=1). #### 1.2.2 Genetische mechanismen voor aanpassing en resistentie Naast hun aanpassingsvermogen hebben bacteriën gespecialiseerde genetische mechanismen ontwikkeld om snel te muteren, en aldus snel resistentie en virulentie te ontwikkelen. Deze mechanismen maken bacteriën tot een constante uitdaging in de geneeskunde [1](#page=1). #### 1.2.3 Persisters en fenotypische variatie Bacteriën kunnen persisters vormen, een subpopulatie van cellen die resistent is tegen antibiotica, ook al beschikken ze niet over genetische resistie. Deze persisters kunnen na de antibioticabehandeling opnieuw uitgroeien en een infectie veroorzaken. Fenotypische variatie en adaptatie spelen een rol in het overleven van bacteriën onder stressvolle omstandigheden [1](#page=1). ### 1.3 Virussen en hun levenscycli De levenscyclus van virussen wordt toegelicht, en hoe medicatie en het aangeboren immuunsysteem hierop reageren [1](#page=1) [3](#page=3). #### 1.3.1 Structuur en eigenschappen van virussen Een virus, of virion, bestaat uit genetisch materiaal (RNA of DNA) omgeven door een eiwitmantel (capside). Sommige virussen bezitten ook een lipide envelop. Virussen kunnen worden geclassificeerd op basis van hun genetisch materiaal en structuur [3](#page=3). * **Naakte virussen:** Deze virussen hebben alleen een genetisch materiaal en een capside [3](#page=3). * **Enveloppevirussen:** Deze virussen zijn omgeven door een lipide envelop, afkomstig van de gastheercelmembraan [3](#page=3). #### 1.3.2 Virale levenscycli De virale levenscyclus omvat verschillende stappen, waaronder adsorptie (hechting aan de gastheercel), penetratie (binnendringen van de gastheercel), expressie en replicatie van viraal genetisch materiaal, productie van virale componenten, assemblage van nieuwe virionen, en release (vrijgave van nieuwe virussen uit de cel) [3](#page=3). * **Lytische levenscyclus:** Bij deze cyclus vermenigvuldigt het virus zich in de gastheercel en veroorzaakt uiteindelijk de lysis (celruptuur) en dood van de cel. Dit geldt bijvoorbeeld voor bacteriële virussen, ook wel bacteriofagen genoemd [3](#page=3). * **Temperate levenscyclus:** Sommige bacteriofagen kunnen een temperate levenscyclus ondergaan, waarbij hun genoom wordt geïntegreerd in het bacterieel chromosoom (lysogenie) zonder direct celdood te veroorzaken. Onder bepaalde omstandigheden kan het virus reactiveren en een lytische cyclus starten [3](#page=3). * **Integratie, latentie en oncogenetransformatie:** Virussen kunnen integreren in humaan DNA, wat leidt tot latentie. Latente virussen kunnen reactiveren en ziekte veroorzaken. Sommige virussen kunnen door oncogenetransformatie het risico op kanker verhogen [1](#page=1). * **Specifieke virale levenscycli:** De levenscycli van specifieke virussen, zoals HCV en HIV, worden ook behandeld, inclusief hun replicatie- en expressiemechanismen [3](#page=3). #### 1.3.3 Reactie van het immuunsysteem en medicatie Het aangeboren immuunsysteem reageert op virussen via mechanismen zoals Pathogen Recognition Receptors (PRRs) voor virus- en bacterieherkenning en de activatie van interferon-gestimuleerde genen (ISGs). Medicatie is gericht op het remmen van deze virale levenscycli [1](#page=1) [3](#page=3). ### 1.4 Belang van balans en medische microbiologie Het behouden van een balans tussen micro-organismen en de gastheer is cruciaal voor de gezondheid. Medische microbiologie richt zich op het begrijpen en beheersen van de interacties tussen micro-organismen en de menselijke gezondheid, inclusief de ontwikkeling van behandelingen en preventieve strategieën [11](#page=11) [6](#page=6) [7](#page=7). > **Tip:** Begrijpen hoe bacteriën en virussen interageren met het menselijk lichaam en het immuunsysteem is de sleutel tot het effectief bestrijden van infectieziekten. Focus niet alleen op het memoriseren van feiten, maar op het begrijpen van de onderliggende mechanismen. > **Voorbeeld:** De rol van de darmflora bij de ontwikkeling van het immuunsysteem bij pasgeborenen illustreert de complexe en vitale interactie tussen mens en micro-organisme. Het verschil in microbioomkolonisatie tussen vaginale geboorte en keizersnede onderstreept het belang van deze vroege blootstelling [9](#page=9). --- # Bacteriële anatomie en genoom Dit onderwerp verkent de fundamentele architectuur van bacteriën, met een focus op hun celstructuren en genetische materiaal [12](#page=12). ### 2.1 De bacteriële cel Bacteriën, als prokaryoten, verschillen significant van eukaryoten door hun afwezigheid van een celkern, mitochondriën en endoplasmatisch reticulum. Dit resulteert in snellere communicatie van buiten naar binnen en snellere replicatie. Bacteriële celgroottes variëren van 0,5 tot 10 µm, wat microscopisch onderzoek noodzakelijk maakt [12](#page=12). #### 2.1.1 Celmembraan en celwand Het celmembraan van bacteriën bestaat uit een fosfolipiden bilayer, waarin macromoleculen en glycoproteïnen zijn opgenomen voor contact en uitwisseling met de omgeving. Buiten het celmembraan bevindt zich doorgaans een celwand, die de bacterie stevigheid en vorm geeft [13](#page=13). ##### 2.1.1.1 Grampositieve en gramnegatieve celwanden Er zijn significante verschillen tussen de celwanden van grampositieve en gramnegatieve bacteriën, wat van belang is voor diagnostiek en therapie [14](#page=14). * **Grampositieve celwand:** Kenmerkt zich door een dikke laag peptidoglycanen die de cel stevigheid verleent. Eiwitten door deze laag faciliteren communicatie met de cel. Grampositieve bacteriën bevatten geen lipopolysacchariden (LPS) [14](#page=14). * **Gramnegatieve celwand:** Bestaat uit een dunne laag peptidoglycanen en een buitenmembraan (outer membrane). Dit buitenmembraan is een tweede lipidenmembraan dat lipopolysacchariden (LPS) bevat [14](#page=14). De gramkleuringstechniek maakt onderscheid mogelijk: grampositieven kleuren blauw, terwijl gramnegatieven rood kleuren na een rode tegenkleuring [14](#page=14). ##### 2.1.1.2 Lipopolysaccharide (LPS) LPS is een belangrijk bestanddeel van de celwand van gramnegatieve bacteriën en bestaat uit drie onderdelen [15](#page=15): * Lipide A staart (relatief constant) [15](#page=15). * Polysacchariden (relatief constant) [15](#page=15). * O-antigen (variabele suikerkop, soort- of type-specifiek) [15](#page=15). LPS fungeert als een endotoxine en kan bij mensen een krachtige inflammatoire reactie veroorzaken, leidend tot koorts, activatie van stolling en inflammatie [15](#page=15). > **Voorbeeld:** Het injecteren van LPS in muizen kan leiden tot een dodelijke immuunreactie door overmatige activatie van het immuunsysteem, zelfs zonder een daadwerkelijke infectie [16](#page=16). ##### 2.1.1.3 Bacteriën zonder celwand Sommige bacteriesoorten, zoals *Mycoplasmata* en *Chlamydia*, hebben geen celwand en bestaan uitsluitend uit een celmembraan. Deze bacteriën zijn hierdoor fragieler en behouden hun vorm minder goed, waardoor ze vaak obligaat intracellulair leven [14](#page=14). #### 2.1.2 Vorm van bacteriën en gramkleuring De vorm van bacteriën, zoals bolvormig (kok) of staafvormig (bacil), wordt bepaald door de celwand, maar is op zichzelf onvoldoende voor specifieke identificatie. De gramkleuring, gebaseerd op verschillen in de peptidoglycaansamenstelling, biedt een betere basis voor onderscheid [18](#page=18). * **Grampositieve bacteriën:** Kleuren blauw [18](#page=18). * **Gramnegatieve bacteriën:** Kleuren rood [18](#page=18). Vormvariaties zoals fusiform, kommavormig en spirocheten (kurkentrekker) komen ook voor [18](#page=18). Vier basale groepen bacteriën zijn te onderscheiden op basis van gramkleuring en vorm: grampositieve kokken, gramnegatieve kokken, grampositieve staven en gramnegatieve staven. Verdere onderverdeling van kokken omvat streptokokken (kettingen) en stafylokokken (trosjes) [19](#page=19). #### 2.1.3 Celwand van mycobacteriën Mycobacteriën bezitten een unieke, sterke celwand die grotendeels is opgebouwd uit een dichte laag lange mycolzuren. Dit leidt tot diverse gevolgen [20](#page=20): * **Lange overleving:** In de natuur, ondanks omgevingsfactoren zoals droogte [20](#page=20). * **Besmettelijkheid en pathogeniciteit:** Door hun weerstand tegen afbraak door macrofagen [20](#page=20). * **Resistent karakter:** En zuurvastheid, wat wordt benut in zuurvaste kleuringen [20](#page=20). ### 2.2 Het bacterieel genoom Het bacterieel genoom bestaat doorgaans uit één circulair, dubbelstrengs DNA-molecuul dat compact is opgevouwen. Enzymen zoals gyrasen en topo-isomeren zijn essentieel voor het ontvouwen en opvouwen van dit chromosoom en vormen een doelwit voor antibiotica zoals chinolonen. Soms bevatten bacteriën ook extra genetisch materiaal in de vorm van circulaire plasmiden [21](#page=21). #### 2.2.1 Minimum aantal genen voor leven Bacteriën worden beschouwd als levende organismen, in tegenstelling tot virussen die een gastheercel nodig hebben om zich te vermenigvuldigen. Het aantal genen in bacteriën varieert, waarbij de kleinste genomen worden aangetroffen bij mycoplasmata met ongeveer 482 genen. Deze bacteriën zijn sterk afhankelijk van eukaryote cellen voor hun overleving [22](#page=22). * **Kleine genomen (ca. 500 genen):** Bestaan voornamelijk uit genen die essentieel zijn voor DNA-replicatie, translatie en energieproductie [24](#page=24). * **Grotere genomen (bv. *Escherichia coli*, *Mycobacterium tuberculosis* met 4-5 duizend genen):** Bevatten naast essentiële genen ook genen voor regulatiemechanismen (signaaltransductie), antibioticaresistentie, overleving onder diverse omstandigheden, virulentiefactoren en sporevorming. Dit vergroot het aanpassingsvermogen aanzienlijk [23](#page=23). Grotere genomen maken een hogere mate van regulatie mogelijk, wat implicaties heeft voor antibioticagevoeligheid en vaccin-effectiviteit [24](#page=24). > **Tip:** Het menselijk lichaam is op moleculair niveau overwegend microbieel, met ongeveer evenveel bacteriële cellen als menselijke cellen en tien keer zoveel virussen. Om het functioneren van het menselijk lichaam te begrijpen, is het cruciaal om micro-organismen mee te nemen [24](#page=24). ### 2.3 Extra structuren Bacteriën kunnen over extra structuren beschikken die hun overleving, interactie met de gastheer en virulentie bevorderen [25](#page=25). * **Kapsel:** Een polysaccharidenlaag rond de celwand die de bacterie beschermt tegen fagocytose door immuuncellen [25](#page=25). * **Flagellen:** Zweepachtige structuren die zorgen voor beweeglijkheid van de bacterie [25](#page=25). * **Fimbriae:** Aanhechtingsmoleculen die binden aan specifieke receptoren op gastheercellen. Ze spelen een belangrijke rol bij kolonisatie en virulentie, en kunnen leiden tot de vorming van neutraliserende antilichamen door de gastheer [25](#page=25). Bij gramnegatieve bacteriën kan de variatie in LPS-types ook bijdragen aan de diversiteit van antigenen (bv. O-antigeen, H-antigeen, K-antigeen) [26](#page=26). * **Pilus:** Een buisvormige structuur die twee bacteriën kan verbinden, wat de overdracht van genetisch materiaal (zoals plasmiden) mogelijk maakt via een proces dat vergelijkbaar is met "seksueel contact" [28](#page=28). * **Sporen:** Hoewel geen structuren in strikte zin, vertegenwoordigen sporen een fysiologische fase waarin bacteriën metabool inactief worden om vijandige omstandigheden (warmte, straling, uitdroging) te overleven. Deze sporen kunnen na maanden of jaren terugkeren naar een vegetatieve vorm wanneer de omstandigheden gunstig zijn. Voorbeelden van sporevormende bacteriën zijn *Clostridium tetani* en *Bacillus anthracis* [28](#page=28). --- # Bacteriële groei, adaptatie en interacties Dit hoofdstuk behandelt de groei, adaptatie en interacties van bacteriën, inclusief concepten als biofilms, quorum sensing en persisters [29](#page=29) [30](#page=30) [31](#page=31) [32](#page=32) [33](#page=33) [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38) [39](#page=39). ### 3.1 Metabolisme, celgroei en fenotypische adaptatie Metabolisme omvat de omzetting van organische moleculen, onder andere voor energieproductie. Bacteriën en andere micro-organismen kunnen de omgeving beïnvloeden door middel van metabolieten. Voorbeelden buiten het lichaam zijn voedselfermentatie (yoghurt, bier, kaas, wijn, cacao, salami) en industriële productie van bijvoorbeeld citroenzuur [29](#page=29). Binnen het lichaam kunnen bacteriën ook invloed uitoefenen. Zure metabolieten van lactobacillen, die ontstaan door de afbraak van glycogeen uit vaginale cellen, zorgen voor een zure pH in de vagina. Een tegenovergesteld voorbeeld is *Helicobacter pylori*, dat lokaal het maagzuur neutraliseert door de enzymatische productie van ammoniak, waardoor het als enige bacterie op de maagmucosa kan leven. Bacteriën kunnen ook enzymen of eiwitten produceren die de omgeving beïnvloeden, zoals hyaluronidase of coagulase, en toxines die andere bacteriën (bacteriocines) of gastheercellen (neurotoxines, enterotoxines) beschadigen [29](#page=29). #### 3.1.1 Celdeling van bacteriën Bacteriën kunnen zich zeer snel delen, wat leidt tot exponentiële groei. Onder optimale omstandigheden vindt celdeling ongeveer elke 20 tot 30 minuten plaats. Na een lagfase (adaptieve fase met veranderingen in genexpressie) volgt een logaritmische toename. De stationaire fase wordt bereikt bij uitputting van voedingsbronnen, waarna afsterving dominant wordt. Dit resulteert in een logaritmische vermenigvuldiging tot grote aantallen in korte tijd [30](#page=30). #### 3.1.2 Omgevingsfactoren die celgroei beïnvloeden De omgeving is een sterk beïnvloedende factor voor bacteriële groei [31](#page=31). * **Temperatuur:** Er is een optimale temperatuur, een minimum, maximum en een specifieke range voor groei. Humane pathogenen en commensalen groeien het snelst rond 36,5°C. Koorts kan de groeisnelheid van de meeste bacteriën vertragen [31](#page=31). * **Zuurstof (O2) en Koolstofdioxide (CO2):** * Obligaat aeroob: Zuurstof is nodig voor groei (bv. *Mycobacterium tuberculosis*) [31](#page=31). * Facultatief aeroob-anaeroob: Veel bacteriën vallen in deze categorie [31](#page=31). * Anaeroob: Zuurstof is toxisch; gevoeligheid voor zuurstof is variabel [31](#page=31). * Capnofiel: Beter groei in een omgeving met hoge CO2-spanning (bv. *Haemophilus*) [31](#page=31). Dit is belangrijk voor geneeskunde en diagnostiek, met betrekking tot fysiologische eisen, kweekomstandigheden in het laboratorium en overleven tijdens transport [31](#page=31). * **Zuurtegraad (pH):** Er bestaan verschillen tussen bacteriën wat betreft groei in zure of alkalische omstandigheden. *Streptococcus mutans*, de verwekker van cariës, gedijt goed in een zure omgeving. De aanwezigheid van bacteriën wordt individueel beïnvloed door osmotische druk, O2- en CO2-spanning [31](#page=31). #### 3.1.3 Fenotypische variatie en adaptatie Bacteriën passen hun metabole arsenaal aan volgens de omgevingsomstandigheden. Dit kan leiden tot een knik in de groeicurve, die de tijd weergeeft die nodig is om bijvoorbeeld een operon in te schakelen [32](#page=32). **Het operon model:** Dit model beschrijft de genexpressieregulatie bij bacteriën. Wanneer glucose aanwezig is, wordt dit eerst verbruikt, zelfs als andere suikers zoals lactose of maltose ook aanwezig zijn. Zodra glucose is opgebruikt, kan lactose als energiebron worden gebruikt indien aanwezig. Het lactosemetabolisme wordt gestuurd door een feedbackmechanisme in het repressor-activatorsysteem. Activering leidt tot transcriptie van lactose-katabole enzymen. Bij repressie (bij afwezigheid van lactose of aanwezigheid van glucose) kan RNA-polymerase niet binden, waardoor de transcriptie stopt, de lactose-katabole enzymen verdwijnen en het lactosemetabolisme stilvalt. Repressor LacI wordt geïnactiveerd door lactose. De bacteriële cel wijzigt dus zijn metabole wegen volgens de omgevingscondities [33](#page=33). ##### 3.1.3.1 Planktonische versus sessiele bacteriën Klassiek worden bacteriën bestudeerd in proefbuizen onder ideale omstandigheden, in planktonische vorm, in reincultuur en in de exponentiële fase. Vanuit deze situaties worden fysiologische, morfologische, pathologische kenmerken en gevoeligheid voor antibiotica beschreven. In de reële situatie bevinden bacteriën zich echter in andere condities: gemengd met andere bacteriën, in suboptimale of hostiele omstandigheden, metabool inactief, en soms in sessiele vorm in plaats van planktonisch. Hierdoor gedragen zij zich *in vivo* soms anders dan voorspeld vanuit laboratoriumstudies, met variaties in virulentie of resistentie tegen antibiotica [34](#page=34). Fenotypische variaties ontstaan door meerdere verschijnselen [34](#page=34): * **Persisters:** Dit is een proces waarbij een bacterie metabool minder actief is en daardoor ongevoelig voor antibiotica. Het is geen passief fenomeen, maar een actieve reddingsreactie van bacteriën [34](#page=34). * **Sporen:** Vormen van gedifferentieerde, duurzame cellen die bestand zijn tegen ongunstige omstandigheden [34](#page=34). * **Fenotypisch switchen ('bet hedging' of risicospreiding):** Een populatie kent meerdere subpopulaties; een deel is klaar voor een aangepaste of andere omgeving, terwijl een ander deel klaargestoomd is voor een rampensituatie [34](#page=34). * **Biofilm en quorum sensing:** Zie hierna [34](#page=34). ### 3.2 Biofilm en quorum sensing Quorum sensing is een proces waarbij de dichtheid van bacteriën zodanig is dat boodschappermoleculen een kritische concentratie bereiken. Dit leidt tot het aan- of uitzetten van bepaalde metabole pathways, resulterend in een totaal ander metabolisme. Dit kan leiden tot de vorming van een biofilm [35](#page=35). Een biofilm is een vorm van een bacteriële populatie met totaal veranderde kenmerken. Het is een driedimensionale structuur met veel slijmproductie, waardoor de kolonie ongevoelig is voor antibiotica en macrofagen. Af en toe worden mobiele bacteriën losgelaten, soms met een persisterfenotype [35](#page=35). > **Tip:** Biofilms maken bacteriële infecties chronisch en resistent tegen antibiotica, wat een belangrijk klinisch probleem vormt [35](#page=35). Biofilms spelen niet alleen een rol bij infecties door lichaamsvreemde voorwerpen, maar ook bij veel weefselinfecties [37](#page=37). ### 3.3 Persisters Antibiotica doden bacteriën af in een logaritmisch proces. Persisters zijn cellen die ongevoelig zijn voor antibiotica door een andere metabole toestand. Deze cellen overleven en kunnen opnieuw metabool actief worden. Dit fenomeen is geen passief proces, maar een actieve reddingsreactie van bacteriën [38](#page=38). ### 3.4 Interacties in biofilm Bacteriën binnen een biofilm kunnen elkaar zowel positief als negatief beïnvloeden [39](#page=39). * **Positieve beïnvloeding:** Dit kan bijvoorbeeld door het verschaffen van aanhechtingsplaatsen aan andere soorten, of door de productie van metabolieten die nuttig zijn voor andere species [39](#page=39). * **Negatieve beïnvloeding:** Dit omvat competitie voor ruimte en voedsel, het wijzigen van de omgeving door metabolieten, of directer door antibacteriële middelen zoals bacteriocines. Op deze manier beschermt de normale flora zich tegen kolonisatie door pathogenen [39](#page=39). Interacties met het menselijk lichaam worden in andere hoofdstukken behandeld [39](#page=39). --- # Bacteriële taxonomie en genetische variatie Dit deel behandelt de naamgeving en classificatie van bacteriën, gebaseerd op genetische gelijkenis en ribosomaal RNA, evenals genetische variatie via mutatie en uitwisseling van erfelijk materiaal, inclusief serotypering en genotypering. ### 4.1 Taxonomie en naamgeving van bacteriën De naamgeving (genus en species) en taxonomie van bacteriën waren vroeger gebaseerd op fenotypische kenmerken, een systeem dat door Linnaeus voor macroscopische organismen werd opgesteld. De recente taxonomie steunt echter meer op genetische gelijkenis, met de aanname dat verschillen geleidelijk optreden tijdens de evolutie. De mate van verschil is omgekeerd evenredig met de taxonomische verwantschap. Nieuwe taxonomische inzichten hebben geleid tot andere indelingen in genera en species, en dus tot andere soortnamen dan in de vroegere literatuur [40](#page=40). #### 4.1.1 Ribosomaal RNA als leidraad Hoewel de vergelijking van het totale DNA nuttig is voor de studie van verwantschap, is het gen voor het ribosomale 16S-RNA een ideale sequentie op dat gebied. Het 16S subunit rRNA heeft een belangrijke structurele functie in het ribosoom en is vitaal. Structurele veranderingen (mutaties) leiden tot een andere structuur die kritisch kan zijn voor de functie, aangezien sommige gebieden nauwelijks muteren, terwijl andere gebieden grotere variatie bevatten dan de meer geconserveerde regio's. De veranderingen gebeuren heel traag. In bepaalde regio's weerspiegelt het verschil de evolutieduur, dus de verwantschap, en dit kan gebruikt worden voor taxonomische indeling, indeling in genera en uiteindelijk zelfs species, en kan zo gebruikt worden voor identificatie [41](#page=41). #### 4.1.2 Nieuwe taxonomische bevindingen en naamgeving Nieuwe taxonomische inzichten hebben geleid tot veranderingen in de classificatie en naamgeving van bacteriën [42](#page=42). > **Voorbeelden van naamswijzigingen:** > * *Actinobacillus actinomycetemcomitans* werd *Aggregatibacter actinomycetemcomitans* [42](#page=42). > * *Haemophilus aphrophilus* werd *Aggregatibacter aphrophilus* [42](#page=42). > * *Pseudomonas maltophilia* werd *Xanthomonas maltophilia*, en vervolgens *Stenotrophomonas maltophilia* [42](#page=42). > * *Pseudomonas cepacia* werd *Burkholderia cepacia* [42](#page=42). > * Vroeger behoorden vele soorten anaerobe gramnegatieve staven tot het genus *Bacteroides*; nu zitten deze in verschillende genera zoals *Bacteroides*, *Prevotella*, *Porphyromonas*, *Tannerella*, etc. [42](#page=42). > * Vele andere voorbeelden zijn te vinden bij streptokokken en *Corynebacteria* [42](#page=42). > * *Pneumocystis carinii* werd *Pneumocystis jirovecii* (schimmels) [42](#page=42). #### 4.1.3 Schrijfwijze van bacterienamen De schrijfwijze van bacterienamen volgt specifieke regels [43](#page=43). * **Genusnaam:** Wordt met een hoofdletter geschreven en, indien in het Latijn, cursief [43](#page=43). * **Soortnaam (species):** Wordt met een kleine letter geschreven en, indien in het Latijn, cursief [43](#page=43). * **Virusnamen:** Worden in het Latijn cursief geschreven (bv. *Paromoxyvirus*), terwijl Nederlandse of Engelse namen niet cursief zijn (bv. mazelenvirus, measles virus) [43](#page=43). * **Meervoud van soorten:** Indien men spreekt over soorten van een bepaald genus, zoals *Pseudomonas spp.*, wordt "spp." niet cursief geschreven [43](#page=43). * **Uitzondering:** *Salmonella Panama*. Hier is "Panama" geen species, maar een serovar, een variant aangeduid door serologische testen [43](#page=43). ### 4.2 Genetische variatie bij bacteriën Genetische variatie bij bacteriën ontstaat door gewone mutatie en selectie, maar ook door uitwisseling van grote stukken erfelijk materiaal [44](#page=44). #### 4.2.1 Oorzaken van genetische variatie Bacteriën van dezelfde species zijn niet identiek; de variatie binnen bacteriesoorten is veel groter dan binnen een diersoort. Op deze manier ontstaan varianten met andere 'uiterlijke' en fysiologische kenmerken, maar ook stammen die toxineproducerend zijn, beter aangepast aan een gastheer, of meer resistent aan antibiotica. Dit is te onderscheiden van fenotypische variatie, die het gevolg is van verschil in expressie van in principe hetzelfde genoom [44](#page=44). Het basisgenoom van een bacteriesoort kan aangevuld worden met allerlei chromosomale of extrachromosomale addities. Sommige genetische pakketten worden 'pathogenicity islands' genoemd; dit zijn gehelen van genen die de stam beter laten overleven, adhereren, en ziekte veroorzaken door toxines [44](#page=44). #### 4.2.2 Mechanismen van genetische uitwisseling Er zijn verschillende mechanismen voor genetische uitwisseling bij bacteriën: * **Transformatie:** Dit is de "spontane" opname van DNA uit de omgeving (van verwante species) en de inbouw ervan in het eigen chromosoom [45](#page=45). * **Transductie:** Hierbij worden genen via virussen overgebracht, dus door bacteriofagen [45](#page=45). * **Conjugatie:** Genen, vaak op extrachromosomaal DNA (plasmiden), worden overgedragen. Genen bevinden zich vaak reeds op transposons, dit zijn kleine mobiele genetische elementen die kunnen verplaatsen en op een andere plaats integreren, vaak in genetische regio's die daarvoor zijn voorbehouden [45](#page=45). * **Transfectie:** Dit is een techniek om cellen genetisch materiaal te laten opnemen, voornamelijk *in vitro* uitgevoerd [45](#page=45). Alle bovengenoemde mechanismen komen *in vivo* voor, behalve transfectie [45](#page=45). #### 4.2.3 Belang van genotypische verschillen De grote diversiteit binnen bacteriën van dezelfde species kan gebruikt worden voor verdere onderscheiding, wat nuttig kan zijn om verschillende redenen [46](#page=46): * **Pathogeniciteit:** Bepaalde types kunnen meer pathogeen zijn dan andere [46](#page=46). * **Epidemiologie:** Het is belangrijk om te weten hoe bacteriën zich verspreiden in de gemeenschap, of stammen in verschillende patiënten of locaties hetzelfde zijn, of de stam vanuit een ander land is gekomen, etc. [46](#page=46). * **Vaccinatie:** Als een vaccin bedoeld is om beschermende antilichamen op te wekken tegen een kapsel, moeten deze kapsels bekend en onderscheiden zijn, en epidemiologisch gevolgd worden [46](#page=46). Technieken zoals serotypering en genotypering (inclusief moleculaire fingerprinting en volledig genoom sequencing) worden gebruikt voor deze onderscheiding. Stammen die sterk op elkaar lijken, worden klonaal verwante stammen genoemd; als ze identiek zijn, spreekt men van een kloon [46](#page=46). ##### 4.2.3.1 Serotypering van bacteriën Serotypering is gebaseerd op het gebruik van specifieke antilichamen tegen specifieke (oppervlakkige) moleculen van het micro-organisme [47](#page=47). * **Antigenen:** Gramnegatieven hebben een buitenmembraan met lipopolysaccharide (LPS) dat somatische of O-antigenen bevat. Zowel gram-positieve als gram-negatieve bacteriën kunnen een kapsel hebben (K-antigenen). Sommige soorten hebben flagellen voor voortbeweging, genaamd H-antigenen [47](#page=47). * **Variabiliteit:** Deze antigenen zijn variabel per soort, maar ook binnen de soort. Een serotype van een species heeft een gelijk(e) antigeen(formule) [47](#page=47). * **Voorbeelden:** * *Escherichia coli* O157:H7 of *E. coli* O111:K58:H6. Deze types zijn suggestief voor de aanwezigheid van specifieke (enteropathogene) pathogenicity islands [47](#page=47). * Bij meningokokken heeft de meerderheid van de pathogene stammen een kapsel met één van de drie varianten: type A, B of C. Bescherming door antilichamen tegen kapsel A beschermt niet tegen B en C. Vaccins zijn niet actief tegen alle drie, maar slechts tegen één kapseltype. De drie serotypes hebben een eigen epidemiologie, en de keuze voor vaccinatie is hierop gebaseerd [47](#page=47). Het is belangrijk op te merken dat bacteriën van hetzelfde serotype vaak nog erg divers zijn. Verdere opdeling via extra serotyperingen of genotypering is mogelijk, zelfs tot op individueel stam-niveau (fingerprinting). Plasmiden en transposons (virulentie- en resistentiegenen) kunnen dit verder opsplitsen [47](#page=47). ##### 4.2.3.2 Genotypering van bacteriën Moleculaire fingerprinting of genotypering is gebaseerd op specifieke sequenties in het DNA van de verschillende 'klonen'. Dit wordt aangetoond met behulp van primers/PCR (wat amplicons oplevert met verschillende lengtes) of door te 'knippen' met restrictie-enzymes (of een combinatie van amplificatie gevolgd door restrictiedigestie) [48](#page=48). Tegenwoordig wordt steeds meer next generation sequencing gebruikt voor de karakterisering van bacteriën, inclusief whole genome sequencing [48](#page=48). --- ## 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 | |------|------------| | Bacteriën | Eencellige micro-organismen die essentieel zijn voor een gezond menselijk leven en onze microbiële flora vormen, ook al kunnen sommigen infecties veroorzaken. Ze hebben een celmembraan en meestal een celwand, cytoplasma, ribosomen en een circulair genoom, maar missen een celkern en organellen zoals mitochondriën. | | Virussen | Obligate intracellulaire parasieten die gastheer-metabolisme gebruiken voor hun expressie en vermenigvuldiging. Ze zijn geen levende organismen op zichzelf en hun genomen kunnen variëren in grootte, coderend voor enkele tot honderden eiwitten. | | Immuunsysteem | Het biologische systeem dat organismen beschermt tegen ziekteverwekkers. Het omvat een reeks organen, cellen en eiwitten die samenwerken om infecties te bestrijden. | | Antimicrobiële middelen | Stoffen die gebruikt worden om micro-organismen te doden of hun groei te remmen. Dit omvat antibiotica voor bacteriën en antivirale middelen voor virussen. | | Microbiële flora | De gemeenschap van micro-organismen die op en in het menselijk lichaam leven en een belangrijke rol spelen in de gezondheid en bescherming tegen pathogenen. | | Pathogenen | Micro-organismen, zoals bacteriën, virussen, schimmels of parasieten, die ziekte kunnen veroorzaken bij een gastheer. | | Exponentiële groei | Een vorm van groei waarbij de populatie van een organisme verdubbelt over een vaste tijdsperiode, wat leidt tot een zeer snelle toename in aantallen onder optimale omstandigheden. | | Quorum sensing | Een communicatiemechanisme waarbij bacteriën moleculaire signalen afscheiden en detecteren om hun dichtheid te meten. Dit stelt hen in staat om gecoördineerde gedragingen te vertonen, zoals biofilmvorming, wanneer een bepaalde concentratie is bereikt. | | Biofilm | Een gestructureerde gemeenschap van micro-organismen, ingebed in een zelfgeproduceerde matrix van extracellulaire polymeren, die zich hechten aan een oppervlak. Biofilms bieden bescherming tegen omgevingsstress, antibiotica en het immuunsysteem. | | Fenotypische adaptatie | Het vermogen van een organisme om zijn uiterlijke kenmerken en fysiologische functies aan te passen aan veranderende omgevingsomstandigheden, zonder dat de genetische code verandert. | | Gramkleuring | Een differentiële kleuringstechniek die wordt gebruikt om bacteriën te classificeren op basis van de chemische en fysieke eigenschappen van hun celwand. Gram-positieve bacteriën kleuren blauw/paars, terwijl Gram-negatieve bacteriën rood kleuren. | | Peptidoglycaan | Een polymeer dat een essentieel bestanddeel vormt van de celwand van de meeste bacteriën. Het biedt structurele ondersteuning en bepaalt de vorm van de bacterie. | | Lipopolysachariden (LPS) | Een complex molecuul dat een belangrijk onderdeel is van de buitenmembraan van Gram-negatieve bacteriën. Het fungeert als een endotoxine en kan een krachtige immuunreactie veroorzaken. | | Endotoxine | Een toxische substantie die deel uitmaakt van de celwand van Gram-negatieve bacteriën. Bij vrijkomen kan het leiden tot ernstige ontstekingsreacties in de gastheer. | | Mycolzuren | Lange vetzuren die kenmerkend zijn voor de celwanden van mycobacteriën, zoals *Mycobacterium tuberculosis*. Deze vetzuren dragen bij aan de resistentie en overlevingskracht van deze bacteriën. | | Genoom | Het volledige DNA-gehalte van een organisme, dat alle genen en niet-coderende sequenties bevat. Bij bacteriën is dit meestal een enkel circulair chromosoom. | | Plasmiden | Kleine, circulaire, extrachromosomale DNA-moleculen die in het cytoplasma van bacteriën voorkomen. Ze kunnen genen bevatten die nuttig zijn voor de bacterie, zoals genen voor antibioticaresistentie of toxiciteit, en kunnen worden overgedragen tussen bacteriën. | | Operon | Een functionele eenheid van genen in bacteriën die samen worden getranscribeerd en die betrokken zijn bij een specifieke metabole route of functie. Het bevat regulerende elementen zoals promoters en operators. | | Persisters | Een subpopulatie van bacteriën die zich in een metabolisch inactieve staat bevinden, waardoor ze ongevoelig zijn voor antibiotica. Ze kunnen overleven in aanwezigheid van antibiotica en opnieuw actief worden wanneer de omstandigheden gunstiger worden. | | Quorum sensing | Een proces waarbij bacteriën hun dichtheid meten door middel van het produceren en detecteren van signaleringsmoleculen. Dit stelt de bacteriepopulatie in staat om gecoördineerde gedragingen te vertonen, zoals de vorming van biofilms. | | Taxonomie | De wetenschap van het classificeren en benoemen van levende organismen. Bij bacteriën steunt dit tegenwoordig sterk op genetische gelijkenis. | | Ribosomaal RNA (rRNA) | Een type RNA dat een structureel en functioneel bestanddeel is van ribosomen, de cellulaire machinerie voor eiwitsynthese. De 16S subunit rRNA wordt vaak gebruikt voor taxonomische classificatie vanwege de langzame evolutie en de aanwezigheid van zowel conservatieve als variabele regio's. | | Serotypering | Een methode om bacteriële stammen te onderscheiden op basis van hun antigenen, specifieke moleculen op het oppervlak van de bacterie waartegen het immuunsysteem antilichamen produceert. Dit is nuttig voor epidemiologische studies en vaccinontwikkeling. | | Genotypering | Een techniek die de genetische samenstelling van een bacterie analyseert om verschillende stammen te onderscheiden. Dit omvat methoden zoals moleculaire fingerprinting en whole genome sequencing. | | Pathogenicity islands (PAIs) | Discrete genomische gebieden die genen bevatten die de virulentie van een bacterie verhogen, zoals genen voor adhesie, toxineproductie of invasie van de gastheer. | | Transformatie | Een mechanisme van genetische uitwisseling waarbij een bacterie DNA uit de omgeving opneemt en integreert in zijn eigen genoom. | | Transductie | Een mechanisme van genetische uitwisseling waarbij genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere wordt overgebracht via een bacteriofaag (een virus dat bacteriën infecteert). | | Conjugatie | Een mechanisme van genetische uitwisseling waarbij genetisch materiaal, meestal in de vorm van een plasmide, direct wordt overgedragen van de ene bacterie naar de andere via een fysieke verbinding, zoals een pilus. |

# Infecties door Staphylococcus aureus Dit onderwerp behandelt de eigenschappen, pathogenese en klinische manifestaties van *Staphylococcus aureus*, inclusief resistentie tegen antibiotica zoals MRSA en de rol ervan bij huid- en weke delen infecties, endocarditis en toxinesyndromen. ### 1.1 Eigenschappen van Staphylococcus aureus *Staphylococcus aureus* is een grampositieve bacterie, behorend tot de kokken, die zich kenmerkt door het vormen van trossen, vergelijkbaar met druiven. Deze morfologische eigenschap ontstaat doordat de celdeling steeds plaatsvindt via een septum dat 90° gedraaid is ten opzichte van de vorige deling [10](#page=10) [8](#page=8). **Classificatie en detectie:** * **Gramkleuring:** *S. aureus* is grampositief en kleurt paars [10](#page=10). * **Catalase test:** *S. aureus* is catalase-positief. Het catalase-enzym zet waterstofperoxide ($H_2O_2$), een reactieve zuurstofspecies die door het immuunsysteem wordt geproduceerd tijdens inflammatie, om in zuurstofgas ($O_2$) en water ($H_2O$). De vorming van zuurstofbelletjes is zichtbaar in het laboratorium [9](#page=9). * **Coagulase test:** *S. aureus* is coagulase-positief. Coagulase is een enzym dat fibrinogeen omzet in fibrine, wat leidt tot klontvorming. Dit wordt getest door een bacteriële kweek toe te voegen aan fibrinogeen; klontering duidt op een positieve test [11](#page=11) [12](#page=12). **Habitat en commensale levensstijl:** *S. aureus* komt wijdverspreid voor in de natuur en is een belangrijke commensale bacterie. Het is onderdeel van de normale flora van de mens, met name in de neusholte (ongeveer 30% van de bevolking is drager), keel, perineum en oksels. De bacterie kan overleven in de omgeving op oppervlakken zoals haar, stof en huidschilfers, wat bijdraagt aan de verspreiding. In de neusholte leeft *S. aureus* in competitie met andere commensale bacteriën voor bindingsplaatsen en beperkte nutriënten. Commensalen kunnen *S. aureus* ook tegengaan door de productie van antimicrobiële moleculen, zoals bacteriocines. *S. aureus* kan op zijn beurt ontstekingsreacties uitlokken die leiden tot de productie van antimicrobiële moleculen die gevoeligere commensalen doden. Deze complexe interacties tussen bacteriële soorten zijn essentieel voor het handhaven van de balans in de nasale microbiota [11](#page=11) [13](#page=13) [16](#page=16) [17](#page=17) [18](#page=18) [19](#page=19). De gastheer speelt ook een rol in de kolonisatie en vatbaarheid. Genetische factoren, de immuniteit van de gastheer (aangeboren en verworven), niche-adaptatie van de bacterie en omgevingsfactoren zoals leeftijd en roken kunnen de vatbaarheid voor *S. aureus* kolonisatie beïnvloeden [20](#page=20). ### 1.2 Pathogenese en Virulentiefactoren *S. aureus* is een "gewapende" pathogeen met een breed arsenaal aan toxines, enzymen en buitenwandcomponenten die bijdragen aan zijn infectieus vermogen [26](#page=26). **Wandcomponenten:** * **Peptidoglycaan:** Kan een endotoxine-achtig effect hebben en een immuunrespons uitlokken [27](#page=27). * **Teichoïnezuur:** Bevordert de aanhechting aan epitheliale oppervlakken [27](#page=27). * **Proteïne A:** Kan vrij voorkomen of gebonden zijn en interageert met de immuunrespons, bijvoorbeeld door opsonisatie of consumptie van complement [26](#page=26) [27](#page=27). **Enzymen:** * **Coagulase:** Zet prothrombine om in stafylotrombine, wat vervolgens fibrinogeen omzet in fibrine-dimeren. Dit leidt tot klontvorming op het bacteriële oppervlak, wat bescherming biedt tegen fagocyten en de immuunrespons. Dit enzym is cruciaal voor de classificatie van *S. aureus* [28](#page=28) [30](#page=30) [31](#page=31). * **Stafylokinase:** Nodig om fibrineklonters af te breken, zodat de bacterie zich verder kan verspreiden [28](#page=28). * **Nucleasen, lipasen, hyaluronidase, gelatinase:** Breken extracellulaire componenten af die bijdragen aan de verspreiding van de bacterie, zoals DNA/RNA, vetten, hyaluronzuur en eiwitten [28](#page=28) [29](#page=29). * **Catalase:** Zet reactieve zuurstofcomponenten om [28](#page=28). **Toxines:** * **Hemolysines (alfa, bèta, gamma, delta toxines):** Breken rode bloedcellen (RBC) en witte bloedcellen (WBC) af [32](#page=32). * **Leukocidine (bijv. Panton-Valentine leukocidine):** Vormt poriën in neutrofielen en maakt deze kapot, zonder RBC aan te tasten [32](#page=32). * **Exfoliatieve toxines (A en B):** Splijten de stratum granulosum van de huid, wat leidt tot afschilfering van de opperhuid en de vorming van blaren (exfoliatieve dermatitis). Dit kan ernstig zijn bij kleine kinderen [33](#page=33) [34](#page=34) [62](#page=62). * **Toxic Shock Syndrome Toxin (TSST-1):** Een superantigeen dat bindt aan immuuncellen en een overmatige immuunrespons uitlokt, leidend tot symptomen zoals hypotensie, shock en potentieel de dood. Dit syndroom werd geassocieerd met het gebruik van tampons [33](#page=33) [35](#page=35) [36](#page=36). * **Enterotoxines (A-H):** Beïnvloeden het maag-darmkanaal [33](#page=33). ### 1.3 Antibioticaresistentie (MRSA) *Staphylococcus aureus* staat bekend om zijn vermogen om snel resistentie tegen antibiotica te ontwikkelen. Methicilline-resistente *Staphylococcus aureus* (MRSA) is een variant die resistent is tegen methicilline en andere bèta-lactam antibiotica. De prevalentie van MRSA varieert wereldwijd, met hogere percentages in Zuid-Amerika en zuidelijke delen van Europa vergeleken met Scandinavische landen [38](#page=38) [39](#page=39). **Mechanismen van resistentie:** MRSA-resistentie is vaak genetisch bepaald en kan worden geïntegreerd in het chromosoom van de bacterie. Het **mecA** gen is verantwoordelijk voor de resistentie tegen methicilline. *S. aureus* heeft door de geschiedenis heen resistentie ontwikkeld tegen verschillende golven van antibiotica, beginnend met penicilline in de jaren '40 en methicilline in de jaren '60 [42](#page=42) [43](#page=43). ### 1.4 Klinische Manifestaties *S. aureus* kan een breed scala aan infecties veroorzaken, variërend van oppervlakkige huidinfecties tot levensbedreigende systemische infecties. **Huid- en weke delen infecties:** * **Impétigo:** Oppervlakkige infectie met blaasjes of puistjes. * **Puistjes (furunkels):** Infecties van haarzakjes, vaak met pus. * **Karbonkels (furunculose):** Een samensmelting van meerdere furunkels, leidend tot diepere, uitgebreidere infecties met roodheid, zwelling, pijn en warmte [46](#page=46) [47](#page=47) [7](#page=7). * **Ecthyma:** Een diepere huidinfectie gekenmerkt door necrose [48](#page=48). * **Abcessen:** Ophoping van pus onder de huid, die chirurgische drainage vereisen [49](#page=49). * **Bursitis:** Ontsteking van slijmbeurzen, zoals rond de elleboog, vaak als gevolg van een huidinfectie die dieper doordringt [50](#page=50) [51](#page=51). * **Pyomyositis:** Pusophoping tussen spierlagen, vaak gezien bij ondervoede patiënten [52](#page=52). * **Exfoliatieve dermatitis:** Veroorzaakt door exfoliatieve toxines, leidend tot afschilfering van de huid [34](#page=34) [62](#page=62). **Systemische infecties:** * **Bacteriëmie/Sepsis:** *S. aureus* kan via een primaire focus (bv. huidinfectie) in de bloedbaan terechtkomen (bacteriëmie). Dit kan leiden tot sepsis, een levensbedreigende reactie van het immuunsysteem op de infectie [54](#page=54) [55](#page=55). * **Secundaire focus:** Vanuit de bloedbaan kan *S. aureus* zich verspreiden naar diverse organen, waaronder: * **Hart:** Endocarditis (ontsteking van hartkleppen), wat een ernstige complicatie is [57](#page=57) [61](#page=61). * **Longen:** Longontsteking [44](#page=44). * **Botten:** Osteomyelitis (botinfectie). * **Gewrichten:** Septische artritis (gewrichtsontsteking) [55](#page=55). * **Hersenen:** Hersenschade door embolieën of abcessen [56](#page=56). * **Nieren, milt:** [45](#page=45) [56](#page=56). **Diagnostiek:** Beeldvorming zoals een PET-scan kan helpen bij het opsporen van verspreide infecties door het visualiseren van gebieden met hoog metabolisme, zoals abcessen [56](#page=56). ### 1.5 Preventie en Behandeling * **Hygiëne:** Goede handhygiëne is cruciaal om de verspreiding van *S. aureus*, met name in ziekenhuizen, te voorkomen [22](#page=22). * **Vermijden van onnodig antibioticagebruik:** Het beperken van antibioticagebruik helpt de ontwikkeling van resistentie tegen te gaan en de commensale flora te beschermen [24](#page=24). * **Lokaal antimicrobiële middelen:** Gebruik van zalfjes (bv. mupirocine) in de neus kan kolonisatie verminderen [25](#page=25). * **Ontsmettende zeep:** Wassen met ontsmettende zeep kan de bacteriële belasting op de huid verminderen [25](#page=25). * **Chirurgische drainage:** Bij abcessen is het essentieel om het pus te verwijderen en de oorzaak van de infectie aan te pakken [49](#page=49). * **Behandeling van endocarditis:** Vereist vaak langdurige antibiotica en soms chirurgische interventie [57](#page=57) [58](#page=58) [59](#page=59) [60](#page=60) [61](#page=61). > **Tip:** De ontwikkeling van MRSA benadrukt het belang van rationeel antibioticagebruik en strikte infectiepreventieprotocollen, vooral in zorginstellingen. > **Voorbeeld:** Een patiënt met een kleine schaafwond op de elleboog kan *S. aureus* introduceren, wat kan leiden tot een infectie van de onderliggende slijmbeurs (bursitis) en potentieel tot systemische verspreiding. > **Tip:** *S. aureus* kan zichzelf beschermen tegen het immuunsysteem door klontvorming via coagulase, wat een belangrijke virulentiefactor is. > **Voorbeeld:** MRSA is een significant probleem geworden door de snelle resistentieontwikkeling, waardoor infecties die voorheen goed behandelbaar waren, nu veel moeilijker te bestrijden zijn. --- # Infecties door Streptococcus pyogenes Dit gedeelte behandelt Streptococcus pyogenes (groep A streptokokken), hun virulentiemechanismen, het spectrum aan ziekten dat ze veroorzaken, en hun impact op gewrichten en hartkleppen [75](#page=75) [76](#page=76) [77](#page=77). ### 2.1 Karakterisering van Streptococcus pyogenes Streptococcus pyogenes, ook wel groep A streptokokken genoemd, zijn grampositieve kokken die in ketens groeien. Ze worden gekenmerkt door bèta-hemolyse op bloedagarplaten, wat betekent dat ze rode bloedcellen volledig lyseren en een heldere zone rond de kolonies creëren. Identificatie gebeurt via serologische indeling, zoals de Lancefield-groepen, waarbij de bacterie reageert met specifieke antisera. Ze infecteren uitsluitend mensen [77](#page=77) [79](#page=79) [81](#page=81) [82](#page=82) [83](#page=83) [86](#page=86) [89](#page=89). > **Tip:** De combinatie van bèta-hemolyse op bloedagar en de Lancefield-groep A is kenmerkend voor *Streptococcus pyogenes* [86](#page=86). ### 2.2 Virulentiefactoren van Streptococcus pyogenes Streptococcus pyogenes bezit diverse virulentiefactoren die bijdragen aan hun agressiviteit en invasiviteit [96](#page=96) [97](#page=97). * **Celwandonderdelen:** * Een dikke laag hyaluronzuur die fagocytose verhindert [96](#page=96) [97](#page=97). * M-proteïnen: geassocieerd met teichoïnezuren, spelen een rol bij fagocytose, aanhechting en immuniteit. Ze variëren en kunnen worden getypeerd met antilichamen [96](#page=96) [97](#page=97). * T-proteïnen: hun rol is minder duidelijk [96](#page=96) [97](#page=97). * R-proteïnen: worden beschouwd als geen virulentiefactor [96](#page=96) [97](#page=97). * C-koolhydraat: een koolhydraat waarvan de rol onduidelijk is [96](#page=96). * Lipoteichoïnezuur [96](#page=96). * **Extracellulaire producten (toxines en enzymen):** * Erytrogeen toxine: pyrogeen, cytotoxisch en speelt een rol bij inflammatie [98](#page=98). * Streptolysine S en O: lyseren rode bloedcellen, witte bloedcellen en bloedplaatjes van de gastheer [98](#page=98). * NAD-ase: leukotoxisch [98](#page=98). * Streptokinase: helpt bij het afbreken van bloedstolsels [98](#page=98). * Hyaluronidase: breekt hyaluronzuur af [98](#page=98). * Amylase [98](#page=98). * Protease [98](#page=98). * DNase: breekt DNA af [98](#page=98). ### 2.3 Spectrum van ziekten veroorzaakt door Streptococcus pyogenes Streptococcus pyogenes kan een breed scala aan ziekten veroorzaken, variërend van oppervlakkige infecties tot ernstige invasieve aandoeningen [92](#page=92). #### 2.3.1 Suppuratieve (pusvormende) ziekten * **Non-invasieve ziekten:** * Keelontsteking (faryngitis) [92](#page=92). * Sinusitis [92](#page=92). * Oppervlakkige huidinfecties zoals impetigo (krentenbaard): gekenmerkt door oppervlakkige korstjes, jeuk en satellietletsels door verspreiding onder de huid. Deze vereisen meestal lokale behandeling en geen systemische antibiotica [100](#page=100) [99](#page=99). * **Invasieve ziekten:** * Erysipelas (wondroos): infectie van de bovenste huidlaag, gekenmerkt door roodheid, pijn en een scherp afgebakende zone. Kan gepaard gaan met blaarvorming (bulleuze erysipelas) door toxines . * Cellulitis: een diepere infectie van de huid en het onderhuidse vetweefsel, met een minder scherp afgebakende roodheid . * Necrotiserende fasciitis: een ernstige, necrose-veroorzakende ontsteking van de fascie die levensbedreigend kan zijn en onmiddellijke chirurgische interventie vereist. Gekenmerkt door ernstige pijn en mogelijke necrose [75](#page=75) [76](#page=76). * Sepsis: een levensbedreigende bloedbaaninfectie [92](#page=92). * Toxisch shock syndroom (TSS): veroorzaakt door specifieke toxines, gekenmerkt door lage bloeddruk, koorts, duizeligheid en diffuse huiduitslag. Vereist snelle interventie met vochttoediening, zuurstof en antibiotica . #### 2.3.2 Non-suppuratieve (niet-pusvormende) ziekten Deze ziekten ontstaan vaak als een immuunrespons na een infectie, zonder directe pusvorming. * **Acute reumatische koorts:** Een systemische ontsteking die optreedt na een banale infectie met groep A streptokokken, zoals een keelontsteking. Symptomen omvatten koorts, gezwollen gewrichten, inflammatie van hartkleppen (wat kan leiden tot misvorming en verkalking), en neurologische symptomen zoals verwardheid en abnormale bewegingen. De schade aan hartkleppen kan leiden tot hartfalen en de noodzaak voor klepvervanging. Behandeling richt zich op het onderdrukken van de ontsteking en langdurige antibiotica ter preventie van nieuwe infecties. Dit is wereldwijd nog een significant probleem, met name in landen met beperkte toegang tot gezondheidszorg . * **Post-streptokokken glomerulonefritis:** Nierinsufficiëntie die kan optreden na een streptokokkeninfectie [92](#page=92). * **Scarlatina (roodvonk):** Gekenmerkt door koorts en een diffuse huiduitslag, zonder pusvorming [92](#page=92). ### 2.4 Epidemiologie en Impact Groep A streptokokken komen wereldwijd veel voor en verspreiden zich gemakkelijk, vooral onder kinderen en in gezinsverband. Hoewel ze vaak oppervlakkige infecties veroorzaken, kunnen ze leiden tot ernstige, invasieve ziekten die een belangrijke doodsoorzaak vormen. De incidentie van invasieve groep A streptokokkeninfecties kende een significante toename na het opheffen van COVID-19 maatregelen, met een mortaliteit van 5-8% bij kinderen in Europa [93](#page=93) [95](#page=95). ### 2.5 Infecties door Streptococcus agalactiae (Groep B Streptokokken) Streptococcus agalactiae (groep B streptokokken) zijn bèta-hemolytische streptokokken die een ander ziektebeeld veroorzaken dan groep A streptokokken. Ze komen voornamelijk voor in het urogenitale kanaal en kunnen vrouwen koloniseren. Tijdens de bevalling kunnen ze pasgeborenen infecteren, wat kan leiden tot ernstige ziekte bij het kind, zoals sepsis en hersenvliesontsteking. Bij moeders kunnen ze kraambedkoorts, urineweginfecties en nierinfecties veroorzaken. Ze zijn ook aanwezig in de darmflora en kunnen de vagina koloniseren. Interventies om kolonisatie te verminderen omvatten prenatale antibiotica, screening van zwangere vrouwen en onderzoek naar vaccins. De historische inspanningen van Ignaz Semmelweis op het gebied van ziekenhuishygiëne en handhygiëne waren cruciaal in de strijd tegen kraamvrouwenkoorts, destijds vaak veroorzaakt door groep B streptokokken . ### 2.6 Andere Streptokokkeninfecties Streptokokken in het algemeen kunnen ook endocarditis veroorzaken, met name door hun aanwezigheid in de mondflora. Ze kunnen via tandabcessen of zelfs door tandenpoetsen in de bloedbaan terechtkomen en zich op hartkleppen vestigen. Verschillende soorten streptokokken koloniseren specifieke delen van de mond en hebben unieke eigenschappen die bijdragen aan de mondflora . > **Samenvatting van infectietypes:** Streptokokken kunnen oppervlakkige infecties veroorzaken, infecties die leiden tot restletsels (sequelae) zoals acuut reumatisch lijden, en zeer invasieve, gevaarlijke infecties zoals toxisch shock syndroom en sepsis . --- # Zorggerelateerde infecties en specifieke pathogenen Dit onderwerp behandelt de oorsprong en de mechanismen achter zorggerelateerde infecties, met een focus op specifieke pathogenen zoals Enterokokken, Pseudomonas aeruginosa en Cutibacterium acnes, evenals de rol van biofilmen en antibioticaresistentie in ziekenhuisomgevingen. ## 3. Zorggerelateerde infecties en specifieke pathogenen Zorggerelateerde infecties (ZGI's) zijn infecties die ontstaan tijdens een ziekenhuisopname of kort daarna, veroorzaakt door pathogenen die verschillen van die welke community-acquired infecties veroorzaken. Het beheersen van deze infecties vereist een diepgaand begrip van hun oorsprong, de specifieke pathogenen die een rol spelen, en de factoren die hun verspreiding en persistentie in de zorgomgeving bevorderen [2](#page=2). ### 3.1 Oorzaken en mechanismen van zorggerelateerde infecties ZGI's ontstaan wanneer pathogenen de patiënt binnendringen, hetzij vanuit de omgeving, hetzij door de eigen microflora van de patiënt die dominant wordt onder specifieke omstandigheden [23](#page=23). * **Kolonisatie:** Patiënten komen het ziekenhuis binnen met hun eigen microbioom op huid en slijmvliezen. Tijdens opname kunnen ze in contact komen met ziekenhuispathogenen, zoals *S. aureus*, wat kan leiden tot kolonisatie. Dit betekent dat het pathogeen zich vestigt tussen de commensale flora en op bepaalde plaatsen dominant kan worden [23](#page=23). * **Factoren die kolonisatie bevorderen:** * **Antibiotica (AB):** Het gebruik van antibiotica kan de commensale flora, die gevoeliger is voor AB, vernietigen, waardoor pathogenen de kans krijgen om dominant te worden [24](#page=24). * **Invasieve ingrepen:** Chirurgie en andere invasieve procedures creëren breuken in de huid of slijmvliezen, waardoor pathogenen makkelijker het lichaam kunnen binnendringen [24](#page=24). * **Preventieve strategieën:** * **Transmissie verminderen:** Het zo laag mogelijk houden van de overdracht van pathogenen is cruciaal [24](#page=24). * **Antibiotica-gebruik beperken:** Zo weinig mogelijk antibiotica toedienen voorkomt dat pathogenen dominant kunnen worden [24](#page=24). * **Voorzichtigheid met invasieve ingrepen:** Hoe minder invasieve ingrepen, hoe beter [24](#page=24). * **Interventies bij kolonisatie:** * **Lokale antimicrobiële middelen:** Het aanbrengen van lokale antibiotica in zalfvorm (bv. mupirocin) of het wassen met ontsmettende zeep kan kolonisatie in de neus verminderen [25](#page=25). * **Selectieve producten:** Bij langdurige opnames, zoals op de intensive care, kunnen selectieve producten in keel of darmen worden toegediend om kolonisatie te stoppen [25](#page=25). ### 3.2 Specifieke pathogenen #### 3.2.1 Stafylokokken Stafylokokken zijn een belangrijke groep pathogenen, zowel community-acquired als zorggerelateerd. * ***Staphylococcus aureus* (S. aureus):** * Kan methicilline-gevoelig (MSSA) of methicilline-resistent (MRSA) zijn [66](#page=66). * Komt vaak thuis voor, maar kan in ziekenhuizen dominant worden, vooral na antibioticagebruik [23](#page=23). * **Coagulase-negatieve stafylokokken (CNS):** * Minder bekend dan *S. aureus*, veroorzaken geen typische community-acquired infecties, maar wel belangrijke zorggerelateerde infecties en materiaalgerelateerde infecties (bv. rond katheters, pacemakers) [66](#page=66). * *Staphylococcus epidermidis* is de belangrijkste CNS [66](#page=66). * *S. epidermidis* leeft op de huid en kan worden meegenomen als contaminant bij kweken, maar kan ook belangrijk pathogeen worden bij patiënten met vreemd materiaal of immuungecompromitteerden [68](#page=68). * Kan aanhechten op vreemd materiaal en biofilmen vormen [69](#page=69). #### 3.2.2 Clostridium perfringens * **Kenmerken:** Gram-positieve staafjes, anaeroob (kunnen goed overleven zonder zuurstof) fermenteren om energie te produceren . * **Pathogenese:** Veroorzaakt ernstige necrotische schade aan weefsels, met name gasgangreen (koudvuur). De pathogenese is sterk afhankelijk van toxines . * **Ziektebeelden:** * **Gasgangreen:** Necrose van weefsel, gekenmerkt door paarse en zwarte vlekken met roodbruin vocht . * **Cellulitis:** Ontsteking van dieper gelegen delen van het onderhuids bindweefsel . * **Voedselvergiftiging:** Kan ook minder ernstige voedselvergiftiging veroorzaken, met name via enterotoxine . * **Reservoirs:** Komt voor in grond, stof en de darmen van mens en dier . * **Sporenvorming:** Vormt sporen die zeer resistent zijn tegen omgevingsfactoren en lang kunnen overleven, wat infecties vanuit vuil mogelijk maakt . * **Mechanisme:** Bindt aan epitheelcellen en veroorzaakt toxines en enzymen die weefselafbraak en signal cascades veroorzaken, leidend tot celbeschadiging en potentiële bloedbaaninfectie . * **Andere Clostridium-soorten:** Verantwoordelijk voor levensbedreigende ziekten zoals tetanus, botulisme en pseudomembraneuze colitis . #### 3.2.3 Bacillus anthracis (Miltvuur) * **Kenmerken:** Gram-positieve staven, aerobe, vormen ketens, soms beschreven als "jointed bamboo-rod". Spoorvormend . * **Ziektebeelden:** * **Huidantrax:** Minst gevaarlijke vorm, gekenmerkt door een pijnloze, donkere, gezwollen laesie met een necrotische korst . * **Inhalatieantrax:** Ernstiger vorm door het inademen van sporen . * **Gastro-intestinale antrax:** Door inname van besmet materiaal . * **Injectieantrax:** Recent geïdentificeerd bij intraveneus druggebruikers, met name heroïnegebruikers . * **Pathogenese:** Produceert twee hoofdtoxines: * **Oedeemtoxine:** Veroorzaakt zwelling door vasodilatatie en extravasatie . * **Dodentoxine:** Veroorzaakt celdood . * Deze toxines leiden tot huidletsels, oedeem, necrose en bloedingen . * **Reservoirs:** Zieke dieren (vee), sporen verspreiden zich via wind of contact met dierlijke producten (huiden, wol, bloed). Ook van belang in arctische regio's door klimaatveranderingen . * **Bio-terrorisme:** Vanwege het agressieve en sporevormende karakter is *B. anthracis* een pathogeen dat potentieel voor bioterrorisme kan worden misbruikt . #### 3.2.4 Borrelia burgdorferi * **Kenmerken:** Spirochaet, wat betekent dat het spiraalvormig is. Past niet klassiek in de grampositieve of gramnegatieve classificatie en is moeilijk te kweken . * **Overdracht:** Overgedragen door teken naar mensen en dieren. Mensen zijn occasionele gastheren . * **Ziekte:** Verwekker van de ziekte van Lyme . #### 3.2.5 Cutibacterium acnes (voorheen Propionibacterium acnes) * **Kenmerken:** Gram-positieve staafjes, leven op en rond de huid, rond haarfollikels. Worden beschreven als "luie kiemen" en zijn opportunistisch. Traaggroeiend en kunnen anaeroob groeien . * **Pathogeniteit:** Normaal gesproken niet erg pathogeen, maar kunnen huidinfecties veroorzaken en follikels doen openbarsten. Ze kunnen ontstekingen veroorzaken rond vreemd materiaal . * **Belang:** Spelen een belangrijke rol in de ontwikkeling van acne. Talgklieren produceren meer talg door hormonen; *C. acnes* groeit in dit talg, produceert lipasen die triglyceriden omzetten in vrije vetzuren, wat leidt tot ontsteking en puistjes . * **Resistentie:** Resistentie tegen penicilline is belangrijk . * **Infecties:** Kunnen huid- en ooginfecties veroorzaken, maar ook diepere infecties op verschillende plaatsen, met name rond vreemd materiaal . #### 3.2.6 Enterokokken * **Kenmerken:** Darmbacteriën, behoren tot de streptokokkenfamilie. De belangrijkste soorten zijn *Enterococcus faecalis* en *Enterococcus faecium*. *E. faecium* heeft vaker resistentie dan *E. faecalis* en verzamelt meer resistentie-genen . * **Verspreiding:** Komen uit de darmen en kunnen zich verspreiden naar het genitale gebied, wat leidt tot urineweginfecties. Kunnen zich verder verspreiden naar de bloedbaan, wat endocarditis en sepsis kan veroorzaken . * **Resistentie:** Vaak resistent, met name tegen vancomycine (VRE) . * **Mechanisme van vancomycine resistentie:** Enterokokken kunnen vancomycine afbreken of de precursors van de celwand wijzigen, waardoor vancomycine niet meer kan binden. Dit kan gebeuren door kleine mutaties in het DNA. Grote eiwitten die vancomycine afbreken kunnen ook worden doorgegeven via plasmiden . * **Behandeling:** Moeilijk te behandelen, vooral bij vancomycine-resistentie . * **Selectie:** Enterokokken worden geselecteerd bij patiënten die veel antibiotica hebben gekregen of langdurig in het ziekenhuis verblijven . * **Overdracht:** Infecties kunnen via stoelgang en urine in de omgeving terechtkomen, waardoor de omgeving en volgende patiënten gekoloniseerd raken. Sanitair is een groot risico voor de overdracht van enterokokken en hun resistentie . #### 3.2.7 Pseudomonas aeruginosa * **Kenmerken:** Gram-negatieve staafjes. Zeer virulent en resistent. Leven graag in vochtige omgevingen (watersaprofyten). Vaak resistent . * **Ziektebeelden:** * **Zorggerelateerd:** Luchtweginfecties (met name bij mucoviscidose-patiënten) urineweginfecties, oppervlakkige wondinfecties (zoals brandwonden) . * **Niet-zorggerelateerd (maar wel in ziekenhuisomgeving):** Oor-, ooginfecties en endocarditis . * **Mechanismen:** Produceert typische groene pigmenten (pyorubin, pyomelanin, pyocyanin) en een zoete geur. Vormt zeer sterke biofilmen, mede dankzij extracellulaire componenten, wat kolonisatie en moeilijk te verwijderen infecties (bv. in de longen bij mucoviscidose) bevordert . * **Omgeving:** Gekoppeld aan ziekenhuizen, koloniseert vochtige plaatsen zoals kranen, katheters, contactlenzen en bevochtigers . ### 3.3 Rol van biofilmen Biofilmen zijn een belangrijke strategie voor bacteriën om te overleven in een gastheer [69](#page=69). * **Vorming:** Bacteriën hechten zich aan een oppervlak (natuurlijk materiaal of vreemd voorwerp) en vormen een gemeenschap in een 3D-structuur, omhuld met exospolysacchariden (zoals PIA) en andere eiwitten. Dit leidt tot een paddenstoelvormige structuur [69](#page=69) [72](#page=72) [73](#page=73). * **Bescherming:** Een biofilm creëert een beschermde niche waar antibiotica moeilijker kunnen doordringen, voedingsstoffen aanwezig zijn, en de bacteriën minder druk ervaren van temperatuur en andere factoren [70](#page=70). * **Uitwisseling:** De gemeenschap van bacteriën, die niet noodzakelijk monocolturen zijn, kan genetisch materiaal uitwisselen, inclusief resistentie tegen antibiotica [71](#page=71). * **Belang in infecties:** Biofilmen zijn essentieel voor het in stand houden van bacteriële populaties bij veel infecties, vooral geassocieerd met implantaten en katheters. *S. epidermidis* en *P. aeruginosa* zijn voorbeelden van pathogenen die sterk afhankelijk zijn van biofilmvorming [70](#page=70) [74](#page=74). * **Heterogeniteit:** Biofilmen vertonen heterogeniteit, met verschillende bacteriële activiteit op verschillende locaties binnen de biofilm. Ook gastheermateriaal kan in de biofilm worden ingekapseld . ### 3.4 Antibioticaresistentie in ziekenhuisomgevingen Antibioticaresistentie is een cruciaal probleem in zorggerelateerde infecties. * **Mechanismen:** Resistentie kan ontstaan door mutaties in het DNA of door het verwerven van resistentiegenen, vaak op plasmiden, die tussen bacteriën kunnen worden uitgewisseld . * **Selectie:** Langdurig antibioticagebruik en de aanwezigheid van resistente pathogenen zoals enterokokken leiden tot selectie en dominantie van deze resistente stammen . * **Impact:** Resistentie maakt infecties moeilijker te behandelen en verhoogt het risico op ernstige complicaties. De rol van biofilmen bij het versterken van deze resistentie is aanzienlijk [70](#page=70). ### 3.5 Chirurgische wondinfecties (Surgical Site Infections - SSI) * **Oorzaak:** Zorggerelateerde wondinfecties, ofwel Surgical Site Infections (SSI), zijn infecties van operatieve wonden . * **Pathogenen:** Kunnen worden veroorzaakt door diverse bacteriën, soms bacteriën die op zichzelf niet erg agressief zijn, maar in groep wel een infectie kunnen veroorzaken. Gram-negatieve enterobacteriaceae kunnen ook betrokken zijn . --- # Bacteriële classificatie en diagnostiek Deze sectie beschrijft de fundamentele laboratoriumtechnieken en classificatiemethoden die gebruikt worden om bacteriën te identificeren en te onderscheiden, beginnend met basis microscopische technieken en uitbreidend naar biochemische en serologische tests. ### 4.1 Microscopische technieken #### 4.1.1 Gramkleuring De gramkleuring is een essentiële diagnostische techniek die bacteriën op basis van hun celwandstructuur indelt in twee hoofdgroepen: grampositief en gramnegatief [10](#page=10). * **Grampositieve bacteriën:** Deze bacteriën kleuren paars aan bij gramkleuring. Een kenmerk van sommige grampositieve kokken, zoals *Staphylococcus*, is de vorming van trosjes. Dit komt doordat de bacteriën zich delen via een septum dat 90 graden gedraaid wordt ten opzichte van het vorige septum, wat resulteert in een trosvormige structuur. Andere grampositieve bacteriën, zoals bepaalde streptokokken, vormen kettingen doordat het septum 180 graden ten opzichte van elkaar wordt geplaatst tijdens celdeling. *Clostridium*-soorten zijn bijvoorbeeld grampositieve staven die anaeroob zijn en moeilijk te kweken. Aerobe staven kunnen in ketens voorkomen [10](#page=10) [88](#page=88). #### 4.1.2 Andere microscopische methoden Sommige bacteriën, zoals spirochaeten, vallen niet netjes binnen de grampositieve of gramnegatieve classificatie. Aangezien hun aankleuring moeilijk is en ze niet makkelijk te kweken zijn, wordt diagnostiek vaak gebaseerd op andere methoden. Microscopie met tegenlicht kan gebruikt worden om deze bacteriën zichtbaar te maken. Belangrijke spirochaeten zijn *Borrelia* (veroorzaker van de ziekte van Lyme), *Leptospira* (veroorzaker van leptospirose) en *Treponema* (veroorzaker van syfilis) . ### 4.2 Biochemische tests Biochemische tests maken gebruik van enzymatische reacties om bacteriën te identificeren. #### 4.2.1 Katalasetest De katalasetest detecteert de aanwezigheid van het enzym catalase. Dit enzym zet waterstofperoxide ($H_2O_2$), een reactieve zuurstofsoort die door het immuunsysteem wordt geproduceerd, om in zuurstof en water. De vorming van zuurstof kan worden waargenomen als kleine belletjes [9](#page=9). * **Catalase-positieve bacteriën:** Vormen zuurstofbelletjes (bv. *Staphylococcus*) [9](#page=9). * **Catalase-negatieve bacteriën:** Vormen geen zuurstofbelletjes (bv. *Streptococcus*) [9](#page=9). #### 4.2.2 Coagulasetest De coagulasetest is een enzymatische test die de productie van het enzym coagulase door bacteriën aantoont. Coagulase zet fibrinogeen om in fibrine, wat leidt tot klontvorming. Dit enzym draagt bij aan de omkapseling van de bacterie, waardoor deze beter beschermd is [12](#page=12) [28](#page=28). * **Coagulase-positieve bacteriën:** Veroorzaken klontvorming [12](#page=12). * **Coagulase-negatieve bacteriën:** Veroorzaken geen klontvorming. #### 4.2.3 Stafylokinase Naast coagulase, produceren sommige bacteriën ook stafylokinase. Dit enzym is nodig om de gevormde fibrineklonters weer op te lossen, wat essentieel is voor de verspreiding van de bacterie [28](#page=28). #### 4.2.4 Andere enzymen Bacteriën kunnen ook andere enzymen produceren die bijdragen aan hun pathogene potentieel en classificatie, zoals nucleasen, lipasen, hyaluronidase en gelatinase. Deze enzymen helpen bij het afbreken van cellulaire componenten en weefsels, wat invasie en verspreiding vergemakkelijkt [28](#page=28). ### 4.3 Kweektechnieken en serreologische indelingen #### 4.3.1 Kweek op bloedagarplaten Bacteriën kunnen worden gekweekt op verschillende media, zoals bloedagarplaten, om hun eigenschappen te bestuderen [79](#page=79). * **Hemolyse:** Een belangrijke eigenschap die op bloedagarplaten wordt bestudeerd, is hemolyse, de afbraak van rode bloedcellen (RBC). * **Beta-hemolyse:** Resulteert in een heldere zone rond de bacteriekolonies op de plaat, omdat de hemoglobine uit de RBC volledig is afgebroken. Groep A streptokokken vertonen typisch bèta-hemolyse [81](#page=81) [86](#page=86). * **Alfa-hemolyse:** Veroorzaakt een groenachtige verkleuring rond de kolonies door de vorming van methemoglobine. *Streptococcus pneumoniae* vertoont alfa-hemolyse [81](#page=81) [86](#page=86). * **Gamma-hemolyse:** Geen hemolyse waargenomen [81](#page=81). #### 4.3.2 Lancefield-groepen (serologische indeling) De Lancefield-groepen vormen een serologische indeling van streptokokken, gebaseerd op de detectie van specifieke antigenen (polysacchariden op het celoppervlak) met behulp van antilichamen [81](#page=81). * **Precipitatiereactie:** Een precipitatiereactie met een specifiek antiserum kan bepalen tot welke Lancefield-groep een bacterie behoort. Dit is essentieel voor de classificatie, bijvoorbeeld voor *Streptococcus pyogenes* die tot groep A behoort. *Streptococcus pneumoniae* vertoont echter geen precipitatie met verschillende Lancefield-antilichamen [82](#page=82) [86](#page=86). > **Tip:** De combinatie van hemolysetype en Lancefield-groepering biedt een snelle en betrouwbare manier om streptokokken te classificeren in het laboratorium [86](#page=86). ### 4.4 Voorbeelden van bacteriële classificatie * **Staphylococcus:** Grampositief, katalase-positief, vormt trosjes (#page=9, 10). Coagulase-positieve soorten zijn pathogener (#page=12, 28) [10](#page=10) [12](#page=12) [28](#page=28) [9](#page=9). * **Streptococcus:** Grampositief, katalase-negatief, vormt kettingen (#page=9, 88). Kan beta-hemolytisch (bv. groep A, *S. pyogenes*) of alfa-hemolytisch (bv. *S. pneumoniae*) zijn (#page=81, 86) [81](#page=81) [86](#page=86) [88](#page=88) [9](#page=9). * **Clostridium:** Grampositieve staven, anaeroob en moeilijk te kweken . * **Aerobe staven:** Grampositieve staven die in ketens voorkomen . * **Spirochaeten:** Vormen een aparte groep bacteriën (bv. *Borrelia*, *Leptospira*, *Treponema*) die moeilijk te kleuren en te kweken zijn en specifieke diagnostische methoden vereisen (#page=147, 148) . ### 4.5 Klinische relevantie van huidinfecties Veelvoorkomende huidinfecties worden veroorzaakt door *Staphylococcus aureus* en *Streptococcus pyogenes*. *S. aureus* veroorzaakt vaak puistjes, zweren en abcessen, terwijl *S. pyogenes* zich meer oppervlakkig of dieper kan verspreiden, leidend tot cellulitis. Infecties kunnen zich verspreiden vanuit de huid en weke delen naar andere organen. Sommige bacteriën, zoals die geassocieerd met orale flora, kunnen via de bloedbaan endocarditis veroorzaken, bijvoorbeeld door tanden poetsen of tandabcessen [5](#page=5) [6](#page=6). --- ## 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 | |------|------------| | Community acquired infecties | Infecties die buiten een zorginstelling, dus thuis, ontstaan. Ze worden vaak veroorzaakt door pathogenen die deel uitmaken van de normale flora van de mens of die in de omgeving voorkomen. | | Zorggerelateerde infecties | Infecties die ontstaan tijdens of na een verblijf in een zorginstelling, zoals een ziekenhuis. Deze infecties worden vaak veroorzaakt door andere pathogenen dan community acquired infecties en kunnen resistenter zijn tegen antibiotica. | | Weke delen | Dit omvat weefsels zoals huid, onderhuids vetweefsel, spieren en fascia. Infecties in deze gebieden kunnen variëren van oppervlakkig tot diepgaand en ernstig. | | Epidermis | De buitenste laag van de huid, ook wel opperhuid genoemd. Deze laag fungeert als een fysieke barrière tegen pathogenen. | | Dermis | De laag van de huid onder de epidermis, ook wel lederhuid genoemd. Deze laag bevat bloedvaten, zenuwen en haarzakjes. | | Subcutis | Het onderhuidse vet- en bindweefsel dat zich onder de dermis bevindt. Het biedt isolatie en energieopslag. | | Fascia | Een bindweefselvlies dat spieren, organen en andere structuren in het lichaam omhult en scheidt. Diepe infecties kunnen zich door de fascia verspreiden. | | Staphylococcus aureus | Een gram-positieve bacterie die behoort tot de kokken, vaak voorkomend in trossen. Het is een belangrijke veroorzaker van zowel community acquired als zorggerelateerde infecties. | | Streptococcus pyogenes | Een gram-positieve bacterie die tot de kokken behoort en in ketens groeit. Het is een belangrijke veroorzaker van keelontstekingen, huidinfecties en ernstigere invasieve ziekten. | | Katalase | Een enzym dat waterstofperoxide ($H_2O_2$) kan omzetten in zuurstof ($O_2$) en water ($H_2O$). Katalase-positieve bacteriën produceren belletjes wanneer ze worden blootgesteld aan $H_2O_2$, wat helpt bij hun identificatie. | | Gramkleuring | Een differentiële kleurtechniek die bacteriën classificeert op basis van hun celwandstructuur in gram-positief (kleurt paars) of gram-negatief (kleurt roze/rood). | | Coagulase | Een enzym dat door Staphylococcus aureus wordt geproduceerd en fibrinogeen omzet in fibrine. Dit proces leidt tot stolling en helpt de bacterie zich te beschermen. | | Commensale levensstijl | Een levensstijl waarbij een micro-organisme samenleeft met een gastheer zonder deze significant te schaden, en mogelijk voordelen ondervindt van de gastheer. Veel bacteriën, zoals Staphylococcus aureus, kunnen commensalen zijn in bepaalde lichaamsdelen. | | Biofilm | Een georganiseerde gemeenschap van bacteriën die ingebed is in een zelfgeproduceerde extracellulaire matrix. Biofilms bieden bescherming aan de bacteriën tegen het immuunsysteem, antibiotica en omgevingsfactoren. | | MRSA (Methicilline-Resistente Staphylococcus aureus) | Een variant van Staphylococcus aureus die resistent is tegen methicilline en andere bèta-lactam antibiotica. MRSA-infecties zijn vaak moeilijker te behandelen. | | Toxines | Eiwitten geproduceerd door bacteriën die schadelijke effecten kunnen hebben op de gastheer. Ze kunnen celbeschadiging, ontsteking en systemische ziekte veroorzaken. | | Endocarditis | Een ontsteking van de binnenwand van het hart, inclusief de hartkleppen. Staphylococcus aureus is een belangrijke veroorzaker van endocarditis. | | Sepsis | Een levensbedreigende aandoening die ontstaat als reactie op een infectie, waarbij het immuunsysteem van het lichaam een overmatige en schadelijke reactie veroorzaakt die organen kan beschadigen. | | Necrose | Celdood die optreedt als gevolg van schade of infectie. Het kan leiden tot paarse of zwarte vlekken op de huid en weefselversterf. | | Gasgangreen | Een ernstige, necrotische infectie veroorzaakt door anaerobe bacteriën zoals Clostridium perfringens. Kenmerkend is de productie van gas in het geïnfecteerde weefsel. | | Clostridium perfringens | Een gram-positieve, anaërobe bacterie die bekend staat om de productie van toxines die gasgangreen en voedselvergiftiging kunnen veroorzaken. | | Bacillus anthracis | Een gram-positieve, spoorvormende bacterie die miltvuur (anthrax) kan veroorzaken bij zowel mens als dier. Het produceert twee belangrijke toxines: oedeemtoxine en dodentoxine. | | Spirochaeten | Een groep bacteriën die gekenmerkt wordt door een spiraalvormige morfologie. Voorbeelden zijn Borrelia burgdorferi (veroorzaker van de ziekte van Lyme), Treponema pallidum (veroorzaker van syfilis) en Leptospira (veroorzaker van leptospirose). | | Cutibacterium acnes | Een gram-positieve, anaërobe bacterie die deel uitmaakt van de normale huidflora. Het kan opportunistisch huidinfecties veroorzaken, met name bij acne. | | Pseudomonas aeruginosa | Een gram-negatieve bacterie die zeer virulent en resistent is. Het kan diverse infecties veroorzaken, vaak geassocieerd met vochtige omgevingen en zorggerelateerde infecties, vooral bij patiënten met cystische fibrose. | | Enterokokken | Gram-positieve bacteriën die deel uitmaken van de normale darmflora. Ze kunnen urineweginfecties, wondinfecties en endocarditis veroorzaken, en staan bekend om hun resistentie tegen antibiotica. | | Vancomycine-resistentie | Resistente tegen het antibioticum vancomycine. Vancomycine-resistente enterokokken (VRE) zijn een belangrijk probleem in de gezondheidszorg. | | Cellulitis | Een bacteriële infectie van de diepere huidlagen en het onderhuids bindweefsel. Het wordt gekenmerkt door roodheid, zwelling, warmte en pijn. | | Necrotiserende fasciitis | Een ernstige, snel voortschrijdende infectie van de fascies, vaak veroorzaakt door groep A streptokokken. Het kan leiden tot weefselnecrose en levensbedreigende complicaties. | | Acuut gewrichtsreuma | Een auto-immuunziekte die optreedt na een infectie met groep A streptokokken, en die ontstekingen in gewrichten, hartkleppen, huid en hersenen kan veroorzaken. | | Streptococcus agalactiae (Groep B streptokokken) | Gram-positieve bacteriën die deel uitmaken van de normale vaginale flora. Ze kunnen pasgeborenen infecteren tijdens de bevalling en ernstige ziekten veroorzaken bij zowel moeder als kind. |

# Virus classificatie en structuur Dit onderwerp behandelt de indeling van virussen op basis van hun genetisch materiaal, de aanwezigheid van een membraan, en hun specifieke structuren zoals nucleocapsiden en enveloppen, inclusief hun eigenschappen. ### 1.1 Algemene kenmerken van virussen Virussen zijn obligaat intracellulaire parasieten. Ze worden beschouwd als infectieuze deeltjes, maar missen een celstructuur en organellen. De erfelijke informatie van een virus kan bestaan uit dubbelstrengig (ds) of enkelstrengig (ss) DNA of RNA, eventueel in meerdere chromosomen. Een virus bevat altijd eiwitten. Het genetisch materiaal is verpakt in een eiwitmantel, de zogenaamde nucleocapside. Virussen kunnen 'naakt' zijn, wat betekent dat ze alleen uit een nucleocapside bestaan, of ze kunnen een envelop (een membraan) hebben. Tijdens hun levenscyclus kunnen virussen in staat zijn om te wisselen tussen DNA en RNA [2](#page=2) [3](#page=3). ### 1.2 Structuur van een virion Het virion is het infectieuze partikel van een virus [3](#page=3). #### 1.2.1 Naakte virussen Bij naakte virussen bestaat het virion uitsluitend uit de nucleocapside, die het genetisch materiaal, structurele eiwitten en nucleïnezuurbindende eiwitten bevat, eventueel aangevuld met enzymen [3](#page=3). #### 1.2.2 Virussen met een envelop Virussen met een envelop bestaan uit een nucleocapside die omgeven is door een membraan. Dit membraan bevat vaak glycoproteïnen die als receptoren fungeren en kan ook matrixeiwitten bevatten. Het membraan is afkomstig van de gastheercel [3](#page=3). #### 1.2.3 Vergelijking naakt versus enveloppe Een envelop biedt extra bescherming aan het virus. Deze membraan kan fusie met de gastheercel vergemakkelijken, terwijl naakte virussen vaker afhankelijk zijn van fagocytose. Wanneer de envelop zijn membraan verliest, is het virus niet meer infectieus. Envelopte virussen zijn doorgaans fragieler en verliezen sneller hun infectiviteit dan naakte virussen, die langer infectieus blijven. Virussen die chronische infecties veroorzaken, hebben vaak een envelop, terwijl virussen die acute infecties veroorzaken meestal naakt zijn. Een virus met een membraan zou bijvoorbeeld beschadigd kunnen raken door maagzuur, wat de infectiegraad kan verlagen. De envelop kan het virus beter beschermen tegen de immuunrespons van de gastheer [3](#page=3). ### 1.3 Afmetingen van virussen De genoomgrootte van virussen varieert aanzienlijk, van ongeveer 3 kilobasen (kb) tot meer dan 600 kb. RNA-virussen hebben over het algemeen een kleiner genoom dan DNA-virussen. De deeltjesgrootte van virussen ligt typisch tussen 20 nanometer (nm) en 100 nm [4](#page=4). > **Tip:** Door hun kleine afmetingen zijn virussen filtreerbaar, wat betekent dat ze gemakkelijk door filters gaan die bacteriën tegenhouden (bacteriële filters). Dit principe wordt gebruikt bij nanofiltratie om virusvrije eiwitoplossingen uit bloed te verkrijgen, zoals stollingsfactoren (bijvoorbeeld FVIII) [4](#page=4). ### 1.4 Voorbeelden van virusstructuren * **Bacteriofaag T4:** Dit is een type virus dat bacteriën infecteert. Het heeft een duidelijke kop, die het genetisch materiaal bevat, en een staart, die kan samentrekken om het genetisch materiaal in de cel te injecteren [5](#page=5). * **Coronavirus:** Kenmerkend door de kroonachtige structuur van de spike-eiwitten op het oppervlak. * **Influenza:** Dit virus heeft een envelop en bevat zijn genetisch materiaal in segmenten. ### 1.5 Classificatiecriteria De indeling van virussen kan op verschillende criteria gebaseerd zijn, waarbij de aard van het genoom en de aanwezigheid van een membraan medisch het meest relevant zijn. De nummering van deze criteria heeft geen intrinsieke belangrijkheid [6](#page=6). #### 1.5.1 Type genoom * **Dubbelstrengig DNA (dsDNA)** * **Enkelstrengig DNA (ssDNA)** * **Dubbelstrengig RNA (dsRNA)** * **Enkelstrengig RNA (ssRNA)**: * **Positief geconfigureerd (+ssRNA):** Functioneert direct als messenger-RNA (mRNA) [6](#page=6). * **Negatief geconfigureerd (-ssRNA):** Vereist de aanmaak van een complementaire positieve streng om als mRNA te functioneren [6](#page=6). #### 1.5.2 Virussen met intermediaire vormen Er bestaan ook virussen met een DNA- of RNA-intermediair [6](#page=6): * **Enkelstrengig RNA met DNA intermediair** * **Dubbelstrengig DNA met RNA intermediair** #### 1.5.3 Aanwezigheid van een membraan Naast het type genoom is de aanwezigheid van een membraan (envelop) een belangrijk classificatiecriterium vanuit medisch oogpunt [6](#page=6). > **Voorbeeld:** Parvovirus B19 is een voorbeeld van een virus met enkelstrengig DNA en is naakt. --- # Virale levenscyclus De virale levenscyclus beschrijft de opeenvolgende stappen die een virus doorloopt om zich te vermenigvuldigen binnen een gastheercel. ## 2. Virale levenscyclus De virale levenscyclus wordt artificieel opgedeeld in verschillende stappen, die deels simultaan kunnen verlopen, om de cyclus en aangrijpingspunten van antivirale medicatie te begrijpen [12](#page=12). ### 2.1 Adsorptie Adsorptie is de eerste stap waarbij het virus een geschikte gastheercel moet vinden. Dit proces berust op een specifieke interactie tussen een ligand op het virus en een receptor op de cel. De receptor op de cel kan een complex van koolhydraat, proteïne of lipide zijn, vaak gerelateerd aan ionpompen [12](#page=12) [13](#page=13). * **Brede herkenning/expressie:** Sommige virussen, zoals influenza, kunnen zich aan veel celtypes binden omdat hun receptor (bv. Siaalzuur) breed geëxpresseerd wordt [13](#page=13). * **Nauwe herkenning/expressie:** Andere virussen, zoals HIV, infecteren slechts specifieke celtypes omdat hun receptor (bv. CD4 met co-receptoren CCR5 of CXCR4) beperkt tot expressie komt [13](#page=13). De infecteerbaarheid van een cel wordt bepaald door de aanwezigheid van de receptor en kan gemoduleerd worden via mutaties in de receptor of het virale ligand. Antivirale vaccins werken vaak door de structuur van het virus die aan de receptor bindt, te neutraliseren [13](#page=13). > **Tip:** De receptor bepaalt de infecteerbaarheid van een cel en fungeert als een restrictiefactor [13](#page=13). ### 2.2 Penetratie Nadat adsorptie heeft plaatsgevonden, moet het virus de gastheercel binnendringen. Dit kan op verschillende manieren gebeuren [12](#page=12): * **Injectie:** Bacteriofagen injecteren hun genoom direct in de bacteriecel, waarbij het virion buiten blijft [14](#page=14). * **Membraanfusie:** Dierlijke virussen kunnen hun envelop laten fuseren met het celmembraan, waardoor het nucleocapside in het cytoplasma terechtkomt [14](#page=14). * **Fagocytose (endocytose):** Virussen kunnen ook worden opgenomen door de cel via endocytose, waarbij ze in een endosoom terechtkomen [14](#page=14). #### 2.2.1 Penetratie van influenza A virus Influenza A virus gebruikt hemagglutinine (HA) om zich aan sialzuurgroepen op de cel te binden. Het virus komt de cel binnen via fagocytose en belandt in een verzurend endosoom. Verzuring, geïnduceerd door protonen die via het M2-kanaal naar binnen gaan, zorgt voor conformationele veranderingen in HA, waardoor het een fusie-eiwit wordt. Hierdoor fuseert de virale envelop met het membraan van het fagolysosoom en komen de acht RNA-fragmenten in het cytoplasma vrij [15](#page=15). * **Toepassing:** Behandeling met neuraminidase-inhibitoren en M2-kanaalblokkerende medicatie zijn gericht tegen specifieke eiwitten van influenza [15](#page=15). > **Tip:** Het virale neuraminidase (NA) enzyme in de envelop van influenza voorkomt dat virussen aan elkaar blijven kleven [15](#page=15). ### 2.3 Expressie en replicatie van het virale genoom De replicatie en expressie van virale genomen zijn sterk afhankelijk van de aard en organisatie van het genoom wat belangrijke medische implicaties heeft [17](#page=17) [18](#page=18). #### 2.3.1 DNA-virussen dsDNA-virussen hebben een genetische samenstelling die vergelijkbaar is met onze chromosomen en maken vaak gebruik van cellulaire enzymen. Hun genoom komt meestal tot expressie in de celkern, waar het als template dient voor mRNA-afschrijving en DNA-replicatie. Uitzonderingen zijn pokkenvirussen, die ondanks hun dsDNA-genoom in het cytoplasma blijven en eigen enzymen moeten meebrengen [16](#page=16) [17](#page=17) [18](#page=18). #### 2.3.2 RNA-virussen * **ssRNA-positief:** Functioneert direct als mRNA en kan dus direct leiden tot eiwitproductie [16](#page=16) [17](#page=17). * **ssRNA-negatief:** Moet eerst worden overgeschreven in een positief georiënteerd RNA dat als mRNA dient. Dit vereist een RNA-afhankelijk RNA-polymerase, dat in het virion verpakt moet zijn omdat het in menselijke cellen niet beschikbaar is [16](#page=16) [17](#page=17). * **dsRNA:** Moet, net als ssRNA-negatief, eerst worden overgeschreven naar positief georiënteerd RNA dat als mRNA dient [16](#page=16). > **Tip:** De replicatie van RNA-virussen kan leiden tot een grote amplificatie in het aantal kopieën door herhaaldelijk kopiëren [18](#page=18). #### 2.3.3 Retrovirussen (ssRNA retrovirus) Retrovirussen hebben een positief streng genoom dat niet direct functioneert als mRNA. Het genoom wordt getransporteerd naar de kern, waar het met behulp van reverse transcriptase wordt omgezet in een dubbelstrengig DNA (dsDNA). Dit dsDNA wordt vervolgens geïntegreerd in het gastheergenoom. De expressie van dit provirus gebeurt via transcriptie door cellulaire polymerasen [16](#page=16) [17](#page=17) [31](#page=31). * **HIV:** Na fusie van het membraan komt het RNA binnen. Reverse transcriptase zet het RNA om in DNA, wat vaak fouten bevat. Het dsDNA pre-integratiecomplex integreert in het gastheer-DNA via integrase-activiteit. Transcriptie van het provirus gebeurt foutloos met behulp van cellulaire polymerasen, met mogelijkheid tot polyadenylatie en splicing [31](#page=31). #### 2.3.4 Virusspecifieke structuren als antivirale targets Verschillende virusspecifieke structuren kunnen dienen als doelwit voor antivirale medicatie: * DNA in endosoom (ongemethyleerd CpG) als PAMP voor TLR9 [17](#page=17). * ssRNA in endosoom als PAMP voor TLR7 [17](#page=17). * RNA zonder cap in cytoplasma als PAMP voor RIG-I [17](#page=17). * dsRNA (siRNA) in cytoplasma als PAMP voor TLR3 en RIG-I [17](#page=17) [18](#page=18). * DNA uiteinden in de kern die lijken op dsDNA breuken [18](#page=18). ### 2.4 Virion productie Na replicatie van het virale genoom en synthese van virale eiwitten, worden nieuwe virionen geproduceerd [22](#page=22). * **Nucleocapside auto-assembly:** Het virale genoom wordt verpakt in het capsied, wat vaak via auto-assemblage gebeurt [22](#page=22). * **Maturatie:** Dit proces leidt tot de vorming van een infectieus virion [22](#page=22). ### 2.5 Release De vrijstelling van nieuwe virions uit de geïnfecteerde cel kan op twee manieren gebeuren [23](#page=23): * **Lyse:** De cel barst open, waarbij alle virions vrijkomen. Dit leidt tot de dood van de gastheercel. Dit is kenmerkend voor de lytische levenscyclus van bacteriofagen [12](#page=12) [24](#page=24). * **Budding (af'});:** Virions worden afgesnoerd als blaasjes van het celmembraan, waardoor de cel niet direct sterft. Dit proces kan beperkt worden door factoren zoals tetherin, dat virale deeltjes aan het membraan bindt. Virussen gebruiken mechanismen zoals neuraminidase (influenza) of Vpu (HIV) om de binding aan tetherin te omzeilen [12](#page=12) [15](#page=15) [21](#page=21) [23](#page=23). #### 2.5.1 Cel-naar-cel transmissie Een belangrijke overdrachtswijze voor virussen is cel-naar-cel transmissie. Hierbij infecteert een virus de volgende cel direct, waardoor de blootstelling aan het extracellulaire milieu en daarmee aan neutraliserende antilichamen kort of afwezig is [23](#page=23). ### 2.6 Lytische levenscyclus van de bacteriofaag De lytische levenscyclus van bacteriofagen verloopt snel en resulteert in het afsterven van de bacterie. Het virale genoom komt binnen, waarna snelle aanmaak van viruspartikels plaatsvindt en de cel barst. Er bestaat een potentieel gebruik van bacteriofagen als antibiotherapie, maar resistentie kan ontstaan door mutaties in bacteriële receptoren [24](#page=24). #### 2.6.1 Kinetiek van replicatie bij bacteriofagen Bij gesynchroniseerde infectie kan de kinetiek van replicatie en het aantal vrijgelaten partikels per geïnfecteerde cel (burst size) gemeten worden. Bacteriële virussen repliceren sneller dan dierlijke virussen, waarbij de gehele replicatiecyclus binnen een uur kan plaatsvinden. Er kan onderscheid gemaakt worden tussen vroege (enzymen, regulatoren) en late (capside) eiwitten [28](#page=28). > **Voorbeeld:** Een bacteriofaag herkent de cel en injecteert zijn genoom [25](#page=25). ### 2.7 Lysogene levenscyclus van de bacteriofaag Bij de lysogene levenscyclus integreert de faag zich in het genoom van de gastheer en gaat verder als profaag. Dit maakt overdracht naar dochtercellen mogelijk zonder schade aan de gastheercel, omdat de faag wordt mee gekopieerd. Dit mechanisme, transductie, kan leiden tot de overdracht van antibioticaresistentie en toxines. Inductie door antibiotische stress kan de lysogene cyclus doorbreken [26](#page=26). > **Tip:** De lysogene cyclus maakt het mogelijk dat virussen zich repliceren zonder de gastheercel direct te doden [26](#page=26). ### 2.8 Dierlijk virus Dierlijke virussen zijn vaak minder complex dan bacteriofagen omdat ze geen celwand hoeven te penetreren. Hun replicatie verloopt over het algemeen trager, mede door compartimentalisatie (kern-cytoplasma) en de noodzaak van heen-en-weer transport. Voorbeelden zijn herpesvirussen en influenza [29](#page=29). * **Herpesvirussen:** Na penetratie en uncoating gaat het dsDNA genoom naar de kern voor replicatie en expressie. Eiwitten worden naar de kern getransporteerd voor packaging, waarna budding plaatsvindt via het kernmembraan en het cytoplasma [29](#page=29). * **Influenza:** Dit negatief streng RNA virus repliceert echter in de kern [29](#page=29). #### 2.8.1 Replicatie van Hepatitis C virus (HCV) HCV heeft een positief streng RNA genoom dat na release in het cytoplasma wordt vertaald naar één eiwit. Dit eiwit wordt vervolgens gesplitst in structurele en niet-structurele eiwitten. NS5B is het RNA-afhankelijk RNA-polymerase (RdRP) dat negatief streng kopieën aanmaakt, waarop opnieuw positief streng kopieën worden gesynthetiseerd. Replicatie van HCV vindt plaats met behulp van membranen van het endoplasmatisch reticulum [30](#page=30). > **Voorbeeld:** De NS-proteases en polymerase van HCV zijn doelwitten van antivirale medicatie [30](#page=30). ### 2.9 Interferon-gestimuleerde genen (ISG) Interferon-gestimuleerde genen (ISG) worden geïnduceerd door type I en III interferon en omvatten ongeveer 300 genen die gericht zijn op het blokkeren van virusreplicatie. Ze zijn actief tegen zowel RNA- als DNA-virussen. Voorbeelden zijn [21](#page=21): * **IFITM:** Blokkeert virusbinding en loslating uit endosomen [21](#page=21). * **ISG15:** Een ubiquitin-achtig proteïne dat de turnover-tijd van andere proteïnen verkort [21](#page=21). * **Tetherin:** Voorkomt virusloslating van het membraan [21](#page=21). * **cGAS:** Een DNA-sensor die RNA- en DNA-virusreplicatie blokkeert [21](#page=21). * **RNAse L:** Knipt viraal en cellulair RNA [21](#page=21). * **PKR:** Fosforyleert eukaryotische translatie-initiatiefactor EIF2A, waardoor eiwitsynthese stilgelegd wordt [21](#page=21). --- # Interactie van virussen met het immuunsysteem en detectie Dit onderdeel behandelt de immuunrespons tegen virale infecties, met een focus op de detectie van viraal RNA en DNA, de rol van interferon-gestimuleerde genen, en methoden voor virusdetectie zoals plaquevorming. ## 3. Interactie van virussen met het immuunsysteem en detectie ### 3.1 Eigenschappen van virussen en hun relevantie voor het immuunsysteem Virussen kunnen worden onderverdeeld in naakte en omhulde virussen, elk met verschillende eigenschappen die hun interactie met het immuunsysteem en hun verspreidingsvermogen beïnvloeden [7](#page=7) [8](#page=8). #### 3.1.1 Naakte virussen Naakte virussen komen vrij door lyse van de geïnfecteerde cel, die daarbij afsterft. Ze zijn stabiel ten opzichte van temperatuur, zuren, detergenten en uitdroging. Deze eigenschappen resulteren in een gemakkelijke verspreiding, langdurige infectieusheid, overleving in de maag en darmen, en de mogelijkheid dat humorale immuniteit (antilichamen) volstaat voor bescherming, aangezien de geïnfecteerde cellen sowieso afsterven. Antilichamen kunnen de overdracht en verspreiding van het virus effectief tegengaan [7](#page=7). #### 3.1.2 Omhulde virussen Omhulde virussen komen vrij door afsnoering van de geïnfecteerde cel, die niet noodzakelijk sterft. Hun membraan bevat glycoproteïnen, deels viraal en deels cellulair. Ze zijn labiel ten opzichte van temperatuur, zuren, detergenten en uitdroging. Gevolg hiervan is dat ze zich minder gemakkelijk verspreiden (vochtige overdracht nodig), snel niet-infectieus worden bij uitdroging, en geen overleving kennen bij passage door het maag-darmkanaal. Zowel humorale als cellulaire immuniteit zijn nodig, met name de tussenkomst van cytotoxische T-cellen voor eliminatie, aangezien persistentie intracellulair mogelijk is [8](#page=8). > **Toepassing:** Pathogeen-inactivatie van bloedeiwitten zoals factor VIII gebeurt door behandeling met zeep, wat de membranen van omhulde virussen zoals HIV, HCV en HBV beschadigt. Deze methode is niet efficiënt tegen naakte virussen [8](#page=8). ### 3.2 Virusdetectie door het immuunsysteem Het immuunsysteem beschikt over sensoren om viraal RNA en DNA te detecteren [19](#page=19). #### 3.2.1 RNA en DNA sensoren (Pathogen Recognition Receptors - PRRs) Er zijn membranaire en cytoplasmatische receptoren voor zowel RNA als DNA [19](#page=19). * **RNA receptoren:** Membranaire receptoren zoals TLR3, en cytoplasmatische receptoren zoals RIG-I en inflammasomen [19](#page=19). * **DNA receptoren:** Membranaire receptoren zoals TLR9, en cytoplasmatische DNA sensoren en inflammasomen [19](#page=19). Deze sensoren worden geactiveerd door virussen die DNA in het cytoplasma vrijstellen, zoals DNA-virussen. Ook bacteriële infecties en malariaparasieten kunnen leiden tot de vrijstelling van DNA in het cytoplasma. Het onderscheid tussen endogeen en vreemd DNA door deze receptoren is niet altijd duidelijk. Endogeen DNA kan vrijgesteld worden door celdood (damage signal) en kan bij auto-immuunziekten zoals lupus leiden tot anti-DNA responsen en antistoffen [19](#page=19). #### 3.2.2 Interferon response PAMP-receptoren (Pathogen-Associated Molecular Patterns) die door virussen worden herkend, kunnen de productie van interferonen (IFN) triggeren. Interferonen zetten de expressie aan van interferon-gestimuleerde genen (ISG) in dezelfde of andere cellen [20](#page=20). > **Tip:** De detectie van viraal RNA of DNA door PRRs is een cruciale stap in het activeren van de aangeboren immuunrespons, met de productie van interferonen als een centraal gevolg [19](#page=19) [20](#page=20). #### 3.2.3 Interferon-gestimuleerde genen (ISG) ISG worden geïnduceerd door type I en III interferonen en omvatten ongeveer 300 genen. Hun functie is gericht op het blokkeren van virusreplicatie en ze zijn actief tegen zowel RNA- als DNA-virussen [21](#page=21). Voorbeelden van ISG en hun functies: * **Interferon inducible transmembrane proteins (IFITM):** Blokkeren virusbinding en loslating uit het endosoom [21](#page=21). * **ISG15:** Een ubiquitine-achtig proteïne dat zich hecht aan andere proteïnen (ISG-ylation), wat hun turnover-tijd verkort [21](#page=21). * **Tetherin:** Voorkomt virusloslating van het membraan [21](#page=21). * **cGAS (cyclic GMP-AMP synthase):** Een DNA-sensor die virusreplicatie blokkeert [21](#page=21). * **RNAse L:** Knipt viraal en cellulair RNA [21](#page=21). * **PKR (Protein Kinase R):** Fosforyleert de eukaryote translatie-initiatiefactor EIF2A, waardoor eiwitsynthese wordt stilgelegd [21](#page=21). ### 3.3 Aantonen van virussen De detectie van virussen kan op verschillende manieren gebeuren, waarbij plaquevorming een veelgebruikte methode is [32](#page=32). #### 3.3.1 Plaquevorming Plaquevorming wordt gebruikt om virussen aan te tonen, analoog aan de groei van bacteriën op een plaat. Hierbij ontstaan plaques op de kweekbodem door de lyse van geïnfecteerde bacteriën, veroorzaakt door vrijkomende bacteriofagen. Het tellen van deze plaques geeft een indicatie van de hoeveelheid infectieuze viruspartikels [32](#page=32). #### 3.3.2 Titerbepaling De titer van een virus (aantal infectieuze partikels per volume-eenheid) kan worden bepaald door verdunningen te maken. Een hoge titer betekent dat het virus zelfs na veel verdunning nog infectieus is, terwijl een lage titer aangeeft dat het snel niet-infectieus wordt bij verdunning [33](#page=33). > **Terminologie:** Een hoge titer duidt op een grote hoeveelheid infectieuze virusdeeltjes, terwijl een lage titer wijst op een kleine hoeveelheid [33](#page=33). Lyse kan zichtbaar worden gemaakt als cytopathisch effect (CPE) bij dierlijke virussen, wat ook gebruikt kan worden voor titratie. De term 'plaque forming units' (PFU) wordt gebruikt om het aantal infectieuze deeltjes aan te duiden [33](#page=33). --- # Eigenschappen van RNA virussen en hun variabiliteit RNA virussen staan bekend om hun hoge mutatiesnelheid, de vorming van quasispecies, en de implicaties hiervan voor resistentie en diagnostiek [9](#page=9). ### 4.1 Kenmerken van RNA virussen In tegenstelling tot DNA virussen, hebben de meeste RNA virussen geen prototypische sequentie beschikbaar. Hun replicatie is afhankelijk van een viraal gecodeerd RNA-afhankelijk RNA polymerase, wat frequentere fouten bij het overschrijven veroorzaakt. Dit kan een evolutionaire strategie zijn om de variabiliteit te verhogen [9](#page=9). * **Klein genoom:** RNA virussen hebben over het algemeen een klein genoom [9](#page=9). * **Hoge mutatiesnelheid:** Ze muteren makkelijker dan DNA virussen [9](#page=9). * **Variabiliteit:** Dit leidt tot aanzienlijke variabiliteit binnen de viruspopulatie [9](#page=9). #### 4.1.1 Consensussequenties en fylogenetische analyse Hoewel er geen prototypische sequentie is, bestaan er wel consensussequenties. Deze geven de meest frequente base per positie weer. Sommige delen van het genoom zijn echter goed geconserveerd, wat essentieel kan zijn voor de functie van een eiwit (codon), de regulatie van expressie/replicatie, of de opvouwing van het genoom [9](#page=9). Vergelijkingen tussen sequenties met behulp van algoritmes maken het mogelijk om een fylogenetische boom te ontwikkelen. De afstand tussen de takken in deze boom is een maat voor de diversiteit. Dit stelt onderzoekers in staat om species en types te identificeren [9](#page=9). ### 4.2 Quasispecies en hun ontstaan Wanneer een persoon geïnfecteerd raakt met een RNA virus (bijvoorbeeld door seksuele overdracht van HIV), kan de infectie starten met één enkel virusdeeltje dat wordt overgedragen. In eerste instantie lijken alle gevonden sequenties identiek, maar na enkele dagen tot weken worden de eerste varianten al waargenomen [9](#page=9). Hierdoor ontstaat een scala aan verschillende virussen die in het lichaam van de gastheer voorkomen. Deze verzameling van varianten wordt aangeduid als een quasispecies. Hoewel er één dominante sequentie kan zijn, kan deze worden vervangen door een andere, meer succesvolle sequentie, bijvoorbeeld bij het optreden van een immuunrespons of bij het starten van antivirale therapie [9](#page=9). > **Tip:** Begrijpen van het quasispecies-concept is cruciaal voor het ontwikkelen van effectieve antivirale strategieën en het voorspellen van resistentievorming. ### 4.3 Implicaties van variabiliteit De hoge variabiliteit van RNA virussen heeft directe implicaties voor de ontwikkeling van resistentie tegen medicijnen en voor diagnostische methoden. * **Resistentie:** Mutaties kunnen leiden tot resistentie tegen antivirale middelen, waardoor de effectiviteit van medicijnen afneemt [9](#page=9). * **Diagnostiek:** De genetische diversiteit kan de betrouwbaarheid van diagnostische tests beïnvloeden, vooral als deze gericht zijn op specifieke virale sequenties die sterk kunnen variëren [9](#page=9). > **Example:** Bij HIV-infecties kan de constante evolutie van het virus binnen een patiënt leiden tot een quasispecies-populatie die resistentie ontwikkelt tegen de gestart antivirale medicatie, waardoor aanpassing van de therapie noodzakelijk wordt. --- ## 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 | |------|------------| | Bacteriofaag | Een virus dat bacteriën infecteert. Bacteriofagen kunnen lytische of lysogene levenscycli doorlopen en worden onderzocht voor potentiële antibiotherapie. | | Virion | Het complete, infectieuze virusdeeltje dat buiten de cel bestaat. Een virion kan bestaan uit een nucleocapside, en eventueel een envelop. | | Obligaat intracellulaire parasiet | Een organisme dat alleen kan repliceren binnen een levende gastheercel. Virussen zijn obligaat intracellulaire parasieten. | | Nucleocapside | Het deel van een virusdeeltje dat bestaat uit het genetisch materiaal (DNA of RNA) verpakt in een eiwitmantel (capside). | | Enveloppe (virale) | Een buitenste membraanlaag rondom het nucleocapside van sommige virussen, afgeleid van de gastheercelmembraan. Deze envelop kan glycoproteïnen bevatten. | | Fagocytose | Een proces waarbij cellen, zoals macrofagen, grote deeltjes, waaronder virussen, omringen en opnemen in een membraangebonden blaasje (fagosoom). | | Lyse | Het proces waarbij een cel (bijvoorbeeld een bacterie of geïnfecteerde dierlijke cel) barst en afsterft, wat vaak resulteert in de vrijlating van virusdeeltjes. | | Quasispecies | Een populatie van genetisch verwante virusdeeltjes binnen een geïnfecteerd individu, gekenmerkt door hoge genomische variabiliteit als gevolg van frequente mutaties, vooral bij RNA virussen. | | Receptor (viraal) | Een molecuul op het oppervlak van een gastheercel waaraan een virus zich specifiek bindt om infectie te initiëren. Deze binding is cruciaal voor de infecteerbaarheid van de cel. | | Capside | De eiwitmantel die het genetisch materiaal van een virus beschermt. De structuur van de capside kan variëren en is opgebouwd uit subeenheden genaamd capsomeren. | | Endocytose | Een proces waarbij de celmembraan zich om externe deeltjes heen vormt om ze de cel binnen te transporteren in membraangebonden vesikels. | | Lytische levenscyclus | Een viruslevenscyclus die leidt tot snelle replicatie van het virus en uiteindelijk de vernietiging (lyse) van de gastheercel. | | Lysogene levenscyclus | Een viruslevenscyclus waarbij het virale genoom zich integreert in het gastheergenoom en als profaag wordt meegekopieerd bij celdeling, zonder onmiddellijke celdood te veroorzaken. | | PAMP (Pathogen-Associated Molecular Pattern) | Moleculaire structuren die voorkomen op pathogenen (virussen, bacteriën) maar niet op gastheercellen. Deze worden herkend door Pattern Recognition Receptors (PRRs) van het immuunsysteem. | | Interferon-gestimuleerde genen (ISG) | Genen die tot expressie komen onder invloed van interferonen (type I en III). De eiwitten die hieruit worden gevormd, spelen een cruciale rol in de antivirale respons door virusreplicatie te blokkeren. | | Transductie | Het proces waarbij genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere wordt overgebracht via een bacteriofaag. Dit kan leiden tot de overdracht van eigenschappen zoals antibioticaresistentie. |

# Trypanosomatidae: African sleeping sickness This topic focuses on the parasitic protozoa of the family Trypanosomatidae, specifically the *Trypanosoma brucei* subspecies responsible for causing African sleeping sickness, detailing their life cycle, disease manifestation, diagnostic methods, prevention strategies, and treatment options [3](#page=3). ### 1.1 Introduction to Trypanosomatidae The family Trypanosomatidae comprises pathogenic flagellates that can reside in the blood (hemoflagellates) or tissues of humans. All species within this family necessitate an arthropod intermediate host for their life cycle. These organisms exhibit distinct morphologies depending on their location within both the human host and the arthropod vector [3](#page=3). ### 1.2 Trypanosoma brucei and African Sleeping Sickness The genus *Trypanosoma* includes several subspecies relevant to human health. Specifically, *T. brucei rhodesiense* and *T. b. gambiense* are the causative agents of East and West African sleeping sickness, respectively. These parasites are transmitted by the tsetse fly (*Glossina*), with the organisms being injected into humans during a blood meal taken by an infected fly. The characteristic trypanosome form can be observed in human blood smears or within tissues, particularly in lymph nodes and the central nervous system (CNS) during later stages of the disease [4](#page=4). > **Tip:** The geographical distribution of the subspecies influences the presentation and progression of the disease, with *T. b. gambiense* generally leading to a more chronic infection than *T. b. rhodesiense* [10](#page=10) [4](#page=4). ### 1.3 Morphology of Trypanosomes Trypanosomes present in humans and their vectors have distinct forms: * **Trypomastigote form:** This is a slender form, measuring 15-33µm, characterized by a single large nucleus and a long flagellum that runs along the cell body, connected by an undulating membrane. The kinetoplast and kinetosome are typically located at the posterior end of the cell. This is the diagnostic stage found in peripheral blood, lymph nodes, and CNS fluid [12](#page=12) [5](#page=5) [7](#page=7). * **Epimastigote form:** This form, found in the tsetse fly, possesses a shorter flagellum and undulating membrane. The kinetoplast and kinetosome are located closer to the anterior pole. This form multiplies within the fly's gut [5](#page=5) [7](#page=7). > **Tip:** The kinetoplast is a unique organelle found in kinetoplastids, containing mitochondrial DNA [2](#page=2). ### 1.4 Life Cycle The life cycle of *Trypanosoma brucei* involves two hosts: humans and the tsetse fly [7](#page=7). 1. **Infection of Tsetse Fly:** The tsetse fly ingests trypomastigotes when it takes a blood meal from an infected human [7](#page=7). 2. **Replication in Fly:** Inside the fly's gut, the trypomastigotes transform into epimastigotes, which then multiply [7](#page=7). 3. **Migration to Salivary Glands:** The epimastigotes migrate to the fly's salivary glands, where they develop into the infective trypomastigote stage [7](#page=7). 4. **Infection of Human:** When an infected tsetse fly bites a human, it deposits trypomastigotes from its salivary glands into the skin, initiating the infection [7](#page=7). Additionally, transmission can occur through breastfeeding and transplacental routes [7](#page=7). ### 1.5 Stages and Symptoms of African Sleeping Sickness African sleeping sickness progresses in two distinct stages: #### 1.5.1 Haemolymphatic stage (Stage One) This initial stage occurs 1-3 weeks after the tsetse fly bite and involves non-specific, generalized symptoms. Symptoms include enlarged lymph nodes, fever, headache, and joint and muscle pain [12](#page=12) [9](#page=9). #### 1.5.2 Meningoencephalitic stage (Stage Two) This stage develops after the trypanosomes invade the central nervous system (CNS). The progression to this stage differs between the subspecies [9](#page=9): * *T. b. gambiense* infection typically progresses to stage two after an average of 300-500 days [10](#page=10). * *T. b. rhodesiense* infection progresses more rapidly, with an estimated 21-60 days [10](#page=10). Invasion of the CNS leads to a variety of neuropsychiatric manifestations, often accompanied by a decrease in fever. The hallmark symptom is the reversal of the normal sleep/wake cycle, leading to daytime somnolence and nocturnal insomnia, earning it the name "African sleeping sickness." Other neurological and psychological symptoms include [10](#page=10): * **Mental:** Hallucinations, delirium, anxiety, emotional lability, attention deficit, apathy, aggression, mania, and confusion [10](#page=10). * **Motor:** Motor weakness, abnormal tone, gait disturbance, ataxia, tremor, and speech difficulties [10](#page=10). * **Sensory:** Paresthesia, hyperesthesia, anesthesia, pruritus, and visual problems [10](#page=10). * **Neurologic:** Abnormal reflexes, seizures, and coma [10](#page=10). > **Tip:** The distinction between West African Sleeping Sickness (*T. b. gambiense*) and East African Sleeping Sickness (*T. b. rhodesiense*) is crucial for treatment decisions, particularly regarding which medications are most effective [10](#page=10). ### 1.6 Diagnosis Diagnosis of African sleeping sickness involves the examination of biological samples for the presence of trypanosomes [12](#page=12). * **Blood Smears:** A thick blood smear can increase the likelihood of detecting trypanosomes. The trypanosomal form in plasma is the diagnostic stage [12](#page=12). * **Other Samples:** In later stages of infection, trypanosomes may be found in lymph node aspirates or cerebrospinal fluid (CSF) obtained from the CNS [12](#page=12). ### 1.7 Prevention Preventive measures against African sleeping sickness focus on controlling the vector and treating infected individuals [14](#page=14). * **Vector Control:** This includes the application of insecticides, the use of repellents, and the implementation of mosquito nets to avoid tsetse fly bites [14](#page=14). * **Treatment of Infected Individuals:** Prompt diagnosis and treatment of infected persons interrupt transmission cycles [14](#page=14). * **Chemoprophylaxis:** This may be considered for individuals traveling to endemic areas [14](#page=14). * **Reservoir Host Management:** Wild animals serve as reservoir hosts for the parasite, and their management can play a role in prevention [14](#page=14). ### 1.8 Treatment Treatment strategies for African sleeping sickness are divided based on the stage of the disease and the subspecies involved [15](#page=15) [16](#page=16). #### 1.8.1 Stage One Treatments Two primary antimicrobial medications are used for early-stage infections: pentamidine and suramin [15](#page=15). * **Pentamidine:** Primarily used for stage one West African sleeping sickness, administered via injection or intravenously. It is generally well-tolerated but can cause side effects such as hypoglycemia and gastrointestinal upset [15](#page=15). * **Suramin:** Used to treat East African sleeping sickness and administered intravenously. Side effects are common but usually mild and temporary [15](#page=15). * **Fexinidazole:** A newer drug approved in 2019 for West African sleeping sickness, effective for both stage one and early stage two. It is taken orally as a daily pill for 10 days. It is contraindicated in the first trimester of pregnancy and for children under 6 years old. Common side effects include nausea, vomiting, and headache [15](#page=15). #### 1.8.2 Stage Two Treatments For infections that have progressed to the CNS (stage two), three medications are recommended: eflornithine, melarsoprol, and nifurtimox [16](#page=16). * **Eflornithine:** Treats stage two West African sleeping sickness and is administered intravenously four times daily for two weeks. Its demanding administration schedule in rural settings sometimes leads to its combination with nifurtimox for less frequent dosing [16](#page=16). * **Melarsoprol:** The only available treatment for stage two East African sleeping sickness, though it can also treat West African sleeping sickness. It is administered intravenously with a complex dosing regimen and is known for its toxicity, potentially causing severe neurological issues or death in 5-10% of cases [16](#page=16). * **Nifurtimox:** Typically used for American trypanosomiasis, it is sometimes combined with eflornithine for the treatment of West African sleeping sickness [16](#page=16). > **Example:** A patient diagnosed with stage two East African sleeping sickness would require treatment with melarsoprol due to the lack of alternative options for this specific presentation and stage [16](#page=16). --- # Trypanosoma cruzi: Chagas disease Trypanosoma cruzi is the protozoan parasite responsible for Chagas disease, also known as American trypanosomiasis, a significant public health concern in endemic regions [17](#page=17) [19](#page=19). ### 2.1 Forms of Trypanosoma cruzi *T. cruzi* exists in several forms, with specific stages associated with vector development, human infection, and diagnosis [18](#page=18): * **Promastigote and Epimastigote:** These forms develop within the insect vector and can occasionally be found in humans [18](#page=18). * **Trypomastigote:** This is the extracellular, motile stage observed in the blood and tissues of infected humans, measuring 15-30µm and characterized by a larger kinetoplast compared to *T. brucei*. The trypomastigote form found in the feces of the bug is the infective stage for humans. Occasionally, trypomastigotes can be found in blood smears [18](#page=18) [21](#page=21). * **Amastigote:** These are ovoid or spherical intracellular forms, measuring 1.5-4µm, and are typically found in clusters within macrophages and tissues, particularly the heart muscle, where they multiply. The amastigote form is considered the diagnostic stage [18](#page=18) [19](#page=19) [21](#page=21). > **Tip:** Visualizing these forms is crucial for understanding the parasite's life cycle and for diagnostic purposes. The amastigote form in tissue is a key diagnostic indicator, while the trypomastigote in the bug's feces is the infective stage [21](#page=21). > **Example:** Figure shows neonatal rat cardiomyocytes infected with *T. cruzi* trypomastigotes, where actin myofilaments are labeled green, the trypomastigote is labeled red, and nucleic acids are labeled blue [24](#page=24). ### 2.2 Transmission and Pathology of Chagas disease *T. cruzi* is primarily transmitted by blood-sucking triatomine bugs, commonly known as "kissing bugs". The transmission cycle involves the bug ingesting blood containing the trypomastigote form from an infected host. While feeding, the bug defecates near the bite wound, and the infective trypomastigotes in the feces are inadvertently rubbed into the wound or mucous membranes when the bite is scratched [19](#page=19). Besides vector-borne transmission, *T. cruzi* can also be transmitted vertically from mother to child during pregnancy (transplacentally) or through breastfeeding [21](#page=21). Once inside the human host, *T. cruzi* invades cells, particularly macrophages, where it transforms into the amastigote form and multiplies within the tissues. The parasite preferentially targets muscle cells, including those of the heart, esophagus, and colon. This parasitic invasion and subsequent inflammatory response can lead to significant tissue damage and organ dysfunction, resulting in a debilitating condition [19](#page=19). The chronic phase of Chagas disease can manifest as: * Enlarged heart (cardiomegaly), potentially leading to cardiac muscle destruction and heart failure [19](#page=19) [22](#page=22). * Enlargement of the esophagus (megaesophagus) and colon (megacolon) due to neuronal damage and muscle dilation [19](#page=19) [22](#page=22). * Other symptoms may include fever, edema of the eye and face (Romaña's sign), enlargement of the spleen, liver, and lymph nodes, and general weakness [22](#page=22). * Severe cases can be fatal [19](#page=19). ### 2.3 Diagnosis of Chagas disease Diagnosis of Chagas disease relies on identifying the parasite or detecting the host's immune response to the infection [21](#page=21) [22](#page=22): * **Microscopic Examination:** * **Blood Smear:** Examining blood for the presence of trypanosomes. Thick blood smears are recommended to increase the chances of diagnosis [22](#page=22). * **Tissue Biopsy:** Identifying amastigotes within tissue samples, such as heart muscle biopsies, is a definitive diagnostic method for the chronic phase [21](#page=21). * **Xenodiagnosis:** This involves allowing uninfected laboratory-reared bugs to feed on the patient's blood. The feces of these bugs are then examined for the presence of *T. cruzi* trypomastigotes, indicating a successful infection from the patient's blood [22](#page=22). * **Serological Tests:** Antibody detection methods, such as indirect hemagglutination antibody tests, are commonly used to diagnose chronic Chagas disease by identifying antibodies produced by the patient against the parasite [22](#page=22). ### 2.4 Geographical Distribution Chagas disease is endemic in Mexico, Central America, and South America [22](#page=22). ### 2.5 Prevention and Treatment Preventing Chagas disease involves a multi-pronged approach targeting vectors, infected individuals, and potential transmission routes [27](#page=27): * **Vector Control:** * Application of insecticides to eliminate domestic and peridomestic bug populations. * Use of repellents and insecticide-treated bed nets to reduce vector exposure. * **Treatment of Infected Individuals:** Identifying and treating infected individuals can help reduce the parasite reservoir and prevent transmission. * **Chemoprophylaxis:** This may be considered for individuals traveling to endemic areas, although its widespread implementation is challenging [27](#page=27). * **Reservoir Host Management:** The presence of wild animals as reservoir hosts for *T. cruzi* makes complete eradication of the parasite difficult [27](#page=27). **Chagas disease treatment** is primarily focused on antiparasitic chemotherapy, although treatment options have limitations [28](#page=28): * **Effective Drugs:** Benznidazole and nifurtimox are two drugs known to be effective against *T. cruzi* [28](#page=28). * **Drug Approval and Toxicity:** Benznidazole is approved by the Food and Drug Administration (FDA) in some regions. However, both drugs can cause significant toxicity [28](#page=28). * **Efficacy:** If administered early in the course of the infection, these drugs can be nearly 100 percent effective in treating Chagas disease [28](#page=28). > **Tip:** Early diagnosis and treatment are crucial for maximizing the effectiveness of antiparasitic drugs and preventing the development of severe chronic complications of Chagas disease. --- # Leishmania complex: Leishmaniasis This section details the Leishmania complex, focusing on pathogenic species, their life cycle, diagnostic methods, clinical presentations, and geographical distribution. ### 3.1 Pathogenic species of Leishmania The genus Leishmania comprises three primary pathogenic species that cause leishmaniasis in humans [29](#page=29). * **L. tropica:** Primarily causes cutaneous leishmaniasis [33](#page=33). * **L. braziliensis:** Responsible for mucocutaneous leishmaniasis [33](#page=33). * **L. donovani:** Leads to visceral leishmaniasis [33](#page=33). ### 3.2 Transmission and life cycle All Leishmania species are transmitted by sand flies of the genera *Phlebotomus* and *Lutzomyia*, which act as intermediate hosts. Wild and domestic animals can serve as reservoir hosts and carriers [29](#page=29) [30](#page=30). #### 3.2.1 Morphological forms * **Amastigote:** Ovoid or spherical with a rod-like kinetoplast, typically found in human hosts. These forms reside within macrophages [30](#page=30) [32](#page=32). * **Promastigote:** Slender in shape, possessing a kinetoplast and kinetosome at the anterior end, with a single free flagellum. This form is found in the insect vector [30](#page=30). #### 3.2.2 Life cycle stages 1. An infected sand fly bites a human, regurgitating promastigotes into the wound site [32](#page=32). 2. Promastigotes invade host tissues and transform into amastigotes [32](#page=32). 3. Amastigotes enter and multiply within macrophages [32](#page=32). 4. The diagnostic stage is the amastigote found within macrophages. *L. tropica* and *L. braziliensis* primarily invade skin-lesion macrophages, while *L. donovani* also infects macrophages in the bone marrow, liver, and spleen [32](#page=32). 5. A biting sand fly ingests infected macrophages containing amastigotes [32](#page=32). 6. Within the vector's gut, amastigotes transform into promastigotes [32](#page=32). 7. Promastigotes multiply in the vector's gut and develop into the infective stage [32](#page=32). ### 3.3 Diagnosis Diagnosis of leishmaniasis relies on identifying the amastigote stage, with the location of recovery varying by species [33](#page=33). * **L. tropica:** Recovery of amastigotes in macrophages of skin lesions [33](#page=33). * **L. braziliensis:** Recovery of amastigotes at the periphery of the lesion [33](#page=33). * **L. donovani:** Recovery of amastigotes in early skin lesions, and later in the spleen, lymph nodes, bone marrow, and liver [33](#page=33). > **Tip:** In certain clinical cases, diagnostic material can be collected from ulcers using impression preparations (placing a glass slide on the wet content) or smears of scrapings from the lesion's border. Staining with Giemsa's dye allows for visualization of amastigotes, characterized by a nucleus and a kinetoplast. While morphological features can suggest Leishmania, definitive species identification may require cultivation and DNA analysis [100](#page=100) . ### 3.4 Disease manifestations The clinical presentation of leishmaniasis differs significantly based on the infecting species, leading to distinct disease names [33](#page=33). * **L. tropica:** * **Disease name:** Cutaneous leishmaniasis, oriental sore, Baghdad boil [33](#page=33). * **Manifestation:** An ulcerated lesion on the body, often with pus. Typically self-healing [34](#page=34). * **Geographical distribution:** Mediterranean area, Asia, Africa, and Central America [34](#page=34). * **L. braziliensis:** * **Disease name:** Mucocutaneous leishmaniasis, uta, espundia [33](#page=33). * **Manifestation:** A red, itchy ulcer that is initially self-healing. Chronic mucosal ulceration can lead to disfigurement of the nose and ears years later [34](#page=34). * **Geographical distribution:** Central and South America [34](#page=34). * **L. donovani:** * **Disease name:** Visceral leishmaniasis, kala-azar, Dumdum fever [33](#page=33). * **Manifestation:** An initial ulcer at the bite site, followed by systemic symptoms including malarial-like spiking chills and fever, sweating, diarrhea, dysentery, and enlargement of the spleen and liver (splenomegaly and hepatomegaly). This form can be fatal if left untreated [34](#page=34). * **Geographical distribution:** East Africa, Asia, Mediterranean area, and South America [34](#page=34). > **Example:** A patient presenting with a non-healing ulceration on the hand, which began after a trip to Egypt and the Middle East, could be a case of cutaneous leishmaniasis. The ulcer's characteristics (flat, red border, bunded, wet center with scabs) and lack of response to initial topical treatments are suggestive [99](#page=99). ### 3.5 Treatment and Prevention #### 3.5.1 Treatment Information on specific treatments is limited in the provided pages, with a section simply titled "Leishmaniasis treatment". However, the general approach to managing leishmaniasis involves addressing infected individuals [42](#page=42). #### 3.5.2 Prevention Preventive measures against leishmaniasis target vector control and protecting individuals from bites [40](#page=40). * **Elimination of vectors:** Efforts to reduce or eradicate sand fly populations [40](#page=40). * **Treatment of infected individuals:** Reducing the reservoir of infection by treating infected persons [40](#page=40). * **Repellents and nets:** Using personal protective measures such as repellents and bed nets against sand flies [40](#page=40). --- **Summary of species and their primary disease:** | Species | Primary Disease | Key Manifestation(s) | Geographical Distribution | | :----------------- | :------------------------------------------------ | :------------------------------------------------------------------- | :------------------------------------------------------- | | *L. tropica* | Cutaneous leishmaniasis | Ulcerated lesion, self-healing | Mediterranean, Asia, Africa, Central America | | *L. braziliensis* | Mucocutaneous leishmaniasis | Red, itchy ulcer; later mucosal erosion (nose, ear) | Central and South America | | *L. donovani* | Visceral leishmaniasis (Kala-azar) | Systemic: fever, hepatosplenomegaly; potential fatality if untreated | East Africa, Asia, Mediterranean, South America | --- # Plasmodium: Malaria Malaria is a life-threatening disease caused by Plasmodium parasites transmitted through the bites of infected Anopheles mosquitoes [44](#page=44). ### 4.1 Overview of Plasmodium and Malaria Malaria is caused by blood parasites belonging to the genus *Plasmodium*. While there are approximately 156 named species of *Plasmodium* that infect various vertebrates, four species were traditionally known to infect humans: *P. falciparum*, *P. vivax*, *P. ovale*, and *P. malariae*. Recently, genetic methods have revealed that *P. ovale* consists of two subspecies: *P. ovale curtisi* and *P. ovale wallikeri*. A new species, *Plasmodium knowlesi*, a primate malaria parasite common in Southeast Asia, has also been identified and can infect humans, although it typically infects long-tailed macaques [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46). Malaria primarily occurs in tropical, subtropical, and temperate climate regions, though it can emerge around airports in Europe due to population movements. Globally, an estimated 300-500 million people are infected annually, with 1.5-3 million deaths. Malaria, along with AIDS and tuberculosis, is considered one of the most significant diseases worldwide, with over 45% of the global population living in malaria risk areas. Africa accounts for the majority of malaria cases, with one child dying every 30 seconds in Africa due to the disease [47](#page=47) [48](#page=48). The geographic distribution of malaria is influenced by environmental conditions that support parasite multiplication in the vector, typically tropical and subtropical areas. Climatic changes, particularly global warming, and population movements can alter this distribution. *P. falciparum* is the predominant species globally. *P. ovale* is more prevalent in Sub-Saharan Africa, while *P. vivax* is found in other regions. Distinguishing *P. ovale* and *P. vivax* solely on morphological characteristics can be challenging, often requiring molecular tools for accurate identification and distribution mapping. *P. malariae* has a widespread distribution across South America, Asia, and Africa [48](#page=48). Late, incorrect, or missed diagnoses are highly alarming and contribute to significant mortality [49](#page=49). #### 4.1.1 Life cycle of Plasmodium The life cycle of Plasmodium involves both a mosquito definitive host and a human intermediate host [44](#page=44). 1. **Infection of Mosquito:** An *Anopheles* mosquito bites a human and ingests male micro- and female macro-gametes from the blood [50](#page=50). 2. **Gametogenesis and Fertilization:** In the mosquito's gut, the male gametocyte fertilizes the female gamete, forming a zygote [50](#page=50). 3. **Ookinete Development:** The zygote develops into an ookinete, which moves outside the stomach wall [50](#page=50). 4. **Oocyst and Sporozoite Formation:** The ookinete develops into an oocyst, which then forms numerous sporozoites [50](#page=50). 5. **Migration to Salivary Glands:** These sporozoites migrate to the mosquito's salivary glands, representing the infective stage [50](#page=50). 6. **Infection of Human:** When the infected mosquito bites another human, it injects the sporozoites through its saliva, thus infecting the human [50](#page=50). #### 4.1.2 Stages in the Human Host Within the human host, the Plasmodium life cycle has two main phases: * **Exoerythrocytic Phase (in liver):** * Each sporozoite penetrates a liver cell [52](#page=52). * Within the liver cell, asexual multiplication occurs, leading to the formation of merozoites [52](#page=52). * **Erythrocytic Phase (in blood):** * Merozoites are released from the liver cells and invade red blood cells (RBCs) [52](#page=52). * Inside the RBC, the parasite develops into a trophozoite [52](#page=52). * The trophozoite matures into a schizont, which contains multiple merozoites [52](#page=52). * The schizont ruptures, releasing merozoites, each of which invades a new RBC [52](#page=52). * This asexual multiplication is called schizogony [44](#page=44). * Some merozoites develop into gametes (male microgametocytes and female macrogametes) which are then taken up by the mosquito to complete the cycle [52](#page=52). > **Tip:** The exoerythrocytic phase occurs in the liver and is not directly detectable in peripheral blood, but it is crucial for establishing the infection and can lead to relapses in certain species due to the presence of hypnozoites [52](#page=52) [54](#page=54). ### 4.2 Diagnostic Stages and Symptoms Identifying Plasmodium species is crucial for diagnosis and treatment [65](#page=65). #### 4.2.1 Morphological Diagnostic Stages Different Plasmodium species have characteristic morphological features in infected red blood cells: * **P. falciparum:** * **Trophozoites:** Typically appear as small ring forms, often with more than one ring per RBC, and may have double chromatin dots [53](#page=53) [93](#page=93). * **Gametocytes:** Crescent-shaped [53](#page=53). * **Schizonts:** Not usually seen in peripheral blood due to sequestration of mature forms in capillaries of internal organs [53](#page=53). * **Maurer's clefts:** Membranous vesicles that can be seen in infected RBCs [61](#page=61). * **P. vivax:** * **Trophozoites:** Large, irregular ring forms, and infected RBCs are enlarged and may exhibit Schüffner's dots [53](#page=53) [92](#page=92). * **Schizonts:** Contain 12-24 merozoites [53](#page=53). * **Gametocytes:** Round [53](#page=53). * **Schüffner's dots:** Small, red dots visible in infected RBCs under a light microscope, caused by tiny caveolae [60](#page=60). * **P. ovale:** * Similar to *P. vivax*, infected RBCs are enlarged and often oval-shaped with fimbriated edges. * Also exhibits Schüffner's dots [60](#page=60). * **P. malariae:** * Trophozoites are compact and may form band-like shapes across the RBC. * Schizonts typically contain 6-12 merozoites arranged in a rosette pattern. * Infected RBCs are not enlarged. > **Tip:** The presence of Schüffner's dots helps distinguish *P. vivax* and *P. ovale* infections from *P. falciparum*. Maurer's clefts are indicative of *P. falciparum* infection [60](#page=60) [61](#page=61). #### 4.2.2 Symptoms and Clinical Presentation Malaria symptoms can be non-specific and easily missed, leading to delayed diagnosis and potentially fatal outcomes. Key symptoms include fever and chills, headache, myalgia (muscle aches), arthralgia (joint pain), weakness, vomiting, diarrhea, anemia, and spleen enlargement. Patients may experience paroxysms of fever [53](#page=53) [56](#page=56). The clinical presentation varies depending on the infecting species, parasitemia level, and the patient's immune status [57](#page=57). * **P. vivax:** Paroxysms of fever typically occur every 48 hours (tertian malaria), characterized by a cold phase (chills), a hot phase (fever, headache, vomiting, convulsions), and a recovery phase. Relapses can occur years after the initial infection due to the presence of hypnozoites (dormant forms) in liver cells. Complications include splenomegaly, and rarely, splenic rupture [53](#page=53) [54](#page=54) [57](#page=57). * **P. falciparum:** Paroxysms are less regular, and patients often feel unwell between fever spikes. This is the most virulent species, capable of causing high parasitemia (over 65% infected RBCs). Infected RBCs tend to adhere to capillary walls, leading to obstruction of blood flow. Severe complications can arise rapidly, including cerebral malaria (central nervous system involvement), acute renal failure, severe anemia, and adult respiratory distress syndrome. Bloody urine, massive hemolysis, and brain damage from RBC clumping can lead to rapid death [54](#page=54) [56](#page=56) [57](#page=57). * **P. malariae:** Associated with quartan malaria, characterized by fever cycles every 72 hours. Complications include nephrotic syndrome [53](#page=53) [57](#page=57). * **P. ovale:** Causes ovale malaria with fever cycles typically every 48 hours [53](#page=53). > **Tip:** Always consider malaria in patients with a history of exposure, especially if they present with fever, as untreated infections can progress rapidly to severe, fatal forms [56](#page=56). #### 4.2.3 Pathological Byproducts * **Hemozoin:** Plasmodium parasites degrade hemoglobin to obtain nutrients, releasing heme molecules. Free heme is toxic to the parasite, so it is converted into an insoluble biocrystal called hemozoin. Hemozoin, a dark brown pigment, is visible in the parasite's food vacuole and later accumulates in organs like the spleen and liver. The formation of hemozoin is a target for some antimalarial drugs, such as chloroquine [59](#page=59). ### 4.3 Diagnosis of Malaria Diagnosis primarily relies on demonstrating the presence of Plasmodium parasites (trophozoites, schizonts, or gametocytes) in peripheral blood smears. Blood is ideally drawn when a paroxysm begins (during chills or fever) as parasite numbers are highest at this time [65](#page=65). * **Microscopy:** Microscopic examination of Giemsa-stained thin and thick blood smears is the gold standard for diagnosis and species identification. Morphological features of the parasites and infected blood cells are used to identify the species . * **Molecular Techniques:** Molecular diagnostic techniques, such as PCR, can complement microscopy, especially for accurate species identification, which can be challenging microscopically [65](#page=65). * **Immunologic/Biochemical Tests:** Antibody detection can indicate past infections but not necessarily active ones. Immunologic or biochemical detection of malaria parasite products are also available and under evaluation. Malaria antigen tests can confirm malaria, and some can indicate the presence of *P. falciparum*, though they may not rule out other species [65](#page=65). > **Example:** A microscopic examination of a blood smear on day 2 showed 1% RBC invasion, while on day 7, invasion increased to 32%. Diagnosis of *Plasmodium falciparum* was made based on morphological features and this progression. In another case, enlarged RBCs with Schüffner’s dots indicated *Plasmodium vivax* . ### 4.4 Prevention and Treatment #### 4.4.1 Prevention Strategies Prevention strategies focus on vector control and chemoprophylaxis: * **Vector Control:** * Elimination of *Anopheles* mosquitoes [67](#page=67). * Introduction of fish that consume mosquito larvae in water bodies [67](#page=67). * Use of insecticide-treated mosquito nets and repellents [67](#page=67). * **Medical Interventions:** * Treatment of infected individuals to reduce the reservoir of parasites [67](#page=67). * Chemoprophylaxis (preventive medication), although its effectiveness is limited by the emergence of drug-resistant strains [67](#page=67). #### 4.4.2 Antimalarial Vaccines The RTS,S/Mosquirix™ vaccine is an antimalarial vaccine designed to combat *P. falciparum*. RTS,S stands for a combination of *P. falciparum* circumsporozoite protein (CSP) central repeating regions (R), T-cell epitopes (T), and hepatitis B surface antigen (S). Its aim is to stimulate the body's immune system to prevent *P. falciparum* from infecting, maturing, and multiplying in the liver, thereby stopping it from re-entering the bloodstream and infecting red blood cells. The vaccine is primarily administered to children aged 5-9 months in regions of Africa with moderate to high parasite transmission. Developed in 1987, its efficacy was established in a phase 3 trial in 2014 [66](#page=66). #### 4.4.3 Treatment Treatment of malaria is crucial to prevent severe disease and death [68](#page=68). > **Example:** A patient with a positive malaria antigen test showing *P. falciparum* developed severe anemia and acute renal failure despite pharmacological treatment and died 11 days after symptom onset, highlighting the severe potential of *P. falciparum* infections. Another patient who traveled to Pakistan and used chemoprophylaxis developed a high fever 9 months later. Microscopic examination revealed enlarged RBCs with Schüffner’s dots, leading to a diagnosis of *Plasmodium vivax* . --- # Babesia: Babesiosis Babesiosis is a malaria-like disease caused by the eukaryotic parasite *Babesia*, a member of the phylum Apicomplexa, with human infections occurring primarily in temperate regions [69](#page=69). ### 5.1 Overview of Babesiosis Babesiosis is characterized as a disease resembling malaria, caused by infection with the parasite *Babesia*. The disease is most prevalent in the Northeastern and Midwestern United States and parts of Europe, with sporadic occurrences globally, particularly during warmer months [69](#page=69). ### 5.2 Transmission Modes Humans can contract babesiosis through several routes: * **Tick bites:** This is the primary mode of transmission for the human strain of babesiosis, often leading to co-infection with other tick-borne illnesses such as Lyme disease [69](#page=69). * **Blood transfusions:** Transmission via infected blood products is not uncommon and is a significant concern, especially for vulnerable individuals [69](#page=69) [72](#page=72). * **Congenital transmission:** An infected mother can transmit the parasite to her baby [69](#page=69). ### 5.3 Human Hosts and Pathogen Diversity Humans are generally considered a dead-end host for *Babesia* species, making conventional transmission from person to person unlikely. However, *Babesia* parasites are highly diverse, with over 100 known species. Four clades of *Babesia* species are known to infect humans [70](#page=70) [72](#page=72) [73](#page=73): * **Small *Babesia* (<3 µm):** * *B. microti* * *B. duncani* * **Large *Babesia* (>3 µm):** * *B. divergens* (primarily a cattle parasite observed in Europe) * *B. venatorum* (formerly known as EU1, a roe deer parasite, closely related to the large *Babesia* clade) The K01 strain, isolated in South Korea, also belongs to the large *Babesia* clade and can infect ungulates. Knowledge regarding specific pathogenic mechanisms in humans is limited due to the relative rarity of human cases [70](#page=70) [72](#page=72). ### 5.4 Geographic Distribution The worldwide distribution of *Babesia* species is closely tied to the geographical range of their competent *Ixodes* tick vectors [73](#page=73). ### 5.5 Prevention Strategies Preventing babesiosis largely focuses on minimizing tick exposure [76](#page=76): * **Avoidance:** Stay away from heavily wooded and grassy areas during peak tick activity seasons, typically from May to September [76](#page=76). * **Protective Clothing:** Wear long pants and long-sleeved shirts, tucking shirts into pants to prevent ticks from accessing the skin [76](#page=76). * **Repellents:** * **Permethrin:** Can be applied to clothing for a repellent effect on ticks, but should not be applied directly to skin [76](#page=76). * **DEET (N,N-Diethyl-meta-toluamide):** Based insect repellents offer some degree of tick repellency [76](#page=76). * **Tick Checks:** Since tick bites require at least 24 hours of attachment for transmission, thorough daily inspection of the body surface for ticks is crucial after activities with high tick exposure risk [76](#page=76). > **Tip:** Due to the potential for co-infection, if you present with symptoms after a tick bite in an endemic area, it is important to inform your healthcare provider about the possibility of both Lyme disease and babesiosis [69](#page=69). > **Example:** An individual spending time hiking in the woods during the summer months in the northeastern United States is at a higher risk of encountering ticks carrying *Babesia microti*, the most common species causing babesiosis in that region [69](#page=69). --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Trypomastigote | A developmental stage of trypanosomes characterized by a free-moving, elongated body with a kinetoplast at the posterior end and a flagellum running along an undulating membrane. This is often the diagnostic stage in blood smears. | | Epimastigote | A developmental stage of trypanosomes found in the insect vector, where the kinetoplast is located near the anterior end, and the flagellum is attached along a short undulating membrane. | | Promastigote | A developmental stage of trypanosomes and leishmania, characterized by a slender body with the kinetoplast and kinetosome at the anterior end, from which a single free flagellum emerges. This is the infective stage for Leishmania. | | Amastigote | A small, ovoid or spherical intracellular stage of trypanosomes and leishmania, typically found within host cells like macrophages. It is often a diagnostic stage within tissues. | | Kinetoplast | A dense granule containing mitochondrial DNA, located at the base of the flagellum in trypanosomatids. It is a characteristic feature of these protozoan parasites. | | Hemoflagellate | Protozoan parasites that have a flagellum and live in the blood or other tissues of vertebrates. Trypanosomes are a common example. | | Intermediate host | An organism that harbors the larval or asexual stage of a parasite. For trypanosomes and leishmania, arthropods like tsetse flies and sand flies often serve as intermediate hosts. | | Central Nervous System (CNS) | The part of the nervous system comprising the brain and spinal cord. Invasion of the CNS by trypanosomes leads to severe neurological symptoms in African sleeping sickness. | | Haemolymphatic stage | The initial stage of African sleeping sickness where the trypanosomes multiply in the blood and lymphatic system, causing generalized, non-specific symptoms. | | Meningoencephalitic stage | The later stage of African sleeping sickness, occurring after trypanosomes invade the central nervous system, leading to severe neurological and neuropsychiatric manifestations. | | Tsetse fly | A biting fly found in sub-Saharan Africa that transmits trypanosomes, the causative agents of African sleeping sickness, to humans and animals. | | Glossina | The genus name for the tsetse fly. | | Vector | An organism, typically an arthropod, that transmits a pathogen from one host to another. | | Chemoprophylaxy | The administration of drugs to prevent disease, often used for infectious diseases like malaria or during travel to endemic areas. | | Xenodiagnosis | A diagnostic method used to detect parasites, such as Trypanosoma cruzi, by allowing uninfected vectors (e.g., bugs) to feed on a patient and then examining the vector's feces for the presence of the parasite. | | Indirect hemagglutination | A serological test used to detect antibodies in a patient's serum, often employed in the diagnosis of parasitic infections like Chagas disease. | | Sand fly | Small biting flies belonging to the genera Phlebotomus and Lutzomyia, which are vectors for Leishmania parasites causing leishmaniasis. | | Viscera | The internal organs of the body, especially those in the abdomen. Visceral leishmaniasis affects these organs. | | Cutaneous leishmaniasis | A form of leishmaniasis that primarily affects the skin, causing ulcerated lesions. | | Mucocutaneous leishmaniasis | A form of leishmaniasis that affects the mucous membranes of the nose, mouth, and throat, often leading to severe disfigurement. | | Visceral leishmaniasis | A severe form of leishmaniasis, also known as kala-azar, that affects internal organs like the spleen, liver, and bone marrow. | | Oriental sore | A common name for cutaneous leishmaniasis caused by Leishmania tropica, characterized by ulcerated skin lesions. | | Baghdad boil | Another common name for cutaneous leishmaniasis, particularly in the Middle East. | | Uta | A term for cutaneous leishmaniasis, especially in South America. | | Espundia | A term for mucocutaneous leishmaniasis, particularly in South America. | | Kala-azar | A common name for visceral leishmaniasis, characterized by fever, weight loss, and enlargement of the spleen and liver. | | Dumdum fever | An older term for visceral leishmaniasis. | | Schizogony | An asexual process of reproduction in protozoa, particularly Plasmodium, where the nucleus divides multiple times before the cytoplasm divides, resulting in merozoites. This occurs in the intermediate host. | | Sporozoites | The motile, elongated infective stage of Plasmodium that is transmitted to humans by the bite of an infected Anopheles mosquito. | | Merozoites | The infectious cells produced by the schizogony of Plasmodium, which invade red blood cells in humans. | | Trophozoite | The actively growing and feeding stage of a protozoan parasite, such as Plasmodium, within a host cell. | | Schizont | A mature schizont containing merozoites, which is formed during the asexual reproduction of Plasmodium in red blood cells. | | Gametocyte | The stage in the Plasmodium life cycle that develops into gametes within the mosquito host. | | Exoerythrocytic phase | The stage of the Plasmodium life cycle that occurs in the liver cells of humans, where sporozoites develop into merozoites. | | Erythrocytic phase | The stage of the Plasmodium life cycle that occurs in red blood cells, where parasites multiply asexually and cause the clinical symptoms of malaria. | | Paludism | An older term for malaria. | | Tertian malaria | Malaria characterized by fever paroxysms occurring every third day (approximately 48 hours), typically caused by Plasmodium vivax or Plasmodium ovale. | | Quartan malaria | Malaria characterized by fever paroxysms occurring every fourth day (approximately 72 hours), typically caused by Plasmodium malariae. | | Paroxysms | Sudden attacks or recurrences of symptoms, such as the chills and fever associated with malaria. | | Hypnozoites | Dormant forms of Plasmodium vivax and Plasmodium ovale that remain in the liver cells and can cause relapses of malaria months or years after the initial infection. | | Parasitemia | The presence of parasites in the blood, often expressed as a percentage of infected red blood cells. | | Cerebral malaria | A severe and potentially fatal complication of Plasmodium falciparum infection, characterized by neurological symptoms such as delirium, seizures, and coma, caused by blockage of capillaries in the brain. | | Splenomegaly | Enlargement of the spleen, a common symptom in various parasitic infections, including malaria and leishmaniasis. | | Nephrotic syndrome | A kidney disorder characterized by excessive protein loss in the urine, edema, and low blood protein levels, which can be a complication of Plasmodium malariae infection. | | Hemozoin | An insoluble biocrystal formed by Plasmodium species from toxic heme molecules released during hemoglobin digestion. It is often referred to as malaria pigment. | | Caveolae | Small, flask-shaped invaginations of the plasma membrane found in eukaryotic cells. Schüffner’s dots in malaria are thought to be related to these. | | Lipid raft | Small, dynamic domains within the cell membrane that are enriched in cholesterol and sphingolipids, playing roles in cell signaling and protein trafficking. | | Protein trafficking | The process by which proteins are transported to their correct locations within or outside the cell. | | Maurer’s clefts | Distinctive membranous structures found in erythrocytes infected with Plasmodium falciparum, involved in protein export from the parasite. | | Phlebotomids | A collective term for sand flies, the vectors of leishmaniasis. | | Circumsporozoite protein (CSP) | A major surface protein of the Plasmodium sporozoite stage, targeted by the RTS,S/Mosquirix antimalarial vaccine. | | T-cell epitopes | Specific regions on an antigen that are recognized by T-cells, playing a crucial role in the adaptive immune response. | | Hepatitis B surface antigen (HBsAg) | A protein found on the surface of the hepatitis B virus, used as a component in the RTS,S vaccine to stimulate an immune response. | | Babesiosis | A tick-borne parasitic disease caused by protozoa of the genus Babesia, which infect red blood cells and can cause malaria-like symptoms. | | Alveolate | A diverse group of eukaryotes characterized by the presence of alveoli (flattened sacs) beneath the plasma membrane. Plasmodium and Babesia are alveolates. | | Apicomplexa | A phylum of obligate intracellular parasitic alveolates, which includes Plasmodium, Babesia, and Toxoplasma. | | Congenital transmission | Transmission of an infection from a mother to her child during pregnancy, childbirth, or breastfeeding. | | Ixodes | A genus of ticks that includes common vectors for various pathogens, including Babesia and Lyme disease bacteria. | | Ungulates | Mammals with hooves, such as cattle, deer, and horses. | | Immunocompromised | Having a weakened immune system, making an individual more susceptible to infections. | | Splenectomized | Having had the spleen surgically removed. Individuals without a spleen are at higher risk for severe Babesiosis. | | DEET (N,N-Diethyl-meta-toluamide) | A common insect repellent that also has some repellent effect on ticks. | | Permethrin | A synthetic pyrethroid insecticide and acaricide that can be applied to clothing to repel ticks and other insects. |

# Basisstructuur en indeling van immunoglobulinen Immunoglobulinen, ook wel antistoffen of antilichamen genoemd, zijn glycoproteïnen die een centrale rol spelen in de humorale immuniteit en een heterogene groep vormen binnen de Ig superfamilie [1](#page=1). ### 1.1 Moleculaire structuur van immunoglobulinen Immunoglobulinen (Ig's) zijn structureel gedefinieerd als glycoproteïnen, waarbij 80-90% uit polypeptiden bestaat en 10-20% uit koolhydraten. De structuur werd gedetailleerd beschreven door Porter en Edelman middels enzymdigestie [1](#page=1). #### 1.1.1 Digestieproducten * **Papaïne digestie:** Resulteert in twee identieke antigeen-bindende fragmenten (Fab) en één kristalliseerbaar fragment (Fc) [1](#page=1). * **Pepsine digestie:** Produceert een F(ab')₂ fragment, dat twee Fab-armen bevat, en leidt tot volledige degradatie van het Fc-deel [1](#page=1). #### 1.1.2 Belangrijkste onderdelen van een Ig molecuul Een Ig molecuul kan worden onderverdeeld in drie functionele delen: * **Fab (Fragment, antigen-binding):** Dit deel is verantwoordelijk voor de specificiteit en de binding aan het antigeen (epitoop). Elk Fab-deel is opgebouwd uit zowel een zware (H) als een lichte (L) keten [1](#page=1) [3](#page=3). * **Hinge regio (scharniergebied):** Dit gebied bevindt zich tussen het Fab- en Fc-deel en biedt flexibiliteit aan het molecuul, waardoor het antigeen beter kan binden. De hinge regio is rijk aan proline en cysteïne, wat zorgt voor flexibiliteit en de vorming van disulfidebruggen [1](#page=1) [4](#page=4). * **Fc (Fragment, crystallizable):** Dit deel is relatief constant binnen een bepaalde klasse of subklasse en bepaalt grotendeels de biologische functies van het Ig-molecuul, zoals complementbinding, membraanbinding via Fc-receptoren, en placentatransfer [2](#page=2) [4](#page=4). #### 1.1.3 De Fab regio: antigeenbinding en diversiteit De Fab-regio bevat de paratoop, die specifiek interacteert met het epitoop op het antigeen. De specificiteit van de Fab-regio wordt bepaald door variabiliteit in aminozuursequenties, met name in de hypervariabele regio's, ook wel Complementarity Determining Regions (CDR's) genoemd [3](#page=3). * **H-keten CDR's:** CDR1 en CDR2 komen uit het V-intron, terwijl CDR3 wordt gevormd door VDJ-recombinatie [3](#page=3). * **L-keten CDR's:** CDR1, CDR2 en CDR3 komen uit VJ-recombinatie [3](#page=3). De overige delen van de Fab-regio bestaan uit meer constante "framework regions" (FR's) [3](#page=3). **Tip:** De enorme diversiteit in antigeenherkenning, noodzakelijk om miljarden verschillende antigenen te kunnen bestrijden, wordt bereikt door gensegmentherschikking (V(D)J recombinatie) en somatische hypermutatie, een mechanisme dat ook bij T-celreceptoren voorkomt, maar met enkele belangrijke verschillen [4](#page=4). #### 1.1.4 De Fc regio: biologische functies De Fc-regio speelt een cruciale rol in effectorfuncties: * **Complementbinding:** Activeert het complementsysteem, wat leidt tot lysis van pathogenen en opsonisatie [4](#page=4) [8](#page=8). * **Membraanbinding via Fc-receptoren (FcR):** Maakt interactie mogelijk met immuuncellen (zoals macrofagen, neutrofielen, NK-cellen) voor functies als Antibody-Dependent Cell-mediated Cytotoxicity (ADCC) en opsonisatie. Ook activeert het mestcellen en basofielen [3](#page=3) [4](#page=4) [8](#page=8). * **Transfer:** Bepaalde Ig-klassen, met name IgG, kunnen via specifieke receptoren zoals FcRn worden getransporteerd, bijvoorbeeld van moeder op foetus via de placenta en naar interstitiële weefsels [4](#page=4). ### 1.2 Indeling van immunoglobulinen Immunoglobulinen worden ingedeeld op verschillende niveaus: structureel (klassen, subklassen, allotypen, idiotypen) en functioneel. De belangrijkste indeling is gebaseerd op de structuur van de zware keten (H-keten), wat leidt tot de 5 isotypen of klassen [1](#page=1) [2](#page=2). #### 1.2.1 Indeling in isotypen (klassen) De 5 immunoglobulineklassen worden bepaald door de specifieke H-keten: * **IgG:** Gekenmerkt door de gamma (𝛾) H-keten [2](#page=2). * **IgA:** Gekenmerkt door de alpha (𝛼) H-keten [2](#page=2). * **IgM:** Gekenmerkt door de mu (𝜇) H-keten [2](#page=2). * **IgD:** Gekenmerkt door de delta (𝛿) H-keten [2](#page=2). * **IgE:** Gekenmerkt door de epsilon (𝜀) H-keten [2](#page=2). #### 1.2.2 Subklassen van immunoglobulinen Binnen de hoofdklassen bestaan er subklassen, gebaseerd op verdere verschillen in de H-ketenstructuur [1](#page=1): * **IgG:** Heeft 4 subklassen: IgG1, IgG2, IgG3, IgG4 [2](#page=2). * **IgA:** Heeft 2 subklassen: IgA1, IgA2 [2](#page=2). * **IgM, IgD, IgE:** Hebben geen subklassen [2](#page=2). #### 1.2.3 Monomeer en polymeer vorm Immunoglobulinen kunnen in oplossing voorkomen als monomeren, dimeren of pentameren, afhankelijk van de klasse [2](#page=2). * **Monomeren:** IgG, IgE, IgD, IgA1, en membraangebonden IgM (mIgM) bestaan als monomeren en hebben doorgaans twee antigeenbindingsplaatsen [2](#page=2). * **Dimeren:** Secretoir IgA (sIgA) komt voor als dimeer en heeft vier antigeenbindingsplaatsen. Dit wordt mogelijk gemaakt door de aanwezigheid van een J-keten (junctie keten) en een secretiecomponent die bescherming biedt tegen proteolytische afbraak [2](#page=2). * **Pentameren:** IgM komt als pentameer voor, met tien antigeenbindingsplaatsen, eveneens geassembleerd met behulp van een J-keten [2](#page=2). #### 1.2.4 Lichte ketens Elk Ig-molecuul bevat twee identieke lichte ketens (kappa of lambda). Deze lichte ketens dragen, samen met delen van de zware ketens, bij aan de vorming van de antigeenbindende Fab-regio [3](#page=3). #### 1.2.5 Functionele indeling en weefseldistributie De functie van immunoglobulinen wordt grotendeels bepaald door de Fc-regio en hun weefseldistributie [2](#page=2) [3](#page=3) [4](#page=4). * **IgG:** Bevindt zich in serum en extracellulair weefselvocht; belangrijk voor placentatransfer en opsonisatie [2](#page=2) [8](#page=8). * **IgA:** Komt in serum voor als monomeer IgA1, maar in secreties (zoals speeksel, moedermelk, darmvocht) als dimeer secretoir IgA (sIgA). sIgA speelt een sleutelrol in mucosale immuniteit door pathogenen te neutraliseren en hun binding aan epitheelcellen te voorkomen. Transport door epitheel is hierbij cruciaal [2](#page=2) [8](#page=8). * **IgM:** Komt voornamelijk in serum voor als pentameer en bereikt weefselvocht alleen bij inflammatie. Het is een belangrijke activator van complement [2](#page=2) [8](#page=8). * **IgE:** Komt in serum voor, gebonden aan basofielen, en subepitheliaal, gebonden aan mestcellen. Het is betrokken bij allergische reacties en bescherming tegen parasieten [2](#page=2) [8](#page=8). * **IgD:** Hoofdzakelijk aanwezig op membraan van naïeve B-cellen, waar het een rol speelt in B-cel activatie [2](#page=2) [3](#page=3). #### 1.2.6 Membraangebonden versus gesecreteerde immunoglobulinen Er zijn twee hoofdtypen van Ig-expressie: * **Membraangebonden Ig (mIg):** Deze Ig's zijn aanwezig op het oppervlak van B-lymfocyten en fungeren als B-celreceptor (BCR) voor antigeenherkenning. Naïeve B-cellen uiten IgM en IgD, terwijl geheugen B-cellen diverse klassen kunnen uiten na isotypswitches [3](#page=3). * **Gesecreteerde Ig (sIg):** Deze Ig's worden uitgescheiden in lichaamsvloeistoffen en spelen een rol in humorale immuniteit. Ze kunnen binden via Fc-receptoren op verschillende immuuncellen, of direct pathogenen neutraliseren [3](#page=3). **Tip:** De indeling in isotypen en subklassen is essentieel om de specifieke functies van verschillende antistoffen te begrijpen, zoals hun vermogen om placentale barrières te passeren (IgG), te worden uitgescheiden in melk (IgA), complement te activeren (IgM, IgG), of allergische reacties te mediëren (IgE) [8](#page=8). --- # Functies en weefseldistributie van immunoglobulinen Immunoglobulinen (Ig's) zijn multifunctionele eiwitten die een cruciale rol spelen in het adaptieve immuunsysteem door hun diverse distributie en specifieke functies, voornamelijk bepaald door hun Fc-gedeelte [2](#page=2). ### 2.1 Structuur en classificatie van immunoglobulinen Immunoglobulinen kunnen worden geclassificeerd op basis van hun structuur (monomeer, dimeer, pentameer) en de structuur van hun zware keten, wat de isotype klasse bepaalt [2](#page=2). #### 2.1.1 Monomeer, dimeer en pentameer * **Monomeer:** IgG, IgE, IgD, IgA1 en membraangebonden IgM (mIgM) bestaan uit een monomere structuur en hebben twee antigeenbindingsplaatsen [2](#page=2). * **Dimeer:** Secretoir IgA (sIgA) is een dimeer en heeft vier antigeenbindingsplaatsen [2](#page=2). * **Pentameer:** IgM vormt een pentameer en bezit tien antigeenbindingsplaatsen [2](#page=2). #### 2.1.2 J-keten en secretiecomponent De J-keten (junctieketen) is essentieel voor de vorming van dimeer en pentameer IgA en IgM, en is betrokken bij het transport ervan. De secretiecomponent is een eiwit dat de gesecreteerde IgA's beschermt tegen proteolytische degradatie [2](#page=2) [7](#page=7). #### 2.1.3 Klassen en subklassen van immunoglobulinen Er zijn vijf hoofdklassen van immunoglobulinen, gedefinieerd door de structuur van de zware keten: IgG ($\gamma$), IgA ($\alpha$), IgM ($\mu$), IgD ($\delta$), en IgE ($\epsilon$). Deze klassen worden verder onderverdeeld in negen subklassen: vier voor IgG (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4) en twee voor IgA (IgA1, IgA2) [2](#page=2). ### 2.2 Weefseldistributie van Ig-isotypen De distributie van Ig-isotypen in het lichaam is sterk bepalend voor hun functie [2](#page=2). * **IgG:** Wordt voornamelijk in serum en extracellulair weefselvocht aangetroffen. Dankzij de neonatale Fc receptor (FcRn) kan IgG actief getransporteerd worden naar het foetale compartiment en interstitieel weefsel (#page=2, 5) [2](#page=2) [5](#page=5). * **IgA:** Bestaat uit monomeer IgA1 in serum en dimeer secretoir IgA2 (sIgA) in secreties (bv. melk, speeksel, slijm) (#page=2, 7) [2](#page=2) [7](#page=7). * **IgM:** Komt voornamelijk in serum voor als pentameer en bereikt weefselvocht voornamelijk bij inflammatie (#page=2, 6) [2](#page=2) [6](#page=6). * **IgE:** Wordt in serum gebonden aan basofielen aangetroffen en subepitheel gebonden aan mestcellen [2](#page=2). ### 2.3 Functionele onderverdeling: Fab en Fc Immunoglobulinen kunnen functioneel worden onderverdeeld in twee hoofdgedeelten: Fab (fragment antigen-binding) en Fc (fragment crystallizable) [3](#page=3). #### 2.3.1 Fab-gedeelte Het Fab-gedeelte is verantwoordelijk voor de antigeenbinding. * **Antigeenbinding:** De Fab-regio's, gevormd door delen van de zware en lichte ketens, bevatten hypervariabele regio's (complementarity determining regions - CDR's) die de specificiteit voor het antigeen bepalen. Elke lymfocyt produceert monospecifieke antilichamen dankzij allelexclusie en gensegmentherschikking [3](#page=3) [4](#page=4). * **Herkenning:** Het Fab-gedeelte kan direct antigenen herkennen, inclusief lineaire en conformationele epitopen op eiwitten, koolhydraten, nucleïnezuren en lipiden. Dit staat in contrast met de T-celreceptor, die antigeenpresentatie vereist en enkel lineaire epitopen herkent [4](#page=4). * **Functies:** Neutralisatie van toxines en virussen, en verhindering van antigeenbinding aan cellen [3](#page=3). #### 2.3.2 Fc-gedeelte Het Fc-gedeelte is constant voor een specifieke klasse en is verantwoordelijk voor de biologische functies van het antilichaam (#page=3, 4) [3](#page=3) [4](#page=4). * **Membraanbinding:** Gesecreteerde Ig's kunnen via specifieke Fc-receptoren (FcR) op immuun- en somatische cellen binden, wat leidt tot effectorfuncties zoals opsonisatie en Antibody-Dependent Cellular Cytotoxicity (ADCC) (#page=3, 5). Membraangebonden Ig's (mIg) op B-cellen zijn direct betrokken bij B-cel activatie [3](#page=3) [5](#page=5). * **Complementactivatie:** Specifieke IgG- en IgM-klassen kunnen het complementsysteem activeren via de klassieke route, leidend tot cellysis, opsonisatie en ontstekingsreacties (#page=4, 5) [4](#page=4) [5](#page=5). * **Transfer:** Het FcRn speelt een sleutelrol bij de transplacentaire overdracht van maternale IgG naar de foetus, en bij de langere halfwaardetijd van IgG in circulatie (#page=3, 5) [3](#page=3) [5](#page=5). * **Functies:** Opsonisatie, ADCC, activering van mestcellen en basofielen, en transfer via de placenta en interstitium [3](#page=3). ### 2.4 Specifieke functies van Ig-isotypen Elk Ig-isotype heeft specifieke kenmerken en functies die bijdragen aan de algehele immuunrespons [8](#page=8). * **IgG:** Heeft de hoogste serumconcentratie en is cruciaal voor neutralisatie van toxines, complementbinding, ADCC, opsonisatie, en placentaire transfer (#page=6, 8). De vier subklassen (IgG1 tot IgG4) variëren in concentratie en functie, met IgG1 als de meest voorkomende [6](#page=6) [8](#page=8). * **IgM:** Is de eerste Ig die wordt geproduceerd tijdens een primair immuunantwoord. Als monomeer op B-cellen speelt het een rol in immuuntolerantie en B-cel activatie. Als pentameer in serum is het zeer effectief in complementactivatie en vormt het natuurlijke bloedgroepantistoffen (isohaemagglutinines) (#page=6, 8). IgM wordt niet transplacentair overgedragen [6](#page=6) [8](#page=8). * **IgA:** Komt voor als monomeer in serum (IgA1) en als dimeer in secreties (sIgA, IgA2) (#page=7, 8). sIgA speelt een sleutelrol in de bescherming van mucosale oppervlakken door pathogenen te neutraliseren en hun adhesie te voorkomen. Het activeert het complementsysteem beperkt (#page=7, 8) [7](#page=7) [8](#page=8). * **IgD:** Wordt aangetroffen met lage serumconcentraties en wordt voornamelijk gevonden op membraan van rijpe B-cellen, vaak in co-expressie met IgM (#page=6, 7). Het speelt een rol bij B-cel rijping en differentiatie [6](#page=6) [7](#page=7). * **IgE:** Speelt een vitale rol bij de weerstand tegen parasitaire infecties en is sterk geassocieerd met allergische reacties (#page=7, 8). IgE bindt eerst aan Fc-receptoren op mestcellen en basofielen, waarna binding van antigeen degranulatie veroorzaakt. Het is thermolabiel [7](#page=7) [8](#page=8). > **Tip:** Begrijp dat de functie van een antilichaam niet alleen afhangt van de variabele (Fab) regio, maar ook in hoge mate wordt bepaald door de constante (Fc) regio, die interacties met andere componenten van het immuunsysteem faciliteert. > **Voorbeeld:** Het verschil in placentaire transfer tussen IgG (wel) en IgM (niet) is een direct gevolg van de specifieke interactie van het IgG Fc-gedeelte met de FcRn receptor, terwijl IgM deze receptor niet herkent. (#page=5, 6) [5](#page=5) [6](#page=6). --- # Activering van B-cellen en productie van immunoglobulinen Het proces van B-celactivatie leidt van een naïeve B-cel naar een plasmacel die immunoglobulinen produceert, waarbij T-celafhankelijke en T-celonafhankelijke mechanismen, isotype switch, affiniteitsmaturatie en de vorming van geheugencellen centraal staan [10](#page=10) [11](#page=11) [9](#page=9). ### 3.1 Van naïeve B-cel tot plasmacel De transformatie van een naïeve rijpe B-cel naar een plasmacel die immunoglobulinen synthetiseert, vindt plaats in secundaire lymfoïde organen zoals milt, MALT en lymfeklieren [9](#page=9). #### 3.1.1 Activatie van een naïeve IgM/IgD B-cel De initiële activatie van een naïeve rijpe B-cel, die IgM en IgD op het oppervlak draagt, is afhankelijk van het type antigeen: * **T-celafhankelijke activatie:** Dit geldt voor proteïnen en vereist interactie met T-helpercellen [9](#page=9). * **T-celonafhankelijke activatie:** Dit geldt voor polysachariden met repetitieve structuren en vereist geen extra T-celstimulus [11](#page=11) [9](#page=9). Tijdens de activatie ondergaat de B-cel fagocytose om antigenen te presenteren aan T-cellen, wat de eerste stap vormt. Vervolgens vindt communicatie plaats met geprimede T-cellen via een immunologische synaps, wat leidt tot verdere rijping van de B-cel. Belangrijke interacties zijn onder andere tussen CD40 op de B-cel en CD40L op de T-cel, wat cruciaal is voor isotype switch, en tussen CD80/CD86 op de B-cel en CD28 op de T-cel [9](#page=9). #### 3.1.2 Migratie en verdere rijping Een deel van de door T-cellen geactiveerde B-cellen migreert terug naar het secundaire follikel, waar zij in het kiemcentrum verder rijpen tot geheugen B-cellen en langlevende plasmacellen. Dit proces omvat proliferatie, isotype switch en affiniteitsmaturatie [10](#page=10). * **Kortlevende plasmacellen:** Deze ontstaan zonder doorgang via het kiemcentrum, produceren voornamelijk IgM, en blijven lokaal aanwezig. Ze zijn verantwoordelijk voor de antistoffen van de primaire immuunrespons [10](#page=10) [9](#page=9). #### 3.1.3 Gevolgen van activatie van de naïeve B-cel Na activatie ondergaat de B-cel diverse veranderingen: * Verlengde overleving en proliferatie [10](#page=10). * Verhoogde expressie van MHC klasse II-moleculen, waardoor de B-cel antigeenpresenterende eigenschappen verwerft [10](#page=10). * Verhoogde expressie van CD80/CD86, integrines, CD40 en interleukine-receptoren (voor IL-2, IL-6, IL-21) ter voorbereiding op communicatie met geactiveerde T-cellen [10](#page=10). ### 3.2 Isotype switch De isotype switch, ook wel klasseschakeling genoemd, is een proces waarbij de constante regio van de zware keten van het immunoglobuline wordt veranderd, wat resulteert in de productie van andere isotypes dan IgM en IgD. Dit proces vindt plaats in het kiemcentrum en wordt gemoduleerd door interacties tussen CD40 en CD40L, evenals door specifieke cytokines [10](#page=10): * **IFN$\gamma$** induceert IgG-productie [10](#page=10). * **IL-21 en IL-6** stimuleren IgM-productie (dit is enigszins tegenstrijdig met de eerdere vermelding dat kortlevende plasmacellen IgM produceren zonder kiemcentrumdoorgang; IL-21 en IL-6 lijken hier een rol te spelen in een latere fase of bij specifieke typen B-cellen) [10](#page=10). * **IL-10 en TGF$\beta$** bevorderen IgA-productie [10](#page=10). * **IL-4 en IL-13** leiden tot IgE-productie [10](#page=10). #### 3.2.1 Kenmerken van primaire en secundaire responsen Er is een duidelijk verschil tussen primaire en secundaire immuunresponsen: | Kenmerk | T-cel afhankelijk | T-cel onafhankelijk | Primaire respons | Secundaire respons | | :-------------------------- | :---------------- | :------------------ | :----------------------------------- | :---------------------------------- | | Type antigenen | Vooral eiwitten | Vooral polysachariden | - | - | | T-cel nodig voor: | Ja | Nee | Inductie en modulatie respons | - | | Geheugen B-cel | Ja | Ja | - | - | | Isotype switch | Ja | Nee | Beperkt | Ja | | Verschijnen antilichamen | Week | Dagen | Dagen | - | | Concentratie antilichamen | Laag | Hoog | Laag | Hoog | | Aviditeit antilichamen | Laag | Hoog | Laag | Hoog | | Respons kinderen < 2 jaar | Ja | Nauwelijks | - | - | De primaire immuunrespons wordt gekenmerkt door de initiële binding van antigenen aan IgM en IgD van naïeve B-cellen, gevolgd door een tweede signaal (cognate synaps) voor de plasmacel- en geheugencelreactie. De secundaire respons maakt gebruik van langlevende geheugencellen die IgG, IgA of IgE produceren, en vereist geen cognate synapse meer, waardoor deze sneller verloopt [11](#page=11). ### 3.3 Affiniteitsmaturatie Affiniteitsmaturatie, ook wel somatische hypermutatie genoemd, verhoogt de bindingsaffiniteit van antilichamen voor het antigeen. Dit proces vindt plaats in het kiemcentrum door willekeurige mutaties in de variabele regio's van de immunoglobuline-genen, gevolgd door selectie van B-cellen met een hogere affiniteit [10](#page=10). ### 3.4 Productie van immunoglobulinen door plasmacellen Na isotype switch en affiniteitsmaturatie ontwikkelen B-cellen zich tot langlevende plasmacellen die grote hoeveelheden IgG, IgA of IgE produceren. Sommige van deze cellen migreren naar het beenmerg en blijven daar gedurende jaren immunoglobulinen produceren [10](#page=10). ### 3.5 Terminologie van immunoglobulinen * **Idiotypes:** Specifieke kenmerken van één enkel immunoglobuline, bepaald door de complementaire determinerende regio's (CDR) en framing regio's (FR) [9](#page=9). * **Isotypes:** Genetische merkers die gemeenschappelijk zijn voor een hele diersoort en corresponderen met subklassen van immunoglobulinen (bv. IgG, IgA) [9](#page=9). * **Allotypes:** Genetische merkers die voorkomen op immunoglobulinen van verschillende individuen binnen dezelfde soort (allelen). Voorbeelden zijn Gm-markers voor IgG H-ketens, Am-markers voor IgA H-ketens, en Km-markers voor kappa-lichte ketens [9](#page=9). ### 3.6 Antigeen-antilichaamreactie De interactie tussen antigenen en antilichamen is specifiek: * **Paratoop:** Het deel van het antilichaam dat bindt aan het antigeen [11](#page=11). * **Epitopen:** Specifieke regio's op een antigeen waaraan antilichamen binden. Een antigeen kan meerdere epitopen bevatten (antigeen determinanten, AD) [11](#page=11). * **Polyklonale respons:** Dit verwijst naar de productie van meerdere verschillende antilichamen die binden aan verschillende epitopen op hetzelfde antigeen [11](#page=11). --- # Antigeen-antilichaam interacties Deze sectie behandelt de dynamiek van de interactie tussen antigenen en antilichamen, inclusief de factoren die de bindingssterkte bepalen en het fenomeen van kruisreactiviteit. ### 4.1 Fundamentele concepten van antigeen-antilichaam interactie De interactie tussen antigenen (Ag) en antilichamen (Al) is cruciaal voor het immuunsysteem. Hierbij is het **paratoop** van een antilichaam verantwoordelijk voor de binding aan een **epitoop** op het antigeen. Een antigeen kan bestaan uit een verzameling van meerdere epitopen, ook wel antigene determinanten (AD) genoemd. Een **polyklonaal antwoord** ontstaat wanneer verschillende antilichamen specifieke epitopen op een antigeen herkennen en binden [11](#page=11). ### 4.2 Factoren die bindingssterkte bepalen #### 4.2.1 Affiniteit **Affiniteit** verwijst naar de bindingssterkte tussen één paratoop van een antilichaam en één epitoop van een antigeen. Deze bindingssterkte is afhankelijk van de compatibiliteit van de antigene determinant met het paratoop van het antilichaam. De affiniteit wordt bepaald door de interactie van vier niet-covalente bindingen [12](#page=12). #### 4.2.2 Aviditeit **Aviditeit** is de totale bindingssterkte tussen een antilichaam en een antigeen. Het is de som van de affiniteiten van alle epitoop-paratoop interacties die plaatsvinden tussen één antilichaam en een antigeen. Een antilichaam kan monovalent zijn (één paratoop) of multivalent (meerdere paratopen) [12](#page=12). > **Tip:** Hoewel een hoge affiniteit belangrijk is, speelt ook aviditeit een grote rol in de effectiviteit van de immuunrespons. Een multivalent antilichaam kan met een lagere affiniteit per binding toch een sterke totale binding (hoge aviditeit) tot stand brengen. ### 4.3 Kruisreactiviteit **Kruisreactiviteit** treedt op wanneer een antilichaam dat specifiek is voor een bepaald epitoop, ook bindt aan een ander, structureel vergelijkbaar epitoop op een ander antigeen [12](#page=12). * Een antilichaam gericht tegen epitoop Y kan zowel epitoop Y op antigeen A als op antigeen B herkennen. In dit geval kruisreacteert het antilichaam met antigeen A en B [12](#page=12). * Een antilichaam gericht tegen epitoop X kan epitoop X op antigeen A en zwakker epitoop X’ (met lage affiniteit) op antigeen B herkennen. Dit antilichaam is specifiek voor antigeen A en kruisreacteert beperkt met antigeen B [12](#page=12). * Een antilichaam gericht tegen epitoop Z bindt uitsluitend epitoop Z op antigeen A. Dit antilichaam is specifiek voor antigeen A [12](#page=12). ### 4.4 Hapteen en carrier concept Sommige kleine antigenen, **haptenen**, kunnen op zichzelf geen immuunrespons uitlokken. Echter, wanneer een hapteen gebonden is aan een grotere molecuul, een **carrier** (vaak een eiwit zoals albumine), kan een immuunrespons worden gestimuleerd [12](#page=12). Het principe werkt als volgt [12](#page=12): 1. Een B-cel herkent het hapteen dat gebonden is aan de carrier. 2. De B-cel fagocyteert zowel het hapteen als de carrier. 3. De B-cel presenteert peptiden van de carrier aan T-cellen, die hierdoor geactiveerd worden tegen de carrierpeptiden. 4. De door de carrier geactiveerde T-cel ondersteunt de hapteen-specifieke B-cel. Het is hierbij van belang dat de T-cel specificiteit gericht is tegen de (gewijzigde) carrier of hapteen-carrier conjugaten, en niet noodzakelijkerwijs tegen het hapteen zelf (bijvoorbeeld een medicijn). ### 4.5 Samenvatting van immunoglobulinen Immunoglobulinen (Ig), geproduceerd door B-cellen en plasmacellen, bezitten een specifieke functie afhankelijk van hun structuur. De specificiteit van een Ig wordt bepaald door het Fab-gedeelte (paratoop) terwijl de biologische functie voornamelijk via het Fc-gedeelte verloopt, vaak afhankelijk van Fc-receptoren (FcR). Een grote variabiliteit in antilichamen wordt bereikt door genherschikking, mutatie en junctiediversiteit. Affiniteitsmaturatie, een proces waarbij de affiniteit van antilichamen toeneemt, vindt plaats door middel van (hyper)mutaties [12](#page=12). ### 4.6 Vergelijking van T cel afhankelijke en onafhankelijke antigenen | Kenmerk | T cel afhankelijk | T cel onafhankelijk | | :--------------------------- | :---------------- | :------------------ | | Type antigenen | Vooral eiwitten | Vooral polysachariden | | T cel nodig voor: | | | | - Inductie respons | Ja | Nee | | - Modulatie respons | Ja | Ja | | Geheugen B cel | Ja | Nee | | Isotype switch | Ja | Beperkt | | Verschijnen antilichamen | Week | Dagen | | Concentratie antilichamen | Laag | Hoog | | Aviditeit antilichamen | Laag | Laag | | Respons kinderen <2 jaar | Ja | Nauwelijks | De primaire en secundaire immuunrespons vertonen ook verschillen: de primaire respons vereist vaak een cognate synaps en leidt tot plasmacellen en geheugencellen, terwijl de secundaire respons sneller verloopt omdat langlevende geheugencellen worden aangesproken en geen cognate synaps meer nodig is. Secundaire responsen kunnen ook leiden tot productie van IgG, IgA en IgE [11](#page=11). --- ## 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 | |------|------------| | Term | Definitie | | Immunoglobuline (Ig) | Glycoproteïne bestaande uit 80-90% polypeptiden en 10-20% koolhydraten, die fungeert als antistof. | | Fab-deel | Het gedeelte van het immunoglobuline dat verantwoordelijk is voor de binding van antigenen en de specificiteit van de reactie. | | Fc-deel | Het constante, kristalliseerbare deel van het immunoglobuline dat verantwoordelijk is voor diverse biologische functies zoals complementbinding en membraanbinding via Fc-receptoren. | | Hinge-regio | Een flexibel, proline-rijk gebied in het immunoglobuline, gelegen tussen de CH1- en CH2-domeinen, dat de beweging van de Fab-armen ten opzichte van het Fc-deel mogelijk maakt. | | Isotype (Klasse) | Een indeling van immunoglobulinen (zoals IgG, IgA, IgM, IgE, IgD) gebaseerd op structurele verschillen in de zware keten (H-keten), die functionele eigenschappen bepalen. | | Subklasse | Verdere onderverdeling van immunoglobulineklassen, zoals de vier subklassen van IgG (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4) en de twee subklassen van IgA (IgA1, IgA2), gebaseerd op subtiele variaties in de H-keten. | | Monomeer | Een immunoglobuline dat bestaat uit één enkele eenheid van twee zware en twee lichte ketens, zoals bij IgG, IgE en IgD. | | Polymeer | Een immunoglobuline dat bestaat uit meerdere monomere eenheden die aan elkaar zijn gekoppeld, zoals bij secretoir IgA (dimeer) en IgM (pentameer). | | J-keten (Junctieketen) | Een speciale keten die betrokken is bij de polymerisatie van immunoglobulinen, met name bij secretoir IgA en IgM, en helpt bij de assemblage tot dimeren en pentameren. | | Secretory component | Een eiwit dat geassocieerd is met secretoir IgA, beschermt het tegen proteolytische afbraak in luminale omgevingen en faciliteert transport door epitheelcellen. | | Membraangebonden Ig (mIg) | Immunoglobulinen die vastzitten aan het celmembraan van B-lymfocyten, waar ze fungeren als B-celreceptoren voor antigeenherkenning en celactivatie. | | Gesecreteerd Ig (sIg) | Immunoglobulinen die door cellen worden uitgescheiden in lichaamsvloeistoffen, zoals serum en secreten, en daar hun effectore functies uitoefenen. | | Hypervariabele regio (CDR) | Specifieke segmenten binnen de variabele delen van de zware en lichte ketens van een immunoglobuline, die verantwoordelijk zijn voor de variabiliteit in aminozuursequentie en daarmee de specifieke antigeenbinding (paratoop). | | Epitoop | Het specifieke deel van een antigeen waaraan een antistof of B-celreceptor bindt. | | Paratoop | Het specifieke deel van een antistof of B-celreceptor dat bindt aan een epitoop op een antigeen. | | Complementactivatie | Het proces waarbij het complementsysteem, een reeks eiwitten in het bloed, wordt geactiveerd door de binding van immunoglobulinen (met name IgM en IgG) aan pathogenen of immuuncomplexen, wat leidt tot lysis van de cel of opruiming. | | Opsonisatie | Het proces waarbij pathogenen worden "gemarkeerd" door de binding van antistoffen of complementcomponenten, wat de herkenning en fagocytose door immuuncellen vergemakkelijkt. | | ADCC (Antibody-Dependent Cell-Mediated Cytotoxicity) | Een immuunrespons waarbij antilichamen zich binden aan doelcellen, waarna NK-cellen de doelcellen herkennen via hun Fc-receptoren en deze doden. | | Placenta transfer | Het transport van immunoglobulinen, voornamelijk IgG, van de moeder naar de foetus via de placenta, wat passieve immuniteit aan de pasgeborene verleent. | | Immunoglobulinen (Ig) | Groep eiwitten die een cruciale rol spelen in het immuunsysteem, ook wel antilichamen genoemd, die specifieke antigenen herkennen en neutraliseren. | | Isotypen | Verschillende klassen van immunoglobulinen (IgG, IgA, IgM, IgD, IgE) die worden onderscheiden door hun zware ketens en verschillende functionele eigenschappen en distributie in het lichaam hebben. | | Dimeer | Een molecuul dat bestaat uit twee identieke eenheden die aan elkaar gekoppeld zijn; secretoir IgA (sIgA) is een dimeer met vier antigeenbindende plaatsen. | | Pentameer | Een molecuul dat bestaat uit vijf identieke eenheden die aan elkaar gekoppeld zijn; IgM is een pentameer met tien antigeenbindende plaatsen en speelt een belangrijke rol in het primaire immuunantwoord. | | Secretory component (Secretoir stukje) | Een glycoproteïne dat wordt gesynthetiseerd door mucosale epitheelcellen en dat zich bindt aan IgA en IgM via de J-keten, waardoor het immunoglobuline wordt beschermd tegen proteolytische afbraak en de transport over epitheliale barrières faciliteert. | | Fab-fractie (Fragment antigen-binding) | Het deel van een immunoglobuline-molecuul dat verantwoordelijk is voor de binding aan een specifiek antigeen; deze fractie bevat de variabele regio's van de lichte en zware ketens. | | Fc-fractie (Fragment crystallizable) | Het constante deel van een immunoglobuline-molecuul dat na proteolytische afsplitsing cristalliseert; deze fractie is verantwoordelijk voor de effectorfuncties van het antilichaam, zoals complementactivatie en binding aan Fc-receptoren op immuuncellen. | | Fc-receptor (FcR) | Receptoren die op het oppervlak van verschillende immuuncellen en somatische cellen voorkomen en die de Fc-fractie van immunoglobulinen kunnen binden, waardoor effectorfuncties zoals fagocytose, ADCC en degranulatie worden gemedieerd. | | ADCMC (Antilichaam-afhankelijke cel-gemedieerde cytotoxiciteit) | Een immuunreactie waarbij cytotoxische immuuncellen, zoals NK-cellen, cellen die bedekt zijn met antilichamen herkennen en doden door middel van degranulatie. | | Transplacentair transport | Het mechanisme waardoor bepaalde moleculen, met name IgG, van de moeder via de placenta naar de foetus worden getransporteerd, wat essentiële passieve immuniteit aan de pasgeborene verleent. | | FcRn (Neonatale Fc Receptor) | Een gespecialiseerde receptor die monomeer IgG bindt en actief transport over epitheliale barrières, zoals de placenta en het endotheel, faciliteert, waardoor de halfwaardetijd van IgG in het lichaam wordt verlengd. | | Membraangebonden immunoglobuline (mIg) | Immunoglobulinen die op het oppervlak van B-lymfocyten voorkomen en fungeren als B-celreceptoren voor antigeenherkenning en daaropvolgende B-celactivatie. | | Gesecreteerd immunoglobuline (sIg) | Immunoglobulinen die door plasmacellen worden uitgescheiden in lichaamsvloeistoffen en op slijmvliezen, en die een belangrijke rol spelen in de humorale immuniteit. | | Allotype | Genetisch bepaalde varianten binnen een Ig-isotype, die subtiele verschillen in de aminozuursequentie van de zware of lichte ketens vertonen en gebruikt kunnen worden voor immunogenetische studies. | | Epitopen | Specifieke sites op een antigeen waaraan een antilichaam (of T-celreceptor) zich bindt. | | Hypervariabele regio's (CDR's) | De meest variabele delen van de Fab-fractie van een immunoglobuline-molecuul die direct betrokken zijn bij de binding aan het antigeen. | | Somatische hypermutatie | Een proces dat optreedt in B-cellen na antigene stimulatie, waarbij de genen die coderen voor de variabele regio's van antilichamen worden gemuteerd, wat leidt tot een verbeterde affiniteit van het antilichaam voor het antigeen. | | Klonale selectie | Het proces waarbij alleen B-cellen die specifieke B-celreceptoren dragen die passen bij een bepaald antigeen, worden geactiveerd en prolifereren, terwijl andere B-cellen worden onderdrukt. | | Idiotype | Een specifiek kenmerk dat uniek is voor één immunoglobuline, bepaald door de variabele regio's (CDR en FR). Dit onderscheidt elk individueel antilichaam. | | Isotype | Genetische merkers die gemeenschappelijk zijn voor een volledige diersoort en subklassen van immunoglobulinen aanduiden, zoals IgM, IgG, IgA, IgE. | | Naïeve B-cel | Een onrijpe B-cel die nog geen contact heeft gehad met een antigeen en circuleert in secundaire lymfoïde organen, meestal met IgM en IgD op het oppervlak. | | Plasmacel | Een gedifferentieerde B-cel die is gespecialiseerd in de productie en secretie van grote hoeveelheden antistoffen (immunoglobulinen). | | Kiemcentrum | Een gespecialiseerde structuur in secundaire lymfoïde organen waar B-cellen prolifereren, muteren en isotypen schakelen onder invloed van T-cellen. | | Isotypeswitch (Isotype switch) | Het proces waarbij een B-cel de productie van antistoffen verandert van het ene isotoop (bijvoorbeeld IgM) naar een ander isotoop (bijvoorbeeld IgG, IgA of IgE) door herschikking van de zware keten genen. | | Affiniteitsmaturatie (Somatische hypermutatie) | Een proces waarbij B-cellen hun antilichamen verbeteren door puntmutaties in de variabele regio's, wat leidt tot een hogere affiniteit voor het antigeen. | | T-cel afhankelijk | Een immuunrespons waarbij T-helpercellen nodig zijn voor de volledige activatie van B-cellen, typisch voor eiwitantigenen. | | T-cel onafhankelijk | Een immuunrespons die kan plaatsvinden zonder directe hulp van T-cellen, meestal geactiveerd door antigenen met repetitieve structuren zoals polysachariden. | | Immunologische synaps | Een specifiek contactoppervlak tussen een B-cel en een T-cel, cruciaal voor de uitwisseling van signalen die nodig zijn voor B-celactivatie en differentiatie. | | CD40/CD40L interactie | Een cruciale interactie tussen de CD40-receptor op B-cellen en zijn ligand (CD40L) op T-cellen, essentieel voor B-cel proliferatie, overleving en isotype switch. | | Polyklonaal antwoord | Een immuunrespons die wordt gegenereerd door meerdere verschillende B-celklonen, waarbij verschillende antilichamen gericht tegen verschillende epitopen op hetzelfde antigeen worden geproduceerd. | | Antigeen (Ag) | Een molecuul of structuur, bestaande uit een verzameling van antigenen determinant (AD), dat door het immuunsysteem kan worden herkend en een immuunrespons kan uitlokken. | | Antilichaam (Al) | Een eiwit, geproduceerd door B-cellen en plasmacellen, dat specifiek kan binden aan een antigeen determinant (epitoop) op een antigeen. | | Epitoop (Ag determinant) | Een specifiek deel van een antigeen waaraan een antilichaam kan binden; antigenen kunnen uit meerdere epitopen bestaan. | | Affiniteit | De bindingssterkte tussen één enkel paratoop van een antilichaam en één enkel epitoop van een antigeen; deze wordt bepaald door non-covalente interacties. | | Aviditeit | De totale bindingssterkte tussen een antilichaam en een antigeen, welke het resultaat is van de som van de affiniteiten van alle paratoop-epitoop interacties. | | Monovalentie | Verwijst naar een antilichaam met slechts één bindingsplaats (paratoop) voor een epitoop. | | Multivalentie | Verwijst naar een antilichaam met meerdere bindingsplaatsen (paratopen) voor epitopen, wat de totale bindingssterkte kan vergroten. | | Kruisreactiviteit | Het vermogen van een antilichaam om te binden aan meer dan één antigeen, doordat het epitoop van een ander antigeen gedeeltelijk overeenkomt met het oorspronkelijke epitoop. | | Hapteen | Een klein molecuul dat zelf geen immuunrespons kan uitlokken, maar wel antilichamen kan binden nadat het is gebonden aan een dragermolecuul. | | Carrier (Drager) | Een groter molecuul, vaak een eiwit, waaraan een hapteen gebonden moet zijn om een immuunrespons te kunnen induceren; de dragermolecuul zelf kan ook T-cellen activeren. | | Immuuncomplex | Een complex gevormd door de binding van antigenen en antilichamen, dat ontstaat wanneer deze in een optimale verhouding aanwezig zijn. |

# Désinfection et stérilisation Voici un résumé des principes de désinfection et de stérilisation, destiné à servir de guide d'étude pour les examens. ## 1. Désinfection et stérilisation La désinfection et la stérilisation sont des processus essentiels visant à éliminer ou détruire les micro-organismes, différenciés par leur cible et leur degré d'efficacité. ### 1.1 Définitions et distinctions * **Désinfection :** Processus visant à détruire ou éliminer les agents pathogènes végétatifs, mais n'affectant pas les endospores bactériennes. Elle est généralement appliquée aux objets inanimés. * **Stérilisation :** Processus complet d'élimination ou de destruction de tous les micro-organismes viables, y compris les endospores. Elle est appliquée aux objets inertes pour atteindre un état stérile. * **Antisepsie :** Application d'agents chimiques sur les surfaces du corps pour détruire ou inhiber les agents pathogènes végétatifs. * **Chimiothérapie :** Utilisation d'agents chimiques pour tuer ou inhiber la croissance des micro-organismes à l'intérieur des tissus de l'hôte. ### 1.2 Agents physiques de stérilisation et de désinfection Les agents physiques utilisent diverses méthodes pour éliminer les micro-organismes. #### 1.2.1 Chaleur * **Chaleur humide :** * **Autoclave :** Utilise la vapeur sous pression pour stériliser le matériel tel que la verrerie, les instruments métalliques et les milieux de culture. Il est efficace pour une stérilisation complète. > **Attention :** Ne convient pas pour les liquides thermosensibles comme les protéines ou les antibiotiques, car la chaleur peut les dégrader. * **Four Pasteur :** Méthode de stérilisation par chaleur sèche, utilisée pour la verrerie, les instruments métalliques et le petit matériel. > **Attention :** Ne convient pas pour les liquides aqueux qui s'évaporeraient. * **Chaleur sèche :** * **Bec Bunsen :** Utilisé pour la stérilisation à la flamme de l'ouverture des tubes en verre, des instruments métalliques et des râteaux en verre. #### 1.2.2 Méthodes d'élimination mécanique * **Filtration à froid :** Méthode consistant à faire passer de l'air ou des solutions à travers une membrane possédant des pores de taille définie (typiquement 0,2 micromètres, plus petits que les bactéries). La solution récupérée est stérile. > **Application :** Très utilisée pour les solutions sensibles à la température, comme celles contenant des protéines ou des antibiotiques. Les virus, plus petits, peuvent nécessiter des filtres encore plus fins. L'air peut également être stérilisé par filtration. #### 1.2.3 Irradiation * **Irradiation :** Bien que non détaillée dans les pages spécifiées pour les agents physiques, l'irradiation est mentionnée comme une méthode de stérilisation, par exemple pour le plastique des boîtes de Pétri. ### 1.3 Agents chimiques de désinfection Les agents chimiques varient dans leur composition et leur mécanisme d'action, ciblant principalement la membrane cellulaire, dénaturant les protéines ou l'ADN. * **Composés phénoliques :** Fréquemment utilisés dans les milieux hospitaliers, bien que l'apparition de résistances ait limité leur usage pour certains composés. * **Alcool :** L'éthanol à 70% est plus efficace que l'alcool pur car l'eau aide à dissoudre les amas bactériens et à pénétrer les cellules. L'isopropanol présente un effet similaire. * **Gaz :** Des gaz tels que l'oxyde d'éthylène et la bêta-propiolactone sont utilisés pour la stérilisation de matériaux sensibles à la chaleur. ### 1.4 Antibiotiques : Principes et classification Les antibiotiques sont des molécules chimiques, d'origine naturelle, synthétique ou semi-synthétique, capables d'inhiber la croissance ou de détruire les bactéries à très faible concentration, tout en présentant une toxicité sélective. #### 1.4.1 Historique et découverte * **1930 :** Selman Waksman introduit le terme "antibiotique". * **1928 :** Alexander Fleming découvre la pénicilline, observée pour son effet inhibiteur sur *Staphylococcus aureus*. * **1938-1942 :** Ernst Boris Chain et Howard Walter Florey purifient et introduisent cliniquement la pénicilline G, le premier antibiotique. #### 1.4.2 Classification des antibiotiques Les antibiotiques sont classés selon plusieurs critères pour guider le choix thérapeutique : * **Origine :** Organisme vivant ou synthèse chimique. La majorité des antibiotiques (environ 80%) sont produits par des bactéries, et 20% par des moisissures. Les antibiotiques de synthèse chimique sont souvent utilisés lorsque la production naturelle est faible. * **Spectre d'action :** * **Spectre large :** Actif contre une majorité de bactéries Gram positives et Gram négatives. * **Spectre étroit :** Actif contre des catégories spécifiques de bactéries, par exemple uniquement les bactéries Gram positives. * **Nature chimique :** Structure chimique variable, avec des familles notables comme les bêta-lactamines (caractérisées par un cycle à 4 atomes avec un azote) et les glycopeptides (comme la vancomycine, constituée de peptides liés à des disaccharides, utilisée en dernier recours en raison de sa toxicité). * **Modalités d'action :** Étude des interactions temporelles entre concentrations d'antibiotiques et réponses bactériennes. * **Mode d'action :** Inhibition de processus vitaux spécifiques dans la bactérie. #### 1.4.3 Types d'agents antimicrobiens * **Bactériostatique :** Inhibe la croissance des bactéries. Permet au système immunitaire de prendre le relais. * **Bactéricide :** Provoque la mort des bactéries. Indiqué lorsque le système immunitaire du patient est compromis. * **Fongicides :** Agents actifs contre les moisissures. #### 1.4.4 Détermination de l'efficacité des antibiotiques * **Concentration Minimale Inhibitrice (CMI) :** La plus faible concentration d'antibiotique qui inhibe toute croissance visible de la bactérie à l'œil nu. S'exprime en milligrammes par litre (mg/L). > **Méthodes de détermination :** > * Séries de tubes avec différentes concentrations d'antibiotiques et une concentration bactérienne constante. > * Antibiogramme : Disques imprégnés d'antibiotiques placés sur une gélose ensemencée de bactéries. L'absence de croissance autour du disque indique la sensibilité de la bactérie. > * E-test : Bandelette graduée permettant une lecture directe de la CMI. * **Concentration Minimale Bactéricide (CMB) :** La plus faible concentration d'antibiotique pour laquelle 99,99% des bactéries sont tuées. #### 1.4.5 Interprétation des résultats en clinique * **Sensible (S) :** Forte probabilité de succès thérapeutique. * **Résistant (R) :** Forte probabilité d'échec thérapeutique. * **Intermédiaire (I) :** Succès thérapeutique imprévisible. #### 1.4.6 Association d'antibiotiques L'association d'antibiotiques vise à : * Obtenir un effet bactéricide maximal. * Prévenir l'émergence de mutants résistants. * Traiter des infections polymicrobiennes. Les effets observés peuvent être : * **Synergique :** L'effet combiné est supérieur à la somme des effets individuels. * **Additif :** L'effet combiné est égal à la somme des effets individuels. * **Indifférent :** L'effet combiné n'est pas différent de l'effet d'un seul antibiotique. * **Antagoniste :** L'effet combiné est inférieur à l'effet d'un seul antibiotique. #### 1.4.7 Mécanismes d'action des antibiotiques Les antibiotiques peuvent agir à plusieurs niveaux de la bactérie, notamment en : * Inhibant la synthèse de l'acide folique. * Inhibant la synthèse du peptidoglycane, une composante essentielle de la paroi cellulaire bactérienne. L'affaiblissement de la paroi peut entraîner une lyse osmotique. > **Considération :** Les antibiotiques à large spectre peuvent détruire le microbiote bénéfique de l'hôte, créant un environnement propice à la prolifération de bactéries pathogènes. Environ 60% du microbiote peut être affecté par la prise d'antibiotiques. Les mécanismes de résistance et les problèmes de santé publique associés sont des sujets cruciaux à considérer. --- # Histoire et classification des antibiotiques Voici un résumé de l'histoire et de la classification des antibiotiques, conçu pour une préparation d'examen. ## 2. Histoire et classification des antibiotiques Ce chapitre explore l'évolution historique de la découverte des antibiotiques, leur définition précise, leurs origines diverses et les méthodes de classification utilisées pour comprendre leurs propriétés et leur usage thérapeutique. ### 2.1 Définition et origine des antibiotiques Le terme "antibiotique" a été popularisé par S. Waksman dans les années 1930. Un antibiotique est défini comme une molécule chimique, d'origine naturelle, synthétique ou semi-synthétique, capable d'inhiber la croissance, voire de détruire les bactéries, et ce, à très faible concentration. Ils présentent une toxicité sélective envers les bactéries, épargnant généralement l'hôte. Bien que la plupart des antibiotiques soient toxiques à forte dose, leur utilisation clinique repose sur une concentration qui dépasse la toxicité bactérienne sans atteindre la toxicité humaine. Les antibiotiques peuvent avoir diverses origines : * **Organismes vivants :** La majorité des antibiotiques que nous utilisons sont produits par des bactéries (environ 80%) et des moisissures (environ 20%). * **Synthèse chimique :** Certains antibiotiques sont entièrement produits par synthèse chimique, souvent parce que les organismes producteurs naturels en génèrent de faibles quantités. * **Hémisynthèse :** Ces antibiotiques sont obtenus en modifiant chimiquement des antibiotiques naturels. Cette approche vise à améliorer leur affinité pour la cible bactérienne et leurs propriétés pharmacocinétiques. > **Tip:** La pénicilline est considérée comme l'antibiotique le moins toxique pour l'homme parmi ceux couramment utilisés. ### 2.2 Découverte historique des antibiotiques La découverte des antibiotiques a révolutionné la médecine moderne. * **1928 :** Alexander Fleming a observé l'inhibition de la croissance de *Staphylococcus aureus* par un *Penicillium* sur une boîte de Pétri. C'est la découverte fortuite de la pénicilline. * **1938-1942 :** Ernst Boris Chain et Howard Walter Florey ont réussi à purifier et utiliser cliniquement la pénicilline G, marquant le début de l'ère des antibiotiques en tant que médicaments. * **1945 :** Fleming, Chain et Florey ont reçu le prix Nobel de médecine pour leurs travaux sur la pénicilline. ### 2.3 Classification des antibiotiques Les antibiotiques sont classés selon plusieurs critères pour faciliter le choix thérapeutique. Les classifications principales incluent : #### 2.3.1 Classification par origine * **Naturels :** Produit par un micro-organisme (bactérie ou champignon). * **Synthétiques :** Entièrement produit par synthèse chimique. * **Hémisynthétiques :** Molécule naturelle modifiée chimiquement. #### 2.3.2 Classification par spectre d'action Le spectre d'action désigne l'ensemble des espèces bactériennes sur lesquelles un antibiotique est actif. * **Spectre étroit :** L'antibiotique agit sur une catégorie spécifique de bactéries, par exemple, uniquement sur les bactéries Gram-positives. * **Spectre large :** L'antibiotique est actif contre un grand nombre d'espèces bactériennes, incluant à la fois les bactéries Gram-positives et Gram-négatives. > **Tip:** L'utilisation d'antibiotiques à spectre large, bien qu'efficace contre les pathogènes, peut également détruire une partie significative du microbiote bénéfique de l'hôte, ouvrant la voie à des surinfections ou à la prolifération de bactéries pathogènes opportunistes. Environ 60% du microbiote peut être affecté. #### 2.3.3 Classification par nature chimique Cette classification repose sur la structure moléculaire de l'antibiotique. Des exemples incluent : * **Bêta-lactamines :** Caractérisées par un cycle à quatre atomes contenant un azote (le cycle bêta-lactame). C'est la famille la plus utilisée. * **Glycopeptides :** Composés de peptides liés à des disaccharides. La vancomycine en est un exemple. C'est un antibiotique puissant, souvent utilisé en dernier recours en milieu hospitalier en raison de sa toxicité et de sa grande taille moléculaire. #### 2.3.4 Classification par modalités et mode d'action * **Modalités d'action :** Étudient les interactions temporelles entre les concentrations variables d'un antibiotique et la réponse bactérienne. * **Modes d'action :** Décrivent le mécanisme spécifique par lequel l'antibiotique exerce son effet, généralement en inhibant des processus vitaux essentiels à la survie de la bactérie. Les principaux modes d'action sont : * **Inhibition de la synthèse du peptidoglycane :** La paroi cellulaire bactérienne, essentielle à la survie, est ciblée. L'inhibition de cette synthèse affaiblit la paroi et peut entraîner la lyse osmotique de la bactérie. * **Inhibition de la synthèse des protéines :** Les ribosomes bactériens (70S) sont une cible fréquente. * **Inhibition de la synthèse des acides nucléiques :** L'ADN ou l'ARN bactérien sont affectés. * **Altération de la membrane cellulaire :** La membrane plasmique est compromise, entraînant une fuite du contenu cellulaire. * **Inhibition de voies métaboliques essentielles :** Par exemple, l'inhibition de la synthèse de l'acide folique, une voie non présente chez l'hôte humain mais cruciale pour de nombreuses bactéries. #### 2.3.5 Classification par effet sur la croissance bactérienne Les agents antimicrobiens peuvent être classés selon leur impact sur la population bactérienne : * **Bactériostatiques :** Inhibent la croissance et la multiplication des bactéries. La charge bactérienne reste stable ou augmente très lentement. Le système immunitaire de l'hôte prend ensuite le relais pour éliminer les bactéries affaiblies. L'utilisation de bactériostatiques est envisageable chez des patients dont le système immunitaire est fonctionnel. * **Bactéricides :** Provoquent la mort directe des bactéries. La charge bactérienne diminue de manière significative au cours du temps. Ces agents sont souvent préférés chez les patients immunodéprimés ou pour des infections graves où une action rapide est nécessaire. > **Example:** Une courbe témoin de croissance bactérienne montre une phase exponentielle suivie d'une phase stationnaire. L'ajout d'un antibiotique bactériostatique entraînera une inhibition de la croissance (courbe rouge, bleue ou verte sur un graphique typique). L'ajout d'un antibiotique bactéricide entraînera une diminution de la charge bactérienne au fil du temps. ### 2.4 Détermination de la sensibilité aux antibiotiques La détermination de la concentration minimale inhibitrice (CMI) et de la concentration minimale bactéricide (CMB) est cruciale pour optimiser le traitement antibiotique. #### 2.4.1 Concentration Minimale Inhibitrice (CMI) La CMI est la plus faible concentration d'antibiotique qui inhibe toute croissance bactérienne visible à l'œil nu après une période d'incubation standard. Elle s'exprime généralement en milligrammes par litre ($mg/L$). Plusieurs méthodes permettent de déterminer la CMI : * **Méthode par tubes :** Des séries de tubes contenant la bactérie à concentration constante sont préparées. Dans chaque tube, sauf le témoin, une concentration différente d'antibiotique est ajoutée. La CMI correspond à la plus faible concentration d'antibiotique pour laquelle aucune culture visible n'est observée. * **Antibiogramme :** Des disques imprégnés d'antibiotiques sont placés sur une gélose ensemencée de bactéries. Après incubation, des zones d'inhibition autour des disques indiquent la sensibilité. La taille de la zone d'inhibition est inversement proportionnelle à la CMI. * **Interprétation des résultats :** * **Sensible (S) :** Forte probabilité de succès thérapeutique. * **Résistant (R) :** Forte probabilité d'échec thérapeutique. * **Intermédiaire (I) :** Succès thérapeutique imprévisible, dose plus élevée ou fréquence d'administration accrue peut être nécessaire. * **E-test :** Permet une lecture directe de la CMI grâce à des bandelettes imprégnées d'antibiotiques. Son coût est généralement élevé. * **Automates d'identification :** Systèmes automatisés qui déterminent rapidement (environ 4 heures) la sensibilité bactérienne, mais avec un coût important. #### 2.4.2 Concentration Minimale Bactéricide (CMB) La CMB est la plus faible concentration d'antibiotique qui tue 99,99% des bactéries inoculées. Elle est déterminée en partant de la concentration correspondant à la CMI et en ré-inoculant sur un milieu dépourvu d'antibiotique pour vérifier la survie des bactéries. Si, par exemple, la CMI est de 2 $mg/L$, on reprend les cultures de tubes ayant reçu 2 $mg/L$ et plus, et on les transfère sur un milieu sans antibiotique. La plus faible concentration d'antibiotique qui, après ce transfert, n'a conduit à aucune croissance est la CMB. ### 2.5 Association d'antibiotiques Les associations d'antibiotiques sont utilisées pour atteindre plusieurs objectifs : * Obtenir un effet bactéricide maximal. * Prévenir l'émergence de mutants résistants. * Traiter des infections polymicrobiennes. Les interactions entre antibiotiques peuvent être : * **Synergiques :** L'effet combiné est supérieur à la somme des effets individuels (Effet (A+B) > Effet A + Effet B). * **Additives :** L'effet combiné est égal à la somme des effets individuels (Effet (A+B) = Effet A + Effet B). * **Indifférentes :** L'effet combiné est égal à l'effet de l'un des deux antibiotiques (Effet (A+B) = Effet A ou Effet B). * **Antagonistes :** L'effet combiné est inférieur à l'effet de l'un des deux antibiotiques (Effet (A+B) < Effet A ou Effet B). ### 2.6 Mécanismes de résistance aux antibiotiques La résistance aux antibiotiques est un problème de santé publique majeur. Les bactéries peuvent développer des mécanismes pour échapper à l'action des antibiotiques, tels que la production d'enzymes qui dégradent l'antibiotique, la modification de la cible de l'antibiotique, ou la diminution de la pénétration de l'antibiotique dans la cellule. ### 2.7 Agents de stérilisation et désinfection Bien que ce point soit abordé brièvement en amont, il est utile de distinguer : * **Désinfection :** Élimination des agents pathogènes végétatifs, mais pas des endospores bactériennes. Généralement utilisée sur des objets inanimés. * **Stérilisation :** Destruction ou élimination complète de tous les micro-organismes viables. Utilisée sur des objets inertes. * **Antisepsie :** Application d'agents chimiques sur les surfaces du corps pour détruire ou inhiber les agents pathogènes végétatifs. * **Chimiothérapie :** Utilisation d'agents chimiques pour tuer ou inhiber la croissance de micro-organismes à l'intérieur des tissus de l'hôte. Les méthodes de stérilisation incluent les agents physiques (chaleur humide, four Pasteur, autoclave, irradiation) et les méthodes d'élimination mécanique (filtration à froid). La filtration à froid, par exemple, utilise des membranes de 0,2 micromètre pour retenir les bactéries, ce qui est particulièrement utile pour stériliser des solutions thermosensibles comme les protéines ou les antibiotiques eux-mêmes. --- # Détermination de l'efficacité des antibiotiques Voici un résumé détaillé sur la détermination de l'efficacité des antibiotiques, conçu pour un guide d'étude. ## 3. Détermination de l'efficacité des antibiotiques Ce chapitre explore les concepts fondamentaux de la Concentration Minimale Inhibitrice (CMI) et de la Concentration Minimale Bactéricide (CMB), ainsi que les méthodes utilisées pour les déterminer et interpréter les résultats cliniques. ### 3.1 Concepts de base de l'activité antimicrobienne Les antibiotiques (AB) sont des molécules chimiques, d'origine naturelle, synthétique ou semi-synthétique, qui à très faible concentration ont le pouvoir d'inhiber la croissance, voire de détruire des bactéries. Ils possèdent une toxicité sélective contre la bactérie cible et non contre l'hôte. Cependant, la majorité des AB peuvent être toxiques pour l'homme à des concentrations élevées ; la différence réside dans la quantité nécessaire pour atteindre un effet thérapeutique. Il existe deux types principaux d'agents antimicrobiens : * **Bactériostatiques :** Ils inhibent la croissance bactérienne. Le système immunitaire de l'hôte peut ensuite prendre le relais pour éliminer les bactéries. * **Bactéricides :** Ils provoquent la mort des bactéries. L'efficacité d'un antibiotique est souvent représentée graphiquement par l'évolution de la charge bactérienne en fonction du temps. En l'absence d'antibiotique, la population bactérienne suit une courbe de croissance exponentielle puis stationnaire. L'ajout d'un antibiotique bactériostatique ralentit ou stoppe cette croissance, tandis qu'un antibiotique bactéricide entraîne une diminution de la charge bactérienne. > **Tip:** Le choix entre un agent bactériostatique et bactéricide dépend souvent de l'état immunitaire du patient. Chez les patients immunodéprimés, un agent bactéricide est généralement préféré. ### 3.2 Détermination de la concentration minimale inhibitrice (CMI) La **Concentration Minimale Inhibitrice (CMI)** est la plus faible concentration d'antibiotique capable d'inhiber toute croissance visible d'une culture bactérienne à l'œil nu. Elle s'exprime généralement en milligrammes par litre (mg/L). #### 3.2.1 Méthodes de détermination de la CMI Plusieurs méthodes permettent de déterminer la CMI : 1. **Méthode par dilution en série (en tube) :** * On prépare une série de tubes contenant des dilutions successives de l'antibiotique, à partir d'une concentration connue. * À chaque dilution, on ajoute une même quantité de la souche bactérienne à tester. * Un tube témoin sans antibiotique est inclus pour vérifier la viabilité bactérienne. * Après incubation, on observe les tubes. Le tube présentant la plus faible concentration d'antibiotique sans aucune croissance visible de bactéries est considéré comme déterminant la CMI. > **Example:** Si, dans une série de tubes avec des concentrations d'antibiotique de 4 mg/L, 2 mg/L, 1 mg/L, etc., la croissance est observée dans les tubes à 1 mg/L et moins, mais absente à 2 mg/L, alors la CMI est de 2 mg/L. 2. **Antibiogramme (méthode des disques) :** * Cette méthode qualitative ou semi-quantitative est largement utilisée en routine clinique. * On étale une suspension bactérienne uniforme sur la surface d'une boîte de Pétri contenant un milieu de culture solide. * Des disques de papier imprégnés à des concentrations standardisées d'antibiotiques sont placés sur la surface du milieu de culture. * Après incubation, on observe la formation de zones d'inhibition autour des disques. * L'interprétation se base sur la mesure du diamètre de ces zones d'inhibition. Un grand halo autour du disque indique une sensibilité de la bactérie à l'antibiotique testé. * **Interprétation des zones d'inhibition :** * **Absence de zone ou très petite zone :** La bactérie est considérée comme résistante à l'antibiotique. * **Zone d'inhibition intermédiaire :** L'antibiotique a une action intermédiaire, et son efficacité thérapeutique est imprévisible. * **Grand halo autour du disque :** La bactérie est sensible à l'antibiotique, avec une forte probabilité de succès thérapeutique. #### 3.2.2 Applications de la mesure de la CMI La détermination de la CMI est cruciale en : * **Clinique :** Pour évaluer la sensibilité d'une souche bactérienne à une gamme d'antibiotiques et proposer une antibiothérapie adaptée. * **Épidémiologie :** Pour suivre l'évolution des spectres d'action des antibiotiques et détecter l'émergence de résistances acquises. #### 3.2.3 Autres méthodes de détermination de la CMI D'autres techniques existent, souvent plus automatisées et rapides, mais aussi plus coûteuses : * **E-test :** Permet une lecture directe et facile, similaire à une CMI quantitative, mais le coût est élevé. * **Automates d'identification et d'antibiogramme :** Permettent des résultats rapides (souvent en 4 heures), mais représentent un investissement financier conséquent. ### 3.3 Détermination de la concentration minimale bactéricide (CMB) La **Concentration Minimale Bactéricide (CMB)** est la plus faible concentration d'antibiotique qui entraîne la mort d'au moins 99,99% des bactéries inoculées. Pour déterminer la CMB, on peut prolonger l'expérience de détermination de la CMI. Une fois la CMI identifiée (par exemple, 2 mg/L où il n'y a pas de croissance visible), on prélève le contenu des tubes où l'antibiotique était présent à des concentrations égales ou supérieures à la CMI. Ces échantillons sont ensuite ensemencés sur un milieu de culture sans antibiotique. Si aucune croissance bactérienne n'apparaît, cela signifie que l'antibiotique à cette concentration a bien tué les bactéries. La plus faible concentration pour laquelle cela est observé correspond à la CMB. > **Tip:** La relation entre CMI et CMB est importante. Si CMB est proche de CMI (par exemple, CMB/CMI $\leq$ 4), l'antibiotique est souvent considéré comme bactéricide. Si CMB est significativement plus élevée que CMI (par exemple, CMB/CMI > 4 ou > 8), l'antibiotique est plutôt bactériostatique. ### 3.4 Association d'antibiotiques L'association de deux ou plusieurs antibiotiques peut avoir pour objectifs : * D'obtenir un effet synergique, où l'effet combiné (A+B) est supérieur à la somme des effets individuels de A et de B. * De prévenir l'émergence de mutants résistants. * De traiter une infection poly-microbienne. Les types d'interactions possibles entre antibiotiques sont : * **Synergie :** Effet (A+B) > Effet A + Effet B * **Additivité :** Effet (A+B) = Effet A + Effet B * **Indifférence :** Effet (A+B) = Effet A ou Effet B * **Antagonisme :** Effet (A+B) < Effet A ou Effet B > **Tip:** Le choix d'associer des antibiotiques doit être fait avec prudence, car un antagonisme peut rendre le traitement inefficace, voire aggraver la situation. ### 3.5 Modes d'action des antibiotiques Les antibiotiques peuvent agir sur différentes cibles au sein de la bactérie. Les mécanismes d'action principaux incluent : * L'inhibition de la synthèse de la paroi cellulaire, notamment le peptidoglycane. L'inhibition de cette synthèse affaiblit la structure bactérienne et peut conduire à une lyse osmotique. * L'inhibition de la synthèse des protéines (ribosomes). * L'inhibition de la synthèse des acides nucléiques (ADN ou ARN). * L'inhibition des voies métaboliques essentielles, comme la synthèse de l'acide folique. Il est important de noter que de nombreux antibiotiques à large spectre peuvent également affecter le microbiote bénéfique de l'hôte, ce qui peut avoir des conséquences sur la santé. --- # Modes d'action et résistance des antibiotiques Ce chapitre détaille les mécanismes par lesquels les antibiotiques exercent leur action sur les bactéries et explore les diverses stratégies de résistance que les bactéries développent, ainsi que leurs implications en santé publique. ### 4.1 Modes d'action des antibiotiques Les antibiotiques sont des molécules chimiques, d'origine naturelle, synthétique ou hémisynthétique, capables d'inhiber la croissance ou de détruire des bactéries à très faible concentration. Ils possèdent une toxicité sélective pour la bactérie, minimisant l'effet sur l'hôte. L'efficacité d'un antibiotique dépend de sa concentration et de son interaction avec la bactérie au fil du temps. Les antibiotiques agissent spécifiquement en inhibant des processus vitaux essentiels à la survie bactérienne. #### 4.1.1 Cibles d'action des antibiotiques La majorité des antibiotiques ciblent des processus spécifiques au sein de la bactérie : * **Synthèse de la paroi bactérienne (peptidoglycane) :** L'inhibition de la synthèse du peptidoglycane affaiblit la paroi cellulaire, rendant la bactérie vulnérable à la lyse osmotique. Cette voie est particulièrement sensible aux antibiotiques. * **Inhibition de la synthèse de l'acide folique :** L'acide folique est essentiel à la synthèse des acides nucléiques et des acides aminés. Son inhibition bloque donc la croissance bactérienne. #### 4.1.2 Classification des antibiotiques Les antibiotiques sont classés selon plusieurs critères pour faciliter le choix thérapeutique : * **Origine :** Organisme vivant (naturel), production par synthèse chimique, ou hémisynthèse (modification d'un antibiotique naturel). * **Spectre d'action :** * **Spectre étroit :** Actif contre un groupe limité de bactéries (par exemple, uniquement les Gram positives). * **Spectre large :** Actif contre une majorité de bactéries, incluant les Gram positives et Gram négatives. * **Nature chimique :** Caractérisée par une structure moléculaire spécifique. Par exemple, les bêta-lactamines possèdent un cycle bêta-lactame. Les glycopeptides, comme la vancomycine, sont de grandes molécules composées d'un peptide lié à des sucres. * **Modalités d'action :** Étude de l'interaction entre les concentrations d'antibiotiques et la bactérie dans le temps. * **Modes d'action :** Les processus métaboliques spécifiques ciblés par l'antibiotique. > **Tip :** Les antibiotiques à large spectre, bien que pratiques, peuvent détruire les bactéries utiles du microbiote, créant un déséquilibre qui favorise la prolifération de bactéries pathogènes. Environ 60% du microbiote peut être affecté par un traitement antibiotique. #### 4.1.3 Types d'agents antimicrobiens * **Bactériostatiques :** Ces agents inhibent la croissance bactérienne sans nécessairement tuer les cellules. Ils sont particulièrement utiles chez les patients dont le système immunitaire est fonctionnel, car le système immunitaire peut ensuite éliminer les bactéries mises au repos. * **Bactéricides :** Ces agents provoquent la mort des bactéries. Ils sont souvent privilégiés chez les patients immunodéprimés ou lors d'infections graves. #### 4.1.4 Détermination de la sensibilité aux antibiotiques La détermination de la Concentration Minimale Inhibitrice (CMI) et de la Concentration Minimale Bactéricide (CMB) est cruciale pour l'efficacité du traitement. * **Concentration Minimale Inhibitrice (CMI) :** La plus faible concentration d'antibiotique capable d'inhiber toute croissance bactérienne visible. Elle est exprimée en milligrammes par litre (mg/l). * **Concentration Minimale Bactéricide (CMB) :** La plus faible concentration d'antibiotique capable de tuer 99,99% des bactéries. Les méthodes de détermination incluent : * **Séries de tubes :** Incubation de bactéries en présence de différentes concentrations d'antibiotiques. * **Antibiogramme :** Utilisation de disques imprégnés d'antibiotiques sur une gélose inoculée par la bactérie. La mesure du diamètre du halo d'inhibition permet d'évaluer la sensibilité. Un grand halo indique une sensibilité (S), un petit halo une résistance (R), et un halo intermédiaire une sensibilité intermédiaire (I). * **E-test :** Méthode permettant une lecture directe de la CMI sur une bandelette graduée. * **Automates d'identification :** Systèmes automatisés et rapides pour déterminer la sensibilité. > **Tip :** En clinique, la détermination de la sensibilité permet de choisir l'antibiotique le plus approprié pour traiter une infection et de prévenir l'émergence de résistances. En épidémiologie, elle aide à suivre l'évolution des résistances bactériennes. #### 4.1.5 Association d'antibiotiques Les associations d'antibiotiques peuvent être utilisées pour : * Obtenir un effet synergique (effet combiné supérieur à la somme des effets individuels). * Prévenir l'émergence de mutants résistants. * Traiter des infections polymicrobiennes. Les types d'interactions entre antibiotiques sont : * **Synergie :** Effet (A+B) > effet A + effet B. * **Addition :** Effet (A+B) = effet A + effet B. * **Indifférence :** Effet (A+B) = effet A ou effet B. * **Antagonisme :** Effet (A+B) < effet A ou effet B. ### 4.2 Mécanismes de résistance des antibiotiques Les bactéries peuvent développer des mécanismes de résistance aux antibiotiques, compromettant l'efficacité des traitements et posant un grave problème de santé publique. #### 4.2.1 Synthèse des mécanismes de résistance Les mécanismes de résistance permettent aux bactéries de survivre en présence d'antibiotiques. Ces mécanismes peuvent être intrinsèques (présents naturellement chez certaines espèces bactériennes) ou acquis (obtenus par mutation ou transfert horizontal de gènes). #### 4.2.2 Stratégies de résistance Les bactéries emploient diverses stratégies pour résister aux antibiotiques : * **Modification de la cible de l'antibiotique :** La bactérie modifie la structure de la molécule sur laquelle l'antibiotique agit (par exemple, modification des protéines ribosomiques pour les antibiotiques qui ciblent la synthèse protéique). * **Inactivation enzymatique de l'antibiotique :** La bactérie produit des enzymes qui dégradent ou modifient chimiquement l'antibiotique, le rendant inactif. Un exemple classique est la production de bêta-lactamases qui hydrolysent le cycle bêta-lactame des pénicillines et céphalosporines. * **Diminution de la perméabilité de la membrane externe :** Chez les bactéries à Gram négatif, la modification des porines (canaux protéiques dans la membrane externe) peut réduire l'entrée de l'antibiotique dans la cellule. * **Efflux actif de l'antibiotique :** Les bactéries possèdent des pompes d'efflux qui expulsent activement l'antibiotique hors de la cellule avant qu'il n'atteigne sa cible ou ne puisse agir efficacement. ### 4.3 Problème de santé publique La résistance aux antibiotiques est un problème de santé publique majeur à l'échelle mondiale. L'utilisation inappropriée et excessive des antibiotiques, tant en médecine humaine qu'en médecine vétérinaire et dans l'agriculture, accélère l'émergence et la propagation des bactéries résistantes. Cela conduit à des infections plus difficiles à traiter, à une augmentation de la morbidité et de la mortalité, et à une hausse des coûts de santé. > **Tip :** La lutte contre la résistance aux antibiotiques passe par une utilisation judicieuse de ces médicaments, le respect des prescriptions médicales, l'amélioration de l'hygiène et des mesures de prévention des infections, ainsi que le développement de nouvelles stratégies thérapeutiques. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Désinfection | Processus visant à détruire ou éliminer les agents pathogènes végétatifs, excluant les endospores bactériennes, généralement appliqué sur des objets inanimés. | | Stérilisation | Élimination complète ou destruction de tous les micro-organismes viables, appliquée sur des objets inanimés ou du matériel. | | Antisepsie | Application d'agents chimiques sur les surfaces du corps pour détruire ou inhiber les agents pathogènes végétatifs. | | Chimiothérapie | Utilisation d'agents chimiques pour tuer ou inhiber la croissance de micro-organismes à l'intérieur des tissus de l'hôte. | | Autoclave | Appareil utilisant la chaleur humide pour stériliser, particulièrement efficace pour les verreries, instruments métalliques et milieux de culture, mais non adapté aux liquides thermosensibles. | | Four Pasteur | Méthode de stérilisation par chaleur sèche, utilisée pour les verreries, instruments métalliques et petit matériel, mais inadéquate pour les liquides aqueux qui s'évaporeraient. | | Filtration à froid | Méthode d'élimination mécanique utilisée pour stériliser des solutions ou de l'air en les faisant passer à travers une membrane poreuse de 0,2 μm, empêchant le passage des bactéries mais potentiellement pas des virus. | | Composés phénoliques | Agents chimiques couramment utilisés dans les hôpitaux pour leurs propriétés désinfectantes, bien que des phénomènes de résistance aient limité leur usage. | | Éthylène oxide | Gaz utilisé pour la stérilisation de certains matériaux sensibles à la chaleur, comme les dispositifs médicaux en plastique. | | Antibiotique | Molécule chimique, d'origine naturelle, synthétique ou semi-synthétique, capable d'inhiber la croissance ou de détruire les bactéries à très faible concentration, avec une toxicité sélective. | | Spectre d'action | Ensemble des espèces de bactéries (Gram+ et/ou Gram-) sur lesquelles un antibiotique est actif, pouvant être étroit ou large. | | Bêta-lactame | Famille d'antibiotiques caractérisée par une structure de base incluant un cycle bêta-lactame, l'une des familles les plus utilisées en thérapeutique. | | Vancomycine | Antibiotique de la famille des glycopeptides, le plus toxique et utilisé en dernier recours, composé de peptides reliés à un disaccharide. | | Bactériostatique | Type d'agent antimicrobien qui inhibe la croissance des bactéries sans les tuer directement. | | Bactéricide | Type d'agent antimicrobien qui provoque la mort des bactéries. | | CMI (Concentration Minimale Inhibitrice) | Plus faible concentration d'un antibiotique capable d'inhiber toute culture visible d'une bactérie après une période d'incubation définie. | | Antibiogramme | Test in vitro utilisé pour déterminer la sensibilité d'une souche bactérienne à différents antibiotiques, basé sur la mesure des zones d'inhibition autour des disques imprégnés d'antibiotiques. | | CMB (Concentration Minimale Bactéricide) | Plus faible concentration d'un antibiotique qui entraîne la mort de 99,99% des bactéries inoculées. | | Peptidoglycane | Composant essentiel de la paroi cellulaire bactérienne, dont la synthèse peut être ciblée par certains antibiotiques, entraînant la lyse de la bactérie. | | Microbiote | Ensemble des micro-organismes (bactéries, champignons, virus) qui vivent en symbiose dans ou sur un organisme hôte, jouant un rôle crucial dans la santé. |

# Introductie tot microbiologie en de diversiteit van het leven Introductie tot microbiologie en de diversiteit van het leven Dit onderwerp introduceert de wereld van micro-organismen en hun diepgaande impact op al het leven, inclusief de mens, en hoe technologische vooruitgang de ontdekking van nieuwe micro-organismen bevordert. ## 1. Introductie tot microbiologie en de diversiteit van het leven ### 1.1 De microscopische wereld en de mens Microbiologie begon met de uitvinding van de microscoop in de 17e eeuw, waardoor levende micro-organismen zoals kokken en staven zichtbaar werden. Aanvankelijk werd hun rol niet begrepen, maar in de 19e eeuw werd hun verband met processen als bederf, wijnproductie en ziekte gelegd. De mens, hoewel macroscopisch dominant, leeft in een complexe, onderling afhankelijke relatie met talloze micro-organismen. Veranderingen in het milieu, zoals bevolkingsgroei, hygiëne, antibioticagebruik en mobiliteit, beïnvloeden deze relatie continu. > **Tip:** Begrijp dat de mens geen geïsoleerd organisme is, maar deel uitmaakt van een groter ecologisch systeem waarin micro-organismen een cruciale rol spelen. ### 1.2 De drie domeinen van het leven De ontdekking van de microscoop splitste het leven op in een zichtbare en onzichtbare wereld. De toenmalige visie was dat onzichtbaar leven spontaan kon ontstaan (generatio spontanea), terwijl zichtbaar leven geschapen was. Moderne inzichten, met name door de 16S rRNA-analyse, hebben geleid tot de indeling van het leven in drie domeinen: * **Archaea:** Eencellige micro-organismen, vaak te vinden in extreme omstandigheden. Ze hebben geen celkern. * **Bacteria:** Een divers rijk van eencellige micro-organismen zonder celkern. * **Eukarya:** Organismen waarvan de cellen een celkern bevatten, waaronder planten, dieren, schimmels en protisten. De diversiteit binnen de microbiële wereld is vele malen groter dan die van de multicellulaire, zichtbare wereld. Virussen worden niet opgenomen in deze classificatie, maar worden beschouwd als infectieuze agentia die deel uitmaken van de genenpool en actief deelnemen aan de evolutie van het leven. De evolutionaire geschiedenis wordt gevisualiseerd in een fylogenetische boom, gebaseerd op nucleïnezuursequenties in plaats van fenotypische kenmerken. De Eukarya zijn waarschijnlijk ontstaan uit een fusie van een archaeon en een bacterie, waarbij mitochondriën zijn ontstaan uit de bacteriële partner. > **Tip:** De 16S rRNA-sequentie is een krachtig hulpmiddel voor taxonomie en fylogenie omdat het functioneel identiek is in alle levende wezens en wijdverspreid voorkomt. ### 1.3 De kiemtheorie van Koch De kiemtheorie stelt dat infectieziekten worden veroorzaakt door micro-organismen, in tegenstelling tot de oudere opvatting van "kwaadaardige dampen" of "overdraagbare gifstoffen". Robert Koch identificeerde in de jaren 1870-1880 de verwekkers van miltvuur, tuberculose en cholera. Hoewel Koch's postulaten nog steeds een basis vormen, is het belangrijk te erkennen dat niet alle bacteriën ziekteverwekkend zijn, en dat sommige ziekteverwekkers, zoals conditionele pathogenen (bijv. *E. coli* in de blaas), alleen ziekte veroorzaken onder specifieke omstandigheden of bij verzwakte gastheersystemen. Opportunistische infecties en dysbacteriose zijn andere manifestaties van microbiële interacties. ### 1.4 Interacties tussen species in één niche Levende organismen leven niet geïsoleerd, maar in complexe interacties binnen specifieke niches. De menselijke "macroscopische niche" (onze omgeving) en microscopische niches (zoals de darm of huid) herbergen diverse microbiële gemeenschappen. * **Commensalen:** Niet-ziekmakende symbionten die samenleven met de gastheer. * **Symbionten:** Organismen die wederzijds voordeel ondervinden (zoals cyanobacteriën en schimmels in korstmossen, of de mens en zijn darmbacteriën). * **Pathogenen:** Ziekteverwekkers die ziekte kunnen veroorzaken. Het menselijk lichaam bevat fysiologisch steriele en niet-steriele gebieden. De dikke en dunne darm herbergen een enorme hoeveelheid bacteriën, archaea, virussen en protozoa, die samen een enorm "metabool orgaan" vormen dat de menselijke metabole capaciteit aanvult. Dit microbioom, samen met het viroom (virale component), vormt het "human metagenoom". De samenstelling van het microbioom is dynamisch en kan beïnvloed worden door voeding, levensstijl en hygiëne. Veranderingen in het metagenoom kunnen leiden tot vatbaarheid voor ziekte, zoals zware diarree na antibioticagebruik. > **Voorbeeld:** Germ-free dieren (kiemvrije dieren) vertonen ernstige ontwikkelingsstoornissen in hun spijsverteringsstelsel en immuunsysteem, wat het belang van de darmmicrobiota benadrukt. ### 1.5 Infectieziekten: impact op de mens en zijn genoom Infectieziekten waren voor 1900 de belangrijkste doodsoorzaak, sterk beïnvloed door bevolkingsgroei en verstedelijking. Hoewel moderne geneeskunde en antibiotica de mortaliteit door infecties drastisch hebben verminderd, blijven infectieziekten een significante bedreiging. De menselijke evolutie is sterk beïnvloed door pathogenen, wat heeft geleid tot selectie van genetische varianten die beter bestand zijn tegen infecties. Voorbeelden hiervan zijn de verschillen in HLA-allelfrequenties tussen bevolkingsgroepen, die een weerspiegeling zijn van de specifieke pathogenen waaraan ze historisch zijn blootgesteld. De verspreiding van de mens vanuit Afrika en de daaropvolgende isolatie van continenten hebben geleid tot verschillende pathogenenpopulaties. De hernieuwde contacten tussen Eurazië en Amerika na 1492 resulteerden in catastrofale epidemieën onder inheemse Amerikanen, die geen weerstand hadden tegen Euraziatische ziekten zoals pokken en mazelen. Omgekeerd werden Euraziërs mogelijk blootgesteld aan syfilis vanuit Amerika. ### 1.6 Oude, nieuwe en terugkerende pathogenen Pathogenen kunnen worden ingedeeld op basis van hun oorsprong en evolutie: * **Pathogenen van niet-levende dragers:** Zoals *Clostridia* en *Pseudomonas* die in de bodem of het water voorkomen. * **Pathogenen van levende dragers (mens):** * **"Oude" pathogenen:** Virussen die een lange co-evolutie met de mens hebben gehad, zoals herpesvirussen, die vaak leiden tot lage mortaliteit en persistentie. * **Pathogenen van de laatste 10.000-12.000 jaar:** Zoals pokken, mazelen en influenza, die waarschijnlijk zijn overgesprongen van gedomesticeerde dieren na het ontstaan van de landbouw. * **Pathogenen van de laatste 100 jaar:** Nieuwe emergentie van ziekten zoals legionellose, AIDS, de ziekte van Lyme, *E. coli* O157:H7, en diverse virale pandemieën (SARS, MERS, Ebola, Zika). Deze pathogenen zijn niet noodzakelijk in evenwicht met de gastheerpopulatie en kunnen hoge mortaliteit veroorzaken. * **Terugkerende pathogenen:** Ziekten zoals tuberculose en bof die opnieuw opkomen, vaak door factoren als immuunsuppressie, bevolkingsdichtheid of verminderde vaccinatiegraad. De evolutie van pathogenen is een continue "Red Queen's Race" waarbij pathogenen zich aanpassen om immuunevasie te bewerkstelligen, terwijl het gastheersysteem zich ontwikkelt om weerstand te bieden. Dit dynamische proces verklaart waarom het volledig uitroeien van ziekteverwekkers een enorme uitdaging blijft. --- # Microbiële interacties en de kiemtheorie Dit deel behandelt de complexe relaties tussen micro-organismen in gedeelde leefomgevingen, met een focus op de fundamentele kiemtheorie van Koch en de implicaties ervan voor het begrijpen van ziekten. ### 2.1 De kiemtheorie van Koch De kiemtheorie, zoals geformuleerd door Robert Koch, legt een direct verband tussen specifieke micro-organismen en specifieke ziekten. Vóór de 19e eeuw werden ziekten vaak toegeschreven aan onduidelijke oorzaken zoals "kwaadaardige dampen", "overdraagbare gifstoffen" of magie. De kiemtheorie revolutioneerde dit door te stellen dat infectieziekten worden veroorzaakt door micro-organismen. #### 2.1.1 Kochs postulaten Koch ontwikkelde een reeks criteria, bekend als Kochs postulaten, om de oorzakelijke relatie tussen een micro-organisme en een ziekte aan te tonen. Deze postulaten zijn: 1. Het micro-organisme moet aanwezig zijn in alle gevallen van de ziekte en afwezig zijn in gezonde individuen. 2. Het micro-organisme moet geïsoleerd kunnen worden uit een geïnfecteerd individu en in cultuur kunnen worden gebracht. 3. De gekweekte micro-organisme moet bij een gezond, vatbaar individu dezelfde ziekte veroorzaken. 4. Het micro-organisme moet opnieuw geïsoleerd kunnen worden uit het experimenteel geïnfecteerde individu en geïdentificeerd kunnen worden als identiek aan het oorspronkelijke organisme. Koch gebruikte deze postulaten om de verwekkers van miltvuur ($ \text{Bacillus anthracis} $), tuberculose ($ \text{Mycobacterium tuberculosis} $) en cholera ($ \text{Vibrio cholerae} $) te identificeren in de periode 1870-1880. > **Tip:** Kochs postulaten zijn cruciaal voor het bewijzen van causaliteit bij infectieziekten, maar er zijn ook uitzonderingen en beperkingen, zoals hieronder besproken. #### 2.1.2 Toepassing en beperkingen van Kochs postulaten Hoewel Kochs postulaten baanbrekend waren, zijn ze niet altijd universeel toepasbaar. * **Conditionele pathogenen:** Niet alle bacteriën veroorzaken altijd ziekte bij infectie. Sommige micro-organismen, zoals $ \text{E. coli} $ die blaasontstekingen veroorzaken, kunnen bij gezonde individuen aanwezig zijn zonder ziekte te veroorzaken. Hun pathogene potentieel is afhankelijk van de vatbaarheid van het individu, de kolonisatie- en invasiekansen, en de immuunrespons. Deze worden conditionele pathogenen genoemd. * **Opportunistische infecties:** Micro-organismen die geen ziekte kunnen veroorzaken bij gezonde personen, maar wel bij personen met een verzwakt immuunsysteem, worden opportunistische pathogenen genoemd (bv. $ \text{Pneumocystis jeroveci} $ die pneumonie kan veroorzaken). * **Dysbacteriose:** Soms is een ziekte niet toe te schrijven aan overgroei van één specifieke kiem, maar aan een disbalans in de lokale flora. * **Niet-cultiveerbare micro-organismen:** Sommige micro-organismen kunnen niet in standaard laboratoriumomstandigheden worden gekweekt, wat isolatie en cultuur bemoeilijkt. * **Virussen:** Virussen kunnen niet worden gekweekt zoals bacteriën en zijn afhankelijk van gastheercellen om zich voort te planten. Kochs postulaten zijn oorspronkelijk ontwikkeld voor bacteriën. De ontdekking van virussen en hun detectie onder de elektronenmicroscoop (1930) en later via antigeen- en genoomdetectie (PCR, NGS) heeft dit beeld veranderd. * **Ethiek:** Het opzettelijk infecteren van gezonde individuen met micro-organismen voor experimentele doeleinden is ethisch onaanvaardbaar. Ondanks deze beperkingen blijven Kochs postulaten een belangrijk theoretisch kader voor het begrijpen van de etiologie van infectieziekten. ### 2.2 Interacties tussen species in één niche Micro-organismen leven zelden solitair; ze bevinden zich vrijwel altijd in complexe gemeenschappen binnen specifieke niches. De interacties binnen deze gemeenschappen variëren van symbiose tot concurrentie en parasitering. #### 2.2.1 Commensalen, symbionten en pathogenen * **Commensalen:** Dit zijn micro-organismen die in een gedeelde leefomgeving (niche) leven en voordeel halen uit de gastheer zonder deze significant te schaden of te bevoordelen. De mens huisvest talloze commensale bacteriën, met name in de darm, die een integraal onderdeel vormen van ons ecosysteem. * **Symbionten:** Dit zijn organismen die een wederzijds voordelige relatie aangaan. De mens en de darmbacteriën kunnen als een gecombineerd organisme worden beschouwd, waarbij de microbiota (microbioom) een cruciale rol speelt in metabolische processen, zoals de afbraak van onverteerbare polysacchariden en de productie van vitamines. Het gecombineerde genoom van de menselijke microbiota bevat miljoenen genen, wat een aanzienlijke metabole activiteit genereert die de menselijke metabole activiteit aanvult. * **Pathogenen:** Dit zijn micro-organismen die ziekte kunnen veroorzaken. De verspreiding van pathogenen in de "levensboom" toont aan dat pathogeniciteit een eigenschap is die onafhankelijk is ontstaan in verschillende groepen micro-organismen, waaronder bacteriën, eukaryoten en virussen. #### 2.2.2 Leven in de niche: voorbeelden en mechanismen * **De mens als niche:** De mens biedt diverse niches voor micro-organismen, variërend van fysiologisch steriele gebieden zoals bloed en het interne milieu, tot niet-steriele gebieden zoals de huid en de darm. De dikke en dunne darm herbergen de grootste concentratie micro-organismen, met naar schatting $ 10^{14} $ bacteriën, archaea, virussen en protozoa. * **Het microbioom en viroom:** De verzameling van microbieel DNA in ons lichaam wordt het **microbioom** genoemd, terwijl het virale RNA/DNA het **viroom** vormt. Het humaan viroom bestaat uit ziekmakende virussen, niet-pathogene virussen en bacteriofagen (virussen die bacteriën infecteren). Bacteriofagen spelen een rol bij horizontale gentransfer, wat de evolutie van bacteriën, inclusief resistentie tegen antibiotica, kan beïnvloeden. * **Dynamiek van het microbioom:** De samenstelling van het microbioom is dynamisch en wordt beïnvloed door factoren zoals voeding, levensstijl en hygiëne. Verstoringen, bijvoorbeeld door antibioticagebruik, kunnen leiden tot disbalansen en ziekten zoals diarree. * **Germ-free dieren:** Onderzoek met kiemvrije dieren (muizen zonder micro-organismen) toont het cruciale belang van de microbiota aan voor de ontwikkeling van het immuunsysteem, de darmmorfologie en de metabole efficiëntie. Deze dieren hebben een vergroot caecum, een verkleind darmoppervlak met verminderde absorptie, en een onderontwikkeld immuunsysteem. > **Example:** Lichenen zijn een klassiek voorbeeld van symbiose, waarbij een cyanobacterie energie genereert door fotosynthese en twee schimmels voor structuur zorgen. De schimmels worden buiten de lichen niet aangetroffen, wat de wederzijdse afhankelijkheid illustreert. Op vergelijkbare wijze leven wij samen met onze darm- en huidbacteriën. * **Virale evolutie:** Virussen, hoewel geen levende cellen, bevatten genen die evolueren volgens Darwiniaanse principes. Ze kunnen zich snel aanpassen, wat leidt tot diversiteit, zoals waargenomen bij het HIV-virus binnen één patiënt. Schattingen suggereren dat slechts een klein percentage van alle bestaande virussen bekend is. * **Impact van veranderende omgevingen:** Veranderingen in de omgeving, zoals bevolkingstoename, urbanisatie, hygiëne en antibioticagebruik, hebben een grote invloed op microbiële interacties en de opkomst van nieuwe pathogenen. Ziekenhuizen kunnen door de concentratie van (multiresistente) organismen een vergelijkbaar probleem vormen als steden in de 19e eeuw met infectieziekten. #### 2.2.3 Infectieziekten en menselijke evolutie De geschiedenis van de mensheid is sterk beïnvloed door interacties met micro-organismen. De opkomst van landbouw en dichtbevolkte gemeenschappen leidde tot een toename van infectieziekten. Genetische aanpassingen, zoals veranderingen in HLA-eiwitten, zijn ontstaan als reactie op blootstelling aan specifieke pathogenen. De globale verspreiding van de mens heeft ook geleid tot het uitwisselen van pathogenen tussen continenten, met desastreuze gevolgen voor populaties die er geen weerstand tegen hadden ontwikkeld. > **Example:** Bij het herstel van contacten tussen Eurazië en Amerika na 1492 overleed ongeveer 90% van de inheemse Amerikaanse bevolking aan ziekten zoals pokken, mazelen en influenza, die in Eurazië waren ontstaan en waarvoor de Euraziatische bevolking al enige weerstand had opgebouwd. De strijd tussen mens en micro-organisme wordt wel vergeleken met "The Red Queen's Race" uit Alice in Wonderland: constante evolutie en aanpassing zijn nodig om te overleven, waarbij pathogenen voortdurend immuunevasie ontwikkelen. * **Recente en terugkerende pathogenen:** De opkomst van nieuwe ziekteverwekkers zoals AIDS, SARS, Ebola en Zika, evenals de terugkeer van oude, zoals tuberculose, onderstrepen de voortdurende evolutie van de microbiële wereld en de noodzaak van constante waakzaamheid in de volksgezondheid. Deze recente pathogenen zijn niet altijd in evenwicht met de gastheer en kunnen zeer hoge mortaliteit veroorzaken. --- # Infectieziekten, menselijke evolutie en pathogenen Oké, hier is de studiehandleiding voor "Infectieziekten, menselijke evolutie en pathogenen", opgesteld volgens jouw specificaties. ## 3. Infectieziekten, menselijke evolutie en pathogenen Dit onderwerp onderzoekt de complexe interactie tussen infectieziekten, de menselijke evolutie en de dynamiek van pathogenen. ### 3.1 De plaats van de mens in de microkosmos * In tegenstelling tot een macroscopisch beeld waarin de mens als dominant wordt gezien, leeft de mens microscopisch gezien in een wereld van andere levende wezens, waarvan we afhankelijk zijn en waarmee we een kringloopproces vormen. Verstoringen door bevolkingstoename, hygiëne, antibioticagebruik en mobiliteit beïnvloeden deze relatie continu. ### 3.2 De drie domeinen van het leven en microbiële evolutie * De ontdekking van de microscoop opende de deur naar de microkosmos. Aanvankelijk werd aangenomen dat micro-organismen spontaan ontstonden, maar later werd hun link met rottingsprocessen, voedselproductie en ziekte ontdekt. * Op basis van moleculaire kenmerken, met name 16S rRNA-sequenties, is het leven ingedeeld in drie domeinen: Archaea, Bacteria en Eukarya. Virussen, hoewel geen levende cellen, worden beschouwd als deel van de genenpool en nemen actief deel aan evolutie. * De diversiteit binnen de bacteriën is vele malen groter dan die van de zichtbare wereld van multicellulaire organismen. * Horizontale gentransfer (HGT) speelt een cruciale rol, vooral bij bacteriën, en verklaart bijvoorbeeld de snelle verspreiding van antibioticaresistentie. Het pangenoom van *E. coli* omvat bijvoorbeeld aanzienlijk meer genen dan het coregenoom. * Virussen en bacteriën passen zich zeer snel aan hun omgeving aan, mede door hun hoge reproductiesnelheid. Dit is experimenteel aangetoond met de MEGA-plate, die snelle evolutie en resistentieontwikkeling van *E. coli* onder antibioticadruk toonde. * Diagnostische methoden voor micro-organismen zijn geëvolueerd van microscopie naar antigeen- en genoomdetectie (PCR, NGS). Een significant deel van het humaan genoom (ongeveer 8%) bestaat uit ingebouwd viraal materiaal (endogene retrovirussen). > **Tip:** Begrijpen hoe virussen zich gedragen als 'dood materiaal dat tot leven kan komen in gastheercellen' en hoe ze evolueren zoals beschreven door Darwin, is essentieel voor het begrijpen van hun impact. ### 3.3 De kiemtheorie en pathogenen * De kiemtheorie, die stelt dat ziekten worden veroorzaakt door micro-organismen, verving de oudere ideeën over kwaadaardige dampen of gifstoffen. Robert Koch identificeerde de veroorzakers van miltvuur, tuberculose en cholera. * Koch's postulaten zijn echter niet altijd strikt toepasbaar. Infectieziekten kunnen worden veroorzaakt door conditionele pathogenen (die ziekte veroorzaken afhankelijk van de gastheer), opportunistische pathogenen (die profiteren van een verzwakt immuunsysteem) of dysbacteriose (balansverstoring van de lokale flora). * Pathogenen zijn verspreid over de levensboom (Archaea, Bacteria, Eukarya, virussen) en delen vaak dezelfde niche als hun gastheer. > **Tip:** Het is belangrijk te onthouden dat niet alle bacteriën ziekteverwekkend zijn en dat contact met ziekteverwekkers niet altijd tot ziekte leidt. De vatbaarheid van het individu is cruciaal. ### 3.4 Interacties tussen species in één niche * Micro-organismen leven in en op ons lichaam. Fysiologisch steriele plaatsen omvatten het bloed, de hersenen, lever, ademhalingsorganen (bronchioli, alveoli) en het urogenitale systeem. Plaatsen die fysiologisch niet-steriel zijn, zijn de huid, mond, keel en het maag-darmkanaal. * De dikke en dunne darm herbergen een enorm microbioom (10¹⁴ bacteriën, plus Archaea, virussen, gisten en protozoa) met een gezamenlijk genoom dat onze eigen metabole capaciteit aanvult en ons helpt bij het verteren van complexe koolhydraten en de productie van vitamines. * Het humaan viroom, dat zowel ziekmakende als niet-pathogene virussen omvat, is divers. Bacteriofagen, virussen die bacteriën doden of genetisch modificeren, spelen een rol in horizontale gentransfer. * Next Generation Sequencing (NGS) maakt de analyse van het human metagenoom (microbioom en viroom) mogelijk. De samenstelling van het microbioom is dynamisch en kan veranderen door voeding, levensstijl en hygiëne, wat invloed heeft op de vatbaarheid voor ziekte. * Germ-free dieren tonen aan hoe cruciaal het microbioom is voor de ontwikkeling van het maag-darmkanaal, immuunsysteem en metabolisme. > **Voorbeeld:** De samenstelling van het darmmicrobioom kan obesitas voorspellen, omdat bepaalde microben efficiënter koolhydraten verwerken. ### 3.5 Infectieziekten: impact op de mens en zijn genoom * Historisch gezien waren infectieziekten, aangewakkerd door bevolkingstoename, de belangrijkste doodsoorzaken, in tegenstelling tot huidige oorzaken zoals kanker en hart- en vaatziekten. Steden werden regelmatig gedecimeerd door epidemieën. * De menselijke populatie heeft zich in de laatste 10-15 duizend jaar, een relatief korte periode, sterk aangepast aan infectieziekten, vooral door de toename van dichte samenlevingen en landbouw. Dit heeft geleid tot selectie van genetische varianten die beter bestand zijn tegen specifieke pathogenen. * De spreiding van de mens vanuit Afrika over de wereld, en de breuk in contacten tussen Eurazië en Amerika, heeft geleid tot duidelijke verschillen in weerstand tegen pathogenen. Bij herstel van contacten stierven grote aantallen inheemse Amerikanen aan Euraziatische ziekten waarvoor zij geen weerstand hadden ontwikkeld. Syfilis zou een voorbeeld zijn van een ziekte die van Amerika naar Eurazië is overgebracht. * **Co-evolutie van mens en pathogeen:** * **Oude pathogenen** (afkomstig van niet-levende dragers zoals grond en water, of van levende dragers): Deze zijn vaak langdurig geassocieerd met de mens, wat leidt tot een relatief lage mortaliteit en persistentie van het virus (bv. herpesvirussen). * **Nieuwe pathogenen** (ontstaan de laatste 12.000 jaar, vaak door domesticatie van dieren): Deze pathogenen, zoals pokken, mazelen en influenza, maakten de sprong naar de mens en hebben zich aangepast, resulterend in mens-specifieke vormen. * **Recente pathogenen** (ontstaan de laatste 100 jaar): Deze zijn niet altijd in evenwicht met de gastheerpopulatie en kunnen een zeer hoge mortaliteit veroorzaken (bv. HIV, SARS, Ebola). * **Terugkerende pathogenen:** Ziekten zoals tuberculose en bof kunnen terugkeren door factoren zoals immuunsuppressie, vaccinatieachterstand of toename van bevolkingsdichtheid. > **Voorbeeld:** De opkomst van *E. coli* O157:H7, hemolytisch uremisch syndroom (HUS), en H5N1 influenza pandemieën illustreren recente ontwikkelingen in pathogenen. ### 3.6 Oude, nieuwe en terugkerende pathogenen: Evolutie van Epidemieën * Grote epidemieën door pathogenen zoals *Yersinia pestis*, *Vibrio cholerae*, pokken en influenza zijn direct gevolg van de bevolkingsexplosie en verhoogde mobiliteit gedurende de laatste eeuwen. HIV heeft sinds 1981 aanzienlijke mortaliteit veroorzaakt. De COVID-19 pandemie illustreert de voortdurende dreiging van nieuwe infectieziekten. * Het immuunsysteem is een complex samenspel van verdediging en tolerantie. Een te krachtig immuunsysteem kan leiden tot auto-immuunziekten of allergieën. Virulentiefactoren van pathogenen dwingen ons immuunsysteem continu tot "rennen om op dezelfde plaats te blijven" (de Rode Koningin-hypothese). * Een verdediging die optimaal is tegen één pathogeen, is mogelijk niet optimaal tegen een ander, wat leidt tot "ongepaste immuunresponsen". Cytokine storms, overmatige inflammatoire reacties, kunnen op zichzelf dodelijk zijn. > **Tip:** Begrijpen dat infectieziekten geen statisch fenomeen zijn, maar een dynamisch samenspel tussen mens, pathogeen en milieu, is cruciaal voor het bestuderen van hun impact op menselijke evolutie. --- # Oude, nieuwe en terugkerende pathogenen Oude, nieuwe en terugkerende pathogenen vormen een dynamisch landschap dat voortdurend evolueert onder invloed van menselijke activiteit en microbiële aanpassing. ## 4. Oude, nieuwe en terugkerende pathogenen ### 4.1 De context van ziekteverwekkers Het begrijpen van pathogenen vereist een historisch perspectief. Vroeger werden ziekten toegeschreven aan diverse oorzaken zoals kwade dampen, overdraagbare gifstoffen, verrotting of magie. De **kiemtheorie** in de late 19e eeuw, met baanbrekend werk van Koch, stelde dat infectieziekten worden veroorzaakt door micro-organismen. Koch identificeerde succesvol de verwekkers van miltvuur (Bacillus anthracis), tuberculose (Mycobacterium tuberculosis) en cholera (Vibrio cholerae). Echter, de stelling van Koch is niet altijd universeel toepasbaar. Veel infectieziekten worden veroorzaakt door zogenaamde **conditionele pathogenen** die ziekte kunnen veroorzaken afhankelijk van de vatbaarheid van het individu en de omstandigheden, zoals E. coli bij blaasontstekingen. **Opportunistische infecties** treden op wanneer het immuunsysteem verzwakt is, zoals longontsteking veroorzaakt door Pneumocystis jiroveci. **Dysbacteriose** verwijst naar een disbalans in de lokale flora zonder duidelijke overgroei van één specifieke kiem. Pathogenen vinden we verspreid over de levensboom, inclusief bacteriën, virussen, archaea en eukaryoten. Virussen worden beschouwd als infectieuze agentia die buiten gastheercellen inactief zijn, maar zich kunnen vermenigvuldigen en evolueren binnen gastheercellen. Ze worden gezien als deelnemers aan de evolutie van het leven. De mens is constant blootgesteld aan virussen, zowel ziekmakende als niet-pathogene, en zelfs virussen die bacteriën kunnen doden of genetisch wijzigen (bacteriofagen). Een significant deel van het menselijk genoom bestaat uit ingebouwd viraal materiaal (endogene retrovirussen). ### 4.2 De impact van bevolkingsgroei en mobiliteit De enorme bevolkingsgroei, met name sinds de 19e eeuw, heeft een significante impact gehad op de verspreiding en impact van epidemieën. Steden werden broeihaarden van ziekteverspreiding en werden regelmatig gedecimeerd door epidemieën, wat hen de bijnaam "man-eating cities" opleverde. Tegenwoordig hebben ziekenhuizen vergelijkbare problemen met multiresistente organismen. Mobiele populaties en toegenomen interactie tussen mensen en dieren hebben de dynamiek van ziekteverspreiding veranderd. Pathogenen kunnen zich sneller verspreiden, wat leidt tot nieuwe uitbraken en pandemieën. ### 4.3 Oude, nieuwe en terugkerende pathogenen #### 4.3.1 Oude pathogenen Dit zijn ziekteverwekkers die al lange tijd met de mens interageren. Voorbeelden zijn herpesvirussen, die een lange co-evolutie met de mens hebben en vaak leiden tot een lage mortaliteit en persistentie. Pathogenen die mogelijk zijn overgesprongen van gedomesticeerde dieren naar de mens sinds het ontstaan van de landbouw, zoals pokken, mazelen en influenza, vallen ook in deze categorie. Deze pathogenen hebben zich aangepast aan de mens en zijn mens-specifiek geworden. #### 4.3.2 Nieuwe pathogenen Nieuwe pathogenen zijn ziekteverwekkers die relatief recent zijn opgedoken of waarvan de impact recent is toegenomen. Voorbeelden hiervan zijn: * **Legionellose:** Geassocieerd met stationair verwarmd water. * **AIDS:** Veroorzaakt door het HIV-virus, wat kan leiden tot zeer hoge mortaliteit. * **Ziekte van Lyme:** Gekoppeld aan een toename van de hertenpopulatie. * **E. coli O157:H7:** Een nieuw pathogeen dat hemolytisch-uremisch syndroom kan veroorzaken. * **H5N1 influenza pandemie:** Met zowel "shifts" als "drifts" in het virus. * **SARS, MERS, Ebola, Zika:** Recente virale uitbraken met potentieel ernstige gevolgen. Deze nieuwe pathogenen zijn niet altijd in evenwicht met de gastheerpopulatie en kunnen een zeer hoge mortaliteit veroorzaken. De COVID-19 pandemie is een recent en treffend voorbeeld van hoe een nieuw pathogeen wereldwijd impact kan hebben. #### 4.3.3 Terugkerende pathogenen Terugkerende pathogenen zijn ziekteverwekkers die na een periode van afname of onderdrukking weer op de voorgrond treden. Dit kan te wijten zijn aan factoren zoals: * **Tuberculose:** Opnieuw een probleem bij patiënten die immuunsuppressieve therapie ondergaan voor auto-immuunziekten of bij patiënten met AIDS. * **Bof:** Mogelijk terugkerend in dichte populaties, mogelijk door verouderde vaccinatie-immuniteit. ### 4.4 De dynamiek tussen pathogenen en het immuunsysteem: De Rode Koningin-race Het immuunsysteem van de mens evolueert voortdurend om zich aan te passen aan nieuwe en veranderende pathogenen. Dit proces kan worden vergeleken met de **Rode Koningin-race** uit Lewis Carroll's "Through the Looking-Glass": "In this country," said the Queen, "it takes all the running you can do, to keep in the same place." Dit illustreert de voortdurende strijd waarbij zowel het immuunsysteem als de pathogenen zich moeten aanpassen om te overleven. Virulentiefactoren van pathogenen spelen een cruciale rol in **immuunevasie**, waardoor ze het immuunsysteem kunnen ontwijken. Dit verklaart waarom we geen "superkrachtig" immuunsysteem hebben dat alle pathogenen kan elimineren. #### 4.4.1 De complexiteit van immuunresponsen Een zeer krachtige immuunrespons tegen één specifiek pathogeen kan leiden tot minder effectieve verdediging tegen andere pathogenen (inappropriate immune response). De balans is cruciaal: * **Auto-immuniteit en allergieën:** Te heftige immuunresponsen kunnen leiden tot auto-immuunziekten of allergische reacties. * **Cytokine storm:** Een overmatige inflammatoire respons kan op zichzelf fataal zijn. De menselijke populatie is in de afgelopen 10.000 tot 15.000 jaar sterk geëvolueerd in reactie op infectieziekten, vooral met de opkomst van landbouw en dichte samenlevingen. Genetische variaties, zoals die in HLA-eiwitten (cruciaal voor antigenpresentatie aan het immuunsysteem), zijn geselecteerd op basis van de pathogenen waaraan populaties zijn blootgesteld. Dit verklaart de verschillen in resistentie en vatbaarheid tussen bevolkingsgroepen. De evolutie van de mens en de pathogenen is een continu proces waarbij adaptatie en selectie centraal staan. Dit is essentieel voor het overleven van zowel de menselijke soort als de micro-organismen waarmee we interageren. --- ## 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 | |------|------------| | Micro-organismen | Levende organismen die zo klein zijn dat ze niet met het blote oog zichtbaar zijn, zoals bacteriën, virussen, schimmels en protozoa. Ze spelen een cruciale rol in ecosystemen en in de gezondheid van andere organismen. | | Domeinen van het leven | De hoogste taxonomische rang in de classificatie van levensvormen, momenteel onderverdeeld in Archaea, Bacteria en Eukarya. Deze indeling is gebaseerd op fundamentele verschillen in celstructuur, genetisch materiaal en biochemische processen. | | Kiemtheorie van Koch | Een set van vier criteria, ontwikkeld door Robert Koch, om te bepalen of een specifiek micro-organisme de oorzaak is van een bepaalde ziekte. Hoewel historisch belangrijk, zijn er uitzonderingen waarbij deze criteria niet volledig toepasbaar zijn. | | Niche | De specifieke omgeving of rol die een organisme inneemt binnen een ecosysteem, inclusief de beschikbare hulpbronnen en de interacties met andere organismen. Een niche kan zowel fysieke als biologische componenten omvatten. | | Pathogenen | Micro-organismen, virussen of andere biologische agentia die ziekte kunnen veroorzaken bij hun gastheer. Deze organismen hebben specifieke mechanismen ontwikkeld om invasie, schade en vermenigvuldiging binnen het lichaam van de gastheer te bewerkstelligen. | | Commensalen | Organismen die in symbiose leven met een andere soort, waarbij één organisme voordeel heeft en het andere noch voordeel noch nadeel ondervindt. Dit staat in contrast met mutualisme (beide hebben voordeel) en parasitisme (één heeft voordeel, de ander lijdt schade). | | Symbionten | Organismen die in een langdurige relatie met elkaar leven, waarbij vaak wederzijds voordeel is. Symbiose omvat verschillende vormen van interactie, waaronder mutualisme en commensalisme, en is essentieel voor het functioneren van veel ecosystemen. | | Genoom | Het complete DNA-molecuul van een organisme, dat alle genen bevat. Het genoom is de blauwdruk voor de ontwikkeling, het functioneren en de voortplanting van levende wezens en ondergaat continue evolutie door mutaties en recombinaties. | | Antibioticaresistentie | Het vermogen van bacteriën om weerstand te bieden aan antibiotica, waardoor deze medicijnen minder effectief of zelfs nutteloos worden. Dit fenomeen vormt een groeiende bedreiging voor de volksgezondheid wereldwijd. | | 16S rRNA | Een essentieel onderdeel van het ribosoom in bacteriën en archaea, dat cruciaal is voor eiwitsynthese. De sequentie van 16S rRNA is evolutionair geconserveerd en wordt daarom veel gebruikt voor het identificeren en classificeren van micro-organismen. | | Archaea | Een van de drie domeinen van het leven, bestaande uit eencellige micro-organismen die zich onderscheiden van bacteriën en eukaryoten. Archaea leven vaak in extreme omstandigheden en hun genetisch materiaal en celmembranen hebben unieke eigenschappen. | | Eukarya | Een domein van organismen dat cellen met een celkern en andere membraan-gebonden organellen bevat, waaronder dieren, planten, schimmels en protisten. Eukaryote cellen zijn over het algemeen groter en complexer dan prokaryote cellen. | | Prokaryoten | Organismen waarvan de cellen geen echte celkern of andere membraan-gebonden organellen bevatten. Bacteriën en archaea zijn voorbeelden van prokaryoten; hun genetisch materiaal bevindt zich in de cytoplasma in een gebied genaamd het nucleoïde. | | Horizontale gentransfer | Het proces waarbij genetisch materiaal wordt overgedragen tussen organismen die niet door reproductie met elkaar verbonden zijn. Dit fenomeen speelt een belangrijke rol in de evolutie van bacteriën, met name bij de verspreiding van antibioticaresistentie. | | Viroom | De collectieve set van virussen die een gastheer of een specifieke omgeving bewonen. Het humaan viroom omvat zowel pathogene als niet-pathogene virussen en speelt een rol in de interactie met het microbioom en het immuunsysteem. | | Microbioom | De gemeenschap van micro-organismen (bacteriën, archaea, schimmels, virussen) die in of op een gastheer leven, met name in de darmen. Het microbioom heeft een significante invloed op de gezondheid, voeding en het immuunsysteem van de gastheer. | | Opportunistische infecties | Infecties die worden veroorzaakt door micro-organismen die normaal gesproken niet ziekteverwekkend zijn, maar die ziekte kunnen veroorzaken onder omstandigheden van verzwakte immuniteit of wanneer ze op een ongebruikelijke locatie in het lichaam terechtkomen. | | Dysbacteriose | Een onevenwichtige toestand van de normale microflora van het lichaam, wat kan leiden tot diverse gezondheidsproblemen. Dit kan het gevolg zijn van factoren zoals antibioticagebruik, dieet of ziekte. | | Endomembranen | Een complex systeem van membranen binnen eukaryote cellen, waaronder het endoplasmatisch reticulum, het Golgi-apparaat en lysosomen, dat betrokken is bij de synthese, modificatie en transport van eiwitten en lipiden. | | Actin cytoskelet | Een belangrijk onderdeel van het cytoskelet in eukaryote cellen, bestaande uit actine filamenten. Het speelt een rol bij celvorm, beweging, celdeling en intracellulair transport. | | Mitochondria | Membraan-gebonden organellen in eukaryote cellen die verantwoordelijk zijn voor cellulaire ademhaling en de productie van ATP, de belangrijkste energievaluta van de cel. Mitochondria worden verondersteld te zijn ontstaan uit symbiotische bacteriën. | | LUCA | "Last Universal Common Ancestor" – de hypothetische laatste voorouder van al het leven op Aarde, waaruit alle huidige levensvormen zijn geëvolueerd. De precieze aard en het bestaan van LUCA worden nog steeds onderzocht. | | Horizontal organeltransfer | Een hypothetisch proces waarbij organellen, zoals mitochondria, van het ene organisme naar het andere worden overgedragen, mogelijk via fusie of endosymbiose. Dit wordt beschouwd als een mechanisme voor de evolutie van eukaryote cellen. | | Moleculaire kenmerken | Eigenschappen van een organisme die gebaseerd zijn op de structuur en functie van moleculen, zoals DNA, RNA en eiwitten. Deze kenmerken zijn essentieel voor de taxonomie, fylogenie en het begrijpen van evolutionaire relaties. | | Next Generation Sequencing (NGS) | Een reeks geavanceerde technologieën die snelle en kosteneffectieve sequencing van grote hoeveelheden DNA of RNA mogelijk maken. NGS heeft de moleculaire biologie en genetica revolutionair veranderd, met toepassingen in onderzoek en diagnostiek. | | Fyolgenetische boom | Een diagram dat de evolutionaire relaties tussen verschillende soorten of groepen organismen weergeeft, gebaseerd op vergelijkingen van hun genetisch materiaal of morfologische kenmerken. De boom toont afstammingslijnen en verwantschappen. | | HLA-eiwitten | "Human Leukocyte Antigen" eiwitten, die een cruciale rol spelen in het immuunsysteem door antigenen te presenteren aan T-cellen. Ze zijn essentieel voor de herkenning van lichaamseigen en lichaamsvreemde cellen. | | Allel | Een van de twee of meer alternatieve vormen van een gen die op dezelfde locatie (locus) op een chromosoom kunnen voorkomen. Verschillende allelen leiden tot variatie in eigenschappen, zoals immuunrespons. | | Viroloog | Een wetenschapper die virussen bestudeert, hun structuur, replicatie, interactie met gastheren en hun rol in ziekten en evolutie. | | Bacterioloog | Een wetenschapper die bacteriën bestudeert, hun morfologie, fysiologie, ecologie en hun interacties met andere organismen, inclusief hun rol in ziekte en gezondheid. | | Immuunsuppressie | Een toestand waarin het immuunsysteem van het lichaam onderdrukt is, waardoor het vatbaarder wordt voor infecties en bepaalde ziekten. Dit kan optreden door medicatie, ziekte of andere factoren. | | Cytokine storm | Een overmatige en ongecontroleerde immuunrespons die wordt gekenmerkt door een massale afgifte van pro-inflammatoire cytokines. Dit kan leiden tot ernstige weefselschade en systemische orgaanfalen, en is een belangrijke doodsoorzaak bij ernstige infecties. | | Auto-immuunziekten | Ziekten die ontstaan wanneer het immuunsysteem van het lichaam ten onrechte eigen weefsels en organen aanvalt. Dit kan leiden tot chronische ontsteking en schade aan diverse lichaamsdelen. | | Allergie | Een overmatige immuunreactie op normaal gesproken onschadelijke stoffen, zoals pollen, voedsel of huisdieren. Dit leidt tot symptomen zoals jeuk, niezen, huiduitslag en ademhalingsproblemen. |

# Structuur en functie van antilichamen en receptoren Immunoglobulinen (Ig), B-celreceptoren (BCR) en T-celreceptoren (TCR) zijn cruciale moleculen in het immuunsysteem, verantwoordelijk voor de herkenning van antigenen en de initiatie van immuunresponsen. ### 1.1 Immunoglobulinen (Ig) en antilichamen (Ab) Immunoglobulinen (Ig) zijn macromoleculen die ofwel membraangebonden zijn als B-celreceptoren (BCR) op B-cellen, ofwel gesecreteerd worden door plasmacellen als antilichamen (Ab). Elke B-cel produceert Ig van dezelfde specificiteit, en het geheel van alle Ig in een individu vormt het immunoglobuline repertoire. Een antigeen (Ag) is doorgaans een macromolecule, meestal een eiwit of koolhydraat sequentie, dat gemerkt wordt door een antilichaam voor vernietiging [9](#page=9). #### 1.1.1 Functies van antilichamen en BCR Antilichamen hebben twee hoofdfuncties: het binden van pathogenen via hun variabele regio, en het rekruteren van immuuncellen en moleculen via hun constante regio. BCR-binding van pathogenen activeert de B-cel, waarbij de constante regio transmembranair is [10](#page=10). #### 1.1.2 Structuur van immunoglobulinen Een typisch IgG-antilichaam (ongeveer 150 kDa) bestaat uit twee identieke zware ketens en twee identieke lichte ketens, waardoor er twee antigeenbindingsplaatsen ontstaan. De Y-vormige structuur heeft een scharnierregio [10](#page=10). * **Variabele regio:** Bevat de twee armen van de Y en kenmerkt zich door enorme variabiliteit. Deze regio is opgebouwd uit [10](#page=10): * **Hypervariabele regio's (HV-regio's):** Ongeveer 10 aminozuren lang (HV1, HV2, HV3), met HV3 als de meest variabele. Deze regio's vormen discrete lussen die aan het uiteinde van de domeinstructuur liggen. De drie HV-lussen van de lichte en zware keten liggen dicht bij elkaar en vormen de antigeenbindingsplaats. Ze worden ook **complementaire-determinerende regio's (CDR)** genoemd en bepalen de antigeenspecificiteit omdat ze een oppervlak vormen dat complementair is aan het epitoop. Het antigeen wordt omsloten door zes HV-lussen (drie van de lichte en drie van de zware keten) [12](#page=12) [13](#page=13). * **Framework regio's (FR-regio's):** Minder variabele regio's die de structuur van de variabele domeinen ondersteunen [12](#page=12). * **Constante regio (C-regio):** Bevat het lichaam van de Y-vorm en codeert voor 5 verschillende Ig-klassen of isotypes: IgM, IgD, IgG, IgA en IgE. De functionele verschillen tussen isotypes worden bepaald door de C-regio van de zware keten [10](#page=10) [11](#page=11). * **Zware keten (H-keten):** 5 types, bepalend voor het isotype (μ voor IgM, δ voor IgD, γ voor IgG, α voor IgA, ε voor IgE). IgG is het meest voorkomende isotype, met vier subklassen bij mensen (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4) [11](#page=11). * **Lichte keten (L-keten):** 2 isotypes (lambda (λ) en kappa (κ)), zonder functioneel verschil. De verhouding κ/λ is ongeveer 2:1 bij gezonde mensen [11](#page=11). Zware en lichte ketens bestaan uit een aantal gelijkaardige sequenties die Ig-domeinen worden genoemd. Een Ig-domein is een stabiele eiwitstructuur die onder extreme omstandigheden functioneel blijft. De variabiliteit is beperkt tot het eerste domein (V-domein: VL en VH), terwijl de andere domeinen (C-domeinen: CL en CH) weinig variatie vertonen [11](#page=11). #### 1.1.3 Epitopen en antigeenbinding Een antilichaam herkent slechts een klein oppervlak van een molecule, een antigeen determinant of epitoop. Een pathogeen kan meerdere epitopen dragen, waardoor diverse antilichamen kunnen binden. Epitopen kunnen conformationeel (discontinu) zijn, waarbij herkende segmenten discontinu zijn in aminozuursequentie maar samenkomen in de 3D-structuur, of lineair (continu), waarbij een enkel segment van een polypeptideketen wordt herkend [14](#page=14). * **Interactie antilichaam-antigeen:** * **Oppervlakte complementariteit:** Bepaalt de specificiteit [15](#page=15). * **Niet-covalente bindingen:** Elektrostatische krachten, waterstofbruggen, van der Waalskrachten en hydrofobe interacties bepalen de affiniteit. Hoge zoutconcentraties, extreme pH-waarden of hoge epitoopconcentraties kunnen de interactie verbreken [15](#page=15). * Binding van het epitoop kan een conformationele verandering in het Ig-molecuul veroorzaken, waardoor de Fc-staart toegankelijk wordt voor complement of Fc-receptoren [15](#page=15). Lineaire epitopen van eiwitten zijn ongeveer 6 aminozuren groot. Antistoffen kunnen ook DNA- en suikerketens herkennen, zoals bij bloedgroepen (A, B, H/O). Haptenen, zoals penicilline, vormen een deel van een epitoop. Vrije haptenen kunnen geen antistoffen opwekken, maar gebonden haptenen aan een eiwit wel, mede door T-celhulp [16](#page=16). #### 1.1.4 Polymerisatie van immunoglobulinen IgM en IgA kunnen polymeriseren door cysteïne residu's in het staartstuk die disulfidebruggen vormen, met behulp van een J-keten. IgM vormt pentameren. Polymerisatie verhoogt de **aviditeit**, de totale bindingssterkte van een antilichaammolecule, wat belangrijk is voor de herkenning van repetitieve epitopen. Dit staat tegenover **affiniteit**, de bindingssterkte van één antigeenbindingsplaats. Dimerisatie van IgA is noodzakelijk voor transport door epithelia; monomeer IgA bevindt zich in de bloedbaan en weefsels [17](#page=17). #### 1.1.5 Effectorfuncties van de constante regio De constante regio (Fc-domein) is verantwoordelijk voor effectorfuncties [18](#page=18): 1. **Interactie met Fc-receptoren (FcR):** Activatie van fagocytose (FcRγ) of activatie van mestcellen en basofielen (FcRε) [18](#page=18). 2. **Interactie met complement:** Activatie van de complementcascade [18](#page=18). 3. **Specifieke distributie:** IgA wordt gevonden in mucus, tranen en melk; IgG wordt transcranaal overgedragen. Micro-organismen zoals *Staphylococcus* sp. (proteïne A en G) en *Haemophilus* sp. (proteïne D) hebben mechanismen ontwikkeld om de Fc-werking te neutraliseren [18](#page=18). ### 1.2 B-celreceptor (BCR) #### 1.2.1 Structuur en signaaltransductie van de BCR De BCR is een membraangebonden immunoglobuline, geassocieerd met twee niet-variabele eiwitten, Igα en Igβ, in het endoplasmatisch reticulum. Dit complex wordt naar de celmembraan getransporteerd. Na binding van een antigeen op de BCR geven de cytoplasmatische staarten van Igα en Igβ het signaal door aan het cytoplasma; de Ig-moleculen zelf signaleren niet. Alle Ig-isotypen kunnen deel uitmaken van de BCR [20](#page=20). ### 1.3 T-celreceptor (TCR) #### 1.3.1 Vergelijking TCR met Ig/BCR De T-celreceptor (TCR) lijkt op een membraangebonden Fab-fragment van een Ig. Beide zijn disulfide-gekoppelde heterodimeren en bestaan uit twee Ig-achtige domeinen (2 V- en 2 C-domeinen). Beide hebben één antigeenbindingsplaats [21](#page=21). #### 1.3.2 Structuur en signaaltransductie van de TCR Een TCR-heterodimeer bestaat uit een α- en een β-keten (αβ T-cellen) of een γ- en een δ-keten (γδ T-cellen). Elke T-cel drukt één type TCR tot expressie, waarbij alle receptoren op een cel identiek zijn. In het endoplasmatisch reticulum associëren de α- en β-ketens met het CD3-complex, dat zorgt voor transport naar de celmembraan en signaaltransductie bij antigeenbinding. De CD3-eiwitten geven het signaal door naar het cytoplasma; de TCR-ketens zelf kunnen geen signaal doorgeven. Dit is vergelijkbaar met de BCR, die ook signaleert via Igα en Igβ [21](#page=21) [22](#page=22). #### 1.3.3 Diversiteit van TCR's Naast de αβ-TCR bestaat er ook de γδ-TCR. T-cellen drukken óf een γδ óf een αβ-TCR tot expressie. γδ T-cellen vormen een kleine subpopulatie (1-5%). Meestal wordt met 'T-cellen' αβ T-cellen bedoeld. Er zijn ook hybride B/T receptoren onderzocht, zoals TCRμ-ketens en TCRγδ-cellen die een VH gebruiken in plaats van een Vδ. Chimere antigenreceptoren (CAR) maken gebruik van dit principe [23](#page=23) [24](#page=24). #### 1.3.4 Functieverschillen tussen BCR en TCR * **BCR (Ig):** Geassocieerd met humorale immuniteit, herkent oppervlakteantigenen en extracellulaire antigenen (suikers, eiwitten, haptenen), en activeert effectoren zoals macrofagen, neutrofielen, NK-cellen en complement. Dit is genezend bij bacteriën en preventief tegen virussen vóór celintreding [25](#page=25). * **TCR:** Geassocieerd met cellulaire immuniteit, is HLA-afhankelijk, herkent niet-oppervlakte- en extracellulaire/intracellulaire antigenen (uitsluitend eiwitten), en activeert T-cellen. Dit is genezend bij virussen en intracellulaire bacteriën [25](#page=25). ### 1.4 Genereren van receptor-diversiteit De miljarden verschillende receptoren (T en B) worden gegenereerd via RAG-gemedieerde processen [26](#page=26). #### 1.4.1 Immunoglobuline genen De immunoglobuline gensegmenten zijn gelokaliseerd in drie clusters: de λ-locus, de κ-locus (voor lichte ketens) en de zware-keten locus (H-locus). De H-locus bevat verschillende CH-genen die corresponderen met de verschillende isotypes (M, D, G, A, E) [26](#page=26). * **V-regio generatie:** Het V-domein wordt gecodeerd door meerdere gensegmenten: * **Lichte keten:** V (VL) en J (JL) gensegmenten [27](#page=27). * **Zware keten:** V (VH), D (DH) en J (JH) gensegmenten [27](#page=27). * Op DNA-niveau worden V, (D) en J segmenten samengebracht via DNA-herschikking [27](#page=27). * Op RNA-niveau worden V(D)J en C-segmenten samengebracht via RNA-splicing [27](#page=27). * Een leader peptide (L) dirigeert het eiwit naar de secretoire pathway of celmembraan en wordt na translatie afgesplitst [27](#page=27). * **Herschikking van genen:** * **Lichte keten:** V en J segmenten worden samengebracht door recombinatie bij Recombinatie Signaal Sequenties (RSS). Het tussenliggende DNA wordt verwijderd en vormt een "signal joint" die verdwijnt. De ligatie van V en J vormt een "coding joint" met het VJ coderende gensegment [28](#page=28). * **Zware keten:** Eerst D-J herschikking, gevolgd door V-DJ herschikking [28](#page=28). * **RAG-complex:** RAG-1 en RAG-2 eiwitten zijn lymfocytspecifiek en essentieel voor de herschikking. Ze binden aan RSS, brengen de segmenten samen, knippen de DNA-streng en houden de DNA-eindjes bij elkaar [29](#page=29). * **Junctie diversiteit:** * **P-nucleotiden:** Palindroomsequenties worden gecreëerd [29](#page=29). * **N-nucleotiden:** Willekeurig toegevoegde of verwijderde nucleotiden door TdT (terminal deoxynucleotidyl transferase) en exonucleasen [29](#page=29). * Deze processen genereren met name het CDR3-gebied en zijn niet kiembaan-gecodeerd. TdT komt alleen tot expressie in beenmerg en thymus [29](#page=29). * **Dubbelstrengige DNA-breuken:** RAG-eiwitten induceren dubbelstrengige breuken die hersteld worden via non-homologous end joining (NHEJ). Defecten in deze enzymen leiden tot T/B immunodeficiëntie en verhoogde gevoeligheid voor ioniserende straling (SCID) [30](#page=30). #### 1.4.2 T-celreceptor genen De TCR αβ gen-segmenten zijn gelokaliseerd in twee clusters: de α-locus en de β-locus. TCR-genherschikking vertoont overeenkomsten met Ig-genherschikking (RSS, P- en N-nucleotiden, RAG-1/2) [32](#page=32). * **Verschillen TCR vs. Ig:** * **Ig:** Verschillende C-domeinen (isotypen G, M, A, E, D) bepalen de effectorfunctie [32](#page=32). * **TCR:** Geen isotypes en geen isotype switch, geen somatische hypermutatie. De variabiliteit van CDR1 en CDR2 is beperkt tot de kiembaan V-segmenten, terwijl CDR3-variabiliteit onder andere wordt gegenereerd door junctionele diversiteit [32](#page=32). #### 1.4.3 Diversiteit genererende processen Er zijn drie hoofdprocessen voor het introduceren van variabiliteit in immunoglobulinen: 1. **Combinatoire diversiteit:** Willekeurige combinatie van V-(D)-J segmenten en de combinatie van lichte en zware ketens. Dit is ongeveer gelijk bij B- en T-cellen [38](#page=38) [41](#page=41). 2. **Junctionele diversiteit:** Door toevoegen van P- en N-nucleotiden. Dit is groter bij T-cellen [38](#page=38) [41](#page=41). 3. **Somatische hypermutatie (SHM):** Introduceert bijkomende variabiliteit in mature, geactiveerde B-cellen. Dit proces vindt alleen plaats bij B-cellen en tijdens de immuunrespons [34](#page=34) [38](#page=38). #### 1.4.4 Veranderen van Ig-isotype en somatische hypermutatie Deze processen worden AID (activation-induced cytidine deaminase) gemedieerd (#page=33, 35) [33](#page=33) [35](#page=35). * **Isotype switching (Class Switch Recombination, CSR):** * Het gen voor Cμ (en Cδ) ligt het dichtst bij het J-gencluster en wordt eerst gebruikt, wat IgM en IgD als eerste isotypes verklaart [33](#page=33). * Bij isotype verandering wordt DNA door looping verwijderd, waardoor een ander C-gen direct na het herschikte VDJ-exoon komt te liggen [33](#page=33). * Dit proces is productief omdat de switch-regio's in intronen liggen [34](#page=34). * Het is irreversibel omdat DNA verloren gaat. Geheugen B-cellen hebben een IgG-, IgA- of IgE-BCR, terwijl naïeve B-cellen een IgM/IgD-receptor hebben [34](#page=34). * AID zet cytidines (C) om in deoxy-uridines (U), die vervolgens worden uitgeknipt door uracil DNA-glycosylasen (UNG). De resulterende dubbelstrengige breuk wordt hersteld via NHEJ [35](#page=35). * **Somatische hypermutatie (SHM):** * Gebeurt in de V-regio's van het herschikte gen (#page=33, 38) [33](#page=33) [38](#page=38). * AID zet een C om in deoxy-U, wat bij DNA-replicatie wordt vervangen door een T [35](#page=35). * Mutaties in framework regio's leiden meestal tot structurele veranderingen en worden geselecteerd [38](#page=38). * Mutaties in CDR's die leiden tot verhoogde affiniteit worden bevorderd, wat leidt tot affiniteitsmaturatie [38](#page=38). #### 1.4.5 Potentiële en effectieve receptorepertoire Het potentiële receptorepertoire is gigantisch (ongeveer $10^{13}-10^{18}$) [41](#page=41). * **Combinatoire diversiteit:** Ongeveer gelijk bij B en T cellen [41](#page=41). * **Junctionele diversiteit:** Groter bij T-cellen dan bij B-cellen [41](#page=41). * **Somatische hypermutatie:** Niet meegerekend in de potentiële diversiteit van TCR's [41](#page=41). Het effectieve repertoire (ongeveer $10^7-10^8$) is kleiner en wordt bepaald door het aantal T- en B-cellen/klonen in het lichaam. Het aangesproken repertoire (ongeveer $10^5-10^6$) bestaat uit geheugencellen, die uitgroei zijn van één T- en B-cel [41](#page=41). > **Tip:** Affiniteitsmaturatie is een sleutelconcept waarbij B-cellen, door somatische hypermutatie en selectie, receptoren met een hogere affiniteit voor het antigeen ontwikkelen. Dit proces kan vergeleken worden met high-throughput screening in geneesmiddelenontdekking [37](#page=37). > **Voorbeeld:** De aanwezigheid van IgM-antilichamen in combinatie met een lage aviditeit van IgG-antilichamen voor CMV kan wijzen op een recente infectie bij zwangere vrouwen, wat belangrijk is voor de diagnose van congenitale infecties [39](#page=39). --- # Majeur Histocompatibiliteitscomplex (MHC) en antigene presentatie Dit topic beschrijft het Majeur Histocompatibiliteitscomplex (MHC), ook wel bekend als HLA, en de mechanismen waarmee peptiden worden gepresenteerd aan T-cellen. ### 2.1 Het Majeur Histocompatibiliteitscomplex (MHC) Het Majeur Histocompatibiliteitscomplex (MHC) is een genetische regio die cruciaal is voor het immuunsysteem door het mediëren van afstoting en het presenteren van antigenen aan T-cellen. Bij mensen wordt het MHC aangeduid als Human Leukocyte Antigen (HLA) [42](#page=42) [44](#page=44). #### 2.1.1 Genetische basis van MHC * **Polymorfisme en polygenie:** MHC-genen zijn sterk genetisch polymorf, wat betekent dat er vele verschillende allelen in de populatie voorkomen. Bovendien is het MHC polygenisch, waarbij individuen meerdere klasse I en klasse II genen (isotypen) bezitten die allemaal tot expressie komen op het celmembraan [44](#page=44). * **Overerving:** HLA-genen worden samen overgeërfd in een eenheid genaamd een haplotype, met slechts ongeveer 2% recombinatie tijdens de meiose. Dit verklaart waarom de beste donor voor transplantaties vaak te vinden is bij broers en zussen (25% kans op een HLA-identieke broer/zus per kind) [45](#page=45) [46](#page=46). * **Locatie:** Het MHC-complex bevindt zich op chromosoom 6 en omvat meer dan 200 genen. Deze genen worden onderverdeeld in drie regio's [45](#page=45): * **Klasse I genen:** Coderen voor HLA-A, -B, en -C. Het gen voor b2-microglobuline is gelegen op een ander chromosoom [45](#page=45). * **Klasse II genen:** Coderen voor de  en b ketens van HLA-DP, -DQ, en -DR [45](#page=45). * **Klasse III genen:** Coderen voor diverse eiwitten met immunologische functies, zoals complementfactoren C2 en C4, TNF, en lymfotoxine [45](#page=45). #### 2.1.2 MHC-moleculen en hun structuur MHC-moleculen bestaan uit een -keten en een b2-microglobuline keten voor klasse I, en twee - en b-ketens voor klasse II. De primaire functie van deze moleculen is het presenteren van peptiden aan T-cellen [43](#page=43) [45](#page=45) [50](#page=50). * **MHC klasse I:** Bindt aan CD8 op het niet-polymorfe domein van de MHC-molecule [43](#page=43) [56](#page=56). * **MHC klasse II:** Bindt aan CD4 op de b-keten van de MHC-molecule [43](#page=43) [56](#page=56). #### 2.1.3 Variatie in MHC en peptidenbinding De allotypische variatie in MHC-moleculen is geconcentreerd in de peptide-bindingsgroeve. Deze variatie beïnvloedt de sequentie van de ankeraminozuren, waardoor verschillende allotypen verschillende peptiden kunnen binden [47](#page=47). * **Bindingsmotief:** Een bindingsmotief beschrijft de vereisten waaraan een peptide moet voldoen om te kunnen binden in de groeve van een specifiek MHC-eiwit. Bijvoorbeeld, voor HLA-A2 moet een peptide 9 aminozuren lang zijn, met specifieke aminozuren op positie 2, 6 en 9 [48](#page=48). * **Sequentie-motieven:** Kennis van deze motieven is essentieel voor de ontwikkeling van peptide vaccins [47](#page=47). * **Brede specificiteit:** MHC-moleculen binden peptiden niet met hoge specificiteit zoals immunoglobulines of T-celreceptoren (TCR's), maar kunnen een breed scala aan peptiden in hun groeve binden en vasthouden via niet-covalente bindingen [51](#page=51). * **Immunologische gevolgen:** * MHC-polymorfisme zorgt ervoor dat er in een populatie meestal een aantal individuen zijn die kunnen reageren op specifieke pathogenen (responders) [47](#page=47). * Heterozygotie voor MHC verhoogt de kans om een pathogeen aan T-cellen te kunnen presenteren [47](#page=47). * Uitzonderlijk kunnen eiwitten na processing geen peptide opleveren dat bindt aan een aanwezig MHC-molecule, wat leidt tot een gebrek aan immuunrespons [47](#page=47). ### 2.2 Antigene presentatie Antigene presentatie is het proces waarbij peptidefragmenten van antigenen worden getoond op het celoppervlak in de context van MHC-moleculen, zodat T-cellen ze kunnen herkennen. T-cellen herkennen geen native of oplosbare eiwitten, maar specifiek peptidefragmenten gebonden aan MHC [50](#page=50). #### 2.2.1 Twee pathways voor antigene presentatie Er zijn twee hoofdcompartimenten in de cel die gescheiden worden door membranen: het cytosol en het vesiculaire systeem. Het compartiment waarin een peptide zich bevindt, bepaalt of het peptide wordt gepresenteerd via MHC klasse I of II [52](#page=52). * **MHC klasse I pathway (intracellulair):** * Peptiden die gebonden worden aan MHC klasse I moleculen zijn afkomstig uit het cytosol [53](#page=53). * Cytoplasmatische eiwitten of pathogenen (zoals virussen) worden door het proteasoom afgebroken tot peptiden [53](#page=53). * Deze peptiden worden via het ATP-afhankelijke transportmolecuul TAP (transporters associated with antigen processing) naar het endoplasmatisch reticulum (ER) getransporteerd [53](#page=53). * In het ER worden de peptiden gebonden aan nieuw gevormde MHC klasse I moleculen. MHC klasse I moleculen zonder peptide zijn onstabiel en komen nauwelijks tot expressie op het celmembraan [53](#page=53). * **Belang:** Een virusgeïnfecteerde cel presenteert virale peptiden via HLA-ABC [54](#page=54). * **MHC klasse II pathway (extracellulair):** * Antigenen die via pinocytose of fagocytose worden opgenomen uit de extracellulaire ruimte, worden verwerkt in endosomen en lysosomen [54](#page=54) [55](#page=55). * De endosomen bevatten proteasen die bij lage pH geactiveerd worden, en kunnen fuseren met lysosomen die eveneens zure proteasen bevatten. Deze proteasen breken de opgenomen eiwitten af tot peptiden [55](#page=55). * De vorming en transport van peptiden die aan MHC klasse II binden, vinden plaats in verzuurde endocytische vesikels [54](#page=54). * De **invariante keten** voorkomt vroegtijdige peptidebinding aan MHC klasse II voordat het de site van eiwitafbraak bereikt. Na het verdringen van het CLIP fragment worden de peptiden gebonden aan MHC klasse II [55](#page=55). * **Belang:** Een macrofaag die een pathogeen heeft opgenomen, presenteert de fragmenten via HLA-DR [54](#page=54). #### 2.2.2 Rol van T-celreceptoren (TCR) De TCR van T-lymfocyten herkent aminozuurresiduen van zowel het MHC-molecuul als het gebonden peptide. De interactie tussen de TCR en het MHC:peptide complex is cruciaal voor T-celactivatie [51](#page=51) [57](#page=57). #### 2.2.3 Cross-presentation Cross-presentation is een fenomeen waarbij gefagocyteerde eiwitten, zoals virussen, toch via MHC klasse I worden gepresenteerd, zelfs als de cel zelf niet geïnfecteerd is. Sommige dendritische cellen kunnen dit doen en zo CD8 responsen tegen virussen opwekken zonder zelf geïnfecteerd te zijn. Cytoplasmatische eiwitten of pathogenen kunnen ook via autofagie worden opgenomen in het membraansysteem en na versmelting met het lysosoom, kunnen peptiden geladen worden op MHC klasse II [54](#page=54) [58](#page=58). ### 2.3 Weefseldistributie en functie van MHC Het expressiepatroon van MHC klasse I en II moleculen reflecteert de verschillende functies van CD8 en CD4 T-lymfocyten [59](#page=59). * **MHC klasse I:** * Aanwezig op alle lichaamscellen, behalve rode bloedcellen (RBC) [59](#page=59). * Hoge expressie op hematopoëtische cellen [59](#page=59). * IFN verhoogt de expressie [59](#page=59). * **Functie:** Herkenning door CD8 cellen (cytotoxisch) voor het elimineren van virusgeïnfecteerde cellen overal in het lichaam [59](#page=59). * **MHC klasse II:** * Normaal gesproken enkel aanwezig op sommige hematopoëtische cellen en thymusepitheelcellen [59](#page=59). * IFN- verhoogt de expressie en kan de expressie induceren op cellen die normaal negatief zijn [59](#page=59). * **Functie:** Herkenning door CD4 cellen (helper) voor het herkennen van antigenen op antigeenpresenterende cellen zoals dendritische cellen (DC), macrofagen en B-cellen [59](#page=59). ### 2.4 MHC-restrictie en alloreactiviteit #### 2.4.1 MHC-restrictie De T-celherkenning van antigenen is MHC-gerestricteerd, wat betekent dat de TCR het antigeen in de context van een specifiek MHC-molecuul moet herkennen. Geactiveerde cytotoxische CD8 lymfocyten van virusgeïnfecteerde muizen zijn virus-specifiek en MHC-specifiek; ze doden alleen geïnfecteerde cellen met dezelfde MHC-expressie als het oorspronkelijke dier. Deze restrictie kan te wijten zijn aan directe TCR:MHC interactie of verschillen in peptidebinding tussen MHC-allelen [61](#page=61). #### 2.4.2 Alloreactiviteit Alloreactiviteit is de immuunreactie tussen cellen van verschillende individuen, voornamelijk veroorzaakt door MHC-verschillen. Deze reactie is zeer sterk, ondanks de self-MHC restrictie van de TCR. Vreemde MHC-moleculen (allo-MHC) presenteren een andere set peptiden, waardoor veel peptiden als "vreemd" worden herkend. Dit leidt tot alloresponsen die tot wel 1000 keer krachtiger kunnen zijn dan een antivirale respons [62](#page=62). * **Minor histocompatibiliteit antigenen:** Dit zijn polymorfe peptiden die binden aan MHC-moleculen en immunogeen zijn. Verschillen tussen man en vrouw in eiwitten kunnen leiden tot H-Y minor antigenen die een cellulaire respons opwekken in HLA-identieke individuen van het andere geslacht. Deze alloresponsen zijn veel zwakker dan responsen tegen HLA-mismatched donorweefsel [63](#page=63). ### 2.5 Vergelijking met B-celherkenning * **B-cel (Ig):** * Betrokken bij humorale immuniteit [60](#page=60). * Herkent oppervlakte antigenen en extracellulaire componenten zoals suikers, eiwitten of modificaties daarvan (haptenen) [60](#page=60). * Effectoren omvatten macrofagen, neutrofielen, NK-cellen en complement [60](#page=60). * Effectief bij bacteriën en preventief tegen virussen voordat ze de cel binnendringen [60](#page=60). * **TCR:** * Betrokken bij cellulaire immuniteit [60](#page=60). * HLA-afhankelijk [60](#page=60). * Herkent (niet-)oppervlakte- en intra-/extracellulaire eiwitten [60](#page=60). * Effectoren zijn T-cellen [60](#page=60). * Effectief bij virussen en intracellulaire bacteriën [60](#page=60). > **Tip:** Begrijpen van de twee antigene presentatie pathways (klasse I en II) is essentieel voor het begrijpen van de specificiteit van T-celresponsen tegen intracellulaire versus extracellulaire pathogenen. > **Voorbeeld:** Een virusgeïnfecteerde cel presenteert virale peptiden via MHC klasse I aan CD8 T-cellen. Een macrofaag die een bacterie heeft gefagocyteerd, presenteert bacteriële peptiden via MHC klasse II aan CD4 T-cellen. --- # Mechanismen voor het genereren van diversiteit in immuunreceptoren Het immuunsysteem genereert een immense diversiteit aan receptoren door middel van recombinatie en variatie van genfragmenten, waardoor het miljarden unieke structuren kan herkennen [5](#page=5). ### 3.1 Basisprincipes van immunoglobuline en T-celreceptor genorganisatie De genetische loci voor immunoglobulines (Ig) en T-celreceptoren (TCR) zijn opgebouwd uit verschillende gensegmenten. Deze segmenten worden tijdens de lymfocytenontwikkeling herschikt om unieke receptoren te vormen [26](#page=26). #### 3.1.1 Immunoglobuline loci De menselijke immunoglobuline gensegmenten zijn georganiseerd in drie hoofdclusters [26](#page=26): * $\lambda$ locus (voor de lichte keten) * $\kappa$ locus (voor de lichte keten) * Zware keten locus (H locus) De zware keten locus bevat meerdere $C_H$ genen die corresponderen met de verschillende isotypes (IgM, IgD, IgG, IgA, IgE) [26](#page=26). #### 3.1.2 T-celreceptor loci De TCR $\alpha\beta$ gensegmenten zijn georganiseerd in twee clusters: de $\alpha$ locus en de $\beta$ locus [32](#page=32). ### 3.2 Genherschikking voor V-regio variabiliteit De variabele regio (V-regio) van zowel Ig als TCR wordt gevormd door de recombinatie van verschillende gensegmenten [27](#page=27). #### 3.2.1 V(D)J recombinatie De V-regio van de lichte keten wordt gecodeerd door Variabele (V) en Joining (J) gensegmenten (VL en JL). De V-regio van de zware keten wordt gecodeerd door Variabele (V), Diversity (D) en Joining (J) gensegmenten (VH, DH en JH) [27](#page=27). * **Leader peptide (L):** Dit segment dirigeert het eiwit naar de secretoire pathway of celmembraan en wordt na translatie afgeknipt [27](#page=27). Op DNA-niveau worden V, (D) en J segmenten bij elkaar gebracht, wat resulteert in een DNA-herschikking waarbij de fragmenten één exon vormen. Op RNA-niveau worden de V(D)J-exon en de C-genen samengebracht via RNA-splicing, waarbij intronen worden verwijderd [27](#page=27). #### 3.2.2 Mechanisme van V(D)J recombinatie De V(D)J recombinatie wordt gemedieerd door het RAG-1 en RAG-2 complex (Recombination-Activating Genes). Deze lymfocyt-specifieke eiwitten binden aan Recombination Signal Sequences (RSS) op de V, D en J gensegmenten, brengen ze samen en induceren dubbelstrengige DNA-breuken [29](#page=29) [30](#page=30). * **Recombination Signal Sequences (RSS):** Dit zijn DNA-sequenties waar het RAG-complex aan bindt [8](#page=8). De herschikking vindt plaats door het samenbrengen van RSS van V en J (voor lichte ketens) of D en J, gevolgd door V-DJ recombinatie (voor zware ketens). Het DNA tussen de herschikte segmenten wordt uitgeloopt en vormt een extrachromosomale cirkel die verloren gaat bij celdeling. De ligatie van de V en J segmenten vormt een 'coding joint' [28](#page=28). > **Tip:** Defecten in RAG-genen leiden tot Severe Combined Immunodeficiency (SCID) [30](#page=30) [8](#page=8). ### 3.3 Junctionele diversiteit Naast de V(D)J recombinatie draagt junctionele diversiteit significant bij aan de receptorvariabiliteit, met name in het CDR3-gebied [29](#page=29). * **Palindroomsequenties (P-nucleotiden):** Ontstaan na het knippen van het DNA door RAG-eiwitten, wat leidt tot overhangende sequenties [29](#page=29). * **N-nucleotiden:** Willekeurig toegevoegde nucleotiden door het enzym Terminal Deoxynucleotidyl Transferase (TdT). TdT komt tot expressie in beenmerg en thymus en voegt nucleotiden toe zonder templaatstreng [29](#page=29). Deze P- en N-nucleotiden zijn niet kiembaan-gecodeerd en hun willekeurige lengte en sequentie creëren de diversiteit in CDR3 [29](#page=29). #### 3.3.1 Reparatie van DNA-breuken De door RAG geïnduceerde dubbelstrengige DNA-breuken worden hersteld via Non-Homologous End Joining (NHEJ), wat kan leiden tot mutaties [30](#page=30). > **Tip:** Defecten in de enzymen van het NHEJ-mechanisme resulteren ook in T/B-immunodeficiëntie en verhoogde gevoeligheid voor ioniserende straling [30](#page=30). ### 3.4 Combinatoire diversiteit Combinatoire diversiteit ontstaat door de willekeurige combinatie van de verschillende V, (D) en J gensegmenten. Dit is vergelijkbaar voor zowel B- als T-cellen [38](#page=38) [41](#page=41). ### 3.5 Variabiliteit in hypervariabele regio's De variabele regio's van de V-domeinen bevatten hypervariabele (HV) regio's (HV1, HV2, HV3) en minder variabele framework regio's (FR). De HV-regio's, met name HV3, zijn het meest variabel en cruciaal voor antigeenbinding [29](#page=29) [31](#page=31). ### 3.6 Verschillen tussen Ig en TCR diversiteitsgeneratie Hoewel TCR en Ig gebruik maken van RSS, P/N-nucleotiden en RAG-eiwitten, zijn er belangrijke verschillen [32](#page=32): * **Ig:** Hebben verschillende $C_H$ domeinen die isotypen bepalen en effectorfuncties modificeren. Ze ondergaan isotype switching en somatische hypermutatie [32](#page=32) [33](#page=33). * **TCR:** Hebben geen isotypes en geen isotype switch. De variabiliteit in CDR1 en CDR2 is beperkt tot de kiembaan V-gensegmenten, terwijl CDR3-variabiliteit wordt gegenereerd door junctionele diversiteit [32](#page=32). ### 3.7 Somatische hypermutatie (SHM) Somatische hypermutatie is een proces dat plaatsvindt in mature, geactiveerde B-cellen en introduceert additionele variabiliteit in de immunoglobuline genen. Dit proces wordt gemedieerd door Activation-Induced cytidine Deaminase (AID) [34](#page=34) [35](#page=35) [36](#page=36) [38](#page=38). * **AID:** Dit enzym target specifieke DNA-regio's en zet cytidines (C) om in deoxy-uridines (U). Dit leidt tot mutaties, waaronder de omzetting van C naar T [35](#page=35) [36](#page=36). Mutaties in de framework regio's veranderen meestal de structuur van het antilichaam en worden weg geselecteerd, terwijl mutaties in de CDR's die leiden tot verhoogde affiniteit worden bevorderd (affiniteitsmaturatie). SHM vindt plaats binnen een exon en is gericht op de herschikte gensegmenten die coderen voor de variabele regio [38](#page=38). ### 3.8 Isotype switching (Class Switch Recombination - CSR) Isotype switching is een proces waarbij B-cellen hun immunoglobuline isotype veranderen, wat resulteert in verschillende effectorfuncties. Dit proces wordt ook gemedieerd door AID [33](#page=33) [34](#page=34) [35](#page=35). * **AID en CSR:** AID zet cytidines om in uracil, waarna uracil DNA-glycosylases (UNG) deze verwijderen. Dit leidt tot dubbelstrengige breuken die via NHEJ worden hersteld, waarbij de C-regio wordt veranderd [35](#page=35). CSR vindt plaats tussen specifieke 'switch' regio's in de intronen, waardoor het altijd productief is. Geheugen B-cellen hebben hierdoor bijvoorbeeld IgG-, IgA- of IgE-receptoren, terwijl naïeve B-cellen IgM/IgD-receptoren hebben [34](#page=34). ### 3.9 Bronnen van diversiteit samengevat Er zijn drie primaire processen die bijdragen aan de diversiteit in immunoglobulinen [38](#page=38): 1. **Combinatoire diversiteit:** Willekeurige combinatie van V-(D)-J gensegmenten en lichte-zware ketens [38](#page=38) [41](#page=41). 2. **Junctionele diversiteit:** Toevoeging van P- en N-nucleotiden tijdens de recombinatie [29](#page=29) [38](#page=38). 3. **Somatische hypermutatie:** Geïnduceerde mutaties in mature B-cellen [38](#page=38). > **Tip:** De potentiële diversiteit van het immuunrepertoire is gigantisch (tot $10^{18}$), maar het effectieve repertoire (gevormd door bestaande cellen) is kleiner ($10^{7}$-$10^{8}$) [41](#page=41). ### 3.10 Genetische oorsprong van RAG-genen De RAG-genen en RSS zijn waarschijnlijk geëvolueerd uit componenten van een transposon die zich in een voorouder van het immuunsysteem heeft geïntegreerd [8](#page=8). ### 3.11 DNA-veranderingen in B- en T-cellen Enkel B- en T-cellen vertonen veranderd DNA dat niet aanwezig is in kiembaan-DNA. Dit suggereert dat de genetische modificaties die plaatsvinden tijdens de ontwikkeling van immuunreceptoren somatisch zijn en niet worden doorgegeven aan de volgende generatie [6](#page=6) [8](#page=8). --- # Auto-immuniteit en MHC Dit topic onderzoekt de rol van het MHC bij auto-immuunziekten en de genetische factoren die hierbij een rol spelen [64](#page=64). ### 4.1 Genetische aanleg voor auto-immuniteit Auto-immuunziekten zijn gedeeltelijk genetisch bepaald, waarbij HLA-genen de belangrijkste genetische component vormen. Familiew studies kunnen ziekten correleren met specifieke chromosomen, terwijl populatiestudies specifieke genen kunnen identificeren. Figuur 16.5 toont aan hoe familieonderzoek de correlatie tussen HLA-type en de vatbaarheid voor insuline-afhankelijke diabetes mellitus (IDDM) aantoont. Figuur 16.6 illustreert de associatie van HLA-allotypes met auto-immuunziekten [64](#page=64) [65](#page=65). ### 4.2 MHC en Reumatoïde Artritis (RA) #### 4.2.1 De rol van aminozuursequenties in peptidebinding De link tussen reumatoïde artritis (RA) en genetische factoren is het sterkst geassocieerd met de coderende sequentie voor aminozuren 67, 70 en 71 van het DRB1 gen. Specifiek, allotypes zoals *0401, *0404, *0405, en *0408 zijn geassocieerd met RA, terwijl *0402 niet geassocieerd is. Deze geassocieerde allotypes hebben een sequentie met een laag (LQ) en een basisch aminozuur (arginine of lysine) op deze posities. Deze drie polymorfe aminozuren bevinden zich op de alfa-helix die gericht is naar het te binden peptide in de peptide-bindende groeve van het MHC klasse II molecuul. Dit suggereert dat de binding van specifieke peptiden in deze groeve essentieel is voor de ontwikkeling van RA. Figuur 5.33 toont aan dat variaties tussen MHC allotypes geconcentreerd zijn op de locaties die peptide en T-celreceptor binden. Figuur 5.34 toont peptide-bindende motieven van enkele MHC-isoformen en de sequenties van gebonden peptiden [66](#page=66) [67](#page=67). > **Tip:** Het precieze verschil in aminozuursequenties (slechts 2-3 aminozuren) tussen vatbare (DRB1\*0401,0404,0405,0408) en niet-vatbare (DRB1\*0402) individuen, geplaatst in het peptide-bindende gedeelte van het DR-eiwit, is cruciaal voor het begrijpen van de ziektepathogenese [67](#page=67). #### 4.2.2 Citrullinatie en de ontwikkeling van RA Een belangrijke post-translationele modificatie die geassocieerd is met RA is de conversie van arginine residuen in weefselproteïnen naar citrulline door het enzym peptidyl arginine deiminase (PAD). Patiënten met RA die antistoffen hebben tegen gecitrullineerde eiwitten, zijn vaak HLA-DR4 positief. Patiënten zonder deze antistoffen hebben een normale frequentie van DR4 [68](#page=68). Een hypothese stelt dat gecitrullineerde peptiden, die waarschijnlijk niet aanwezig zijn in de thymus (aangezien citrullinatie een post-translationele modificatie is), door PAD gemodificeerd worden. Deze gemodificeerde peptiden kunnen vervolgens binden aan het HLA-DR4 molecuul en een T-cel immuunrespons uitlokken. Deze respons kan ondersteuning bieden voor antistofproductie en T helper cel type 1 (Th1) differentiatie. Er kunnen dus T-cellen in het bloed aanwezig zijn die deze gemodificeerde eiwitten herkennen [68](#page=68). ### 4.3 Multifactoriële pathogenese van auto-immuniteit Naast HLA-genen dragen ook andere genen bij aan de vatbaarheid voor het ontwikkelen van RA. Een voorbeeld is het gen PTPN22, dat codeert voor een fosfatase. Een allel dat leidt tot minder actieve fosfatase-activiteit kan de ontwikkeling van RA bevorderen. Fosfatases remmen normaal gesproken de T-celactivatie. Andere geassocieerde genen omvatten CTLA4, dat betrokken is bij costimulatie [69](#page=69) [70](#page=70). De pathogenese van auto-immuniteit is multifactorieel en wordt bepaald door een combinatie van genetische factoren en omgevingsfactoren [70](#page=70). > **Voorbeeld:** Omgevingsfactoren zoals roken en infecties met de mondbacterie *Porphyromonas gingivalis* (die PAD kan induceren) kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van auto-immuunziekten. Peptiden afkomstig van eiwitten zoals collageen type II, $\alpha$-enolase en fibrine, vimentine, wanneer gepresenteerd op HLA-DR4, kunnen in combinatie met genetische factoren (zoals verminderde T-celactivatie door lage activiteit van tyrosine fosfatases zoals PTPN22) leiden tot auto-immuniteit [70](#page=70). | Gen/Factor | Rol in Auto-immuniteit | Referentie | |---|---|---| | HLA-DR4 | Presentatie van gecitrullineerde peptiden | | [68](#page=68) [70](#page=70). | PTPN22 | Regulatie van T-celactivatie (fosfatase) | | [69](#page=69) [70](#page=70). | CTLA4 | Costimulatie van T-cellen | | [69](#page=69). | Peptidyl arginine deiminase (PAD) | Conversie van arginine naar citrulline | | [68](#page=68) [70](#page=70). | Roken | Omgevingsfactor | | [70](#page=70). | *Porphyromonas gingivalis* | Induceert PAD | | [70](#page=70). | Collageen Type II, $\alpha$-enolase, Fibrinogen, vimentin | Antigenen | | [70](#page=70). --- ## 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 | |------|------------| | Immunoglobuline (Ig) | Immunoglobulinen, ook wel antistoffen genoemd, zijn glycoproteïnen die een cruciaal onderdeel vormen van het adaptieve immuunsysteem. Ze worden geproduceerd door B-cellen en kunnen specifieke antigenen binden, wat leidt tot de eliminatie van pathogenen of geïnfecteerde cellen. | | B-celreceptor (BCR) | De B-celreceptor is een membraangebonden immunoglobuline die zich op het oppervlak van B-cellen bevindt. Het is verantwoordelijk voor de herkenning van specifieke antigenen en initieert de activering en differentiatie van de B-cel. | | T-celreceptor (TCR) | De T-celreceptor is een membraangebonden receptor op T-cellen die, in combinatie met het MHC-molecuul, specifieke antigenen herkent. Het is essentieel voor cellulaire immuniteit en de regulatie van immuunreacties. | | Majeur Histocompatibiliteitscomplex (MHC) | Het MHC is een groep genen die coderen voor eiwitten op het celoppervlak die een belangrijke rol spelen bij de immuunrespons. Bij mensen wordt dit ook wel het Humane Leukocyten Antigeen (HLA) genoemd. MHC-moleculen presenteren peptidefragmenten aan T-cellen. | | Antigeen (Ag) | Een antigeen is een molecuul, meestal een eiwit of koolhydraat, dat door het immuunsysteem wordt herkend als vreemd en dat een immuunrespons kan opwekken. | | Epitoop | Een epitoop is het specifieke deel van een antigeen waaraan een antilichaam of T-celreceptor bindt. Het is de "target" voor de immuunrespons. | | Somatische hypermutatie (SHM) | Somatische hypermutatie is een proces waarbij B-cellen tijdens een immuunrespons mutaties in de genen van hun antistoffen ondergaan, wat leidt tot een hogere affiniteit voor het antigeen. | | Combinatoire diversiteit | Dit is een mechanisme dat bijdraagt aan de grote diversiteit van antilichamen en T-celreceptoren. Het ontstaat door de willekeurige combinatie van verschillende V (variabele), D (diversity) en J (joining) gensegmenten tijdens de genherschikking. | | Junctionele diversiteit | Junctionele diversiteit draagt bij aan de variabiliteit van antilichamen en T-celreceptoren door de willekeurige toevoeging of verwijdering van nucleotiden op de overgangspunten (junctions) van de V, D en J gensegmenten tijdens de genherschikking. | | Klasse-omschakeling (CSR) | Klasse-omschakeling is een proces waarbij de constante regio van een immunoglobuline gen verandert, wat resulteert in de productie van verschillende isotypes (bijv. IgM naar IgG). Dit proces beïnvloedt de effectorfunctie van het antilichaam. | | HLA-restrictie | HLA-restrictie betekent dat T-cellen een antigeen alleen kunnen herkennen wanneer het gepresenteerd wordt door een specifiek MHC-molecuul. Dit is cruciaal voor de specificiteit van de T-celgemedieerde immuunrespons. | | Auto-immuniteit | Auto-immuniteit is een aandoening waarbij het immuunsysteem lichaamseigen weefsels aanvalt als vreemd. Dit kan leiden tot chronische ontsteking en weefselbeschadiging. | | Alloreactiviteit | Alloreactiviteit verwijst naar de immuunrespons van een individu tegen allo-antigenen (antigenen van een ander individu van dezelfde soort), voornamelijk veroorzaakt door verschillen in MHC-moleculen. | | Cytosol | Het cytosol is het vloeibare gedeelte van het cytoplasma van een cel, waar veel metabolische processen plaatsvinden en dat een belangrijke rol speelt bij de presentatie van antigenen via MHC klasse I-moleculen. | | Endoplasmatisch reticulum (ER) | Het endoplasmatisch reticulum is een organel in eukaryote cellen dat betrokken is bij de synthese, vouwing en modificatie van eiwitten, inclusief MHC-moleculen die bestemd zijn voor presentatie op het celoppervlak. |

# Microbiële diversiteit en indeling Microbiële diversiteit en indeling Dit onderwerp verkent de enorme variëteit aan micro-organismen, hun classificatie binnen de levende wereld en de historische ontwikkeling van hun ontdekking. ## 1. Microbiële diversiteit en indeling Micro-organismen zijn organismen met microscopisch kleine afmetingen, wat betekent dat ze niet met het blote oog zichtbaar zijn en visualisatie met een licht- of elektronenmicroscoop vereisen. Ze omvatten onder andere ééncellige algen, protozoa, schimmels, gisten, bacteriën en virussen. ### 1.1 De drie domeinen van leven Het leven op aarde wordt ingedeeld in drie domeinen: * **Bacteriën**: Prokaryote organismen. * **Archaea**: Prokaryote organismen die zich vaak in extreme omstandigheden bevinden. * **Eukarya**: Organismen met een complexere celstructuur, waartoe protisten, fungi, planten en dieren behoren. ### 1.2 Prokaryote versus eukaryote cellen Het fundamentele verschil tussen prokaryote en eukaryote cellen ligt in hun interne organisatie: #### 1.2.1 Prokaryote cel * **Geen celkern**: Het DNA is los in het cytoplasma gelegen. * **Geen celorganellen**: Afwezigheid van membraangebonden structuren zoals mitochondriën of endoplasmatisch reticulum. * **Celmembraan en celwand**: Beide zijn aanwezig. #### 1.2.2 Eukaryote cel * **Celkern (nucleus)**: Bevat het genetische materiaal, omgeven door een kernmembraan. * **Aanwezigheid van organellen**: Omvat structuren zoals het endoplasmatisch reticulum (ER), mitochondriën, Golgi-apparaat, lysosomen, vacuolen en in plantencellen ook plastiden (zoals chloroplasten). * **Celmembraan**: Aanwezig. Een celwand is aanwezig in plantencellen en fungi, maar afwezig in dierlijke cellen. ### 1.3 Micro-organismen: soorten en kenmerken #### 1.3.1 Fungi (schimmels en gisten) * **Kenmerken**: * Spelen een rol bij de afbraak van organisch materiaal door de synthese van extracellulaire enzymen die biopolymeren (eiwitten, koolhydraten, lignine) degraderen. * Produceren antibiotica. * Voeren geen fotosynthese uit. * Fixeren geen stikstof. * Gebruiken geen anorganische componenten als energiebron (in tegenstelling tot sommige bacteriën). * **Gisten**: Eéncellige fungi, die vaak gladde kolonies vormen en groter zijn dan bacteriën. Belangrijk bij de productie van brood en wijn. * **Schimmels**: Hebben een wollig en dradig uiterlijk. Nuttige schimmels produceren secundaire metabolieten (bv. enzymen, citroenzuur). Schadelijke schimmels kunnen voedselinfecties en -intoxicaties veroorzaken. #### 1.3.2 Bacteriën * **Morfologie**: * **Vorm**: Variërend, onder andere kokken (rond), bacillen (staafvormig), spirillen (spiraalvormig). * **Afmetingen**: Over het algemeen tussen 0,3 en 2 micrometer ($\mu$m). * **Aanhangsels**: Sommige bacteriën bezitten kapsels, slijmlagen en flagellen (voor beweging). * **Voortplanting**: * **Ongeslachtelijk**: Voornamelijk door dwarsdeling (binaire deling), waarbij uit één cel twee identieke dochtercellen ontstaan. De generatietijd (verdubbelingstijd) kan kort zijn, soms rond de 20 minuten. * **Geslachtelijk (sporadisch)**: Uitwisseling van genetisch materiaal via conjugatie, transformatie of transductie. * **Conjugatie**: Rechtstreekse uitwisseling van DNA. * **Transformatie**: Opname van vrij DNA uit de omgeving (vaak via plasmiden). * **Transductie**: Overdracht van genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere via een bacterieel virus (bacteriofaag). * **Groei**: Bacteriële groei verloopt in verschillende fasen, waaronder de exponentiële fase (logfase), waarin de populatie exponentieel toeneemt volgens het principe van $2^n$, waarbij $n$ het aantal generaties is. * **Kolonies**: Zichtbaar met het blote oog en worden aangeduid als kolonievormende eenheden (KVE) of colony forming units (CFU). Een enkele bacterie is niet zichtbaar met het blote oog. #### 1.3.3 Virussen * **Kenmerken**: * Geen levende organismen. * Zeer klein, met afmetingen die kleiner zijn dan bacteriën. * Hebben een gastheercel nodig om zich te vermenigvuldigen. ### 1.4 Classificatie en taxonomie #### 1.4.1 Het rijkensysteem Historisch zijn er verschillende rijkensystemen geweest (bv. het vijf-rijkensysteem van Whittaker). Tegenwoordig wordt de classificatie vaak gebaseerd op de drie domeinen van leven. #### 1.4.2 Systematiek van Linnaeus en nomenclatuur De classificatie van organismen volgt de principes van de systematische taxonomie. * **Indeling**: Gebaseerd op gelijke eigenschappen en kenmerken. * **Systematische eenheden**: * Familia (Familie) * Genus (Geslacht) * Species (Soort) * **Verdere onderverdeling**: * Subspecies (Ondersoort) * Biovar (Biotype): op grond van biochemische eigenschappen. * Serovar (Serotype): op grond van serologische eigenschappen. * Stam: alle individuen van een soort die door deling uit één cel ontstaan zijn. * **Nomenclatuur**: De binaire naamgeving, ontwikkeld door Linnaeus, gebruikt de geslachtsnaam gevolgd door de soortnaam (bv. *Escherichia coli* of *E. coli*). Stammen worden soms verder gespecificeerd (bv. *Salmonella enterica* Typhimurium). > **Tip:** Het correcte gebruik van hoofdletters bij geslachtsnamen en kleine letters bij soortnamen is cruciaal in de microbiologische nomenclatuur. #### 1.4.3 Fenotypische en fylogenetische indeling * **Fenotypische indeling**: Gebaseerd op waarneembare eigenschappen (morfologie, biochemische eigenschappen). Bruikbaar voor studies naar traag veranderende eigenschappen. * **Fylogenetische indeling**: Gebaseerd op evolutionaire verwantschap, vaak via DNA-sequencing. Bruikbaar voor studies naar snel veranderende eigenschappen. ### 1.5 Microbiële ecologie en milieu-eisen Micro-organismen vertonen een enorme variatie in hun milieu-eisen, wat hun verspreiding en groei beïnvloedt. #### 1.5.1 Temperatuur * **Psychrofielen**: Groeien bij lage temperaturen. * **Psychrotrofen**: Groeien bij lage temperaturen maar hebben mesofiele optimumtemperaturen. * **Mesofielen**: Groeien bij gematigde temperaturen (optimaal tussen 20-45 °C). Dit omvat de meeste menselijke pathogenen. * **Thermotrofen**: Groeien bij hogere temperaturen maar hebben mesofiele optimumtemperaturen. * **Thermofilen**: Groeien bij hoge temperaturen. * **Extreem thermofielen**: Groeien bij extreem hoge temperaturen. #### 1.5.2 Zuurstof * **Aeroob**: Vereist zuurstof voor groei. * **Facultatief anaeroob**: Kan groeien met of zonder zuurstof. * **Anaeroob**: Groeit in afwezigheid van zuurstof. * **Microaerofiel**: Vereist lage concentraties zuurstof. #### 1.5.3 pH * **Neutrofiel**: Groeit optimaal bij neutrale pH. * **Acidofiel**: Groeit optimaal bij lage pH (zure omgeving). * **Alkalifiel**: Groeit optimaal bij hoge pH (alkalische omgeving). #### 1.5.4 Osmotische druk en wateractiviteit * **Osmotische druk**: De concentratie van opgeloste stoffen in de omgeving kan de groei beïnvloeden. * **Wateractiviteit ($a_w$)**: De hoeveelheid vrij water in een product dat beschikbaar is voor micro-organismen. * Optimale groei van bacteriën: $a_w > 0,9$. * Optimale groei van schimmels: $a_w$ tussen 0,65 en 0,8. * Lagere $a_w$-waarden beperken de groei van veel micro-organismen. * **Halotolerant / Halofiel**: Organismen die tolerant zijn voor of gedijen in hoge zoutconcentraties. #### 1.5.5 Extremofielen Dit zijn micro-organismen die groeien onder extreme omstandigheden, zoals hoge of lage temperaturen, hoge zoutconcentraties, extreme pH-waarden, hoge druk, of hoge stralingsniveaus. ### 1.6 Metabolisme en classificatie Micro-organismen kunnen worden geclassificeerd op basis van hun metabolisme, met name hun behoeften aan een koolstofbron en een energiebron. #### 1.6.1 Koolstofbron * **Autotroof**: Gebruikt kooldioxide ($\text{CO}_2$) als koolstofbron. * **Heterotroof**: Gebruikt organische koolstofverbindingen als koolstofbron. #### 1.6.2 Energiebron * **Fototroof**: Gebruikt licht als energiebron (bv. fotosynthese). * **(Chemo)lithotroof**: Gebruikt anorganische elektronendonoren als energiebron. * **(Chemo)organotroof**: Gebruikt organische elektrondonoren als energiebron. #### 1.6.3 Energieproductie * **Respiratie (ademhaling)**: Volledige afbraak van organische moleculen (zoals glucose) tot $\text{CO}_2$ en water, waarbij veel energie vrijkomt. * Chemische reactie voor de volledige afbraak van glucose (aerobe respiratie): $$ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} + \text{energie (ATP)} $$ * **Fermentatie**: Onvolledige afbraak van organische moleculen in afwezigheid van zuurstof, waarbij minder energie vrijkomt. * Chemische reactie voor de omzetting van glucose in alcohol (ethanolfermentatie): $$ \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 \rightarrow 2\text{C}_2\text{H}_5\text{OH} + 2\text{CO}_2 + \text{energie (ATP)} $$ * **Fotosynthese**: Omzetting van lichtenergie in chemische energie, waarbij $\text{CO}_2$ en water worden omgezet in organische stoffen en zuurstof. * Chemische reactie van de fotosynthese: $$ 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{Licht}} \text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 $$ > **Tip:** ATP (adenosinetrifosfaat) is de universele energiedrager in cellen. De hydrolyse van ATP levert energie voor cellulaire processen. ### 1.7 Gramkleuring De Gramkleuring is een essentiële biochemische methode voor de classificatie van bacteriën op basis van de samenstelling van hun celwand. * **Doel**: Het classificeren van bacteriën in twee hoofdgroepen (Gram-positief en Gram-negatief). * **Methode**: Een specifieke kleuring gevolgd door een ontkleuringsstap. * **Resultaat**: * **Gram-positieve (G+) bacteriën**: Hebben een dikke celwand bestaande uit een dikke laag peptidoglycaan. Ze kleuren paarsblauw. * **Gram-negatieve (G-) bacteriën**: Hebben een dunnere peptidoglycaanlaag, omgeven door een buitenmembraan (lipopolysachariden en eiwitten). Ze kleuren roos-rood. Dit buitenmembraan biedt weerstand tegen sommige antibiotica en enzymen. ### 1.8 Identificatie van micro-organismen Naast de Gramkleuring worden diverse andere biochemische eigenschappen gebruikt voor de identificatie van micro-organismen: * Celwandsamenstelling. * Stofwisselingseigenschappen (bv. groeiomstandigheden, productvorming, enzymactiviteit). * Ecologische niches (bv. darmbacteriën, bodembacteriën, melkzuurbacteriën). ### 1.9 Actief doden van micro-organismen Het vernietigen van de levensvatbaarheid van micro-organismen is cruciaal in de voedingsindustrie en de medische wereld. Methoden omvatten: * **Pasteurisatie**: Kort verhitten tot een bepaalde temperatuur om de meeste pathogenen te doden. * **Sterilisatie**: Verhitten tot hogere temperaturen gedurende langere tijd om alle micro-organismen te doden. * **Vochtige stoom (autoclaaf)**: Effectief omdat eiwitten in water sneller denatureren. * **Droge hitte**: Vereist hogere temperaturen en/of langere tijden. * **In vlam (verbranding)**. * **Chemische sterilisatie**: Gebruik van chemicaliën. * **Bacteriefilters**: Fysiek verwijderen van bacteriën uit vloeistoffen. * **Straling**: Gamma- of UV-straling kan micro-organismen doden door eiwitten en DNA/RNA te beschadigen. ### 1.10 Antibiotica * **Definitie**: Stoffen geproduceerd door micro-organismen die infecterende organismen doden of hun groei remmen, terwijl ze onschadelijk zijn voor de mens. * **Voorbeeld**: Penicilline, geproduceerd door de schimmel *Penicillium notatum*, is specifiek tegen bacteriën door de opbouw van peptidoglycaan te verhinderen. * **Nadeel**: De ontwikkeling van resistentie (bv. MRSA – meticilline-resistente *Staphylococcus aureus*). ### 1.11 Historische context: Ontdekkers en postulaten * **Anton van Leeuwenhoek**: Pionier in de ontwikkeling van microscopen en de eerste waarnemer van micro-organismen. * **Robert Koch**: Ontwikkelde de postulaten die gebruikt worden om aan te tonen dat een specifiek micro-organisme een specifieke ziekte veroorzaakt. Hij identificeerde ook de veroorzakers van miltvuur (*Bacillus anthracis*), tuberculose (*Mycobacterium tuberculosis*) en cholera (*Vibrio cholera*). * **Reinculturen**: Het isoleren en kweken van één enkele soort micro-organisme is essentieel voor microbiologisch onderzoek. --- **Historische Tijdlijn Microbiologie (Belangrijke Figuren en Ontdekkingen)** * **Anton van Leeuwenhoek**: Ontwikkelde microscopen en observeerde micro-organismen. * **Robert Koch**: Koches postulaten, isolatie van ziekteverwekkers (miltvuur, tuberculose, cholera), concept van reinculturen. * **Alexander Fleming**: Ontdekking van penicilline (de precursor van antibiotica). --- > **Opdracht:** Verklaar hoe het komt dat bacteriën met een buitenmembraan (Gram-negatief) beter bestand zijn tegen antibiotica zoals penicilline dan bacteriën zonder dit buitenmembraan (Gram-positief). > > **Antwoord:** Het buitenmembraan van Gram-negatieve bacteriën vormt een extra barrière die de toegang van antibiotica, zoals penicilline (dat gericht is op de peptidoglycaanlaag), tot de celwand kan bemoeilijken of blokkeren. Penicilline remt de synthese van peptidoglycaan, een essentieel onderdeel van de bacteriële celwand. Bij Gram-negatieve bacteriën kan het buitenmembraan dus voorkomen dat penicilline de doelstructuur effectief bereikt. --- # Kenmerken en voortplanting van bacteriën Dit gedeelte behandelt de fundamentele kenmerken van bacteriën, hun naamgeving, voortplantingsmethoden en groeifasen. ### 2.1 Morfologie en afmetingen van bacteriën Bacteriën zijn eencellige micro-organismen met microscopische afmetingen, typisch variërend van $0,3$ tot $2 \text{ µm}$. Hoewel er uitzonderingen bestaan, zijn ze met het blote oog niet zichtbaar en vereisen ze een licht- of elektronenmicroscoop voor visualisatie. #### 2.1.1 Vormen van bacteriën Bacteriën vertonen diverse vormen, waaronder: * **Kogels (cocci):** Eenzaam of in combinaties zoals diplococcen (twee aan elkaar), tetraden (vier aan elkaar), sarcinae (acht aan elkaar) of ketens (streptococcen) en trossen (stafylococcen). * **Staafjes (bacillen):** Eenzaam of in ketens (streptobacillen). * **Gekromde staafjes (vibrionen):** Geknikt of gedraaid. * **Spiraalvormig (spirillen, spirocheten):** Stijf of flexibel. #### 2.1.2 Aanwezigheid van aanvullende structuren Naast de basale celstructuur kunnen bacteriën additionele structuren bezitten die hun overleving en interactie met de omgeving beïnvloeden: * **Kapsels en slijmlagen:** Deze buitenste lagen kunnen bacteriën beschermen tegen uitdroging, fagocytose door immuuncellen en helpen bij adhesie aan oppervlakken. Een slijmlaag is minder georganiseerd dan een stevig kapsel. * **Flagellen:** Lange, zweepachtige aanhangsels die beweging mogelijk maken. Ze kunnen één of meerdere flagellen hebben, die op verschillende posities aan de cel geplaatst kunnen zijn. * **Spores (endosporen):** Inactieve, resistente structuren die bacteriën kunnen vormen onder ongunstige omstandigheden, zoals extreme temperaturen, uitdroging of gebrek aan voedingsstoffen. Deze sporen kunnen lange periodes overleven en ontkiemen wanneer de omstandigheden verbeteren. ### 2.2 Naamgeving (Nomenclatuur) van bacteriën De naamgeving van bacteriën volgt de principes van de binomiale nomenclatuur van Linnaeus, waarbij elke bacterie een unieke geslachtsnaam (Genus) en soortnaam (species) krijgt. * **Geslacht (Genus):** Wordt met een hoofdletter geschreven. * **Soort (species):** Wordt met een kleine letter geschreven. Deze binominale aanduiding wordt vaak afgekort, waarbij de geslachtsnaam met de eerste letter wordt weergegeven, gevolgd door een punt en de volledige soortnaam (bv. $E$. coli). #### 2.2.1 Verdere onderverdelingen Binnen de soort kunnen verdere onderverdelingen worden gemaakt op basis van specifieke eigenschappen: * **Ondersoort (subspecies) of biovar/biotype:** Gebaseerd op biochemische eigenschappen. * **Serovar/serotype:** Gebaseerd op serologische eigenschappen (reacties met antistoffen). * **Stam:** Alle individuen van een soort die afstammen van één enkele cel en daardoor genetisch identiek zijn. **Voorbeeld:** `Escherichia coli` is het geslacht en de soortnaam. `O157:H7` is een serotype van `Escherichia coli` dat specifieke kenmerken heeft. EHEC is een verzamelnaam voor stammen van `Escherichia coli` die enterotoxinen produceren en ernstige darminfecties kunnen veroorzaken. ### 2.3 Voortplanting van bacteriën Bacteriën planten zich voornamelijk voort via ongeslachtelijke methoden, maar kunnen ook genetisch materiaal uitwisselen. #### 2.3.1 Ongeslachtelijke voortplanting De primaire methode van ongeslachtelijke voortplanting is **dwarsdeling (binaire deling)**. Hierbij repliceert het bacterieel chromosoom zich, waarna de cel zich in twee identieke dochtercellen splitst. * **Generatietijd (verdubbelingstijd):** De tijd die nodig is voor één bacteriecel om te delen en twee nieuwe cellen te vormen. Deze kan zeer kort zijn, rond de $20$ minuten onder optimale omstandigheden. * **Kolonievormende eenheid (KVE/CFU):** Door de snelle deling ontstaan grote aantallen bacteriën, zichtbaar als kolonies op een voedingsbodem. Eén enkele bacteriecel vormt uiteindelijk een zichtbare kolonie. #### 2.3.2 Geslachtelijke voortplanting en genetische uitwisseling Hoewel bacteriën geen werkelijke geslachtelijke voortplanting kennen zoals eukaryoten, kunnen ze wel genetisch materiaal uitwisselen, wat bijdraagt aan hun genetische diversiteit. Dit gebeurt sporadisch via: * **Conjugatie:** Directe uitwisseling van genetisch materiaal (vaak plasmiden) tussen twee bacteriën via een pillaire structuur. Dit is een vorm van rechtstreekse genetische uitwisseling. * **Transformatie:** Opname van vrij DNA uit de omgeving, afkomstig van andere (gestorven) bacteriën. Dit is een onrechtstreekse vorm van genetische uitwisseling. * **Transductie:** Overdracht van genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere door middel van een bacteriofaag (een virus dat bacteriën infecteert). Dit is eveneens een onrechtstreekse vorm van genetische uitwisseling. **Tip:** Het vermogen om genetisch materiaal uit te wisselen, zelfs zonder volledige geslachtelijke voortplanting, is cruciaal voor de adaptatie en evolutie van bacteriën, met name voor de verspreiding van resistentie tegen antibiotica. ### 2.4 Groeifasen van bacteriën De groei van een bacteriële populatie in een gesloten systeem (zoals een kweekbuis met voedingsbodem) doorloopt typisch vier fasen: 1. **Lag-fase (Adaptatiefase):** Bacteriën passen zich aan de nieuwe omgeving aan. Er is weinig tot geen celdeling. 2. **Exponentiële fase (Log-fase):** De bacteriën delen zich met hun maximale snelheid. De populatie groeit exponentieel, wat kan worden weergegeven met de formule $2^n$, waarbij $n$ het aantal generaties is. 3. **Stationaire fase:** De groeisnelheid neemt af doordat voedingsstoffen schaarser worden en afvalstoffen zich ophopen. De geboorte- en sterftecijfers zijn ongeveer gelijk. 4. **Doodsfase (Afbraakfase):** De sterftecijfers overtreffen de geboorte- en groeisnelheid. De populatie neemt af. **Tip:** Begrijpen van deze groeifasen is essentieel voor het optimaliseren van microbiële kweekprocessen in biotechnologische toepassingen. ### 2.5 Milieu-eisen en classificatie op basis van groeiomstandigheden Bacteriën vertonen een enorme variatie in hun optimale groeiomstandigheden, wat leidt tot diverse classificaties: #### 2.5.1 Temperatuur * **Psychrofielen:** Groeien optimaal bij lage temperaturen (onder $15 \text{ °C}$). * **Psychrotrofen:** Kunnen groeien bij lage temperaturen, maar groeien optimaal bij gematigde temperaturen. * **Mesofielen:** Groeien optimaal bij gematigde temperaturen (ongeveer $20-45 \text{ °C}$), waaronder de meeste ziekteverwekkers bij de mens. * **Thermotrofen:** Groeien optimaal bij hoge temperaturen, maar kunnen ook bij gematigde temperaturen groeien. * **Thermofielen:** Groeien optimaal bij hoge temperaturen (boven $45 \text{ °C}$). * **Extreem thermofielen:** Groeien bij extreem hoge temperaturen (vaak boven $80 \text{ °C}$). #### 2.5.2 Zuurstof * **Aeroob:** Vereisen zuurstof voor groei. * **Facultatief anaeroob:** Kunnen zowel met als zonder zuurstof groeien, maar groeien beter met zuurstof. * **Anaeroob:** Groeien niet in aanwezigheid van zuurstof; zuurstof kan zelfs toxisch zijn. * **Microaerofiel:** Vereisen een lage concentratie zuurstof voor groei. #### 2.5.3 pH * **Neutrofielen:** Groeien optimaal bij een neutrale pH (rond $7$). * **Acidofielen:** Groeien optimaal bij lage pH (zure omstandigheden). * **Alkalifielen (alkalofielen):** Groeien optimaal bij hoge pH (alkalische omstandigheden). #### 2.5.4 Osmotische druk en wateractiviteit * **Halotolerant:** Kunnen groeien bij een breed scala aan zoutconcentraties, inclusief hoge concentraties. * **Halofiel:** Vereisen hoge zoutconcentraties voor optimale groei. * **Wateractiviteit ($a_w$-waarde):** De beschikbaarheid van water is cruciaal. Een lagere $a_w$-waarde (minder vrij water) beperkt bacteriegroei. Optimale groei van bacteriën vindt plaats bij $a_w > 0,9$, terwijl schimmels kunnen groeien bij lagere $a_w$-waarden (0,65-0,8). **Tip:** Extreme omstandigheden waar bacteriën in kunnen groeien, worden gedefinieerd door de aanwezigheid van **extremofielen**, zoals bacteriën die groeien bij extreem hoge of lage temperaturen, hoge zoutconcentraties, of onder hoge druk. ### 2.6 Classificatie op basis van metabolisme Bacteriën kunnen ook worden geclassificeerd op basis van hun bronnen van koolstof (C) en energie. #### 2.6.1 Koolstofbron * **Autotroof:** Gebruiken koolstofdioxide ($CO_2$) als koolstofbron. * **Heterotroof:** Gebruiken organische koolstofverbindingen als koolstofbron. #### 2.6.2 Energiebron * **Fototroof:** Verkrijgen energie uit licht (bv. fotosynthese). * **(Chemo)lithotroof:** Verkrijgen energie uit de oxidatie van anorganische verbindingen (bv. waterstofsulfide, ammoniak). * **(Chemo)organotroof:** Verkrijgen energie uit de oxidatie van organische verbindingen. **Voorbeeld van combinaties:** * **Foto-autotroof:** Gebruikt licht voor energie en $CO_2$ als C-bron (bv. cyanobacteriën). * **Chemo-heterotroof:** Gebruikt organische verbindingen voor zowel energie als C-bron (bv. de meeste bacteriën en dieren). ### 2.7 Taxonomie en identificatie De classificatie en identificatie van bacteriën maken gebruik van verschillende eigenschappen: * **Celwandsamenstelling:** Cruciaal is de **Gram-kleuring**, die bacteriën verdeelt in Gram-positief (G+) en Gram-negatief (G-). * **Gram-positieve bacteriën:** Hebben een dikke laag peptidoglycaan in hun celwand die de paarse kleurstof vasthoudt. * **Gram-negatieve bacteriën:** Hebben een dunne laag peptidoglycaan en een buitenmembraan met lipopolysachariden (LPS). Zij kleuren rood-roze na de kleuring. * **Stofwisselingseigenschappen:** Groeiomstandigheden, geproduceerde metabolieten, enzymactiviteit en biochemische reacties. * **Fylogenetische analyse:** Gebaseerd op genetisch materiaal (bv. 16S rRNA-sequencing) voor het vaststellen van evolutionaire relaties. **Tip:** Fenotypische indelingen (gebaseerd op waarneembare eigenschappen) zijn nuttig voor snelle identificatie, terwijl fylogenetische indelingen een dieper inzicht geven in evolutionaire verbanden. --- # Milieu-eisen en metabolisme van micro-organismen Dit onderwerp behandelt de omgevingsfactoren die de groei en verspreiding van micro-organismen beïnvloeden, evenals hun diverse metabole processen en voedingsbehoeften. ### 3.1 Omgevingsfactoren die de groei van micro-organismen beïnvloeden Micro-organismen vertonen een grote variatie in hun tolerantie voor verschillende omgevingsfactoren, wat resulteert in een breed scala aan ecologische niches. #### 3.1.1 Temperatuur De temperatuur heeft een significante invloed op de groei van micro-organismen en kan worden ingedeeld op basis van hun optimale groei temperatuur: * **Psychrofiel:** Groeit optimaal bij lage temperaturen (onder 15 graden Celsius). * **Psychrotroof:** Kan groeien bij lage temperaturen, maar heeft een optimale groei bij gematigde temperaturen (boven 20 graden Celsius). * **Mesofiel:** Groeit optimaal bij gematigde temperaturen, doorgaans tussen 20 en 45 graden Celsius. Dit is de grootste groep micro-organismen, waaronder veel ziekteverwekkers. * **Thermofoob:** Groeit optimaal bij hoge temperaturen (45 tot 80 graden Celsius). * **Extreem thermofiel:** Groeit optimaal bij zeer hoge temperaturen (boven 80 graden Celsius). #### 3.1.2 Zuurstof De behoefte aan zuurstof varieert sterk tussen micro-organismen: * **Aeroob:** Vereist zuurstof voor groei. * **Facultatief anaeroob:** Kan groeien met of zonder zuurstof, maar groeit beter in aanwezigheid van zuurstof. * **Anaeroob:** Groeit alleen in afwezigheid van zuurstof. * **Microaerofiel:** Vereist lage concentraties zuurstof voor groei. #### 3.1.3 pH De zuurgraad van het milieu (pH) is ook een kritische factor: * **Neutrofiel:** Groeit optimaal bij neutrale pH-waarden (ongeveer pH 7). * **Acidofiel:** Groeit optimaal bij zure pH-waarden (lage pH). * **Alkalifiel (of alkalofiel):** Groeit optimaal bij alkalische pH-waarden (hoge pH). #### 3.1.4 Osmotische druk en wateractiviteit ($a_w$-waarde) De osmotische druk, gerelateerd aan de concentratie opgeloste stoffen, en de hoeveelheid vrij water ($a_w$-waarde) beïnvloeden de beschikbaarheid van water voor micro-organismen. * **Osmotische druk:** Hogere concentraties opgeloste stoffen in de omgeving kunnen water uit de cel trekken. * **Wateractiviteit ($a_w$-waarde):** Dit is de verhouding tussen het ongebonden (vrije) water en de totale hoeveelheid water in een product. De maximale $a_w$-waarde is 1. * Optimale groei van bacteriën vindt plaats bij $a_w > 0,9$. * Optimale groei van schimmels ligt tussen $a_w = 0,65$ en $a_w = 0,8$. * Drogere voedingsmiddelen (lagere $a_w$-waarde) bieden minder kans op bacteriegroei. #### 3.1.5 Extremofielen Sommige micro-organismen, **extremofielen** genoemd, kunnen groeien onder extreme omstandigheden die voor de meeste andere organismen dodelijk zijn, zoals extreme temperaturen (hoge en lage), extreem hoge zoutconcentraties, of extreme pH-waarden. ### 3.2 Metabolisme van micro-organismen Het metabolisme van micro-organismen verwijst naar de chemische processen die plaatsvinden binnen de cel om energie te produceren en biomassa op te bouwen. Micro-organismen worden geclassificeerd op basis van hun koolstofbron en energiebron. #### 3.2.1 Koolstofbron De koolstofbron is essentieel voor de opbouw van organische moleculen: * **Autotroof:** Gebruikt koolstofdioxide ($CO_2$) als koolstofbron. * **Heterotroof:** Gebruikt organische koolstofverbindingen als koolstofbron. #### 3.2.2 Energiebron De energiebron bepaalt hoe micro-organismen energie verkrijgen: * **Fototroof:** Verkrijgt energie uit licht. * **(Chemo)lithotroof:** Verkrijgt energie uit anorganische elektronendonoren. * **(Chemo)organotroof:** Verkrijgt energie uit organische elektronendonoren. #### 3.2.3 Combinaties van koolstof- en energiebronnen De combinatie van koolstof- en energiebronnen leidt tot verschillende metabole typen: | Metabool type | Koolstofbron | Energiebron | Voorbeelden van processen | | :------------------ | :----------- | :------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | **Fotoautotroof** | $CO_2$ | Licht | Fotosynthese (bv. cyanobacteriën, algen) | | **Fotoheterotroof** | Organisch C | Licht | Fotosynthese met organische verbindingen als elektronendonor (bv. bepaalde bacteriën) | | **Chemoautotroof** | $CO_2$ | Anorganische e-donor | Oxidatie van anorganische verbindingen zoals $H_2$, $NH_3$, $H_2S$ (bv. nitrificerende bacteriën) | | **Chemoheterotroof**| Organisch C | Organische e-donor | **Respiratie:** Volledige afbraak van organische moleculen tot $CO_2$ en $H_2O$. **Fermentatie:** Onvolledige afbraak van organische moleculen in afwezigheid van zuurstof. Dit is de meest voorkomende categorie. | **Tip:** De meeste pathogene bacteriën zijn chemoheterotroof. #### 3.2.4 Energieproductie (Respiratie en Fermentatie) * **Respiratie/Ademhaling:** Een proces waarbij organische koolstofmoleculen volledig worden afgebroken tot koolstofdioxide ($CO_2$) en water ($H_2O$), waarbij veel ATP wordt geproduceerd. Dit vereist meestal zuurstof als eindelektronacceptor. * De volledige afbraak van glucose kan worden weergegeven door: $$C_6H_{12}O_6 + 6 O_2 \rightarrow 6 CO_2 + 6 H_2O + Energie$$ * **Fermentatie:** Een proces waarbij organische moleculen onvolledig worden afgebroken in afwezigheid van zuurstof. Dit levert minder ATP op dan respiratie, maar maakt wel energieproductie mogelijk onder anaerobe omstandigheden. * Een voorbeeld van glucose omzetting in alcohol (fermentatie): $$C_6H_{12}O_6 \rightarrow 2 C_2H_5OH + 2 CO_2 + Energie$$ * **Fotosynthese:** Een anabolisch proces waarbij lichtenergie wordt gebruikt om energierijke verbindingen op te bouwen. * De algemene chemische reactie van fotosynthese is: $$6 CO_2 + 6 H_2O \xrightarrow{Licht} C_6H_{12}O_6 + 6 O_2$$ **Tip:**ATP (adenosinetrifosfaat) is de universele energiedrager in cellen. Energie uit de afbraak van organische stoffen wordt opgeslagen in ATP en kan vervolgens worden gebruikt voor celprocessen. #### 3.2.5 Koolhydraten, Eiwitten en Vetten Micro-organismen kunnen diverse organische moleculen gebruiken als bron van koolstof en energie, waaronder koolhydraten, eiwitten (proteïnen) en vetten (lipiden). Het herkennen van de chemische structuren van deze macromoleculen is belangrijk. ### 3.3 Taxonomie en Identificatie Micro-organismen worden geclassificeerd op basis van hun eigenschappen, waaronder hun metabolisme en celwandsamenstelling. #### 3.3.1 Indeling op basis van voedingsbehoeften De indeling in auto- en heterotroof, en photo- en chemotrofe behoeften is cruciaal voor de classificatie en het begrijpen van de ecologie van micro-organismen. #### 3.3.2 Gramkleuring De Gramkleuring is een belangrijke biochemische eigenschap die gebruikt wordt voor de classificatie van bacteriën. Het verschil in kleuring is te wijten aan de verschillende structuren van hun celwand: * **Gram-positieve (G+) bacteriën:** Hebben een dikke celwand bestaande uit een dikke laag peptidoglycaan. Ze kleuren paarsblauw na de Gramkleuring. * **Gram-negatieve (G-) bacteriën:** Hebben een dunnere peptidoglycaanlaag omgeven door een buitenmembraan. Ze kleuren roos-rood na de Gramkleuring. Dit buitenmembraan kan G- bacteriën resistenter maken tegen bepaalde antibiotica en enzymen. **Tip:** De Gramkleuring is een snelle methode voor de initiële identificatie van bacteriën. #### 3.3.3 Andere biochemische eigenschappen Naast de celwandsamenstelling worden ook stofwisselingseigenschappen, zoals groeiomstandigheden, productvorming en enzymactiviteit, gebruikt voor de determinatie van onbekende micro-organismen. ### 3.4 Bacteriën in Cultuur Het kweken van micro-organismen in een gecontroleerde omgeving (cultuur) is essentieel voor hun studie en toepassing. Dit kan op vaste of vloeibare voedingsbodems. ### 3.5 Actief doden van micro-organismen Het vernietigen van micro-organismen, of het onschadelijk maken ervan, is cruciaal in sectoren zoals de voedingsindustrie en de geneeskunde. Methoden omvatten: * **Pasteurisatie:** Behandeling met verhoogde temperatuur gedurende een bepaalde tijd om pathogenen te doden zonder het product te beschadigen. * **Sterilisatie:** Behandeling met hogere temperaturen en/of langere tijden om alle micro-organismen te doden. Dit kan gebeuren met vochtige stoom (autoclaaf), droge hitte of door verbranding. * **Chemische sterilisatie:** Gebruik van chemicaliën. * **Bacteriefilters:** Fysieke verwijdering van micro-organismen uit vloeistoffen. * **Straling:** Gebruik van gamma- of UV-straling om micro-organismen te doden of te inactiveren. #### 3.5.1 Antibiotica Antibiotica zijn stoffen, vaak geproduceerd door micro-organismen zelf, die infectieuze organismen doden of hun groei remmen. Ze zijn meestal specifiek tegen bacteriën en werken bijvoorbeeld door de opbouw van de celwand te verhinderen. Een nadeel is de ontwikkeling van resistentie. ### 3.6 Nomenclatuur en Taxonomie De classificatie en naamgeving van micro-organismen volgt de principes van de Linneaanse taxonomie. * **Binominale nomenclatuur:** Geslachtsnaam (met hoofdletter) gevolgd door de soortnaam (met kleine letter), bijvoorbeeld *Escherichia coli*. * **Systematische eenheden:** Familie (-aceae), Geslacht (Genus), Soort (species). * Variaties binnen een soort kunnen worden aangeduid met subspecies, biovar (biotype) of serovar (serotype). * Een **stam** omvat alle individuen van een soort die door celdeling uit één enkele cel zijn ontstaan. **Voorbeeld:** *Pseudomonas putida* en *Pseudomonas fluorescens* behoren tot hetzelfde geslacht (*Pseudomonas*), maar zijn verschillende soorten. **Voorbeeld:** Bij *Salmonella enterica* Typhimurium is *Salmonella* het geslacht, *enterica* de soortnaam, en Typhimurium een serotype dat specifiek de ziekte veroorzaakt. *Escherichia coli* O157:H7 is een specifiek serotype van *E. coli* dat bekend staat om zijn pathogeniciteit. EHEC is een verzamelnaam voor verschillende stammen die enterohaemorragische infecties kunnen veroorzaken. --- # Taxonomie, karakterisering en bestrijding van micro-organismen Dit onderwerp behandelt de classificatie en identificatie van micro-organismen, methoden om ze te doden, en de rol van antibiotica. ### 4.1 Indeling en karakterisering van micro-organismen Micro-organismen zijn organismen met microscopisch kleine afmetingen, meestal in het bereik van micrometers ($ \mu m $). Ze zijn zichtbaar te maken met een licht- of elektronenmicroscoop. De indeling van micro-organismen is complex en evolueert voortdurend. Historisch zijn er verschillende rijken-systemen voorgesteld, waarbij de nadruk ligt op de fundamentele verschillen tussen prokaryote en eukaryote cellen. #### 4.1.1 Prokaryote cellen Prokaryote cellen, waartoe bacteriën en archaea behoren, missen een celkern en zijn daardoor eenvoudiger van structuur. Hun genetisch materiaal (DNA) ligt los in het cytoplasma. Ze beschikken wel over een celmembraan en een celwand. * **Morfologie van bacteriën:** Bacteriën variëren in vorm, zoals bolvormig (cocci), staafvormig (bacillen) en spiraalvormig. Ze kunnen uitwendige structuren hebben zoals kapsels, slijmlagen en flagellen die bijdragen aan hun eigenschappen en overlevingskansen. De afmetingen van bacteriën variëren typisch van 0,3 tot 2 $ \mu m $, hoewel er uitzonderingen bestaan. * **Voortplanting van bacteriën:** Bacteriën vermenigvuldigen zich hoofdzakelijk ongeslachtelijk door middel van binaire deling (dwarsdeling). Na replicatie van het DNA deelt de cel zich in twee identieke dochtercellen. De generatietijd, of verdubbelingstijd, kan kort zijn, bijvoorbeeld ongeveer 20 minuten. Dit proces kan leiden tot de vorming van zichtbare kolonies op voedingsbodems. Hoewel binaire deling de standaard is, kunnen bacteriën ook genetisch materiaal uitwisselen via sporadische geslachtelijke processen zoals conjugatie (directe uitwisseling), transformatie (opname van vrij DNA) en transductie (via bacteriële virussen). * **Groei:** Bacteriële groei doorloopt verschillende fasen, waaronder een exponentiële fase (logfase) waarin het aantal cellen zich snel vermenigvuldigt volgens het principe van $ 2^n $, waarbij $ n $ het aantal generaties is. * **Milieu-eisen:** Bacteriën vertonen een grote variatie in hun optimale groeiomstandigheden. Belangrijke factoren zijn temperatuur (psychrofiel, mesofiel, thermofiel), zuurstofbehoefte (aeroob, anaeroob, facultatief anaeroob), pH (neutrofiel, acidofiel, alkalifiel), en osmotische druk/wateractiviteit ($ a_w $-waarde). Extremofiele bacteriën kunnen groeien onder extreme omstandigheden van temperatuur, zoutconcentratie, etc. De $ a_w $-waarde, de fractie vrij water in een product, is cruciaal voor microbiële groei; optimale groei van bacteriën vereist een $ a_w $-waarde boven 0,9, terwijl schimmels kunnen groeien bij lagere waarden. * **Metabolisme:** Classificatie op basis van metabolisme houdt rekening met de bron van koolstof (C-bron) en de energiebron. * **C-bron:** Autotrofen gebruiken $ CO_2 $, terwijl heterotrofen organische koolstofbronnen nodig hebben. * **Energiebron:** Fototrofen gebruiken lichtenergie, terwijl chemotrofen hun energie halen uit chemische reacties. Binnen de chemotrofen onderscheiden we lithotrofen (gebruik van anorganische elektronendonoren) en organotrofen (gebruik van organische elektronendonoren). #### 4.1.2 Eukaryote cellen Eukaryote cellen, zoals die van gisten, schimmels, planten en dieren, zijn complexer. Ze bezitten een celkern met een kernmembraan en diverse celorganellen zoals het endoplasmatisch reticulum, mitochondriën en het Golgi-apparaat. * **Gisten:** Eéncellige fungi die vaak gladde kolonies vormen en groter zijn dan bacteriën. Ze zijn belangrijk in de productie van brood en alcoholische dranken. * **Schimmels:** Kenmerken zich door een wollig en dradig uiterlijk. Nuttige schimmels produceren secundaire metabolieten zoals enzymen en citroenzuur. Schadelijke schimmels kunnen voedselinfecties en -intoxicaties veroorzaken. #### 4.1.3 Taxonomie en nomenclatuur Taxonomie is de wetenschap van classificatie en identificatie. Voor micro-organismen worden diverse eigenschappen gebruikt: * **Biochemische eigenschappen:** Dit omvat de samenstelling van de celwand (bv. Gram-positief of Gram-negatief), stofwisselingseigenschappen (groeiomstandigheden, productvorming, enzymactiviteit). * **Gramkleuring:** Een essentiële kleuringstechniek voor de classificatie van bacteriën op basis van hun celwandsamenstelling. * **Doel:** Classificatie van bacteriën in twee hoofdgroepen. * **Resultaat:** Gram-positieve bacteriën kleuren paarsblauw, terwijl Gram-negatieve bacteriën rood-roos kleuren. Dit verschil is te wijten aan de structuur van de celwand. Gram-positieve bacteriën hebben een dikke laag peptidoglycaan, terwijl Gram-negatieve bacteriën een dunnere laag hebben, omgeven door een buitenmembraan. * **Systematiek van Linnaeus:** Indeling op basis van gedeelde eigenschappen. De hiërarchie omvat: Familie, Geslacht (Genus) en Soort (species). Verdere onderverdelingen zijn ondersoorten (subspecies), biovars en serovars. * **Nomenclatuur:** De gangbare naamgeving is binair, bestaande uit de geslachtsnaam gevolgd door de soortnaam (bv. *Escherichia coli*). #### 4.1.4 Karakterisering Karakterisering kan fenotypisch (gebaseerd op waarneembare eigenschappen) of fylogenetisch (gebaseerd op evolutionaire verwantschap) zijn. ### 4.2 Bestrijding van micro-organismen Het actief doden van micro-organismen is cruciaal in diverse sectoren, met name de voedingsindustrie en de medische wereld. Het doel is om de levensvatbaarheid van micro-organismen te vernietigen, meestal door het aantasten van hun eiwitten en nucleïnezuren (DNA/RNA). * **Sterilisatie en pasteurisatie:** * **Pasteurisatie:** Verhitting tot een specifieke temperatuur gedurende een bepaalde tijd om pathogene micro-organismen te doden, maar niet alle. * **Sterilisatie:** Vernietiging van alle micro-organismen. Methoden omvatten: * **Vochtige stoom in autoclaaf:** Denatureert eiwitten efficiënt in een waterige omgeving. * **Droge sterilisatie:** Vereist hogere temperaturen en langere tijden. * **In vlam:** Directe verhitting. * **Chemische sterilisatie:** Gebruik van chemicaliën. * **Bacteriefilter:** Fysieke verwijdering van micro-organismen. * **Straling (gamma of UV):** Beschadigt DNA en RNA. #### 4.2.1 Antibiotica Antibiotica zijn stoffen die infectieuze micro-organismen doden of hun groei remmen, terwijl ze voor de mens onschadelijk zijn. * **Productie:** Veel antibiotica worden geproduceerd door andere micro-organismen, zoals schimmels (bv. penicilline door *Penicillium notatum*). * **Werkingsmechanisme:** Penicilline werkt bijvoorbeeld door de opbouw van de bacteriële celwand te verhinderen. * **Resistentie:** Een significant nadeel is de ontwikkeling van antibioticaresistentie bij micro-organismen (bv. MRSA – meticilline-resistente *Staphylococcus aureus*). #### 4.2.2 Koches postulaten Koches postulaten zijn een reeks criteria die worden gebruikt om de causale relatie tussen een specifiek micro-organisme en een specifieke ziekte aan te tonen. Ze vereisen de isolatie van het micro-organisme in een reincultuur, inoculatie in een gastheer, en het opnieuw isoleren van hetzelfde micro-organisme uit de geïnfecteerde gastheer. Dit proces is essentieel voor het aantonen van de rol van bacteriën bij ziekte. --- ## 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 | |------|------------| | Prokaryote cel | Een cel die geen celkern bevat; het DNA bevindt zich los in het cytoplasma en er zijn geen afgesloten celorganellen. | | Eukaryote cel | Een cel die wel een celkern (nucleus) en andere membraangebonden organellen bevat, zoals het endoplasmatisch reticulum en mitochondriën. | | Microbiële diversiteit | De verscheidenheid aan verschillende soorten micro-organismen die op aarde voorkomen, inclusief bacteriën, archaea, schimmels en virussen. | | Whittaker | Een wetenschapper die een indeling van levende organismen in vijf rijken (Monera, Protista, Fungi, Plantae, Animalia) voorstelde. | | Filament | Een draadvormige structuur, vaak gebruikt om de morfologie van bacteriën, schimmels of algen te beschrijven. | | Kapsel (bacterieel) | Een slijmerige laag rondom de celwand van sommige bacteriën, die bescherming biedt tegen uitdroging en fagocytose. | | Flagel | Een zweepachtige aanhangsel dat veel micro-organismen gebruiken voor voortbeweging. | | Sporen (bacterieel) | Inactieve, resistente structuren gevormd door bepaalde bacteriën om barre omstandigheden te overleven; ze zijn niet voor voortplanting bedoeld. | | Fungi (schimmels) | Een groep eukaryote organismen die zich voeden door absorptie, inclusief gisten, schimmels en paddenstoelen. | | Gisten | Eéncellige fungi die zich voornamelijk vermenigvuldigen door knopvorming en een belangrijke rol spelen in fermentatieprocessen. | | Celwand | Een structurele laag die zich buiten het celmembraan van een cel bevindt, en die bescherming en stevigheid biedt. De samenstelling verschilt sterk tussen prokaryoten en eukaryoten. | | Cytoplasma | Het celplasma, de gel-achtige substantie die de organellen omringt binnen de celmembraan, exclusief de celkern. | | Organellen | Gespecialiseerde structuren binnen een cel die specifieke functies uitvoeren, zoals mitochondriën voor energieproductie of ribosomen voor eiwitsynthese. | | Linnaeussystematiek | Een classificatiesysteem dat organismen indeelt op basis van hun morfologische en anatomische kenmerken, zoals gebruikt door Carl Linnaeus. | | Binaire naamgeving | Het systeem van wetenschappelijke naamgeving waarbij elke soort wordt aangeduid met twee namen: de geslachtsnaam gevolgd door de soortaanduiding. | | Genus (geslacht) | Een taxonomische rang die een groep van nauw verwante soorten omvat. | | Species (soort) | De basiseenheid van de taxonomische classificatie, bestaande uit organismen die zich onderling kunnen voortplanten en vruchtbare nakomelingen kunnen produceren. | | Biovar (biotype) | Een groep organismen binnen een soort die vergelijkbare biochemische eigenschappen vertonen. | | Serovar (serotype) | Een groep organismen die door middel van serologische tests als identiek kunnen worden aangetoond, vaak gebaseerd op de aanwezigheid van specifieke antigenen. | | Stam | Alle individuen van een soort die ontstaan zijn uit één enkele cel door deling; dit zijn genetisch identieke klonen. | | Dwarsdeling | De primaire methode van aseksuele voortplanting bij bacteriën, waarbij de cel zich in tweeën splitst na verdubbeling van het genetisch materiaal. | | Generatietijd | De tijd die een bacterie nodig heeft om zich één keer te delen, wat resulteert in een verdubbeling van het aantal cellen. | | Kolonievormende eenheid (KVE) | Een term die gebruikt wordt om het aantal levende micro-organismen in een monster te kwantificeren, gebaseerd op het aantal zichtbare kolonies dat ontstaat na inoculatie op een voedingsbodem. | | Conjugatie | Een proces waarbij genetisch materiaal wordt overgedragen van de ene bacterie naar de andere door direct cel-tot-cel contact, vaak via een plasmide. | | Transformatie | Het proces waarbij een bacterie genetisch materiaal uit de omgeving opneemt en in zijn eigen genoom integreert. | | Transductie | Het proces waarbij genetisch materiaal van de ene bacterie naar de andere wordt overgedragen via een bacteriofaag (een virus dat bacteriën infecteert). | | Psychrofiel | Een organisme dat optimaal groeit bij lage temperaturen, meestal rond de 15°C of lager. | | Mesofiel | Een organisme dat optimaal groeit bij gematigde temperaturen, meestal tussen 20°C en 45°C. | | Thermotroof | Een organisme dat groeit bij verhoogde temperaturen, maar niet per se extreem hoog. | | Thermofiel | Een organisme dat optimaal groeit bij hoge temperaturen, meestal boven de 45°C. | | Aeroob | Een organisme dat zuurstof nodig heeft voor zijn stofwisseling. | | Anaeroob | Een organisme dat niet in aanwezigheid van zuurstof kan groeien, of waarbij zuurstof schadelijk is voor zijn stofwisseling. | | Facultatief anaeroob | Een organisme dat zowel in aanwezigheid van zuurstof als in afwezigheid daarvan kan groeien, maar de voorkeur geeft aan zuurstof. | | Microaerofiel | Een organisme dat zuurstof nodig heeft voor zijn stofwisseling, maar alleen bij lage concentraties (minder dan atmosferische concentraties). | | pH | Een maat voor de zuurgraad of alkaliteit van een oplossing, gemeten op een schaal van 0 tot 14. | | Neutrofiel | Een organisme dat optimaal groeit bij een neutrale pH, rond de 7. | | Acidofiel | Een organisme dat optimaal groeit bij lage pH-waarden (zure omstandigheden). | | Alkalifiel (alkalofiel) | Een organisme dat optimaal groeit bij hoge pH-waarden (alkalische omstandigheden). | | Osmotische druk | De druk die nodig is om de osmose van water over een semipermeabel membraan te stoppen; gerelateerd aan de concentratie van opgeloste stoffen aan beide zijden. | | Wateractiviteit ($a_w$-waarde) | De hoeveelheid "vrij" water in een product dat beschikbaar is voor microbiële groei, uitgedrukt als een fractie van de wateractiviteit van zuiver water (waarbij 1 de maximale waarde is). | | Halotolerant | Een organisme dat enige tolerantie heeft voor hoge zoutconcentraties, maar niet noodzakelijkerwijs optimaal groeit bij deze omstandigheden. | | Halofiel | Een organisme dat zout vereist voor optimale groei en zich heeft aangepast aan hoge zoutomgevingen. | | Extremofiel | Een organisme dat gedijt onder extreme omgevingsomstandigheden, zoals extreem hoge of lage temperaturen, hoge zoutgehaltes of hoge druk. | | Metabolisme | De totale chemische processen die plaatsvinden in een levend organisme om leven te ondersteunen. | | Koolstofbron (C-bron) | Een stof die koolstof levert voor de synthese van organische moleculen in een organisme. | | Energiebron | Een stof of proces dat de energie levert die nodig is voor metabole activiteiten. | | Autotroof | Een organisme dat zijn eigen organische verbindingen kan synthetiseren uit anorganische bronnen, zoals CO2, en daarbij energie haalt uit licht of chemische reacties. | | Heterotroof | Een organisme dat zijn koolstof en energie verkrijgt uit de consumptie van organische verbindingen. | | Fototroof | Een organisme dat licht gebruikt als energiebron voor zijn metabolisme. | | Lithotroof | Een organisme dat anorganische stoffen als elektronendonor gebruikt voor zijn metabolisme. | | Organotroof | Een organisme dat organische stoffen als elektronendonor gebruikt voor zijn metabolisme. | | Taxonomie | De wetenschap die zich bezighoudt met de classificatie, benoeming en ordening van organismen. | | Gramkleuring | Een differentiële kleuringstechniek die bacteriën onderverdeelt in twee hoofdgroepen (Gram-positief en Gram-negatief) op basis van de samenstelling van hun celwand. | | Gram-positief (G+) | Bacteriën die de Gram-kleurstof vasthouden en paarsblauw kleuren, gekenmerkt door een dikke laag peptidoglycaan in hun celwand. | | Gram-negatief (G-) | Bacteriën die de Gram-kleurstof niet vasthouden en rozerood kleuren na ontkleuring, gekenmerkt door een dunne laag peptidoglycaan omgeven door een buitenmembraan. | | Peptidoglycaan | Een polymeer dat een cruciaal bestanddeel vormt van de celwanden van de meeste bacteriën, en dat stevigheid en bescherming biedt. | | Fenotypische indeling | Classificatie van organismen op basis van waarneembare eigenschappen (fenotype), zoals morfologie, biochemische reacties en fysiologische kenmerken. | | Fylogenetische indeling | Classificatie van organismen gebaseerd op hun evolutionaire verwantschap en genetische geschiedenis. | | Sterilisatie | Een proces waarbij alle micro-organismen, inclusief sporen, worden gedood of verwijderd, meestal door hitte of chemische middelen. | | Pasteurisatie | Een hittebehandeling die wordt toegepast op vloeistoffen om schadelijke micro-organismen te doden en de houdbaarheid te verlengen, zonder het product drastisch te veranderen. | | Autoclaaf | Een apparaat dat stoom onder druk gebruikt om materialen te steriliseren. | | Bacteriofaag | Een virus dat specifiek bacteriën infecteert. | | Antibiotica | Medicijnen die worden gebruikt om bacteriële infecties te bestrijden door bacteriën te doden of hun groei te remmen. | | Penicilline | Een antibioticum dat oorspronkelijk werd geproduceerd door de schimmel Penicillium en effectief is tegen veel bacteriën door de synthese van peptidoglycaan te verstoren. | | Resistentie (antibiotica) | Het vermogen van micro-organismen om de effecten van een antibioticum te weerstaan, waardoor het medicijn minder of niet effectief is. | | Koch-postulaten | Vier criteria opgesteld door Robert Koch om een oorzakelijk verband aan te tonen tussen een specifiek micro-organisme en een bepaalde ziekte. | | Reincultuur | Een kweek van micro-organismen die alleen uit één enkele soort of stam bestaat. | | Voedingsbodem | Een medium dat voedingsstoffen bevat die nodig zijn voor de groei van micro-organismen in een laboratoriumkweek. | | ATP (adenosinetrifosfaat) | Een energiedragermolecuul in cellen dat een sleutelrol speelt bij energieoverdracht in metabole processen. | | Hydrolyse | Een chemische reactie waarbij water wordt gebruikt om een verbinding te splitsen in twee of meer kleinere moleculen. | | Glycolyse | Het metabole pad dat glucose afbreekt tot pyruvaat, waarbij ATP en NADH worden geproduceerd. | | Fotosynthese | Het proces waarbij organismen, zoals planten en algen, lichtenergie gebruiken om koolstofdioxide en water om te zetten in glucose en zuurstof. | | Katabolisch pathway | Een reeks biochemische reacties die complexe moleculen afbreken tot eenvoudigere, waarbij energie vrijkomt. | | Anabolisch pathway | Een reeks biochemische reacties die eenvoudige moleculen opbouwen tot complexere, waarbij energie wordt verbruikt. | | Fermentatie | Een metabool proces dat anaeroob verloopt en waarbij organische moleculen onvolledig worden afgebroken om energie te produceren. |

# Structure primaire des acides nucléiques Les acides nucléiques, qu'il s'agisse de l'ADN ou de l'ARN, sont des polymères dont les unités monomériques sont les nucléotides. La structure primaire de ces acides nucléiques se réfère à la séquence linéaire de ces nucléotides reliés entre eux [4](#page=4). ### 1.1 Les nucléotides : les briques élémentaires Un nucléotide est composé de trois éléments essentiels : * Une base azotée * Un sucre (ribose pour l'ARN, désoxyribose pour l'ADN) * Un ou plusieurs groupements phosphate Ces nucléotides sont les unités fondamentales qui transmettent l'information génétique. Ils jouent également un rôle crucial dans le métabolisme sous forme de di- et tri-phosphorylés, ainsi que dans la transmission de l'information cellulaire via l'AMPc et le GMPc [4](#page=4). #### 1.1.1 Les bases azotées Les bases azotées sont des composés hétérocycliques contenant de l'azote. Elles sont divisées en deux catégories principales: les purines et les pyrimidines [11](#page=11). ##### 1.1.1.1 Les purines Les purines sont des bases à double cycle. Les purines rencontrées dans les acides nucléiques sont l'adénine (A) et la guanine (G). L'adénine possède une fonction imino-amine, tandis que la guanine possède une fonction imino-amine et une fonction amide [12](#page=12) [13](#page=13) [14](#page=14) [15](#page=15). ##### 1.1.1.2 Les pyrimidines Les pyrimidines sont des bases à cycle simple. Les pyrimidines trouvées dans les acides nucléiques sont la cytosine (C), la thymine (T) et l'uracile (U). La cytosine possède une fonction imino-amine, tandis que la thymine (souvent appelée thymidine dans le contexte des nucléosides) présente une fonction imino-amine et une fonction amide. L'uracile est une autre pyrimidine importante, particulièrement dans l'ARN [16](#page=16) [17](#page=17) [18](#page=18) [19](#page=19) [26](#page=26). > **Tip:** Dans l'ADN, la thymine est présente, tandis que dans l'ARN, l'uracile remplace la thymine [26](#page=26). #### 1.1.2 Les sucres Les sucres présents dans les acides nucléiques sont des pentoses. * Dans l'ARN, le sucre est le **ribose**. Il s'agit d'un ribofuranose [20](#page=20) [21](#page=21) [22](#page=22) [23](#page=23). * Dans l'ADN, le sucre est le **désoxyribose**. Il diffère du ribose par l'absence d'un groupement hydroxyle (-OH) sur le carbone en position 2' du cycle [26](#page=26). > **Tip:** La présence d'une fonction -OH en 2' du sucre est l'une des différences cruciales entre l'ARN et l'ADN [26](#page=26). #### 1.1.3 Le groupement phosphate Le groupement phosphate est lié au carbone en position 5' du sucre. Les nucléotides peuvent exister sous forme mono-, di-, ou triphosphate, ce qui est essentiel pour leur rôle énergétique et de précurseurs dans la synthèse des acides nucléiques. Par exemple, le désoxyadénosine triphosphate est noté dATP [25](#page=25) [29](#page=29). ### 1.2 Nomenclature des acides nucléiques La nomenclature des acides nucléiques suit une logique basée sur la combinaison de la base azotée, du sucre et du nombre de phosphates. * **Nucléosides:** Base azotée + Sucre (ex: Adénosine, Guanosine, Thymidine, Cytidine, Uridine). Pour l'ADN, on utilise le préfixe "désoxy-" (ex: Désoxyadénosine) [24](#page=24) [27](#page=27) [28](#page=28). * **Nucléotides:** Nucléoside + Phosphate (ex: Adénylate, Guanylate, Thymidylate, Cytidylate, Uridylate). Pour l'ADN, on utilise le préfixe "désoxy-" (ex: Désoxyadénosine monophosphate, dAMP) [27](#page=27) [29](#page=29). * Les formes tri-phosphorylées sont importantes, comme le désoxyadénosine triphosphate (dATP) [25](#page=25) [29](#page=29). > **Example:** > * Base : Adénine > * Sucre : Ribose > * Nucléoside : Adénosine > * Nucléotide : Adénylate (ou AMP) > > * Base : Adénine > * Sucre : Désoxyribose > * Nucléoside : Désoxyadénosine > * Nucléotide : Désoxyadénylate (ou dAMP) Pour l'ARN, on notera les briques AMP, CMP, GMP et UMP (uridine monophosphate) [26](#page=26). ### 1.3 Différences structurelles et fonctionnelles entre ADN et ARN Bien que les briques qui composent l'ARN soient très semblables à celles de l'ADN, deux différences cruciales existent [26](#page=26): 1. Présence d'une fonction -OH en position 2' du sucre ribose dans l'ARN, là où l'ADN possède un hydrogène. 2. Présence d'un noyau uracile (U) dans l'ARN à la place du noyau thymine (T) présent dans l'ADN. Ces différences entraînent des distinctions dans leurs structures, leurs fonctions et leur durée de vie. Les ARN peuvent adopter des structures complexes et posséder des activités enzymatiques (ribozymes) ou de régulation (riboswitches). Cependant, les ARNm et les ARN non structurés en général sont plus sensibles aux ribonucléases que l'ADN . --- # Structure spatiale et topologie de l'ADN L'ADN, au-delà de sa structure primaire en séquence de nucléotides, adopte des structures spatiales complexes et présente des propriétés topologiques essentielles à son organisation et à sa fonction [1](#page=1) [2](#page=2). ### 2.1 Structures spatiales de l'ADN #### 2.1.1 Règles de Chargaff et appariements de bases Les règles de Chargaff, établies à partir d'hydrolysats d'ADN analysés par chromatographie, ont révélé des relations quantitatives fondamentales entre les bases azotées. Elles stipulent que la quantité d'adénine (A) est égale à celle de thymine (T), et la quantité de guanine (G) est égale à celle de cytosine (C). Mathématiquement, cela s'exprime par [32](#page=32) [33](#page=33): $$A = T$$ $$G = C$$ $$A + G = T + C$$ La composition en bases de l'ADN est caractéristique de chaque organisme. Par exemple, chez l'homme, le rapport (A+T)/(G+C) est de 1,52. Ces observations, couplées aux données de diffraction aux rayons X ont fourni les indices nécessaires à l'élaboration de modèles d'hélice d'ADN [31](#page=31) [32](#page=32) [34](#page=34). La modélisation a permis de vérifier que deux bases azotées données pouvaient s'associer par liaisons hydrogène. Les appariements de bases de type Watson-Crick sont au cœur de la structure de la double hélice d'ADN. Ils impliquent [34](#page=34) [36](#page=36) [41](#page=41): * Un appariement entre l'adénine (A) et la thymine (T) via deux liaisons hydrogène ($A = T$) [44](#page=44). * Un appariement entre la guanine (G) et la cytosine (C) via trois liaisons hydrogène ($G \equiv C$) [43](#page=43) [44](#page=44). Ces appariements spécifiques garantissent la complémentarité des deux brins et sont cruciaux pour la réplication semi-conservative de l'ADN. Le "brin sens" et le "brin antisens" s'associent de manière antiparallèle, avec les extrémités 5' et 3' orientées dans des directions opposées [36](#page=36) [39](#page=39) [40](#page=40) [41](#page=41). #### 2.1.2 Les différentes formes d'ADN double-brin La structure la plus courante de l'ADN est la forme B [47](#page=47). * **ADN-B:** C'est de loin la structure la plus fréquente chez les organismes vivants. Il s'agit d'une double hélice tournant vers la droite, où les paires de bases sont disposées perpendiculairement au plan de l'axe de l'hélice. La structure B présente un grand sillon et un petit sillon, des zones importantes pour l'interaction avec des protéines. Le petit sillon a une largeur d'environ 12 Å et le grand sillon environ 22 Å [46](#page=46) [47](#page=47) [49](#page=49). * **ADN-A:** Cette forme est une hélice droite, relativement fréquente, mais plus courte et plus large que l'ADN-B. Les paires de bases sont inclinées de 19° par rapport au plan perpendiculaire à l'axe de l'hélice. L'ADN-A est retrouvé dans les milieux déshydratés [47](#page=47). * **ADN-Z:** Il s'agit d'une double hélice gauche dont le squelette présente une structure en zigzag. Les paires de bases sont également perpendiculaires à l'axe de l'hélice. Cette forme est rare et se caractérise par l'absence de grand et de petit sillon distincts. L'ADN-Z se forme préférentiellement sur des séquences riches en GC [47](#page=47). > **Tip:** La structure de la double hélice d'ADN est souple et peut varier localement, notamment en présence de séquences nucléotidiques particulières comme la succession de plusieurs bases A (>4), qui peut induire une courbure de la double hélice. Ces variations structurelles sont importantes pour les interactions avec des protéines [48](#page=48). #### 2.1.3 Reconnaissance protéine-ADN Les sillons de la double hélice d'ADN, particulièrement le grand sillon, sont des sites clés pour la reconnaissance par des protéines spécifiques. Des indices tels que les accepteurs (A) et donneurs (D) de liaisons hydrogène, ainsi que les groupements méthyl (M), permettent d'établir des codes de reconnaissance entre les protéines et l'ADN [49](#page=49). ### 2.2 Topologie de l'ADN La topologie de l'ADN concerne la manière dont la molécule est enroulée et ses propriétés géométriques dans l'espace [50](#page=50) [57](#page=57). #### 2.2.1 Molécules d'ADN circulaires La plupart des chromosomes bactériens sont circulaires. Les plasmides, éléments épigénétiques auto-réplicatifs des bactéries, sont également circulaires. L'ADN de certains virus, comme le SV40, et des bactériophages (linéaire dans la particule virale, circulaire lors de l'infection chez E. coli) peut aussi être circulaire [51](#page=51) [58](#page=58). #### 2.2.2 Notion de topoisomères Deux molécules d'ADN de séquences de bases identiques peuvent différer par le nombre de tours que forme l'un des brins autour de l'autre brin. Les isomères résultants, qui ne diffèrent que par leur nombre d'enlacements, sont appelés topoisomères. Il existe différents états de topoisomérie [53](#page=53): * **État relâché:** Torsion minimale, conformation la plus stable [53](#page=53). * **États surenroulés :** * **Surenroulement positif:** Le nombre d'enroulements augmente [53](#page=53). * **Surenroulement négatif:** Le nombre d'enlacements a diminué. Cela peut favoriser la séparation locale des deux brins d'ADN [53](#page=53). > **Example:** Un chromosome bactérien circulaire nativement RELAXÉ a un certain nombre de tours (par exemple, Lk0). Si ce même ADN est compacté sans modification de sa séquence ou de sa longueur, il peut adopter un état SUREMENT ENROULÉ (positif) ou DÉSÉROULÉ (négatif), chacun ayant un nombre de tours différent (Lk1, Lk2) par rapport à Lk0. Ces formes sont des topoisomères. #### 2.2.3 Les topoisomérases Les topoisomérases sont des enzymes essentielles qui modifient le nombre d'enlacements des molécules d'ADN. Elles sont capables d'introduire ou d'éliminer des supertours dans la double hélice d'ADN [54](#page=54). * **Topoisomérase I:** Aussi appelées enzymes relachantes ou hélicases. Elles catalysent le désenroulement de l'ADN par clivage d'un seul brin d'ADN, supprimant ainsi les supertours négatifs et ramenant l'ADN surenroulé à un état relâché. Cette activité ne nécessite pas d'apport d'énergie [54](#page=54). * **Topoisomérase II (gyrases):** Elles coupent de manière transitoire les deux brins d'ADN. Elles sont capables de créer des supertours, tant positifs que négatifs. Ces enzymes nécessitent un apport d'énergie sous forme d'ATP, qui est transducteur en énergie potentielle tensionnelle [54](#page=54). > **Tip:** Le rôle des topoisomérases est crucial car l'ADN est très enchevêtré au niveau du noyau. Les topoisomérases déroulent l'ADN, permettant ainsi l'accès aux informations génétiques qu'il contient [54](#page=54). L'ADN bactérien, organisé en boucles d'environ 40 000 paires de bases clampées à leur base par des protéines, est également sujet à des modifications topologiques qui peuvent être visualisées comme des chromosomes relâchés ou surenroulés. Ces boucles sont topologiquement équivalentes à des molécules circulaires [58](#page=58) [59](#page=59). --- # Structure de l'ADN dans la cellule et organisation chromosomique Ce sujet explore comment l'ADN est structuré et organisé au sein des cellules, en examinant les différences entre les chromosomes bactériens et eucaryotes, ainsi que les mécanismes de compaction de l'ADN [1](#page=1) [2](#page=2) [50](#page=50) [57](#page=57). ### 3.1 Le chromosome bactérien Les chromosomes bactériens sont généralement circulaires et constituent la forme principale de l'ADN chromosomique chez les procaryotes comme *E. Coli*. Bien qu'il n'y ait pas de noyau chez les bactéries, l'ADN est localisé dans une région appelée nucléoïde. Le chromosome bactérien est compacté et organisé en boucles d'environ 40 000 paires de bases (pb), qui sont ancrées à leur base par des protéines. Ces boucles, au nombre d'environ une centaine, sont topologiquement équivalentes à des molécules circulaires. Les plasmides sont également des éléments génétiques autonomes retrouvés chez les bactéries. L'ADN de certains virus, comme le SV40, est également circulaire [51](#page=51) [58](#page=58). > **Exemple:** Le chromosome bactérien d'*E. Coli* mesure environ 4,2 millions de paires de bases et est circulaire [58](#page=58). ### 3.2 Les chromosomes des cellules eucaryotes Chez les eucaryotes, l'ADN est organisé en chromosomes linéaires. Chez l'homme, le génome haploïde contient environ 3 milliards de paires de bases réparties sur 23 chromosomes. La taille de ces chromosomes varie de 50 à 260 millions de paires de bases. Cela signifie qu'une cellule diploïde doit empaqueter près de deux mètres d'ADN dans un noyau dont le diamètre est de 5 à 7 micromètres. Pour réaliser cette compaction extrême, l'ADN s'associe à des protéines basiques appelées histones. Chaque chromosome eucaryote est constitué d'une seule molécule d'ADN bicaténaire linéaire. Une cellule eucaryote contient environ 6 picogrammes (pg) d'ADN, associés à une masse de protéines au moins équivalente. La consistance du noyau eucaryote est décrite comme ressemblant à celle d'un gel [61](#page=61). > **Tip:** L'association de l'ADN avec les histones est fondamentale pour la compaction de l'ADN dans le noyau eucaryote [61](#page=61). L'ADN des eucaryotes peut être localisé dans différentes parties de la cellule: dans le noyau, dans les mitochondries, et chez les plantes, dans les chloroplastes [9](#page=9). ### 3.3 Les nucléosomes Les nucléosomes sont l'unité fondamentale de l'organisation de la chromatine eucaryote. Ils sont formés par un octamère d'histones autour duquel s'enroule l'ADN. Les histones H3 et H4 sont hautement conservées et existent en solution sous forme de tétramères, de même que les histones H2A et H2B. Ces deux tétramères s'associent pour former l'octamère d'histones. L'ADN s'enroule ensuite autour de cet octamère sur environ 147 paires de bases, formant pratiquement deux supertours d'hélice dans un super-enroulement gauche. L'histone H4 est remarquable par sa conservation extrême à travers les espèces, contenant notamment 14 résidus d'arginine et 11 résidus de lysine [65](#page=65) [66](#page=66). #### 3.3.1 Structure chromatinienne d'ordre supérieur La compaction de l'ADN se poursuit au-delà du nucléosome. L'histone H1 se fixe à l'ADN dit "internucléosomique", qui relie les nucléosomes entre eux. Cette histone H1 peut se lier à l'ADN soit à une extrémité du nucléosome, soit au milieu des 147 paires de bases associées au nucléosome. Les séries de nucléosomes forment ensuite des structures plus complexes, telles que la fibre de 30 nanomètres, qui représente un second niveau de compaction de l'ADN. Deux modèles décrivent cette structure: le modèle du solénoïde, où la fibre forme une superhélice contenant environ 6 nucléosomes par tour, et le modèle du zig-zag. L'histone H1 est essentielle pour la formation de la structure en solénoïde [68](#page=68) [69](#page=69) [70](#page=70). Les queues amino-terminales des histones jouent également un rôle dans la formation de la fibre de 30 nm, participant à la stabilisation de cette structure par interaction avec les nucléosomes adjacents. Une compaction encore plus importante de l'ADN implique la formation de grandes boucles dans l'ADN nucléosomal. La fibre de 30 nm forme des boucles d'environ 40 à 90 paires de bases qui sont maintenues ensemble à leur base par la matrice nucléaire, impliquant la topoisomérase II et les protéines SMC. Ceci représente un troisième niveau de compaction de l'ADN [71](#page=71) [72](#page=72). > **Tip:** La structure de la chromatine est hiérarchique, passant du nucléosome à la fibre de 30 nm, puis à des structures encore plus condensées impliquant des boucles d'ADN fixées à la matrice nucléaire [68](#page=68) [71](#page=71) [73](#page=73). #### 3.3.2 Hétérochromatine et euchromatine La chromatine peut exister sous deux formes principales: l'hétérochromatine et l'euchromatine. L'hétérochromatine se caractérise par un marquage dense et une apparence condensée, tandis que l'euchromatine présente un marquage faible et une structure plus ouverte. En termes d'expression génique, l'hétérochromatine est associée à un faible taux d'expression génique, alors que l'euchromatine correspond à des régions avec un niveau d'expression génique élevé. Dans les deux cas, l'ADN est condensé en nucléosomes; la différence réside dans l'assemblage de ces nucléosomes en structures plus complexes [74](#page=74). Pour qu'un gène puisse être transcrit, la chromatine ne peut pas être aussi condensée qu'en métaphase; elle adopte alors une structure d'euchromatine. Les boucles chromosomiques restent attachées à un réseau protéique fibreux, la matrice nucléaire. Les gènes en cours de transcription, qui représentent environ 10% du génome, conservent une structure nucléosomique, mais celle-ci est modifiée, soit par un départ transitoire d'histones, soit par des modifications de l'état des histones, comme l'acétylation des lysines. L'hétérochromatine, quant à elle, reste condensée et n'est pas transcrite [75](#page=75). --- # Méthodes d'étude et techniques moléculaires appliquées à l'ADN et l'ARN Ce chapitre détaille les propriétés physico-chimiques des acides nucléiques ainsi que les méthodes clés d'analyse et de manipulation de l'ADN et de l'ARN, incluant l'électrophorèse, les enzymes de restriction, les blots, le séquençage, et la PCR. ### 4.1 Propriétés physico-chimiques des acides nucléiques Les propriétés des acides nucléiques sont déterminantes pour leur analyse et leur manipulation. #### 4.1.1 Solubilité et viscosité Les ARN sont peu solubles dans l'eau mais se dissolvent dans des solutions salines diluées (10 mmol/l de NaCl). Les sels de sodium de l'ADN sont solubles, mais leurs solutions sont très visqueuses. L'ajout d'éthanol en grand volume (2 à 2,5 fois) provoque la précipitation de l'ADN, car cela diminue la constante diélectrique du milieu, favorisant ainsi les interactions ioniques et hydrogène entre les macromolécules [77](#page=77). #### 4.1.2 Comportement en fonction du pH À pH acide, les régions d'appariement riches en A=T sont dénaturées, tandis que celles riches en GC résistent plus longtemps. Un pH acide a tendance à rompre les liaisons hydrogène. À pH alcalin, les régions appariées sont également dénaturées en monobrins. Pour l'ARN, une exposition prolongée à un milieu alcalin entraîne une hydrolyse irréversible [78](#page=78). #### 4.1.3 Absorption dans l'ultraviolet L'absorption maximale des acides nucléiques se situe à 260 nm, ce qui est utilisé pour leur dosage. Le rapport d'absorbance à 260 nm sur l'absorbance à 280 nm ($A_{260}/A_{280}$) est utilisé pour évaluer la pureté des acides nucléiques; un rapport entre 1,8 et 2,1 indique une bonne pureté [79](#page=79). #### 4.1.4 Dénaturation de l'ADN La dénaturation de l'ADN est l'étape où la double hélice se sépare en deux brins simples. Ce processus est réversible par renaturation, à condition que les conditions soient favorables [81](#page=81). ##### 4.1.4.1 Température de fusion (Tm) La température de fusion (Tm) est la température à laquelle 50% de l'ADN est dénaturé en brins simples. La densité optique à 260 nm augmente lors de la dénaturation de l'ADN bicaténaire en ADN monocaténaire [80](#page=80) [82](#page=82). * **Facteurs influençant la Tm :** * **Composition en bases:** Plus la proportion de paires G+C est élevée, plus la Tm est haute, car les liaisons G≡C sont plus fortes que les liaisons A=T. La formule approximative est: $Tm = 69,3 + 0,41(\%G+C)$. Par exemple, un ADN avec 50% de G+C a une Tm d'environ 69,8°C, tandis qu'un ADN avec 66% de G+C a une Tm d'environ 96,4°C [83](#page=83) [84](#page=84). * **Concentration saline:** Une diminution de la concentration saline déstabilise la double hélice et diminue la Tm [84](#page=84). * **Longueur du fragment:** Les fragments plus courts ont une Tm plus basse [84](#page=84). ### 4.2 Méthodes d'étude des acides nucléiques Diverses techniques permettent d'analyser et de caractériser l'ADN et l'ARN. #### 4.2.1 Électrophorèse sur gel d'agarose L'électrophorèse sur gel d'agarose est une technique fondamentale pour séparer les fragments d'ADN ou d'ARN en fonction de leur taille. Les acides nucléiques, chargés négativement, migrent vers l'anode dans un champ électrique [87](#page=87) [89](#page=89). * **Principe:** Les molécules d'acides nucléiques migrent à travers la matrice poreuse du gel. Les fragments plus petits traversent le gel plus rapidement que les fragments plus grands, permettant ainsi leur séparation [89](#page=89). * **Visualisation:** L'ajout d'un agent intercalant fluorescent, comme le bromure d'éthidium, permet de visualiser les bandes d'ADN sous lumière UV. L'intensité de la fluorescence est proportionnelle à la quantité d'ADN [92](#page=92). * **Marqueurs de taille:** Des marqueurs de taille (ADN ladders) de tailles connues sont utilisés comme référence pour estimer la taille des fragments analysés [92](#page=92) [94](#page=94). * **Applications:** L'électrophorèse est utilisée après des analyses par restriction pour identifier des fragments d'ADN [92](#page=92). #### 4.2.2 Enzymes de restriction Les enzymes de restriction sont des nucléases qui coupent l'ADN à des sites de reconnaissance spécifiques, généralement des séquences palindromiques de 4 à 6 paires de bases [97](#page=97). * **Reconnaissance:** Elles reconnaissent des séquences palindromiques, c'est-à-dire des séquences qui se lisent de la même manière dans les deux sens (ex: "Madam I'm Adam") [97](#page=97). * **Types de coupures:** Elles peuvent produire des bouts cohésifs (collants ou "sticky ends") ou des bouts droits ("blunt ends") [97](#page=97). #### 4.2.3 Méthodes d'hybridation Les méthodes d'hybridation exploitent la capacité des brins d'acides nucléiques à s'apparier spécifiquement avec des séquences complémentaires. * **Southern blot:** Utilisé pour détecter des séquences d'ADN spécifiques dans un échantillon [98](#page=98). * **Northern blot:** Utilisé pour détecter des séquences d'ARN spécifiques dans un échantillon [98](#page=98). #### 4.2.4 Séquençage d'ADN Le séquençage permet de déterminer l'ordre précis des nucléotides dans une molécule d'ADN. ##### 4.2.4.1 Technique de Sanger (Séquençage par terminaison de chaîne) Développée par Frederick Sanger, cette technique utilise des didésoxyribonucléotides (ddNTP) marqués au lieu des désoxyribonucléotides triphosphate (dNTP) . * **Principe:** Lors de la synthèse d'un nouveau brin d'ADN par une ADN polymérase, l'incorporation d'un ddNTP, qui manque du groupe 3'-OH nécessaire à l'élongation, entraîne l'arrêt aléatoire de la synthèse. Ceci génère une série de fragments de différentes tailles, chacun se terminant par le ddNTP incorporé . * **Matériel requis :** * Fragment d'ADN à séquencer (matrice) . * Amorce (oligonucléotide complémentaire à l'extrémité 3' du fragment) . * Les 4 dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) . * ADN polymérase . * Un des nucléotides est marqué (historiquement au $^{32}$P) . * **Déroulement :** 1. **Réactions:** Traditionnellement, quatre réactions sont préparées, chacune contenant les réactifs de base plus un des quatre ddNTP (ddATP, ddCTP, ddGTP, ddTTP) . 2. **Électrophorèse:** Les fragments générés sont séparés par électrophorèse sur un gel d'acrylamide, qui offre une haute résolution. Les fragments les plus courts migrent plus rapidement . 3. **Détection et lecture:** Après électrophorèse, le gel est exposé à un film photographique (autoradiographie) pour détecter les fragments marqués. La séquence est lue de bas en haut du gel (du fragment le plus court au plus long) . * **Évolution de la technique :** * **Marquage des ddNTP:** Utilisation de ddNTP marqués avec des fluorophores, permettant une réaction unique . * **Automatisation:** Développement de séquenceurs en gel plat, puis de séquenceurs capillaires, qui automatisent le processus de séparation et de détection par laser. L'enregistrement des données produit un chromatogramme . * **Séquençage du génome humain:** Initialement un projet coûteux (environ 3 milliards de dollars) et long (13 ans), il est aujourd'hui réalisable en un jour pour moins de 1000 dollars grâce aux avancées technologiques et informatiques . #### 4.2.5 PCR (Polymerase Chain Reaction) La PCR est une technique permettant d'amplifier spécifiquement un fragment d'ADN double brin de quelques centaines de paires de bases à plusieurs kilobases . * **Principe:** La PCR repose sur des cycles répétés de trois étapes: dénaturation de l'ADN, hybridation des amorces, et extension par une ADN polymérase thermorésistante . * **Composants du milieu réactionnel :** * Matrice d'ADN (cible) . * Enzyme: Taq polymérase (ou autre polymérase thermorésistante) . * Amorces (oligonucléotides 5' et 3') . * dNTP (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) . * Tampon spécifique (contenant MgCl2, un cofacteur essentiel pour la polymérase) . * **Amorces :** * Deux oligonucléotides synthétiques, chacun complémentaire d'une des extrémités de la région à amplifier . * Leur séquence est connue, permettant de cibler spécifiquement la région d'intérêt . * Elles doivent être spécifiques, stables, et compatibles entre elles (Tm proches) . * La stabilité de l'extrémité 3' est importante pour l'initiation de la polymérisation, avec une préférence pour un G ou un C . * Il faut éviter les auto-hybridation (self-dimers), les dimères entre amorces (dimers), et les structures en épingles à cheveux (hairpins) . * **Détermination de la Tm des amorces:** La Tm dépend de la longueur et de la composition en bases des amorces. La règle de Wallace donne une approximation: $Tm = 4 \cdot (n_G + m_C) + 2 \cdot (p_A + q_T)$, où n, m, p, et q sont le nombre de G, C, A, et T respectivement. La température d'hybridation est généralement 5 à 10°C en dessous de la Tm la plus basse des deux amorces . * **Conditions réactionnelles :** * **ADN cible:** Pas nécessairement purifié; peut provenir d'un lysat cellulaire. La concentration ne doit pas être trop élevée . * **dNTP:** Leur concentration doit être supérieure au Km de la polymérase, typiquement autour de 200 µM pour chaque dNTP . * **MgCl2:** Essentiel pour l'activité de la polymérase; sa concentration doit être optimisée . * **Taille des fragments amplifiés:** Généralement de 1 à 2 Kb . * **Nombre de cycles:** 20 à 30 cycles, permettant d'obtenir $2^{20}$ à $2^{30}$ copies du fragment d'ADN ciblé . * **Étapes d'un cycle de PCR :** 1. **Dénaturation (91-96°C):** Séparation des deux brins de l'ADN matrice . 2. **Hybridation ou "annealing" (50-65°C):** Les amorces s'hybrident sur leurs séquences complémentaires sur les brins d'ADN matrice . 3. **Extension ou élongation (72°C):** L'ADN polymérase synthétise un nouveau brin d'ADN complémentaire en utilisant l'amorce comme point de départ et l'ADN matrice comme modèle, dans le sens 5' vers 3' . * **"Hot start":** Certaines polymérases nécessitent un chauffage initial pour devenir actives, ce qui peut améliorer la spécificité en évitant l'amplification non désirée à basse température . * **Glossaire utile :** * **Taq polymérase:** Polymérase isolée de *Thermus aquaticus*, thermorésistante . * **Processivité:** Vitesse de la polymérase sur l'ADN; pour la Taq polymérase, environ 1 kilobase par minute . * **Fidélité:** Tendance d'une polymérase à faire peu d'erreurs; la Taq polymérase a une fidélité d'environ 1 erreur pour 1 million de paires de bases . * **Tm:** Température d'hybridation ou de fusion . * **PCR positive:** Visualisation d'une bande unique de la taille attendue sur un gel d'agarose . * **"Smear":** Traînée sur le gel indiquant une PCR non spécifique . ### 4.3 L'ARN L'ARN (acide ribonucléique) est une macromolécule essentielle à la vie, jouant divers rôles dans l'expression génique. #### 4.3.1 Types d'ARN Il existe plusieurs types d'ARN, chacun avec une fonction spécifique : * **ARNm (ARN messager):** Transcrit à partir de l'ADN, il transporte l'information génétique du noyau vers le cytoplasme pour la traduction en protéines. Ce sont des molécules généralement peu structurées et donc sensibles aux ribonucléases, reflétant leur rôle transitoire . * **ARNr (ARN ribosomal):** Constitue la majorité de l'ARN cellulaire (80-85%). Associé à des protéines, il forme les ribosomes, structures responsables de la synthèse des protéines . * **ARNt (ARN de transfert):** Molécules courtes qui adaptent les acides aminés à l'ARNm lors de la traduction, reconnaissant les codons grâce à leur anticodon. Ils sont très structurés et donc peu sensibles aux ribonucléases . * **ARN prémessager (pré-ARN messager):** ARN précurseur des ARNm, sujet à l'épissage chez les eucaryotes . * **ARN antisens:** ARN complémentaire à une séquence d'un autre ARN, inhibant sa fonction . * **ARN monocistronique/polycistronique:** L'ARNm monocistronique code pour un seul polypeptide, tandis que l'ARNm polycistronique en code pour plusieurs . * **MicroARN (miARN):** Petits ARN non codants qui régulent l'expression génique en interférant avec la traduction des ARNm cibles . * **ARN interférent (ARNi):** Mécanisme de régulation génique impliquant des ARN double-brin qui induisent la dégradation de l'ARNm correspondant ou l'inhibition de la traduction . #### 4.3.2 Composition et différences avec l'ADN Les briques élémentaires de l'ARN sont très similaires à celles de l'ADN, mais avec deux différences cruciales : 1. **Sucre:** La présence d'une fonction -OH en position 2' du ribose (plutôt qu'un H dans le désoxyribose de l'ADN) . 2. **Base azotée:** Le remplacement de la thymine (T) par l'uracile (U). Les nucléotides de l'ARN sont donc notés AMP, CMP, GMP, et UMP . Ces différences confèrent à l'ARN des structures, des fonctions et des durées de vie distinctes de celles de l'ADN. Comme les protéines, les ARN peuvent adopter des structures complexes et posséder des activités catalytiques (ribozymes) ou régulatrices . #### 4.3.3 Structures des ARN Les ARN peuvent former des structures secondaires et tertiaires complexes. * **Structure secondaire:** Implique des appariements de bases intramoléculaires, formant des régions double brin et des boucles. Les motifs courants incluent les boucles internes, les épingles à cheveux, les tiges avec trois ou quatre branches, et les bombements. Les appariements non classiques comme G=U (wobble pairs) sont fréquents et augmentent la diversité des structures possibles. Des appariements de type Hoogsteen existent également . * **Structure tertiaire:** Résulte de l'interaction entre des régions éloignées de la chaîne ARN, stabilisée par des liaisons hydrogène (y compris non standards), des interactions électrostatiques et des forces de van der Waals . * **ARNt:** Présentent des structures tridimensionnelles bien caractérisées, souvent représentées en forme de "L". Les boucles de l'ARNt (boucle de l'anticodon, boucle D, boucle T, boucle variable) sont des éléments clés de leur structure . * **Bases modifiées:** Les ARN, en particulier les ARNt, contiennent souvent des bases modifiées (ex: pseudouridine, ribothymidine, méthyladénosine) qui jouent un rôle dans la structure et la fonction . * **ARNr:** Possèdent également des structures secondaires et tertiaires complexes qui sont essentielles à leur fonction ribosomique. Les boucles quadruples (tetraloops) sont des motifs structuralement importants . #### 4.3.4 Taille et sédimentation des ARN La taille des différents types d'ARN varie considérablement, reflétée par leurs coefficients de sédimentation (S) . * **ARNm:** Hétérogènes en taille, masse moléculaire et coefficient de sédimentation . * **ARNt:** Petits, avec une masse moléculaire d'environ 25 kDa et un coefficient de sédimentation de 4S . * **ARNr:** Les ARNr 5S, 16S, et 23S sont plus grands et sédimentent à des vitesses plus élevées (5S, 16S, 23S). L'ARNr 16S est une composante majeure de la petite sous-unité ribosomique bactérienne . Les ARNm représentent une petite fraction des ARN totaux d'une cellule (3-5%), le reste étant constitué principalement d'ARNr (80-85%) et d'ARNt (10-15%) . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Acide désoxyribonucléique (ADN) | Molécule contenant l'information génétique, composée de quatre bases élémentaires : A, T, C, G. Chaque cellule d'un individu possède le même génome. | | Acide ribonucléique (ARN) | Molécule similaire à l'ADN, mais avec une différence cruciale : la présence d'une fonction -OH en 2' du sucre et le remplacement de la thymine par l'uracile. Il existe plusieurs types d'ARN (ARNm, ARNr, ARNt) aux fonctions distinctes. | | Nucléotide | Les briques élémentaires constituants les acides nucléiques (ADN et ARN). Un nucléotide est composé d'une base azotée, d'un sucre et d'un groupement phosphate. | | Base azotée | Composant des nucléotides, il en existe deux familles principales : les purines (Adénine, Guanine) et les pyrimidines (Cytosine, Thymine pour l'ADN, Uracile pour l'ARN). | | Purine | Type de base azotée comportant un double cycle. Les purines présentes dans les acides nucléiques sont l'Adénine (A) et la Guanine (G). | | Pyrimidine | Type de base azotée comportant un cycle simple. Les pyrimidines présentes dans l'ADN sont la Cytosine (C) et la Thymine (T), tandis que l'ARN contient l'Uracile (U) à la place de la Thymine. | | Adénine | Base azotée purique présente dans l'ADN et l'ARN. Elle s'apparie classiquement avec la Thymine (dans l'ADN) ou l'Uracile (dans l'ARN) par deux liaisons hydrogène. | | Guanine | Base azotée purique présente dans l'ADN et l'ARN. Elle s'apparie classiquement avec la Cytosine par trois liaisons hydrogène. | | Cytosine | Base azotée pyrimidique présente dans l'ADN et l'ARN. Elle s'apparie classiquement avec la Guanine par trois liaisons hydrogène. | | Thymine | Base azotée pyrimidique présente uniquement dans l'ADN. Elle s'apparie classiquement avec l'Adénine par deux liaisons hydrogène. | | Uracile | Base azotée pyrimidique présente uniquement dans l'ARN. Elle s'apparie classiquement avec l'Adénine par deux liaisons hydrogène. | | Ribose | Sucre à cinq carbones (pentose) qui compose les nucléotides de l'ARN. Il possède une fonction hydroxyle (-OH) sur le carbone 2'. | | Désoxyribose | Sucre à cinq carbones (pentose) qui compose les nucléotides de l'ADN. Il se distingue du ribose par l'absence de fonction hydroxyle (-OH) sur le carbone 2'. | | Nucléoside | Molécule composée d'une base azotée liée à un sucre (ribose ou désoxyribose). La liaison se fait entre le carbone 1' du sucre et le groupement azote de la base. | | Nucléotide triphosphate | Forme activée des nucléotides, possédant trois groupements phosphate. Ces molécules servent de précurseurs à la synthèse de l'ADN et de l'ARN, et jouent également un rôle énergétique (ATP, GTP). | | Dogme central de la biologie moléculaire | Principe fondamental décrivant le flux de l'information génétique : ADN (réplication) -> ARN (transcription) -> Protéines (traduction). | | Réplication | Processus de duplication de l'ADN, assurant la transmission de l'information génétique lors de la division cellulaire. Elle est semi-conservative. | | Transcription | Processus de synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'une matrice d'ADN. C'est la première étape de l'expression des gènes. | | Traduction | Processus de synthèse d'une protéine à partir de la séquence d'ARN messager (ARNm). Elle a lieu sur les ribosomes. | | Règle de Chargaff | Ensemble de règles observées concernant la composition en bases de l'ADN : la quantité d'Adénine est égale à celle de Thymine (A=T), et la quantité de Guanine est égale à celle de Cytosine (G=C). | | Double hélice | Structure tridimensionnelle caractéristique de l'ADN, formée de deux brins polynucléotidiques enroulés l'un autour de l'autre. | | Appariement Watson-Crick | Appariement spécifique des bases azotées au sein de la double hélice d'ADN : l'Adénine s'apparie avec la Thymine (A-T) et la Guanine s'apparie avec la Cytosine (G-C) par liaisons hydrogène. | | Liaison hydrogène | Liaison faible mais importante qui maintient ensemble les deux brins de la double hélice d'ADN par l'appariement des bases. | | Brin sens / Brin antisens | Dans une molécule d'ADN double brin, le brin sens (ou codant) est la séquence qui est transcrite, tandis que le brin antisens (ou matrice) sert de modèle pour la synthèse de l'ARN. | | ADN-B | Structure la plus courante de l'ADN double hélice, tournant vers la droite, avec des paires de bases perpendiculaires à l'axe de l'hélice. | | ADN-A | Forme d'hélice droite de l'ADN, plus courte et plus large que l'ADN-B, souvent trouvée dans les milieux déshydratés. | | ADN-Z | Forme d'hélice gauche de l'ADN, présentant une structure en zigzag, avec des paires de bases perpendiculaires à l'axe de l'hélice. Rare et sans grands ni petits sillons. | | Sillon majeur / Sillon mineur | Les deux types de sillons formés par l'enroulement des deux brins dans la structure de l'ADN double hélice. Ils jouent un rôle dans l'interaction avec les protéines. | | Topologie de l'ADN | Étude des propriétés géométriques des molécules d'ADN, notamment leur enroulement et leur superenroulement. | | Superenroulement | Torsion supplémentaire de la double hélice d'ADN sur elle-même, qui peut être positive ou négative. Il est essentiel pour la compaction de l'ADN dans la cellule. | | Topoisomère | Molécules d'ADN ayant la même séquence de bases mais différant par leur nombre de tours. | | Topoisomérase | Enzyme capable de modifier le nombre d'enlacements des brins d'ADN, soit en coupant et resoudant un brin (Topoisomérase I), soit les deux brins (Topoisomérase II). Elles régulent le superenroulement de l'ADN. | | Chromosome bactérien | Molécule d'ADN généralement circulaire chez les procaryotes, compactée dans le nucléotide. | | Nucléoïde | Région du cytoplasme bactérien où se trouve le chromosome ADN, non délimitée par une membrane. | | Plasmide | Petite molécule d'ADN circulaire extrachromosomique, capable de réplication autonome, présente chez de nombreuses bactéries. | | Chromosome eucaryote | Molécule d'ADN linéaire, beaucoup plus grande que le chromosome bactérien, associée à des protéines (histones) pour former la chromatine. | | Histone | Protéines basiques qui s'associent à l'ADN pour former les nucléosomes, l'unité de base de la compaction de la chromatine chez les eucaryotes. | | Nucléosome | Unité structurelle de base de la chromatine, composée d'un octamère d'histones autour duquel s'enroule environ 147 paires de bases d'ADN. | | Octamère d'histones | Complexe formé par deux copies de chaque histone : H2A, H2B, H3 et H4. | | Fibre de 30 nm | Structure secondaire de la chromatine formée par l'assemblage de plusieurs nucléosomes en une fibre plus compacte, stabilisée par l'histone H1. | | Matrice nucléaire | Réseau protéique fibreux présent dans le noyau des cellules eucaryotes, auquel sont fixées les boucles de chromatine. | | Hétérochromatine | Forme très condensée de la chromatine, généralement inactive génétiquement. | | Euchromatine | Forme moins condensée de la chromatine, active génétiquement et où se déroulent la transcription et la réplication. | | ARN messager (ARNm) | Molécule d'ARN qui transporte l'information génétique du noyau au cytoplasme, où elle sert de matrice pour la synthèse des protéines par les ribosomes. | | ARN ribosomique (ARNr) | ARN qui, associé à des protéines, forme les ribosomes, les organites cellulaires responsables de la synthèse protéique. | | ARN de transfert (ARNt) | Molécule d'ARN qui transporte les acides aminés spécifiques vers le ribosome, où ils sont assemblés selon la séquence de l'ARNm. Chaque ARNt possède un anticodon complémentaire à un codon de l'ARNm. | | Codon | Séquence de trois nucléotides sur l'ARNm qui spécifie un acide aminé particulier ou un signal de terminaison de la synthèse protéique. | | Anticodon | Séquence de trois nucléotides sur l'ARNt qui est complémentaire à un codon de l'ARNm, assurant la reconnaissance et le positionnement correct des acides aminés. | | Épissage | Processus de maturation des ARN pré-messagers chez les eucaryotes, où les introns sont retirés et les exons sont liés ensemble pour former l'ARNm mature. | | Ribozyme | Molécule d'ARN possédant une activité catalytique, similaire à celle d'une enzyme protéique. | | Riboswitch | Région d'ARN qui peut se lier à de petites molécules (métabolites) et modifier son repliement, régulant ainsi l'expression génique. | | Electrophorèse sur gel d'agarose | Technique permettant de séparer des fragments d'ADN ou d'ARN en fonction de leur taille, en appliquant un courant électrique à travers un gel. | | Bromure d'éthidium | Agent intercalant fluorescent utilisé pour visualiser l'ADN ou l'ARN sur un gel d'électrophorèse sous lumière UV. | | Marqueurs de taille (DNA ladders) | Mélange de fragments d'ADN de tailles connues, utilisé comme référence pour déterminer la taille des fragments d'ADN analysés par électrophorèse. | | Enzymes de restriction | Enzymes qui coupent l'ADN à des sites de reconnaissance spécifiques. Elles sont utilisées pour la manipulation de l'ADN et le clonage. | | Bouts cohésifs / Bouts droits | Les "bouts cohésifs" (ou collants) sont des extrémités courtes et décalées créées par certaines enzymes de restriction, permettant une liaison spécifique. Les "bouts droits" sont des extrémités franches. | | Southern blot | Technique d'hybridation permettant de détecter des séquences d'ADN spécifiques dans un échantillon. | | Northern blot | Technique d'hybridation permettant de détecter des séquences d'ARN spécifiques dans un échantillon. | | Séquençage | Détermination de l'ordre exact des nucléotides dans une molécule d'ADN ou d'ARN. | | Technique de Sanger | Méthode de séquençage de l'ADN basée sur l'utilisation de didésoxyribonucléotides (ddNTP) qui provoquent l'arrêt aléatoire de la synthèse d'un brin complémentaire. | | Didésoxyribonucléotide (ddNTP) | Nucléotide modifié qui, une fois incorporé dans une chaîne d'ADN en cours de synthèse, empêche l'élongation de cette chaîne en raison de l'absence du groupement 3'-OH. | | Amorcer / Amorce | Oligonucléotide court qui s'hybride à une séquence matrice et sert de point de départ pour la synthèse d'ADN par une ADN polymérase. Utilisé notamment en PCR et en séquençage. | | ADN polymérase | Enzyme qui catalyse la synthèse d'un brin d'ADN en ajoutant des nucléotides à une extrémité 3' d'une amorce. | | PCR (Polymerase Chain Reaction) | Technique permettant d'amplifier de manière exponentielle un fragment d'ADN spécifique, en utilisant des cycles répétés de dénaturation, hybridation d'amorces et élongation par une ADN polymérase thermorésistante. | | Taq polymérase | ADN polymérase thermorésistante isolée de la bactérie Thermus aquaticus, couramment utilisée dans la PCR. | | Tm (Température de fusion/hybridation) | Température à laquelle 50% d'une population de duplex d'ADN est dénaturée en brins simples. Pour les amorces en PCR, c'est la température maximale à laquelle l'hybridation sur la matrice est complète. | | Chromatogramme | Représentation graphique des résultats d'un séquençage automatique, montrant les différents pics de fluorescence correspondant aux nucléotides détectés. | | Gène | Segment d'ADN qui contient l'information nécessaire à la synthèse d'une protéine ou d'une molécule d'ARN fonctionnelle. | | Paire de bases | Association de deux nucléotides complémentaires (A-T ou G-C) qui forment l'unité de base de la structure de la double hélice d'ADN. | | Liaison phosphodiester | Liaison chimique qui relie les nucléotides entre eux pour former les brins d'ADN et d'ARN. Elle se forme entre le groupe phosphate d'un nucléotide et le groupe hydroxyle en 3' du nucléotide précédent. | | Molécule d'ARN simple brin | L'ARN est généralement une molécule simple brin, mais il peut s'auto-apparier pour former des structures secondaires complexes. | | Structure secondaire de l'ARN | Repliement local de la chaîne d'ARN, formant des régions double brin (hélices) et des boucles. Les motifs courants incluent les épingles à cheveux et les boucles internes. | | Structure tertiaire de l'ARN | Structure tridimensionnelle complexe de l'ARN, résultant de l'interaction entre différentes régions de la chaîne simple brin, stabilisée par des liaisons hydrogène et d'autres interactions non covalentes. | | Wobble pair | Appariement non classique entre bases azotées dans les acides nucléiques, notamment G avec U, qui permet une certaine flexibilité dans la reconnaissance des codons par les ARNt. | | Paire de Hoogsteen | Type d'appariement de bases non canonique qui peut se former dans des structures d'acides nucléiques, impliquant des liaisons hydrogène différentes de celles de Watson-Crick. | | Métabolisme | Ensemble des processus chimiques qui se déroulent dans un organisme vivant pour maintenir la vie. | | AMPc et GMPc | Adénosine monophosphate cyclique et Guanosine monophosphate cyclique, seconds messagers impliqués dans la signalisation cellulaire. | | Chromosome bactérien | Molécule d'ADN généralement circulaire chez les procaryotes, compactée dans le nucléotide. | | Les nucléosomes | Unité structurelle de base de la chromatine, composée d'un octamère d'histones autour duquel s'enroule environ 147 paires de bases d'ADN. |

# Variaties in DNA Het opsporen van variaties in DNA is cruciaal in biomedisch onderzoek en diagnostiek, met toepassingen variërend van erfelijke aandoeningen en kanker tot de identificatie van micro-organismen. Deze variaties kunnen op verschillende niveaus optreden, van grote chromosomale veranderingen tot kleine mutaties in de DNA-sequentie, en hebben uiteenlopende gevolgen voor het fenotype [8](#page=8). ### 1.1. DNA-variaties op niveau van chromosomen #### 1.1.1. Polyploïdie en trisomie Polyploïdie verwijst naar cellen die meer dan twee exemplaren van elk chromosoom bezitten, in tegenstelling tot het normale diploïde aantal ($2n$). Bij mensen is $n=23$, dus $2n=46$. Triploïdie ($3n$) en tetraploïdie ($4n$) kunnen ontstaan door onregelmatigheden tijdens de celdeling, zoals non-disjunctie van chromosomen tijdens de meiose, wat kan leiden tot een diploïde eicel die bevrucht wordt door een haploïde zaadcel, resulterend in een triploïde zygote. Hoewel polyploïdie bij zoogdieren vaak niet levensvatbaar is, komt het bij planten en sommige andere dieren wel veelvuldig voor [8](#page=8). Trisomieën ontstaan door non-disjunctie tijdens de meiotische deling, wat resulteert in een extra chromosoom. Voorbeelden van autosomale trisomieën zijn trisomie 21 (Downsyndroom), trisomie 18 (Edwardsyndroom) en trisomie 13 (Patausyndroom). Geslachtsgebonden trisomieën omvatten het Klinefeltersyndroom (XXY) en Turner syndroom (X0) [9](#page=9). > **Voorbeeld:** Een karyogram van een patiënt met trisomie 21 toont drie exemplaren van chromosoom 21, wat leidt tot het Downsyndroom [9](#page=9). #### 1.1.2. Chromosomale translocaties Translocaties zijn veranderingen waarbij stukken van chromosomen van plaats verwisseld worden [9](#page=9). * **Reciproke translocaties:** Hierbij wisselen twee niet-homologe chromosomen DNA-segmenten uit. Dit kan leiden tot verstoring van genfuncties, verandering van genexpressie door een andere promotor, of de creatie van hybride fusie-eiwitten, zoals het bcr-abl gen op het Philadelphia chromosoom bij chronische myeloïde leukemie (CML) [10](#page=10) [9](#page=9). > **Voorbeeld:** De reciproke translocatie tussen chromosoom 8 en 14 is geassocieerd met het Burkitt lymfoom [9](#page=9). * **Niet-reciproke translocaties:** Hieronder vallen inversies binnen hetzelfde chromosoom of Robertsoniaanse translocaties, waarbij één chromosoom aan een ander vasthecht [10](#page=10). #### 1.1.3. Chromosomale deleties en inserties Bij deleties verdwijnen delen van een chromosoom, met als gevolg het verlies van genen. Grote deleties leiden vaak tot syndromen, zoals het Cri-du-chat syndroom door een deletie op 5p. Kleine deleties en inserties van enkele baseparen worden verder besproken als INDELs. Deleties kunnen ontstaan door ongelijke crossing-over tijdens de meiose [10](#page=10). #### 1.1.4. Chromosomale duplicaties Duplicaties ontstaan ook door ongelijke crossing-over tijdens de meiose, waarbij een chromosoom een bepaald DNA-fragment tweemaal bevat. De grootte van duplicaties kan variëren, van microscopisch detecteerbaar tot duplicaties van enkele tot duizenden baseparen [10](#page=10). > **Tip:** Ongelijke crossing-over tijdens de meiose kan zowel leiden tot deleties op het ene chromosoom als tot duplicaties op het andere [11](#page=11). #### 1.1.5. Chromosomale inversies Een inversie is een segment van een chromosoom dat 180° gedraaid is binnen hetzelfde chromosoom. Dit veroorzaakt geen verlies van genetische informatie, maar kan wel de gensequentie herschikken [11](#page=11). ### 1.2. DNA-variaties op niveau van DNA #### 1.2.1. SNPs en INDELs * **SNPs (Single Nucleotide Polymorphisms):** Dit zijn substituties van één enkele nucleotidebase in de DNA-sequentie [11](#page=11). * **INDELs (Insertions/Deletions):** Dit zijn kleine deleties of inserties van één of enkele baseparen [11](#page=11). Deze variaties kunnen leiden tot verschillende gevolgen voor het eiwit en fenotype: * **Missense mutatie:** Een basensubstitutie resulteert in een ander aminozuur [12](#page=12). * **Nonsense mutatie:** Een codon wordt veranderd in een stopcodon (TAA, TAG, TGA), wat leidt tot vroegtijdige translatie-stop en een verkort, meestal niet-functioneel eiwit [12](#page=12). * **Anti-nonsense mutatie:** Een stopcodon muteert naar een codon voor een aminozuur, wat resulteert in een langer eiwit [12](#page=12). * **Silent mutatie:** Een basenpaarverandering leidt niet tot een aminozuurverandering [12](#page=12). * **Frameshift mutatie:** Een deletie of insertie van een aantal basenparen dat geen veelvoud is van drie, verstoort het leesraam van de mRNA-sequentie. Dit leidt vaak tot een vroegtijdig stopcodon en een niet-functioneel eiwit [12](#page=12). > **Voorbeeld:** Beta zero-thalassemieën kunnen veroorzaakt worden door frameshift mutaties [12](#page=12). * **Splice site mutaties:** Mutaties op de grens van een exon en intron beïnvloeden het splicingproces, waardoor intronen niet (volledig) verwijderd worden of exonen juist worden uitgesplitst [12](#page=12). * **Transcriptionele mutaties:** Mutaties in flankerende regio's (5' of 3') kunnen het transcriptieniveau van een gen veranderen [13](#page=13). > **Voorbeeld:** Bij bèta-thalassemie kan een verandering in de TATA-box leiden tot verminderde transcriptie [13](#page=13). * **Translationele mutaties:** Veranderingen in de efficiëntie van mRNA-binding aan het ribosoom kunnen optreden [13](#page=13). #### 1.2.2. Trinucleotide repeats Repeterende sequenties, met name trinucleotide (triplet) repeats, zijn gevoelig voor expansie tijdens DNA-replicatie of herstelmechanismen. Een abnormale expansie kan leiden tot een verstoorde genfunctie en genetische aandoeningen [13](#page=13). * Een trinucleotide herhaling (TNR) is een triplet van nucleotiden dat zich herhaalt [13](#page=13). * Bij abnormale expansie worden de herhalingen onstabieler en nemen toe in aantal over generaties [13](#page=13). * CAG, dat codeert voor glutamine, is een veelvoorkomend triplet in neurodegeneratieve stoornissen gerelateerd aan TNRs [13](#page=13). * Stoornissen door instabiele TNRs worden vaak dominant overgeërfd en vertonen **anticipatie** [14](#page=14). * **Genetische anticipatie** is de toenemende ernst, penetratie en/of afnemende leeftijd van aanvang van de ziekte in opeenvolgende generaties, door toename van het aantal herhalingen [14](#page=14). > **Voorbeelden van aandoeningen door trinucleotide expansies:** Fragiele X-syndroom, ziekte van Huntington, myotone dystrofie [13](#page=13). #### 1.2.3. Epigenetische variatie: DNA-methylatie Epigenetica bestudeert veranderingen in genexpressie die niet worden veroorzaakt door veranderingen in de DNA-sequentie zelf, maar door factoren zoals chromatine-structuur en biochemische markers [14](#page=14). * **DNA-methylatie:** Een belangrijk epigenetisch mechanisme waarbij cytosine (C) wordt omgezet in 5-methylcytosine. Sterk gemethyleerde regio's leiden tot 'uitzetten' van genen [14](#page=14). * DNA-methylatie is essentieel voor normale ontwikkeling en betrokken bij genomische imprinting, X-chromosoominactivatie, suppressie van repetitieve elementen en carcinogenese [14](#page=14). * Tussen 60-90% van alle CpGs in zoogdieren zijn gemethyleerd. Gemethyleerde C-residuen kunnen deamineren tot T, wat leidt tot CpG-dinucleotiden die gemuteerd worden naar TpG [14](#page=14). * Niet-gemethyleerde CpGs vormen vaak 'CpG-eilanden' nabij de 5'-regio's van genen. Hypermethylatie van deze CpG-eilanden in de regulatorische regio's van genen kan leiden tot transcriptionele inactivatie ('zwijgen') [15](#page=15). * DNA-methylatie beïnvloedt transcriptie door fysieke belemmering voor transcriptiefactoren of door binding van methyl-CpG-bindende domein (MBD) eiwitten, die vervolgens chromatine-remodeling eiwitten aantrekken die leiden tot compact, inactief chromatine (heterochromatine) [15](#page=15). > **Voorbeeld:** Sterke methylering van het glutathion S-transferase gen (GSTP1) komt voor in prostaatkanker, wat leidt tot het uitzetten van dit tumoronderdrukkende gen [14](#page=14). * **Histonmodificatie:** Epigenetische mechanismen omvatten ook chemische veranderingen (acetylatie, methylatie, fosforylering, ubiquitylatie) van aminozuren in histoneiwitten. Deze modificaties beïnvloeden de chromatine-structuur, waardoor genexpressie wordt gereguleerd door het creëren van meer open (actief) of gecondenseerd (inactief) chromatine [15](#page=15) [16](#page=16). > **Voorbeeld:** De vachtkleuring van lapjeskatten is een resultaat van X-inactivatie, een epigenetisch verschijnsel waarbij één van de X-chromosomen in elke cel willekeurig wordt uitgeschakeld, leidend tot een lappendeken van vachtkleuren als er verschillende genvarianten op de X-chromosomen aanwezig zijn [15](#page=15). --- # Moleculaire Diagnostische Technieken Moleculaire diagnostiek (MD) omvat een breed scala aan technieken die worden gebruikt om direct het genetisch materiaal (DNA en RNA) te onderzoeken, wat een hoge gevoeligheid en specificiteit biedt voor de diagnose van diverse aandoeningen. Deze technieken zijn essentieel geworden voor de analyse van zowel monogene erfelijke aandoeningen als somatische defecten in kankerweefsel, evenals voor de identificatie van micro-organismen en weefseltypering [17](#page=17) [19](#page=19). ### 2.1. Aandoeningen die bestudeerd worden in moleculaire diagnostiek Moleculaire diagnostiek richt zich op verschillende categorieën van aandoeningen: * **Erfelijke aandoeningen:** Deze kunnen op verschillende momenten in het leven worden gediagnosticeerd, waaronder: * **Pre-implantatie diagnostiek:** Voorafgaand aan de zwangerschap [17](#page=17). * **Prenatale diagnostiek:** Tijdens de zwangerschap [17](#page=17). * **Postnatale diagnostiek:** * Neonataal (direct na de geboorte) [17](#page=17). * Presymptomatisch (voordat symptomen optreden). Voorbeelden zijn de ziekte van Huntington [21](#page=21). * Dragerschapbepalingen (carrier detection) voor recessieve aandoeningen zoals Duchenne spierdystrofie, mucoviscidose, sikkelcelanemie [19](#page=19). * **Niet-erfelijke aandoeningen:** Deze ontstaan door genetische veranderingen in somatische cellen gedurende het leven en worden niet doorgegeven aan nakomelingen. Hieronder vallen veel vormen van kanker, zoals long- en darmkanker [19](#page=19). * **Infectieziekten:** Moleculaire diagnostiek speelt een cruciale rol bij het identificeren van virale, bacteriële en parasitaire aandoeningen door het direct detecteren van hun genetisch materiaal (RNA of DNA). Dit maakt snelle diagnose mogelijk bij acute infecties zoals COVID-19, influenza en RSV. Het is met name nuttig voor micro-organismen die langzaam groeien of moeilijk te kweken zijn, zoals *Mycobacterium tuberculosis* en *Chlamydia*. Moleculaire technieken kunnen ook verschillen tussen bacteriestammen of virustypes aantonen, wat belangrijk is voor epidemiologisch onderzoek [17](#page=17) [19](#page=19). * **Weefseltypering (HLA-typering):** Wordt veelvuldig met DNA-technieken uitgevoerd [17](#page=17). ### 2.2. Moleculaire diagnostiek en onderzoek Moleculair-biologische technieken worden ontwikkeld en getest in onderzoeks- en academische laboratoria voordat ze in diagnostische centra worden ingezet. Omgekeerd worden deze technieken in onderzoeksinstellingen ook veelvuldig gebruikt om DNA-variaties op te sporen [19](#page=19). ### 2.3. Uitvoerende centra voor medische moleculaire diagnostiek In België wordt moleculaire diagnostiek voor genetische aandoeningen en kanker voornamelijk uitgevoerd in acht genetische centra, in samenwerking met ziekenhuizen en onderzoeksgroepen [19](#page=19). ### 2.4. Overzicht van analysetechnieken De technieken voor moleculaire diagnostiek kunnen worden ingedeeld op basis van het type en aantal te detecteren variaties: #### 2.4.1. Technieken voor gekende 'grotere' mutaties (deleties, inserties, translocaties, trinucleotiden expansies) Deze technieken zijn gericht op het detecteren van specifieke, vooraf bekende grotere DNA-veranderingen. * **PCR en scheiding van amplicons volgens lengte:** De polymerase ketting reactie (PCR) wordt gebruikt om DNA-fragmenten te amplificeren. Deze fragmenten (amplicons) worden vervolgens gescheiden op basis van hun lengte, bijvoorbeeld via gelelektroforese op een agarosegel, en gevisualiseerd. Dit is nuttig voor het opsporen van inserties en deleties, zoals de detectie van Alu-inserties [22](#page=22). * **Multiplex PCR:** Hierbij worden meerdere targets in één enkele PCR-reactie geamplificeerd, door gelijktijdig gebruik te maken van verschillende primerparen. Dit verhoogt de efficiëntie en snelheid van de analyse [22](#page=22). * **Toepassing:** Opsporen van exondeleties bij Duchenne en Becker spierdystrofie, waarbij meerdere exonen van het grote dystrofinegen tegelijkertijd worden geamplificeerd [22](#page=22). * **Beperkingen:** Reactiecondities moeten geoptimaliseerd worden voor alle primer sets, en er mag geen interferentie optreden tussen de primers [23](#page=23). * **Southern blotting gecombineerd met PCR-fragmentanalyse:** Deze techniek wordt gebruikt voor het opsporen van triplet repeat expansies, waarbij een reeks van drie nucleotiden herhaald wordt. Expansie van deze repeats kan leiden tot genetische aandoeningen met anticipatie, waarbij symptomen in opeenvolgende generaties vroeger en/of ernstiger optreden [23](#page=23). * **Toepassing:** Opsporen en diagnosticeren van het Fragiele X syndroom en de ziekte van Huntington. Bij Fragiele X is ook de methylatiestatus van het gen van belang, wat de analyse complexer maakt en Southern blotting naast PCR vereist. De analyse van Southern blots omvat DNA-isolatie, restrictie-enzymdigestie, gelelektroforese, blotting op een membraan, en hybridisatie met een specifieke probe [24](#page=24) [25](#page=25) [28](#page=28). * **Diagnostische criteria Huntington:** Normale personen hebben maximaal 36 CAG-repeats, terwijl patiënten 37-100 repeats hebben [28](#page=28). * **Fluorescence in situ hybridisatie (FISH):** Een moderne techniek die gebaseerd is op hybridisatie en geen elektroforese vereist, waardoor deze gemakkelijk gerobotiseerd kan worden voor high-throughput screening [29](#page=29). * **Principe:** Fluorescent gemerkte DNA- of RNA-probes worden gehybridiseerd aan nucleïnezuren die op een vaste drager (bv. microscoopglaasje) zijn gefixeerd. De gehybridiseerde probes worden vervolgens gevisualiseerd met een fluorescentiemicroscoop [29](#page=29). * **Types probes:** Locus-specifieke probes, chromosome painting probes, centromeer- en telomeerprobes, en break-apart probes voor translocaties. Amplificatieprobes genereren meer signaal bij herhaalde DNA-fragmenten [30](#page=30). * **Toepassing:** Visualisatie van chromosomen en chromosomale afwijkingen (aantal, translocaties, herschikkingen, amplificaties), genexpressie (mRNA), detectie van micro-organismen, en tumordetectie met DNA-markers [29](#page=29). * **Toepassing:** Opsporen van translocaties, zoals t(14;18) bij folliculair lymfoom, waarbij FISH een hogere gevoeligheid heeft dan PCR vanwege de variëteit aan breekpunten [32](#page=32). * **Next-generation ISH assays (CISH en SISH):** Ontwikkeld om de uitdagingen van FISH te overwinnen, zoals de noodzaak van gespecialiseerde microscopen en photobleaching. CISH (chromogenic in situ hybridisation) en SISH (silver enhanced in situ hybridisation) gebruiken permanente signalen zichtbaar met standaard lichtmicroscopie [33](#page=33). * **Toepassing CISH:** Opsporen van Epstein-Barr virusinfectie en aantonen van kappa/lambda lichte ketens [34](#page=34). * **Toepassing SISH:** Opsporen van HER2-amplificatie bij borstkanker, vaak in combinatie met CISH voor een tweekleurige analyse [34](#page=34). #### 2.4.2. Technieken voor gekende SNPs en INDELs Deze technieken zijn gericht op het opsporen van kleine, specifieke DNA-variaties, zoals single nucleotide polymorphisms (SNPs) en kleine inserties of deleties (INDELs). * **Restrictie fragment length polymorphisms (RFLP) analyse:** Oudere techniek die gebruik maakt van het feit dat een mutatie een restrictie-enzymknipplaats kan vernietigen of creëren. De resulterende fragmentlengteverschillen worden geanalyseerd [35](#page=35). * **Methoden:** Via Southern blotting en hybridisatie, of sneller via PCR-amplificatie [35](#page=35). * **Toepassing:** Opsporen van hemofilie B en Factor V Leiden mutaties. Ook gebruikt voor de typering van *Leishmania* soorten door analyse van PCR-producten na digestie met restrictie-enzymen [36](#page=36) [37](#page=37) [38](#page=38). * **Hybridisatie aan capture probe, gebonden op vaste drager (Allele Specific Oligonucleotide (ASO) techniek):** Deze techniek toont kleine, gekende mutaties (SNPs, INDELs) aan door middel van stringente hybridisatie. Synthetische oligonucleotiden (capture probes) worden op een vaste drager gefixeerd [38](#page=38). * **Workflow:** Ontwerp en synthese van ASO's, fixatie op drager, DNA-isolatie, PCR-amplificatie en labelling, denaturatie, hybridisatie, wassen, detectie en visualisatie [39](#page=39). * **Vaste dragers:** Membranen (nylon, nitrocellulose), magnetische bolletjes, microtiterplaten, glas (microarrays), flow-through systemen [39](#page=39). * **Toepassing:** Opsporen van gekende mutaties in mucoviscidose (bv. delF508). Typering van Humane Papillomavirussen (HPV) en Hepatitis C Virus (HCV) met line probe assays (LPA). Detectie van humane retrovirussen (bv. HIV) in wells [39](#page=39) [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43). * **Multiplex Allele-specifieke PCR test (ARMS of SSP-PCR):** Gebruikt allele-specifieke primers die verschillen aan het 3'-uiteinde om specifieke allelen of mutaties te amplificeren. De DNA-synthese door Taq-polymerase is afhankelijk van correcte basenparing aan het 3'-uiteinde [44](#page=44). * **Toepassing:** ARMS-test voor mucoviscidose om meerdere mutaties te detecteren [45](#page=45). * **qPCR (Real-time PCR):** Wordt gebruikt om DNA-variaties (SNP, INDELs) aan te tonen, heterozygoziteit/homozygoziteit te bepalen, en de aanwezigheid en hoeveelheid van specifieke micro-organismen te kwantificeren. Gebruikt probes zoals moleculaire beacons, lineaire probes en TaqMan probes voor detectie [45](#page=45) [46](#page=46). * **Moleculaire beacons:** Oligonucleotide probes met een stam-lusstructuur die fluoresceren wanneer ze aan hun doelsequentie binden. Ideaal voor genetische screening en SNP-detectie [46](#page=46) [47](#page=47). * **Lineaire probes:** Gehybridiseerd op het DNA, waarbij smeltcurves worden geanalyseerd om mutaties te detecteren [48](#page=48). * **TaqMan probes:** Gebruikt in de castPCR™-technologie voor de detectie van zeldzame somatische mutaties in kankerweefsel met hoge gevoeligheid (tot 0,1% mutant allel) [49](#page=49). * **Ligatie-assays (bv. MLPA):** Technieken waarbij ligase (plak-enzym) een cruciale rol speelt. * **Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification (MLPA):** Detecteert deleties, duplicaties en puntmutaties door het amplificeren van MLPA-probes die hybrideren aan doelsequenties. Vereist slechts één primerpaar en analyse vindt plaats via capillaire elektroforese. Kan ook gebruikt worden voor methylatiestatusbepaling en relatieve kwantificatie van mRNA [51](#page=51) [52](#page=52) [53](#page=53). #### 2.4.3. Technieken voor ongekende SNPs en INDELs (mutatiescanningstechnieken) Deze technieken zijn bedoeld om te scannen naar mutaties in PCR-fragmenten, waarna sequentieanalyse de exacte mutatie bepaalt. Ze verminderen de hoeveelheid DNA die gesequenced moet worden [54](#page=54). * **Single Stranded Conformational Polymorphism (SSCP)-analyse:** Toont 'single base' mutaties aan door denaturatie van PCR-producten en scheiding van enkelstrengen op een niet-denaturerende polyacrylamidegel, gebaseerd op hun conformatie [54](#page=54). * **Heteroduplexanalyse:** Vormt heteroduplexen door het mengen van gemuteerd en niet-gemuteerd DNA (of van PCR-producten van heterozygote individuen), gevolgd door denaturatie en langzame renaturatie [55](#page=55). * **High Resolution Melting curve Analyse (HRMA):** Detecteert mutaties op basis van kleine verschillen in de DNA-uitsmelttemperatuur (Tm) van PCR-producten die heteroduplexen bevatten. Kan somatische mutaties in lage concentraties detecteren en de methylatiestatus bepalen na bisulfietbehandeling [56](#page=56) [57](#page=57). #### 2.4.4. Technieken voor gemethyleerde DNA-sequenties Deze technieken richten zich op de epigenetische modificatie van DNA door methylatie, wat een rol speelt bij diverse ziekten waaronder kanker [59](#page=59). * **Bisulfietmethode:** Ongemethyleerde cytosines worden door natriumbisulfiet omgezet naar uracil, terwijl gemethyleerde cytosines onaangetast blijven. Dit verschil kan vervolgens gevisualiseerd worden via methylatiespecifieke PCR of sequentiebepaling [59](#page=59) [60](#page=60) [61](#page=61). * **Restrictie-enzymdigesten:** Gebruik van methylatiegevoelige restrictie-enzymen om methylatie te detecteren [62](#page=62). * **Methylatie-specifieke MLPA (MS-MLPA):** Combineert MLPA met digestie door methylatiegevoelige restrictie-enzymen [62](#page=62). #### 2.4.5. High-throughput SNP-detectie Technieken die een groot aantal variaties tegelijkertijd kunnen analyseren. * **DNA-chips of microarrays:** Vaste dragers met miljoenen enkelstrengige DNA-fragmenten (capture probes) voor het analyseren van duizenden genen of allelen parallel [63](#page=63). * **SNP-chips (SNP-array):** Gebruikt voor het snel vaststellen van verschillen van één nucleotide of INDELs, belangrijk voor genetische paspoorten en farmacogenetica [64](#page=64) [65](#page=65). * **Comparative hybridization chips:** Vergelijken hoeveelheden genomisch DNA (CGH) of mRNA (genexpressie microarrays) tussen twee monsters met behulp van twee fluorescente labels [64](#page=64). * **Comparative genomic hybridization (CGH):** Scant het genoom op duplicaties, inserties en deleties, vooral in kankercellen [69](#page=69). * **Genexpressie microarray:** Bestudeert genexpressiepatronen door mRNA/cDNA te analyseren, veel gebruikt in onderzoek en diagnostiek van kanker [70](#page=70). * **Weefselmicroarrays (TMA):** Spots bestaan uit stukjes gefixeerd patiëntweefsel voor parallelle analyse van honderden weefsels [72](#page=72). * **Toepassing:** Bepaling van CYP450-enzymvariaties voor medicijndosering (farmacogenetica). Analyse van genexpressieprofielen voor risicostratificatie bij borstkanker (bv. MammaPrint) [66](#page=66) [71](#page=71). * **Next and third generation sequencing:** Geavanceerde technieken voor het snel en goedkoop bepalen van DNA-sequenties op grote schaal [81](#page=81). * **Next Generation Sequencing (NGS):** Omvat technologieën zoals Illumina, Roche 454, Ion Torrent en SOLiD [81](#page=81). * **Pyrosequencing:** Gebaseerd op het 'sequencing by synthesis'-principe met bioluminescentie [82](#page=82). * **Illumina sequencing:** Gebruikt 'reversible chain terminators' en sequencing-by-synthesis [86](#page=86). * **Whole Genome Sequencing (WGS):** Bepaalt de volledige genoomsequentie [89](#page=89). * **Whole Exome Sequencing (WES):** Sequentieert alle eiwitcoderende gebieden (exonen), efficiënter voor het opsporen van mutaties in kanker en erfelijke aandoeningen [90](#page=90). * **Niet-invasieve prenatale test (NIPT):** Analyseert celvrij (cf)DNA in bloed van zwangere vrouwen om trisomieën op te sporen [90](#page=90). * **Circulerend cfDNA als biomerker:** Kan gebruikt worden voor diagnose en opvolging van kanker via 'liquid biopsy' [91](#page=91). * **Single-cell sequencing:** Sequentieert individuele cellen, essentieel voor het analyseren van tumorheterogeniteit en forensisch onderzoek [93](#page=93). * **Third generation sequencing (Single-molecule sequencing):** Maakt directe sequentiebepaling van één DNA-molecule mogelijk zonder amplificatiestap (bv. Nanopore sequencing) [94](#page=94). * **Digital (droplet) PCR (ddPCR):** Biedt nauwkeurige, absolute kwantificering van nucleïnezuren door het tellen van moleculen in discrete water-in-olie druppelpartities . * **Toepassingen:** Absolute kwantificering van DNA-hoeveelheden (virale lading, microbiële kwantificering), detectie van zeldzame sequenties/somatische mutaties, analyse van genomische veranderingen (CNV), genexpressie- en micro-RNA-analyse, en kwantificering van NGS-library preparaten . ### 2.5. Nieuwe tools en ontwikkelingen * **Lab-on-a-chip (LOC):** Integreert laboratoriumfuncties op een enkele chip, vereist zeer kleine vloeistofvolumes en maakt snelle analyses mogelijk (bv. GeneXpert) [96](#page=96). * **Nieuwe designer geneesmiddelen:** Gebaseerd op het rationeel ontwerp van medicijnen na identificatie van specifieke moleculaire doelwitten (bv. Gleevec voor chronische myeloïde leukemie) [97](#page=97). * **Nieuwe vormen van immuuntherapie:** Dendritische celvaccinatie (DC-Vac) en CAR T-celtherapie, die het immuunsysteem van de patiënt activeren tegen kankercellen [100](#page=100) [99](#page=99). ### 2.6. Bio-informatica en 'big data' analyse De grote hoeveelheden data die gegenereerd worden door high-throughput technieken vereisen geavanceerde softwarepakketten en statistische analyse. Databases zoals NCBI en Ensembl zijn cruciaal voor het opslaan en raadplegen van genetische informatie [77](#page=77) [78](#page=78) [80](#page=80). --- # Nieuwe Tools, Ontwikkelingen en Precisiegeneeskunde Dit onderdeel gaat over nieuwe ontwikkelingen in moleculaire diagnostiek, met een focus op precisiegeneeskunde, multi-omics, en innovatieve technieken zoals lab-on-a-chip en designer geneesmiddelen. ## 3. Nieuwe tools, ontwikkelingen en precisiegeneeskunde ### 3.1 Precisiegeneeskunde Precisiegeneeskunde, voorheen ook wel gepersonaliseerde geneeskunde genoemd, maakt gebruik van high-throughput technieken in de biomedische sector. In het post-genoom tijdperk wordt kennis van het menselijk genoom, transcriptoom en de variatie daartussen gebruikt om gevoeligheidsgenen en risicofactoren voor complexe aandoeningen te identificeren. De genotype-fenotype relatie wordt bepaald om vervolgens diagnoses, predisposities, risicofactoren en de meest geschikte behandelingswijzen te identificeren. Ook nieuwe geneesmiddelen kunnen ontworpen worden tegen eiwitproducten van ziektegerelateerde genen, wat nieuwe 'drug targets' oplevert [76](#page=76). ### 3.2 Multi-omics Multi-omics integreert gegevens uit verschillende bronnen, zoals het genoom, transcriptoom, fenoom, metaboloom, methyloom/epigenoom en nutrigenoom. Deze integratie leidt tot een beter inzicht in complexe biologische processen en maakt precisiegeneeskunde mogelijk [77](#page=77). ### 3.3 Variaties in het menselijk genoom: SNPs als biomerkers Het menselijk genoom verschilt slechts voor 0,1% tussen individuen. Deze minimale verschillen, genaamd Single Nucleotide Polymorphisms (SNPs), zijn plaatsen waar een enkele base van de genetische code afwijkt. Hoewel veel SNPs in niet-coderende gebieden voorkomen, kunnen SNP-patronen gebruikt worden om ziektes te voorspellen. Door genetische variatiepatronen tussen zieke en gezonde populaties te vergelijken, kunnen risicofactoren worden geïdentificeerd, zoals de rol van de E4-variant van apolipoproteïne bij de ziekte van Alzheimer. Farmaceutische bedrijven screenen patiënten voor genetische variaties om de effectiviteit en bijwerkingen van medicijnen te verklaren [77](#page=77). Grootschalige SNP-analyse vereist opschaling van laboratoriumtechnologie, zoals genoomwijde associatiestudies (GWAS) die tienduizenden variaties tegelijk testen. Historisch werden technieken zoals Sanger DNA sequencing, capillaire elektroforese, SSCP, denaturerende HPLC, gelelektroforese, RFLP en hybridisatieanalyse gebruikt. Tegenwoordig worden Next Generation Sequencing (NGS) methoden en DNA-SNP-chips ingezet voor high-throughput detectie van DNA-variaties [77](#page=77). > **Tip:** SNPs zijn cruciaal voor het begrijpen van individuele variaties die bijdragen aan ziektegevoeligheid en reacties op medicatie. ### 3.4 Genome-wide association studies (GWAS) Genome-wide association studies (GWAS) worden ingezet om SNPs te identificeren die geassocieerd zijn met complexe aandoeningen (zoals kanker, diabetes type II, ziekte van Alzheimer) of met de reactie op medicatie (farmacogenetica/genomica). Bij GWAS worden genetische variaties vergeleken tussen grote groepen patiënten en controlegroepen (tienduizenden personen) om te bepalen of bepaalde SNPs vaker voorkomen in de patiëntengroep. Dit resulteert in een 'genetisch paspoort' en een genotype-fenotype correlatie [78](#page=78). Onderzoek naar risicoloci vereist hoge doorvoertoepassingen, zoals NGS-Illumina systemen of SNP-chips. Bio-informatica speelt een sleutelrol bij het behandelen van deze 'big data'. Gevonden gevoeligheidsloci of varianten kunnen worden geïntegreerd in diagnostische tests voor ziektegevoeligheid en later worden gekoppeld aan gepersonaliseerde therapieën of preventieve maatregelen [78](#page=78). #### 3.4.1 Toepassing GWAS: opsporen genetische risicofactoren voor borst-, prostaat- en eierstokkanker Een internationaal consortium, met o.a. VIB en KU Leuven, heeft meer dan 80 DNA-regio's geïdentificeerd die het risico op borst-, prostaat- en eierstokkanker verhogen. Dit onderzoek vergeleek het DNA van 100.000 kankerpatiënten met dat van 100.000 gezonde personen. Er werden SNPs gevonden die vaker voorkwamen bij patiënten met deze kankersoorten, waarbij een combinatie van meerdere SNPs het risico significant kon verhogen. Veel van deze risico-SNPs bevinden zich in DNA-regio's die de genexpressie controleren en kunnen ontregeld raken, waardoor groeicontrolesignalen wegvallen [78](#page=78) [79](#page=79). Specifiek werden 49 SNPs voor borstkanker en 9 nieuwe SNPs voor eierstokkanker geïdentificeerd. Voor prostaatkanker werden 26 nieuwe SNPs gevonden, waarvan 20 geassocieerd zijn met agressieve vormen. Deze bevindingen maken gerichtere screenings op prostaat- en borstkanker mogelijk, met als doel het aantal sterfgevallen te verminderen. De resultaten zijn gepubliceerd in diverse toptijdschriften [79](#page=79). > **Tip:** GWAS-studies demonstreren hoe complex ziekten zoals kanker zijn en hoe genetische variaties het individuele risico beïnvloeden. ### 3.5 Farmacogenetica - farmacogenomica: niet iedereen reageert hetzelfde op een geneesmiddel of therapie Individuele reacties op medicatie variëren sterk door factoren zoals omgevingsinvloeden, eetgedrag, leeftijd, gewicht, geslacht en algemene gezondheid, maar vooral door erfelijke eigenschappen vastgelegd in genen. Farmacogenetica onderzoekt de wisselwerking tussen geneesmiddelen en genen. Genetische tests kunnen voorspellen hoe iemand op een middel zal reageren, wat bijwerkingen kan voorkomen en de dosering kan optimaliseren, aangezien gewicht niet altijd een accurate maatstaf is. Jaarlijks overlijden in de VS meer dan 100.000 mensen aan medicatiebijwerkingen; gepersonaliseerde geneeskunde kan dit aantal reduceren [79](#page=79) [80](#page=80). De effectiviteit van een geneesmiddel hangt af van hoe het gemetaboliseerd wordt door de lever en hoe het interageert met zijn doelwit. Leverenzymen beïnvloeden de snelheid van medicijnafbraak; trage afbraak kan leiden tot overdosering, snelle afbraak tot een tekort. Genetische tests, zoals met CYP-chips, kunnen de afbraaksnelheid bepalen en de benodigde dosering berekenen. Ook kunnen variaties in doelwiteiwitten (receptoren, transporters) ervoor zorgen dat een geneesmiddel bij de ene persoon beter bindt dan bij de andere [80](#page=80). ### 3.6 Bio-informatica en ‘big data’ analyse High-throughput screeningstechnieken genereren grote hoeveelheden data ('big data') die verwerkt worden met statistische softwarepakketten. Sequentie-informatie, zoals SNPs, wordt wereldwijd verzameld in elektronische databanken, waarvan NCBI (National Center for Biotechnology Information) en ENSEMBL de belangrijkste toegangspunten zijn [80](#page=80). NCBI biedt publieke databases voor moleculaire biologie, waaronder: * SNP-databank [80](#page=80). * Genbank (sequenties, SNPs) [80](#page=80). * Moleculaire databank (sequenties, structuren, taxonomie) [80](#page=80). * Genomische biologie databank (humaan genoom, kankerchromosomen) [80](#page=80). * Literatuurdatabanken: OMIM (erfelijke ziekten) en PubMed (medische literatuur) [80](#page=80). * Programma's voor specifieke analyses zoals ENTREZ en BLAST [80](#page=80). Studenten leren in de bio-informatica cursus omgaan met deze databanken en analyses [80](#page=80). ### 3.7 Next generation sequencing (NGS) In 2002 werd het menselijk genoom na 15 jaar werk en voor 1 miljard dollars gepubliceerd. Sindsdien zijn er snellere en goedkopere sequentietechnieken ontwikkeld, waardoor een genoom binnen 24 uur voor minder dan 1000 dollars in kaart kan worden gebracht. De klassieke Sanger-sequentietechniek heeft beperkingen qua parallelle reacties en leeslengte [81](#page=81). Nieuwe technieken zoals de Roche 454 pyrosequencer bieden verbeteringen, maar ook de SOLiD (ABI) en systemen van Illumina, die werken met miljarden DNA-fragmenten, maken het mogelijk om tientallen gigabases in één run te bepalen. Voor een wetenschappelijk verantwoorde sequentie van het menselijk genoom is een sequencing depth van 20 tot 30 kopijen nodig, wat binnen een week kan worden afgehandeld [81](#page=81). NGS is de overkoepelende term voor verschillende high-throughput sequencing technologieën, waaronder: * Illumina sequencing (het meest gebruikte platform) [81](#page=81). * Roche 454 sequencing (Pyrosequencing) [81](#page=81). * Ion torrent: Proton / PGM sequencing [81](#page=81). * SOLiD sequencing (ABI) [81](#page=81). De derde generatie sequencers, of single molecule sequencers, laten de amplificatiestap achterwege en omvatten bijvoorbeeld Oxford Nanopore met Nanopore sequencing. Deze derde generatie sequencers zijn echter nog minder accuraat voor SNPs en kleine indels. Resultaten van Illumina en dergelijke moeten momenteel nog bevestigd worden met Sanger sequencing. Foutmarges (1 op 10.000 tot 1 op 100.000 foute nucleotiden) en de kosten voor dataverwerking (bio-informatica) blijven aandachtspunten, met name voor klinisch onderzoek [81](#page=81). > **Tip:** NGS heeft de snelheid en kosteneffectiviteit van genoomonderzoek revolutionair veranderd, maar blijft continu in ontwikkeling wat betreft nauwkeurigheid en kosten. ### 3.8 Nieuwe tools en ontwikkelingen voor moleculaire diagnostiek #### 3.8.1 Lab-on-a-chip Een lab-on-a-chip (LOC) is een apparaat dat laboratoriumfuncties integreert op een enkele chip, variërend in grootte van enkele millimeters tot enkele vierkante centimeters. LOC's vereisen zeer kleine vloeistofvolumes voor analyse en worden gebruikt voor onder andere hybridisatietechnieken, SNP-analyse, PCR en sequencing. Op een LOC vinden alle analyses plaats die normaal op een werkbank worden uitgevoerd, en omvatten doorgaans drie basisstappen [96](#page=96). Een voorbeeld van een commercieel micro-device is de GeneXpert (Cepheid). Dit 'lab-in-a-box' voert PCR-analyses uit voor specifieke pathogenen zoals Norovirus, SARS-Cov2 en Chlamydia trachomatis/Neisseria gonorrhoeae in gemiddeld 45 minuten. De cartridge verzorgt DNA-extractie, PCR-amplificatie en detectie. Nieuwere ontwikkelingen voor LOC's richten zich op 'single cell analysis' en 'cell-free DNA'-analyses, en zijn geschikt voor Point Of Care (POCT) testen [96](#page=96) [97](#page=97). #### 3.8.2 Nieuwe designer geneesmiddelen Zodra een pathogenendoelwit is geïdentificeerd, kan rationeel drugsontwerp volgen [97](#page=97). ##### 3.8.2.1 Gleevec: doelgerichte behandeling van leukemiepatiënten Gleevec is een geneesmiddel dat specifiek de groei van bepaalde leukemische cellen onderdrukt. Bij chronische myeloïde leukemie (CML) ontstaat een foutief Bcr-abl eiwit door een fusie van de Bcr- en Abl-genen, wat leidt tot ongecontroleerde celdeling van witte bloedcellen. Gleevec blokkeert de groeistimulerende werking van dit foute eiwit. Hoewel Gleevec de kanker langdurig kan onderdrukken, is volledige genezing nog niet altijd mogelijk, aangezien het Bcr-abl gen opnieuw kan muteren waardoor Gleevec zijn effectiviteit verliest [97](#page=97) [98](#page=98). > **Example:** Gleevec illustreert hoe een diepgaand begrip van de moleculaire oorzaak van een ziekte (het Bcr-abl eiwit) kan leiden tot de ontwikkeling van een gerichte therapie. ##### 3.8.2.2 Nieuwe vormen van immuuntherapie Gentherapeutische benaderingen, zoals dendritische celvaccinatie en CAR T-therapie, worden ontwikkeld als nieuwe vormen van precisiegeneeskunde en immuuntherapie [99](#page=99). ###### 3.8.2.2.1 Dendritische celvaccinatie (DC-Vac) Dendritische cellen (DC's) zijn immuuncellen die vreemde stoffen en kankercellen presenteren aan T-cellen om een immuunrespons te activeren. Bij DC-Vac worden monocyten van de patiënt in het lab gedifferentieerd tot DC's. Deze DC's worden 'opgeladen' met een tumor-specifiek eiwit (bijvoorbeeld Wilms-tumor 1, WT1) en vervolgens teruggeïnjecteerd in de patiënt. De gemanipuleerde DC's presenteren het tumorantigeen aan T-killercellen, die vervolgens de tumorcellen met hetzelfde antigeen opsporen en vernietigen. DC-Vacs zijn op maat gemaakt en worden getest tegen diverse kankersoorten. Sipuleucel-T (Provenge) is een goedgekeurd celvaccin voor uitgezaaide prostaatkanker [99](#page=99). ###### 3.8.2.2.2 CAR T-cellen CAR T-cellen zijn witte bloedcellen (T-cellen) van de patiënt die in het laboratorium genetisch gemodificeerd worden met een gen voor een 'chimere antigenreceptor' (CAR). Deze CAR-receptoren kunnen specifieke moleculen op kankercellen herkennen. Na terugkeer in de patiënt vermenigvuldigen de genetisch gewijzigde T-cellen zich en doden ze kankercellen gestuurd door hun nieuwe receptor. In 2017 keurde de FDA de eerste twee CAR T-immuuntherapieën goed, gericht tegen specifieke leukemieën door herkenning van het B-cel antigen CD19. Dit markeert een belangrijke vooruitgang in de ontwikkeling van CAR T-therapie voor kankerbehandeling [100](#page=100). --- ## 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 | |---|---| | DNA-variaties | Veranderingen in de volgorde of structuur van DNA, die kunnen variëren van enkele baseparen tot grote chromosomale afwijkingen. Deze variaties zijn de basis voor genetische diversiteit en kunnen leiden tot ziekten of fenotypische verschillen. | | Polyploïdie | Een genetische toestand waarbij een cel of organisme meer dan twee sets chromosomen heeft, bijvoorbeeld triploïde (3n) of tetraploïde (4n). Bij zoogdieren is dit meestal niet levensvatbaar. | | Trisomie | Een chromosomale afwijking waarbij een organisme een extra exemplaar van een specifiek chromosoom heeft, naast de normale twee exemplaren. Een bekend voorbeeld is trisomie 21 (Down syndroom). | | Chromosomale translocatie | Een gebeurtenis waarbij stukken van twee verschillende, niet-homologe chromosomen van plaats wisselen. Dit kan leiden tot genverstoringen of de vorming van fusiegenen, zoals bij het Philadelphia-chromosoom. | | Chromosomale deletie | Het verlies van een deel van een chromosoom, wat kan resulteren in het verdwijnen van genen en mogelijk leiden tot syndromen of ziekten. | | Chromosomale duplicatie | Het optreden van een extra kopie van een chromosoomsegment. Dit kan ontstaan door oneven crossing-over en kan variëren in grootte, met potentieel significante gevolgen voor het fenotype. | | Chromosomale inversie | Een herschikking binnen een chromosoom waarbij een segment 180° is gedraaid. Hierbij gaat geen genetische informatie verloren, maar de volgorde van genen kan veranderen. | | SNP (Single Nucleotide Polymorphism) | Een variatie in het DNA waarbij slechts één nucleotide verschilt tussen individuen op een specifieke positie in het genoom. SNPs zijn de meest voorkomende vorm van genetische variatie. | | INDEL (Insertion/Deletion) | Kleine inserties of deleties van één of enkele basenparen in het DNA. Wanneer deze in coderende regio's optreden, kunnen ze leiden tot frameshift-mutaties en ernstige fenotypische veranderingen. | | Frameshift-mutatie | Een mutatie die wordt veroorzaakt door de insertie of deletie van een aantal basenparen dat geen veelvoud van drie is. Dit verschuift het leesraam van het mRNA, wat leidt tot een totaal andere aminozuursequentie en vaak tot een vroegtijdige stopcodon. | | Splice site mutatie | Een verandering in het DNA op de grenzen tussen exons en introns, die de correcte splicing van pre-mRNA kan verstoren, met als gevolg dat introns niet of gedeeltelijk worden verwijderd, of exons worden overgeslagen. | | Trinucleotide repeat expansie | Een toename van het aantal herhalingen van een sequentie van drie nucleotiden in het DNA. Deze instabiliteit kan leiden tot genetische aandoeningen zoals Fragiele X syndroom en de ziekte van Huntington, vaak gepaard gaand met anticipatie. | | Epigenetica | Een tak van de biologie die zich bezighoudt met erfelijke veranderingen in genexpressie die niet worden veroorzaakt door veranderingen in de DNA-sequentie zelf, zoals DNA-methylatie en histonmodificaties. | | DNA-methylatie | Een epigenetisch mechanisme waarbij een methylgroep wordt toegevoegd aan cytosinebasen in het DNA, voornamelijk op CpG-dinucleotiden. Dit kan leiden tot genstilte en speelt een rol bij verschillende ziekten, waaronder kanker. | | Histonmodificatie | Chemische veranderingen aan histonproteïnen, zoals acetylering, methylatie of fosforylering, die de structuur van chromatine beïnvloeden en daarmee de toegankelijkheid van genen voor transcriptie reguleren. | | Moleculaire diagnostiek (MD) | Een vakgebied dat gespecialiseerde technieken gebruikt om direct het erfelijk materiaal (DNA en RNA) van organismen te onderzoeken voor diagnostische en onderzoeksdoeleinden. | | Polymerase Chain Reaction (PCR) | Een moleculair-biologische techniek die gebruikt wordt om specifieke DNA-fragmenten exponentieel te vermenigvuldigen, waardoor kleine hoeveelheden DNA detecteerbaar worden. | | Multiplex PCR | Een variant van PCR waarbij meerdere targets in één reactie worden geamplificeerd door het gebruik van verschillende primerparen tegelijkertijd. | | Southern blotting | Een techniek die wordt gebruikt om specifieke DNA-fragmenten te detecteren na restrictie-enzymdigestie en gelelektroforese, door hybridisatie met een gelabelde DNA-probe. | | Fluorescence In Situ Hybridisation (FISH) | Een techniek die gebruik maakt van fluorescerend gelabelde DNA-probes om specifieke DNA- of RNA-sequenties te visualiseren binnen cellen of weefsels op chromosomen of in de nucleus. | | CISH (Chromogenic In Situ Hybridisation) | Een ISH-techniek die fluorescente signalen vervangt door chromatogene reacties, waardoor de detectie zichtbaar wordt onder een standaard lichtmicroscoop en coupes langer bewaard kunnen worden. | | SISH (Silver Enhanced In Situ Hybridisation) | Een ISH-techniek die gebruik maakt van zilverneerslag om een permanente kleuring te verkrijgen die zichtbaar is onder een lichtmicroscoop. | | Restriction Fragment Length Polymorphism (RFLP) | Een oudere techniek die genetische variaties detecteert door te kijken naar verschillen in de lengte van DNA-fragmenten na digestie met restrictie-enzymen, veroorzaakt door de aanwezigheid of afwezigheid van kniplocaties. | | Allele Specific Oligonucleotide (ASO) | Korte, synthetische DNA- of RNA-sequenties (probes) die specifiek hybridiseren aan één bepaald allel. Ze worden gebruikt om kleine genetische variaties zoals SNPs te detecteren. | | Dot blot / Slot blot | Technieken waarbij DNA- of RNA-monsters op een membraan worden aangebracht in discrete vlekken (dot blot) of sloten (slot blot), gevolgd door hybridisatie met probes voor detectie. | | Line probe assay (LPA) | Een techniek die gebruik maakt van strips met geïmmobiliseerde capture probes (ASO's) langs parallelle lijnen om specifieke DNA- of RNA-sequenties te typeren. | | qPCR (Quantitative PCR) | Een variant van PCR die de hoeveelheid DNA of RNA in real-time monitort door de fluorescentie te meten die wordt gegenereerd tijdens elke amplificatiecyclus. | | Moleculaire beacons | Enkelstrengige oligonucleotide probes met een stam-lusstructuur, die fluoresceren wanneer ze aan hun doelsequentie binden en gebruikt worden voor real-time detectie in qPCR. | | Lineaire probes | Oligonucleotide probes die hybrideren aan DNA, waarbij veranderingen in de smeltcurve (door FRET) gebruikt worden om mutaties te detecteren. | | TaqMan probes | Hydrolyse-probes die tijdens PCR-amplificatie worden afgebroken, waarbij een fluorescente reportervrijkomt en de amplificatie in real-time wordt gedetecteerd. | | castPCR (Competitive Allele-Specific TaqMan PCR) | Een competitieve PCR-techniek met TaqMan-probes en MGB-blokkers die zeer gevoelige detectie van zeldzame somatische mutaties mogelijk maakt. | | MLPA (Multiplex Ligation-dependent Probe Amplification) | Een techniek die het aantal kopieën van specifieke DNA-sequenties kan detecteren door middel van ligatie en amplificatie van speciale probes. | | Mutatiescanningstechnieken | Methoden zoals SSCP en heteroduplexanalyse die gebruikt worden om te screenen op de aanwezigheid van mutaties in een DNA-fragment, waarna sequentieanalyse de specifieke mutatie identificeert. | | SSCP (Single Stranded Conformational Polymorphism) | Een techniek om mutaties te detecteren door het analyseren van de conformatie van enkelstrengige DNA-fragmenten na denaturatie en scheiding op een polyacrylamidegel. | | Heteroduplexanalyse | Een methode om mutaties op te sporen door het genereren van heteroduplexen (hybriden tussen gemuteerd en wild-type DNA) en deze te analyseren, bijvoorbeeld via HRMA. | | HRMA (High Resolution Melting curve Analyse) | Een techniek die kleine verschillen in de smelttemperatuur van dsDNA-producten detecteert om mutaties in PCR-fragmenten te identificeren. | | DNA-chips / Microarrays | Een vaste drager (bv. glasplaatje) waarop miljoenen enkelstrengige DNA-fragmenten (capture probes) zijn aangebracht, gebruikt voor parallelle analyse van duizenden genen of allelen. | | SNP-chips / SNP-array | Een type DNA-chip dat specifiek is ontworpen voor het detecteren van single nucleotide polymorphisms (SNPs) en kleine inserties/deleties. | | Comparatieve Hybridisatietechniek (CHT) | Een microarray-gebaseerde techniek die de hoeveelheid genomisch DNA of mRNA tussen twee monsters vergelijkt door middel van twee verschillende fluorescerende labels. | | Array-CGH (Comparative Genomic Hybridisation) | Een CGH-techniek die microarrays gebruikt om het gehele genoom te scannen op duplicaties, deleties en andere genomische veranderingen. | | Genexpressie microarray | Een microarray die wordt gebruikt om de expressieniveaus van duizenden genen te bestuderen door het analyseren van mRNA of cDNA. | | Tissue Microarray (TMA) | Een techniek waarbij kleine stukjes gefixeerd patiëntenweefsel worden samengebracht op een drager om parallelle analyses uit te voeren op honderden weefsels met een enkele probe. | | High Throughput Technieken | Methoden die in staat zijn om grote aantallen monsters of genetische varianten in korte tijd te analyseren, zoals NGS en microarrays. | | Precisiegeneeskunde (Precision Medicine) | Een benadering van gezondheidszorg die rekening houdt met individuele genetische, omgevings- en levensstijlvariaties om diagnoses, preventie en behandelingen te personaliseren. | | Multi-omics | De integratie van gegevens uit verschillende 'omics'-disciplines (genomica, transcriptomica, proteomica, metabolomica, etc.) om een completer beeld te krijgen van biologische systemen en ziekteprocessen. | | Genome-Wide Association Studies (GWAS) | Onderzoeksmethoden die grote populaties bestuderen om genetische variaties (SNPs) te identificeren die geassocieerd zijn met complexe aandoeningen of eigenschappen. | | Farmacogenetica / Farmacogenomica | Studie naar de invloed van genetische variaties op de reactie van een individu op geneesmiddelen, met als doel gepersonaliseerde medicatie en dosering te optimaliseren. | | Next Generation Sequencing (NGS) | Een verzamelnaam voor diverse high-throughput DNA-sequencing technologieën die het mogelijk maken om grote hoeveelheden DNA snel en kosteneffectief te sequencen. | | Pyrosequencing (454-sequencing) | Een NGS-techniek gebaseerd op het 'sequencing-by-synthesis' principe, waarbij de incorporatie van nucleotiden wordt gedetecteerd via bioluminescentie. | | Illumina sequencing | Een veelgebruikte NGS-techniek die gebruik maakt van 'sequencing-by-synthesis' met reversibele ketenterminators en fluorescente detectie per cyclus. | | Whole Genome Sequencing (WGS) | Het sequencen van de volledige genetische code van een organisme. | | Whole Exome Sequencing (WES) | Het sequencen van alle exonen, de eiwitcoderende delen van het genoom, wat een gerichte aanpak is voor het identificeren van mutaties. | | Cell-free (cf)DNA | DNA dat circuleert in lichaamsvloeistoffen zoals bloed, afkomstig van zowel gezonde als tumorcellen. Het wordt gebruikt als biomerker voor diagnostiek en monitoring. | | Single-cell sequencing | Technieken die de sequentie van individuele cellen bepalen, wat essentieel is voor het analyseren van heterogene celpopulaties zoals in tumoren. | | Third Generation Sequencing | Sequencing-technieken die het mogelijk maken om één DNA-molecule rechtstreeks te sequencen zonder voorafgaande amplificatie, zoals Nanopore sequencing. | | Nanopore sequencing | Een single-molecule sequencing technologie waarbij DNA-moleculen door een nanoporie gaan en dit verandert de ionenstroom, wat wordt gedetecteerd en geanalyseerd. | | Lab-on-a-chip (LOC) | Een apparaat dat verschillende laboratoriumfuncties integreert op een kleine chip, waardoor analyses met zeer kleine vloeistofvolumes mogelijk worden. | | GeneXpert (Cepheid) | Een voorbeeld van een lab-on-a-chip apparaat dat snelle PCR-gebaseerde detectie van pathogenen mogelijk maakt in een handige cartridge. | | Designer geneesmiddelen | Geneesmiddelen die rationeel zijn ontworpen om specifiek in te werken op moleculaire doelen, zoals Gleevec voor de behandeling van chronische myeloïde leukemie. | | Immuuntherapie | Behandelingen die het immuunsysteem van de patiënt stimuleren om kankercellen aan te vallen, zoals dendritische celvaccinatie (DC-Vac) en CAR T-celtherapie. | | Dendritische celvaccinatie (DC-Vac) | Een vorm van immuuntherapie waarbij dendritische cellen van de patiënt worden 'opgeladen' met tumor-specifieke antigenen en vervolgens worden teruggegeven om een immuunrespons op te wekken. | | CAR T-cellen (Chimeric Antigen Receptor T-cells) | T-cellen van de patiënt die genetisch zijn gemodificeerd om receptoren te produceren die specifiek kankercellen herkennen en vernietigen. | | Digital (droplet) PCR (ddPCR) | Een zeer nauwkeurige methode voor absolute kwantificering van nucleïnezuren door het monster op te delen in duizenden discrete druppeltjes, waarbij de templates worden geteld. | | Poisson distributie/algoritme | Een statistisch model dat wordt gebruikt in digitale PCR om de oorspronkelijke concentratie van de target DNA-sequentie te schatten op basis van het aantal positieve en negatieve druppels, rekening houdend met de willekeurige verdeling van templates. |

# Gene transfer methods in eukaryotic cells Gene transfer methods in eukaryotic cells provide crucial tools for molecular biology research and biotechnology, enabling the introduction of foreign genetic material into these complex cellular systems for various applications. ## 1. Gene transfer methods in eukaryotic cells ### 1.1 Introduction to gene transfer Gene transfer encompasses techniques used to introduce foreign DNA or RNA into eukaryotic cells. This process is fundamental for studying gene function, developing therapeutic strategies, and engineering organisms. The primary methods include transfection, transduction, and transformation, each with distinct mechanisms, applications, and outcomes. ### 1.2 Transfection Transfection is the process of introducing nucleic acids (DNA or RNA) into eukaryotic cells by non-viral methods. It can result in either transient or stable expression of the introduced genetic material. #### 1.2.1 Transient transfection Transient transfection leads to the temporary expression of the foreign genetic material, typically lasting for 24 to 72 hours. The introduced DNA does not integrate into the host cell's genome and is eventually lost during cell division. This method is useful for short-term gene expression studies. * **Process:** A vector containing the gene of interest is introduced into actively dividing cells using methods like electroporation or lipofection. * **Outcome:** The foreign DNA exists episomally (extrachromosomally) within the cell, leading to temporary protein production. * **Limitations:** Approximately 50% of cells may not be successfully transfected, and there is no permanent genetic modification or selection for transfected cells. #### 1.2.2 Stable transfection Stable transfection results in the permanent integration of the foreign genetic material into the host cell's genome. This allows for long-term, heritable expression of the introduced genes, which is essential for creating stable cell lines. * **Process:** Similar to transient transfection, a vector is introduced into cells. However, this is followed by a selection step to isolate cells that have successfully integrated the foreign DNA. * **Outcome:** The foreign DNA integrates randomly into the host genome, potentially leading to overexpression if multiple copies concatenate. This stable integration results in permanent expression of the introduced gene. * **Selection:** Selection systems are crucial for identifying and isolating stably transfected cells. #### 1.2.3 Transfection techniques A variety of methods are employed for transfection, leveraging physical or chemical means to facilitate nucleic acid entry into cells. * **Calcium-phosphate/CaCl$_2$ precipitation:** * This method involves precipitating DNA with calcium chloride in a phosphate buffer. The precipitated DNA is then added to actively dividing cells and incubated. * It can be used for both transient and stable expression. * The process involves incubating DNA with calcium phosphate to form precipitates that cells can take up. * **Lipofection:** * This technique uses cationic lipids to form liposomes that encapsulate the negatively charged DNA. These liposomes interact with the negatively charged cell membrane, facilitating DNA entry into the cell. * It is a widely used method for both transient and stable transfections. * **Electroporation:** * Cells and DNA are mixed in a special cuvette and subjected to a brief electrical pulse. This pulse creates temporary pores in the cell membrane, allowing DNA to enter. * Can be used for transient or stable expression. * It is a physical method that does not modify the incorporated genome. * **Receptor-mediated endocytosis:** * DNA is complexed with cationic molecules, such as polylysine and transferrin. These complexes bind to specific receptors (e.g., transferrin receptor) on the cell surface and are internalized via endocytosis. * The complexes are then either delivered to lysosomes or the nucleus. * Polyethylenimine (PEI) can also be used as a cationic polymer in this approach. * **Magnetofection:** * DNA is complexed with magnetic nanoparticles. An external magnetic field is used to attract these nanoparticles to the cell surface, accelerating uptake via endocytosis. * A disadvantage is that it can sometimes damage cells. * **Nucleofection:** * A variant of electroporation where an electrical pulse opens temporary pores in the cell membrane, directly transporting DNA or RNA into the nucleus. * **Nanoblades:** * These are microscopic structures used to deliver large genetic constructs into cells. They function by physically piercing the cell membrane. ### 1.3 Transduction Transduction is a method of gene transfer mediated by viruses. Viruses act as vectors, delivering genetic material into host cells. This approach often leads to stable integration of the foreign DNA into the host genome. #### 1.3.1 Viral vectors Viral vectors are engineered viruses that have been modified to carry therapeutic genes or genes for research purposes. * **Adenovirus vectors:** * These are DNA viruses that can infect both dividing and non-dividing cells. * **Constructs:** Viral DNA is modified by excising non-essential regions ("stuffer regions") to create space for the gene of interest. Co-transfection of modified viral DNA and helper DNA can produce infectious virus particles. * **Application:** Used for transient expression and can be engineered to produce virus particles. * **SV40 (Simian virus 40) vectors:** * This DNA virus can lead to permanent constructs and transient expression. * **Application:** COS and HEK cells are used, which express the SV40 T antigen, facilitating high-copy replication of SV40-based plasmids (cos-vectors) containing the gene of interest. High copy numbers can lead to cell death due to aggregation. * **Retroviral vectors:** * These are RNA viruses that integrate their genetic material into the host cell's genome. They are effective for gene transfer into dividing cells. * **Structure:** The viral genome contains Long Terminal Repeats (LTRs), gag, pol, and env genes. For vector construction, these essential genes are removed and placed on separate packaging vectors to ensure safety (the produced virus particles cannot replicate independently). * **Process:** A transfer vector containing the gene of interest, a packaging signal ($\psi$), and LTRs is co-transfected with packaging vectors into a cell line. This produces replication-incompetent viral particles that can infect target cells. * **Integration:** Upon infection, the RNA genome is reverse transcribed into DNA, circularized, and integrated randomly into the host genome. * **Limitations:** Do not efficiently infect non-dividing cells. * **Lentiviral vectors:** * These are a subclass of retroviral vectors, based on Human Immunodeficiency Virus (HIV-1). They are highly efficient at transducing both dividing and non-dividing cells, leading to stable integration. * **Mechanism:** Similar to retroviral vectors, lentiviral vectors are produced by co-transfecting multiple plasmids encoding viral proteins and the transfer vector containing the gene of interest. The resulting viral particles infect target cells, where the RNA genome is reverse transcribed and integrated into the host genome. * **Features:** Lentiviral vectors often include elements like CMV or SV40 promoters, SV40 origin of replication (ORI), splice sites, and various tags for detection. * **SEND (Selective endogenous encapsulation for cellular delivery):** * This RNA-based system uses three plasmids to produce virus-like particles (VLPs). * **Components:** A PEG10-expressing plasmid (encodes a retrovirus-like protein for capsid formation), a cargo RNA plasmid (containing the gene of interest and PEG10 UTRs), and a fusogenic plasmid (encodes a fusion protein for cellular entry). * **Process:** Transfection into a suitable cell leads to VLP assembly and release. These VLPs then transduce target cells. * **Advantage:** RNA-based, meaning no integration into the host genome. #### 1.3.2 Determining viral titer: Multiplicity of Infection (MOI) The Multiplicity of Infection (MOI) is a critical parameter in viral transduction experiments. It is defined as the ratio of the number of infectious virus particles to the number of target cells. * **Formula:** $$ \text{MOI} = \frac{\text{# virus particles}}{\text{# cells}} $$ * **Significance:** MOI influences the efficiency of transduction and the number of integrated copies of the transgene per cell. ### 1.4 Transformation Transformation primarily refers to the process of introducing foreign DNA into bacterial cells. While the term is also sometimes used in a broader context for other organisms, its classical definition is bacterial. ### 1.5 Plant gene transfer Introducing foreign genes into plant cells requires specialized methods due to the presence of a rigid cell wall. #### 1.5.1 Plant vectors * **Ti-plasmid (Tumor-inducing plasmid):** * Used by *Agrobacterium tumefaciens* to transfer a segment of its DNA (T-DNA) into the plant genome, causing tumor formation. * **Mechanism:** *Agrobacterium* detects plant wound signals (phenols), which activate virulence (vir) genes. These genes enable the bacterium to excise a single strand of T-DNA, which then migrates into the plant cell and integrates into its genome. * **Components:** The T-DNA is flanked by Left Border (LB) and Right Border (RB) sequences. Vir genes are also essential for this process. * **Application:** Modified Ti-plasmids are used as vectors to deliver desired genes into plants. For example, genes to reduce polygalacturonase expression can lead to firmer fruit. * **Binary vector system:** * This system utilizes two plasmids: one containing the gene of interest and another that is a helper Ti-plasmid providing the necessary vir genes. This offers more flexibility and ease of manipulation. #### 1.5.2 Plant transformation techniques * **Protoplast regeneration:** * Plant cell walls are enzymatically removed to create protoplasts. * DNA can then be introduced into protoplasts via methods like polyethylene glycol (PEG) treatment or electroporation. * The modified protoplasts are then cultured to regenerate whole plants. * **Biolistics (Gene gun):** * This method uses physical force to deliver DNA-coated particles (e.g., gold or tungsten) into plant cells or tissues. ### 1.6 Selection systems for gene transfer Selection systems are essential for identifying and isolating cells that have successfully incorporated the foreign genetic material, especially in stable transfection and transduction. #### 1.6.1 Complementary selection * **Mechanism:** This method relies on restoring a lost genetic function in the recipient cell by introducing a functional copy of the gene. * **Example: Thymidine kinase (TK) deficiency:** * TK-deficient cells are used. A vector carrying a functional TK gene and another gene of interest is co-transfected. * Cells are then cultured in HAT medium (hypoxanthine, aminopterin, thymidine). Only cells that have taken up and express the functional TK gene can survive and proliferate in this medium. #### 1.6.2 Dominant selectable markers * **Mechanism:** These are genes that confer resistance to an antibiotic or toxic substance. They work independently of the recipient cell's genotype. * **Example: Neomycin resistance (NeoR):** * The neomycin resistance gene encodes an enzyme (aminoglycoside phosphotransferase, APH) that inactivates the antibiotic G418 (a neomycin analog). * Cells successfully transfected with a vector containing the NeoR gene will be resistant to G418 and can be selected for in culture medium containing G418. #### 1.6.3 Selection pressure * **Concept:** Applying a selective agent (e.g., an inhibitor like methotrexate, MTX) that targets a specific cellular pathway. If the introduced gene confers resistance or overcomes the inhibition (e.g., by overexpressing dihydrofolate reductase, DHFR), cells expressing the transgene will survive. ### 1.7 Media for cell cultures Various specialized cell culture media are used to support the growth and maintenance of eukaryotic cells during gene transfer experiments. Common examples include RPMI, Opti-MEM, EMEM (Eagle's Minimum Essential Medium), and DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium). ### 1.8 RNA interference (RNAi) and post-transcriptional gene silencing RNA interference (RNAi) is a natural biological process that regulates gene expression at the post-transcriptional level, primarily by degrading specific messenger RNA (mRNA) molecules. Exogenous application of RNAi components can be used to "silence" target genes. * **Interfering vs. Degrading:** RNAi interferes with gene expression, typically by leading to mRNA degradation or translational repression, rather than directly altering the DNA sequence like CRISPR-Cas systems. #### 1.8.1 Mechanisms of post-transcriptional gene silencing * **MicroRNAs (miRNAs):** * Endogenous small RNAs that typically bind with partial complementarity to target mRNAs, leading to translational repression. * **Biogenesis:** Processed from pri-miRNA precursors in the nucleus by Drosha, then exported to the cytoplasm where Dicer cleaves pre-miRNA into a ~21-22 nucleotide duplex. This duplex is incorporated into the RNA-induced silencing complex (RISC). * **Function:** RISC uses the miRNA as a guide to find complementary sequences on target mRNAs. Partial matches generally inhibit translation. * **Small interfering RNAs (siRNAs):** * Small RNAs, typically ~21-22 nucleotides long, derived from longer double-stranded RNA (dsRNA) molecules. They are involved in gene silencing through mRNA cleavage. * **Biogenesis:** Introduced dsRNA is processed by Dicer into siRNA duplexes. These are incorporated into RISC, which uses one strand (the guide strand) to find a target mRNA. * **Function:** If there is a perfect or near-perfect complementarity between the siRNA guide strand and the target mRNA, the RISC complex (specifically, Argonaute protein within RISC) will cleave the mRNA, leading to its degradation. * **Short hairpin RNAs (shRNAs):** * These are synthetic RNA molecules designed to fold into a hairpin structure. When expressed within a cell, they are processed by the cell's own machinery (Dicer) into siRNAs, which then engage the RNAi pathway. * shRNAs are commonly used in research to achieve gene knockdown. * **Dharmancon's ON-TARGET siRNAs:** * These are modified siRNAs designed for improved target recognition and cleavage. Modifications, particularly to the sense strand, can enhance the specificity and efficacy of gene silencing. #### 1.8.2 RNAi vectors RNAi can be stably expressed within cells using specialized vectors. * **Vector-based expression of shRNAs:** * shRNA sequences are cloned into RNA expression vectors under the control of appropriate promoters (e.g., U6 promoter, which is active in vivo for RNA transcription). * These vectors can be designed for transient transfection or stable integration into the genome using retroviral elements. * **pSIREN-shuttle:** * Designed for transient transfection. Features a U6 promoter for in vivo transcription of shRNA, a multiple cloning site (MCS) for cloning the shRNA sequence, a selection marker, and a SV40 origin of replication (ORI). It lacks retroviral elements, thus no genomic integration. * **pSIREN-RetroQ:** * Designed for stable transfection. It also has a U6 promoter and MCS but includes retroviral LTRs, enabling integration into the host genome. It also contains a packaging signal for viral production. #### 1.8.3 Therapeutic applications of RNAi RNAi has significant therapeutic potential for treating various diseases by silencing disease-causing genes. * **Antisense Oligonucleotides (ASOs):** * Short, single-stranded DNA or RNA molecules that can bind to target mRNA. * **Mechanism:** ASOs can block translation, modulate splicing, or induce mRNA degradation. * **Applications:** Used for protein downregulation or alternative splicing modification. * **AntagoNats:** * These are molecules designed to block antisense transcripts, potentially leading to gene upregulation. * **Ribozymes:** * Catalytically active oligonucleotides that can promote mRNA degradation. * **Clinical examples:** * **Duchenne Muscular Dystrophy:** Antisense-mediated exon skipping is being explored to correct the genetic defect. #### 1.8.4 siRNA vs. miRNA and outcomes * **siRNA:** Typically induces cleavage and degradation of the target mRNA due to high complementarity. This leads to a strong "gene knockdown." * **miRNA:** Usually leads to translational repression due to partial complementarity. The mRNA is not necessarily degraded immediately but its translation is inhibited. #### 1.8.5 Chemical synthesis of RNAi components * **Synthetic siRNAs and ASOs:** Can be chemically synthesized and delivered directly to cells or tissues. * **In vitro transcription:** RNA molecules can also be transcribed from DNA templates in vitro. #### 1.8.6 Considerations for RNAi * **Off-target effects:** The guide strand of siRNA or miRNA can sometimes bind to unintended mRNA targets, leading to silencing of genes other than the intended one. * **On-target recognition and cleavage:** Achieving efficient and specific silencing of the intended target is crucial. * **Delivery:** Effective delivery of RNAi molecules into target cells or tissues remains a significant challenge for in vivo applications. **Key definitions:** * **miRNA:** Micro RNA, ~21 nucleotides. * **pri-miRNA:** Primary miRNA precursor. * **siRNA:** Small interfering RNA, ~21 nucleotides, derived from dsRNA. * **shRNA:** Small hairpin RNA, folded dsRNA precursor. * **dsRNA:** Double-stranded RNA. * **DICER:** Enzyme that processes dsRNA into siRNAs/miRNAs. * **RISC:** RNA-induced silencing complex, involved in gene silencing. * **ASO:** Antisense Oligonucleotide, blocks mRNA or modifies splicing. * **AntagoNAT:** Antisense-based molecule that blocks antisense transcripts. --- # Post-transcriptional control and RNA interference Post-transcriptional control mechanisms regulate gene expression after the initial transcription of DNA into RNA, with RNA interference (RNAi) being a prominent pathway that silences gene expression by targeting specific RNA molecules. ### 2.1 Principles of post-transcriptional gene silencing Post-transcriptional gene silencing involves regulating gene expression at the RNA level, primarily by degrading target messenger RNA (mRNA) or inhibiting its translation. RNA interference (RNAi) is a key mechanism within this category. ### 2.2 RNA interference (RNAi) RNAi is a conserved biological process in which RNA molecules inhibit gene expression or translation, typically by neutralizing targeted mRNA molecules. It achieves this through sequence-specific recognition and degradation or translational repression of complementary RNA. #### 2.2.1 Mechanisms of RNAi The RNAi pathway involves the generation of small RNA molecules that guide effector complexes to target RNAs. * **siRNA generation and action:** * Small interfering RNAs (siRNAs) are typically derived from longer double-stranded RNA (dsRNA) precursors. * These dsRNAs are processed by an enzyme called Dicer, which cleaves them into short fragments of 21-22 nucleotides with a 3' hydroxyl (OH) group and a 2-base overhang. * The processed siRNA is then loaded into the RNA-induced silencing complex (RISC). * Within RISC, one strand (the passenger strand) is removed, leaving the guide strand to direct RISC to complementary target mRNA sequences. * A perfect complementarity between the siRNA guide strand and the target mRNA leads to the cleavage and degradation of the mRNA. * **miRNA generation and action:** * MicroRNAs (miRNAs) are endogenously produced small regulatory RNAs that are transcribed from distinct genes. * They are initially processed in the nucleus into a precursor called pri-miRNA, which is then processed into pre-miRNA by the enzyme Drosha. * Pre-miRNA is exported to the cytoplasm and further processed by Dicer into a ~21-22 nucleotide dsRNA duplex. * Similar to siRNAs, one strand of the miRNA duplex is incorporated into RISC. * However, miRNAs typically exhibit partial complementarity to their target mRNAs, primarily in the 3' untranslated region (UTR). * This partial complementarity usually leads to the inhibition of translation rather than direct cleavage of the mRNA. #### 2.2.2 siRNA vs. miRNA While both siRNAs and miRNAs are small RNA molecules processed by Dicer and integrated into RISC, they differ in their origin and primary mode of action: * **siRNAs:** Originate from exogenous or endogenous long dsRNAs and typically cause cleavage of perfectly matched target mRNAs. * **miRNAs:** Originate from endogenous genes (miRNA genes) and usually lead to translational repression through partial complementarity to target mRNAs. > **Tip:** While siRNAs predominantly cause mRNA cleavage and miRNAs cause translational repression, there can be overlap. Some siRNAs can inhibit translation, and some miRNAs can induce mRNA degradation, especially with near-perfect complementarity. #### 2.2.3 RNA interference (RNAi) vectors RNAi can be stably or transiently introduced into cells using various vector systems to achieve gene silencing. * **siRNA and shRNA delivery:** * **Chemically synthesized siRNAs:** These are synthetic RNA molecules that can be directly delivered into cells for transient knockdown. * **shRNA expression vectors:** These vectors allow for the continuous expression of short hairpin RNAs (shRNAs) within the cell. shRNAs are processed into siRNAs by Dicer. * **Plasmid-based vectors:** These plasmids contain a promoter (e.g., U6) that drives shRNA transcription *in vivo*. * **Transient transfection vectors (e.g., pSIREN-shuttle):** These vectors are designed for temporary expression and do not integrate into the host genome. They are suitable for short-term gene knockdown studies. * **Stable transfection vectors (e.g., pSIREN-RetroQ):** These vectors contain retroviral LTRs, enabling integration into the host genome for long-term, stable gene silencing. * **Viral vectors:** Lentiviral vectors or other viral systems can be engineered to express shRNAs, facilitating stable integration and long-term gene knockdown in a wider range of cell types, including non-dividing cells. * **Antisense Oligonucleotides (ASOs):** Single-stranded DNA or RNA molecules that bind to complementary mRNA sequences. * **Mechanism:** ASOs can block translation or modulate splicing, leading to protein downregulation. * **AntagoNATs:** These are antisense transcripts designed to block the action of endogenous miRNAs, leading to protein upregulation. > **Example:** Antisense-mediated exon skipping is a therapeutic strategy being explored for diseases like Duchenne muscular dystrophy. ASOs are designed to block specific splicing sites, causing the skipping of certain exons and potentially restoring a partially functional protein. ### 2.3 Other post-transcriptional regulatory mechanisms Besides RNAi, several other processes regulate gene expression after transcription: * **mRNA localization:** Directs where in the cytoplasm proteins are synthesized, ensuring localized protein function. * **Translational control:** Mechanisms that regulate the rate at which ribosomes translate mRNA into protein. * **mRNA surveillance (e.g., NMD - Nonsense-mediated decay):** Quality control pathways that detect and degrade aberrant or faulty mRNA molecules, preventing the production of non-functional or harmful proteins. * **Polyadenylation:** The addition of a poly(A) tail to mRNA, which can influence mRNA stability and translation efficiency. ### 2.4 Therapeutic applications of RNAi RNAi-based therapies hold significant promise for treating a wide range of diseases by specifically silencing disease-causing genes. * **Mechanism of action for therapeutic agents:** * **ASOs:** Can block mRNA translation or alter splicing patterns. * **siRNA/shRNA:** Induce the knockdown of target mRNA levels by promoting their degradation. * **Drug inhibitors:** Molecules that directly bind to and inhibit the function of specific proteins involved in gene expression pathways. * **Ribozymes:** Catalytically active oligonucleotides that can promote mRNA degradation. * **Development and delivery:** * RNAi therapeutics can be produced through chemical synthesis or *in vivo* transcription using expression vectors. * Delivery strategies are crucial for effective therapeutic outcomes and include chemical modification of RNA molecules, conjugation to targeting ligands, and encapsulation in nanoparticles or viral vectors. * **Clinical examples:** * **Duchenne muscular dystrophy:** Antisense oligonucleotides are being investigated to restore dystrophin protein expression by promoting exon skipping. * Other applications are being explored for genetic disorders, viral infections, and cancer. ### 2.5 Key Definitions * **miRNA (Micro RNA):** A small, non-coding RNA molecule (typically 21 nucleotides) involved in post-transcriptional regulation, usually by inhibiting translation. * **siRNA (Small interfering RNA):** A small, non-coding RNA molecule (typically 21 nucleotides) derived from longer dsRNA that mediates gene silencing by directing the cleavage of target mRNA. * **shRNA (Short hairpin RNA):** An artificial RNA molecule with a hairpin structure that is processed into siRNA within the cell. * **dsRNA (Double-stranded RNA):** RNA with two complementary strands. * **Dicer:** An enzyme that cleaves dsRNA into small RNA fragments (siRNAs and miRNAs). * **RISC (RNA-induced silencing complex):** A protein complex that incorporates small RNAs (siRNA or miRNA) to guide them to target mRNAs for silencing. * **ASO (Antisense Oligonucleotide):** A short, synthetic strand of DNA or RNA designed to bind to a specific mRNA sequence to inhibit translation or modulate splicing. * **AntagoNAT:** An antisense transcript that blocks the activity of endogenous miRNAs. * **pri-miRNA:** The initial precursor transcript of a miRNA in the nucleus. * **pre-miRNA:** The hairpin-shaped precursor of a miRNA, processed from pri-miRNA. * **Passenger strand:** The strand of an siRNA or miRNA duplex that is typically degraded or discarded by RISC. * **Guide strand:** The strand of an siRNA or miRNA duplex that is retained by RISC to direct it to target mRNA. * **Off-target effects:** Unintended silencing of genes other than the intended target, often due to partial complementarity of siRNAs/miRNAs to non-target mRNAs. * **On-target recognition and cleavage:** The precise binding and subsequent degradation of the intended target mRNA by the RNAi machinery. --- # Selection systems and cell culture media This section details strategies for identifying successfully gene-transferred cells and explores the various media formulations utilized for eukaryotic cell cultivation. ### 3.1 Selection systems for gene transfer Following gene transfer, it is crucial to identify and isolate cells that have stably integrated the introduced genetic material. This is typically achieved through the use of selection systems, which exploit specific cellular responses to selective agents or pressures. #### 3.1.1 Selection pressure Selection pressure is applied using agents that are toxic to cells unless they possess a specific resistance conferred by the introduced gene. * **Example: Methotrexate (Mtx) and Dihydrofolate Reductase (DHFR)** A common selection system involves using methotrexate (Mtx) as a selective agent. Methotrexate inhibits the enzyme dihydrofolate reductase (DHFR), which is essential for DNA synthesis and cell proliferation. If the gene of interest is co-transfected with a functional *DHFR* gene, cells expressing *DHFR* can survive in the presence of Mtx. Furthermore, if the *DHFR* gene is amplified, leading to increased DHFR expression, cells become more resistant to Mtx, allowing for the selection of cells with amplified gene copies of both *DHFR* and the co-transfected gene of interest. #### 3.1.2 Dominant selectable markers Dominant selection markers are genes that confer resistance to a selective agent, and their expression is independent of the host cell's endogenous genotype. This makes them versatile for use across different cell types. * **Neomycin resistance gene (NeoR)** The neomycin resistance gene encodes an enzyme, aminoglycoside phosphotransferase (APH), which inactivates the antibiotic G418. Cells expressing NeoR are therefore resistant to G418 and can be selected for in culture. #### 3.1.3 Complementary selection systems Complementary selection involves restoring a genetic defect in a cell by introducing a functional gene. * **Example: Thymidine Kinase (TK) and HAT medium** In this system, *TK-* deficient cells (cells lacking functional thymidine kinase) are co-transfected with a functional *TK* gene and the gene of interest. These cells are then cultured in HAT medium, which contains hypoxanthine, aminopterin, and thymine. Aminopterin blocks endogenous de novo nucleotide synthesis. Only cells that can synthesize nucleotides via the salvage pathway, which requires functional thymidine kinase, can survive and proliferate in HAT medium. Thus, successful co-transfection and expression of both the *TK* gene and the gene of interest are selected for. ### 3.2 Cell culture media Cell culture media are essential for maintaining the viability, growth, and function of eukaryotic cells in vitro. They provide the necessary nutrients, growth factors, and physical conditions for cell survival. #### 3.2.1 Common cell culture media formulations Several standard media formulations are widely used in cell culture: * **RPMI (Roswell Park Memorial Institute) medium:** Often used for suspension cell cultures. * **Opti-MEM (Optimized Minimal Essential Medium):** A reduced serum medium designed to improve transfection efficiency and reduce variability. * **EMEM (Eagle's Minimal Essential Medium):** A basal medium providing essential amino acids, vitamins, and salts. * **DMEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium):** A widely used basal medium, often supplemented with higher concentrations of amino acids and vitamins than EMEM, and available with varying glucose concentrations. ### 3.3 Cell culture media and transfection The choice of cell culture medium can significantly impact the efficiency of gene transfer techniques, particularly transfection. Some media, like Opti-MEM, are specifically formulated to enhance transfection rates. > **Tip:** When performing transfections, it is often beneficial to switch to a reduced-serum medium like Opti-MEM for a period before, during, and after the transfection procedure to minimize interference from serum components with the transfection reagents and complexes. ### 3.4 Media considerations for selection When using selection systems, it is critical that the cell culture medium not only supports cell growth but also contains the necessary components for the selection process. For example, the selection agent (e.g., G418, methotrexate) must be added to the appropriate basal medium. #### 3.4.1 Selection in specific media * **HAT medium:** As described in the TK selection system, HAT medium is a specialized formulation essential for selecting cells that have successfully incorporated and are expressing the *TK* gene. ### 3.5 Plant cell culture media and transformation While the primary focus here is on animal cell culture, it's worth noting that plant cells also have specific media requirements. For transformation techniques in plants, such as those utilizing *Agrobacterium tumefaciens* or biolistics, appropriate plant growth media are crucial for the regeneration and growth of transformed cells into whole plants. These media typically contain macronutrients, micronutrients, vitamins, amino acids, and plant hormones. --- ## Common mistakes to avoid - Review all topics thoroughly before exams - Pay attention to formulas and key definitions - Practice with examples provided in each section - Don't memorize without understanding the underlying concepts

| Term | Definition | |------|------------| | Transfection | The process of introducing foreign nucleic acids (DNA or RNA) into eukaryotic cells. This can result in transient expression (temporary) or stable expression (permanent integration into the genome). | | Transduction | A method of gene transfer that utilizes viruses as vectors to deliver genetic material into host cells. This often leads to stable integration of the viral DNA into the host genome. | | Transformation | Historically, this term referred to the uptake of foreign DNA by bacterial cells. In broader contexts, it can also describe the genetic alteration of a cell, but in molecular biology, transfection is more commonly used for eukaryotes. | | MOI (Multiplicity of Infection) | A measure used in virology to quantify the number of infectious virus particles (virions) per cell when infecting a population of cells. It is calculated as the ratio of virus particles to target cells. | | siRNA (Small interfering RNA) | A type of small RNA molecule, typically 20-25 nucleotides in length, that plays a role in gene silencing through the RNA interference pathway. siRNAs are usually derived from longer double-stranded RNA precursors. | | miRNA (Micro RNA) | Small non-coding RNA molecules, approximately 21-23 nucleotides long, that regulate gene expression by binding to complementary sequences on messenger RNA (mRNA) molecules, typically leading to translational repression or mRNA degradation. | | RISC (RNA-induced silencing complex) | A multiprotein complex that mediates RNA interference (RNAi) and transcriptional gene silencing. The complex incorporates a small RNA (like siRNA or miRNA) and is guided to target nucleic acid sequences. | | shRNA (Small hairpin RNA) | A type of RNA molecule that forms a hairpin structure and can be processed into siRNA within the cell. shRNAs are often used experimentally to induce RNA interference and silence specific genes. | | Plasmid | A small, circular, double-stranded DNA molecule that is distinct from a cell's chromosomal DNA. Plasmids naturally exist in bacterial cells and can also be found in some eukaryotes. In molecular biology, they are often used as vectors for gene cloning and expression. | | Viral Vector | A virus that has been genetically modified to deliver genetic material into cells. Viral vectors are widely used in gene therapy and molecular biology research for efficient gene transfer due to their natural ability to infect cells and integrate or express their genetic payload. | | Electroporation | A technique used to introduce foreign molecules, such as DNA or RNA, into cells by applying a brief electrical pulse. The electric field creates temporary pores in the cell membrane, allowing the genetic material to enter. | | Lipofection | A method of gene transfection that uses liposomes (lipid-based vesicles) to deliver nucleic acids into cells. The liposomes encapsulate the genetic material and fuse with the cell membrane, releasing their cargo into the cytoplasm. | | Exon Skipping | A type of RNA splicing abnormality where an exon is omitted from the mature messenger RNA (mRNA) during the splicing process. This can be therapeutically induced, for example, using antisense oligonucleotides to correct mutations in genetic disorders. | | Poly-adenylation | The addition of a tail of multiple adenine nucleotides (poly-A tail) to the 3' end of a messenger RNA (mRNA) molecule. This process is crucial for mRNA stability, export from the nucleus, and translation efficiency. | | NMD (Nonsense-Mediated Decay) | A surveillance pathway in eukaryotic cells that degrades aberrant messenger RNAs (mRNAs) containing premature stop codons. This mechanism helps to prevent the production of truncated and potentially harmful proteins. | | Ti-plasmid | A plasmid found in the bacterium *Agrobacterium tumefaciens* that is capable of transferring a segment of its DNA (T-DNA) into the plant genome, causing crown gall disease. It is widely used as a vector for genetic engineering in plants. |

# Moleculaire mechanismen van kanker en therapieën Dit onderwerp onderzoekt de moleculaire grondslagen van kanker, inclusief de rol van medicijnen zoals aspirine, de invloed van de menstruatiecyclus op chemotherapie-efficiëntie, synergetische therapiecombinaties, en resistentiemechanismen tegen specifieke behandelingen. ### 1.1 Aspirine en darmkankerpreventie Langdurig gebruik van aspirine wordt geassocieerd met een verminderde kans op darmkanker. #### 1.1.1 Hypothese en moleculaire achtergrond Een mogelijke moleculaire verklaring hiervoor is dat aspirine, als een niet-steroïde anti-inflammatoir geneesmiddel (NSAID), de activiteit van cyclo-oxygenase (COX) enzymen remt, met name COX-2. COX-2 speelt een rol in de productie van prostaglandines, die ontsteking bevorderen en in bepaalde kankersoorten betrokken zijn bij proliferatie, angiogenese en reductie van apoptose. Door COX-2 activiteit te verminderen, kan aspirine deze pro-tumorale effecten tegengaan. Dit sluit aan bij de typische kankerkenmerken zoals ontregelde proliferatie, resistentie tegen apoptose en angiogenese. #### 1.1.2 Bewijs voor de hypothese De hypothese kan worden bewezen door middel van verschillende experimentele benaderingen: * **In vitro studies:** Onderzoek naar de effecten van aspirine op kankercellijnen die COX-2 tot expressie brengen. Dit kan omvatten het meten van celproliferatie, apoptosepercentages en genexpressie van pro-inflammatoire en pro-angiogene factoren. * **Dierstudies:** Gebruik van diermodellen die genetisch gemodificeerd zijn om verhoogde COX-2 expressie te hebben of die spontaan darmtumoren ontwikkelen. Het effect van aspirine op tumorgroei en metastasering kan hierin geëvalueerd worden. * **Epidemiologische studies:** Grote, prospectieve cohortstudies bij mensen die aspirine gebruiken of niet gebruiken, met langdurige follow-up om de incidentie van darmkanker te vergelijken. ### 1.2 Invloed van de menstruatiecyclus op chemotherapie-efficiëntie Recent onderzoek suggereert dat de efficiëntie van chemotherapie voor borstkanker bij vrouwen afhankelijk kan zijn van de fase van de menstruatiecyclus. #### 1.2.1 Moleculaire basis De menstruatiecyclus wordt gekenmerkt door hormonale schommelingen, met name van oestrogeen en progesteron. Deze hormonen beïnvloeden de celcyclusprogressie van borstkliercellen. Kankercellen, hoewel ontregeld, kunnen nog steeds gevoelig zijn voor deze cyclische veranderingen. Bepaalde chemotherapeutica werken het meest effectief wanneer cellen zich in specifieke fasen van de celcyclus bevinden (bijvoorbeeld de S-fase of M-fase). Als de hormonale omgeving van de menstruatiecyclus de delingsactiviteit van kankercellen beïnvloedt, kan dit direct invloed hebben op de optimale timing van chemotherapie om maximale celdoding te bewerkstelligen. #### 1.2.2 In vitro demonstratie en bewijs Dit fenomeen kan in vitro worden aangetoond en bewezen door: * **Gebruik van 2D celculturen of organoïden:** Borstkankercellijnen of borstkanker organoïden kunnen worden blootgesteld aan cyclische hormonale stimulatie die de verschillende fasen van de menstruatiecyclus nabootst. * **Behandeling met chemotherapie:** Na de cyclische hormonale blootstelling worden de cellen of organoïden behandeld met een specifieke chemotherapeuticum. * **Analyse van celvitaliteit en celdeling:** Het meten van celproliferatie, apoptosepercentages en de celcyclusverdeling na de therapie. Verwacht wordt dat de effectiviteit van de chemotherapie varieert afhankelijk van de celcyclusfase waarin de cellen zich bevonden tijdens de toediening. * **Hormoonreceptorexpressie:** Het karakteriseren van de hormoonreceptorstatus (ER, PR) van de gebruikte cellijnen of organoïden is cruciaal. ### 1.3 Kankertherapiecombinaties en synergetische effecten Het combineren van verschillende kankertherapieën kan leiden tot synergetische effecten, waarbij de gecombineerde therapeutische impact groter is dan de som van de individuele behandelingen. #### 1.3.1 Voorbeelden van synergetische combinaties * **Chemotherapie + Senolyticum:** Senolytica zijn middelen die selectief senescente cellen elimineren. Senescente cellen kunnen bijdragen aan tumorprogressie en resistentie tegen therapie. Combinatie met chemotherapie kan de effectiviteit verhogen door het verwijderen van deze ondersteunende celpopulatie. * **NF-$\kappa$B inhibitor + Glucocorticoïden:** Ontstekingsroutes, gemedieerd door NF-$\kappa$B, zijn vaak ontregeld in kanker. Glucocorticoïden kunnen ook ontstekingsremmende eigenschappen hebben en synergetisch werken met NF-$\kappa$B inhibitoren om tumorgroei te remmen. * **Chemotherapie gevolgd door immunotherapie:** Eerst chemotherapie om de tumorbelasting te verminderen en tumorantigenen vrij te geven, gevolgd door immunotherapie om het immuunsysteem te activeren tegen de resterende kankercellen. #### 1.3.2 Overige combinaties uit MCQ's * **Lcl2 + myc:** Dit suggereert combinaties gericht op eiwitten die essentieel zijn voor celoverleving (Lcl2) en proliferatie (myc), wat potentieel synergetisch kan werken. ### 1.4 Resistentie tegen RAF-inhibitoren Tumoren kunnen resistent worden tegen gerichte therapieën, zoals RAF-inhibitoren, bij specifieke mutaties. #### 1.4.1 Resistentie bij BRAF V600E mutatie Bij tumoren met een BRAF V600E mutatie, die gevoelig zijn voor BRAF-inhibitoren, kan resistentie ontstaan. Als een tumor resistent wordt tegen een RAF-inhibitor, kan dit het gevolg zijn van reactivatie van de MAPK-signaalroute via andere mechanismen. #### 1.4.2 Therapeutische strategie bij resistentie Wanneer een tumor resistent is geworden tegen een RAF-inhibitor, kan de volgende therapie overwogen worden: * **ERK-inhibitor:** Als de resistentie wordt veroorzaakt door een bypass-mechanisme dat leidt tot verhoogde activiteit van ERK (downstream van RAF), kan een ERK-inhibitor effectief zijn. * **RTK-inhibitor:** Remming van receptor tyrosine kinases (RTK's) kan ook nuttig zijn, aangezien deze vaak upstream van de RAF-eiwitten opereren en hun activiteit kunnen omzeilen. ### 1.5 Karakterisering van tumoren versus organoïden Er zijn fundamentele verschillen tussen tumoren en organoïden die relevant zijn voor kankeronderzoek. #### 1.5.1 Kenmerken van tumoren Kenmerken die typisch zijn voor tumoren, maar niet voor normale organoïden, zijn: * **Metastasen:** De capaciteit om te infiltreren, los te komen van de primaire tumor, zich door de bloedbaan of lymfevaten te verplaatsen, en nieuwe tumoren te vormen in andere organen. * **Angiogenese:** De vorming van nieuwe bloedvaten, vaak ontregeld, om de tumor van zuurstof en voedingsstoffen te voorzien. * **Ontregelende celdood (apoptose):** Weerstand tegen geprogrammeerde celdood, wat leidt tot ongecontroleerde celgroei. * **Genoominstabiliteit:** Een hoog mutatiepercentage en veranderingen in chromosoomstructuur, wat de drijvende kracht is achter de evolutie van de tumor. ### 1.6 Rol van celadhesie en extracellulaire matrix (ECM) in kanker Cel-celadhesie mechanismen en de extracellulaire matrix (ECM) spelen cruciale rollen in de morfologie, metastasering en voortgang van kanker. #### 1.6.1 Celadhesiemechanismen Celadhesie is essentieel voor weefselorganisatie. Belangrijke celadhesiemoleculen die de morfologie van organoïden (bv. lever-gal-pancreas organoïden) bepalen, omvatten: * **Cadherines:** Creëren calciumafhankelijke cel-celverbindingen, cruciaal voor epitheliale organisatie. E-cadherines spelen een sleutelrol in het voorkomen van metastasering door cel-celadhesie te bevorderen; een verminderde expressie is geassocieerd met invasie. * **Integrines:** Cel-matrix receptoren die celinteracties met de ECM mediëren. * **Selectines:** Betrokken bij cel-celadhesie in het vaatstelsel, met name bij ontstekingen. * **Gap junctions:** Verbunden die directe communicatie tussen cellen mogelijk maken. #### 1.6.2 Extracellulaire matrix (ECM) De ECM biedt structurele ondersteuning, reguleert celgedrag en is samengesteld uit verschillende componenten. * **Collageen:** Vormt vezelachtige structuren die stevigheid en treksterkte aan de ECM verlenen. Collageen is rijk aan de aminozuren **glycine en proline**. * **Glycosaminoglycanen (GAGs):** Lange, onvertakte polysachariden die veel negatieve ladingen dragen. Ze binden water en creëren een hydrofiele, gezwollen matrix die drukbelasting kan weerstaan en als moleculair filter kan fungeren. * **Hyaluronzuur:** Een belangrijk GAG, dat anders is dan andere GAGs doordat het **geen sulfaatgroepen** bevat en **niet covalent gebonden** is aan een proteïnekern (het is een vrij GAG). Het kan extreem groot zijn (megadaltons). * **Glycoproteïnen:** Eiwitten die gecovalent gebonden zijn aan koolhydraten, zoals fibronectine en laminine. Ze spelen een rol bij celadhesie en ECM-organisatie. #### 1.6.3 Stevigheid van de ECM De stevigheid van de ECM wordt voornamelijk geleverd door de interactie tussen **collagenen, glycosaminoglycanen en glycoproteïnen**. #### 1.6.4 E-cadherines en metastasering E-cadherines faciliteren cel-celadhesie, wat essentieel is voor het onderdrukken van metastasering. Eiwitten die hierbij kunnen helpen of hiermee interageren, zijn onder andere **catenines**. Catenines vormen een intracellulair complex dat E-cadherines verbindt met het cytoskelet, wat de adhesie versterkt. ### 1.7 Overige moleculaire concepten #### 1.7.1 Progeria Het ziektebeeld Progeria wordt gekenmerkt door versnelde veroudering en wordt geassocieerd met een mutatie in het LMNA-gen, wat leidt tot een abnormale, getrunceerde lamine-isovorm (splice variant). Dit kan leiden tot verstoringen in de nucleusarchitectuur en de organisatie van chromosomen, zoals TADs (Topologically Associating Domains) en LADs (Lamina-Associated Domains). #### 1.7.2 Senescentie Senescentie is een staat van permanente celcyclusarrest. Kenmerken van senescentie omvatten: * **Verhoogde DNA-schade:** Ophoop van DNA-schade is vaak een trigger voor senescentie. * **Verhoogde $\beta$-galactosidase expressie:** Dit enzym wordt vaak gebruikt als biomarker voor senescente cellen. * **SASP (Senescence-Associated Secretory Phenotype):** Senescente cellen scheiden een complex mengsel van inflammatoire cytokines, groeifactoren en proteasen uit, wat de weefselomgeving beïnvloedt. * **p16 expressie:** Een verhoogde expressie van p16INK4a is een veelvoorkomende marker voor senescentie. #### 1.7.3 p53 functie in kanker Het tumorsuppressorgen p53 speelt meerdere cruciale rollen in de cel, waaronder: * **Cyclus inhibitor:** p53 kan de celcyclusarresteren, met name in de G1-fase, om celreplicatie te voorkomen wanneer er DNA-schade is. * **Regulator van senescentie:** p53 kan een rol spelen in het induceren of handhaven van senescentie. * **DNA-herstel mechanisme:** p53 activeert genen die betrokken zijn bij DNA-herstel. --- > **Tip:** Bij het bestuderen van moleculaire mechanismen van kanker is het essentieel om de typische kankerkenmerken (hallmarks of cancer) te kennen, aangezien veel moleculaire processen hier direct aan gerelateerd zijn. > **Tip:** Verbindingen leggen tussen verschillende concepten is cruciaal. Zo kan het begrijpen van celadhesie en ECM helpen bij het verklaren van metastasering, een belangrijk kenmerk van kanker. > **Tip:** Wees alert op de specifieke terminologie in MCQ's, zoals de exacte kenmerken van senescentie of de specifieke mutaties die tot ziektebeelden leiden. > **Tip:** Bij het bespreken van therapieën, denk na over de moleculaire targets en potentiële resistentiemechanismen. Dit helpt bij het begrijpen van de rationele achter combinatietherapieën. --- # Celbiologie en ontwikkelingsprocessen Dit onderdeel van de studiehandleiding behandelt fundamentele celbiologische concepten gerelateerd aan celadhesie, de extracellulaire matrix, cellulaire senescentie, de creatie van geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) en de moleculaire oorzaken van verouderingsziekten zoals Progeria, evenals de organisatie van het genoom. ## 2. Celadhesie en de extracellulaire matrix (ECM) Celadhesie is essentieel voor de organisatie van weefsels en de morfologie van organoïden. Verschillende celadhesiemechanismen en componenten van de extracellulaire matrix spelen hierin een cruciale rol. ### 2.1 Celadhesiemechanismen Cel-cel interacties worden gemedieerd door gespecialiseerde moleculen aan het celoppervlak. #### 2.1.1 Cadherines Cadherines zijn calcium-afhankelijke eiwitten die verantwoordelijk zijn voor klassieke cel-cel adhesie. E-cadherines spelen een belangrijke rol in het handhaven van de weefselarchitectuur en het onderdrukken van metastasering van kankercellen. * **Functie:** E-cadherines inhiberen metastasering door cel-celadhesie te bevorderen. * **Ondersteunende eiwitten:** Catenines (zoals $\alpha$-catenine en $\beta$-catenine) zijn intracellulaire eiwitten die binden aan het intracellulaire deel van cadherines en de koppeling met het cytoskelet mogelijk maken. Dit mechanisme is cruciaal voor de adhesieve functie van cadherines. #### 2.1.2 Integrines Integrines zijn transmembraaneiwitten die fungeren als receptoren voor de extracellulaire matrix (ECM). Ze koppelen de extracellulaire omgeving aan het intracellulaire cytoskelet, wat essentieel is voor celmigratie, celoverleving en celrespons op mechanische signalen. #### 2.1.3 Selectines en Ig-superfamilie adhesiemoleculen Deze moleculen zijn betrokken bij cel-cel interacties, met name in het immuunsysteem (selectines) en bij de vorming van complexere cel-cel verbindingen (Ig-superfamilie). ### 2.2 De extracellulaire matrix (ECM) De ECM is een complex netwerk van macromoleculen dat buiten de cellen wordt uitgescheiden en ondersteuning, structuur en signaleringsfuncties biedt aan weefsels. #### 2.2.1 Componenten van de ECM * **Collagenen:** Dit zijn de meest voorkomende eiwitten in de ECM en bieden structurele sterkte en weerstand tegen trekspanning. * **Samenstelling:** Collageen is rijk aan de aminozuren glycine en proline. * **Glycosaminoglycanen (GAGs):** Dit zijn lange, onvertakte polysacchariden met repetitieve disacchariden. Ze hebben een hoge negatieve lading, wat resulteert in het aantrekken en vasthouden van water, wat bijdraagt aan de hydratatie en veerkracht van de ECM. * **Hyaluronzuur:** Dit is een bijzonder GAG dat verschilt van andere GAGs doordat het geen sulfaatgroepen bevat en niet covalent gebonden is aan een proteoglycaan kern. Het kan zeer grote moleculaire gewichten bereiken (enkele megadaltons), wat bijdraagt aan de visco-elastische eigenschappen van de ECM. * **Proteoglycanen:** Dit zijn eiwitten waaraan een of meer GAG-ketens covalent gebonden zijn. Ze spelen een rol bij het binden van groeifactoren en andere signaalmoleculen. * **Glycoproteïnen:** Dit zijn eiwitten met een of meer koolhydraatketens gebonden. Ze spelen een rol bij celadhesie, celcommunicatie en de organisatie van de ECM (bv. fibronectine, lamienine). #### 2.2.2 Functie van de ECM De ECM geeft stevigheid aan de cel en het weefsel door de interactie van collageen, glycosaminoglycanen en glycoproteïnen. Het speelt een rol bij: * Structuur en ondersteuning van weefsels. * Celmigratie en differentiatie. * Wondgenezing. * Signaaltransductie. ## 3. Cellulaire senescentie Cellulaire senescentie is een stabiele staat van celdeling-arrest die optreedt als reactie op verschillende stressfactoren, waaronder DNA-schade. Senescente cellen ondergaan significante veranderingen in hun fenotype en secreteren een reeks moleculen die bekend staat als het Senescence-Associated Secretory Phenotype (SASP). ### 3.1 Kenmerken van senescentie * **Verhoogde DNA schade:** Vaak is DNA-schade de initiërende factor voor senescentie. * **Verhoogde $\beta$-galactosidase expressie:** Dit enzym wordt gebruikt als een biomarker voor senescente cellen, dat actief is bij een pH van 6.0. * **SASP (Senescence-Associated Secretory Phenotype):** Senescente cellen scheiden een complex cocktail van inflammatoire cytokines, chemokines, groeifactoren en matrixmetalloproteïnasen uit. Deze moleculen kunnen de omliggende weefselomgeving beïnvloeden, wat zowel positieve (bv. wondgenezing, tumoronderdrukking) als negatieve (bv. chronische ontsteking, bevordering van tumorgroei) effecten kan hebben. * **Modulatie van p16 expressie:** In veel gevallen is er een verhoogde expressie van p16 (een cycline-afhankelijke kinase remmer) geassocieerd met senescentie. > **Tip:** Senolytica zijn medicijnen die selectief senescente cellen kunnen elimineren. Combinaties van chemotherapie met senolytica vertonen vaak een synergetisch effect bij de behandeling van kanker. ## 4. Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) zijn somatische cellen die genetisch zijn geherprogrammeerd tot een stamcelachtige staat, vergelijkbaar met embryonale stamcellen. ### 4.1 Transcriptiefactoren voor iPSC-creatie De creatie van iPSC's vereist de expressie van specifieke transcriptiefactoren die essentieel zijn voor de pluripotente staat. De klassieke factoren die hiervoor nodig zijn, zijn: * Oct4 (POU5F1) * Sox2 * Klf4 * c-Myc ## 5. Verouderingsziekten: Progeria Progeria is een zeldzame genetische aandoening die versnelde veroudering veroorzaakt bij kinderen. ### 5.1 Moleculaire basis van Progeria * **Mutatie in het LMNA-gen:** De meest voorkomende oorzaak van klassiek Progeria is een specifieke mutatie in het *LMNA*-gen. Deze mutatie leidt tot de productie van een abnormaal gesplitste (splice variant) lamine-isovorm, genaamd progerine. * **Progerine accumulatie:** Progerine accumuleert in de celkern, wat de nucleaire stabiliteit verstoort, de chromatine-organisatie (inclusief de organisatie van Topologically Associating Domains (TAD's) en Lamin-Associated Domains (LAD's)) ontregelt en leidt tot celdysfunctie. Dit resulteert in de kenmerken van versnelde veroudering. * **Karakteristieken van Progeria:** De ziekte wordt gekenmerkt door onder andere haaruitval, kort gestalte, stijve gewrichten en cardiovasculaire problemen, maar de cellen zijn over het algemeen niet opgezwollen; eerder vertonen ze nucleaire abnormaliteiten. > **Tip:** Progeria is een modelziekte om de moleculaire mechanismen van veroudering te bestuderen. De verstoring van de nucleaire architectuur, zoals de organisatie van TAD's en LAD's, is een belangrijk aandachtspunt. ## 6. Genoomorganisatie Het genoom is niet een passieve structuur, maar is dynamisch georganiseerd in de celkern. Deze organisatie heeft invloed op genexpressie en cellulaire processen. ### 6.1 Chromosoomorganisatie De manier waarop DNA is opgerold en georganiseerd in de celkern, beïnvloedt de toegankelijkheid van genen voor transcriptiefactoren en andere regulatoire eiwitten. * **Topologically Associating Domains (TAD's):** Dit zijn regio's van het genoom die sterk met elkaar interageren en gescheiden zijn van andere TAD's. Ze dragen bij aan de functionele organisatie van het genoom. * **Lamin-Associated Domains (LAD's):** Dit zijn gebieden van het genoom die geassocieerd zijn met de binnenste kernenvelop, die rijk is aan lamines. LAD's worden over het algemeen geassocieerd met genen die geen transcriptie hebben of een lage transcriptie-activiteit. Verstoringen in de organisatie van TAD's en LAD's, zoals gezien bij Progeria, kunnen leiden tot ontregelde genexpressie en cellulaire disfunctie. ## 7. Therapeutische strategieën en kanker Verschillende moleculaire mechanismen liggen ten grondslag aan kankertherapie en de ontwikkeling van resistentie. ### 7.1 Kankertherapie en synergie Sommige combinaties van therapieën vertonen een synergetisch effect, wat betekent dat de gecombineerde behandeling effectiever is dan de som van de individuele behandelingen. * **Chemotherapie + Senolyticum:** Deze combinatie kan effectief zijn omdat chemotherapie kankercellen kan beschadigen, terwijl senolytica de daaruit voortkomende senescente cellen kunnen elimineren, wat de algehele effectiviteit verhoogt. * **NF-$\kappa$B inhibitor (bv. Aspirine) + glucocorticoïden:** Deze combinatie kan synergetisch werken, met name in de context van ontstekingsgerelateerde kankers of de behandeling van ontstekingen die de tumorgroei bevorderen. Aspirine kan bijvoorbeeld de activiteit van NF-$\kappa$B remmen, wat een rol speelt bij ontsteking en kanker. ### 7.2 Resistentie tegen therapie * **Mutatie in Raf V600E en resistentie tegen RAF-inhibitor:** Wanneer tumoren resistent worden tegen specifieke remmers, zoals RAF-inhibitoren (bijvoorbeeld bij melanoom met de Raf V600E mutatie), kan het nodig zijn om downstream targets in de signaalroute te remmen. Een ERK-inhibitor kan dan een effectieve behandelingsoptie zijn, omdat deze de activiteit van de mitogene signaalcascade verderop blokkeert. ### 7.3 Karakteristieken van tumoren versus organoïden Tumoren en organoïden delen bepaalde eigenschappen, maar er zijn ook cruciale verschillen. * **Karakteristieken van tumoren (en vaak afwezig in organoïden):** * **Metastasen:** De capaciteit om uit te zaaien naar andere delen van het lichaam. * **Angiogenese:** De vorming van nieuwe bloedvaten om de tumor van voedingsstoffen te voorzien. * **Ontregelde celdood:** Het vermogen om apoptose (geprogrammeerde celdood) te ontwijken. * **Genoom instabiliteit:** Een hoge frequentie van mutaties en chromosomale afwijkingen. Organoïden zijn structuren die zijn afgeleid van stamcellen en de architectuur en functie van organen nabootsen in vitro, maar ze vertonen doorgaans niet de invasieve en metastatische eigenschappen van tumoren. ## 8. Molculair onderzoek en experimentele strategieën ### 8.1 In vitro modellen voor ziekteonderzoek * **Organoïde modellen:** Organoïden zijn waardevolle tools om ziekteprocessen in vitro te bestuderen en therapeutische doelwitten te identificeren. * **Model voor de ziekte van Alzheimer:** Het creëren van een organoïde model voor Alzheimer vereist het kweken van hersenorganoïden die de specifieke pathologie van de ziekte vertonen (bv. accumulatie van amyloïde-bèta plaques en tau-aggregaten). Experimentele strategieën omvatten het introduceren van ziekte-geassocieerde mutaties in stamcellen alvorens deze te differentiëren tot organoïden, of het blootstellen van reeds gevormde organoïden aan ziekte-gerelateerde factoren. * **Identificeren van therapeutische doelwitten:** In een organoïde model kunnen moleculaire profielen (bv. RNA-sequencing, proteomics) worden vergeleken tussen gezonde en zieke organoïden om verschillen in genexpressie of eiwitactiviteit te identificeren die potentieel therapeutische doelwitten kunnen zijn. Functional assays kunnen vervolgens worden gebruikt om de rol van deze doelwitten te valideren. * **Compound screening:** Voor drug discovery of toxicologische doeleinden kunnen organoïden worden gebruikt om de effecten van chemische verbindingen te testen. Dit omvat het blootstellen van de organoïden aan verschillende concentraties van een compound en het meten van relevante uitkomsten (bv. celoverleving, genexpressie, specifieke pathologische markers). Dit maakt het mogelijk om potentiële medicijnen te identificeren of schadelijke effecten van blootstelling aan chemicaliën te evalueren. ### 8.2 Bewijzen van hypothese Om een hypothese te bewijzen, is een combinatie van experimentele methoden nodig, zowel in vitro als in vivo. * **Voorbeeld: Aspirine en darmkanker:** * **Hypothese:** Langdurig gebruik van aspirine vermindert de kans op darmkanker door de moleculaire route van COX-2 te remmen, wat leidt tot verminderde ontstekingsmediatoren en celproliferatie. * **Bewijs in vitro:** * Onderzoek de expressie van COX-2 in darmkankercellen en behandel deze cellen met aspirine. Meet veranderingen in celproliferatie, apoptose en de productie van inflammatoire moleculen. * Onderzoek de effecten van aspirine op celculturen van darmkankercellen die COX-2 overexpressen. * **Bewijs in vivo:** * Placebo-gecontroleerde klinische studies bij grote populaties om het verband tussen aspirinegebruik en de incidentie van darmkanker te onderzoeken. * Experimenten bij proefdieren die zijn gefokt om darmkanker te ontwikkelen, waarbij het effect van aspirine op tumorgroei en metastasering wordt geëvalueerd. * **Voorbeeld: Menstruatiecyclus en chemotherapie-efficiëntie:** * **Hypothese:** De efficiëntie van bepaalde chemotherapeutica voor borstkanker is afhankelijk van de hormonale fluctuaties gedurende de menstruatiecyclus, omdat deze cycli de proliferatie en gevoeligheid van kankercellen kunnen beïnvloeden. * **Moleculaire basis:** Hormonale receptoren op borstkankercellen (bv. oestrogeenreceptoren) worden beïnvloed door de cyclische verhoging en daling van oestrogenen. Deze receptoren kunnen de celcyclus, DNA-replicatie en gevoeligheid voor cytotoxische middelen reguleren. * **In vitro bewijs:** * Kweek borstkankercellijnen die hormonale receptoren tot expressie brengen. * Behandel deze cellen met de specifieke chemotherapie op verschillende tijdstippen die overeenkomen met de verschillende fasen van de menstruatiecyclus (gesimuleerd door het toevoegen van relevante hormonen aan de kweekmedia). * Meet de celdood en proliferatie. * Onderzoek de expressie van celcyclusmarkers en DNA-schade markers in relatie tot de hormonale toestand. ## 9. Overige celbiologische concepten * **p53:** Dit tumor-onderdrukkende eiwit speelt een centrale rol in het reguleren van de celcyclus, het induceren van DNA-herstelmechanismen en het initiëren van apoptose in reactie op DNA-schade. p53 is een cyclus-inhibitor en reguleert senescentie en DNA-herstel. * **Kankertherapie combinaties:** Naast chemotherapie en senolytica, zijn er andere combinaties die synergetisch kunnen werken, zoals bepaalde combinaties van doelgerichte therapieën en immunotherapie. De specifieke effectiviteit is afhankelijk van het type kanker en de moleculaire kenmerken ervan. --- # Organoïden en modellen voor ziekteonderzoek Dit onderwerp verkent het gebruik van organoïden als in-vitromodellen voor de studie van ziekten zoals Alzheimer en borstkanker, inclusief de identificatie van therapeutische doelwitten en compound screening strategieën. ### 3.1 Inleiding tot organoïden in ziekteonderzoek Organoïden zijn driedimensionale celculturen die de structuur en functie van specifieke organen nabootsen. Ze worden steeds belangrijker als in-vitromodellen voor de studie van ziekten, geneesmiddelenontwikkeling en toxicologie. Ze bieden een complexere en biologisch relevantere omgeving dan traditionele tweedimensionale celkweeksystemen. ### 3.2 Toepassingen in ziekteonderzoek #### 3.2.1 Ziekte van Alzheimer Het bestuderen van de ziekte van Alzheimer met behulp van organoïden vereist specifieke methodologieën om de neurale weefsels na te bootsen. * **Modelcreatie:** Het creëren van een in-vitro model voor de ziekte van Alzheimer met organoïden kan een schema omvatten waarbij pluripotente stamcellen (induceerbare pluripotente stamcellen, iPSC's) worden gedifferentieerd tot neurale progenitorcellen en vervolgens tot specifieke neuronale celtypen die kenmerkend zijn voor de hersenen. Dit proces kan worden begeleid door specifieke groeifactoren en transcriptiefactoren die essentieel zijn voor de neurale ontwikkeling. * **Identificatie van nieuwe therapeutische doelwitten:** Met behulp van een dergelijk organoïde model kunnen experimentele strategieën worden ontwikkeld om nieuwe therapeutische doelwitten te identificeren. Dit kan inhouden: * Het induceren van ziektegerelateerde pathologieën in de organoïden, bijvoorbeeld door genetische manipulatie om mutaties te introduceren die geassocieerd zijn met Alzheimer, of door blootstelling aan ziekte-specifieke amyloïde-beta aggregaten. * Het vervolgens screenen van de moleculaire veranderingen die optreden in de gemanipuleerde organoïden. Dit kan omvatten: * Genexpressieanalyse (bijv. RNA-sequencing) om genen te identificeren die omhoog of omlaag worden gereguleerd als gevolg van de pathologie. * Analyse van eiwitexpressie en post-translationele modificaties (bijv. Western blotting, massaspectrometrie) om belangrijke signaalroutes te identificeren die worden beïnvloed. * Het onderzoeken van de interactie tussen verschillende celtypen binnen de organoïde, zoals neuronen en gliale cellen, om te begrijpen hoe deze cellen bijdragen aan de ziekteprogressie. * Het identificeren van abnormale eiwitaggregaties, zoals amyloïde-beta plaques en tau-neurofibrillaire tangles. * **Compound screening strategieën:** Voor geneesmiddelenontdekking en toxicologie kunnen compound screening strategieën worden toegepast op Alzheimer-organoïden. * **Geneesmiddelenontdekking:** Grote bibliotheken van potentiële geneesmiddelen kunnen worden gescreend op hun vermogen om ziektegerelateerde pathologieën om te keren of te verminderen in de organoïden. Dit kan gericht zijn op het verminderen van amyloïde-beta productie, het voorkomen van tau-aggregatie, of het verbeteren van synaptische functie. * **Adverse outcome toxicology (exposome chemicals):** Organoïden kunnen worden gebruikt om de toxiciteit van omgevingschemicaliën (exposoom) op specifieke orgaanfuncties te evalueren. Door organoïden bloot te stellen aan verschillende concentraties van chemische stoffen en vervolgens te meten op tekenen van toxiciteit (bijv. celdood, veranderde metabole activiteit, functionele achteruitgang), kan men potentiële risico's inschatten. #### 3.2.2 Borstkanker Organoïden bieden ook waardevolle modellen voor het bestuderen van borstkanker, inclusief de efficiëntie van chemotherapie en de identificatie van moleculaire mechanismen. * **Moleculaire basis voor de afhankelijkheid van de menstruatiecyclus:** Onderzoek heeft gesuggereerd dat de efficiëntie van chemotherapie voor borstkanker afhankelijk kan zijn van de menstruatiecyclus van de patiënt. De moleculaire basis hiervoor kan liggen in cyclische veranderingen in hormoonniveaus (oestrogenen, progesteron) en groeifactoren die de celproliferatie en gevoeligheid voor chemotherapie beïnvloeden. Sommige fasen van de cyclus kunnen cellen gevoeliger maken voor celdood door chemotherapie, terwijl andere fasen de celdeling kunnen stimuleren, waardoor ze minder responsief zijn. * **In-vitro aantonen en bewijzen:** Dit kan in-vitro worden aangetoond door borstkanker organoïden te kweken. * Cellen kunnen worden blootgesteld aan cyclische veranderingen die de hormoonspiegels tijdens de menstruatiecyclus nabootsen. * Vervolgens kan de gevoeligheid van deze organoïden voor specifieke chemotherapeutica worden getest in verschillende cyclische fasen. * Moleculaire analyses, zoals genexpressie en eiwitactiviteit, kunnen worden uitgevoerd om te begrijpen welke signaalroutes actief zijn en hoe deze de respons op chemotherapie beïnvloeden. ### 3.3 Kenmerken die tumoren onderscheiden van organoïden Hoewel organoïden de structuur en functie van organen nabootsen, zijn er belangrijke kenmerken die typisch zijn voor tumoren, maar niet voor de meeste in-vitro gekweekte organoïden: * **Metastasen:** Tumoren hebben de inherente eigenschap om te metastaseren, wat betekent dat ze kunnen uitzaaien naar andere delen van het lichaam. Dit is een complex proces dat invasie van de extracellulaire matrix, intravasatie, overleving in de circulatie en extravasatie omvat. De meeste standaard organoïde modellen missen deze metastatische capaciteit. * **Angiogenese:** Tumoren stimuleren de vorming van nieuwe bloedvaten (angiogenese) om van voedingsstoffen en zuurstof te voorzien, wat cruciaal is voor hun groei en overleving. Hoewel sommige geavanceerde organoïde modellen technieken kunnen bevatten om angiogenese te bestuderen, is het niet een intrinsiek kenmerk van alle organoïden. * **Ontregelende celdood (apoptose):** Kankercellen ontwikkelen vaak mechanismen om celdood te ontwijken, wat bijdraagt aan hun ongecontroleerde groei en resistentie tegen therapie. Hoewel sommige organoïden hun normale celdoodprocessen behouden, kunnen tumoren deze mechanismen actief onderdrukken. * **Genoominstabiliteit:** Kankers worden vaak gekenmerkt door een hoge mate van genoominstabiliteit, wat leidt tot accumulatie van mutaties en chromosomale afwijkingen. Dit draagt bij aan de heterogeniteit van de tumor en de evolutie van therapieresistentie. ### 3.4 Kenmerken van senescentie Senescentie is een celtoestand die wordt gekenmerkt door permanente celdelingsstop, vaak als reactie op stress of schade. * **Verhoogde DNA schade:** DNA-schade is een veelvoorkomende trigger voor senescentie. * **Verhoogde $\beta$-galactosidase expressie:** Dit enzym is een veelgebruikte biomarker voor senescente cellen. * **SASP (Senescence-Associated Secretory Phenotype):** Senescente cellen scheiden een cocktail af van inflammatoire cytokinen, chemokinen en groeifactoren uit. * **Regulatie door p53:** Het gen p53 speelt een cruciale rol bij het reguleren van senescentie, vaak fungerend als een cyclusinhibitor en betrokken bij DNA-herstelmechanismen. ### 3.5 Celadhesiemechanismen en de extracellulaire matrix (ECM) Celadhesie is essentieel voor de organisatie van weefsels en de morfologie van organoïden. De extracellulaire matrix (ECM) speelt hierbij een ondersteunende rol. * **Types celadhesiemoleculen:** * **Cadherines:** Zoals E-cadherine, cruciaal voor epitheliale cel-celadhesie. Verstoring van cadherine-gemedieerde adhesie is geassocieerd met invasie en metastase van kankercellen. Eiwitten zoals **catenines** zijn hierbij essentieel, omdat ze de intracellulaire staart van cadherines verbinden met het cytoskelet. * **Integrines:** Deze receptoren binden aan ECM-componenten en spelen een sleutelrol in cel-ECM interacties. * **Selectines:** Betrokken bij cel-celadhesie in de context van immuunrespons en ontsteking. * **Gap junctions:** Faciliteren directe communicatie tussen cellen. * **Functie van de extracellulaire matrix:** De ECM, bestaande uit collageen, glycosaminoglycanen (GAGs), proteoglycanen en glycoproteïnen, biedt structurele ondersteuning, reguleert celgedrag (proliferatie, migratie, differentiatie) en dient als reservoir voor groeifactoren. * **Collageen:** Rijk aan **glycine en proline**, zorgt voor treksterkte. * **Glycosaminoglycanen (GAGs):** Zoals hyaluronzuur. Hyaluronzuur onderscheidt zich van andere GAGs door het **ontbreken van sulfaategroepen**. GAGs en hun proteoglycaan-geassocieerde vormen, samen met collageen, geven stevigheid aan de ECM. ### 3.6 Therapeutische strategieën in kanker #### 3.6.1 Synergetische therapieën Combinatietherapieën kunnen een synergetisch effect hebben, wat betekent dat de gecombineerde therapie effectiever is dan de som van de individuele therapieën. * **Chemotherapie + senolyticum:** Senolytica zijn middelen die senescente cellen selectief kunnen doden. Het combineren van chemotherapie (die vaak celschade en senescentie kan induceren) met senolytica kan de effectiviteit van de behandeling verhogen door senescente tumorcellen of stroma-cellen die tumorgroei ondersteunen, te elimineren. * **NF-KB inhibitor + glucocorticoïden:** Deze combinatie kan relevant zijn voor ontstekingsgerelateerde kankers, aangezien NF-KB een belangrijke pro-inflammatoire transcriptiefactor is en glucocorticoïden ontstekingsremmende eigenschappen hebben. * **Lcl2 + myc:** Dit zou kunnen verwijzen naar de interactie tussen verschillende oncogenen, waarbij het remmen van beide een synergetisch effect kan hebben. #### 3.6.2 Behandeling van therapieresistentie * **Mutatie voor Raf V600E en resistentie tegen RAF-inhibitor:** De Raf V600E mutatie is een veelvoorkomende driver-mutatie in diverse kankers. Als een tumor resistent wordt tegen een directe RAF-inhibitor, kunnen alternatieve strategieën nodig zijn. Een **ERK-inhibitor** kan effectief zijn, omdat ERK (extracellulair gereguleerde kinase) een belangrijke downstream effector is van de RAF/MEK/ERK signaalcascade. Het blokkeren van ERK kan de signalering verder onderbreken, zelfs als de RAF-remmer niet volledig effectief is. ### 3.7 Moleculaire achtergronden van ziektebeelden * **Progeria:** Dit zeldzame genetische syndroom wordt gekenmerkt door versnelde veroudering. Een veelvoorkomende oorzaak is een mutatie in het *LMNA*-gen, wat leidt tot de productie van een abnormale, getrunceerde lamine A-isovorm (splice variant). Dit verstoort de nucleusstructuur en de organisatie van chromosomen binnen de nucleus, waaronder de TAD (Topologically Associating Domain) en LAD (Lamina-Associated Domain) organisatie. * **E-cadherines en tumor suppressie:** E-cadherines zijn cruciaal voor cel-celadhesie in epitheliale weefsels. Door cel-celadhesie te bevorderen, spelen ze een belangrijke rol bij het voorkomen van metastasen, wat hen functioneel tot tumor suppressorgenen maakt. **Catenines** zijn eiwitten die direct interageren met het intracellulaire deel van E-cadherines en deze koppelen aan het cytoskelet, waardoor de adhesie wordt versterkt en metastasen worden geremd. ### 3.8 Organoïde technologie in brede zin * **Multiorgaan organoïden:** De morfologie van multi-orgaan organoïden, zoals lever-gal-pancreas organoïden, is mede bepaald door de specifieke celadhesiemoleculen die tot expressie komen in de verschillende celtypen. Deze moleculen zorgen voor de correcte positionering en interactie van de cellen, waardoor de karakteristieke driedimensionale structuur van het orgaan wordt nagebootst. * **IPS-c creatie:** De creatie van iPSC's vereist specifieke transcriptiefactoren (zoals Oct4, Sox2, Klf4, en c-Myc) die het celgedrag herprogrammeren naar een pluripotente staat. > **Tip:** Bij het interpreteren van examenvragen over organoïden is het belangrijk om onderscheid te maken tussen de kenmerken van *normale* organoïden en de *pathologische* kenmerken die specifiek zijn voor tumoren of ziekten. --- # Endocriene verstoorders en hun effecten Dit deel behandelt het concept van endocriene verstoorders, hun potentiële gevaren, chemische voorbeelden, moleculaire werkingsmechanismen en methoden voor in-vitrotesten, evenals de historische redenen achter specifieke bijwerkingen van hormoontherapie. ## 4. Endocriene verstoorders en hun effecten ### 4.1 Concept van endocriene verstoorders Endocriene verstoorders (ED's) zijn exogene stoffen die de normale werking van het endocriene systeem kunnen verstoren. Het endocriene systeem reguleert een breed scala aan fysiologische processen, waaronder groei, ontwikkeling, metabolisme, voortplanting en gedrag, via hormonen. ED's kunnen deze processen op verschillende manieren beïnvloeden door de synthese, secretie, transport, binding, werking of eliminatie van hormonen te verstoren. ### 4.2 Potentiële gevaren en effecten De potentiële gevaren van ED's zijn divers en afhankelijk van het specifieke chemische stof, de blootstellingsduur, de dosis en het ontwikkelingsstadium. Potentiële effecten omvatten: * **Ontwikkelingsstoornissen:** Vooral tijdens gevoelige perioden zoals zwangerschap en vroege kinderjaren, wanneer de ontwikkeling van organen en systemen plaatsvindt. Dit kan leiden tot afwijkingen in de voortplantingsorganen, neuro-ontwikkeling en immuunsysteem. * **Reproductieve problemen:** Veranderingen in vruchtbaarheid, verminderde spermakwaliteit, vroegtijdige puberteit, en verhoogd risico op bepaalde kankers van het voortplantingssysteem. * **Metabolische ziekten:** Verhoogd risico op obesitas, diabetes mellitus type 2 en schildklieraandoeningen. * **Neurologische en gedragsproblemen:** Beïnvloeding van de hersenontwikkeling, wat kan leiden tot leerproblemen, gedragsstoornissen zoals ADHD, en stemmingsstoornissen. * **Kanker:** Sommige ED's kunnen het risico op hormoongerelateerde kankers verhogen, zoals borstkanker, prostaatkanker en schildklierkanker. > **Tip:** De term "men in danger" die in de literatuur wordt gebruikt, benadrukt de brede impact van endocriene verstoorders op de menselijke gezondheid, met name op de reproductieve gezondheid en de ontwikkeling van mannen. ### 4.3 Voorbeelden van chemische groepen Verschillende chemische groepen kunnen als endocriene verstoorders fungeren. Enkele veelvoorkomende voorbeelden zijn: * **Bisfenol A (BPA):** Een chemische stof die wordt gebruikt in polycarbonaten en epoxyharsen, vaak gevonden in voedselverpakkingen, plastic flessen en tandheelkundige materialen. BPA is een xeno-oestrogeen dat kan interageren met oestrogeenreceptoren. * **Ftalaten:** Een groep chemicaliën die worden gebruikt om plastics flexibeler te maken. Ze zijn te vinden in consumentenproducten zoals cosmetica, huishoudelijke schoonmaakmiddelen, lijmen en verf. Ftalaten kunnen de hormoonproductie en -functie verstoren, met name androgeenreceptoren. * **Dioxines en furanen:** Bijproducten van industriële processen zoals verbranding en papierproductie. Ze zijn zeer persistente organische verontreinigende stoffen met een sterke affiniteit voor lipiden en kunnen de hormoonreceptoren beïnvloeden. * **Pesticiden:** Veel pesticiden, zoals DDT en organofosfaten, hebben hormonale effecten. * **Vlamvertragers:** Stoffen die worden toegevoegd aan meubels, elektronica en textiel om brandbaarheid te verminderen, zoals broomhoudende vlamvertragers. * **Farmaceutica:** Sommige medicijnen, waaronder synthetische hormonen (zoals die in hormonale anticonceptie of hormoontherapie) en steroïden, kunnen, indien niet correct gebruikt, ook als endocriene verstoorders fungeren. > **Voorbeeld:** Een voorbeeld van een chemische groep die als endocriene verstoorder kan werken, zijn de **ftalaten**. Deze verbindingen kunnen interfereren met de androgeenreceptoren, wat gevolgen kan hebben voor de ontwikkeling van het mannelijk voortplantingssysteem. ### 4.4 Moleculaire werkingsmechanismen Endocriene verstoorders kunnen op verschillende moleculaire niveaus ingrijpen: * **Nabootsing van hormonen (agonisten):** Sommige ED's lijken structureel op natuurlijke hormonen en kunnen binden aan hormoonreceptoren, waardoor ze een vergelijkbare (of soms versterkte) cellulaire respons uitlokken. Een klassiek voorbeeld is de oestrogene activiteit van BPA. * **Blokkering van hormonen (antagonisten):** Andere ED's kunnen aan hormoonreceptoren binden zonder de receptor te activeren, waardoor ze de binding van natuurlijke hormonen voorkomen en hun effect blokkeren. * **Verstoring van hormoonsynthese of -afbraak:** ED's kunnen enzymen beïnvloeden die betrokken zijn bij de productie of afbraak van hormonen, waardoor de hormoonspiegels in het lichaam veranderen. * **Verstoring van hormoon-receptor interactie:** Ze kunnen de affiniteit van hormonen voor hun receptoren veranderen of de intracellulaire signaaltransductie na receptorbinding beïnvloeden. * **Effecten op hormoontransport:** ED's kunnen de eiwitten die hormonen in het bloed transporteren, beïnvloeden, waardoor de beschikbaarheid van hormonen voor hun doelwitten verandert. * **Epigenetische modificaties:** Sommige ED's kunnen epigenetische veranderingen veroorzaken, zoals DNA-methylatie of histonmodificaties, die de genexpressie op lange termijn kunnen beïnvloeden zonder de DNA-sequentie zelf te veranderen. ### 4.5 Methodes voor in-vitrotesten Het testen van de effecten van potentiële endocriene verstoorders in het laboratorium is cruciaal voor risicobeoordeling. Diverse in-vitro methoden worden gebruikt: * **Receptorbindingstests:** Deze tests meten de affiniteit van een stof om te binden aan specifieke hormoonreceptoren (bv. oestrogeen-, androgeen-, schildklierhormoonreceptoren). * **Receptoractivatietests (bv. reportergenassays):** Cellijnen worden genetisch gemodificeerd om een detecteerbaar signaal (bv. luminescentie, fluorescentie) te produceren wanneer een hormoonreceptor wordt geactiveerd. Dit kan onderscheid maken tussen agonisten en antagonisten. * **Voorbeeld experimentele strategie:** Men kan een menselijke borstepitheelcellijn (bv. MCF-7) gebruiken die is getransfecteerd met een oestrogeenreceptor-gestuurd reportergen. Blootstelling aan het te testen agens zal, indien het oestrogene activiteit heeft, leiden tot expressie van het reportergen. De intensiteit van het signaal correleert met de oestrogene potentie. * **Celgebaseerde assays:** Diverse celtypen worden blootgesteld aan de stof om effecten op celproliferatie, differentiatie, celdood, of specifieke genexpressie te meten. * **Endocriene disruptie screening program (EDSP) assays:** Gestandaardiseerde testbatterijen ontwikkeld door regelgevende instanties om ED's te identificeren. Dit omvat assays die verschillende endpoints in de hypothalamus-hypofyse-gonadale as, schildklieras en schildklieras evalueren. > **Voorbeeld:** Om afvalwater te testen op de aanwezigheid van stoffen die de oestrogeenreceptor activeren, kan men gebruik maken van een **reportergenassay**. Hierbij worden cellen die de menselijke oestrogeenreceptor tot expressie brengen, geïncubeerd met verdunde afvalwatermonsters. Een fluorescerend eiwit als reporter, dat onder controle staat van een oestrogeen-responsief element, zal alleen worden geproduceerd als er oestrogene activiteit in het afvalwater aanwezig is. De mate van fluorescentie kwantificeert de oestrogene potentie van het monster. ### 4.6 Historische redenen achter specifieke bijwerkingen van hormoontherapie Historisch gezien zijn er gevallen geweest waarin hormoontherapie onbedoelde en schadelijke bijwerkingen veroorzaakte. Een bekend voorbeeld is het gebruik van **diëthylstilbestrol (DES)**. * **DES en cervixkanker:** DES is een synthetisch oestrogeen dat tussen 1940 en 1971 aan zwangere vrouwen werd voorgeschreven om miskramen te voorkomen. Hoewel DES in die tijd werd beschouwd als veilig, bleek later dat dochters van moeders die DES hadden gebruikt een significant verhoogd risico hadden op de ontwikkeling van zeldzame vormen van vaginaal en cervixkanker (clear cell adenocarcinoma) op latere leeftijd. Ook werden er andere reproductieve afwijkingen waargenomen. * **Moleculaire basis:** De precieze moleculaire mechanismen die leidden tot DES-gerelateerde kanker zijn complex. Men vermoedt dat DES of zijn metabolieten DNA konden beschadigen en epigenetische veranderingen konden induceren in de zich ontwikkelende voortplantingsorganen van de foetus. De lange latentietijd voor de ontwikkeling van kanker suggereert dat dit proces door verschillende factoren werd beïnvloed, mogelijk inclusief individuele genetische gevoeligheid. Het onderstreept het gevaar van het blootstellen van zich ontwikkelende organen aan hormonaal actieve stoffen. Deze historische gebeurtenissen hebben geleid tot een veel kritischere benadering van hormoontherapie en een grotere focus op het identificeren en vermijden van substanties met potentiële endocriene verstorende eigenschappen, zowel in medicijnen als in de omgeving. --- ## 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 | |------|------------| | Aspirine | Een veelgebruikt medicijn dat ontstekingsremmende, pijnstillende en koortsverlagende eigenschappen bezit. Langdurig gebruik kan de kans op bepaalde vormen van kanker, zoals darmkanker, verminderen door mogelijke moleculaire mechanismen die celgroei en -deling beïnvloeden. | | Darmkanker | Een kwaadaardige tumor die ontstaat in de dikke darm of het rectum. Moleculaire kenmerken zoals ongecontroleerde celproliferatie, genoominstabiliteit en het vermogen tot invasie en metastasering zijn kenmerkend voor deze ziekte. | | Chemotherapie | Een medische behandeling die medicijnen gebruikt om kankercellen te doden of hun groei te vertragen. De efficiëntie ervan kan variëren en is soms afhankelijk van factoren zoals de hormonale status van de patiënt, zoals de menstruatiecyclus bij borstkanker. | | Borstkanker | Een vorm van kanker die ontstaat in de cellen van de borst. De behandeling, waaronder chemotherapie, kan beïnvloed worden door hormonale factoren en de fase van de menstruatiecyclus van de patiënt. | | Menstruatiecyclus | De maandelijkse hormonale cyclus bij vrouwen die voorbereidt op mogelijke zwangerschap. Deze cyclus kan invloed hebben op de gevoeligheid van kankercellen voor therapieën zoals chemotherapie. | | Moleculaire basis | De onderliggende cellulaire en biochemische processen en componenten die een bepaald fenomeen, ziekte of mechanisme verklaren. Dit omvat genexpressie, eiwitinteracties en signaleringsroutes. | | In vitro | Een experimentele conditie die plaatsvindt buiten het levende organisme, bijvoorbeeld in een reageerbuis of kweekschaal. Dit maakt gecontroleerde studies van biologische processen mogelijk. | | Synergetisch effect | Een interactie tussen twee of meer medicijnen of behandelingen waarbij het gecombineerde effect groter is dan de som van de individuele effecten. Dit kan leiden tot verhoogde effectiviteit bij lagere doseringen. | | Senolyticum | Een type medicijn dat selectief senescente cellen (cellen die gestopt zijn met delen) elimineert. Dit kan bijdragen aan de behandeling van leeftijdsgebonden ziekten en kanker door het verwijderen van cellen die de groei van kankercellen kunnen bevorderen. | | Senescentie | Een cellulaire toestand waarin cellen permanent stoppen met delen, vaak als reactie op DNA-schade of andere stressfactoren. Senescente cellen kunnen ontstekingssignalen afgeven en bijdragen aan veroudering en ziekte. | | p16 | Een eiwit dat fungeert als tumorsuppressor en een rol speelt bij celcyclusregulatie. Verminderde expressie ervan kan geassocieerd zijn met het verlies van celcycluscontrole en de ontwikkeling van kanker. | | SASP (Senescence-Associated Secretory Phenotype) | Een complex mengsel van inflammatoire cytokines, chemokines, groeifactoren en proteasen dat wordt uitgescheiden door senescente cellen. SASP kan weefselherstel bevorderen, maar ook bijdragen aan ontstekingen, kankerprogressie en veroudering. | | DNA-schade | Structurele of chemische veranderingen in het DNA die de correcte informatieoverdracht kunnen belemmeren. Ophooping van DNA-schade kan leiden tot celveroudering, mutaties en kanker. | | Beta-galactosidase | Een enzym dat specifiek kan worden gebruikt als biomarker voor senescente cellen, omdat het actief is bij een pH van 6.0 en aanwezig is in cellen die verouderd zijn. | | E-cadherines | Transmembraaneiwitten die een cruciale rol spelen bij cel-celadhesie, met name in epitheliale weefsels. Ze helpen bij het handhaven van de weefselintegriteit en onderdrukken het ontstaan van metastasen door de vorming van tumoren te beperken. | | Metastasen | De verspreiding van kanker vanuit de primaire tumor naar andere delen van het lichaam via het bloed of de lymfevaten. Dit is een kenmerk van gevorderde kanker en de belangrijkste oorzaak van sterfte. | | Tumor supressorgen | Genen die de celgroei en -deling remmen. Wanneer deze genen gemuteerd of inactief zijn, kan dit leiden tot ongecontroleerde celgroei en de ontwikkeling van kanker. | | Catenines | Een familie van eiwitten die een belangrijke rol spelen bij cel-celadhesie, met name door te verbinden met cadherines en het cytoskelet. Ze zijn essentieel voor de stabiliteit van adherens-verbindingen en kunnen de migratie van kankercellen beïnvloeden. | | Organoïden | Kleine, zelforganiserende 3D-celculturen die structureel en functioneel vergelijkbaar zijn met organen. Ze worden gebruikt als modellen voor orgaanontwikkeling, ziekteonderzoek en geneesmiddelenonderzoek. | | Stamcel | Een ongedifferentieerde cel die het vermogen heeft om te prolifereren en zich te differentiëren tot gespecialiseerde celtypen. Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC's) worden gecreëerd door volwassen cellen te herprogrammeren tot een stamcelachtige staat. | | iPSC (geïnduceerde pluripotente stamcel) | Een type stamcel dat wordt verkregen door volwassen somatische cellen (zoals huidcellen) te herprogrammeren met specifieke transcriptiefactoren, waardoor ze pluripotente eigenschappen verkrijgen en zich kunnen differentiëren tot elk celtype. | | Transcriptiefactoren | Proteïnen die zich binden aan specifieke DNA-sequenties en de transcriptie van genen reguleren, het proces waarbij DNA wordt omgezet in RNA. Zij spelen een sleutelrol bij de differentiatie en ontwikkeling van cellen. | | Progeria | Een zeldzame, genetische verouderingsziekte die wordt gekenmerkt door versnelde ouderdomsverschijnselen bij kinderen. Het wordt vaak veroorzaakt door mutaties in het gen dat codeert voor lamine A, wat leidt tot een instabiele celkern. | | Lamine isovorm | Verschillende vormen van het lamine-eiwit, die ontstaan door alternatieve splicing van het mRNA. Mutaties in specifieke lamine-isovormen kunnen leiden tot celkerndefecten en ziekten zoals Progeria. | | TAD (Topologically Associating Domain) | Functionele domeinen binnen het genoom die worden gekenmerkt door een hogere frequentie van interacties tussen DNA-sequenties binnen het domein dan daarbuiten. Ze spelen een rol in de organisatie van het genoom en genexpressie. | | LAD (Lamin-Associated Domain) | Regio's van het genoom die geassocieerd zijn met de binnenste kernmembraan, voornamelijk via interactie met laminen. Deze domeinen zijn vaak genarm en geassocieerd met geninactiviteit. | | Extracellulaire matrix (ECM) | Een complex netwerk van macromoleculen buiten de cellen dat structurele ondersteuning biedt, de celgroei en -differentiatie reguleert en betrokken is bij celcommunicatie. Het bestaat uit eiwitten zoals collageen en glycoproteïnen en glycosaminoglycanen. | | Celadhesie | Het proces waarbij cellen aan elkaar of aan de extracellulaire matrix binden. Dit is cruciaal voor de vorming van weefsels, orgaanontwikkeling en immuunrespons. | | Glycosaminoglycanen (GAGs) | Lange, onvertakte polysachariden die een belangrijk onderdeel vormen van de extracellulaire matrix. Ze zijn negatief geladen en trekken water aan, wat bijdraagt aan de hydratatie en veerkracht van weefsels. | | Hyaluronzuur | Een specifiek type glycosaminoglycaan dat zich onderscheidt door het ontbreken van sulfaatgroepen, het grote molecuulgewicht en de aanwezigheid in de extracellulaire matrix waar het bijdraagt aan hydratatie en smering. | | Collageen | Een groep structurele eiwitten die de belangrijkste bestanddelen van de extracellulaire matrix vormen en zorgen voor treksterkte en structuur in bindweefsel, botten, pezen en huid. Het is rijk aan aminozuren als glycine en proline. | | Glycoproteïnen | Eiwitten waaraan koolhydraatketens zijn gebonden. Ze spelen diverse rollen in de cel, waaronder celherkenning, adhesie en signaaltransductie, en zijn ook componenten van de extracellulaire matrix. | | Endocriene verstoorder | Chemische stoffen die de werking van het hormoonsysteem kunnen beïnvloeden, wat kan leiden tot gezondheidsproblemen. Ze kunnen de hormoonproductie, -transport, -afbraak of -werking op receptorniveau verstoren. | | Hormoonligand | Moleculen die zich binden aan hormoonreceptoren en zo een biologisch effect teweegbrengen. Hormoontherapieën maken vaak gebruik van synthetische hormoonliganden. | | Organoïde model | Een in-vitromodel dat is gebaseerd op organoïden en wordt gebruikt om de pathofysiologie van ziekten te bestuderen, de effectiviteit van medicijnen te testen en nieuwe therapeutische doelwitten te identificeren. | | Ziekte van Alzheimer | Een neurodegeneratieve ziekte die gekenmerkt wordt door progressief geheugenverlies en cognitieve achteruitgang. Het bestuderen ervan in organoïde modellen helpt bij het begrijpen van de mechanismen en het ontwikkelen van behandelingen. | | Therapeutische doelwitten | Specifieke moleculen (zoals eiwitten of genen) of cellulaire processen die beïnvloed kunnen worden met medicijnen om een ziekte te behandelen. | | Compound screening | Het systematisch testen van grote collecties van chemische verbindingen op hun potentie om een biologisch effect te produceren, vaak gebruikt in de geneesmiddelenontwikkeling. | | Exposome chemicals | Een breed scala aan chemische stoffen uit de omgeving waarmee mensen worden blootgesteld, inclusief industriële chemicaliën, pesticiden en vervuiling, die de gezondheid kunnen beïnvloeden. | | Angiogenese | Het proces van vorming van nieuwe bloedvaten uit reeds bestaande vaten. Tumoren hebben angiogenese nodig om te groeien en te metastaseren. | | Ontregelende celdood | Abnormale processen van celdood, zoals necrose of ongecontroleerde apoptose, die kunnen bijdragen aan ziekteprocessen en weefselbeschadiging. | | Genoom instabiliteit | Een verhoogde neiging van het genoom om mutaties of chromosomale afwijkingen te ondergaan. Dit is een kenmerk van veel kankers en kan leiden tot verdere tumorprogressie. | | Raf V600E | Een specifieke mutatie in het BRAF-gen die vaak voorkomt in verschillende soorten kanker, waaronder melanoom. Deze mutatie leidt tot constitutieve activatie van het eiwit en kan tumoren resistent maken tegen specifieke therapieën. | | RAF-inhibitor | Een klasse van medicijnen die gericht zijn op het remmen van de activiteit van het BRAF-eiwit, dat betrokken is bij de celgroei en -deling. Deze medicijnen zijn effectief tegen tumoren met de BRAF V600E mutatie, maar resistentie kan optreden. | | RAS-inhibitor | Medicijnen die de activiteit van RAS-eiwitten remmen. RAS-eiwitten zijn betrokken bij celgroei en -signalering, en mutaties hierin zijn veelvoorkomend bij kanker. | | ERK-inhibitor | Medicijnen die gericht zijn op het remmen van ERK (extracellulair gereguleerde kinase), een eiwitkinase dat deel uitmaakt van de MAPK-signaalroute, die betrokken is bij celgroei, differentiatie en overleving. | | RTK-inhibitor (Receptor Tyrosine Kinase inhibitor) | Medicijnen die de activiteit van receptor tyrosine kinases remmen. Deze receptoren spelen een sleutelrol bij celgroei, differentiatie en overleving, en hun hyperactiviteit is vaak betrokken bij kanker. | | Eiwit | Een complex molecuul dat is opgebouwd uit aminozuren en essentieel is voor de structuur, functie en regulatie van lichaamscellen en -weefsels. | | DNA (Deoxyribonucleic acid) | De drager van genetische informatie in levende organismen. Het is een dubbele helixstructuur die de instructies bevat voor de ontwikkeling, het functioneren, de groei en de voortplanting. | | RNA (Ribonucleic acid) | Een nucleïnezuur dat lijkt op DNA en een rol speelt bij de expressie van genen en de synthese van eiwitten. Het kan ook genetisch materiaal zijn in sommige virussen. | | Golgi-apparaat | Een celorganel dat betrokken is bij het modificeren, sorteren en verpakken van eiwitten en lipiden voor secretie of levering aan andere organellen. | | Covalente binding | Een chemische binding waarbij atomen elektronen delen. Dit is een sterke binding die moleculen bij elkaar houdt. | | Glycine | Het eenvoudigste aminozuur, gekenmerkt door een waterstofatoom als zijn zijketen. Het is een veelvoorkomend aminozuur in collageen. | | Proline | Een cyclisch aminozuur dat een belangrijke rol speelt in de structuur van collageen, waar het bijdraagt aan de stabiliteit van de helixvorm. | | Lysine | Een essentieel aminozuur dat een positief geladen zijketen heeft. Het is betrokken bij diverse cellulaire processen, waaronder eiwitsynthese en DNA-binding. | | Arginine | Een semi-essentieel aminozuur met een positief geladen guanidinogroep zijketen. Het speelt een rol bij celgroei, immuunfunctie en wondgenezing. | | Alanine | Een simpel aminozuur met een methylgroep als zijketen. Het is een bouwsteen van veel eiwitten. | | Valine | Een essentieel vertakt-keten aminozuur. Het is belangrijk voor spiergroei en -herstel. | | Serine | Een polair aminozuur met een hydroxylgroep in zijn zijketen. Het is betrokken bij eiwitstructuur en enzymatische reacties. | | Threonine | Een essentieel aminozuur met een hydroxylgroep in zijn zijketen. Het is belangrijk voor eiwitstructuur, immuunfunctie en vetmetabolisme. | | Tyrosine | Een niet-essentieel aminozuur met een fenolische hydroxylgroep. Het is een voorloper van neurotransmitters en hormonen. |

# Virusfamilies en hun kenmerken Dit onderwerp behandelt de classificatie, morfologie, genetische samenstelling en gevoeligheid voor inactivatie van belangrijke virusfamilies zoals Herpesviridae en Orthomyxoviridae. ## 1. Herpesviridae De Herpesviridae-familie bestaat uit dubbelstrengs DNA-virussen met een lineair genoom van 120-220 kilobaseparen. Ze hebben een kubische symmetrie, een diameter van 120-200 nm en zijn omhuld door een envelop. ### 1.1 Subfamilies en hun kenmerken De familie is onderverdeeld in drie subfamilies: #### 1.1.1 Alfaherpesvirinae * **Vermeerderingscyclus:** Korte cyclus (< 24 uur). * **Infectie:** Veroorzaken voornamelijk latente infecties. * **Celculturen:** Verspreiden zich snel en veroorzaken een uitgesproken cytopathogeen effect (CPE). * **Belangrijke leden:** * **Humaan herpesvirus (HHV) 1 & 2:** * HHV-1 (oraal type): Koortsuitslag, oogaandoeningen, encephalitis. * HHV-2 (genitaal type): Letsels aan slijmvliezen van geslachtsdelen; kan gegeneraliseerde infectie en sterfte veroorzaken bij pasgeborenen; soms geassocieerd met cervixcarcinoom. * **HHV-3 (Varicella Zoster):** Waterpokken bij kinderen, gordelroos (zona) bij volwassenen. * **Herpesvirus van de aap (B-virus):** Oraal letsel bij apen, maar fatale encephalitis bij mensen na een beet. * **Herpesvirus van het varken (SHV-1, Ziekte van Aujeszky):** CZS-stoornissen, ademhalingsstoornissen, abortus, mummificatie. Pathogeen voor rund, kat, hond, nerts en andere diersoorten, veroorzaakt vaak fatale encephalitis. * **Bovien herpesvirus (BHV):** * BHV-1 (IBR-IPV): Infectieuze bovine rhinotracheïtis, infectieuze pustuleuze vulvovaginitis. Veroorzaakt ademhalingsstoornissen, conjunctivitis, abortus, CZS-stoornissen en diarree bij runderen. * BHV-2 (Bovien mammilitis): Ulceraties van de tepels. * **Equine herpesvirus (EHV):** * EHV-1: Abortus, ademhalingsstoornissen, soms zenuwstoornissen bij paarden. * EHV-3: Pustuleuze letsels van de slijmvliezen van de geslachtswegen. * EHV-4: Rhinopneumonie (ademhalingsstoornissen), antigenisch verwant aan EHV-1. * **Felinus herpesvirus-1 (FHV-1):** Niesziekte bij katten. * **Canid herpesvirus (CHV):** Gegeneraliseerde ziekte en sterfte bij jonge honden (<14 dagen), letsels aan de geslachtswegen bij oudere dieren. * **Gallid herpesvirus 2 (Merek-virus):** Kwaadaardige tumoren bij kippen. * **Herpesvirus duif:** Rhinitis, conjunctivitis en gegeneraliseerde ziektebeelden. #### 1.1.2 Bètaherpesvirinae * **Kenmerken:** Cytomegalovirussen met een langzame vermeerderingscyclus (> 24 uur) en een langzaam voortschrijdende infectie in celculturen. * **Infectie:** Veroorzaken latente infecties (in klierweefsel, nieren). * **Diersoort specifiek:** Zeer diersoortspecifiek. * **Belangrijke leden:** * **HHV-5 (Cytomegalovirus bij de mens, HCMV):** Subklinische infecties bij volwassenen; kan koorts en hepatitis veroorzaken na bloedtransfusies of immunosuppressie; kan congenitale misvormingen veroorzaken bij transplacentaire infectie. * **HHV-6:** Veroorzaakt drie-dagenkoorts bij kinderen (< 2 jaar). * **Suid herpesvirus 2 (Cytomegalovirus bij het varken):** Rhinitis bij biggen en transplacentaire infecties bij zeugen. #### 1.1.3 Gammaherpesvirinae * **Infectie:** Veroorzaken lymfoproliferatieve infecties, specifiek voor T- en B-lymfocyten. Sommige veroorzaken tumoren bij de natuurlijke gastheer. * **Latentie:** Blijven latent aanwezig in T- of B-lymfocyten. * **Belangrijke leden:** * **Epstein-Barr virus (EBV of HHV-4):** Veroorzaakt lymfomen in Afrika (in combinatie met malaria); infectieuze mononucleose ("kissing disease"). * **HHV-8 (Kaposi's sarcoma-associated herpesvirus):** Kan tumoren veroorzaken bij immuungecompromitteerde patiënten. * **Ovine herpesvirus 1:** Trage, progressieve ademhalingsstoornissen bij schapen. * **Boosaardig katharalkoorts (Alcelaphine herpesvirus 2 / Ovine herpesvirus 2):** Natuurlijke gastheren zijn gnoes of schapen; kan gegeneraliseerde infectie veroorzaken bij runderen (diarree, ademhalingsstoornissen). ### 1.2 Algemene Kenmerken Herpesviridae * **Overleving:** Vocht en koude verhogen de overlevingskansen. Relatief makkelijk geïnactiveerd door externe factoren en overleven slecht buiten de gastheer. * **Latentie:** Na primaire infectie blijft het virus levenslang in de cel aanwezig als genoom. Onder bepaalde omstandigheden kan het reactiveren, leidend tot virusproductie en uitscheiding. * **Transplacentaire infecties:** Kunnen abortus veroorzaken. * **Ernst:** Vooral ernstig bij jonge dieren of immunosuppressieve individuen. * **Opbouw:** dsDNA, lineair, 120-220 kbp, kubische symmetrie, 120-200 nm, envelop. * **Tegument:** Een extra eiwitlaag tussen kapsied en envelop die extra stabiliteit verleent. * **Vermeerderingscyclus:** Virus wordt opgenomen via receptor-gemedieerde endocytose. Na protonenopname in het endosoom ondergaat de envelop een conformatieverandering, wat leidt tot fusie en vrijstelling van het nucleokapsied in het cytoplasma. Vermeerdering en vorming van nucleokapsied vindt plaats in de kern. Het kapsied wordt omgeven door een envelop die wordt verkregen aan de binnenste kernmembraan, daarna migreert naar het Golgi-apparaat voor finale envelopvorming. Vrijstelling gebeurt via endocytose-vesikels. ## 2. Orthomyxoviridae De Orthomyxoviridae-familie bestaat uit enkelstrengs RNA-virussen met een negatieve polariteit (ssRNA(-)). Hun genoom is gesegmenteerd (6-8 segmenten). Ze hebben een schroefvormige symmetrie, een diameter van 80-120 nm en zijn omhuld door een envelop. ### 2.1 Belangrijke kenmerken * **Hemagglutinerende eigenschappen:** Alle leden bezitten deze eigenschap. * **Vermeerdering:** Vinden plaats in zowel de celkern als het cytoplasma. * **Gevoeligheid aan inactivatie:** Door de envelop zijn ze gevoelig voor tensioactieve stoffen. ### 2.2 Genera #### 2.2.1 Influenzavirus A * **Gastheerspecificiteit:** Zeer gastheerspecifiek. * **Antigene variatie:** Ondergaan gemakkelijke antigene variatie in hemagglutinine (HA) en neuraminidase (NA), belangrijke antigenen voor immuniteit. * **Antigene Shift:** Grote veranderingen in HA en/of NA door overdracht vanuit dierlijk reservoir of genetische reassortering wanneer 2 totaal verschillende influenzavirussen dezelfde cel infecteren. Dit kan leiden tot nieuwe subtypes. * **Antigene Drift:** Kleine, geleidelijke veranderingen. * **Reservoir:** Eenden en wilde watervogels zijn het belangrijkste natuurlijke reservoir (16 HA en 9 NA subtypes). * **Gastheers:** Mens, paard, varken, nerts, zeezoogdieren, gevogelte, wilde watervogels. * **Pathogeniciteit:** * **Wilde watervogels:** Meestal subklinische infecties. * **Kippen en kalkoenen:** Kunnen hoog-pathogene stammen (bv. H5, H7) hebben die gegeneraliseerde infectie met hoge sterfte veroorzaken; laag-pathogene stammen infecteren voornamelijk het ademhalingsstelsel. * **Transmissie:** Zelden onderhoudend in andere diersoorten dan het natuurlijke reservoir. #### 2.2.2 Influenzavirus B * **Gastheer:** Alleen bij de mens. * **Antigenen:** Slechts één subtype. * **Antigene variatie:** Geen antigene shift, veel minder drift dan type A. * **Ziektebeeld:** Minder ernstig dan type A, maar epidemieën komen vaak voor en worden opgenomen in vaccins. * **Latentie:** Blijft latent in kliercellen. #### 2.2.3 Influenzavirus C * **Gastheer:** Bijna alleen bij de mens, occasioneel bij varkens. * **Oppervlakte-eiwit:** Hemagglutinine-esterase (HE). * **Antigenen:** Antigenisch zeer stabiel. * **Ziektebeeld:** Milde luchtweginfecties (niet in vaccin). ### 2.3 Vergelijking Herpesviridae en Orthomyxoviridae | Kenmerk | Herpesviridae | Orthomyxoviridae | | :------------------- | :--------------------------------- | :------------------------------------------------ | | **Genetische samenstelling** | dsDNA, lineair, 120-220 kbp | ssRNA(-), gesegmenteerd (6-8), 80-120 nm | | **Morfologie** | Kubisch symmetrisch, envelop | Schroefvormig, envelop | | **Vermeerderingscyclus** | Kern en cytoplasma | Kern en cytoplasma | | **Gevoeligheid aan inactivatie** | Gevoelig voor tensioactieve stoffen | Gevoelig voor tensioactieve stoffen | ### 2.4 Vermeerderingscyclus Orthomyxoviridae * **Opname:** Via endocytose, gevolgd door fusie van het endosoom- en virusmembraan. * **Vrijkomen viraal RNA:** Viraal RNA wordt vrijgesteld in het cytoplasma. * **Vermeerdering:** In de celkern (transcriptie van viraal mRNA en replicatie van gensegmenten) en in het cytoplasma (synthese van virale eiwitten). * **Vrijstelling:** Via budding aan de plasmamembraan, waarbij het virus een envelop verkrijgt. ## 3. Virale Eiwitten en hun Functies Virale eiwitten worden onderverdeeld in structurele en niet-structurele eiwitten, met diverse functies essentieel voor het virus. ### 3.1 Structurele Eiwitten Dit zijn eiwitten die deel uitmaken van het virion (virusdeeltje). #### 3.1.1 Soorten structurele eiwitten en hun functies * **Kapsiedeiwitten:** Vormen de beschermende laag rond het genetisch materiaal. Ze zorgen voor de symmetrie van het viruspartikel en beschermen het genetisch materiaal tegen afbraak en inactivatie buiten de cel. * **Glycoproteïnen:** Geglycosyleerde eiwitten aan de oppervlakte van omhulde virussen. Ze hebben een hoge affiniteit voor receptoren op de celoppervlakte, bepalen het tropisme (welke cellen het virus kan infecteren) en induceren vaak neutraliserende antistoffen. * **Matrixeiwitten:** Een extra eiwitlaag onder de envelop (bv. bij Ortho- en Paramyxoviridae) die extra stabiliteit verleent aan het viruspartikel. * **Enzymen:** Sommige virussen bevatten virale enzymen die essentieel zijn voor de replicatie en direct na infectie nodig zijn, zoals een RNA-afhankelijk RNA-polymerase (bij RNA-virussen) of reverse transcriptase (bij retrovirussen). Deze zijn vaak ingebouwd in het virion. #### 3.1.2 Algemene Functies Structurele Eiwitten * **Bescherming van het nucleïnezuur:** Cruciaal voor het behoud van infectiviteit. * **Celbinding en -penetratie:** Bepalen het tropisme en de specificiteit van de virusinfectie. * **Immunogeniciteit:** Vormen de belangrijkste antigenen van het virus en stimuleren de immuunrespons, leidend tot de productie van antistoffen die bescherming bieden. #### 3.1.3 Voorbeeld: Influenza A Virus * **Envelop:** Bevat twee belangrijke glycoproteïnen: * **Hemagglutinine (HA):** Staafvormig trimeer. Cruciaal voor binding aan de cellulaire receptor en penetratie. Induceert beschermende neutraliserende antistoffen. * **Neuraminidase (NA):** Paddenstoelvormig tetrameer. Belangrijk voor het verbreken van de binding tussen HA en receptor, faciliteert vrijlating van nieuwe virusdeeltjes. * **Matrixeiwitten:** * **M1:** Vormt een laag onder de envelop en zorgt voor stabiliteit. * **M2:** Een minder talrijk membraangeassocieerd eiwit met een ionkanaalfunctie, essentieel voor de ontmanteling van het virus na endocytose (in griep A). * **Genoom:** 8 RNA-segmenten, elk geassocieerd met een nucleoproteïne (NP). * **Polymerasen:** 3 virale polymerasen (PA, PB1, PB2) zijn essentieel voor RNA-replicatie en transcriptie en maken deel uit van het virion. ### 3.2 Niet-Structurele Eiwitten Dit zijn eiwitten die tijdens de virusreplicatie in de cel worden gevormd, maar niet worden ingebouwd in het nieuwe virion. Ze zijn vaak betrokken bij de regulatie van de virusreplicatie of het ontwijken van de immuunrespons. #### 3.2.1 Voorbeeld: Influenza A Virus * **NS1 (niet-structureel):** Komt alleen in geïnfecteerde cellen voor. Onderrukt de antivirale respons van de gastheercel. * **NS2 (ook wel NEP genoemd):** Hoewel soms als structureel eiwit genoemd omdat het in het virion aanwezig is, is zijn primaire rol tijdens de replicatiecyclus (export van ribonucleoproteïnecomplexen uit de kern). ### 3.3 Overige Functies * **Immunostimulatie:** Virale eiwitten stimuleren de vorming van antistoffen, zowel tegen externe (structurele) als interne (niet-structurele) eiwitten. Interne eiwitten worden vrijgesteld na virusvermeerdering en kunnen ook het immuunsysteem stimuleren. ## 4. Gevoeligheid aan Inactivatie Beide families, Herpesviridae en Orthomyxoviridae, hebben een envelop. Virussen met een envelop zijn over het algemeen gevoeliger voor inactivatie door factoren zoals tensioactieve stoffen, uitdroging en warmte, vergeleken met naakte virussen. --- **Tip:** Bij het bestuderen van virusfamilies, focus op de consistenties en verschillen in hun genetisch materiaal (DNA vs. RNA, enkel- vs. dubbelstrengs, gesegmenteerd vs. niet-gesegmenteerd), morfologie (kubisch, schroefvormig, complex, envelop ja/nee), replicatieplaats (kern vs. cytoplasma) en hun overleving in de omgeving. Dit helpt bij het begrijpen van hun transmissiewijzen en ziektebeelden. --- # Virale eiwitten en hun functies Virale eiwitten spelen een cruciale rol in de structuur van het virusdeeltje en zijn essentieel voor de levenscyclus van het virus, inclusief de replicatie en interactie met de gastheercel. ## 2. Virale eiwitten en hun functies Virale eiwitten kunnen worden onderverdeeld in structurele en niet-structurele eiwitten, elk met specifieke functies. ### 2.1 Structurele eiwitten Structurele eiwitten bevinden zich binnen het virusdeeltje en zijn verantwoordelijk voor de opbouw ervan. Ze worden verder onderverdeeld in: * **Kapsiedeiwitten:** Deze eiwitten vormen de beschermende laag rond het virale genetisch materiaal (nucleïnezuur). Ze bestaan vaak uit meerdere identieke polypeptideketens die zich repetitief rangschikken om de symmetrie van het viruspartikel te vormen. Ze beschermen het nucleïnezuur tegen afbraak in de omgeving en kunnen specifiek binden aan receptoren op de gastheercel, wat bepaalt welke cellen geïnfecteerd kunnen worden (tropisme). * **Glycoproteïnen:** Dit zijn geglycosyleerde eiwitten die typisch aan de buitenkant van virussen met een envelop voorkomen, vaak in de vorm van dimeren of trimeren. Ze spelen een sleutelrol bij de binding aan gastheercellen en het binnendringen van het virus. * **Matrix eiwitten:** Deze eiwitlaag bevindt zich onder de envelop en geeft het virusdeeltje extra stabiliteit. Ze komen voor bij verschillende virusfamilies, zoals ortho- en paramyxovirussen. * **Eiwitten/enzymen die betrokken zijn bij virusvermeerdering:** Sommige enzymen die essentieel zijn voor de replicatie van het virale genoom, zoals reverse transcriptase bij retrovirussen of RNA-polymerasen, zijn al onderdeel van het virusdeeltje (virion). ### 2.2 Niet-structurele eiwitten Niet-structurele eiwitten worden aangemaakt tijdens de virusreplicatie in de gastheercel, maar worden niet opgenomen in het nieuwe virusdeeltje. Hun functie is voornamelijk gericht op het manipuleren van de gastheercel en het ontwijken van de immuunrespons. #### 2.2.1 Functies van virale eiwitten * **Bescherming van het nucleïnezuur:** Kapsiedeiwitten beschermen het virale DNA of RNA tegen fysieke en chemische schade, wat essentieel is voor het behoud van de infectiviteit buiten de gastheercel. * **Binding aan gastheercellen (Tropisme):** Oppervlakkige viruseiwitten, met name glycoproteïnen en kapsiedeiwitten, herkennen en binden aan specifieke receptoren op de celmembraan van de gastheercel. Dit bepaalt welk type cel of organisme geïnfecteerd kan worden (diersoortspecificiteit en celspecificiteit). * **Stimuleren van immuunrespons:** Virale eiwitten vormen de antigenen van het virus en stimuleren de aanmaak van antistoffen door het immuunsysteem. Sommige neutraliserende antistoffen beschermen de gastheer tegen herinfectie. Zowel externe als interne virale eiwitten kunnen na de replicatie in de cel vrijkomen en het immuunsysteem stimuleren. * **Enzymatische activiteit:** Sommige virussen brengen eigen enzymen mee die nodig zijn voor de replicatie van hun genetisch materiaal in de gastheercel, zoals RNA-polymerasen bij RNA-virussen. * **Modulatie van de gastheercel en immuunrespons:** Niet-structurele eiwitten kunnen de celcyclus van de gastheercel manipuleren, cellulaire processen overnemen voor virale replicatie, of de immuunrespons van de gastheer onderdrukken. Een voorbeeld hiervan is het NS1-eiwit van influenza A, dat de antivirale respons van de gastheer onderdrukt. #### 2.2.2 Voorbeeld: Influenza A virus Het influenza A virus illustreert de functies van verschillende virale eiwitten: * **Hemagglutinine (HA):** Een staafvormig trimeer glycoproteïne aan het virusoppervlak. Het is cruciaal voor de binding aan sialzuur (neuraminezuur) op de celmembraan van de gastheercel en speelt een rol bij het binnendringen van het virus in de cel. Het HA-eiwit is een belangrijk doelwit voor neutraliserende antistoffen. * **Neuraminidase (NA):** Een paddenstoelvormig tetrameer glycoproteïne aan het virusoppervlak. Het breekt de binding tussen het HA-eiwit en sialzuur op het celoppervlak, wat essentieel is voor de vrijgave van nieuwe virusdeeltjes uit de geïnfecteerde cel en hun verspreiding. Het NA-eiwit is ook een antigeen, maar de antistoffen hiertegen zijn minder sterk beschermend dan die tegen HA. * **Matrix-eiwit M1:** Een binnenste eiwitlaag onder de envelop die structuur en stabiliteit aan het virus geeft. Het is betrokken bij de assemblage van het virus. * **Matrix-eiwit M2:** Een klein membraangeassocieerd eiwit met een ionenkanaalfunctie. Het vormt een protonenkanaal in het endosoom, wat bijdraagt aan de pH-daling die nodig is voor de conformatieverandering van HA en de vrijgave van het virale genoom in het cytoplasma. * **Nucleoproteïne (NP):** Een eiwit dat zich bindt aan het virale RNA en samen met het RNA de ribonucleoproteïnecomplexen (RNPs) vormt. Deze RNPs zijn essentieel voor de replicatie en transcriptie van het virale genoom. * **Polymerasen (PA, PB1, PB2):** Deze drie eiwitten vormen samen het virale RNA-afhankelijke RNA polymerase complex, dat verantwoordelijk is voor de replicatie en transcriptie van de acht RNA-segmenten van het influenza A genoom. Ze zijn structurele componenten van de RNPs. * **Niet-structureel eiwit NS1:** Dit eiwit komt alleen voor in geïnfecteerde cellen en onderdrukt de antivirale respons van de gastheercel, wat het virus helpt de immuunrespons te ontwijken. * **Niet-structureel eiwit NS2 (of NEP):** Hoewel soms ingedeeld als niet-structureel, maakt dit eiwit deel uit van het virion en is het verantwoordelijk voor de export van de ribonucleoproteïnecomplexen uit de celkern naar het cytoplasma. --- # Genetische veranderingen en resistentie bij virussen Dit hoofdstuk behandelt de genetische veranderingen die virussen ondergaan tijdens hun vermeerdering en hun resistentie tegen omgevingsfactoren. ## 3 Genetische veranderingen en resistentie bij virussen ### 3.1 Inleiding tot genetische veranderingen bij virussen Virussen ondergaan tijdens hun replicatie voortdurend genetische veranderingen. Deze veranderingen zijn cruciaal voor hun evolutie, aanpassing aan nieuwe gastheren en het omzeilen van immuunresponsen. De belangrijkste mechanismen die leiden tot genetische variatie zijn mutaties, recombinaties en reassortment. Deze processen resulteren in een toenemende genetische diversiteit binnen viruspopulaties, wat de ontwikkeling van nieuwe virusstammen met potentieel veranderde eigenschappen kan veroorzaken. ### 3.2 Mutaties Mutaties zijn spontane veranderingen in het virale genoom die optreden tijdens de replicatie van het virus. Aangezien virussen met een hoog tempo van vermeerdering grote aantallen nakomelingen produceren uit één infectieus partikel, is er een statistisch significante kans op fouten bij het kopiëren van het virale genoom. * **Impact van mutaties:** * **Lethale mutaties:** De meeste mutaties zijn letaal, wat betekent dat ze leiden tot een verlies van essentiële genetische informatie die nodig is voor virusreplicatie en infectiviteit. * **Niet-letale mutaties:** Niet-letale mutaties kunnen leiden tot fenotypische veranderingen. Het overleven en de verspreiding van virussen met dergelijke mutaties zijn afhankelijk van of de fenotypische veranderingen nadelig, neutraal of voordelig zijn voor het virus. * **Frequentie:** RNA-virussen hebben over het algemeen een hogere mutatiefrequentie dan DNA-virussen. Dit komt doordat RNA-polymerasen vaak geen proofreading mechanisme hebben, wat leidt tot een hogere foutenlast tijdens de replicatie. DNA-polymerasen daarentegen hebben wel proofreading, wat de genetische stabiliteit van DNA-virussen verhoogt. ### 3.3 Recombinatie Recombinatie is het proces waarbij genetisch materiaal wordt uitgewisseld tussen twee verschillende, maar meestal verwante virussen die dezelfde cel infecteren. * **Mechanisme:** * Bij virussen met een genoom bestaande uit een enkele molecule dsDNA of RNA kan recombinatie optreden na een breuk in een nucleïnezuurstreng, gevolgd door een recombinatie met een nieuw stuk nucleïnezuur (intramoleculaire recombinatie). * Een nieuw recombinant virus ontstaat wanneer het genetisch materiaal dat in het kapsied terechtkomt een volledig genoom vormt en de genoomdelen van de twee oudervirussen elkaar aanvullen tot een volledig genoom. ### 3.4 Reassortment Reassortment treedt op bij RNA-virussen met een gesegmenteerd genoom, wat resulteert in de herschikking van genoomfragmenten. Dit mechanisme is met name van belang bij influenzavirussen en is de basis voor antigene shift. * **Mechanisme:** * Wanneer twee influenzavirussen, elk met hun eigen set genoomsegmenten, dezelfde cel infecteren, kunnen segmenten tussen de virussen worden uitgewisseld. * Dit leidt tot de creatie van nieuwe combinaties van genoomsegmenten. * **Impact:** * Bepaalde van deze reassortanten kunnen gewijzigde hemagglutinine (HA) en/of neuraminidase (NA) genen bevatten vergeleken met het oorspronkelijk circulerende virus. * Tegen dergelijke reassortanten is bestaande populatie-immuniteit vaak niet werkzaam, wat kan leiden tot pandemieën. Bij influenzavirussen zijn er 8 genoomsegmenten. Bij een co-infectie met twee totaal verschillende influenzavirussen zijn er dus 28 mogelijke nieuwe combinaties. * **Voorbeeld:** Het H1N1 virus dat in 2009 een pandemie veroorzaakte, was een reassortant ontstaan uit influenzavirussen van varkens en vogels, met nieuwe HA- en NA-genen. ### 3.5 Genetische stabiliteit en variatie bij virusfamilies Verschillende virusfamilies vertonen variërende mate van genetische stabiliteit en gevoeligheid voor veranderingen. * **Herpesviridae:** * **Genoom:** dsDNA, lineair, 120-220 kbp. * **Variatie:** Hoewel ze een DNA-genoom hebben, wat doorgaans stabieler is, kunnen ook herpesvirussen mutaties en recombinaties ondergaan, zij het in mindere mate dan RNA-virussen. Latente infecties bieden ook mogelijkheden voor virusreactivatie en bijbehorende genetische veranderingen. * **Orthomyxoviridae (Influenzavirussen):** * **Genoom:** ssRNA (-), gesegmenteerd (6-8 segmenten). * **Variatie:** Deze familie staat bekend om zijn "genetische labiliteit". Reassortment van hun gesegmenteerde genoom leidt tot antigene shift, terwijl puntmutaties in de segmenten leiden tot antigene drift. Deze mechanismen maken influenzavirussen zeer adaptief en verantwoordelijk voor frequente epidemieën en pandemieën. ### 3.6 Resistentie tegenover omgevingsfactoren en inactiverende stoffen Virussen variëren in hun gevoeligheid voor omgevingsfactoren en chemische of fysische inactiveringsmethoden. De aanwezigheid van een envelop speelt hierin een belangrijke rol. * **Virussen met envelop:** * **Gevoeligheid:** Over het algemeen zijn virussen met een lipide envelop gevoeliger voor inactivering door omgevingsfactoren zoals uitdroging, hitte, detergenten en alcohol. De envelop kan gemakkelijk worden beschadigd, wat de infectiviteit van het virus tenietdoet. * **Voorbeelden:** Herpesvirussen, Orthomyxoviridae, Retroviridae. * **Naakte virussen (zonder envelop):** * **Resistentie:** Deze virussen zijn over het algemeen resistenter tegen omgevingsfactoren. Ze missen de kwetsbare lipide envelop en hun nucleïnezuur wordt beschermd door het stabiele kapsied. * **Voorbeelden:** Papovaviridae (Papillomavirussen, Polyomavirussen), Picornaviridae (Poliovirus, Rhinovirus), Adenoviridae, Reoviridae (Rotavirus), Parvoviridae. * **Factoren die de resistentie beïnvloeden:** * **Temperatuur:** Veel virussen worden geïnactiveerd door hitte, maar sommigen, zoals Parvovirussen en Hepatitis A, zijn opmerkelijk hittebestendig. Lage temperaturen, zoals -40°C of lager, kunnen de infectiviteit van virussen juist jarenlang behouden. * **pH:** Sommige virussen, zoals Enterovirussen, zijn zuurstabiel, terwijl Rhinovirussen zuurgevoelig zijn. * **Detergenten:** Detergenten breken de lipide envelop van omhulde virussen af, maar hebben weinig effect op naakte virussen. * **UV-straling:** UV-straling kan het virale nucleïnezuur beschadigen, wat leidt tot inactivatie. * **Droogte:** Naakte virussen zijn vaak goed bestand tegen uitdroging, terwijl omhulde virussen hier gevoeliger voor zijn. ### 3.7 Vergelijking van families: Herpesviridae vs. Orthomyxoviridae | Kenmerk | Herpesviridae | Orthomyxoviridae | | :---------------------- | :----------------------------------------------- | :---------------------------------------------------- | | **Genoomtype** | dsDNA, lineair | ssRNA (-), gesegmenteerd (6-8 segmenten) | | **Symmetrie** | Kubisch (icosaëdrisch) | Schroefvormig | | **Envelop** | Ja | Ja | | **Grootte** | 120-200 nm | 80-120 nm | | **Replicatieplaats** | Kern | Kern (transcriptie/replicatie), Cytoplasma (assemblage) | | **Genetische Variatie** | Lager (DNA-genoom, maar recombinatie mogelijk) | Hoog (RNA-genoom, reassortment, mutaties) | | **Resistentie** | Gevoelig voor detergenten; overleven in vocht/kou | Gevoelig voor detergenten; redelijk stabiel | ### 3.8 Virusvermeerdering: gevolgen en verschillen Virusvermeerdering vindt altijd intracellulair plaats, wat significante gevolgen heeft voor zowel het virus als de behandeling van virale ziekten. * **Gevolgen voor het virus:** * Afhankelijkheid van gastheercellen voor replicatie-enzymen en metabolische processen. * Kwetsbaarheid voor antivirale middelen die cellulaire processen beïnvloeden. * **Gevolgen voor behandeling:** * Virale infecties zijn moeilijk te behandelen omdat antivirale middelen selectief moeten zijn om virale replicatie te remmen zonder de gastheercellen ernstig te beschadigen. * Veel antivirale middelen richten zich op specifieke virale enzymen (bv. reverse transcriptase, protease) of nucleïnezuursynthese. * **Verschillen tussen RNA- en DNA-virussen in vermeerderingscyclus:** * **Nucleïnezuursynthese:** DNA-virussen repliceren hun DNA meestal in de kern met behulp van cellulaire DNA-polymerasen (met enkele uitzonderingen zoals Poxviridae die in het cytoplasma repliceren en virale DNA-polymerasen gebruiken). RNA-virussen repliceren hun RNA meestal in het cytoplasma met behulp van virale RNA-afhankelijke RNA-polymerasen (met enkele uitzonderingen zoals Orthomyxovirussen die transcriptie en RNA-synthese in de kern doen, en Retrovirussen die via een DNA-intermediair in de kern integreren en transcriberen). * **Eiwitsynthese:** Beide typen virussen gebruiken cellulaire ribosomen in het cytoplasma voor de synthese van hun eiwitten. * **Genoomgrootte en eiwitaantal:** DNA-virussen, met name grote, kunnen meer virale eiwitten coderen dan de meeste RNA-virussen. * **Mutaties:** RNA-virussen ondergaan snellere mutaties door het gebrek aan proofreading in hun RNA-polymerasen. ### 3.9 Virale eiwitten: structureel en niet-structureel Virale eiwitten hebben diverse functies, zowel structureel (onderdeel van het virion) als niet-structureel (gesynthetiseerd tijdens replicatie maar niet ingebouwd in het virion). * **Structurele eiwitten:** * **Kapsiedeiwitten:** Vormen de symmetrische structuur rond het nucleïnezuur, beschermen het genoom en spelen een rol bij de binding aan celreceptoren. * **Glycoproteïnen:** Bevinden zich op het oppervlak van omhulde virussen, spelen een rol bij virus-cel interactie (adsorptie, penetratie) en zijn vaak belangrijke antigenen. * **Matrixeiwitten:** Een laag onder de envelop die stabiliteit verleent aan het virion. * **Enzymen:** Sommige virussen bevatten virale enzymen in het virion die essentieel zijn voor de eerste stappen van replicatie (bv. reverse transcriptase in retrovirussen, polymerasen in influenzavirussen). * **Niet-structurele eiwitten:** * Worden tijdens de virusreplicatie in de cel geproduceerd. * Hebben functies zoals het reguleren van de replicatiecyclus, het onderdrukken van de cellulaire respons, of het omzetten van viraal materiaal (bv. NS1 eiwit in Influenza dat de antivirale respons onderdrukt). ### 3.10 Genetische veranderingen en resistentie in de praktijk De genetische veranderingen en de inherente resistentie van virussen hebben directe implicaties voor de volksgezondheid en diergeneeskunde, met name in de ontwikkeling van vaccins en antivirale therapieën. * **Vaccinontwikkeling:** De genetische instabiliteit van sommige virussen (bv. Influenza) vereist frequente aanpassing van vaccins. Technieken als reassortment worden gebruikt om vaccins te produceren. * **Antivirale therapie:** De hoge mutatiefrequentie van RNA-virussen kan snel leiden tot resistentie tegen antivirale middelen. Dit vereist voortdurend onderzoek naar nieuwe geneesmiddelen en combinatietherapieën. --- **Tip:** Bestudeer de Baltimore-classificatie van virussen (gebaseerd op het genoomtype en de vermenigvuldigingsstrategie) om de genetische veranderingen en replicatiemechanismen beter te begrijpen. De verschillen tussen DNA- en RNA-virussen zijn fundamenteel voor hun gedrag en genetische evolutie. --- # Diagnostiek, behandeling en preventie van virale infecties Hier is een gedetailleerde en uitgebreide samenvatting voor het onderwerp "Diagnostiek, behandeling en preventie van virale infecties", gebaseerd op de verstrekte documentinhoud, met nadruk op de gevraagde pagina's. ## 4. Diagnostiek, behandeling en preventie van virale infecties Dit onderwerp verkent de fundamentele aspecten van het detecteren, bestrijden en voorkomen van virale infecties, met aandacht voor diagnostische methoden, de werking van antivirale middelen, de ontwikkeling van vaccins en de rol van het immuunsysteem. ### 4.1 Virus classificatie en morfologie Virussen worden geclassificeerd op basis van verschillende criteria: * **Viraal nucleïnezuur:** DNA of RNA, enkel- of dubbelstrengs, lineair of circulair, en of het genoom gesegmenteerd is. * **Virion zelf:** Grootte, symmetrie van het kapsied (kubisch, schroefvormig, complex), en de aanwezigheid van een envelop. * **Bijkomende criteria:** Plaats van vermeerdering (celkern of cytoplasma), cytopathisch effect in celculturen, antigene en genetische verwantschap. #### 4.1.1 Belangrijke virusfamilies en leden Enkele belangrijke virusfamilies met hun kenmerken en leden: * **Herpesviridae (dsDNA virus):** * Lineair dsDNA, 120-220 kbp, kubische symmetrie, 120-200 nm, envelop. * **Subfamilies:** * **Alfaherpesvirinae:** Snelle replicatie (<24u), veroorzaken latente infecties, verspreiden zich snel in celculturen, duidelijke cytopathogeen effect (CPE). * Leden: HHV-1 (koortsblazen), HHV-2 (genitale herpes), HHV-3 (waterpokken/zona), Herpes B virus (apen, dodelijk voor mens), Suid herpesvirus 1 (Aujeszky), Bovien herpesvirus 1 (IBR/IPV), Equine herpesvirus (EHV-1, -3, -4), Feline herpesvirus 1 (niesziekte), Gallid herpesvirus 2 (Marekse ziekte). * **Betaherpesvirinae:** Langzame replicatie (>24u), langzame infectie in celculturen, latente infecties (klierweefsel, nier), diersoortspecifiek. * Leden: HHV-5 (CMV bij mens), HHV-6, Suid herpesvirus 2 (cytomegalovirus varken). * **Gammaherpesvirinae:** Veroorzaken lymfoproliferatieve infecties, specifiek voor T- en B-lymfocyten, sommige veroorzaken tumoren. * Leden: EBV (HHV-4, mononucleosis infectiosa), HHV-8 (Kaposi-sarcoom geassocieerd). * **Orthomyxoviridae (ssRNA(-) virus):** * ssRNA (-), gesegmenteerd (6-8 segmenten), schroefvormige symmetrie, 80-120 nm, envelop. * Hemagglutinerende eigenschappen, vermeerdering in celkern en cytoplasma. * **Genera:** * **Influenzavirus A:** Zeer gastheerspecifiek, ondergaat snelle antigene variatie (drift en shift). Groot natuurlijk reservoir in watervogels. Kan genetische reassortiment ondergaan. Kan mens, paard, varken, gevogelte, etc. infecteren. Subtypes H5 en H7 kunnen hoog pathogeen zijn voor pluimvee. * **Influenzavirus B:** Alleen bij de mens, 1 subtype. Geen antigene shift, minder drift. Minder ernstig ziektebeeld maar opgenomen in vaccin. * **Influenzavirus C:** Bij de mens (occasioneel varken). Antigenisch zeer stabiel, veroorzaakt milde luchtweginfecties. Niet in vaccin. #### 4.1.2 Virale eiwitten: structureel en niet-structureel Virale eiwitten hebben diverse functies: * **Structurele eiwitten:** Bevinden zich in het virusdeeltje (virion). * **Kapsiedeiwitten:** Polypeptideketens die symmetrie verzorgen en het genetisch materiaal beschermen. * **Glycoproteïnen:** Geglycosyleerde eiwitten aan de oppervlakte van omhulde virussen, betrokken bij interactie met de gastheercel (bv. hemagglutinine, neuraminidase bij influenza). * **Matrixeiwitten:** Lagen onder de envelop, zorgen voor stabiliteit (bv. M1 bij influenza). * **Enzymen:** Soms ingebouwd in het virion, nodig voor replicatie (bv. RNA polymerase bij orthomyxovirussen). * **Niet-structurele eiwitten:** Worden geproduceerd tijdens virusreplicatie in de cel maar niet ingebouwd in het virion. * Functies: Moduleren van de gastheercelrespons, onderdrukking van antivirale afweer (bv. NS1 bij influenza). **Voorbeeld Influenza A:** * **Structureel:** Hemagglutinine (HA), Neuraminidase (NA), Matrixeiwitten (M1, M2), Nucleoproteïne (NP), Polymerasen (PA, PB1, PB2). * **Niet-structureel:** NS1 (onderdrukt antivirale respons), NS2 (structureel, export RNP uit kern). ### 4.2 Vermeerderingscyclus en verschillen tussen DNA- en RNA-virussen Virussen vermeerderen zich intracellulair, wat gevolgen heeft voor hun behandeling. #### 4.2.1 Gevolgen van intracellulaire replicatie * **Voor het virus:** Virussen zijn afhankelijk van de cellulaire machinerie van de gastheer voor replicatie, assemblage en vrijgave. * **Voor de behandeling:** Antivirale middelen moeten gericht zijn op specifieke stappen in de viruscyclus (bv. replicatie, assemblage) zonder de gastheercel ernstig te beschadigen. Dit is lastig omdat veel processen gedeeld worden met de gastheercel. #### 4.2.2 Verschillen tussen RNA- en DNA-virussen in vermeerderingscyclus | Kenmerk | DNA virussen (bv. Herpesviridae) | RNA virussen (bv. Orthomyxoviridae, Picornaviridae) | | :-------------------------- | :------------------------------------------------------------------------------------------------- | :--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | | **Genoom** | Meestal dubbelstrengs DNA, lineair of circulair. | Enkelstrengs of dubbelstrengs RNA, lineair of gesegmenteerd. | | **Plaats synthese nucleïnezuur** | Voornamelijk celkern (uitzondering: Poxviridae in cytoplasma). | Voornamelijk cytoplasma (uitzondering: Orthomyxoviridae, Retroviridae deels in kern). | | **Polymerasen voor synthese** | Gebruiken vaak cellulaire DNA-afhankelijke DNA- en RNA-polymerasen. | Brengen eigen RNA-afhankelijke RNA-polymerasen mee (essentieel voor -ssRNA). Retrovirussen hebben reverse transcriptase. | | **Synthese eiwitten** | In cytoplasma (translatie van mRNA). | In cytoplasma (translatie van mRNA). | | **Replicatiefrequentie** | Lagere mutatiesnelheid door proofreading van DNA-polymerasen. | Hogere mutatiesnelheid door ontbreken van proofreading van RNA-polymerasen, wat leidt tot quasispecies. | | **Integratie in gastheergenoom** | Zelden, behalve bij sommige dsDNA virussen die een provirus vormen (bv. Papovavirussen, Hepadnavirussen). | Vaak bij retrovirussen (RNA -> DNA via reverse transcriptase, integratie als provirus). Orthomyxovirussen en Picornavirussen integreren niet. | | **Vrijgave** | Cytolyse of budding (afhankelijk van envelop). | Budding (omhulde virussen) of cytolyse (naakte virussen). | **Voorbeeld DNA-families met leden:** * **Herpesviridae:** Humaan herpesvirus 1, Equine herpesvirus 4. * **Poxviridae:** Variolavirus (mensenpokken), Vacciniavirus (koepokken). * **Parvoviridae:** Porcien parvovirus, Canien parvovirus. **Voorbeeld RNA-families met leden:** * **Orthomyxoviridae:** Influenza A, Influenza B. * **Paramyxoviridae:** Bovien parainfluenzavirus type 3, Newcastle disease virus. * **Retroviridae:** Humane immunodeficiëntievirus (HIV), Equine infectieus anemie virus. ### 4.3 Genetische veranderingen bij virusvermeerdering Virussen ondergaan diverse genetische veranderingen tijdens replicatie: * **Mutaties:** Spontane fouten bij het kopiëren van het virale genoom. Meestal letaal, maar soms neutraal of voordelig. RNA-virussen hebben een hogere mutatiefrequentie dan DNA-virussen. * **Recombinaties:** Uitwisseling van genetisch materiaal tussen gerelateerde virussen die dezelfde cel infecteren, resulterend in een nieuw recombinant virus. Kan optreden bij DNA- en RNA-virussen met enkelstrengs genomen. * **Reassortiment:** Herschikking van genoomsegmenten bij virussen met een gesegmenteerd genoom (bv. Influenza). Basis voor antigene shift en pandemieën. **Voorbeelden:** * **Influenza:** Genetische reassortiment is cruciaal voor antigene shift, waarbij nieuwe HA/NA-subtypes ontstaan die bestaande populatie-immuniteit omzeilen. * **Retrovirussen:** Hoge mutatiefrequentie van reverse transcriptase leidt tot snelle ontwikkeling van resistentie en antigene variatie (bv. HIV). ### 4.4 Diagnostiek van virale infecties Diagnostiek kan op verschillende manieren plaatsvinden: #### 4.4.1 Rechtstreekse detectie (virus, antigenen, nucleïnezuren) * **Elektronenmicroscopie:** Directe visualisatie van virusdeeltjes. Vereist hoge concentraties, weinig gevoelig. * **Hemagglutinatie (HA):** Detectie van virussen die rode bloedcellen agglutineren (bv. Influenza). Geeft indicatie van virus aanwezigheid. * **Detectie van virale antigenen:** * **Immunofluorescentie (IF) / Immunoperoxidase (IPMA/IHC):** Aantonen van virale antigenen intracellulair in weefselsneden of celpreparaten. Snel en specifiek. * **ELISA voor antigenen:** Detectie van virale antigenen in suspensies (secreties/excreties). Gevoelig en snel. * **Agar gel precipitatie (immunodiffusie):** Voor antigenen in secreties/excreties, minder gevoelig. * **Immunoblotting (Western blot):** Zeer specifiek voor antigenen in suspensies. * **Detectie van viraal nucleïnezuur:** * **In situ hybridisatie:** Aantonen van viraal nucleïnezuur intracellulair. * **Dot blot / Northern / Southern blotting:** Detectie van viraal nucleïnezuur in suspensies. * **PCR (Polymerase Chain Reaction):** Zeer gevoelige methode voor het amplificeren en detecteren van viraal DNA of RNA. * **Real-time PCR:** Kwantificatie van viraal nucleïnezuur. #### 4.4.2 Onrechtstreekse detectie (via virusisolatie of serologie) * **Virusisolatie/kweek:** * **Celculturen:** Vermeerdering van het virus in cellijnen. Detectie via CPE (Cytopathogeen Effect), hemadsorptie, of inclusielichaampjes. Primair celculturen zijn het meest gevoelig. * **Kweek in eieren of proefdieren:** Voor virussen die niet in celculturen groeien. * **Serologische tests (detectie van antistoffen):** Diagnose via de immuunrespons van de gastheer. Vereist vaak gepaarde sera (acuut en convalescent) om seroconversie (viervoudige stijging van antistoftiter) aan te tonen. * **ELISA (voor antistoffen):** Gevoelig, specifiek, geschikt voor grootschalig onderzoek. * **Virusneutralisatietest (SN):** Meet de aanwezigheid van neutraliserende antistoffen en geeft een index van bescherming. * **Hemagglutinatie-inhibitietest (HI):** Detecteert antistoffen die de agglutinatie van RBC door virale HA remmen. Correlatie met bescherming bij HA-positieve virussen. * **Complementbindingstest (CF).** * **Indirecte immunofluorescentie (voor antistoffen).** ### 4.5 Behandeling van virale infecties: antivirale middelen Antivirale middelen grijpen in op specifieke stappen van de virusreplicatiecyclus: 1. **Remming van adsorptie/penetratie:** Moeilijk te remmen met medicijnen; neutraliserende antistoffen (via immunotherapie) zijn hier effectief. 2. **Remming van ontmanteling (uncoating):** * Amantadine (tegen Influenza A): Blokkeert M2 ionkanaal. Hoge resistentieontwikkeling, beperkt gebruik. 3. **Remming van biosynthese van virale componenten:** * **Nucleoside-analogen (chain terminators):** Geactiveerd in geïnfecteerde cellen, worden ingebouwd in virale DNA/RNA keten en stoppen de synthese. Hoge selectiviteit. * Aciclovir (tegen herpesvirussen): Actief na activatie door viraal thymidine kinase. * AZT (Zidovudine) (tegen retrovirussen): Remt reverse transcriptase. * **Niet-nucleoside RT-inhibitoren:** Bindt aan reverse transcriptase van HIV. * **Ribavirine:** Breed spectrum, veroorzaakt lethale mutagenese in RNA. * **Foscarnet:** Bindt direct aan virale polymerasen. * **Interferonen:** Remmen virale eiwit- en nucleïnezuur-synthese, versterken immuunrespons. Meer profylactisch, veel bijwerkingen. 4. **Remming van assemblage:** * **Protease-inhibitoren:** Blokkeren virale proteasen, verhinderen rijping van virions (bv. Indinavir tegen HIV). 5. **Remming van vrijkomen van virus:** * **Neuraminidase-inhibitoren (Oseltamivir, Zanamivir):** Remmen neuraminidase van Influenza A en B, verhinderen vrijzetting van nieuwe virions. ### 4.6 Preventie van virale infecties: vaccins Vaccins stimuleren zowel de niet-specifieke (vroege immuunrespons via cytokines zoals interferonen) als de specifieke immuniteit (B-cel respons, T-cel respons, geheugenrespons). #### 4.6.1 Typen vaccins * **Geïnactiveerde vaccins:** Volledig virus geïnactiveerd (bv. met formaldehyde). Veilig, geen replicatie, maar vaak booster nodig en beperkte cellulaire immuniteit. Hebben vaak adjuvans nodig om immuunrespons te versterken. * **Adjuvantia:** Verbeteren immuunrespons (depot effect, presentatie Ag, ontstekingseffect). Aluminiumzouten, olie-in-water emulsies, virosomen, ISCOMs. * **Levende verzwakte vaccins:** Virus met gereduceerde virulentie. Bootsen natuurlijke infectie goed na, wekken sterke cellulaire en humorale immuniteit op, vaak eenmalige toediening volstaat. Risico op reversie naar virulentie en interferentie met andere vaccins. * **Subunit vaccins:** Bevatten alleen specifieke virale antigenen (bv. oppervlakte-eiwitten), geproduceerd via recombinant DNA technologie of chemische dissociatie. Zeer veilig, maar vaak minder immunogeen dan levende vaccins en wekken vooral humorale immuniteit op. * **Vectorvaccins:** Genetisch gemodificeerd virus (vector) dat een gen van een ander virus draagt om de productie van specifieke virale eiwitten te induceren. Veilig, wekken zowel humorale als cellulaire immuniteit op. Vacciniavirus is een veelgebruikte vector. * **Naakt DNA/RNA vaccins:** Nieuwste technologie, bevat viraal genetisch materiaal dat in de gastheercel de productie van virale eiwitten induceert. #### 4.6.2 Factoren bij vaccinatie * **Maternale immuniteit (colostrum/melk):** Kan interfereren met de effectiviteit van vaccinatie bij jonge dieren door neutralisatie van het vaccinantigeen. * **Toedieningsweg:** Parenteraal (injectie) of lokaal (orale, intranasale toediening) beïnvloedt het type immuniteit (systemisch vs. mucosale). Levende verzwakte vaccins kunnen vaak lokaal toegediend worden. ### 4.7 Viruspersistentie en immuniteit * **Persisterende infecties:** Virussen blijven aanwezig in de gastheer na de acute fase (chronisch, latent, trage progressieve infecties, immunotolerantie). Dit kan door immunologische ontwijking, integratie in het genoom (retrovirussen), of latentie in zenuwcellen (herpesvirussen). * **Latentie:** Virusgenoom blijft aanwezig zonder virusproductie, met mogelijkheid tot reactivatie (bv. herpesvirussen). * **Immuniteit:** * **Niet-specifieke immuniteit:** Cytokines (IFN, TNF, IL-1/6/8), ontstekingsreactie. * **Specifieke immuniteit:** Antistoffen (humoraal), T-cel respons (cellulair), geheugencellen. * **Mucosale immuniteit (IgA):** Belangrijk bij oppervlakkige infecties (luchtwegen, darm). ### 4.8 Virusresistentie en inactivatie * **Omgevingsresistentie:** Naakte virussen (bv. Parvoviridae, Rotaviridae) zijn over het algemeen resistenter tegen fysische en chemische factoren (droogte, temperatuur, detergenten) dan omhulde virussen (bv. Herpesviridae, Orthomyxoviridae) wiens envelop instabiel is. * **Inactivatie:** Formol, glutaaraldehyde, alcoholen, hitte, UV-straling kunnen virussen inactiveren. De effectiviteit hangt af van de concentratie, temperatuur, tijd en het type virus. ### 4.9 Zoönotische virussen Virussen die van dieren op mensen kunnen overgedragen worden. * **Voorbeelden:** Poxviridae (koepokkenvirus), Rhabdoviridae (razernijvirus), Orthomyxoviridae (influenza A), Bunyaviridae (Hantavirussen), Togaviridae (Equine Encephalitis virussen). ### 4.10 Virale ziekten: pathogenese en transmissie * **Transmissie:** * **Direct contact:** Via ademhalingswegen (aerosolen, druppels), fecaal-oraal, direct contact (secreties/excreties), seksueel, transplacentair, door bijtwonden. * **Indirect contact:** Via vectoren (muggen, teken) of besmette objecten (fomites). * **Pathogenese:** Kan leiden tot gelokaliseerde (oppervlakkige) infecties (bv. rhinovirus, rotavirus) of veralgemeende (systemische) infecties via viremie of lymfe, met tropisme voor specifieke organen (bv. hersenen, lever). Sommige virussen kunnen congenitale infecties veroorzaken met misvormingen of immunotolerantie. ### 4.11 Factoren die gevoeligheid voor infectie bepalen * **Gastheer:** Individuele immuniteit, genetische aanleg, leeftijd, immuunstatus (bv. immunosuppressie). * **Omgeving:** Dichtheid van populatie, hygiëne, aanwezigheid van vectoren, temperatuur, luchtvochtigheid. * **Virus:** Virulentie, infectiedosis, tropisme, transmissiewijze. --- **Belangrijke Concepten en Tips:** * **Tip:** Het verschil tussen serologische kruisreactie en kruisbescherming is cruciaal. Kruisreactie (antigene verwantschap) betekent niet automatisch kruisbescherming. * **Tip:** De keuze van diagnostische test hangt af van het type virus (kweekbaar of niet), de fase van de infectie (acuut, latent, chronisch), en het materiaal dat beschikbaar is. * **Tip:** Antivirale middelen zijn vaak virus-specifiek en werken het best vroeg in de infectie. Ze genezen zelden de infectie maar kunnen de ziekte onderdrukken of de duur ervan verkorten. * **Tip:** De genetische labiliteit van RNA-virussen (door hoge mutatiesnelheid en reassortiment) is een belangrijke reden voor frequente pandemieën en de noodzaak van jaarlijkse vaccinupdates (bv. influenza). * **Voorbeeld:** De ontwikkeling van vaccins, zoals het Gardasil vaccin tegen HPV, illustreert hoe recombinant DNA technologie gebruikt wordt om veilige en effectieve subunit vaccins te produceren. * **Tip:** Verschillen in de vermeerderingscyclus (DNA vs. RNA, kern vs. cytoplasma) verklaren waarom bepaalde antivirale middelen specifiek werken op bepaalde virusgroepen. * **Voorbeeld:** Herpesvirussen kunnen latente infecties veroorzaken door hun DNA te integreren als episoom in de celkern, met latere reactivatie onder stress. * **Tip:** Continue cellijnen zijn nuttig voor viruskweek en onderzoek, maar primaire celculturen zijn gevoeliger voor virusisolatie in diagnostiek. --- ## 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 | |------|------------| | DNA-virussen | Virussen waarvan het genetisch materiaal uit desoxyribonucleïnezuur (DNA) bestaat. Deze virussen vermenigvuldigen zich voornamelijk in de celkern en hebben vaak een langere incubatietijd. | | RNA-virussen | Virussen waarvan het genetisch materiaal uit ribonucleïnezuur (RNA) bestaat. Deze kunnen enkel- of dubbelstrengs RNA hebben en vermenigvuldigen zich vaak in het cytoplasma van de gastheercel. Ze hebben over het algemeen een hogere mutatiesnelheid dan DNA-virussen. | | Herpesviridae | Een familie van dubbelstrengs DNA-virussen die bekend staan om hun vermogen om latente infecties te veroorzaken. Ze hebben een kubische symmetrie en een envelop, en vermenigvuldigen zich in de kern van de gastheercel. | | Orthomyxoviridae | Een familie van enkelstrengs RNA-virussen met een gesegmenteerd genoom. Ze hebben een schroefvormige symmetrie en een envelop, en zijn verantwoordelijk voor griep (influenza) bij mens en dier. | | Structurele eiwitten | Eiwitten die deel uitmaken van de virusdeeltjes (virionen), zoals de eiwitten van het kapsied, de envelop en matrixeiwitten. Ze zijn essentieel voor de structuur en infectiviteit van het virus. | | Niet-structurele eiwitten | Eiwitten die tijdens de virusvermeerdering in de geïnfecteerde cel worden gevormd, maar niet in het uiteindelijke virusdeeltje worden ingebouwd. Ze spelen vaak een rol in de replicatie of in het manipuleren van cellulaire processen ten gunste van het virus. | | Antigen | Een molecuul, meestal een eiwit of polysacharide, dat een immuunrespons kan opwekken, zoals de productie van antistoffen. Virussen hebben specifieke antigenen op hun oppervlak die door het immuunsysteem worden herkend. | | Latentie | Een toestand waarin een virus in de gastheercel aanwezig blijft in een 'slapende' vorm zonder actief te repliceren of ziekte te veroorzaken. Onder bepaalde omstandigheden kan het virus reactiveren en opnieuw infectieus worden. | | Mutaties | Spontane veranderingen in de genetische code van een virus die optreden tijdens de replicatie. Deze kunnen leiden tot nieuwe virusvarianten met veranderde eigenschappen. | | Recombinatie | Het proces waarbij genetisch materiaal wordt uitgewisseld tussen twee verschillende, maar vaak verwante, virussen die dezelfde cel infecteren. Dit resulteert in een nieuw 'recombinant' virus met een combinatie van genetische informatie van beide ouders. | | Reassortment | Een specifiek type genetische uitwisseling dat voorkomt bij virussen met een gesegmenteerd genoom (zoals influenzavirussen). Hierbij worden hele genoomfragmenten uitgewisseld tussen twee verschillende virusdeeltjes die dezelfde cel infecteren, wat kan leiden tot drastische veranderingen in het virus, zoals antigene shift. | | Adjuvans | Een hulpstof die wordt toegevoegd aan vaccins om de immuunrespons tegen het antigeen te versterken. Adjuvantia kunnen de effectiviteit van een vaccin verhogen, waardoor minder antigeen nodig is en een sterkere of langdurigere bescherming wordt verkregen. | | Cytopathogeen effect (CPE) | Veranderingen in gastheercellen die veroorzaakt worden door virusreplicatie en die zichtbaar zijn onder de microscoop. Deze effecten kunnen variëren van celvervorming en -lysis tot de vorming van inclusielichamen. | | Viremie | De aanwezigheid van virussen in het bloed. Dit kan leiden tot een systemische infectie waarbij het virus zich door het hele lichaam verspreidt. | | Zoönotische virussen | Virussen die van dieren op mensen kunnen worden overgedragen. | | Interferonen | Een groep eiwitten die door lichaamscellen worden geproduceerd als reactie op virale infecties. Interferonen hebben antivirale, immunomodulerende en antiproliferatieve effecten en helpen het immuunsysteem om de infectie te bestrijden. | | PFU (Plaque Forming Units) | Een eenheid om de concentratie van infectieuze virusdeeltjes in een suspensie te meten. Het aantal plaques dat wordt gevormd op een celcultuur na inoculatie met een verdunningsreeks van het virus, correspondeert met het aantal infectieuze deeltjes per volume-eenheid. | | Neuraminidase inhibitoren | Een klasse van antivirale middelen die de werking van het neuraminidase-enzym van influenzavirussen blokkeren. Dit enzym is cruciaal voor de vrijlating van nieuwe virusdeeltjes uit geïnfecteerde cellen, waardoor de verspreiding van het virus wordt geremd. | | Hemagglutinatie | Een proces waarbij virussen rode bloedcellen aan elkaar kunnen binden, waardoor deze aggregeren. Dit fenomeen wordt gebruikt in diagnostische tests om de aanwezigheid van bepaalde virussen aan te tonen. | | Virusinactiverende stoffen | Chemische of fysische agentia die de infectiviteit van virussen kunnen vernietigen door hun structurele componenten, zoals het genetisch materiaal of eiwitten, te beschadigen. | | Prionen | Infectieuze eiwitten die geen genetisch materiaal bevatten. Ze kunnen abnormale structuren van normale eiwitten in de hersenen veroorzaken, wat leidt tot ernstige neurodegeneratieve ziekten. | | Colostrum | De eerste moedermelk die na de geboorte wordt geproduceerd en rijk is aan antistoffen (voornamelijk IgG). Dit biedt passieve immuniteit aan het pasgeboren dier. | | Viremische fase | De periode waarin virussen in het bloed aanwezig zijn. Dit is vaak een indicator van een systemische infectie. | | Immunotolerantie | Een toestand waarbij het immuunsysteem van een gastheer een bepaald antigeen (zoals een virus) niet als vreemd herkent en er geen immuunrespons tegen opwekt. Dit kan optreden bij infecties tijdens de vroege ontwikkeling van het immuunsysteem. | | Soorten | De taxonomische rang onder het geslacht, gebruikt om virussen te classificeren die nauw verwant zijn en vergelijkbare kenmerken delen. | | Genus | Een taxonomische rang binnen een virusfamilie, bestaande uit nauw verwante soorten virussen. | | Familie | De hoogste taxonomische rang in de virale classificatie, bestaande uit groepen virussen met vergelijkbare structurele en genetische eigenschappen. |

Virussen zijn fascinerende en complexe entiteiten met een cruciale rol in de biologie en geneeskunde. Deze studiegids biedt een uitgebreid overzicht van de virologie, met de nadruk op de structuur, vermeerdering, genetische variatie, diagnostiek en de toepassing van virologische kennis, met name in de context van vaccins. ## Virusstructuur en morfologie Virussen zijn obligate intracellulaire parasieten die zich buiten de gastheercel in een inerte vorm bevinden, bekend als virionen. Een standaard virion bestaat uit een genetisch materiaal, het genoom, omgeven door een eiwitmantel, het kapsied. Virussen kunnen verder worden onderverdeeld op basis van de aanwezigheid van een envelop. ### Genetische samenstelling en morfologie De genetische samenstelling van virussen kan aanzienlijk variëren. Ze kunnen bestaan uit DNA of RNA, en dit genetisch materiaal kan enkelstrengs of dubbelstrengs zijn. De configuratie kan lineair of circulair zijn, en bij sommige RNA-virussen is het genoom gesegmenteerd. * **Herpesviridae**: Kenmerken zijn een dubbelstrengs (dsDNA) lineair genoom van 120-220 kilobaseparen (kbp). Het virion is kubisch van symmetrie en heeft een diameter van 120-200 nanometer (nm), voorzien van een envelop. * **Orthomyxoviridae**: Deze familie wordt gekenmerkt door een enkelstrengs (ssRNA) negatieve polariteit, gesegmenteerd genoom (6-8 segmenten). De symmetrie is schroefvormig en de diameter is 80-120 nm, met een envelop. ### Morfologie en componenten van het viruspartikel De morfologie van een viruspartikel is essentieel voor zijn interactie met de gastheercel en zijn infectieuze potentieel. * **Nucleïnezuur (Genoom)**: * **DNA of RNA**: Kan enkelstrengs of dubbelstrengs zijn, lineair of circulair. * **Functie**: Draagt de genetische informatie voor de replicatie en de productie van virale eiwitten. * **Kapsied**: * **Samenstelling**: Bestaat uit herhalende eenheden van kapsomeer-eiwitten. * **Functie**: Beschermt het virale genoom tegen afbraak in het milieu, bepaalt de symmetrie van het virus (kubisch, schroefvormig, complex) en speelt een rol bij de hechting aan de gastheercel. * **Envelop**: * **Herkomst**: Ontstaat tijdens het 'budding'-proces uit de celmembraan van de gastheercel. * **Componenten**: Bevat virale glycoproteïnen (peplomeren of spikes) die essentieel zijn voor herkenning en binding aan gastheercelreceptoren, en matrix-eiwitten die stabiliteit verlenen. * **Functie**: Vergemakkelijkt de opname in de gastheercel door fusie met de celmembraan of via endocytose. Virussen met een envelop zijn over het algemeen gevoeliger voor omgevingsfactoren zoals detergenten en uitdroging. * **Tegument**: * **Locatie**: Een laag van eiwitten tussen het kapsied en de envelop, specifiek voor herpesvirussen. * **Functie**: Biedt extra stabiliteit aan het viruspartikel en bevat eiwitten die essentieel zijn voor de vroege stadia van de infectie, zoals immunomodulerende factoren. ### Symmetrie van het viruspartikel De symmetrie van het kapsied kan kubisch, schroefvormig of complex zijn. * **Kubische symmetrie**: Kenmerkend voor bijvoorbeeld herpesvirussen en adenovirussen, waarbij de kapsomeren een icosahedrale structuur vormen. * **Schroefvormige symmetrie**: Vaak gezien bij virussen met een enkelstrengs RNA-genoom, zoals influenzavirussen en rhabdovirussen, waarbij de eiwitten een spiraal rond het genoom vormen. * **Complexe symmetrie**: Te vinden bij bijvoorbeeld pokkenvirussen, die een ingewikkeldere structuur hebben. ## Virusvermeerdering en cyclus Virussen vermeerderen zich uitsluitend intracellulair, wat directe gevolgen heeft voor zowel het virus als de behandeling van virale ziekten. ### Vermeerderingscyclus van DNA- en RNA-virussen Hoewel de algemene stappen van virusvermeerdering (adsorptie, penetratie, ontmanteling, biosynthese, assemblage, vrijgave) vergelijkbaar zijn, zijn er significante verschillen tussen DNA- en RNA-virussen, vooral met betrekking tot de locatie van replicatie en de benodigde enzymen. * **Plaats van synthese van nucleïnezuur**: * **DNA-virussen**: Voornamelijk in de celkern (met uitzonderingen zoals Poxviridae die in het cytoplasma repliceren). * **RNA-virussen**: Over het algemeen in het cytoplasma, met uitzonderingen zoals Orthomyxoviridae en Retroviridae die deels in de celkern repliceren. * **Enzymen voor synthese van nucleïnezuren**: * **DNA-virussen**: Gebruiken vaak cellulaire polymerasen. * **RNA-virussen**: Hebben meestal virale polymerasen nodig, die ze zelf in het virion meenemen of synthetiseren na infectie. RNA-afhankelijke RNA-polymerasen zijn essentieel voor de replicatie van de meeste RNA-genomen. Retrovirussen gebruiken reverse transcriptase om RNA om te zetten in DNA. * **Plaats van synthese van eiwitten**: Voor zowel DNA- als RNA-virussen vindt de synthese van virale eiwitten plaats in het cytoplasma op de ribosomen. ### Specifieke vermenigvuldigingscycli * **Herpesviridae**: 1. **Opname**: Receptor-gemedieerde endocytose. 2. **Ontmanteling**: Fusie van het endosoommembraan met het virale membraan, vrijgave van het nucleokapsied in het cytoplasma. 3. **Replicatie en assemblage**: In de celkern. 4. **Envelopvorming**: Het kapsied wordt omgeven door een membraan bij de binnenste kernmembraan. 5. **Vrijgave**: Via virusbevattende vesikels die migreren van het Golgi-apparaat naar de plasmamembraan. * **Orthomyxoviridae**: 1. **Opname**: Endocytose. 2. **Ontmanteling**: Fusie van endosoom- en virusmembraan, vrijgave van viraal RNA in het cytoplasma. 3. **Replicatie**: Deels in de celkern (transcriptie en replicatie van gensegmenten) en deels in het cytoplasma (synthese van virale eiwitten). 4. **Vrijgave**: Via 'budding' aan de plasmamembraan. * **Retroviridae**: 1. **Opname**: Fusie van virusmembraan met de celmembraan. 2. **Reverse transcriptie**: Viraal RNA wordt omgezet naar DNA in het cytoplasma. 3. **Integratie**: Het virale DNA (provirus) integreert in het genoom van de gastheercel. 4. **Transcriptie en translatie**: Viraal RNA en eiwitten worden geproduceerd. 5. **Assemblage en vrijgave**: Viraal partikel wordt gevormd en komt vrij via 'budding'. ### Gevolgen van intracellulaire vermeerdering * **Voor het virus**: Moeilijk te bestrijden met medicatie, omdat de virale replicatie plaatsvindt in de gastheercel. Veel antivirale middelen richten zich op specifieke virale enzymen of processen. * **Voor behandeling**: Het is uitdagend om selectieve antivirale middelen te ontwikkelen die de virusreplicatie remmen zonder de gastheercellen significant te beschadigen. ## Genetische variatie en virale evolutie Virussen ondergaan voortdurend genetische veranderingen, wat essentieel is voor hun adaptatie en overleving. ### Mutaties Tijdens de replicatie van virussen kunnen spontane fouten optreden bij het kopiëren van het virale genoom. Deze mutaties kunnen letaal zijn, neutraal, of voordelig voor het virus. RNA-virussen hebben doorgaans een hogere mutatiefrequentie dan DNA-virussen vanwege het ontbreken van proofreading-mechanismen bij RNA-polymerasen. Dit leidt tot de vorming van quasispecies, populaties van genetisch verwante varianten. ### Recombinatie en Reassortiment * **Recombinatie**: Treedt op bij virussen met een dubbelstrengs DNA of RNA-genoom. Het omvat de uitwisseling van genetisch materiaal tussen twee verschillende maar verwante virussen die dezelfde cel infecteren, wat resulteert in een nieuw recombinant virus. * **Reassortiment**: Specifiek voor RNA-virussen met een gesegmenteerd genoom. Hierbij worden hele genoomfragmenten uitgewisseld tussen twee verschillende influenzavirussen die tegelijkertijd dezelfde cel infecteren. Dit is de basis voor antigene shift bij influenzavirussen en kan leiden tot pandemieën. ### Genetische veranderingen bij specifieke virusfamilies * **Influenzavirussen**: Ondergaan zowel antigene drift (kleine mutaties) als antigene shift (grote veranderingen door reassortiment). Dit maakt hen "genetisch labiel" en de oorzaak van epidemieën en pandemieën. De veranderingen in HA en NA subtypen zijn cruciaal voor het epidemiologisch gedrag, aangezien ze bepalen hoe goed de bestaande populatie-immuniteit werkt. * **Herpesvirussen**: Hoewel ze DNA-genomen hebben, vertonen ze ook genetische variatie, wat kan leiden tot verschillen in virulentie en het vermogen tot latente infecties. * **Retrovirussen**: Ondergaan frequent mutaties door hun reverse transcriptase-enzym, wat leidt tot genetische instabiliteit en snelle evolutie. ## Vergelijking van virusfamilies ### Herpesviridae vs. Orthomyxoviridae | Kenmerk | Herpesviridae | Orthomyxoviridae | |---|---|---| | **Genoom** | dsDNA, lineair, 120-220 kbp | ssRNA (-), gesegmenteerd (6-8), 80-120 nm | | **Symmetrie** | Kubisch | Schroefvormig | | **Envelop** | Aanwezig | Aanwezig | | **Gevoeligheid aan detergenten** | Gevoelig (door envelop) | Gevoelig (door envelop) | | **Vermeerderingscyclus** | Replicatie en assemblage in kern; envelopvorming via kern- en Golgi-membranen. | Replicatie deels in kern (transcriptie/replicatie), deels in cytoplasma (synthese eiwitten); envelopvorming bij plasmamembraan. | | **Belangrijke leden** | HHV-1, HHV-2, HHV-3 (Varicella Zoster), EBV (HHV-4), CMV (HHV-5) | Influenzavirus A, B, C | ### Pokkenvirussen, Retrovirussen en Prionen * **Fysische en chemische eigenschappen**: * **Pokkenvirussen**: Grote dsDNA-virussen, complex kapsied, omgeven door een envelop die ze relatief stabiel maakt. Ze zijn stabiel tegen zuren en relatief hittebestendig, vooral in gedroogde toestand. * **Retrovirussen**: ssRNA (+), schroefvormig symmetrisch, omgeven door een envelop. Ze worden snel geïnactiveerd door warmte en detergenten, maar zijn meer resistent aan UV en X-stralen. Ze bevatten reverse transcriptase. * **Prionen**: Zijn geen virussen maar infectieuze eiwitten. Ze hebben geen genetisch materiaal en zijn uitzonderlijk resistent tegen hitte, chemicaliën en straling. * **Genetische stabiliteit**: * **Pokkenvirussen**: Relatief stabiel door hun DNA-genoom en complexe structuur. * **Retrovirussen**: Genetisch labiel door hun RNA-genoom en het reverse transcriptase-enzym met gebrekkige proofreading, wat leidt tot hoge mutatiefrequenties. * **Prionen**: Hebben geen genetisch materiaal en ondergaan dus geen genetische veranderingen zoals mutaties. Hun infectiviteit berust op conformatieveranderingen van eiwitten. * **Gevoeligheid aan inactivatie door temperatuur**: * **Pokkenvirussen**: Relatief resistent tegen warmte. * **Retrovirussen**: Gevoelig voor warmte en detergenten. * **Prionen**: Uitzonderlijk resistent tegen hoge temperaturen (autoclaveren is vaak nodig voor inactivatie). ## Virale eiwitten: structureel en niet-structureel Virale eiwitten hebben diverse functies, zowel structureel als niet-structureel. ### Structurele eiwitten Bevinden zich in het virion en zijn essentieel voor de vorming en infectiviteit van het virus. * **Kapsiedeiwitten**: Vormen de beschermende mantel rond het virale genoom. Ze bepalen de symmetrie en spelen een rol bij de hechting aan de gastheercel. * **Glycoproteïnen**: Geassocieerd met de envelop van omhulde virussen. Ze fungeren als liganden voor celreceptoren, bepalen het tropisme en zijn belangrijke antigenen die een immuunrespons opwekken. * **Matrixeiwitten**: Een laag onder de envelop die extra stabiliteit verleent aan het viruspartikel (bv. bij Ortho- en Paramyxovirussen). * **Virale enzymen**: Sommige enzymen die nodig zijn voor de virusreplicatie, zoals polymerasen, kunnen deel uitmaken van het virion (bv. RNA-afhankelijke RNA-polymerasen in negatief-strengs RNA-virussen, reverse transcriptase in retrovirussen). ### Niet-structurele eiwitten Worden geproduceerd tijdens de virusreplicatie in de cel maar worden niet ingebouwd in het nieuwe virion. Ze zijn vaak betrokken bij de regulatie van de replicatiecyclus, het onderdrukken van de cellulaire afweer of het manipuleren van cellulaire processen. * **Voorbeeld: Influenza A virus**: * **Structurele eiwitten**: Hemagglutinine (HA), neuraminidase (NA), matrixeiwitten (M1, M2), nucleoproteïne (NP), polymerasen (PA, PB1, PB2). * **Niet-structurele eiwitten**: NS1 (onderdrukt antivirale respons), NS2 (helpt bij export van ribonucleoproteïnen uit de kern). ### Functies van virale eiwitten * **Bescherming van het genoom**: Structurele eiwitten beschermen het virale genetisch materiaal tegen degradatie. * **Celherkenning en -binding**: Oppervlakkige eiwitten (liganden) binden aan specifieke receptoren op de gastheercel, wat het tropisme van het virus bepaalt. * **Stimuleren van antistofproductie**: Virale eiwitten, vooral de uitwendige, zijn antigenen die een immuunrespons opwekken, leidend tot de vorming van neutraliserende antistoffen die bescherming bieden tegen herinfectie. ## Antivirale middelen en vaccins Kennis van de virologische processen is cruciaal voor de ontwikkeling van antivirale middelen en vaccins. ### Antivirale middelen Antivirale middelen kunnen verschillende stappen in de virusreplicatiecyclus remmen: 1. **Remming van adsorptie/penetratie**: Blokkeren van de binding aan celreceptoren of de fusie/endocytose. Momenteel weinig marktmedicatie hiervoor beschikbaar. 2. **Remming van ontmanteling (uncoating)**: Zoals Amantadine tegen Influenza A, dat het M2-ionkanaal blokkeert. 3. **Remming van biosynthese van virale componenten**: * **Nucleoside-analogen (chain terminators)**: Zoals Aciclovir (anti-herpes) en AZT (anti-retrovirus), die ingebouwd worden in het virale DNA/RNA en ketenstop veroorzaken. Aciclovir is hoog selectief omdat het geactiveerd wordt door virale enzymen. * **Niet-nucleoside RT-inhibitoren**: Zoals Nevirapine (tegen HIV), die de reverse transcriptase remmen. * **Ribavirine**: Een breed spectrum antiviraal middel dat mutaties in RNA induceert (lethale mutagenese). * **Foscarnet**: Remt virale polymerasen direct. * **Interferonen**: Remmen virale eiwitsynthese en RNA/DNA-synthese, maar hebben veel bijwerkingen. 4. **Remming van assemblage**: Zoals HIV-protease-inhibitoren die voorkomen dat virale eiwitten correct worden verwerkt. 5. **Remming van vrijgave**: Zoals neuraminidase-inhibitoren (Oseltamivir, Zanamivir) tegen Influenza A en B, die het losmaken van nieuwe virusdeeltjes van de cel remmen. ### Vaccinproductie Vaccins zijn bedoeld om een immuunrespons op te wekken en bescherming te bieden tegen virale infecties. * **Geïnactiveerde vaccins**: Bevatten volledig geïnactiveerd virus (bv. met formaldehyde). Ze zijn veilig maar vaak minder immunogeen, waardoor adjuvans en herhaalde vaccinaties nodig zijn. * **Productie**: Viruskweek, zuivering, inactivatie, toevoeging van adjuvans. * **Adjuvantia**: Verbeteren de immuunrespons door een 'depot-effect', betere antigeenpresentatie of een ontstekingsreactie. * **Levende vaccins (verzwakte stammen)**: Bevatten een verzwakte, niet-ziekteverwekkende vorm van het virus. Ze repliceren beperkt in de gastheer, bootsen een natuurlijke infectie na en wekken een sterke, langdurige humorale en cellulaire immuniteit op. * **Productie**: Selectie van verzwakte stammen (bv. door passages of genetische modificatie). * **Voordelen**: Vaak effectief na één dosis, kunnen lokaal (bv. mucosale) immuniteit opwekken. * **Nadelen**: Risico op reversie naar virulentie, mogelijke interferentie met andere vaccins, beperkte houdbaarheid. * **Subunit vaccins**: Bevatten alleen specifieke virale antigenen (meestal oppervlakte-eiwitten). * **Productie**: Kan via klassieke methoden (chemische extractie) of recombinant DNA-technologie. * **Voordelen**: Zeer veilig, omdat geen infectieus virus wordt gebruikt. * **Nadelen**: Kunnen minder immunogeen zijn dan levende of geïnactiveerde vaccins, omdat ze geen intracellulaire replicatie induceren die nodig is voor sterke cellulaire immuniteit. * **Vectorvaccins**: Gebruiken een ander, veilig virus (de vector) om genetisch materiaal van een doelvirus te leveren. Dit genereert een immuunrespons tegen zowel de vector als het doeltarget. ### Diagnostiek van virale infecties Diverse methoden worden gebruikt om virale infecties te diagnosticeren: * **Directe detectie**: * **Virusisolatie**: Kweek van het virus in celculturen, eieren of proefdieren, gevolgd door detectie van cytopathogeen effect (CPE), hemadsorptie of inclusielichaampjes. * **Antigeendetectie**: Methoden zoals ELISA, immunofluorescentie en immunohistochemie om virale eiwitten aan te tonen. * **Nucleïnezuurdetectie**: Technieken zoals PCR en in situ hybridisatie om viraal DNA of RNA aan te tonen, vooral nuttig voor moeilijk te kweken virussen of latente infecties. * **Indirecte detectie (serologie)**: Meten van de immuunrespons van de gastheer, d.w.z. de aanwezigheid van antistoffen tegen het virus. Methoden zijn ELISA, virusneutralisatietesten (SN) en hemagglutinatie-inhibitietesten (HI). Seroconversie (een significante stijging van antistoftiters tussen een acuut en convalescent serum) is cruciaal voor de diagnose van primaire infecties. ## Belangrijke virusfamilies en hun kenmerken ### Herpesviridae * **Belangrijke biologische kenmerken**: dsDNA, kubische symmetrie, envelop, tegument. Ze veroorzaken latente infecties waarbij het virus levenslang in de gastheer aanwezig blijft en onder bepaalde omstandigheden kan reactiveren. Ze kunnen transplacentaire infecties veroorzaken en zijn vaak ernstiger bij jonge of immuungecompromitteerde individuen. * **Belangrijkste leden**: Alphaherpesvirinae (snelle replicatie, bv. HSV-1, HSV-2, VZV, EHV-1), Betaherpesvirinae (langzame replicatie, bv. CMV), Gammaherpesvirinae (lymfoproliferatief, bv. EBV, KSHV). ### Orthomyxoviridae (Influenza) * **Belangrijke kenmerken**: ssRNA (-), gesegmenteerd genoom, schroefvormig, envelop. Gevoelig voor tensioactieve stoffen. Ondergaan antigene drift en shift, wat leidt tot epidemieën en pandemieën. * **Genera**: Influenzavirus A (breed gastheerbereik, ondergaat shift en drift), B (alleen mens, minder drift, geen shift), C (mens/varken, stabiel, milde infecties). ### Retroviridae * **Belangrijke kenmerken**: ssRNA (+), schroefvormig, envelop. Gebruiken reverse transcriptase om RNA om te zetten in DNA, dat integreert in het gastheergenoom (provirus). Kunnen oncogeen zijn en veroorzaken langzame, progressieve infecties (lentivirussen). * **Belangrijke leden**: HIV (mens), FIV (kat), BIV (rund), Equine Infectious Anemia Virus (paard). ### Parvoviridae * **Belangrijke kenmerken**: ssDNA, lineair, zeer klein genoom. Zeer resistent tegen warmte en zure pH. Vermeerderen zich in de celkern, met voorkeur voor snel delende cellen. Veel leden veroorzaken verticale overdracht. * **Belangrijke leden**: Porcine parvovirus (verworpen, mummificatie), Canine parvovirus (enteritis, myocarditis). ## Virale zoönosen en immuniteit ### Zoönotische virussen Virussen die van dieren op mensen kunnen overgaan. * **Voorbeelden**: Pokkenvirussen (koepokkenvirus, apenpokkenvirus), Herpesvirussen (B-virus van de aap), Rhabdovirussen (rabiësvirus), Flavivirussen (West-Nijl virus, gele koorts virus). ### Immuniteit tegen virale infecties * **Niet-specifieke (aangeboren) immuniteit**: Vroege respons, omvat interferonen (IFN) en tumornecrosefactor (TNF), die de replicatie van veel virussen remmen. * **Specifieke (adaptieve) immuniteit**: * **Humorale immuniteit**: Geproduceerd door B-cellen (antistoffen, voornamelijk IgG en IgA). IgG beschermt tegen systemische infecties, terwijl IgA lokale immuniteit op de slijmvliezen biedt. * **Cellulaire immuniteit**: Mede door T-cellen (cytotoxische T-cellen, helper T-cellen). Essentieel voor het opruimen van geïnfecteerde cellen. * **Colostrale en lactogene immuniteit**: Passieve immuniteit overgedragen via moedermelk en colostrum, die de jonge dieren beschermt tijdens de eerste levensweken. Kan echter interfereren met vaccinatie. ## Veelvoorkomende fouten en misvattingen * **Verwarring tussen serologische kruisreactie en kruisbescherming**: Kruisreactie betekent dat antistoffen reageren met meerdere antigenen, maar dit impliceert niet noodzakelijk bescherming tegen alle geteste antigenen. * **Overestimering van de selectiviteit van antivirale middelen**: Sommige middelen, zoals AZT, zijn minder selectief en kunnen bijwerkingen hebben. * **Onderschatting van de resistentie van naakte virussen**: Virussen zonder envelop zijn over het algemeen veel resistenter tegen omgevingsfactoren dan omhulde virussen. * **Generalisatie van de replicatieplaats**: Niet alle RNA-virussen repliceren uitsluitend in het cytoplasma; sommige hebben kernfasen. * **Verwarring tussen latentie en persistentie**: Latentie is een slapende toestand met geen virusproductie, terwijl persistentie kan leiden tot chronische replicatie en uitscheiding. * **Verkeerde conclusies over vaccin-efficiëntie**: De effectiviteit van vaccins kan worden beïnvloed door maternale antistoffen en de specifieke immuniteit die ze opwekken (humoraal vs. cellulair, lokaal vs. systemisch).

## Verklarende Woordenlijst | Term | Definitie | |---|---| | Adjuvans | Een hulpstof die wordt toegevoegd aan vaccins om de immuunrespons tegen het desbetreffende antigeen te versterken, zonder zelf een immuunrespons op te wekken. | | Antigene shift | Een ingrijpende genetische verandering in de hemagglutinine (HA) en/of neuraminidase (NA) eiwitten van influenzavirussen, die kan leiden tot de opkomst van nieuwe virale subtypes waarvoor de populatie-immuniteit onvoldoende is. | | Antigene drift | Geleidelijke, kleine veranderingen in de hemagglutinine (HA) en/of neuraminidase (NA) eiwitten van influenzavirussen, die optreden door accumulatie van mutaties over tijd. | | Budding | Het proces waarbij virusdeeltjes uit een gastheercel vrijkomen door uitgroeiing van het virale membraan door de celmembraan, waardoor het virus een envelop verkrijgt. | | Cytopathogeen effect (CPE) | Veranderingen in celculturen die veroorzaakt worden door een virale infectie, zoals celdood, vervorming of de vorming van inclusielichamen. | | Endogene virussen | Virussen die genetisch materiaal in het genoom van de gastheer hebben geïntegreerd en via de kiembaan van ouder op nakomeling worden overgedragen. | | Exogene virussen | Virussen die buiten het lichaam ontstaan of worden verkregen en zich horizontaal of verticaal kunnen verspreiden. | | Genoom | Het complete genetische materiaal van een virus, bestaande uit DNA of RNA. | | Hemagglutinatie | Het vermogen van bepaalde virussen om rode bloedcellen aan elkaar te laten kleven door de binding van virale hemagglutininen aan receptoren op de oppervlakte van de rode bloedcellen. | | Immunotolerantie | Een staat waarbij het immuunsysteem van een organisme een antigen (zoals een virus) als lichaamseigen beschouwt en er geen immuunrespons tegen opwekt, vaak veroorzaakt door infectie in een vroeg stadium van de ontwikkeling. | | Inclusielichaampjes | Structuren binnen geïnfecteerde cellen, zichtbaar onder de microscoop, die door virale replicatie worden gevormd en virale componenten of virussen kunnen bevatten. | | Latentie | Een fase waarin een virus zich in de gastheercel bevindt in een inactieve staat, zonder actieve replicatie, maar met de potentie tot reactivatie. | | Mutatie | Een spontane verandering in de genetische code van een virus, die kan optreden tijdens de replicatie. | | Nucleokapsied | De structuur die bestaat uit het virale genetisch materiaal (genoom) omhuld door eiwitten die het kapsied vormen. | | Oncogeen | Een gen dat celgroei en -deling kan induceren en potentieel kan leiden tot de vorming van tumoren. | | Pandemie | Een wereldwijde uitbraak van een infectieziekte, vaak veroorzaakt door een nieuw virus of een virus met drastisch veranderde eigenschappen. | | Persistentie | Het langdurig of levenslang aanwezig blijven van een virus in de gastheer, zelfs na de acute fase van de infectie. | | Prion | Een infectieus agens dat uitsluitend bestaat uit een abnormaal gevouwen eiwit, zonder genetisch materiaal, en dat hersenweefsel kan aantasten. | | Quasispecies | Een populatie van genetisch nauw verwante virusvarianten die ontstaat door de hoge mutatiefrequentie van RNA-virussen, waarbij de genetische diversiteit bijdraagt aan adaptatie en overleving. | | Reassortiment | Een proces waarbij genoomsegmenten worden uitgewisseld tussen twee verschillende virussen die dezelfde cel infecteren, voornamelijk voorkomend bij virussen met een gesegmenteerd genoom zoals influenzavirussen. | | Recombinatie | Het uitwisselen van genetisch materiaal tussen twee verschillende maar verwante virussen die dezelfde cel infecteren, resulterend in een nieuw recombinant virus met genetische informatie van beide oudervirussen. | | Serotype | Een classificatie binnen een virussoort gebaseerd op antigenische verschillen, voornamelijk aan de oppervlakte-eiwitten, die bepalen hoe de immuunrespons reageert. | | Subtype | Een onderverdeling binnen een serotype, gekenmerkt door kleine antigenische verschillen, vaak gerelateerd aan veranderingen in specifieke virale eiwitten zoals hemagglutinine en neuraminidase bij influenzavirussen. | | Tropisme | De affiniteit van een virus voor specifieke cellen, weefsels of organen binnen een gastheer, bepaald door de aanwezigheid van receptoren op de celoppervlakte en de virale liganden. | | Viremie | De aanwezigheid van virussen in het bloed van een gastheer, wat kan leiden tot systemische infecties. |

# Introduction à la biologie moléculaire et ses prérequis La biologie moléculaire est une sous-discipline de la biologie qui étudie la vie au niveau moléculaire, particulièrement les acides nucléiques (ADN et ARN) et les protéines, ainsi que les mécanismes de leur interaction et de leur expression. ### 1.1 Définition et histoire de la biologie moléculaire Le terme "biologie moléculaire" a été utilisé pour la première fois en 1938 par Warren Weaver. Cette discipline englobe également les techniques de manipulation des acides nucléiques, connues sous le nom de techniques de génie génétique. ### 1.2 Concepts fondamentaux #### 1.2.1 Acides nucléiques : ADN et ARN * **Définition:** Les acides nucléiques sont des molécules qui portent l'information génétique. Les deux principaux types sont l'ADN (acide désoxyribonucléique) et l'ARN (acide ribonucléique). * **Propriétés:** Les acides nucléiques sont des molécules chargées négativement en raison de leurs groupes phosphate. #### 1.2.2 Gènes et génomes * **Gènes:** Un individu possède des milliers de gènes. * **Génome:** L'ensemble des gènes d'un individu constitue son génome. * **Variabilité individuelle:** Environ 99% du génome humain est commun à tous les individus, tandis que 1% est variable, rendant chaque individu unique avec son propre génome. #### 1.2.3 Expression génétique : du gène à la protéine L'expression génétique est le processus par lequel l'information contenue dans un gène est utilisée pour synthétiser une protéine fonctionnelle. * **Allèle:** Une version spécifique d'un gène. * **Relation gène-protéine:** Lorsqu'un gène s'exprime, il conduit à la production d'une protéine. Par exemple, un individu avec un groupe sanguin A possède un allèle spécifique qui code pour une protéine impliquée dans la détermination de ce groupe sanguin. ### 1.3 Applications technologiques en biologie moléculaire Les techniques de biologie moléculaire permettent une variété d'applications, notamment : * Extraction et purification d'acides nucléiques. * Utilisation d'enzymes de restriction pour couper l'ADN. * Amplification de fragments d'ADN par PCR (Polymerase Chain Reaction). * Séparation de molécules par électrophorèse. * Détermination de la séquence d'acides nucléiques (séquençage). * Analyse de profils génétiques pour des applications telles que les enquêtes policières. ### 1.4 La place de la biologie moléculaire dans les programmes scolaires #### 1.4.1 En classe de seconde * **SVT:** Les élèves apprennent que toutes les cellules d'un organisme proviennent d'une cellule unique et possèdent initialement la même information génétique organisée en gènes constitués d'ADN. Ils découvrent que les cellules spécialisées n'expriment qu'une partie de cet ADN. Les notions fondamentales incluent cellule, tissu, organe, ADN, double hélice, nucléotides (adénine, thymine, cytosine, guanine), complémentarité, gène et séquence. L'objectif est de comprendre le lien entre la structure moléculaire de l'ADN et sa capacité à porter une information, ainsi que le rôle des cellules spécialisées. * **Option Biotechnologie:** La biologie moléculaire est également abordée dans le cadre de l'option biotechnologie. #### 1.4.2 En classe de première (spécialité SVT) Les élèves acquièrent des capacités telles que : * Concevoir et réaliser une réaction de PCR en déterminant la durée de chaque étape du cycle et en calculant le nombre de copies obtenues. * Concevoir et réaliser un protocole pour étudier l'action d'un agent mutagène sur la survie cellulaire et l'apparition de mutants. * Mener une démarche historique ou une étude documentaire sur le séquençage des macromolécules (protéines, ARN, ADN). ### 1.5 L'électrophorèse en biologie moléculaire L'électrophorèse est une technique fondamentale utilisée pour séparer des molécules chargées électriquement sous l'influence d'un champ électrique. #### 1.5.1 Principe de l'électrophorèse * **Migration ionique:** Les ions migrent vers l'électrode de charge opposée. Les anions (chargés négativement) se déplacent vers l'anode (positive), tandis que les cations (chargés positivement) se dirigent vers la cathode (négative). * **Séparation des fragments d'ADN:** En laboratoire, l'électrophorèse sur gel d'agarose est utilisée pour séparer les fragments d'ADN en fonction de leur taille. À pH neutre, les molécules d'ADN portent une charge négative et migrent donc vers l'anode (pôle positif). La séparation est basée sur la capacité des fragments plus petits à traverser le gel plus rapidement que les fragments plus grands. #### 1.5.2 Applications de l'électrophorèse sur gel d'agarose Cette technique permet notamment de : * Identifier la taille de fragments d'ADN (en comparant avec un marqueur de taille). * Estimer la quantité d'ADN présente. * Purifier un fragment d'ADN spécifique à partir du gel. #### 1.5.3 Composants clés de l'électrophorèse * **Le gel d'agarose:** L'agarose est un polyoside obtenu à partir d'agar. Sous forme de poudre, il est dissous dans l'eau bouillante et forme un gel en refroidissant. La concentration d'agarose dans le gel détermine la taille des pores : une concentration plus élevée crée un maillage plus serré, offrant une meilleure résolution pour séparer des fragments d'ADN de petite taille. * Un gel à 0,8 % a un maillage plus lâche, adapté aux grands fragments. * Un gel à 1,25 % offre une résolution intermédiaire. * Un gel à 2 % a un maillage très serré, idéal pour séparer les petits fragments. * **Le tampon de migration:** Un tampon est nécessaire pour assurer la conductivité électrique et maintenir le pH. Les tampons couramment utilisés incluent le Tris/Acétate/EDTA (TAE) et le Tris/Borate/EDTA (TBE). Le tampon TBE, souvent utilisé à une concentration de 0,5X, est fréquent en biologie moléculaire. #### 1.5.4 Préparation d'un gel d'électrophorèse (exemple pratique) Pour préparer 150 mL d'un gel d'agarose à 0,8 % : 1. Peser 1,2 gramme d'agarose. 2. Ajouter 170 mL de tampon TBE 1X (ce volume inclut une marge pour l'évaporation lors du chauffage). 3. Chauffer la solution jusqu'à ce qu'elle soit limpide. 4. Laisser refroidir à environ 55-65 °C. 5. Couler la solution dans un support de gel et laisser solidifier. 6. Retirer le peigne et les butoirs une fois le gel solidifié. #### 1.5.5 Montage et préparation de l'électrophorèse * **Montage de la cuve:** Le support de gel est placé dans la cuve d'électrophorèse, avec les puits orientés vers la cathode (borne négative). * **Remplissage de la cuve:** La cuve est remplie de tampon de migration jusqu'à immersion du gel et remplissage des puits. * **Préparation des échantillons:** Les échantillons d'ADN sont mélangés avec un "bleu de dépôt". Ce dernier alourdit l'ADN, facilitant son chargement dans les puits, et permet de visualiser la migration. #### 1.5.6 Chargement des échantillons et migration * **Dépôt:** Un volume précis (par exemple, 15 µL) de chaque échantillon est déposé dans un puits avec une micropipette, en évitant la formation de bulles d'air, les débordements et la perforation du fond du puits. Un fond noir sous la cuve aide à visualiser le dépôt. * **Migration:** La cuve est reliée à un générateur électrique. Une tension comprise entre 70 V et 120 V est appliquée. Une tension plus basse assure une migration plus précise mais plus longue, tandis qu'une tension plus élevée accélère la migration au détriment de la précision. La migration se poursuit jusqu'à ce que les marqueurs de migration atteignent environ 2 cm du bord opposé du gel. #### 1.5.7 Révélation des bandes d'ADN L'ADN n'étant pas visible à l'œil nu, des colorants sont utilisés pour révéler les résultats. * **Colorants intégrés:** Certains kits intègrent des révélateurs comme le Safegreen directement dans les réactifs. * **Coloration post-migration:** Si les colorants ne sont pas intégrés, le gel est coloré après migration, souvent avec de l'Azur A. Après coloration et rinçage (pour éliminer l'excès de colorant), les bandes d'ADN deviennent visibles. L'intensité de coloration augmente avec le temps et peut être optimisée par réfrigération. > **Tip:** Une bonne visualisation des bandes d'ADN dépend de la qualité du gel, de la concentration d'agarose appropriée à la taille des fragments à séparer, et d'une révélation efficace. > > **Example:** Dans le cadre d'une enquête policière, l'électrophorèse peut être utilisée pour comparer les profils génétiques d'échantillons prélevés sur une scène de crime avec ceux de suspects, permettant ainsi d'identifier des correspondances. --- # Techniques et applications en biologie moléculaire La biologie moléculaire est une sous-discipline de la biologie qui étudie la vie au niveau moléculaire, en se concentrant particulièrement sur les acides nucléiques (ADN et ARN) et leur rôle dans l'expression des gènes. Chaque individu possède un génome unique, constitué de milliers de gènes, dont environ 99% sont communs à tous les êtres humains, tandis que 1% est variable, conférant ainsi son unicité à chaque individu. Les acides nucléiques sont des molécules chargées négativement. L'expression d'un gène conduit à la production d'une protéine, et différentes versions d'un même gène sont appelées allèles. Les applications technologiques en biologie moléculaire sont vastes et incluent l'extraction et la purification d'acides nucléiques, la restriction enzymatique, l'amplification par PCR, l'électrophorèse, le séquençage et l'analyse de profil génétique. Ces techniques sont fondamentales dans divers domaines, notamment dans les programmes d'enseignement secondaire en SVT et en biotechnologie, où elles permettent d'aborder des concepts tels que la structure de l'ADN, la spécialisation cellulaire et la réalisation de profils génétiques. ### 2.1 Extraction et purification de gènes Bien que les détails de la procédure d'extraction et de purification ne soient pas explicitement décrits dans les pages fournies, cette étape est reconnue comme la première dans la chaîne des applications technologiques en biologie moléculaire. Elle vise à isoler et purifier l'ADN ou l'ARN d'intérêt à partir d'échantillons biologiques variés, afin de le rendre utilisable pour des analyses ultérieures. ### 2.2 Restriction enzymatique Cette technique, mentionnée dans la description générale des applications, repose sur l'utilisation d'enzymes de restriction qui coupent l'ADN à des séquences spécifiques appelées sites de restriction. Elle permet de fragmenter l'ADN en morceaux de tailles définies, ce qui est crucial pour des analyses telles que le clonage ou le "fingerprinting" génétique. ### 2.3 Amplification par PCR (Polymerase Chain Reaction) La PCR est une technique qui permet d'amplifier de manière exponentielle des séquences d'ADN spécifiques. En classe de première spécialité SVT, les élèves sont amenés à concevoir et réaliser une réaction de PCR, en déterminant la durée de chaque étape du cycle et en calculant le nombre de copies obtenues. Un cycle de PCR comprend typiquement trois étapes : * **Dénaturation :** Les deux brins d'ADN sont séparés par chauffage à haute température (environ 94-98 °C). * **Hybridation (ou annealing) :** Des amorces spécifiques se lient aux séquences d'ADN complémentaires à basse température (environ 50-65 °C). * **Élongation :** Une ADN polymérase thermostable synthétise de nouveaux brins d'ADN à partir des amorces à une température optimale pour l'enzyme (environ 72 °C). Le nombre de copies d'ADN obtenues après $n$ cycles est donné par la formule : $$ \text{Nombre de copies} = 2^n \times \text{Nombre de copies initiales} $$ Si le nombre initial de copies est 1, alors après $n$ cycles, le nombre de copies sera $2^n$. > **Tip:** La conception d'une réaction de PCR efficace nécessite une sélection rigoureuse des amorces, une optimisation des températures et des temps de chaque étape, ainsi que le choix d'une polymérase adaptée à la température de dénaturation. ### 2.4 Électrophorèse L'électrophorèse est une technique fondamentale permettant de séparer des molécules chargées sous l'effet d'un champ électrique. #### 2.4.1 Principe général de l'électrophorèse Les ions migrent vers l'électrode de charge opposée : les anions (chargés négativement) se déplacent vers l'anode (pôle positif), tandis que les cations (chargés positivement) se dirigent vers la cathode (pôle négatif). #### 2.4.2 Électrophorèse sur gel d'agarose En biologie moléculaire, l'électrophorèse sur gel d'agarose est couramment utilisée pour séparer des fragments d'ADN en fonction de leur taille. À pH neutre, les molécules d'ADN sont chargées négativement et migrent donc vers l'anode (pôle positif). La séparation se fait par la taille des fragments : les plus petits fragments traversent le gel plus rapidement que les plus grands. Cette technique permet de : * Identifier la taille de fragments d'ADN par comparaison avec un marqueur de taille connu. * Estimer la quantité d'ADN présente. * Purifier un fragment d'ADN spécifique à partir du gel. #### 2.4.3 Le gel d'agarose L'agarose est un polysaccharide extrait de l'agar. Il est utilisé sous forme de poudre blanche qui, dissoute dans l'eau et chauffée, forme une solution. En refroidissant en dessous de 40 °C, cette solution se solidifie en un gel. La taille des pores du gel dépend de la concentration d'agarose : une concentration plus élevée entraîne des pores plus petits et une résolution de séparation plus fine, ce qui est idéal pour séparer de petits fragments d'ADN. * **Gel à 0,8 % :** Maillage plus lâche, adapté aux fragments d'ADN de grande taille. * **Gel à 1,25 % :** Concentration intermédiaire. * **Gel à 2 % :** Maillage serré, idéal pour la séparation de petits fragments d'ADN. #### 2.4.4 Le tampon de migration Le tampon de migration assure la conductivité électrique du milieu et maintient le pH. Les tampons les plus couramment utilisés sont le Tris/Acétate/EDTA (TAE) et le Tris/Borate/EDTA (TBE). Le tampon TAE offre une meilleure séparation pour les grands fragments d'ADN mais possède un pouvoir tampon plus faible que le TBE. Le tampon TBE 0,5X est souvent utilisé. #### 2.4.5 Préparation et réalisation d'une électrophorèse (Exemple du kit ADN suspect) L'objectif de cette section est de détailler les étapes pratiques pour réaliser une électrophorèse, notamment dans le cadre d'une analyse de profil génétique. **Matériel nécessaire :** * Gels d'agarose préparés. * Tampon de migration (ex: TBE 0,5X). * Tubes d'échantillons d'ADN. * Colorant de dépôt (ex: Bleu de dépôt, qui alourdit l'ADN et permet la visualisation). * Cuves d'électrophorèse et générateur. * Transilluminateur ou lampe UV. * Microcentrifugeuse. * Azur A (colorant pour révélation si nécessaire) et éthanol. **Calculs préalables pour la préparation du gel :** Pour préparer 150 mL d'un gel d'agarose à 0,8 % : $$ \text{Masse d'agarose} = \frac{\text{Concentration désirée} (\text{g/100mL}) \times \text{Volume total} (\text{mL})}{100} $$ $$ m_{\text{agarose}} = \frac{0,8 \times 150}{100} = 1,2 \text{ g} $$ La dissolution se fait dans un volume légèrement supérieur de tampon (ex: 170 mL de tampon TBE 1X pour compenser l'évaporation lors du chauffage). **Étapes de préparation et de migration :** 1. **Préparation des gels d'agarose :** Peser l'agarose, ajouter le tampon, chauffer jusqu'à dissolution complète, laisser refroidir (55-65 °C), couler dans le support de gel, laisser solidifier, retirer le peigne et les butoirs. 2. **Montage de la cuve à électrophorèse :** Placer le gel dans la cuve, puits côté cathode (borne négative). Remplir la cuve avec le tampon de migration jusqu'à immerger le gel et remplir les puits. 3. **Préparation des échantillons :** Mélanger les échantillons d'ADN avec le colorant de dépôt. 4. **Dépôt des échantillons :** Introduire délicatement le volume défini d'échantillon dans chaque puits, en évitant les bulles d'air, le débordement ou la perforation du fond du puits. Un fond noir peut aider à visualiser le dépôt. 5. **Migration :** Fermer la cuve, la relier au générateur, régler la tension (ex: entre 70 V et 120 V). Laisser migrer jusqu'à ce que les marqueurs de migration atteignent une distance souhaitée (ex: 2 cm du bord opposé). 6. **Révélation :** * Si le gel contient un colorant déjà incorporé (ex: Safegreen), observer directement sous transilluminateur adapté. * Si un colorant externe est utilisé (ex: Azure A), le gel doit être coloré après migration. * Coloration : Immerger le gel dans une solution d'Azure A (ex: 0,04 g dans 100 mL d'éthanol à 20 %) pendant 4 minutes. * Décoloration et rinçage : Éliminer l'excès de colorant, rincer avec de l'alcool à 70 % puis à l'eau du robinet pour éliminer le colorant non fixé. L'intensité maximale de coloration est atteinte après quelques heures, et les bandes sont plus visibles au réfrigérateur. * Observer le gel révélé sur une lampe. > **Tip:** La tension appliquée lors de l'électrophorèse influence la vitesse et la précision de la migration. Une tension plus basse (ex: 70 V) assure une migration plus précise mais plus longue, tandis qu'une tension plus élevée (ex: 120 V) accélère le processus au détriment de la résolution. ### 2.5 Séquençage Le séquençage d'acides nucléiques est une technique qui permet de déterminer l'ordre exact des nucléotides (A, T, C, G) dans une molécule d'ADN. Les élèves en première spécialité SVT peuvent mener une étude documentaire sur le séquençage des macromolécules. Cette technique est cruciale pour comprendre la structure et la fonction des gènes, identifier les mutations, et est à la base de l'analyse du profil génétique. ### 2.6 Analyse de profil génétique L'analyse de profil génétique, souvent appelée "empreinte génétique" ou "profil ADN", est une application majeure de la biologie moléculaire. Elle consiste à analyser des régions spécifiques du génome d'un individu qui varient d'une personne à l'autre, permettant ainsi d'identifier un individu de manière unique ou de déterminer des liens de parenté. Les techniques utilisées incluent la restriction enzymatique suivie d'une électrophorèse (anciennement, RFLP - Restriction Fragment Length Polymorphism) et, plus couramment aujourd'hui, l'analyse de microsatellites ou de polymorphismes d'un seul nucléotide (SNP). Le profil génétique est essentiel dans les enquêtes médico-légales pour identifier des suspects ou des victimes, et en médecine pour le diagnostic de maladies génétiques ou la compatibilité lors de greffes. L'électrophorèse, décrite précédemment, est une étape clé dans l'obtention d'un profil génétique en séparant des fragments d'ADN de tailles différentes, révélant ainsi des variations génétiques spécifiques. La combinaison de ces différentes techniques (PCR pour amplifier des régions ciblées, restriction enzymatique pour cliver l'ADN, et électrophorèse pour séparer les fragments) permet de construire un profil génétique discriminant. --- # Place de la biologie moléculaire dans les programmes scolaires L'intégration de la biologie moléculaire dans les programmes scolaires français, particulièrement en sciences de la vie et de la Terre (SVT) et en option biotechnologie, vise à familiariser les élèves avec les concepts et techniques fondamentaux de cette discipline. ### 3.1 La biologie moléculaire en classe de seconde #### 3.1.1 Enseignement de spécialité SVT En classe de seconde, le programme de SVT introduit les élèves aux notions fondamentales de la biologie moléculaire dans le contexte de la cellule. Les élèves apprennent que toutes les cellules d'un organisme proviennent d'une cellule unique et possèdent initialement la même information génétique sous forme d'ADN. Ils comprennent que, malgré cette uniformité, les cellules se spécialisent en n'exprimant qu'une partie de cet ADN. Les notions clés abordées incluent : * Cellule, matrice extracellulaire/paroi, tissu, organe * Organite, spécialisation cellulaire * ADN, double hélice, nucléotides (adénine, thymine, cytosine, guanine) * Complémentarité des bases azotées * Gène et séquence d'ADN L'objectif pédagogique est de lier la fonction spécifique des cellules spécialisées à leur organisation et de montrer comment la structure moléculaire de l'ADN permet le stockage de l'information génétique. #### 3.1.2 Option Biotechnologie L'option biotechnologie en classe de seconde introduit également les élèves aux principes et aux applications de la biologie moléculaire. ### 3.2 La biologie moléculaire en classe de première spécialité SVT En classe de première, le programme de spécialité SVT approfondit les concepts de biologie moléculaire et intègre des capacités pratiques et d'investigation. #### 3.2.1 Capacités et objectifs pédagogiques Les élèves sont amenés à développer des compétences telles que : * Concevoir et réaliser une réaction de PCR (amplification en chaîne par polymérase), incluant le calcul du nombre de copies obtenues après chaque cycle. * Concevoir et mettre en œuvre un protocole expérimental pour étudier l'effet d'un agent mutagène sur la survie cellulaire et l'apparition de mutants. * Mener des démarches historiques ou des études documentaires sur le séquençage des macromolécules (protéines, ARN, ADN). #### 3.2.2 Exemple d'activité : l'électrophorèse Une activité typique vise à réaliser un profil génétique par électrophorèse, illustrant concrètement une étape clé de la biologie moléculaire. Les objectifs pour l'élève sont de manipuler le matériel et les réactifs nécessaires à cette technique. ##### 3.2.2.1 Principe de l'électrophorèse L'électrophorèse est une technique qui permet de séparer des ions (molécules chargées électriquement) sous l'action d'un champ électrique. Les espèces chargées négativement (anions) migrent vers l'anode (pôle positif), tandis que les espèces chargées positivement (cations) migrent vers la cathode (pôle négatif). En biologie moléculaire, l'électrophorèse sur gel d'agarose est utilisée pour séparer les fragments d'ADN en fonction de leur taille. L'ADN, portant une charge négative à pH neutre, migre vers l'anode (pôle positif). Les applications de l'électrophorèse sur gel d'agarose comprennent : * La détermination de la taille de fragments d'ADN par comparaison avec un marqueur de taille. * L'estimation de la quantité d'ADN présente. * La purification d'un fragment d'ADN spécifique à partir d'un gel. ##### 3.2.2.2 Le gel d'agarose L'agarose est un polysaccharide extrait de l'agar, utilisé pour former des gels. Il se dissout dans l'eau bouillante et forme un gel en refroidissant. La taille des pores du gel est inversement proportionnelle à la concentration d'agarose : une concentration plus élevée entraîne un maillage plus fin, permettant une meilleure résolution pour séparer de petits fragments d'ADN. * **Gel à 0,8 % :** convient pour des fragments d'ADN de plus grande taille. * **Gel à 1,25 % :** offre une résolution intermédiaire. * **Gel à 2 % :** idéal pour la séparation de petits fragments d'ADN. ##### 3.2.2.3 Le tampon de migration Le tampon de migration assure la conductivité électrique de la solution et maintient le pH. Les tampons couramment utilisés sont le Tris/Acétate/EDTA (TAE) et le Tris/Borate/EDTA (TBE). Le tampon TAE offre une meilleure séparation pour les grands fragments d'ADN, tandis que le tampon TBE est également très utilisé, souvent sous forme diluée (par exemple, TBE 0,5X). ##### 3.2.2.4 Préparation et réalisation de l'électrophorèse (Exemple pratique) Pour une manipulation telle que l'analyse d'un "ADN suspect", la préparation implique : * La fabrication de gels d'agarose à la concentration appropriée (ex. 0,8 %). Les calculs pour la préparation du gel sont essentiels, par exemple : pour 150 mL de gel à 0,8 %, il faut 1,2 gramme d'agarose calculé comme suit : $m_{\text{agarose}} = \frac{0,8 \times 150}{100} = 1,2 \text{ g}$. * Le montage de la cuve d'électrophorèse, en plaçant le gel et en le remplissant de tampon de migration. Les puits doivent être orientés vers la cathode (borne négative). * La préparation des échantillons d'ADN, souvent additionnés d'un "bleu de dépôt" qui alourdit les échantillons et permet de visualiser leur migration. * Le dépôt précis des échantillons dans les puits du gel (par exemple, 15 µL par puits), en évitant les bulles et en ne perçant pas le fond. * La migration des fragments d'ADN sous l'effet d'un courant électrique appliqué par un générateur (généralement entre 70 V et 120 V), jusqu'à ce que les bandes atteignent une distance appropriée sur le gel. ##### 3.2.2.5 Révélation des bandes d'ADN Comme l'ADN n'est pas visible à l'œil nu, des colorants sont utilisés pour révéler les bandes d'ADN après migration. Des colorants comme le Safegreen peuvent être mélangés directement aux produits, permettant une visualisation immédiate avec un transilluminateur. Alternativement, le gel peut être coloré après migration, par exemple avec de l'Azur A, suivi d'une décoloration pour faire ressortir les bandes d'ADN. Les bandes apparaissent plus intensément après quelques heures et peuvent être observées sur une lampe UV ou une lampe appropriée. > **Tip:** La concentration d'agarose doit être choisie en fonction de la taille des fragments d'ADN à séparer. Plus les fragments sont petits, plus la concentration d'agarose doit être élevée pour une meilleure résolution. > **Example:** Dans le cadre d'une enquête policière simulée, l'électrophorèse permettrait de comparer l'ADN d'une scène de crime avec celui de suspects pour identifier une correspondance. Les différentes bandes observées sur le gel représentent des fragments d'ADN de tailles distinctes, formant un "profil génétique" unique. --- # L'électrophorèse sur gel d'agarose et ses protocoles Voici une synthèse sur l'électrophorèse sur gel d'agarose et ses protocoles. ## 4. L'électrophorèse sur gel d'agarose et ses protocoles L'électrophorèse sur gel d'agarose est une technique fondamentale en biologie moléculaire utilisée pour séparer des fragments d'ADN en fonction de leur taille. ### 4.1 Principe de la séparation des molécules d'ADN L'électrophorèse est une méthode permettant de déplacer des ions sous l'effet d'un champ électrique. Les molécules d'ADN, intrinsèquement chargées négativement en raison de leur squelette phosphate, migrent vers l'anode (le pôle positif) lorsqu'elles sont placées dans un tampon conducteur et soumises à un champ électrique. La vitesse de migration est inversement proportionnelle à la taille des fragments d'ADN : les fragments plus petits se déplacent plus rapidement à travers la matrice du gel que les fragments plus grands. Cela permet donc une séparation basée sur la taille. > **Tip:** À pH neutre, les molécules d'ADN sont toujours chargées négativement, ce qui garantit leur migration vers l'anode (pôle positif). L'électrophorèse sur gel d'agarose peut être utilisée pour plusieurs applications : * Identifier la taille de fragments d'ADN par comparaison avec un marqueur de taille. * Estimer la quantité d'ADN présente. * Purifier un fragment d'ADN spécifique directement à partir du gel. ### 4.2 Composition du gel d'agarose Le gel d'agarose constitue la matrice semi-solide à travers laquelle les molécules d'ADN migrent. #### 4.2.1 L'agarose L'agarose est un polysaccharide extrait de l'agar, composé d'unités répétitives de diholosides. Il est utilisé pour créer la structure du gel. L'agarose se présente sous forme de poudre blanche qui, une fois dissoute dans de l'eau bouillante, forme une solution. En refroidissant en dessous de 40 °C, cette solution se transforme en un gel solide. #### 4.2.2 Concentration d'agarose et taille des pores La concentration d'agarose dans le gel détermine la taille des pores du réseau gélifié : * Une concentration d'agarose plus élevée entraîne un maillage plus serré et des pores plus petits. * Un maillage plus serré offre une meilleure résolution pour la séparation des fragments d'ADN de petite taille. * Inversement, un pourcentage d'agarose plus faible crée des pores plus grands, mieux adaptés à la séparation de fragments d'ADN de grande taille. Les concentrations couramment utilisées varient en fonction de l'application : * Gel à 0,8 % : pour des fragments de grande taille. * Gel à 1,25 % : concentration intermédiaire. * Gel à 2 % : pour des fragments de petite taille et une haute résolution. ### 4.3 Les tampons de migration Le tampon de migration remplit plusieurs fonctions essentielles : * Il assure la conductivité électrique nécessaire au déplacement des molécules d'ADN. * Il maintient un pH stable tout au long de l'expérience, ce qui est crucial pour la charge négative de l'ADN et la stabilité du gel. Les tampons les plus fréquemment utilisés sont : * **TAE** (Tris-Acétate-EDTA) : Offre la plus faible capacité tampon mais permet une meilleure séparation pour les fragments d'ADN de grande taille. * **TBE** (Tris-Borate-EDTA) : Très couramment utilisé, il possède un bon pouvoir tampon. * **SB** (Sodium Borate). > **Tip:** Une concentration de 0,5X pour les tampons TAE ou TBE est souvent préférée pour optimiser la migration. ### 4.4 Protocoles pratiques La réalisation d'une électrophorèse sur gel d'agarose implique plusieurs étapes clés, de la préparation du gel à la révélation des résultats. #### 4.4.1 Préparation des gels d'agarose Pour préparer un gel d'agarose, il faut peser la quantité appropriée d'agarose et la dissoudre dans le volume adéquat de tampon de migration (généralement dilué à 1X). La solution est ensuite chauffée jusqu'à obtenir une transparence complète, puis refroidie avant d'être coulée dans un support de gel. Un peigne est inséré avant la solidification pour créer les puits où seront déposés les échantillons d'ADN. **Exemple de calcul pour la préparation d'un gel :** Pour préparer 150 mL d'un gel d'agarose à 0,8 %, on calcule la masse d'agarose nécessaire : $$ m_{\text{agarose}} = \frac{\% \text{ agarose} \times \text{ Volume du gel}}{\text{100}} $$ $$ m_{\text{agarose}} = \frac{0,8 \times 150 \text{ mL}}{100} = 1,2 \text{ g d'agarose} $$ Cette quantité d'agarose est dissoute dans environ 170 mL de tampon TBE 1X (en ajoutant un volume supplémentaire pour compenser l'évaporation lors du chauffage). #### 4.4.2 Montage de la cuve d'électrophorèse Le support de gel est placé dans la cuve d'électrophorèse, avec les puits orientés vers la cathode (borne négative, généralement de couleur noire). La cuve est ensuite remplie de tampon de migration jusqu'à immerger complètement le gel et remplir les puits. #### 4.4.3 Préparation et dépôt des échantillons Les échantillons d'ADN à analyser sont mélangés avec un "bleu de dépôt". Ce produit est un mélange de colorants et d'un agent alourdissant (comme du glycérol) qui permet de visualiser la progression de la migration dans le gel et de s'assurer que les échantillons coulent bien dans les puits sans se disperser. Il est crucial de respecter le volume de dépôt recommandé (par exemple, 15 microlitres) et de déposer l'échantillon avec précaution pour éviter de percer le fond du puits ou de créer des bulles d'air. > **Tip:** Pour faciliter le dépôt, placez une surface noire sous la cuve afin de mieux visualiser le fond des puits. Il est recommandé de démarrer la migration peu de temps après le dépôt des échantillons. #### 4.4.4 Migration Une fois les échantillons déposés, le couvercle de la cuve est fermé, et la cuve est connectée au générateur électrique. La tension (généralement entre 70 et 120 Volts) est réglée. Une tension plus basse permet une migration plus précise mais plus longue, tandis qu'une tension plus élevée accélère la migration au détriment de la résolution. La migration est arrêtée lorsque le front du colorant de dépôt atteint environ 2 cm du bord opposé du gel (côté anode). #### 4.4.5 Révélation L'ADN lui-même n'est pas visible à l'œil nu. Un agent de révélation est donc nécessaire pour visualiser les bandes d'ADN après la migration. Il existe deux options principales : 1. **Colorants incorporés au gel :** Certains kits utilisent des colorants (comme le Safegreen) qui sont déjà mélangés aux échantillons ou au gel. Les bandes d'ADN deviennent visibles directement sous une lampe appropriée (transilluminateur). 2. **Coloration post-migration :** Si aucun colorant n'a été incorporé, le gel doit être coloré après la migration. * L'**Azur A** est un colorant bleu couramment utilisé. Le gel est immergé dans une solution d'Azur A, puis rincé. Une décoloration partielle permet de faire ressortir les bandes d'ADN. * Le processus typique avec l'Azur A implique une coloration de 4 minutes, suivie d'un rinçage avec de l'éthanol à 70 % pour éliminer l'excès de colorant, puis un rinçage à l'eau. L'intensification des bandes peut prendre quelques heures et est accélérée par le stockage au réfrigérateur. > **Exemple:** Après révélation, les différentes bandes observées sur le gel d'électrophorèse représentent des fragments d'ADN de tailles distinctes. En comparant leur position avec celle d'un marqueur de taille connu, il est possible de déterminer la longueur de chaque fragment. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Biologie moléculaire | Discipline de la biologie étudiant les processus biologiques au niveau moléculaire, notamment la structure et la fonction des acides nucléiques et des protéines. | | Acides nucléiques | Molécules essentielles à la vie, qui transportent l'information génétique (ADN) ou participent à sa synthèse protéique (ARN). | | ADN | Acide désoxyribonucléique, molécule qui contient les instructions génétiques pour le développement, le fonctionnement, la croissance et la reproduction de tous les organismes vivants connus et de nombreux virus. | | ARN | Acide ribonucléique, molécule impliquée dans la synthèse des protéines et la régulation de l'expression des gènes. | | Gène | Unité fondamentale de l'hérédité, segment d'ADN qui code pour une protéine ou une molécule d'ARN fonctionnelle. | | Génome | Ensemble complet du matériel génétique d'un organisme, incluant tous ses gènes. | | Protéine | Macromolécule biologique composée d'une ou plusieurs chaînes d'acides aminés, qui remplit une multitude de fonctions dans les organismes. | | Allèle | Une des formes possibles d'un même gène, variant d'un individu à l'autre et déterminant une caractéristique particulière. | | Génie génétique | Ensemble des techniques de manipulation des acides nucléiques, permettant de modifier le patrimoine génétique d'un organisme. | | PCR (Réaction en chaîne par polymérase) | Technique de biologie moléculaire permettant d'amplifier de manière exponentielle un fragment d'ADN spécifique, in vitro. | | Électrophorèse | Technique de séparation de molécules chargées électriquement (comme l'ADN ou les protéines) sous l'action d'un champ électrique, généralement dans un gel. | | Gel d’agarose | Matrice poreuse formée à partir d'agarose, utilisée en électrophorèse pour séparer des fragments d'ADN ou d'ARN en fonction de leur taille. | | Tampon de migration | Solution aqueuse contenant des ions qui assure la conductivité électrique nécessaire à la migration des molécules chargées pendant l'électrophorèse et maintient un pH stable. | | Anode | Électrode positive d'une cellule électrochimique, vers laquelle migrent les ions négativement chargés (anions). | | Cathode | Électrode négative d'une cellule électrochimique, vers laquelle migrent les ions positivement chargés (cations). | | Transilluminateur | Appareil émettant une lumière UV ou visible, utilisé pour visualiser des échantillons fluorescents ou des bandes d'ADN marquées dans un gel d'électrophorèse. | | Profil génétique | Ensemble de caractéristiques uniques d'un individu déterminées par son ADN, souvent utilisé dans des analyses forensiques ou d'identification. | | Bleu de dépôt | Colorant teinté ajouté aux échantillons d'ADN avant le dépôt dans les puits du gel d'électrophorèse ; il permet de visualiser la progression de la migration et alourdit l'échantillon. |

# Chronische virale infectie Chronische virale infecties kenmerken zich door de langdurige aanwezigheid van het virus in het lichaam, wat kan leiden tot accumulerende schade bij de gastheer en het virus een potentiële bron van infectie maakt [4](#page=4). ### 1.1 Kenmerken van chronische virale infectie Een chronische virale infectie wordt gedefinieerd door het feit dat het virus niet op korte termijn uit het lichaam wordt geklaard. De reden hiervoor is dat de geïnfecteerde cellen lang genoeg in leven blijven om de virale aanwezigheid te onderhouden. Dit kan zich op verschillende manieren manifesteren: soms is er geen continue replicatie, maar is het virale genoom latent aanwezig in de cel. In dat geval kan er wel expressie van virale genen plaatsvinden, maar zonder het kopiëren van het genoom en zonder het vrijlaten van nieuwe virale deeltjes [4](#page=4). Het gevolg van deze persisterende aanwezigheid is dat de gastheer accumulerende schade kan ondervinden. Bovendien blijft de gastheer een potentiële bron van infectie voor anderen [4](#page=4). > **Voorbeelden van chronische virale infecties:** > * Hepatitis C virus (HCV): 15 tot 25% van de geïnfecteerden klaart het virus binnen de 6 maanden na infectie. De overigen klaren het virus zelden spontaan zonder therapie [4](#page=4). > * Herpesvirus infecties: deze infecties duren levenslang [4](#page=4). > * Humaan Immunodeficiëntie Virus (HIV): bij deze infectie is spontane klaring nagenoeg nooit waargenomen [4](#page=4). ### 1.2 Humaan immunodeficiëntie virus (HIV) als schoolvoorbeeld HIV wordt beschouwd als een schoolvoorbeeld van een chronische virale infectie. Dit virus infecteert uitsluitend de mens. Er zijn twee hoofdtypen: HIV-1 is pandemisch, terwijl HIV-2 voornamelijk voorkomt in West-Afrika en minder virulent is. HIV is een retrovirus, wat betekent dat het een RNA-genoom heeft dat zich in de vorm van een DNA-kopie inbouwt in het genoom van de gastheercel [4](#page=4). ### 1.3 Persisterende aanwezigheid van het virus De kern van een chronische virale infectie is de persisterende aanwezigheid van het virus. Dit impliceert dat het virus erin slaagt om het immuunsysteem van de gastheer te ontwijken en een stabiele infectie tot stand te brengen die niet door het lichaam wordt opgeruimd. De levensduur van de geïnfecteerde cellen speelt hierin een cruciale rol, aangezien deze lang genoeg moeten blijven bestaan om de virale replicatie of latentie te ondersteunen [4](#page=4). ### 1.4 Potentiële schade aan de gastheer De langdurige aanwezigheid van het virus kan leiden tot diverse vormen van schade aan de gastheer. Deze schade kan direct zijn, door de replicatie van het virus in specifieke celtypen, of indirect, door de immuunrespons die het virus oproept. Bij HIV leidt dit bijvoorbeeld tot een geleidelijke vernietiging van CD4+ T-cellen, wat resulteert in een verzwakt immuunsysteem en uiteindelijk tot Acquired Immunodeficiency Syndrome (AIDS). Bij Hepatitis C kan chronische infectie leiden tot levercirrose en hepatocellulair carcinoom [2](#page=2) [4](#page=4). ### 1.5 Immuunevasie door virussen Virussen die chronische infecties veroorzaken, hebben vaak specifieke mechanismen ontwikkeld om het immuunsysteem van de gastheer te ontwijken. Dit proces, immuunevasie genoemd, stelt het virus in staat om detectie en eliminatie door het immuunsysteem te omzeilen. Deze mechanismen kunnen gericht zijn tegen zowel de aangeboren als de verworven immuniteit [2](#page=2). #### 1.5.1 Evasie van aangeboren immuniteit Virussen kunnen de aangeboren immuniteit ontwijken door bijvoorbeeld de herkenning door Toll-like receptoren (TLR's) te belemmeren of door de productie van interferonen te onderdrukken [2](#page=2). #### 1.5.2 Evasie van verworven immuniteit Voor de verworven immuniteit kunnen virussen de presentatie van virale antigenen op MHC-moleculen beïnvloeden, de functie van T-cellen of B-cellen remmen, of de productie van antistoffen ontwijken [2](#page=2). ### 1.6 Diagnostiek en opvolging De diagnostiek en opvolging van chronische virale infecties zijn essentieel om de voortgang van de ziekte te monitoren en de effectiviteit van de behandeling te evalueren. Dit kan inhouden: het detecteren van viraal DNA of RNA, de aanwezigheid van virale eiwitten, of de immuunrespons van de gastheer (bijvoorbeeld antistoffen). Bij HIV omvat de diagnose bijvoorbeeld serologische testen en PCR-methoden [2](#page=2). ### 1.7 Reactivatie Bij sommige chronische virale infecties, met name latente infecties zoals herpesvirussen, kan het virus onder bepaalde omstandigheden (bv. bij immuunsuppressie) reactiveren en opnieuw actief repliceren, wat leidt tot ziekteverschijnselen [1](#page=1). --- # Humaan immunodeficiëntie virus (HIV) Dit document beschrijft het humaan immunodeficiëntie virus (HIV), inclusief de infectie, transmissie, immuunpathologie, de progressie naar AIDS, diagnosemethoden en behandelingsstrategieën met specifieke inhibitoren, evenals de levenscyclus van retrovirussen [11](#page=11). ### 2.1 HIV infectie HIV infecteert voornamelijk CD4+ T-cellen en mononucleair fagocyterende cellen, zoals macrofagen, monocyten, dendritische cellen en microgliale cellen in het centraal zenuwstelsel. Deze infectie leidt tot veranderingen in de functie en levensduur van deze cellen, wat resulteert in immuundeficiëntie en neurologische symptomen zoals dementie. Een genetische variant, de CCR5 homogene deletie, komt voor bij ongeveer 1% van de gezonde blanken en maakt hen ongevoelig voor HIV-infectie wanneer CCR5 als co-receptor wordt gebruikt [12](#page=12). ### 2.2 Transmissie HIV De belangrijkste transmissieroutes van HIV omvatten seksueel contact, intraveneus druggebruik en bloedtransfusies. Hoewel de heteroseksuele route van transmissie historisch beter is vastgesteld in resource-arme landen, neemt het belang ervan ook toe in resource-rijke landen [13](#page=13). ### 2.3 HIV immuunpathologie Na mucosale transmissie worden dendritische cellen geïnfecteerd en transporteren ze het virus naar lymfeknopen en lymfoïde weefsels, wat leidt tot massale infectie van T-cellen. Initieel kan dit resulteren in een griepaal syndroom en lymfadenopathieën, met hoge virale titers en een snelle daling van CD4+ cellen in het perifeer bloed. Binnen zes weken controleert het immuunsysteem het virus meestal, met een daling van de virale titer en herstel van CD4+ counts dankzij de respons van cytotoxische T-lymfocyten (CTL) en neutraliserende antilichamen, wat leidt tot seroconversie binnen tien weken. Hierna volgt een periode van persistentie, soms met tekenen van continue immuunactivatie en een geleidelijke afname van CD4+ counts over jaren. Na gemiddeld tien jaar versnelt de virale titer, en de CD4+ counts dalen drastisch, wat leidt tot ernstige opportunistische infecties en overlijden binnen een jaar zonder behandeling [14](#page=14). Het chronische karakter van HIV-infectie wordt deels verklaard door het continue muteren van het virus. Patiënten die het MHC-allotype HLA-B5703 tot expressie brengen, vertonen lagere virushoeveelheden in het bloed en een tragere progressie naar AIDS. Virusisolaten bij deze patiënten vertonen vaak mutaties in het p24 gag-eiwit, met name in de regio's aminozuur 147-155 (ISW9), 240-249 (KF11) en 162-172 (TW10). De plasma virale load vertegenwoordigt het aantal HIV-virussen per milliliter plasma [25](#page=25). ### 2.4 AIDS AIDS (Acquired Immunodeficiency Syndrome) manifesteert zich bij een instorting van de immuniteit, gedefinieerd door CD4+ counts die lager zijn dan 200 cellen per microliter bloed. Dit leidt tot ernstige opportunistische infecties zoals spruw, *Pneumocystis jirovecii* pneumonie, diarree veroorzaakt door *Giardia lamblia*, *Cryptosporidium* en *Microsporidia*. Bij CD4+ counts onder de 100 cellen/µL kunnen toxoplasmose, CMV-reactivatie, cryptokokkenmeningitis en atypische mycobacteriën optreden. Verder is er een verhoogd risico op neoplastische aandoeningen zoals Kaposi-sarcoom en lymfomen. AIDS wordt ook gekenmerkt door AIDS wasting (>10% gewichtsverlies, koorts, cachexie) en dementie. De onderstaande condities zijn AIDS-definiërend: hairy leukoplakie (door Epstein-Barr virus), orale candidiasis, Kaposi-sarcoom, *Pneumocystis* pneumonie, CMV-retinitis en cryptosporidiose. Met therapie is terugkeer naar een asymptomatische fase mogelijk, maar zonder behandeling is de prognose slecht [15](#page=15). ### 2.5 Diagnose HIV infectie De diagnose van een HIV-infectie omvat meerdere stappen [16](#page=16): 1. **Opsporen van antilichamen (seropositiviteit)**: Dit gebeurt via ELISA-tests en kan door niet-gespecialiseerde artsen worden uitgevoerd. Bij acute infectie bestaat er een "windowfase", waarvoor huidige 4e generatie testen ook p24-antigeen detecteren. Ondanks de hoge specificiteit van de testen, kan een hoge aantal tests in populaties met een lage prevalentie resulteren in een beperkte positieve predictieve waarde, waardoor een positieve ELISA bevestigd moet worden met een tweede ELISA van een andere fabrikant en een western blot in een referentielaboratorium [16](#page=16). 2. **Bevestiging seropositiviteit**: Alleen door HIV-specialisten en gespecialiseerde laboratoria. Hierbij wordt de virale lading aangetoond met behulp van RT-PCR, wat belangrijk is voor het starten van therapie en het bepalen van baseline-resistentie door middel van sequentiebepaling van mutaties in RT-, integrase- en proteasegenen. RT-PCR is ook gevoeliger voor vroege diagnose en wordt gebruikt voor screening van bloeddonoren om het risico te minimaliseren [16](#page=16). 3. **Opvolging van patiënten**: Dit gebeurt in gespecialiseerde referentiecentra en omvat klinische opvolging (bijwerkingen therapie) en virologische opvolging (virale lading, eventueel sequentiebepaling) [16](#page=16). Analoge diagnostische en opvolgingsstrategieën, inclusief serologie en genoomdetectie, worden ook gebruikt voor andere chronische virale infecties zoals HCV en HBV [16](#page=16). De opvolging van CD4+ counts via flowcytometrie is cruciaal voor het monitoren van de immuunstatus van de patiënt. Zonder behandeling is er een geleidelijke uitdoving van CD4+ T-cellen. De virale load wordt gemeten met RT-PCR en toont het verloop van de HIV-infectie en de immuunrespons [17](#page=17) [18](#page=18). ### 2.6 Behandeling HIV infectie: specifieke inhibitoren De behandeling van HIV-infectie berust op combinatie antiretrovirale therapie (cART), klassiek bestaande uit tripletherapie: twee nucleoside analoog reverse transcriptase inhibitoren (NRTIs) plus een non-nucleoside analoog reverse transcriptase inhibitor (NNRTI) of een protease-inhibitor (PI). Tegenwoordig zijn er ook fusieremmers, bindingsremmers (die CCR5 blokkeren) en integraseremmers beschikbaar. Behandeling wordt gestart bij een daling van de immuniteit, vanaf ongeveer 400 tot 500 CD4+ cellen/µL. Bij AIDS worden opportunistische infecties behandeld, waarbij rekening gehouden moet worden met het immuunreconstitutiesyndroom (IRIS). IRIS treedt op wanneer het herstellende immuunsysteem, gestimuleerd door antiretrovirale therapie, plotseling de aanwezige opportunistische infecties detecteert en ertegen gaat vechten, wat kan leiden tot klinische verslechtering. Daarom wordt soms eerst een infectie zoals TBC behandeld voordat de maximale antiretrovirale therapie wordt gestart [19](#page=19). Preventie van HIV omvat geen vaccin, maar veilige praktijken (bloedhygiëne en seksueel contact) en behandeling van dragers, aangezien het transmissierisico stijgt met de virale load. Post-expositie profylaxe (PEP) is beschikbaar na bijvoorbeeld een prikongeval of verkrachting. Genezing is tot op heden slechts in enkele gevallen geregistreerd, onder andere door transplantatie met HIV-ongevoelig beenmerg (CCR5-/-) of zeer snelle therapie na infectie [19](#page=19). > **Tip:** Het immuunreconstitutiesyndroom (IRIS) is een belangrijk concept bij de behandeling van AIDS-patiënten. Het illustreert hoe symptomen van een infectieziekte vaak voortkomen uit de immuunrespons en niet direct uit schade door de kiem zelf. ### 2.7 Levenscyclus retrovirus De levenscyclus van een retrovirus omvat de volgende stappen [20](#page=20): * **Ligand-receptorherkenning**: Het virus bindt aan de CD4+ receptor en co-receptor op de gastheercel [20](#page=20). * **Fusie**: Het virale envelop fusioneert met het celmembraan of endosoom [20](#page=20). * **Reverse transcriptie**: Het nucleocapside komt in het cytoplasma, waarna reverse transcriptase (RT) het virale genoom omzet in cDNA en vervolgens in dubbelstrengs DNA (dsDNA). RT maakt veel fouten, wat leidt tot variabiliteit en de creatie van pseudospecies [20](#page=20). * **Integratiecomplex**: Het dsDNA vormt een pre-integratiecomplex dat naar de celkern getransporteerd wordt [20](#page=20). * **Integratie**: Met behulp van integrase wordt het virale DNA geïntegreerd in het gastheersgenoom (provirus) [20](#page=20). * **Transcriptie**: Het provirus wordt getranscribeerd tot viraal RNA door cellulaire enzymen, waarbij geen extra mutaties optreden. Splicing kan plaatsvinden [20](#page=20). * **Assemblage en budding**: Nucleocapsiden assembleren en de virusdeeltjes knoppen af vanaf het celmembraan [20](#page=20). * **Maturatie**: Na release ondergaat het nucleocapside een interne reorganisatie onder invloed van virale proteaseactiviteit, resulterend in een rijp en infectieus virion [20](#page=20). Humaan herpesvirus 8 (HHV8) wordt geassocieerd met Kaposi-sarcoom. Hoewel HHV8 regionaal wijdverspreid kan zijn, draagt het slechts onder bepaalde omstandigheden, zoals immuunsuppressie, bij aan het ontstaan van Kaposi-sarcomen. HTLV-1 kan T-cel leukemieën veroorzaken door insertionele mutagenese. HIV zelf kan, naast Kaposi-sarcoom, ook lymfomen veroorzaken, maar het virusgenoom is niet altijd in de kankercellen van deze tumoren aan te tonen [10](#page=10) [32](#page=32) [7](#page=7). --- # Immuunevasie door virussen Virussen hebben diverse strategieën ontwikkeld om te ontsnappen aan de aangeboren en verworven immuunrespons van de gastheer [21](#page=21) [23](#page=23). ### 21.4.1 Evasie aangeboren immuniteit Virussen kunnen de aangeboren immuniteit ontwijken door verschillende mechanismen. Een van de strategieën is het zich verbergen binnen geïnfecteerde cellen, waardoor de rol van antilichamen beperkt blijft tot het voorkomen van infectie en overdracht in de extracellulaire ruimte [21](#page=21) [22](#page=22) [23](#page=23) [24](#page=24). Virussen kunnen ook de aangeboren cellulaire detectie van virale structuren, zoals dubbelstrengs RNA (dsRNA), tegengaan. Dit kan gebeuren door de sensing-mechanismen zelf te ontwijken (bv. influenza NS1). Daarnaast kunnen virussen de signaaltransductie na sensing te onderbreken, bijvoorbeeld door het gebruik van decoy-receptoren voor interferon (IFN) die de expressie van IFN-gestimuleerde genen (ISGs) blokkeren, zoals waargenomen bij Vaccinia en andere poxvirussen, of door decoy-eiwitten voor Interferon Regulatory Factors (IRFs) te gebruiken die de expressie van ISGs blokkeren, zoals bij HHV8. Verder kunnen virussen de effectorfuncties van ISGs tegengaan, zoals de remming van proteïne kinase R (PKR) door virale eiwitten zoals NS1 (influenza), NS5a (HCV), Us11 en ICP34.5 (HSV1), en E3L (Vaccinia) [22](#page=22). Andere strategieën omvatten: * **Non-invasiviteit**: Virussen zoals HPV hebben weinig tot geen manifeste blootstelling aan het immuunsysteem en geven geen gevaarsignalen af [21](#page=21) [23](#page=23) [27](#page=27). * **Verberging**: Latente virussen zoals HIV uiten weinig tot geen virale eiwitten, waardoor ze aan detectie ontsnappen [21](#page=21) [23](#page=23) [27](#page=27). > **Tip:** Begrijp hoe virussen gebruik maken van de eigen detectiemechanismen van de cel tegen de cel zelf. ### 21.4.2 Evasie verworven immuniteit Virussen ontwijken de verworven immuniteit op verschillende manieren. Een cruciale methode is het belemmeren van de presentatie van antigenen via het Major Histocompatibility Complex klasse I (MHC-I) [23](#page=23) [24](#page=24) [27](#page=27) [28](#page=28). Normaal gesproken presenteren geïnfecteerde cellen intracellulaire antigenen via MHC-I moleculen op hun oppervlak, die herkend worden door CD8+ T-cellen, wat leidt tot de eliminatie van de geïnfecteerde cel. Virussen introduceren echter mechanismen om deze presentatie te verstoren [24](#page=24) [28](#page=28). * **Belemmering MHC-I presentatie**: * HIV Nef vermindert de oppervlakte-expressie van HLA-A en HLA-B, maar niet van HLA-C en HLA-E. Deze laatste zijn belangrijk voor NK-cel activatie, omdat NK-cellen normaal gesproken MHC-I negatieve cellen lyseren [24](#page=24). * Andere virussen verhogen de endocytose van MHC-I door ubiquitinatie, houden MHC-I intracellulair vast, of remmen de TAP (Transporter Associated with Antigen Processing) loading van peptiden op MHC-I moleculen, zoals CMV US6 die dit proces inhibeert, met uitzondering van HLA-E [24](#page=24). * Sommige virussen produceren eiwitten die NK-cel functies inhiberen, bijvoorbeeld door interferentie met NK-receptoren zoals NKG2D en CD94:NKG2A, of door de expressie van MIC-A en -B te verhinderen [28](#page=28). * **Ontlopen van MHC-I presentatie door mutatie**: Virussen kunnen mutaties ondergaan die leiden tot verminderde antigenpresentatie, bekend als CTL-escape mutaties (bv. bij HIV). Dit omvat ook antigene variabiliteit, waarbij virussen snel muteren en een "quasisoort" vormen, zoals bij HIV [27](#page=27). * **Antigene variabiliteit**: Virussen kunnen hun oppervlakte-antigenen constant veranderen om te ontsnappen aan antilichamen. Een voorbeeld hiervan is *Trypanosoma brucei* (een protozoön), de verwekker van slaapziekte. Het oppervlak van deze parasiet bestaat uit variabele oppervlakte-glycoproteïnen (VSG's). Door genconversie kan de trypanosoom verschillende VSG's tot expressie brengen, waardoor het immuunsysteem telkens opnieuw moet reageren op een nieuwe variant. De aantallen trypanosomen variëren enorm; telkens als een nieuwe variant ontsnapt, groeit deze uit totdat het immuunsysteem zich opnieuw instelt [26](#page=26). * **Immunosuppressie**: Virussen kunnen het immuunsysteem direct onderdrukken door: * **Infectie van immuuncellen**: HIV infecteert en depopuleert T-cellen, met een rol voor dendritische cellen (DCs). Mazelen kunnen T-cellen depopuleren en silenceren, ook met een rol voor DCs. EBV infecteert en (dys)activeert B-cellen. CMV infecteert monocyten/macrofagen/DCs [27](#page=27). * **Polyklonale activatie van B-cellen**: EBV kan B-cellen polyklonaal activeren, wat leidt tot auto-immune en heterofiele antilichamen. Dit kan diagnostische problemen opleveren, aangezien patiënten IgM-positief kunnen zijn voor verschillende virussen [27](#page=27). * **Antilichaambinding en Fc-receptoren**: Herpesvirussen kunnen Fc-receptoren voor IgG produceren die antilichaaf-afhankelijke celgemedieerde cytotoxiciteit (ADCC) tegengaan [27](#page=27). * **Induceren van een TH2 respons**: Sommige virussen, zoals EBV, remmen de TH1-respons door een IL-10 homoloog te produceren, wat gunstiger is voor virale persistentie [27](#page=27). * **Overproductie van antigenen**: Virussen zoals HBV kunnen grote hoeveelheden antigenen produceren, wat het immuunsysteem overweldigt [27](#page=27). * **Infectie van immuungedeprimeerde individuen**: Virussen zoals rubella en CMV kunnen foetussen infecteren, die een nog niet volledig ontwikkeld immuunsysteem hebben [27](#page=27). > **Tip:** Herpesvirussen hebben, door hun lange co-evolutie met de mens, zeer gespecialiseerde mechanismen ontwikkeld om het immuunsysteem te omzeilen en levenslange persistentie te bereiken zonder de gastheer significant te schaden. EBV produceert zelfs een immuunsuppressief cytokine (IL-10) dat door de mens is meegebracht [28](#page=28). --- # Persistentie en pathogenese van virale infecties Dit onderwerp behandelt de strategieën voor microbieel overleven, zoals persistentie en reactivatie, en de algemene principes van pathogenese, inclusief directe en indirecte schade en de relatie tussen virussen en kanker. ### 4.1 Persistentie: een overlevingsstrategie voor microben Persistentie is een strategie die micro-organismen, waaronder typische virussen zoals herpesvirussen en hepatitis B-virus (HBV), maar ook wormen, gebruiken om te overleven. Dit biedt voordelen voor het micro-organisme, zoals een grotere kans op transmissie naar nieuwe gastheren. In het ultieme geval kan dit leiden tot integratie in de kiembaan, waardoor de eigenschappen erfelijk worden, zoals bij endogene retrovirussen [29](#page=29). Persistentie maakt het mogelijk dat een kiem zich handhaaft binnen een beperkte populatie gastheren. Dit staat in contrast met niet-persistente infecties, zoals influenza en mazelen, waar een groter aantal gastheren nodig is voor het voortbestaan van de ziektekiem. Een voorbeeld hiervan is het poliovirus, waar naar schatting een half miljoen gastheren nodig zijn voor overleving. Reservoirs in dieren kunnen een oplossing bieden voor de overleving van dergelijke kiemen. Soms is persistentie geassocieerd met chronische ziekten, zoals bij HBV, of met kanker, zoals bij HBV, EBV, HPV en HIV [29](#page=29). #### 4.1.1 Reactivatie van virussen De mechanismen achter de reactivatie van virussen zijn nog niet volledig begrepen. Een bekend voorbeeld is het herpes simplex virus (HSV), dat na een primaire acute infectie levenslang latent aanwezig blijft in zenuwcellen. Reactivatie kan optreden onder invloed van factoren zoals koorts, hormonale veranderingen, verminderde weerstand (bijvoorbeeld door ouderdom, zwangerschap, vermoeidheid, tumoren of aids) of iatrogene oorzaken. Bij reactivatie produceert het virus virale deeltjes in de afferente zenuwcellen, die vervolgens via axonaal transport naar epitheelcellen, zoals die van de lippen, worden getransporteerd, wat leidt tot de vorming van koortsblaasjes [30](#page=30). Tijdens de latente fase wordt de geïnfecteerde cel niet herkend door CD8+ T-cellen, omdat er nauwelijks virale peptiden in het cytoplasma aanwezig zijn. Bovendien drukken neuronen weinig MHC klasse I-moleculen uit, wat de herkenning door CD8+ cytotoxische T-cellen verder bemoeilijkt. UV-straling, zoals van zonlicht, kan de reactivatie van HSV bevorderen [30](#page=30). > **Tip:** Begrijpen hoe virussen latentie bereiken en reactiveren is cruciaal voor het ontwikkelen van effectieve antivirale therapieën die gericht zijn op deze specifieke stadia van de virale levenscyclus. ### 4.2 Pathogenese: hoe virussen ziekte veroorzaken Pathogenese beschrijft de algemene principes van hoe infectieuze agentia ziekte veroorzaken. Parasitaire organismen kunnen ziekte veroorzaken door directe schade, zoals mechanische effecten, of indirecte schade via overmatige activatie van immuunmechanismen, zowel aangeboren als adaptief. De balans tussen de kiem en de afweer van de gastheer bepaalt het natuurlijke verloop van een infectie. Dit natuurlijke verloop wordt beïnvloed door enerzijds het type kiem en zijn virulentie, en anderzijds de individuele eigenschappen van de gastheer. Bijvoorbeeld, een daling in de afweer kan leiden tot verminderde controle over virale replicatie, wat kan resulteren in symptomen (zoals bij zona) . Omgekeerd kan een afnemende afweer ook leiden tot minder uitgesproken symptomen [31](#page=31) [3](#page=3). #### 4.2.1 Virussen en kanker Sommige virussen kunnen kanker veroorzaken. Dit kan op verschillende manieren gebeuren [32](#page=32): * **Productie van eiwitten die celprocessen beïnvloeden:** Virussen kunnen eiwitten produceren die de celcyclus veranderen, anti-apoptotisch werken (het voorkomen van celdood), of signaaltransductiepaden wijzigen [33](#page=33). * **Integratie in het genoom:** Virussen kunnen integreren in het genoom van de gastheercel, wat kan leiden tot insertionele mutagenese [33](#page=33). Enkele voorbeelden van virussen die geassocieerd zijn met kanker zijn: * **Epstein-Barr virus (EBV):** Geassocieerd met Burkitt's lymfoom, nasofaryngeaal carcinoom, en (non)Hodgkin lymfoom. Het genoom van EBV is doorgaans aanwezig in kankercellen (+) ] [32](#page=32). * **Humaan papillomavirus (HPV):** Geassocieerd met cervixcarcinoom en anogenitale carcinomen. Het genoom van HPV is aanwezig in kankercellen (+) ] [32](#page=32). * **Hepatitis B virus (HBV):** Geassocieerd met hepatocellulair carcinoom. Het genoom van HBV is aanwezig in kankercellen (+) ] [32](#page=32). * **Hepatitis C virus (HCV):** Geassocieerd met hepatocellulair carcinoom. Het genoom van HCV is echter niet altijd aanwezig in kankercellen (-) ] [32](#page=32). * **HTLV-1 (Humaan T-cel leukemia virus 1):** Geassocieerd met T-cel leukemie. Het genoom van HTLV-1 is aanwezig in kankercellen (+) ] [32](#page=32). * **Humaan herpes virus 8 (HHV-8):** Geassocieerd met Kaposi sarcoom. Het genoom van HHV-8 is aanwezig in kankercellen (+) ] [32](#page=32). * **Humaan immunodeficiëntie virus (HIV):** Geassocieerd met Kaposi sarcoom en lymfomen, maar het genoom van HIV is doorgaans niet aanwezig in de kankercellen (-) ] [32](#page=32). > **Tip:** De geografische spreiding van sommige virale kankers suggereert ook de invloed van gastheerfactoren [32](#page=32). Het is belangrijk op te merken dat ook bacteriën, zoals *Helicobacter pylori*, geassocieerd kunnen zijn met kanker, bijvoorbeeld maag- en duodenumkanker. In dergelijke gevallen kan de rol van antibiotica in de therapie van geassocieerde lymfomen worden overwogen [33](#page=33). --- ## 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 | |------|------------| | Chronische virale infectie | Een virale infectie waarbij het virus niet binnen korte tijd uit het lichaam wordt geklaard, vaak doordat geïnfecteerde cellen langdurig blijven bestaan en het virale genoom latent aanwezig kan zijn. | | Humaan immunodeficiëntie virus (HIV) | Een retrovirus dat het immuunsysteem van de mens aantast, voornamelijk de CD4+ T-cellen en fagocyterende cellen, en kan leiden tot AIDS. | | Immuunevasie | De strategieën die pathogenen, zoals virussen, gebruiken om de immuunrespons van de gastheer te ontwijken en zo infectie te overleven en zich te vermenigvuldigen. | | Persistentie | Het vermogen van een micro-organisme om langdurig of levenslang aanwezig te blijven in de gastheer, vaak in een latente vorm, zonder direct ernstige ziekte te veroorzaken maar wel met potentieel voor toekomstige problemen. | | Retrovirus | Een type virus dat zijn RNA-genoom omzet in DNA met behulp van reverse transcriptase en dit DNA vervolgens integreert in het genoom van de gastheercel. | | Levenscyclus retrovirus | Het volledige proces van een retrovirus, vanaf de infectie van de cel tot de productie van nieuwe virale deeltjes, inclusief stappen als reverse transcriptie, integratie en assemblage. | | Immuunpathologie | De abnormale immuunrespons of disfunctie van het immuunsysteem die leidt tot ziekte, zoals de immuundeficiëntie veroorzaakt door HIV. | | AIDS | Acquired Immunodeficiency Syndrome, het gevorderde stadium van een HIV-infectie gekenmerkt door ernstige immuundeficiëntie en de ontwikkeling van opportunistische infecties en kankers. | | Opportunistische infectie | Een infectie veroorzaakt door micro-organismen die normaal gesproken geen ziekte veroorzaken bij personen met een gezond immuunsysteem, maar die wel ziekte kunnen veroorzaken bij immuungecompromitteerde individuen. | | Reverse transcriptase (RT) | Een enzym dat door retrovirussen wordt geproduceerd en dat RNA omzet in DNA, een cruciale stap in de levenscyclus van retrovirussen. | | CD4+ T-cellen | Een type witte bloedcel dat een belangrijke rol speelt in het immuunsysteem door het coördineren van de immuunrespons; deze cellen worden primair aangevallen door HIV. | | Virale lading | De hoeveelheid van een virusdeeltje in een bepaald volume van lichaamsvloeistof, zoals bloed; een hogere virale lading duidt vaak op een actievere infectie. | | MHC-I presentatie | Het proces waarbij cellen antigenen presenteren op hun oppervlak via MHC klasse I-moleculen, zodat cytotoxische T-cellen geïnfecteerde cellen kunnen herkennen en elimineren. | | Pathogenese | Het mechanisme waarmee een ziekte zich ontwikkelt, inclusief de interactie tussen het pathogeen en de gastheer en de daaruit voortvloeiende cellulaire en weefselbeschadigingen. | | Latentie | Een fase in de levenscyclus van sommige virussen (zoals herpesvirussen en HIV) waarin het virus inactief is in de gastheercel, zonder replicatie of productie van nieuwe virionen. | | Reactivatie | Het opnieuw actief worden van een virus na een periode van latentie, wat kan leiden tot symptomen van de infectie. | | Interferon (IFN) | Een groep eiwitten die door immuuncellen worden geproduceerd als reactie op infecties, met name virale infecties, en die helpen bij het bestrijden van de infectie door het remmen van virale replicatie en het stimuleren van andere immuunresponsen. | | Cytotoxische T-cellen (CTL) | Een type T-cel dat direct geïnfecteerde cellen kan herkennen en doden, een belangrijk onderdeel van de cellulaire immuunrespons tegen virussen. | | Kaposi sarcoom | Een vorm van kanker die begint in de cellen die de binnenkant van bloed- of lymfevaten bekleden, vaak geassocieerd met HIV-infectie en HHV-8. | | Human Herpesvirus 8 (HHV-8) | Een type herpesvirus dat wordt geassocieerd met de ontwikkeling van Kaposi sarcoom, met name bij personen met een verzwakt immuunsysteem. | | Lymfadenopathie | Vergroting van de lymfeklieren, wat een teken kan zijn van infectie of ontsteking. | | Profylaxe | Maatregelen die worden genomen om de ontwikkeling van een ziekte te voorkomen of te vertragen, zoals post-expositie profylaxe (PEP) na een potentieel risicovolle blootstelling aan HIV. | | Mutaties | Veranderingen in de genetische code van een virus, die kunnen leiden tot variabiliteit, resistentie tegen medicijnen of veranderingen in virulentie. | | Antigenische variabiliteit | Het vermogen van een pathogeen, zoals een virus, om zijn oppervlakte-antigenen te veranderen, waardoor het immuunsysteem het minder goed kan herkennen en bestrijden. |

# De relatie tussen kiem en gastheer De relatie tussen kiem en gastheer wordt gekenmerkt door een dynamische interactie waarbij de eigenschappen van zowel het micro-organisme als de mens bepalen of er sprake is van infectie en/of ziekte [1](#page=1). ## 1. De relatie tussen kiem en gastheer De interactie tussen een micro-organisme (kiem) en een gastheer is complex en kan variëren van harmonieus tot ziekteverwekkend. De uitkomst van deze ontmoeting wordt bepaald door de specifieke eigenschappen van zowel de kiem als de gastheer. Het medisch handelen bestaat erin deze relatie te begrijpen en verstandig tussen te komen wanneer nodig, met de wetenschap dat micro-organismen zich voortdurend aanpassen. De arts fungeert hierbij als "relatietherapeut" die de infectieziekte bestrijdt, niet zozeer de microbe zelf [1](#page=1) [4](#page=4). ### 1.1. Begrippen rond virulentie en vatbaarheid #### 1.1.1. Infectie versus ziekte Het concept van infectie is niet synoniem met ziekte; een infectie is de aanwezigheid en replicatie van een micro-organisme in een gastheer, terwijl ziekte verwijst naar de klinische symptomen die hieruit voortvloeien. Dit concept wordt treffend geïllustreerd door het "ijsbergconcept", waarbij de zichtbare, symptomatische klinische presentatie slechts een klein deel is van het totale aantal infecties, waarvan het merendeel asymptomatisch verloopt. Zelfs asymptomatische dragers kunnen het micro-organisme overdragen [5](#page=5). #### 1.1.2. De kiem (micro-organisme) als partner Micro-organismen streven naar succesvolle voortplanting en maken daarbij efficiënt gebruik van de faciliteiten van de gastheer, zoals voedingsstoffen en energie. Sterke schade aan de gastheer kan het overleven van de kiem bemoeilijken. Succesvolle kiemen veroorzaken weinig tot geen ziekte (bv. commensalen, AAV) of juist voldoende symptomen om overdracht te faciliteren (bv. rotavirus, influenza). Sommige kiemen integreren zelfs in het genoom van de gastheer. Kiemen evolueren doorgaans sneller dan gastheren, waardoor ze zich beter kunnen aanpassen. Pathogene kiemen veroorzaken ziekte die verspreiding naar andere gastheren bevordert, bijvoorbeeld door niezen of diarree. Variabiliteit tussen stammen is wijdverbreid en adaptieve mechanismen, zoals persisters, stellen subpopulaties in staat te overleven onder veranderende omstandigheden [6](#page=6). #### 1.1.3. Virulentie Virulentie is het ziekmakend vermogen van een specifiek isolaat van een micro-organisme bij een 'standaard' gastheer. Het is een kwantificatie van het ziekmakend vermogen, vaak vergeleken tussen verschillende isolaten van dezelfde kiem, bijvoorbeeld met de dodelijke dosis 50 (LD50) [34](#page=34) [4](#page=4). #### 1.1.4. De gastheer als partner De gastheer leeft in symbiose met talloze micro-organismen, die al vroeg in het leven aanwezig zijn en essentieel zijn voor een gezond leven. Het menselijk lichaam en immuunsysteem zijn geëvolueerd om samen te leven met deze microben, waarbij het interne milieu grotendeels vrij van bacteriën wordt gehouden, terwijl virussen onder controle worden gehouden. Bepaalde omstandigheden, zoals de neonatale periode, fysieke schade, uitputting, aanwezigheid van vreemde objecten of verstoorde microbioomflora, kunnen de harmonieuze relatie met kiemen bedreigen. Ook medisch handelen kan bijdragen aan het ontstaan van infecties [9](#page=9). #### 1.1.5. Vatbaarheid Vatbaarheid is de mate waarin een gastheer gevoelig is voor kolonisatie door een micro-organisme. Deze wordt bepaald door de individuele genetische variabiliteit, eigenschappen en de reactie van de gastheer, waaronder de immuunrespons [4](#page=4). ### 1.2. Het verloop van een infectie Een infectie kent verschillende stadia, vanaf de initiële aanhechting en invasie, via vermenigvuldiging, verspreiding, het ontwijken van de afweer, tot het vrijkomen uit het lichaam. Deze processen leiden vaak tot schade aan de gastheer en een immuunrespons die zich manifesteert als inflammatie [2](#page=2) [34](#page=34). #### 1.2.1. Aanhechting en invasie (entry) Het succes van een infectie hangt af van de mogelijkheid van de kiem om zich aan de gastheer te hechten en potentieel binnen te dringen. Barrières zoals intacte huid en slijmvliezen spelen hierin een cruciale rol [17](#page=17) [2](#page=2). #### 1.2.2. Vermenigvuldiging Na kolonisatie of invasie begint de kiem zich te vermenigvuldigen binnen de gastheer [2](#page=2). #### 1.2.3. Lokale of gegeneraliseerde verspreiding De kiem kan zich lokaal verspreiden of een gegeneraliseerde infectie veroorzaken. Oppervlakkige infecties zijn vaak kortdurend ("hit-and-run") en kunnen door aangeboren immuniteit worden geëlimineerd. Systemische verspreiding vereist vaak verworven immuniteit voor eliminatie. Soms is verspreiding nuttig voor de kiem omdat uitscheiding op een andere plaats dan het initiële contact plaatsvindt, zoals bij Hepatitis A virus dat via de darm binnenkomt en via de gal uitgescheiden wordt [27](#page=27) [2](#page=2). #### 1.2.4. Ontwijken van afweer Een cruciaal aspect voor het succes van een kiem is het vermogen om de afweerreacties van de gastheer te ontwijken. Dit kan door middel van diverse mechanismen die de detectie of eliminatie door het immuunsysteem tegengaan [2](#page=2). #### 1.2.5. Vrijkomen uit het lichaam (exit) De kiem verlaat het lichaam van de gastheer om andere gastheren te infecteren. Dit "shedding" proces kan zowel voor, tijdens, als na de symptomen plaatsvinden, waardoor overdracht mogelijk is. Continu (bv. EBV, HBV) of intermitterend (bv. HSV) shedding komt voor [28](#page=28) [2](#page=2). #### 1.2.6. Schade aan gastheer en immuunrespons Schade aan de gastheer is vaak een gevolg van de immuunrespons, zoals inflammatie en koorts, in plaats van directe schade door de kiem, vooral bij virussen. Een verminderde immuunrespons kan leiden tot minder symptomen, zelfs bij een actieve infectie. De tijd tussen infectie en symptomen wordt de incubatietijd genoemd [28](#page=28) [2](#page=2) [34](#page=34). ### 1.3. Co-evolutie en aanpassing Kiemen en gastheren ondergaan een voortdurende co-evolutie. Dit leidt tot aanpassingen aan beide zijden [13](#page=13). #### 1.3.1. Evolutie van de kiem Kiemen met lagere virulentie kunnen een selectief voordeel hebben omdat deze gastheren langer leven en de kiem meer tijd heeft om zich te verspreiden. Dit kan leiden tot een afname van de fitness van het virus, zoals waargenomen bij HIV-virussen door de jaren heen [13](#page=13). #### 1.3.2. Evolutie van de gastheer populatie Gastheerpopulaties kunnen ook evolueren als reactie op infectiedruk. Selectie kan bijvoorbeeld leiden tot de opkomst van resistente individuen (bv. CCR5-mutanten voor HIV). Genetische bottlenecks, zoals veroorzaakt door historische epidemieën (bv. de pest), kunnen de genetische variabiliteit van populaties beïnvloeden. Ook de introductie van nieuwe ziekteverwekkers in naïeve populaties kan dramatische gevolgen hebben [13](#page=13). ### 1.4. Voorbeelden van kiem-gastheer interacties #### 1.4.1. Attenuatie door kweek Voorbeelden zoals het BCG-vaccin tonen aan hoe het kweken van micro-organismen onder specifieke omstandigheden hun virulentie kan verminderen (attenuatie). De Lubeck-ramp, waarbij baby's BCG-vaccin kregen gecontamineerd met wild-type *M. bovis*, illustreert de potentieel dodelijke gevolgen van onverwachte virulentie [11](#page=11). #### 1.4.2. Onbedoelde overdracht van ziekteverwekkers Een tragisch voorbeeld van onbedoelde overdracht is de hepatitis B virus (HBV) infectie bij Amerikaanse soldaten in 1942, veroorzaakt door gecontamineerd gele koorts-vaccin. Dit toont aan hoe medische interventies, indien niet zorgvuldig uitgevoerd, onbedoelde infecties kunnen veroorzaken [11](#page=11) [9](#page=9). #### 1.4.3. Sikkelcelanemie als bescherming tegen malaria Sikkelcelanemie illustreert een genetische aanpassing waarbij heterozygoten relatief beschermd zijn tegen malaria. De puntmutatie in hemoglobine S zorgt ervoor dat besmette rode bloedcellen, wanneer ze door de parasiet worden gemetaboliseerd, sneller worden geëlimineerd door de milt. Homozygoten lijden echter aan ernstige anemie en krijgen gemakkelijker secundaire infecties [14](#page=14). #### 1.4.4. Myxomatose Het verhaal van myxomatose bij konijnen is een klassiek voorbeeld van hoe een zeer virulente kiem in een naïeve populatie kan leiden tot hoge sterftecijfers, maar na verloop van tijd evolueert naar een meer gebalanceerde pathogeniteit. Dit proces van aanpassing geldt ook voor andere ziekteverwekkers [12](#page=12). #### 1.4.5. Mazelen Het verloop van mazelen laat zien hoe virussen zich kunnen verspreiden via het bloed naar epitheelcellen in de luchtwegen, mucosae en huid. De symptomen treden vaak pas op wanneer de immuunrespons van de gastheer actief wordt [28](#page=28). > **Tip:** Het begrijpen van de dynamiek van de kiem-gastheer relatie is essentieel voor het stellen van diagnoses, ook wanneer niet alle klassieke symptomen aanwezig zijn. De interactie is uniek voor elke kiemstam en elke individuele patiënt [5](#page=5). > **Tip:** Infecties die oppervlakkig blijven zijn vaak "hit-and-run" infecties, zelden chronisch, waarbij aangeboren immuniteit voldoende kan zijn voor eliminatie. Systemische verspreiding vraagt meestal verworven immuniteit voor eliminatie en kan leiden tot chronische infecties [27](#page=27). > **Tip:** Wanneer een patiënt met een immuundaling besmet raakt met een virus zoals HBV, kunnen er aanvankelijk geen symptomen zijn. Verbetering van de immuniteit, bijvoorbeeld door anti-HIV behandeling, kan dan leiden tot het optreden van geelzucht (immuunreconstitutie syndroom) [34](#page=34). > **Tip:** De incubatietijd, de periode tussen infectie en symptomen, kan worden gevolgd door "shedding" van de kiem, wat infectieus contact mogelijk maakt. Screening op infecties, zoals HIV, kan nuttig zijn om verspreiding te remmen, vooral als de infectie tijdelijk is en behandelbaar [34](#page=34). --- # Virulentie en vatbaarheid Dit thema verkent de dynamische interactie tussen micro-organismen en hun gastheren, met een focus op de factoren die bepalen of een infectie leidt tot ziekte. ### 2.1 De kiem-gastheer relatie: een fundamentele interactie De relatie tussen een gastheer en een micro-organisme is complex en bepaalt de uitkomst van een ontmoeting. Deze relatie wordt gekenmerkt door de eigenschappen van zowel de kiem als de gastheer. De gastheer reageert op de microbe met afweermechanismen, waarbij individuele genetische variabiliteit en andere eigenschappen de vatbaarheid voor kolonisatie bepalen. De microbe reageert op de gastheer, en de microbiologie speelt hierin een rol. Als de ontmoeting symptomen veroorzaakt die het functioneren van de gastheer nadelig beïnvloeden, spreekt men van ziekte. Het ziekmakend vermogen van een bepaald kiemisolaat bij een 'standaard' gastheer wordt virulentie genoemd. De arts fungeert hierin als "relatietherapeut", gericht op het beheersen van infectieziekten, die wereldwijd nog steeds een belangrijke doodsoorzaak zijn [4](#page=4) [5](#page=5). #### 2.1.1 Infectie versus ziekte: het ijsbergconcept Een infectie is niet altijd synoniem met ziekte. Het verloop van de kiem-gastheer relatie is variabel. Wat we klinisch waarnemen, is slechts de top van de ijsberg: de symptomatische presentatie, die kan variëren van banaal tot letaal. Veel infecties verlopen asymptomatisch, maar dit sluit overdracht van de kiem niet uit. De eigenschappen van de kiem (stam, adaptief vermogen, virulentie) en de gastheer (individuele vatbaarheid) bepalen de uitkomst [5](#page=5). #### 2.1.2 Partner 1: de kiem en zijn virulentie Sommige micro-organismen, soorten of stammen, kunnen bij bepaalde gastheren symptomen veroorzaken en worden dan pathogenen genoemd. Zij onderscheiden zich van niet-pathogenen door de expressie van virulentiefactoren: genen die een pathogene levensstijl mogelijk maken [7](#page=7). ##### 2.1.2.1 Virulentiefactoren: voorbeelden en mechanismen Een schoolvoorbeeld van een pathogeen is urineweginfectie-veroorzakende *Escherichia coli* (UPEC). Hoewel *E. coli* deel uitmaakt van de normale darmflora, bezitten sommige stammen virulentiefactoren die hen pathogeen maken. UPEC kan zich hechten aan de epitheelcellen van de blaas en nieren, opgenomen worden via endocytose, ontsnappen uit vesikels naar het cytoplasma en intracellulair groeien. Dit intracellulaire leven kan lijken op biofilmvorming, waarbij de bacteriën een relatief resistente filamenteuze vorm aannemen die kan ontsnappen aan fagocytose, en zelfs een latente intracellulaire vorm aannemen die een bron kan zijn voor terugkerende infecties [7](#page=7). Voorbeelden van UPEC-virulentiefactoren zijn: * Type I pili (FimH gen): voor hechting aan epitheel, ook rol in intracellulair leven [7](#page=7). * Genen betrokken bij motiliteit [7](#page=7). * Genen betrokken bij regulatie van celdeling [7](#page=7). * Genen betrokken bij immuunevasie, zoals het afremmen van TLR-signalering [7](#page=7). ##### 2.1.2.2 Intracellulair leven en latentie Na aanhechting kunnen UPEC passief in epitheelcellen worden opgenomen, waarna ze ontsnappen uit vesikels en beschermd zijn tegen fagocyten. Hier vormen ze een intracellulaire bacteriële gemeenschap en kunnen ze filamenteuze vormen ontwikkelen. Deze kunnen na vrijkomen uit de cel weer transformeren naar klassieke bacteriële cellen. Epitheliale cellen kunnen barsten of loslaten (exfoliatie), wat soms microscopisch zichtbaar is in urine bij urineweginfecties (UWI). Een deel van de vrijgekomen bacteriën kan nieuwe epitheelcellen binnendringen. Dit kan leiden tot latentie, een bron van heropflakkering [8](#page=8). ##### 2.1.2.3 Virulentie van *Staphylococcus aureus* *Staphylococcus aureus* kent diverse virulentiefactoren die betrokken zijn bij adhesie aan gastheercellen, waaronder factoren die binden aan fibrinogeen. Voor verspreiding moet de bacterie in aantal toenemen door vermenigvuldiging. *S. aureus* interageert met prothrombine en zet fibrinogeen om in fibrine, wat lokale replicatie bevordert en bescherming biedt tegen fagocyten. Virulentiefactoren omvatten ook cytotoxines (zoals α-toxine) en enzymen (proteasen, lipases, nucleases) die weefsel afbreken als bron van voedingsstoffen, zoals ijzer. Toxic shock syndrome toxin-1 (TSST-1) is een superantigeen dat leidt tot shock, koorts en capillaire lekkage, en kan bijdragen aan verspreiding en immunosuppressie [18](#page=18) [20](#page=20) [21](#page=21) [23](#page=23) [24](#page=24). ##### 2.1.2.4 Schade door toxines Exotoxines veroorzaken directe schade aan de gastheer. Ze zijn over het algemeen niet antigenisch variabel, waardoor ze effectieve immuniteit opwekken en de basis vormen voor toxoïde vaccins (zoals voor tetanus en difterie). Sommige toxines, zoals die van streptokokken (erythtoxine), veroorzaken ziekten als roodvonk, waarna immuniteit tegen het toxine ontstaat, maar niet tegen de bacterie zelf. Enterotoxines, zoals geproduceerd door *S. aureus*, kunnen braken en diarree veroorzaken, wat bijdraagt aan de exit en verspreiding van de kiem via voedselvergiftiging. Endotoxines, zoals lipopolysaccharide (LPS), activeren een breed scala aan immuunmechanismen en het stollingssysteem, wat leidt tot krachtige immuunstimulatie en mogelijk gedissemineerde intravasculaire stolling (DIC) [25](#page=25) [26](#page=26) [33](#page=33). ##### 2.1.2.5 Attenuatie van virulentie De virulentie van een kiem kan verminderen door cultivatie. Zo werd het Bacille Calmette-Guérin (BCG) vaccin ontwikkeld door *M. bovis* 10 jaar lang te kweken op een speciaal medium, waardoor de kiem minder virulent werd (attenuatie). De Lublin-ramp in 1930, waarbij baby's per os BCG kregen gecontamineerd met origineel *M. bovis*, resulteerde in ernstige ziekte en sterfte [11](#page=11). #### 2.1.3 Partner 2: de gastheer en zijn vatbaarheid Vatbaarheid verwijst naar de gevoeligheid van een gastheer voor infectie. Individuele variabiliteit in de vatbaarheid van de gastheer kan leiden tot enorme verschillen in de klinische gevolgen van een infectie [11](#page=11) [4](#page=4). ##### 2.1.3.1 Genetische determinanten van vatbaarheid Bij urineweginfecties (UWI) wordt de vatbaarheid mede bepaald door genetische factoren. Verdediging tegen bijvoorbeeld UPEC gebeurt via TLR4-sensing in epitheel, wat leidt tot de rekrutering van neutrofielen via IL-8. In families met een verhoogde incidentie van UWI worden polymorfismen waargenomen in TLR4 en andere TLR-receptoren, verminderde IL-8-receptor expressie (CXCR1), en IL-8-polymorfismen [10](#page=10). ##### 2.1.3.2 Beschadigde gastheer versus intacte gastheer De slaagkans van exogene infecties hangt sterk af van de integriteit van de gastheer. Een beschadigde gastheer (bv. door brandwonden, vreemde lichamen, immuundepressie of na griep) is vatbaarder voor infecties zoals pneumonie [17](#page=17). #### 2.1.4 Verloop van een infectie Het verloop van een infectie omvat verschillende fasen, van aanhechting en invasie tot vermenigvuldiging, verspreiding, het ontwijken van de afweer, en uiteindelijk vrijkomen uit het lichaam. De schade aan de gastheer en de immuunrespons, inclusief inflammatie, spelen een cruciale rol in het uiteindelijke ziektebeeld [16](#page=16) [20](#page=20) [22](#page=22) [29](#page=29) [31](#page=31) [34](#page=34) [5](#page=5). ##### 2.1.4.1 Aanhechting en invasie (entry) Microben moeten barrières overwinnen om het lichaam binnen te dringen. Dit kan via actieve penetratie van de huid, zoals bij sommige wormen, of door sterke aanhechting aan epitheelcellen, zoals bij *N. gonorrhoeae*. *B. pertussis* kan bijvoorbeeld de trilharen van de luchtwegen stilleggen. Zuurresistente cysten en bacteriën kunnen ook als ingang fungeren [16](#page=16). ##### 2.1.4.2 Vermenigvuldiging Na binnenkomst vermenigvuldigt de kiem zich om te kunnen verspreiden naar andere gastheren. Dit kan lokaal gebeuren, zoals bij humaan papillomavirus (HPV). Wratten die veroorzaakt worden door HPV kunnen spontaan verdwijnen na blootstelling aan het immuunsysteem [20](#page=20). ##### 2.1.4.3 Lokale of gegeneraliseerde verspreiding De kiem kan zich vanuit de primaire infectiehaard verspreiden via het lymfestelsel, systemisch (bloedbaan), of via zenuwbanen. R [22](#page=22). #### 2.1.4.4 Ontwijken van afweer Virulentiefactoren zijn essentieel voor de kiem om de afweer van de gastheer te ontwijken en de infectie succesvol te laten verlopen. *S. aureus* heeft bijvoorbeeld Protein A (SpA), dat bindt aan het Fc-deel van IgG, vWF en C3, en zo hun antibacteriële werking remt. SpA kan ook polyklonale B-cel activatie veroorzaken, wat de vorming van specifieke antistoffen tegen *S. aureus* belemmert. Sommige cytotoxines, zoals Panton-Valentine leukocidine, zijn specifiek gericht tegen granulocyten, wat leidt tot de vorming van pus (dode granulocyten) en purulente infecties [29](#page=29) [30](#page=30). ##### 2.1.4.5 Vrijkomen uit lichaam (exit) en transmissie Transmissie naar volgende gastheren hangt af van het aantal vrijgestelde kiemen, hun stabiliteit buiten het lichaam, de benodigde infectieuze dosis voor de volgende gastheer, en de stam van de kiem. Niezen genereert meer kiemen dan hoesten, en spreken kan ook bijdragen aan de verspreiding van kleine druppeltjes die in de longen van een naburige gastheer terecht kunnen komen. De stabiliteit in de omgeving, zoals resistentie tegen uitdroging, hitte en chemicaliën, is cruciaal voor overleving. Gespecialiseerde structuren zoals sporen en cysten verlenen deze stabiliteit. Andere transmissiefactoren omvatten expulsie via hoesten, niezen, en diarree, wat voor de kiem een voordeel kan zijn door massale verspreiding. *S. aureus* produceert enterotoxines die braken en diarree kunnen uitlokken, wat de kiem toelaat het darmkanaal te verlaten [31](#page=31) [32](#page=32) [33](#page=33). ##### 2.1.4.6 Schade aan gastheer, immuunrespons en inflammatie Pathogeniciteit is het ziekmakend vermogen van een kiem, terwijl virulentie een kwantificatie hiervan is, vaak vergeleken tussen verschillende isolaten van dezelfde kiem (bv. LD50). De incubatietijd, tussen infectie en symptomen, is belangrijk, waarbij shedding (infectieus zijn) vaak al vóór de symptomen optreedt. De reactie van de gastheer, zoals inflammatie en koorts, is vaak bepalend voor het optreden van symptomen. Bij immuundaling kunnen symptomen minder uitgesproken zijn, zoals bij een HIV-patiënt die besmet wordt met HBV en geen symptomen vertoont. Infecties kunnen ook optreden zonder symptomen, wat screening noodzakelijk kan maken om verspreiding te remmen. Schade kan direct zijn (bv. mechanisch door wormen) of indirect, via overmatige activatie van natuurlijke of adaptieve immuunmechanismen [34](#page=34) [35](#page=35). --- # Het verloop van een infectie Dit onderwerp beschrijft de opeenvolgende fasen die een infectie doorloopt, van aanhechting en invasie tot vermenigvuldiging, verspreiding, ontwijken van afweer, vrijkomen en schade aan de gastheer, geïllustreerd met voorbeelden zoals *Staphylococcus aureus* [15](#page=15) [2](#page=2). ### 5.2.1 Aanhechting en invasie (entry) De eerste stap in het verloop van een infectie is de aanhechting van de kiem aan gastheercellen, vaak gevolgd door invasie. Dit vereist het overwinnen van de natuurlijke weerstand van de gastheer. Het is essentieel dat de kiem zich kan aanhechten om een infectie aan te laten slaan. Voorbeelden van barrières die overwonnen moeten worden zijn de huid, die actief gepenetreerd kan worden door sommige wormen, of sterke aanhechting vereist is, zoals bij *N. gonorrhoea*. *B. pertussis* kan de trilharen stil leggen, wat invasie vergemakkelijkt. Zuurresistente cysten en bacteriën kunnen ook weerstand bieden [15](#page=15) [16](#page=16). *Staphylococcus aureus* maakt gebruik van verschillende factoren (tientallen zijn bekend) voor adhesie aan gastheercellen. Een van deze factoren bindt aan fibrinogeen [18](#page=18). De slaagkans van een infectie, met name bij exogene infecties, hangt sterk af van de virulentie van de kiem en het vermogen om de natuurlijke barrières van een intacte host te overwinnen. Bij een beschadigde host, bijvoorbeeld door brandwonden of immuundepressie, is de kans op infectie groter [17](#page=17). > **Tip:** De aanhechting is een cruciale eerste stap; zonder aanhechting kan de infectie niet plaatsvinden. > **Voorbeeld:** *UPEC* (uro-pathogene *E. coli*) kan zich aanhechten en passief worden opgenomen in epitheelcellen, waarna het zich ontsnapt aan het vesikel en beschermd is tegen fagocytose [8](#page=8). ### 5.2.2 Vermenigvuldiging Na aanhechting en eventuele invasie is vermenigvuldiging essentieel voor de toename van het aantal kiemen. Meer overleving dan afsterven van de kiem leidt tot een toename van het aantal. Dit kan lokaal gebeuren, zoals bij humaan papillomavirus (HPV) in de cervix. Wratten veroorzaakt door HPV kunnen soms spontaan verdwijnen nadat het virus aan het immuunsysteem is blootgesteld [15](#page=15) [20](#page=20). *Staphylococcus aureus* bevordert lokale replicatie door interactie met prothrombine, waarbij fibrinogeen wordt omgezet in fibrine. Dit biedt bescherming tegen fagocyten en vermindert de microcirculatie [21](#page=21). Diepere verspreiding kan noodzakelijk zijn om doelwitcellen voor replicatie te bereiken of kan plaatsvinden als een opportuniteit zich voordoet [20](#page=20). ### 5.2.3 Lokale of gegeneraliseerde verspreiding Verspreiding, lokaal of gegeneraliseerd, is de volgende fase na vermenigvuldiging. Dit vereist het ontwijken van natuurlijke barrières en aanpassing aan de gastheer [15](#page=15). Verspreiding kan plaatsvinden via verschillende routes: * **Lymfe:** Bijvoorbeeld lymfangitis bij streptokokkeninfecties [22](#page=22). * **Systemisch:** Via bloed of bloedcellen, leidend tot viremie of bacteriëmie [22](#page=22). * **Zenuwbanen:** Neurogeen, zoals bij herpes simplex virus (HSV) [22](#page=22). De reden voor diepere verspreiding is soms onduidelijk, zoals CNS-invasie door meningokokken of poliovirus, die niet direct nodig is voor transmissie. Echter, bij rabiësvirus is invasie van het centrale zenuwstelsel (CNS) essentieel omdat neuronen de doelwitcellen zijn. Vaccinatie na een beet is vaak nog nuttig vanwege het trage axonaal transport, wat tijd geeft voor een immuunrespons [22](#page=22). Tijdens verspreiding wordt de kiem blootgesteld aan het immuunsysteem, waarbij virulentiefactoren en immuundeviatie mechanismen cruciaal zijn voor succes [22](#page=22). *Staphylococcus aureus* produceert tal van cytotoxines (zoals α-toxine) en enzymen (proteases, lipases, nucleases) die weefsel afbreken en als voedingsstoffen dienen, met name ijzer. Toxic shock syndrome toxin-1 is een superantigeen dat T-cellen niet-specifiek stimuleert, leidend tot shock en koorts. Dit helpt bij verspreiding maar kan ook immunosuppressief werken [23](#page=23) [24](#page=24). > **Voorbeeld:** Hepatitis A virus treedt binnen via de darm en wordt uitgescheiden via de gal (lever), wat een voorbeeld is van verspreiding waarbij de uitscheiding op een andere plaats plaatsvindt dan het initiële contact [27](#page=27). ### 5.2.4 Ontwijken van afweer Het ontwijken van de verdediging van de gastheer is noodzakelijk om lang genoeg te overleven en succesvolle transmissie te bewerkstelligen [15](#page=15) [29](#page=29). *Staphylococcus aureus* kan de afweer ontwijken middels Protein A (SpA), dat bindt aan het Fc-deel van IgG, vWF en C3, waardoor hun antibacteriële werking wordt geïnhibeerd. Het kan ook polyklonale B-celactivatie veroorzaken, wat de vorming van specifieke antistoffen tegen *S. aureus* belemmert [29](#page=29). Sommige cytotoxines van *S. aureus* zijn specifiek voor granulocyten (leucocidines, bv. Panton–Valentine leukocidin), wat leidt tot etter, bestaande uit dode granulocyten, en purulente infecties [30](#page=30). ### 5.2.5 Vrijkomen uit lichaam (exit) Het vrijkomen uit het lichaam is de exit-fase, waarbij de kiem in voldoende aantallen moet vrijkomen om nieuwe gastheren te vinden. Dit proces, ook wel transmissie genoemd, wordt beïnvloed door diverse factoren [15](#page=15) [31](#page=31). Factoren die transmissie bepalen zijn: * **Aantal kiemen vrijgesteld:** Niezen produceert veel meer kiemen dan hoesten. Spreken, met name bij consonanten zoals f, p, t, s, kan ook bijdragen aan de verspreiding. Kleinere druppeltjes kunnen de longen van een naburige host bereiken [31](#page=31). * **Stabiliteit van de kiemen buiten het lichaam:** Weerstand tegen uitdroging, hitte en chemicaliën is belangrijk. Gespecialiseerde structuren zoals sporen (*Clostridium tetani*), cysten (amoeben) en eieren verlenen stabiliteit aan uitdroging. Als kiemen gevoelig zijn voor uitdroging, vindt transmissie plaats in vochtige omstandigheden [32](#page=32). * **Aantal kiemen nodig voor infectie van de volgende host:** Dit varieert sterk; bijvoorbeeld, slechts 10 kiemen van *Shigella dysenteriae* zijn nodig bij ingestie, terwijl 10^4 kiemen van *Salmonella typhi* nodig zijn [31](#page=31). * **Stam van de kiem:** Verschillende stammen kunnen variërende transmissie-efficiëntie hebben [31](#page=31). Andere bevorderende factoren voor transmissie zijn expulsie mechanismen zoals hoesten, niezen en diarree. Diarree, hoewel een voordeel voor de host door snellere eliminatie, is een groot voordeel voor de kiem door massale verspreiding [32](#page=32). *Staphylococcus aureus* produceert enterotoxines (ook superantigenen) die braken en/of diarree uitlokken, waardoor de kiem de darm kan verlaten. Dit is ook de oorzaak van voedselvergiftiging wanneer toxines geproduceerd worden in opgewarmd voedsel [33](#page=33). > **Voorbeeld:** Niezen kan leiden tot de verspreiding van grote aantallen ziekteverwekkers via druppels, wat essentieel is voor de transmissie van respiratoire infecties [31](#page=31). ### 5.2.6 Schade aan gastheer, immuunrespons en inflammatie Schade aan de gastheer is niet strikt noodzakelijk voor een infectie, maar wel per definitie aanwezig bij pathogenen. De symptomen van een infectie zijn vaak het gevolg van de reactie van de gastheer, zoals inflammatie en koorts [15](#page=15) [34](#page=34). Schade kan direct zijn, bijvoorbeeld mechanisch veroorzaakt door wormen. Ook exotoxines kunnen directe schade veroorzaken door vitale functies te remmen. Deze toxines zijn vaak niet antigenisch variabel en wekken een goede immuniteit op, wat de basis vormt voor vaccins met toxoïd. Sommige toxines kunnen diarree veroorzaken, wat de exit en transmissie faciliteert [25](#page=25) [35](#page=35). Endotoxines, zoals lipopolysaccharide (LPS), kunnen bijna elk immuunmechanisme activeren, inclusief de stollingscascade, wat ze tot krachtige immuunstimuli maakt [26](#page=26). Bij een immuundaling kunnen patiënten minder symptomen vertonen, zelfs bij een infectie. Omgekeerd kan een verbetering van de immuniteit leiden tot het optreden van symptomen, zoals geelzucht bij een HIV-patiënt die HBV oploopt en vervolgens behandeld wordt (immuunreconstitutie syndroom) [34](#page=34). Infecties kunnen ook optreden zonder symptomen, wat screening noodzakelijk kan maken, vooral als de infectie tijdelijk is en behandelbaar, zoals bij HIV. Dit helpt ook om verspreiding af te remmen [34](#page=34). Pathogeniciteit verwijst naar het ziekmakend vermogen van een kiem, terwijl virulentie een kwantificatie is van dit vermogen, vaak vergeleken tussen verschillende isolaten van dezelfde kiem (bv. de letale dosis 50, LD50). De incubatietijd is de periode tussen infectie en symptomen, maar de gastheer kan al infectieus zijn (shedding) vóór de symptomen optreden [34](#page=34). > **Tip:** Het onderscheid tussen infectie en ziekte is belangrijk; niet elke infectie leidt tot duidelijke symptomen. De immuunrespons van de gastheer speelt een cruciale rol in het ontstaan van ziekte. > **Voorbeeld:** De mazelenvirus infectie begint systemisch en bereikt uiteindelijk de epitheelcellen van de luchtwegen en huid, wat resulteert in huiduitslag. Virussen produceren vaak geen toxines en veroorzaken pas symptomen bij de immuunrespons [28](#page=28). --- ## 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 | |------|------------| | Virulentie | Het ziekmakend vermogen van een specifiek micro-organisme-isolaat bij een standaard gastheer, bepaald door de eigenschappen van de kiem die het mogelijk maken om symptomen te veroorzaken en de gastheer nadelig te beïnvloeden. | | Vatbaarheid | De gevoeligheid van een gastheer voor kolonisatie door een micro-organisme, bepaald door de individuele eigenschappen van de gastheer, waaronder genetische variabiliteit, afweer en immunologie. | | Infectie | De aanwezigheid en vermenigvuldiging van een micro-organisme in of op een gastheer, wat niet noodzakelijk leidt tot ziekteverschijnselen. | | Ziekte | Een nadelige beïnvloeding van het functioneren van de gastheer door de interactie met een micro-organisme, gekenmerkt door specifieke symptomen. | | Kiem | Een algemene term voor een micro-organisme, zoals een bacterie, virus, schimmel of parasiet, dat een infectie kan veroorzaken. | | Gastheer | Een organisme dat een andere organisme (de kiem of parasiet) huisvest en ondersteunt, vaak ten koste van zichzelf. | | Pathogeen | Een micro-organisme dat in staat is om ziekte te veroorzaken bij een gastheer. | | Commensaal | Een micro-organisme dat op of in een gastheer leeft zonder deze significant te schaden, en soms zelfs voordeel kan bieden, zoals bacteriën in de darmflora. | | Immuunrespons | De reeks reacties van het immuunsysteem van de gastheer tegen een ziekteverwekker, gericht op het neutraliseren of elimineren van de infectie. | | Inflammatie | Een plaatselijke reactie van het lichaam op infectie of beschadiging, gekenmerkt door roodheid, zwelling, warmte en pijn, gericht op het verwijderen van de schadelijke stimulus en het starten van het genezingsproces. | | Exotoxine | Een toxine dat door bacteriën wordt uitgescheiden in de omgeving en dat specifieke schadelijke effecten kan hebben op de gastheer, vaak door interactie met vitale celprocessen. | | Endotoxine | Een toxine dat deel uitmaakt van de celwand van gram-negatieve bacteriën (lipopolysaccharide, LPS) en dat bij vrijkomen krachtige immuunreacties en ontstekingen kan veroorzaken. | | Virulentiefactoren | Specifieke genen of moleculen die een micro-organisme helpen bij het veroorzaken van ziekte, zoals adhesie-eiwitten, toxines, enzymen die weefsel afbreken, of mechanismen om het immuunsysteem te ontwijken. | | Asymptomatisch | Een infectie of ziekte die geen waarneembare symptomen vertoont bij de gastheer. | | Attenuatie | Het proces waarbij de pathogene eigenschappen van een micro-organisme worden verminderd, vaak gebruikt bij de ontwikkeling van vaccins. | | Co-evolutie | Het proces waarbij twee of meer soorten elkaar wederzijds beïnvloeden in hun evolutionaire ontwikkeling, zoals de evolutie van kiemen en hun gastheren. | | Shedding | Het proces waarbij een geïnfecteerd individu micro-organismen uitscheidt, wat leidt tot mogelijke transmissie naar nieuwe gastheren. | | Latentie | Een periode waarin een infectie inactief is, maar wel aanwezig blijft in het lichaam, met potentieel om later opnieuw actief te worden en symptomen te veroorzaken. |

# Définition et propriétés de la réplication de l'ADN La réplication de l'ADN est le processus fondamental par lequel une molécule d'ADN parentale est copiée pour produire deux molécules d'ADN filles identiques, assurant ainsi la transmission fidèle de l'information génétique lors de la division cellulaire [3](#page=3). ### 1.1 Définition de la réplication de l'ADN La réplication de l'ADN est la biosynthèse de deux molécules d'ADN filles qui sont des copies identiques de la molécule d'ADN parentale. Ce processus est essentiel car il permet de multiplier la quantité d'ADN par deux à chaque cycle de réplication, rendant possible la division cellulaire [3](#page=3). ### 1.2 Modèles théoriques de réplication de l'ADN Basés sur le modèle de la double hélice de Crick et Watson, plusieurs modèles théoriques ont été proposés pour décrire la réplication de l'ADN [5](#page=5) [6](#page=6) [8](#page=8): * **Modèle conservatif** : Dans ce modèle, la molécule d'ADN parentale entière servirait de matrice, et une nouvelle molécule d'ADN entièrement nouvelle serait synthétisée. La molécule parentale resterait intacte. * **Modèle semi-conservatif** : Ce modèle postule que chaque brin de la double hélice parentale sert de matrice pour la synthèse d'un nouveau brin complémentaire. Ainsi, chaque nouvelle molécule d'ADN fille serait constituée d'un brin ancien (parental) et d'un brin nouveau. * **Modèle dispersif** : Selon ce modèle, les brins de l'ADN parentale seraient fragmentés, et chaque fragment servirait de matrice pour la synthèse de petits segments d'ADN nouveau. La molécule d'ADN fille serait ainsi un mélange de segments anciens et nouveaux. L'expérience de Meselson et Stahl a été cruciale pour déterminer le modèle correct de réplication [7](#page=7). > **Tip:** Il est important de comprendre ces modèles pour apprécier la manière dont la découverte expérimentale a confirmé le mécanisme de réplication réel. ### 1.3 Propriétés de la réplication de l'ADN La réplication de l'ADN présente plusieurs propriétés clés : * **Bidirectionnalité**: La réplication de l'ADN est un processus bidirectionnel. Cela signifie qu'à partir d'une origine de réplication, la synthèse de nouveaux brins d'ADN progresse simultanément dans deux directions opposées le long de la molécule d'ADN parentale. Cette bidirectionnalité permet une réplication plus rapide de la totalité du génome [9](#page=9). > **Tip:** La bidirectionnalité est une caractéristique fondamentale qui optimise l'efficacité du processus de duplication de l'ADN. --- # La réplication chez les procaryotes : étapes clés La réplication de l'ADN chez les procaryotes est un processus hautement régulé qui assure la duplication fidèle du génome, débutant par l'initiation à une origine spécifique et se poursuivant par l'élongation des nouvelles chaînes d'ADN [11](#page=11) [15](#page=15). ### 2.1 Origine de la réplication Le chromosome des procaryotes, tel que celui de E. Coli, d'une taille d'environ 4,2 millions de paires de bases, possède un site unique d'initiation de la réplication, appelé *oriC*. Ce locus *oriC* s'étend sur environ 245 paires de bases et est essentiel pour le démarrage du processus de réplication. L'*oriC* permet la formation de deux fourches réplicatives qui progressent dans des directions opposées le long du chromosome. La vitesse de synthèse de l'ADN pendant la réplication est d'environ 50 000 paires de bases par minute [11](#page=11). ### 2.2 Initiation de la réplication L'initiation de la réplication chez les procaryotes implique plusieurs étapes cruciales [15](#page=15). #### 2.2.1 Préparation à la réplication La première étape consiste en la fixation des protéines DnaA sur l'ADN. Chaque monomère de la protéine DnaA possède un domaine ATPase. L'ADN s'enroule ensuite autour d'un hexamère de DnaA, formant ainsi un complexe. Cet enroulement expose les simples brins d'ADN, créant des régions accessibles pour les protéines suivantes [15](#page=15). #### 2.2.2 Formation du complexe de pré-amorçage Une fois les simples brins exposés, le complexe de pré-amorçage se forme. L'hélicase hexamérique, la protéine DnaB, est recrutée et chargée autour de l'ADN, avec l'aide de la protéine DnaC. Les régions de l'*oriC* qui sont riches en paires de bases AT (adénine-thymine), connues pour être plus facilement déroulables en raison de leurs deux liaisons hydrogène, sont déroulées et occupées par des protéines SSB (Single-Strand Binding proteins). Ces protéines SSB stabilisent les simples brins d'ADN et les empêchent de se ré-hybrider. La primase peut alors s'insérer et synthétiser une amorce d'ARN. Par la suite, la DNA polymérase III s'assemble sur ce complexe de pré-amorçage, prête à commencer la synthèse de l'ADN. L'hydrolyse de l'ATP au sein de la protéine DnaA agit comme un signal pour l'initiation de la réplication de l'ADN [18](#page=18). > **Tip:** Les régions riches en AT sont souvent retrouvées au niveau des origines de réplication car elles nécessitent moins d'énergie pour être déroulées par l'hélicase. ### 2.3 Élongation L'élongation est la phase durant laquelle la nouvelle chaîne d'ADN est synthétisée. Ce processus implique deux opérations distinctes qui, bien qu'ayant un résultat similaire (synthèse d'ADN), diffèrent dans leurs mécanismes [20](#page=20). * **Synthèse d'un bras directeur continu (leading strand):** L'une des nouvelles chaînes d'ADN est synthétisée de manière continue dans le sens de progression de la fourche réplicative [20](#page=20). * **Synthèse d'un bras tardif discontinu (lagging strand):** L'autre nouvelle chaîne est synthétisée de manière discontinue, en fragments appelés fragments d'Okazaki, dans le sens opposé à la progression de la fourche réplicative [20](#page=20). --- # Les acteurs moléculaires de la réplication de l'ADN La réplication de l'ADN est un processus hautement coordonné impliquant une machinerie enzymatique complexe où chaque composant joue un rôle essentiel dans la fidélité et l'efficacité de la duplication du matériel génétique. ### 3.1 Les hélicases Les hélicases sont des enzymes indispensables à la séparation des deux brins d'ADN lors de la réplication. Elles requièrent l'hydrolyse d'adénosine triphosphate (ATP) pour fonctionner. Leur rôle consiste à dérouler l'hélice de l'ADN dans les deux directions, générant ainsi deux fourches de réplication actives. Ces enzymes sont caractérisées par leur haute processivité, ce qui signifie qu'elles peuvent lier l'ADN et le parcourir sur de longues distances sans se détacher. Elles se lient à l'ADN monocaténaire et se déplacent de manière orientée le long de celui-ci. Les hélicases adoptent une conformation en anneau, souvent sous forme d'hexamères, au niveau de la fourche de réplication, encapsulant l'ADN pour faciliter son déroulement [32](#page=32). ### 3.2 La primase La primase est une enzyme cruciale qui initie la synthèse de nouvelles chaînes d'ADN en créant des amorces d'ARN. Il s'agit d'une enzyme monomérique d'environ 65 kilodaltons, codée par le gène *dnaG*. Sa fonction est similaire à celle d'une ARN polymérase, car elle synthétise de courts segments d'ARN. Pour exercer son activité, la primase nécessite une séquence débutant par 5'-AG-3' sur le brin matrice d'ADN. On retrouve souvent trois primases associées à chaque hexamère d'hélicase, suggérant une coordination de leurs activités. L'amorce d'ARN synthétisée, d'une longueur d'environ 5 nucléotides, est complémentaire à un segment du brin matrice d'ADN et fournit une extrémité 3'-OH libre, nécessaire à l'ADN polymérase pour commencer l'élongation du brin d'ADN [35](#page=35). ### 3.3 L'ADN polymérase III L'ADN polymérase III est la principale enzyme responsable de l'élongation des nouvelles chaînes d'ADN lors de la réplication. Pour fonctionner, elle nécessite plusieurs éléments [37](#page=37): * Un brin d'ADN matrice servant de modèle pour la synthèse du brin complémentaire [37](#page=37). * Une amorce avec une extrémité 3'-OH libre, généralement fournie par la primase [37](#page=37). * Les quatre désoxyribonucléosides triphosphates: dATP, dCTP, dGTP et dTTP, ainsi que du magnésium (Mg²⁺) comme cofacteur [37](#page=37). L'élongation se déroule exclusivement dans le sens 5' vers 3'. L'ADN polymérase III est un complexe enzymatique multifonctionnel, conçu pour répliquer simultanément les deux brins d'ADN au niveau de la fourche de réplication. De manière cruciale, elle possède une activité exonucléasique intrinsèque dans le sens 3' vers 5'. Cette activité est essentielle pour la correction des erreurs, permettant de retirer les nucléotides mal appariés à l'extrémité du brin en croissance [37](#page=37). > **Tip:** L'activité exonucléasique 3' vers 5' de l'ADN polymérase III est un mécanisme de "relecture" qui augmente considérablement la fidélité de la réplication, réduisant le taux d'erreurs par un facteur important [37](#page=37). ### 3.4 L'ADN polymérase I L'ADN polymérase I remplit un rôle complémentaire à celui de l'ADN polymérase III, notamment dans la finition de la réplication des fragments d'Okazaki sur le brin discontinu. Comme l'ADN polymérase III, elle requiert un brin d'ADN matrice, une amorce avec une extrémité 3'-OH libre, les dNTPs et du Mg²⁺ pour la synthèse dans le sens 5' vers 3' [48](#page=48). La caractéristique distinctive de l'ADN polymérase I est la présence de deux activités exonucléasiques : * Une activité exonucléasique 3' vers 5', similaire à celle de l'ADN polymérase III, pour la correction d'erreurs [48](#page=48). * Une activité exonucléasique 5' vers 3' unique. Cette dernière est particulièrement importante car elle permet de retirer les amorces d'ARN synthétisées par la primase, tout en synthétisant simultanément de l'ADN pour les remplacer [48](#page=48). ### 3.5 Les ligases Les ligases interviennent dans les étapes finales de la réplication, particulièrement pour sceller les "lacunes" qui subsistent entre les fragments d'ADN. Après que l'ADN polymérase I ait retiré les amorces d'ARN et synthétisé les fragments d'ADN correspondants, il subsiste une coupure entre l'extrémité 3'-OH du nouveau fragment et l'extrémité 5'-phosphate du fragment précédent. L'ADN ligase catalyse la formation d'une liaison phosphodiester pour joindre ces fragments, assurant ainsi la continuité de la chaîne d'ADN. Les ligases nécessitent généralement une source d'énergie, comme l'ATP ou le NAD⁺, selon le type de ligase [51](#page=51). ### 3.6 Les topoisomérases Bien que non détaillées dans les pages spécifiées, il est important de noter le rôle des topoisomérases, qui sont des enzymes essentielles pour gérer la torsion de l'ADN pendant la réplication. Elles préviennent l'enroulement excessif de l'ADN en amont de la fourche de réplication en créant des coupures temporaires dans les brins d'ADN, permettant ainsi à l'ADN de se détendre, puis en recollant les brins coupés [30](#page=30). > **Tip:** Comprendre l'ordre d'action et les rôles spécifiques de chaque enzyme (hélicase, primase, ADN polymérases I et III, ligase) est fondamental pour appréhender la réplication de l'ADN. La présence d'activités exonucléasiques dans les ADN polymérases est une clé pour la fidélité de la réplication [30](#page=30) [37](#page=37) [48](#page=48). --- # Résumé et notions importantes de la réplication La réplication de l'ADN est un processus semi-conservatif essentiel à la transmission de l'information génétique, impliquant des étapes complexes et nécessitant divers éléments pour assurer la fidélité de la copie [57](#page=57). ### 4.1 Le modèle de réplication semi-conservative La réplication de l'ADN suit un modèle semi-conservatif, ce qui signifie que chaque nouvelle molécule d'ADN double brin est composée d'un brin parental (original) et d'un brin nouvellement synthétisé. Ce mécanisme assure que l'information génétique est fidèlement transmise à la génération suivante de cellules [57](#page=57). ### 4.2 Les étapes de la réplication Bien que le document ne détaille pas toutes les étapes de manière exhaustive sur les pages fournies, il est crucial de comprendre que la réplication comprend plusieurs phases distinctes. Ces étapes incluent généralement l'initiation, l'élongation et la terminaison [57](#page=57). ### 4.3 Les éléments nécessaires à la réplication La réplication de l'ADN requiert une série de composants moléculaires pour se dérouler correctement, incluant des enzymes spécifiques et des substrats [57](#page=57). ### 4.4 Concepts clés de la réplication Plusieurs termes sont fondamentaux pour comprendre le mécanisme de la réplication de l'ADN : #### 4.4.1 La fourche de réplication La fourche de réplication est la structure en forme de Y qui se forme à l'endroit où l'ADN double brin est déroulé et séparé pour permettre la synthèse de nouveaux brins. C'est le site actif où les deux nouveaux brins d'ADN sont synthétisés simultanément [57](#page=57). #### 4.4.2 L'élongation monodirectionnelle L'élongation monodirectionnelle fait référence au fait que la synthèse de nouveaux brins d'ADN se fait toujours dans la direction 5' vers 3' . Cependant, comme les deux brins parentaux sont antiparallèles, cela entraîne des modes de synthèse différents pour les deux nouveaux brins [57](#page=57). #### 4.4.3 Le brin avancé (leading strand) et le brin retardé (lagging strand) En raison de la nature bidirectionnelle de la fourche de réplication et de l'élongation monodirectionnelle (5' vers 3') des ADN polymérases, la synthèse des deux nouveaux brins ne peut pas se faire de manière continue sur les deux brins parentaux. * **Brin avancé:** Le brin avancé est synthétisé de manière continue dans la direction 5' vers 3', suivant l'ouverture de la fourche de réplication. Il est copié directement à partir du brin parental qui est orienté dans la direction 3' vers 5' par rapport à la fourche [57](#page=57). * **Brin retardé:** Le brin retardé est synthétisé de manière discontinue en une série de courtes portions appelées fragments d'Okasaki. Il est copié à partir du brin parental qui est orienté dans la direction 5' vers 3' par rapport à la fourche. La synthèse de ce brin doit se faire en "reculant" par rapport au mouvement global de la fourche, nécessitant des amorces d'ARN répétées [57](#page=57). #### 4.4.4 Les fragments d'Okasaki Les fragments d'Okasaki sont de courtes séquences d'ADN synthétisées sur le brin retardé. Chacun de ces fragments nécessite une amorce d'ARN pour initier la synthèse par l'ADN polymérase. Ces fragments sont ensuite liés ensemble par une enzyme appelée ADN ligase pour former un brin d'ADN continu [57](#page=57). > **Tip:** La compréhension de la relation entre l'orientation des brins parentaux, la direction de synthèse 5' vers 3', et la formation des brins avancé et retardé est fondamentale pour saisir la réplication de l'ADN. Les fragments d'Okasaki sont une conséquence directe de ces contraintes sur le brin retardé. --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Réplication | Processus par lequel une molécule d'ADN parentale est copiée pour former deux molécules d'ADN filles identiques. C'est une étape cruciale lors de la division cellulaire. | | ADN | Acide désoxyribonucléique, molécule qui porte l'information génétique dans la plupart des organismes vivants. Il est constitué de deux brins enroulés en double hélice. | | ADN parental | L'ADN original qui sert de modèle pour la synthèse de nouvelles molécules d'ADN lors de la réplication. | | ADN filles | Les deux nouvelles molécules d'ADN synthétisées lors du processus de réplication, chacune étant une copie de l'ADN parental. | | Division cellulaire | Processus par lequel une cellule se divise pour former deux ou plusieurs cellules filles, impliquant généralement la duplication du matériel génétique. | | Molécules d'ADN | Structures chimiques complexes qui composent le matériel génétique, formées de nucléotides liés entre eux. | | Procaryotes | Organismes unicellulaires dont les cellules ne possèdent pas de noyau défini ni d'organites membranaires, comme les bactéries et les archées. | | Origine de réplication | Site spécifique sur le chromosome d'ADN où commence la réplication. Chez les procaryotes, il y a généralement une seule origine de réplication. | | Fourche réplicative | Structure en forme de Y formée lorsque la double hélice d'ADN est déroulée par les hélicases, permettant la synthèse des nouveaux brins d'ADN. | | Complexe de pré-amorçage | Assemblage de protéines et d'enzymes qui se forme à l'origine de réplication et qui prépare le déroulement de l'ADN et l'initiation de la synthèse des nouveaux brins. | | Hélicase | Enzyme qui catalyse la séparation des deux brins de la double hélice d'ADN en rompant les liaisons hydrogène entre les bases azotées, un processus qui consomme de l'ATP. | | Ligase | Enzyme qui unit des fragments d'ADN en catalysant la formation d'une liaison phosphodiester entre l'extrémité 5' phosphate d'un nucléotide et l'extrémité 3' hydroxyle d'un autre. | | Topoisomérase | Enzyme qui modifie la topologie de l'ADN en coupant et en religuant les brins, afin de relâcher les tensions de superenroulement générées pendant la réplication ou d'autres processus. | | ADN polymérase III | L'enzyme principale responsable de la synthèse des nouveaux brins d'ADN pendant la réplication chez les procaryotes. Elle possède une activité exonucléasique 3' vers 5'. | | Primase | Enzyme qui synthétise de courtes amorces d'ARN sur le brin d'ADN matrice, fournissant une extrémité 3'-OH libre nécessaire à l'initiation de la synthèse par l'ADN polymérase. | | ADN polymérase I | Enzyme qui participe à la réplication en éliminant les amorces d'ARN et en remplaçant les nucléotides d'ARN par des nucléotides d'ADN. Elle possède des activités exonucléasiques 5' vers 3' et 3' vers 5'. | | Brin directeur (leader) | Le brin d'ADN synthétisé de manière continue dans la direction 5' vers 3' à mesure que la fourche réplicative progresse. | | Brin retardé (lagging strand) | Le brin d'ADN synthétisé de manière discontinue en petits fragments (fragments d'Okasaki) dans la direction opposée à la progression de la fourche réplicative. | | Fragments d'Okasaki | Petits fragments d'ADN synthétisés sur le brin retardé lors de la réplication. Ces fragments sont ensuite liés ensemble par la ligase. | | Semi-conservative | Modèle de réplication de l'ADN où chaque nouvelle molécule d'ADN est composée d'un brin d'ADN original (parental) et d'un brin d'ADN nouvellement synthétisé. |

# Inleiding tot microbiologie en het werkveld Dit hoofdstuk introduceert het vakgebied microbiologie, de historische ontwikkeling van de wetenschap en het werkveld van de microbioloog, inclusief de weerlegging van de theorie van spontane generatie. ## 1.1 Het werkgebied van de microbiologie Microbiologie is de wetenschap die zich bezighoudt met de studie van micro-organismen. Hoewel het publieke beeld van microbiologie vaak gericht is op ziektes veroorzakende microben, leven de meeste micro-organismen zonder schade of ziekte. Micro-organismen worden gedefinieerd als organismen die uitsluitend met een microscoop zichtbaar zijn, of die in hun levenscyclus ten minste één periode doormaken waarin een enkele cel zich als individu vermenigvuldigt. Een bredere definitie omvat ook microscopische organismen die uit één cel of celcluster bestaan, samen met virussen [7](#page=7). ### 1.1.1 Verschillen met macro-organismen Microbiële cellen verschillen van planten- en dierencellen doordat ze onafhankelijk kunnen leven en functioneren voor hun levensprocessen zoals groei, energievoorziening en voortplanting. Plantaardige en dierlijke cellen zijn vaak deel van meercellige structuren en niet onafhankelijk leefbaar [8](#page=8). ### 1.1.2 Groepen micro-organismen Algemeen worden de volgende groepen als micro-organismen beschouwd: protozoën, wieren, schimmels, slijmzwammen, gisten, bacteriën, en ook virussen, viroïden en prionen. Virussen, viroïden en prionen vormen een aparte groep omdat ze niet cellulair zijn opgebouwd [8](#page=8). ### 1.1.3 Specialisaties binnen de microbiologie Microbiologen kunnen zich specialiseren in: * **Specifieke groepen:** virologie, bacteriologie, fycologie (algologie), mycology, protozoölogie [8](#page=8). * **Karakteristieken en activiteiten:** microbiële morfologie, cytologie, ecologie, genetica en moleculaire biologie, taxonomie [8](#page=8). * **Specifieke domeinen:** medische microbiologie, levensmiddelenmicrobiologie, industriële microbiologie, agromicrobiologie [9](#page=9). ### 1.1.4 Rol en belang van micro-organismen Micro-organismen waren de eerste levende organismen op aarde en zijn alomtegenwoordig. Ze spelen een cruciale rol in ecosystemen en hebben een significante impact op gebieden zoals geneeskunde, landbouw, voeding, ecologie en biochemie [9](#page=9). #### 1.1.4.1 Schadelijke micro-organismen Pathogene micro-organismen veroorzaken ziekten bij mens, dier en plant. Andere micro-organismen kunnen schade veroorzaken door bederf van voedsel en landbouwgrondstoffen, wat leidt tot kwaliteitsverlies en economische schade [9](#page=9). #### 1.1.4.2 Commensale en nuttige micro-organismen De meerderheid van de micro-organismen is onschadelijk en wordt commensalen genoemd. Commensalisme is een vorm van symbiose waarbij één organisme voordeel heeft en het andere niet beïnvloed wordt. Voorbeelden zijn bacteriën op onze huid of in onze darmflora. Sommige micro-organismen, zelfs de meest virulente, worden als nuttig ervaren en hebben economische betekenis in diverse sectoren [9](#page=9). ##### 1.1.4.2.1 Toepassingen van nuttige micro-organismen * **Voedselproductie en -bewaring:** Fermentatieprocessen voor bier, brood, wijn, kaas, yoghurt en melkproducten, alsook conservering van voedsel [10](#page=10). * **Afvalverwerking:** Omzetting van huishoudelijk en industrieel afval tot meststoffen en vruchtbare grond, en vertering van petrochemisch afval [10](#page=10). * **Biotechnologische toepassingen:** Productie van enzymen (biokatalysatoren) voor o.a. leerlooierij, sapbereiding en zeepindustrie; productie van azijn, aceton, butanol en andere chemische grondstoffen [10](#page=10). * **Verteringsproces:** Ondersteuning van de spijsvertering bij mens en dier [10](#page=10). * **Geneeskunde:** Productie van antibiotica (zoals penicilline) uit schimmels en bacteriën, en de ontwikkeling van vaccins en immunoglobulines [10](#page=10). ## 1.2 Geschiedenis van de microbiologie De microbiologie ontstond met de ontdekking van micro-organismen door Antonie van Leeuwenhoek. Vroege bijdragen kwamen voornamelijk van medici en chemici, geïnteresseerd in ziekteverwekkers en chemische omzettingen [11](#page=11). ### 1.2.1 Oudheid Al in de oudheid was het onderscheid tussen besmettelijke en niet-besmettelijke ziekten bekend. Besmettelijke ziekten werden soms gezien als goddelijke straffen. Hygiënepraktijken, zoals beschreven in het Oude Testament, en ideeën over het voorkomen van ziekteverspreiding door afzondering, suggereren een vroeg begrip van ziekteoverdracht, hoewel de rol van micro-organismen toen nog onbekend was. Hippocrates theoretiseerde over "uitwasemingen" als oorzaak van besmetting [11](#page=11). ### 1.2.2 De "Generatio Spontanea" en de ontdekking van micro-organismen Robert Hooke was de eerste die micro-organismen waarnam met een microscoop en publiceerde zijn bevindingen in "Micrographia" inclusief de afbeelding van de schimmel *Mucor*. Antonie van Leeuwenhoek construeerde in 1676 een microscoop met een enkele lens waarmee hij bacteriën, door hem 'diertgens' genoemd, waarnam [11](#page=11) [12](#page=12) . #### 1.2.2.1 De theorie van spontane generatie (abiogenesis) Deze theorie, ondersteund door Aristoteles, stelde dat leven spontaan kon ontstaan uit niet-levend materiaal. Men geloofde dat levenskrachten in dood materiaal aanwezig bleven en zo nieuw leven konden voortbrengen, zoals vliegen uit rundveekadavers of muizen uit graan in vochtige kelders [12](#page=12). #### 1.2.2.2 Experimenten en weerlegging * **Needham:** Vulde een kolf met organische vloeistof, kookte deze en sloot deze af met een kurk. Troebeling en aanwezigheid van micro-organismen werden waargenomen, wat als bewijs voor spontane generatie werd gezien [12](#page=12) . * **Spallanzani (ca. 1765):** Voerde vergelijkbare experimenten uit, maar verhitte de kolven langer en sloot ze hermetisch af door ze dicht te smelten. In deze kolven ontstond geen troebeling. Hij concludeerde dat lucht, en mogelijk levende kiemen daarin, cruciaal waren voor het ontstaan van leven in Needhams experimenten [13](#page=13). * **Appert:** Publiceerde een proces om voedsel houdbaar te maken door verhitting in afgesloten glazen, wat leidde tot weinig zuurstof in het voedsel [13](#page=13) . * **Schwann:** Liet lucht toe tot de kolven, maar verhitte deze eerst om eventuele organismen te doden. Ook experimenten waarbij lucht door loog of zuur werd geleid om kiemen te verwijderen, resulteerden meestal in heldere vloeistoffen. Tegenstanders meenden dat deze behandelingen de "leven opwekkende kracht" van lucht vernietigden [13](#page=13) . ### 1.2.3 De microbiologie als wetenschap Louis Pasteur leverde in 1861 overtuigend bewijs dat de theorie van spontane generatie omverwierp. Hij gebruikte een kolf met een zwanenhals, die open verbinding met de lucht had maar de opdwarrelende micro-organismen door hun gewicht in de gebogen hals achterliet [13](#page=13). > **Tip:** Het experiment van Pasteur met de zwanenhalskolf is een cruciaal voorbeeld van hoe wetenschappelijke hypotheses getest en weerlegd worden door zorgvuldig ontworpen experimenten. * **Pasteurs experiment:** Vruchtensappen in zwanenhalskolven bleven helder en ondergingen geen fermentatie, omdat micro-organismen uit de lucht niet in de vloeistof konden komen. Indien de zwanenhals werd afgebroken, de kolf werd gekanteld, of geforceerde luchtcirculatie werd toegepast, trad wel troebeling en vergisting op [13](#page=13) [14](#page=14). Pasteur concludeerde dat rotting en gisting het gevolg waren van de groei en ontwikkeling van micro-organismen die van buitenaf in materiaal terechtkwamen (biogenese of kiemtheorie). Met deze vaststelling was de basis gelegd voor het wetenschappelijk begrijpen en gericht toepassen van microbiële omzettingen, wat de weg vrijmaakte voor biotechnologie [14](#page=14). --- # Celbouw van micro-organismen Dit gedeelte biedt een gedetailleerd overzicht van de celstructuren van micro-organismen, met een focus op de fundamentele verschillen tussen prokaryotische en eukaryotische cellen, inclusief de samenstelling van de celwand, het cytoplasma, de kern en subcellulaire deeltjes [22](#page=22). ### 2.1 Prokaryotische versus eukaryotische micro-organismen Levende organismen zijn per definitie opgebouwd uit één of meerdere cellen, de universele bouwstenen van het biologisch leven. Virussen, viroïden en prionen zijn infectieuze agentia die tot de micro-organismen gerekend worden, maar geen levende organismen zijn omdat ze niet uit cellen zijn opgebouwd. Micro-organismen, met uitzondering van deze niet-levende agentia, kunnen één- of meercellig zijn, maar zijn overwegend ééncellig met weinig celldifferentiatie bij meercellige vormen [22](#page=22). Er zijn twee hoofdtypen cellen te onderscheiden: prokaryotische cellen (betekenis: "voor de kern") en eukaryotische cellen (betekenis: "echte kern"). Kennis hierover is verkregen via elektronenmicroscopisch onderzoek en biochemische analyses. Prokaryotische cellen, die uitsluitend voorkomen bij Bacteria en Archaea, zijn kleiner en primitiever in interne structuur dan de grotere eukaryotische cellen, die bij de overige micro-organismen (Eukarya) te vinden zijn. Een cruciaal verschil is de aanwezigheid van membraanomhulde organellen in eukaryotische cellen, die afwezig zijn in prokaryotische cellen. Bekende organellen zijn de kern en mitochondria, die essentieel zijn voor genetische informatie-opslag en energieproductie (respiratieprocessen) respectievelijk [22](#page=22) [23](#page=23). > **Tip:** Onthoud dat de basisbouwstenen van alle levende organismen cellen zijn, en dat micro-organismen voornamelijk ééncellig zijn. De indeling in prokaryoot en eukaryoot is fundamenteel voor het begrijpen van hun celbouw. #### 2.1.1 Kenmerken van eukaryotische en prokaryotische cellen | Eigenschap | Eukaryoot | Prokaryoot | | :-------------------------- | :---------------------------------------------------------- | :---------------------------------------------------------------------------- | | Kernstructuur DNA | Meerdere chromosomen, geassocieerd met histoneiwitten | Eén chromosoom, naakt (geen histon-eiwitten), circulair | | Kernmembraan | Aanwezig | Afwezig | | Endoplasmatisch reticulum | Aanwezig | Afwezig | | Mitochondriën | Aanwezig | Afwezig | | Ribosomen | 80 S | 70 S | | Lysosomen | Aanwezig | Afwezig | | Cytoplasmatisch membraan | Aanwezig, bevat sterolen | Aanwezig, geen sterolen (behalve Mycoplasma) | | Celwand | Afwezig of gevormd door cellulose, geen peptidoglycaan | Complexe structuur met peptidoglycaanlaag, eiwit en lipiden | | Kapsel | Afwezig | Doorgaans aanwezig | Tegenwoordig worden prokaryoten ingedeeld in twee domeinen: Bacteria (voorheen Eubacteria) en Archaea ("oud"). Hoewel microscopisch vergelijkbaar (ééncellig, geen kernmembraan, geen membraanomhulde organellen), verschillen Archaea van Bacteria in celmembraansamenstelling, rRNA en het ontbreken van peptidoglycaan in hun celwand [25](#page=25). | Kenmerk | Bacteria | Archaea | Eukaryoten | | :-------------------- | :---------------------- | :---------------------------- | :-------------------- | | Gemiddelde grootte | 0,3-2 µm | 0,3-2 µm | 5-50 µm | | Kernmembraan | Geen | Geen | Ja | | Celwand | Peptidoglycaan aanwezig | Geen peptidoglycaan | Geen peptidoglycaan | | Mitochondriën | Geen | Geen | Ja | | Chloroplasten | Geen | Geen | In planten- en algencellen | | Cytoskelet | Geen | Geen | Ja | | Ecologische vindplaats | In alle omgevingen | Frequent in extreme omgevingen | In niet-extreme omgevingen | ### 2.2 Kern De erfelijke eigenschappen van een cel zijn gecodeerd in het DNA, dat zich in de kern of het kernmateriaal bevindt [27](#page=27). #### 2.2.1 Kern in eukaryotische cellen Bij eukaryotische micro-organismen is het lineaire DNA gebonden aan eiwitten (histonen) en vormt het meerdere chromosomen. Deze chromosomen bevinden zich in een kern, omgeven door een dubbellaags kernmembraan met poriën die contact met het cytoplasma mogelijk maken. Elk chromosoom is opgedeeld in genen, die specifieke erfelijke eigenschappen bevatten. De kern kan ook één of meer nucleoli (kernlichaampjes) bevatten, die onder andere ribosomaal RNA (rRNA) produceren. Eukaryotische cellen zijn genetisch diploïd, wat betekent dat ze twee kopieën van elk gen hebben. Dit maakt mitose (kerndeling) en meiose (reductiedeling) mogelijk, wat leidt tot aseksuele en seksuele voortplanting. DNA is ook te vinden buiten de kern, in mitochondria en chloroplasten, die een zekere genetische autonomie bezitten [24](#page=24) [27](#page=27). > **Tip:** Onthoud de termen "diploïd" (twee kopieën van elk gen) en de processen "mitose" (identieke dochtercellen) en "meiose" (vorming van gameten). #### 2.2.2 Kern in prokaryotische cellen Prokaryotische micro-organismen hebben geen kernmembraan; hun DNA ligt vrij in het cytoplasma in een structuur die de nucleoïde wordt genoemd. Het DNA van het prokaryotische chromosoom is "naakt", wat betekent dat het niet gebonden is aan eiwitten. Het is meestal een circulair en sterk gewonden DNA-molecuul. Prokaryoten zijn genetisch haploïd, met slechts één kopie van elk gen. Naast het hoofdchromosoom kunnen prokaryoten ook kleine, circulaire DNA-moleculen bezitten, genaamd plasmiden. Plasmiden zijn niet essentieel voor de groei, maar kunnen nuttige eigenschappen bieden, zoals resistentie tegen antibiotica [24](#page=24) [27](#page=27). #### 2.2.3 Chemische en ruimtelijke structuur van DNA DNA is opgebouwd uit nucleotiden, bestaande uit een fosfaatgroep, desoxyribose (bij RNA: ribose) en een heterocyclische N-verbinding (adenine (A), guanine (G), cytosine (C), thymine (T)). In 1953 stelden Watson en Crick een dubbele helixmodel voor, waarbij twee polynucleotideketens om dezelfde as draaien. De "zijkanten" van de helix bestaan uit desoxyribose en fosfaatgroepen, terwijl de "sporten" worden gevormd door de N-verbindingen die via waterstofbruggen aan elkaar gebonden zijn. Adenine vormt twee waterstofbruggen met thymine, en cytosine met guanine. De twee ketens zijn complementair, wat betekent dat ze slechts op één manier in elkaar passen [28](#page=28) [29](#page=29). ### 2.3 Cytoplasma Het cytoplasma is de colloïde-achtige substantie die de cel omsluit en bestaat voornamelijk uit water, zouten, suikers, aminozuren, eiwitten (waaronder enzymen), RNA en lipoïden. Hoewel met de elektronenmicroscoop geen duidelijke structuur zichtbaar is, kan in oudere cellen een granulaire structuur worden waargenomen. Protoplasma omvat het cytoplasma plus de kern [29](#page=29). ### 2.4 Subcellulaire deeltjes en structuren #### 2.4.1 Mitochondriën Mitochondriën zijn membraanomhulde organellen (met een dubbele membraanlaag) die in het cytoplasma van eukaryotische cellen voorkomen. Ze worden beschouwd als de "energieproducenten" van de cel omdat hier oxidatieprocessen (oxidatieve fosforylatie) plaatsvinden om energie te winnen. In prokaryotische cellen zijn nooit mitochondriën aangetroffen; energieproductie vindt daar plaats aan het cytoplasmatisch membraan [23](#page=23) [29](#page=29). #### 2.4.2 Chloroplasten, chromatoforen en chromoplasten Chloroplasten, aanwezig in wieren en plantencellen, bevatten chlorofyl en zijn essentieel voor fotosynthese. Hun structuur is gelaagd en complex. Fotosynthetische bacteriën en cyanobacteriën hebben eenvoudigere structuren voor fotosynthese: chromatoforen bij bacteriën en chromoplasten bij cyanobacteriën. De groene kleur van chlorofyl en bacteriochlorofyl wordt vaak gedomineerd door gele tot rode carotenoïden [29](#page=29). #### 2.4.3 Endoplasmatisch reticulum (ER) Het ER is een ingewikkelde membraanstructuur die een kanalensysteem in het cytoplasma vormt en de kern, cytoplasma en celmembraan met elkaar verbindt. Er zijn twee typen: glad ER, betrokken bij lipidesynthese, en ruw ER, dat bezet is met ribosomen en betrokken is bij eiwitsynthese en de productie van nieuw membraanmateriaal. Het ER transporteert eiwitten en vetten in de cel. Prokaryotische cellen bezitten geen ER [30](#page=30). #### 2.4.4 Ribosomen Ribosomen zijn kleine deeltjes (ongeveer 15 nm diameter) die cruciaal zijn voor eiwitsynthese. Ze komen in grote aantallen voor, zowel vrij in het cytoplasma als gebonden aan het ER. Ribosomen bestaan uit twee rRNA- en eiwitrijke subeenheden. Prokaryotische ribosomen zijn kleiner (70S) dan eukaryotische ribosomen (80S). Snelgroeiende cellen hebben meer ribosomen. Eiwitsynthese wordt door DNA gecontroleerd; een sequentie van drie nucleotiden (een triplet of codon) codeert voor een specifiek aminozuur. Het proces van transcriptie zet genetische informatie van DNA om in messenger-RNA (mRNA) [25](#page=25) [30](#page=30). RNA (ribonucleïnezuur) verschilt van DNA door de aanwezigheid van ribose (in plaats van desoxyribose), uracil (U) in plaats van thymine (T), een enkele helix, en een lagere molecuulmassa. Naast mRNA bestaan er ook transfer-RNA (tRNA) voor het aanvoeren van aminozuren en ribosomaal RNA (rRNA) voor de opbouw van ribosomen. Eiwitsynthese (translatie) vindt plaats op ribosomen, waar mRNA en aminozuur-tRNA-complexen samenkomen om de juiste aminozuursequentie te vormen [31](#page=31). > **Tip:** Het proces van "gen tot eiwit" omvat transcriptie (DNA naar mRNA) en translatie (mRNA naar eiwit, met hulp van tRNA en ribosomen). #### 2.4.5 Golgi-apparaat Het Golgi-apparaat (of dictyosoom) is verantwoordelijk voor de eindsynthese, verpakking, secretie en chemische modificatie van producten die door het ruw ER zijn aangeleverd. Het bestaat uit membraanomhulde holtes, waaruit transportblaasjes kunnen afsnoeren om inhoud naar buiten de cel te transporteren (secretie). Het Golgi-apparaat komt niet voor bij prokaryotische bacteriële cellen [32](#page=32). #### 2.4.6 Lysosomen Lysosomen zijn "verteringsorganellen" die uitsluitend in eukaryotische cellen voorkomen. Ze bevatten hydrolytische enzymen die macromoleculen en micro-organismen afbreken (fagocytose) [32](#page=32). #### 2.4.7 Vacuolen Vacuolen zijn met celvocht gevulde blaasjes in eukaryotische cellen, omgeven door een dunne wand. Ze kunnen afvalstoffen en reservestoffen bevatten en worden groter naarmate de cel ouder wordt [33](#page=33). #### 2.4.8 Korrels Veel micro-organismen slaan voedingsstoffen op in de vorm van korrels, zoals poly-β-hydroxyboterzuur (PHB) en granulose (een glucosepolymeer). Andere verbindingen zoals fosfaten (poolkorrels) en zwavel (zwavelkorrels bij zwavelbacteriën) kunnen ook worden opgeslagen [33](#page=33). ### 2.5 Cytoplasmatisch membraan Het cytoplasmatisch membraan (celmembraan) is een dunne (ongeveer 8 nm dikke) structuur die de cel omgeeft en een selectieve barrière vormt tussen het cytoplasma en de omgeving. Het bestaat uit een fosfolipide dubbellaag met twee hydrofiele lagen en een binnenste hydrofobe laag, geassocieerd met membraaneiwitten. Dit membraan is dynamisch en flexibel [33](#page=33). Functies van het cytoplasmatisch membraan omvatten: * **Selectief permeabele barrière:** reguleert transport van stoffen [33](#page=33). * **Transport:** passief transport (diffusie) en actief transport (met energie, bv. permease pompen) [34](#page=34). * **Metabolische processen:** bij prokaryoten vindt hier energiegeneratie plaats (respiratie, fotosynthese, vetsynthese) [34](#page=34). * **Synthese:** betrokken bij celwand-, slijmlaag- en kapselvorming [34](#page=34). Bij ademende prokaryoten zonder mitochondriën vinden oxidatieprocessen plaats aan het membraan, vergelijkbaar met de functie van mitochondriën. Bij fotosynthetische bacteriën kunnen membraanplooien (lamellen) fungeren als functionele equivalenten van thylakoïden in chloroplasten [34](#page=34). > **Tip:** Het cytoplasmatisch membraan is meer dan een simpele barrière; het is een vitaal onderdeel voor transport, energieproductie en synthese. ### 2.6 Celwand De celwand, die het cytoplasmatisch membraan omgeeft, bepaalt de vorm en stevigheid van de cel en beschermt tegen osmotische drukken. Protozoa hebben geen celwand. Wieren hebben celwanden van cellulose, gisten en schimmels van chitine en hemicellulose, en kiezelwieren van anorganische verbindingen [34](#page=34). #### 2.6.1 Celwand van bacteriën Vrijwel alle bacteriën (behalve mycoplasma's) hebben een celwand, waarin peptidoglycaan een belangrijk bestanddeel is. Peptidoglycaan is een netwerk van mucopolysacchariden en mucopeptiden [34](#page=34). * **Gram-positieve bacteriën:** hebben een dikke celwand met veel lagen peptidoglycaan (20-50 nm dik). Ze bevatten teichoïnezuren, die bijdragen aan de negatieve lading van de celwand en metaalionen binden [35](#page=35). * **Gram-negatieve bacteriën:** hebben een dunne peptidoglycaanlaag (2-3 nm). Daarbuiten bevindt zich een buitenmembraan (outer membrane) dat lipopolysacchariden (LPS) bevat, samen met fosfolipiden en eiwitten. Deze LPS-laag kan bijdragen aan pathogene eigenschappen [35](#page=35). #### 2.6.2 Gramkleuring De Gramkleuring is een methode die bacteriën indelt in twee groepen op basis van hun celwandstructuur [35](#page=35): * **Gram-positieve (G+) bacteriën:** houden het kristalviolet vast en kleuren paars/blauw vanwege de dikke peptidoglycaanlaag [36](#page=36). * **Gram-negatieve (G-) bacteriën:** spoelen het kristalviolet uit en kleuren roze/rood door de dunne peptidoglycaanlaag en het buitenmembraan. Het alcoholbehandelingsproces bij G- bacteriën laat het complex uit de cel extraheren [36](#page=36) [37](#page=37). > **Tip:** De Gramkleuring is een essentieel diagnostisch hulpmiddel dat direct inzicht geeft in de celwandstructuur en dus potentieel in de pathogene eigenschappen van bacteriën. #### 2.6.3 Protoplasten Sommige micro-organismen, zoals bacteriën, kunnen zonder celwand voorkomen en worden dan protoplasten genoemd. Ze zijn osmotisch gevoelig en kunnen barsten in een hypotone omgeving (lage osmotische druk) of inkrimpen in een hypertoon milieu (hoge osmotische druk). Protoplasten kunnen worden gevormd door enzymen zoals lysozym (dat de mucopolysacchariden van peptidoglycaan aantast) of door penicilline (dat de vorming van peptidoglycaan belemmert) [37](#page=37) [38](#page=38). ### 2.7 Slijmlaag en kapsel Veel bacteriën zijn omgeven door slijmachtige stoffen, die soms een dikte van 10 µm kunnen bereiken [38](#page=38). * **Kapsel:** een scherp begrensde, stevige laag [38](#page=38). * **Slijmlaag:** een vager begrensde, losse laag [38](#page=38). Eukaryotische cellen bezitten geen slijmlaag [38](#page=38). De aanwezigheid van een kapsel of slijmlaag beïnvloedt de kolonie-vorm op vaste voedingsbodem (S-type: glad en glinsterend; R-type: droog en gerimpeld). De vorming wordt beïnvloed door het externe milieu. Slijmlagen worden vaak gevormd uit koolhydraten, zoals bij *Streptococcus mutans*. Kapsels kunnen uit koolhydraten of eiwitten bestaan [38](#page=38) [39](#page=39). > **Tip:** Een kapsel kan een belangrijke virulentiefactor zijn bij pathogenen, omdat het bescherming biedt tegen fagocytose en antibacteriële stoffen. Het kapselantigeen wordt aangeduid met de letter K [39](#page=39). ### 2.8 Flagellen & ciliën en pili & fimbriae * **Flagellen en ciliën:** draadvormige uitsteeksels voor zwemmende voortbeweging. Lange uitsteeksels zijn flagellen, korte zijn ciliën. Bacteriële flagellen bestaan uit het eiwit flagelline en zijn spiraalvormig [39](#page=39). * **Pili en fimbriae:** zeer dunne, eiwitachtige aanhangsels, zichtbaar met elektronenmicroscoop, vooral op Gram-negatieve bacteriën [40](#page=40). * **Fimbriae:** relatief kort, essentieel voor adhesie aan oppervlakken (bv. dierlijke weefsels) en aggregatie tot biofilms [40](#page=40). * **Pili:** langer dan fimbriae, kunnen ook aanhechten, maar zijn voornamelijk betrokken bij genetische materiaaluitwisseling tijdens conjugatie (sex- of F-pili) [40](#page=40). ### 2.9 Endosporen Bij geslachten als *Bacillus* en *Clostridium* kan onder ongunstige omstandigheden een endospore worden gevormd (sporulatie). De endospore omsluit het kernmateriaal en wordt na afsterven van de vegetatieve cel vrijgegeven. De endospore wordt omhuld door verschillende lagen, waaronder een cortex (rijk aan dipicolinezuur) en een sporecoat (rijk aan teichoïnezuur). Endosporen zijn extreem resistent tegen omgevingsfactoren [40](#page=40). --- # Morfologie en classificatie van micro-organismen Dit onderwerp behandelt de diverse vormen en indelingen van micro-organismen, inclusief schimmels, gisten, bacteriën, archaea, protozoa, algen, virussen, viroïden en prionen, en hun taxonomische plaatsing [42](#page=42). ### 3.1 Schimmels en aanverwante soorten #### 3.1.1 Schimmels Schimmels behoren tot de Fungi, een groep eukaryotische micro-organismen binnen het domein van de Eucarya. Ze komen voor in diverse habitats, voornamelijk in de bodem, en zijn saprofyten die zich voeden met dood organisch materiaal. Een deel is fytopathogeen, zoals *Didymella bryoniae* die komkommerplanten aantast, of veroorzakers van witziekte zoals *Erysiphe cichoracearum* en *Podosphaera xanthii*. Slechts enkele schimmels zijn parasitair op mens en dier [42](#page=42). Schimmels, ook wel filamenteuze fungi genoemd, zijn chemo-heterotrofe één- of meercellige micro-organismen. Hun cytoplasmatisch membraan bevat sterolen en hun celwand bevat geen peptidoglycaan [42](#page=42). * **Chemo-heterotroof**: Organisme dat energie verkrijgt door oxidatie van chemische verbindingen en organisch celmateriaal opbouwt uit organische verbindingen, afhankelijk van andere organismen [43](#page=43). Macroscopisch worden schimmels herkend aan hun harige, donzige structuur. Een schimmelkolonie bestaat uit het vegetatieve deel, de *thallus*, en kan bedekt zijn met sporen. Microscopisch ziet men lange, cilindrische draden (hyfen) met een diameter van 2-10 µm. Hyfen kunnen één- of meercellig zijn en gesepteerd (verdeeld door dwarswanden, septa) of coenocytisch (één grote cel met meerdere kernen). Hogere schimmels hebben septa met poriën die cytoplasma's verbinden, terwijl lagere schimmels coenocytisch zijn. De vertakte hyfen vormen een netwerk, het mycelium [43](#page=43). Sporen worden gevormd voor voortplanting, in tegenstelling tot bacteriële endosporen die voor overleving dienen. Schimmels planten zich meestal ongeslachtelijk voort via mitosporen (mitose), maar ook geslachtelijk via meiosporen (meiosis) [44](#page=44). ##### 3.1.1.1 Ongeslachtelijke voortplanting Bij ongeslachtelijke voortplanting worden enorme aantallen sporen gevormd die zich verspreiden via wind of dieren. Bekende voorbeelden zijn de groene *Aspergillus* en *Penicillium*, en de zwarte *Mucor* en *Rhizopus*. Sporen kunnen exogeen (hele cel draagt bij) of endogeen (niet de gehele cel/wand) worden gevormd [44](#page=44) [45](#page=45). * **Conidiosporen**: Exogeen gevormd aan het uiteinde van speciale hyfen (conidiofoor) [44](#page=44). * **Sporangiosporen**: Endogeen gevormd binnen een sporangium [45](#page=45). De spore kan beweeglijk (zoöspore, met flagel) of onbeweeglijk (aplanospore) zijn, en met of zonder celwand [45](#page=45). ##### 3.1.1.2 Geslachtelijke voortplanting Geslachtelijke schimmelsporen (meiosporen) ontstaan na samensmelting van gespecialiseerde hyfen en hun genetisch materiaal. Ze worden gevormd in speciale organen (vruchtlichamen) [46](#page=46): * **Ascosporen**: Gevormd in een ascocarp met asci (Ascomyceten) [46](#page=46). * **Basidiosporen**: Gevormd op een basidiocarp met basidia (Basidiomyceten, o.a. paddestoelen) [46](#page=46). * **Zygosporen**: Gevormd door Zygomyceten [46](#page=46). #### 3.2.2 Slijmzwammen of myxomyceten Slijmzwammen zijn eukaryotische micro-organismen die gelijkenissen vertonen met fungi en protozoa. Ze hebben een levenscyclus met sporenvorming en kunnen zich bewegen over oppervlakken. Ze worden onderverdeeld in cellulaire en acellulaire slijmzwammen [47](#page=47). * **Cellulaire slijmzwammen**: De vegetatieve vorm is één enkele amoebe [47](#page=47). * **Acellulaire slijmzwammen**: Het vegetatieve deel is een plasmodium (massa cytoplasma met kernen) omgeven door een celwand. Dit plasmodium neemt voedsel op via fagocytose. Bij voortplanting wordt een sporangium gevormd waarin sporen ontstaan, die bij ontkieming amoebe-achtige gameten vormen die samensmelten tot zygoten [47](#page=47) [48](#page=48). #### 3.2.3 Lichenes of korstmossen Lichenen zijn microbiële symbioses van een fungus met een alg (of cyanobacterium) die niet zonder elkaar kunnen leven. Ze groeien op diverse oppervlakken. De alg is fototroof en produceert organisch materiaal voor de fungus, die op zijn beurt bescherming biedt [48](#page=48). ### 3.3 Gisten Gisten behoren tot de Fungi, maar onderscheiden zich door hun ééncelligheid. Ze zijn gemiddeld 10 µm groot en waarneembaar onder de microscoop. De celvorm varieert (rond, ovaal, cilindrisch). Gisten zijn meestal facultatief aëroob. Commercieel belangrijke gisten zijn *Saccharomyces* (bakkers- en brouwersgist) [49](#page=49). Gisten delen zich meestal ongeslachtelijk door knopvorming. Net als bij schimmels kunnen ze ook geslachtelijke sporen (ascosporen) vormen die in een ascus voorkomen [49](#page=49). ### 3.4 Bacteriën Bacteriën zijn ongeveer tienmaal kleiner dan gisten en zijn meestal alleen na fixatie en kleuring goed waarneembaar. Hun grootte varieert doorgaans van 0,3 µm tot 1-2 µm. Morfologisch is de verscheidenheid gering. Bacteriën zijn meestal ééncellig, soms meercellig zonder weefseldifferentiatie [50](#page=50). #### Morfologische vormen van bacteriën: * **Coccen (bolvormig)**: Kunnen voorkomen als diplococcen (tweevoud), streptococcen (ketens), tetracoccen (vier op een rij), sarcina (kubus van acht), en micrococcen/staphylococcen (druiventros). De diameter is meestal ca. 0,5 µm [50](#page=50). * **Bacillen (staafvormig)**: Meestal geïsoleerd, soms als ketens (streptobacillen) of palissade-achtig (Corynebacteriën). Variatie in lengte en diameter. Sommige bacillen kunnen sporen vormen (terminaal, centraal, subterminaal) [51](#page=51). * **Vibrionen (kommavormig)**: Staafjes, licht gebogen in één vlak [52](#page=52). * **Spirillen (spiraalvormig)**: Gekromd in meerdere vlakken, als een kurkentrekker [52](#page=52). * **Spirocheten**: Flexibele, spiraalvormige microben met slangachtige beweging [52](#page=52). **Pleomorfie** is het verschijnsel waarbij bacteriën verschillende vormen kunnen aannemen binnen dezelfde cultuur, zoals rond- tot ovaalvormige coccoïde vormen naast de staafvorm [52](#page=52). #### Beweging bij bacteriën: Bacteriën kunnen beweeglijk zijn met een glijdende beweging of een "zwemmende" beweging door flagellen. De aanhechtingsplaats van flagellen verdeelt ze in [52](#page=52): * **Monotrich**: Eén flagel aan één pool [52](#page=52). * **Amfitrich**: Eén flagel aan elke pool [52](#page=52). * **Lofotrich**: Bundel flagellen aan één pool [52](#page=52). * **Peritrich**: Meerdere flagellen rondom de hele cel [52](#page=52). * **Amfi-lofotrich**: Twee bundels flagellen, één aan elke pool [52](#page=52). * **Atrich**: Afwezigheid van flagellen [52](#page=52). Een ander morfologisch kenmerk is de aanwezigheid of afwezigheid van een kapsel of slijmlaag [52](#page=52). ### 3.5 Overgangsgroepen #### 3.5.1 Archaea Archaea vormen een van de drie domeinen van het leven met een prokaryote cellulaire structuur. Ze verschillen evolutionair van bacteriën en eukarya, met unieke membraanlipiden. Peptidoglycaan en een buitenmembraan zijn afwezig. Veel Archaea zijn extremofielen, groeiend bij extreme temperaturen, zoutconcentraties of pH-waarden. Voorbeelden zijn methanogenen, extreme halofielen en thermo-acidofielen [53](#page=53). #### 3.5.2 Rickettsiae (Obligaat parasitaire bacteriën) Dit zijn zeer kleine cocoïde staafjes (300-600 nm) met bacteriele bouw, maar niet zichtbaar met een lichtmicroscoop. Ze zijn obligaat intracellulaire parasieten en staan qua groeivoorwaarden dicht bij virussen. Ze veroorzaken diverse ziektes bij plant, mens en dier [54](#page=54). #### 3.5.3 Actinomyceten (Straalschimmels) Filamenteuze bacteriën die sterk vertakte cellen en een mycelium vormen, met gelijkenis aan schimmels maar prokaryotische celbouw. Ze zijn belangrijk bij de afbraak van organisch materiaal in de bodem en domineren bij hoge pH, temperatuur en waterstress. Vele soorten produceren antibiotica als secundaire metabolieten en spelen een rol in de bodemhomeostasis [54](#page=54). #### 3.5.4 Mycoplasma Deze bacteriën hebben geen celwand, wat hun grootte beperkt. Hun kolonies lijken op een spiegelei of een druppeltje water door groei in de agar. Ze hebben geen vaste vorm en kunnen lijken op fungi door filamentachtige uitgroei. Ze zijn moeilijk te kweken en langzaam groeiend. *Mycoplasma pneumoniae* is een pathogeen voor dier en mens [54](#page=54). #### 3.5.5 Mycobacteria Aerobe staafvormige micro-organismen die op schimmels lijken. Ze hebben een atypische celwand, waardoor ze ongevoelig zijn voor penicillines. Bekende pathogene soorten zijn *Mycobacterium tuberculosis*, *M. leprae*, en *M. bovis* [55](#page=55). #### 3.5.6 Myxobacteria (Glijdende bacteriën) Lijken op myxomyceten (slijmzwammen) maar hebben een prokaryotisch celtype en vertonen glijdende beweeglijkheid. Ze zijn typisch lang-staafvormig of filamentvormig. "Fruiting myxobacteria" vormen multicellulaire vruchtlichamen die myxosporen produceren via een complexe levenscyclus [55](#page=55). #### 3.5.7 Cyanobacteria Fotosynthetische bacteriën (fototrofen) die vroeger blauwwieren werden genoemd. Ze hebben een prokaryotisch celtype en vertonen morfologische variatie van ééncellig tot filamenteus. Ze kunnen bijdragen aan eutrofiëring van oppervlaktewateren [56](#page=56) [58](#page=58). ### 3.6 Protozoa Protozoa zijn ééncellige eukaryote micro-organismen zonder celwand. Ze zijn over het algemeen kleurloos en beweeglijk, met afmetingen variërend van ca. 1 µm tot 500 µm. Hun grotere afmetingen en eukaryotische aard onderscheiden hen van bacteriën. Ze komen voor in zoet- en zoutwaterhabitats en kunnen zich geslachtelijk en ongeslachtelijk vermeerderen [56](#page=56). #### Morfologische groepen van Protozoa: * **Amoeben**: Kunnen uitstulpingen (pseudopodiën) vormen voor voortbeweging en voedselopname. Sommige vormen een exoskelet [57](#page=57). * **Ciliaten**: Gekenmerkt door trilharen (ciliën) op de cel voor beweeglijkheid. Ze hebben twee kernen (macro- en microkern) en vaak trichocysten [57](#page=57). * **Flagellaten**: Bezitten één of enkele flagellen aan een uiteinde voor beweeglijkheid [57](#page=57). * **Apicomplexa (vroeger Sporozoa)**: Geen beweeglijk volwassen stadium; produceren sporozoïten die een rol spelen in hun parasitair karakter [57](#page=57). Diverse pathogene soorten behoren tot de protozoa, waaronder *Giardia*, *Entamoeba*, *Trypanosoma*, *Cryptosporidium*, *Toxoplasma*, en *Plasmodium* (veroorzaker van malaria) [57](#page=57). ### 3.7 Algen Algen (wieren) zijn eukaryotische micro-organismen met een celwand en fotosynthetische kleurstoffen (fototrofen). Alle algen bezitten chlorofyl in hun chloroplasten. Kleurverschillen worden veroorzaakt door pigmentstoffen [57](#page=57). Vormen variëren van ééncellig tot meercellig. Veel soorten zijn beweeglijk met polaire zweepdraden. Algen kunnen zich geslachtelijk en ongeslachtelijk voortplanten [58](#page=58). * **Kiezelwieren (diatomeeën)**: Hebben een verkiezelde celwand [58](#page=58). * **Dinoflagellaten**: Kunnen zeer toxische "red tides" veroorzaken en via de voedselketen schadelijk zijn [59](#page=59). Eutrofiëring is het vergroten van de voedselrijkdom in water, wat kan leiden tot algenbloei [58](#page=58). ### 3.8 Virussen, viroïden, prionen Deze worden niet beschouwd als levende organismen omdat ze niet uit cellen zijn opgebouwd, maar kunnen wel infecties veroorzaken [59](#page=59). #### 3.8.1 Virussen Virussen kunnen hun eigen eiwitten, RNA en DNA niet synthetiseren; ze zijn obligaat intracellulaire parasieten en vermenigvuldigen zich uitsluitend via een gastheercel. Ze zijn gastheerspecifiek, wat betekent dat ze slechts één of enkele soorten als gastheer kunnen gebruiken. Als bacteriën gastheer zijn, spreekt men van bacteriofagen [60](#page=60). Virussen zijn elementaire structuren bestaande uit nucleïnezuur (DNA of RNA) omgeven door een eiwitmantel (capside). Dierlijke en humane virussen kunnen een envelope (membraan van lipoproteïnen) hebben (enveloped) of niet (non-enveloped) [60](#page=60) [61](#page=61). De kleinste virussen zijn ca. 10 nm, de grootste ca. 800 nm; ze zijn alleen zichtbaar met de elektronenmicroscoop. De vorm varieert, maar er zijn drie hoofdgroepen op basis van de opbouw van het capside [61](#page=61): * Isometrische kapsels (symmetrisch veelvlakkig lichaam) [61](#page=61). * Helicoïdale kapsels (schroefvormig lichaam) [61](#page=61). * Complexe structuren (bv. T4 bacteriofaag) [61](#page=61). #### 3.8.2 Viroïden Viroïden zijn nog eenvoudiger dan virussen en bestaan uit een enkelvoudig klein stuk erfelijk materiaal (RNA) zonder een protectief kapsel. Ze zijn kleiner dan virussen en zijn obligaat intracellulair parasitair, voornamelijk veroorzakend plantenziekten [62](#page=62). #### 3.8.3 Prionen Prionen veroorzaken neurodegeneratieve ziektes bij mens en dier en bestaan enkel uit eiwit zonder nucleïnezuren. Een bekend voorbeeld is BSE ("gekkekoeienziekte") [63](#page=63). --- # Microbiële groei en metabolisme Dit hoofdstuk beschrijft de principes van microbiële groei, inclusief celvermenigvuldiging, groeicurven en invloedsfactoren, evenals de essentiële biochemische processen en energieomzettingen in micro-organismen [64](#page=64). ### 4.1 Groei en celvermenigvuldiging Groei bij micro-organismen wordt gedefinieerd als een toename van het aantal cellen, wat resulteert in celvermenigvuldiging en de vorming van een celpopulatie. Dit kan plaatsvinden om verschillende redenen, zoals het bewaren van culturen, identificatie, ecologisch onderzoek, studie van pathogene mechanismen, of industriële fermentatie [64](#page=64). #### 4.1.1 Voortplantingsmechanismen Micro-organismen vermenigvuldigen zich op verschillende manieren, afhankelijk van hun celstructuur: * **Prokaryoten (bacteriën):** Vermenigvuldigen zich primair via **binaire deling**, waarbij één cel zich splitst in twee identieke dochtercellen. Dit proces omvat DNA-replicatie, celelongatie, vorming van een dwarswand (septum), en uiteindelijke splitsing [66](#page=66) [67](#page=67). * **Eukaryoten (schimmels en gisten):** * **Mitose:** Leidt tot de vorming van twee identieke diploïde of haploïde dochtercellen uit één oudercel [64](#page=64). * **Meiose:** Een reductiedeling waarbij uit één diploïde cel vier haploïde cellen ontstaan [65](#page=65). * **Ongeslachtelijke voortplanting:** Bij gisten gebeurt dit meestal door **knopvorming**, waarbij een kleine uitstulping op de moedercel groeit en loslaat. Bij schimmels kan dit via **aseksuele sporenvorming** (mitosporen, zoals conidiosporen of sporangiosporen) [65](#page=65) [73](#page=73) [74](#page=74). * **Geslachtelijke voortplanting:** Omvat meiose en conjugatie. Dit proces bestaat uit drie fasen: plasmogamie (fusie van cytoplasma), karyogamie (fusie van kernen) en meiose (vorming van haploïde sporen, meiosporen). Verschillende types geslachtelijke sporen bestaan, afhankelijk van het schimmelfylum (zoösporen, zygosporen, basidiosporen, ascosporen) [65](#page=65) [76](#page=76). #### 4.1.2 Uitwisseling van genetisch materiaal Hoewel bacteriële vermenigvuldiging normaal gesproken geen genetische uitwisseling inhoudt, zijn er mechanismen voor recombinatie: * **Transformatie:** Opname van vrijgekomen DNA-fragmenten uit afgestorven donorcellen door acceptorcellen [71](#page=71). * **Conjugatie:** Overdracht van DNA-fragmenten via direct cel-cel contact tussen donor- en acceptorcel. Dit kan ook plaatsvinden via plasmiden of transposons [72](#page=72). * **Transductie:** Overdracht van DNA van een donorcel naar een acceptorcel via een bacteriofaag (virus dat bacteriën infecteert) [72](#page=72). #### 4.1.3 Levenscycli van Fungi Fungi vertonen zowel seksuele als aseksuele reproductie in hun levenscyclus. De termen **teleomorf** (seksueel stadium), **anamorf** (aseksueel stadium) en **holomorf** (volledige fungus) beschrijven de verschillende stadia [76](#page=76) [77](#page=77). #### 4.1.4 Groei van Virussen Virussen zijn obligaat intracellulaire parasieten en hebben geen eigen metabolisme. Hun "groei" (vermenigvuldiging) vindt plaats binnen een gastheercel en omvat aanhechting, injectie van genetisch materiaal, intracellulaire vermenigvuldiging en vrijstelling uit de cel (vaak via lysis). Er zijn twee cycli voor bacteriofagen: de **lytische cyclus** (vernietiging van de cel) en de **lysogene cyclus** (integratie van faag-DNA in het bacterieel genoom als profaag). Dierlijke virussen penetreren gastheercellen via endocytose en vermenigvuldigen zich binnen de kern of het cytoplasma [81](#page=81) [82](#page=82) [84](#page=84). ### 4.2 Groeicurven De groei van een bacteriële populatie in een batchcultuur (gesloten systeem) verloopt in vier fasen [68](#page=68): 1. **Lagfase (latente fase):** Aanpassingsperiode aan de nieuwe omgeving, waarin de cel zijn enzympatroon aanpast [69](#page=69). 2. **Exponentiële fase (logfase):** Actieve vermenigvuldigingsfase met een constante delingssnelheid, resulterend in exponentiële toename van het aantal cellen. De omvang van de populatie ($N_t$) na $n$ generaties kan worden berekend met de formule $N_t = 2^n \times N_0$, waarbij $N_0$ het initiële celaantal is. De **generatietijd** ($g$) is de tijd tussen twee celdelingen, gerelateerd aan de groeisnelheid ($k$) via $g = 1/k$ [70](#page=70). 3. **Evenwichtsfase (stationaire fase):** Het aantal levende cellen blijft constant door een balans tussen celdeling en celsterfte [69](#page=69). 4. **Afstervingsfase:** Meer cellen sterven af dan er gevormd worden door verslechterende omstandigheden [69](#page=69). De snelle groei tijdens de logfase kan in de praktijk worden beperkt door factoren zoals gebrek aan voedingsstoffen, ophoping van toxische stofwisselingsproducten, en gebrek aan leefruimte [70](#page=70). ### 4.3 Invloedsfactoren op de groei De groei van micro-organismen wordt beïnvloed door een reeks omgevingsfactoren: #### 4.3.1 Voedingsstoffen (samenstelling van het groeimedium) Essentiële nutriënten zijn: * **Water:** Onmisbaar voor alle biologische processen [85](#page=85). * **Energiebron en C-bron:** * **Autotrofen:** Gebruiken CO2 als C-bron en verkrijgen energie uit licht (foto-autotroof) of exotherme chemische reacties (chemo-autotroof) [85](#page=85). * **Heterotrofen:** Gebruiken organische verbindingen als C-bron (bv. glucose, vetten) [85](#page=85). * **Stikstofbron:** Nodig voor eiwitsynthese en nucleïnezuren. Kan anorganisch (N2, ammoniumzouten, nitraten) of organisch (aminozuren, peptone) zijn [85](#page=85). * **Mineralen:** Macro-nutriënten (bv. P, S, K) en micro-nutriënten (bv. Mo, Cu, Zn) zijn nodig voor diverse celfuncties [86](#page=86). * **Vitaminen:** Sommige micro-organismen kunnen specifieke vitamines (bv. B-complex) niet zelf synthetiseren en zijn hiervoor afhankelijk van het groeimedium. Deze functioneren vaak als co-enzymen [86](#page=86). #### 4.3.2 Temperatuur Microbiële groei kent een minimum-, optimum- en maximumtemperatuur [87](#page=87). * **Psychrofielen:** Groeien bij lage temperaturen (optimum rond 10°C) [87](#page=87). * **Mesofielen:** Groeien bij gematigde temperaturen (optimum tussen 30-37°C), waaronder de meeste pathogenen en organismen die in warmbloedigen voorkomen [87](#page=87). * **Thermofielen:** Groeien bij hoge temperaturen (optimum rond 55°C) [87](#page=87). * **Hyperthermofielen:** Groeien bij zeer hoge temperaturen (70-110°C) [87](#page=87). * **Psychrotrofen:** Kunnen bij lage temperaturen groeien, maar hebben deze niet per se nodig voor groei [87](#page=87). Temperatuur beïnvloedt de snelheid van biochemische reacties; een stijging van 10°C verdubbelt of verdrievoudigt de groeisnelheid tot aan een bepaald punt, waarna denaturatie van eiwitten optreedt [86](#page=86). #### 4.3.3 Zuurtegraad (pH) Micro-organismen hebben een specifiek pH-bereik waarin ze kunnen groeien, met een minimum, optimum en maximum pH [88](#page=88). * **Neutrofielen:** Optimale groei rond pH 6-8 (meeste bacteriën) [88](#page=88). * **Acidofielen:** Kunnen groeien bij lage pH (bv. Helicobacter pylori, Picrophilus oshimae) [88](#page=88). * **Basofielen (alkalofielen):** Kunnen groeien bij hoge pH (bv. Vibrio, sommige Enterococcus-soorten) [89](#page=89). De pH beïnvloedt de activiteit van enzymen; de meeste zijn optimaal actief tussen pH 5-8 . #### 4.3.4 Zuurstof Micro-organismen kunnen worden ingedeeld op basis van hun zuurstofbehoefte [89](#page=89): * **Strikt aëroob:** Vereist zuurstof voor groei [89](#page=89). * **Facultatief aeroob/anaeroob:** Kan zowel met als zonder zuurstof groeien [89](#page=89). * **Strikt anaeroob:** Kan alleen groeien in afwezigheid van zuurstof [89](#page=89). * **Aërotolerant anaeroob:** Verdraagt zuurstof maar gebruikt fermentatie als metabolisme [89](#page=89). * **Micro-aërofiel:** Groeit het best bij verminderde zuurstofspanning [89](#page=89). #### 4.3.5 Wateractiviteit ($a_w$) De wateractiviteit ($a_w$) is een maat voor de beschikbare hoeveelheid water voor micro-organismen, gedefinieerd als de verhouding van de waterdampspanning boven een oplossing tot die boven zuiver water. Lagere $a_w$ remt of stopt de groei van de meeste micro-organismen. Specifieke groepen zoals osmofiele (suikerrijk milieu), xerofiele (vochtarm milieu) en halofiele (zoutrijk milieu) micro-organismen kunnen bij lage $a_w$ waarden groeien [90](#page=90) [91](#page=91). #### 4.3.6 Antimicrobiële stoffen Stoffen die de groei remmen (microbiostatisch) of elimineren (microbiocidaal) kunnen aan het groeimedium worden toegevoegd. Voorbeelden zijn chemotherapeutica, antibiotica, conserveermiddelen, desinfectantia en antiseptica [92](#page=92). #### 4.3.7 Wisselwerking tussen microbiële populaties Interacties tussen samenlevende micro-organismen kunnen leiden tot groeiremming (antagonisme) of groei bevordering (synergie) [92](#page=92). ### 4.4 Kweken van micro-organismen Om micro-organismen te bestuderen, worden ze gekweekt in **cultuurmedia**. Deze media bevatten alle benodigde nutriënten en kunnen vast of vloeibaar zijn [92](#page=92) [93](#page=93). #### 4.4.1 Samenstelling van cultuurmedia Een cultuurmedium bevat doorgaans: 1. Water [93](#page=93). 2. Koolstofbron (C-bron): Organisch (heterotroof) of anorganisch (autotroof) [93](#page=93). 3. Stikstofbron (N-bron): Organisch (heterotroof) of anorganisch (autotroof) [94](#page=94). 4. Bijkomende groeifactoren (vitamines, aminozuren) [94](#page=94). 5. Mineralen en zouten (macro- en sporenelementen) [95](#page=95). 6. Selectieve stoffen/inhibitoren (facultatief) [95](#page=95). 7. Differentiërende stoffen/indicatoren (facultatief) [95](#page=95). 8. Stijfmiddel (bv. agar) voor vaste media [95](#page=95). #### 4.4.2 Typen cultuurmedia Media kunnen worden ingedeeld op basis van hun samenstelling of functionaliteit: * **Synthetische/chemisch gedefinieerde media:** Exact bekende samenstelling [96](#page=96). * **Niet-synthetische/complexe media:** Bevatten componenten van plantaardige of dierlijke oorsprong met onbekende exacte chemische samenstelling (bv. peptonen, vleesextract) [96](#page=96). * **Niet-selectieve/algemene media:** Ondersteunen de groei van de meeste micro-organismen [97](#page=97). * **Selectieve media:** Bevatten stoffen die de groei van specifieke groepen micro-organismen remmen of bevorderen [97](#page=97). * **Differentiërende media:** Bevatten indicatoren die veranderingen in de kolonie-morfologie veroorzaken, waardoor onderscheid tussen micro-organismen mogelijk wordt. Veel media zijn zowel selectief als differentiërend [97](#page=97) [98](#page=98). * **Aanrijkingsmedia:** Vloeibare media om de groei van micro-organismen die in zeer geringe aantallen voorkomen te bevorderen [98](#page=98). #### 4.4.3 Kweekomstandigheden Naast de samenstelling van het medium zijn ook uitwendige omstandigheden cruciaal, zoals temperatuur, pH, zuurstof en vochtgehalte, om optimale groei te realiseren. Anaërobe kweek vereist specifieke voorzieningen om zuurstof te verwijderen [98](#page=98). ### 4.5 Het microbieel metabolisme Het metabolisme omvat alle biochemische reacties in een cel, onderverdeeld in katabolisme (afbraak, energieopbrengst) en anabolisme (biosynthese, energieverbruik) . #### 4.5.1 Enzymen Enzymen zijn eiwitkatalysatoren die biochemische reacties versnellen zonder zelf verbruikt te worden. Ze hebben een specifiek substraat en actieve plaats. Veel enzymen vereisen een co-factor of co-enzym om functioneel te zijn. Enzymen worden benoemd naar de reactie die ze katalyseren, gevolgd door de uitgang "-ase" (bv. oxidoreductasen) . ##### 4.5.1.1 Enzymwerking en kinetiek Enzymen verlagen de activeringsenergie van reacties, waardoor deze efficiënter verlopen. De reactiesnelheid wordt beschreven door de Michaelis-Mentenvergelijking: $v = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}$, waar $V_{max}$ de maximale snelheid is en $K_m$ de substraatconcentratie bij halve $V_{max}$. De enzymkinetiek is afhankelijk van temperatuur, pH en substraatconcentratie . * **Temperatuur:** Een toenemende temperatuur verhoogt de reactiesnelheid tot de optimumtemperatuur; daarboven treedt denaturatie op . * **Zuurtegraad (pH):** Elk enzym heeft een optimale pH; afwijkingen hiervan kunnen leiden tot denaturatie . * **Enzymremming:** Kan competitief (door moleculen die lijken op het substraat) of niet-competitief (door binding op een andere plaats dan het actieve centrum) zijn. **Feedback inhibitie** is een vorm van allosterische remming waarbij het eindproduct van een reactieketen het eerste enzym remt . #### 4.5.2 Energiebronnen en koolstofbronnen Micro-organismen worden ingedeeld op basis van hun energie- en koolstofbron : * **Fototroof:** Energie uit licht . * **Chemotroof:** Energie uit chemische verbindingen . * **Autotroof:** Koolstof uit anorganische bronnen (bv. CO2) . * **Heterotroof:** Koolstof uit organische bronnen . Combinaties leiden tot termen als **foto-autotroof, foto-heterotroof, chemo-autotroof, chemo-heterotroof** . #### 4.5.3 Energieomzetting: Oxidatie- en Reductiereacties Energie wordt gewonnen via gekoppelde oxido-reductiereacties. Oxidatie is elektronenverlies, reductie is elektronenopname. De energie wordt opgeslagen in **adenosinetrifosfaat (ATP)**, dat door hydrolyse energie levert voor cellulaire processen. Het co-enzym NAD(P) fungeert als waterstof- (en elektronendonor) of acceptor . #### 4.5.4 Energieleverende reacties (Katabolisme) Er zijn vier typen katabolische reacties : 1. **Aërobe respiratie:** Gebruikt O2 als finale elektronenacceptor . * **Glycolyse:** Omzetting van glucose naar pyrodruivenzuur, met vorming van ATP en NADH . * **Citroenzuurcyclus (Krebscyclus):** Verdere oxidatie van pyrodruivenzuur (via acetyl-CoA) tot CO2, met productie van ATP en reducerende co-enzymen (NADH, FADH2) . * **Elektronentransportketen:** Energie uit NADH en FADH2 wordt gebruikt om een protonengradiënt op te bouwen, die ATP-synthese drijft. O2 is de finale elektronenacceptor . 2. **Fermentatie (vergisting):** Anaërobe omzetting van pyrodruivenzuur naar diverse organische producten (bv. melkzuur, ethanol), met beperkte ATP-opbrengst . 3. **Anaërobe respiratie:** Gebruikt andere anorganische verbindingen (bv. nitraat, sulfaat) als finale elektronenacceptor in plaats van O2 . 4. **Oxidatie van anorganische verbindingen:** Energieopbrengst uit oxidatie van anorganische stoffen door chemo-autotrofen (bv. nitrificerende bacteriën, zwavelbacteriën) . #### 4.5.5 Biosynthetische reacties (Anabolisme) Micro-organismen gebruiken energie om biomoleculen zoals koolhydraten, eiwitten en vetten op te bouwen . --- # Microbiële ecologie en industriële toepassingen Dit document beschrijft de rol van micro-organismen in ecologische cycli, bodemkunde, symbiose en diverse industriële toepassingen, met een focus op de periode van pagina 124 tot 179. ## 5. Microbiële ecologie en industriële toepassingen ### 5.1 Microbiële ecologie #### 5.1.1 Mineralisatie en de C-, N- en S-cyclus Mineralisatie is het afbraakproces van organische stoffen tot anorganische verbindingen, essentieel voor het aanvullen van minerale stoffen in de natuurlijke kringlopen. Dit proces wordt voornamelijk uitgevoerd door saprofytische bacteriën en schimmels die leven op dode organismen of organische afvalstoffen. Deze micro-organismen breken complexe verbindingen zoals cellulose, lignine, vetten en eiwitten af tot eenvoudigere anorganische stoffen zoals CO2, H2O, NH3, H2S en diverse ionen, die weer beschikbaar komen voor autotrofe planten . * **Cellulose afbraak:** Gebeurt zowel aeroob (vooral door schimmels) als anaeroob (vooral door bacteriën), waarbij organische zuren, waterstofgas en koolstofdioxide ontstaan. Anaërobe afbraak kan leiden tot de vorming van methaan (moerasgas) . * **Pectine afbraak:** Betrokken bij de afbraak van stoffen die cellen aan elkaar kitten, belangrijk in processen zoals vlasroting . * **Lignine en cutine afbraak:** Zeer resistente verbindingen, waarover nog weinig bekend is . * **Zetmeel afbraak:** Betrokkenheid van diverse schimmels en bacteriën . * **Eiwit afbraak:** Gaat via peptiden en aminozuren, zowel aeroob als anaeroob. Resultaten zijn onder andere ammoniak (ammonificatie) en zwavelverbindingen, die karakteristieke geuren geven aan rottingsprocessen . In water verloopt de mineralisatie vergelijkbaar met de bodem. Hierbij spelen protozoa, kleine schaaldieren en mosselen een rol in de biologische reiniging van afvalwater . ##### 5.1.1.1 Koolstofcyclus De koolstofcyclus beschrijft de omzetting van CO2 in organische verbindingen en vice versa. Autotrofe planten nemen CO2 op uit de lucht voor fotosynthese. Planteneters en vleeseters assimileren dit gebonden koolstof. Ademhaling door planten en dieren geeft CO2 terug aan de atmosfeer. Afgestorven organisch materiaal wordt gemineraliseerd tot CO2, of vormt humus, dat kan omgezet worden tot turf, bruinkool en steenkool. Ook organische resten op de zeebodem kunnen leiden tot aardolie en aardgas, waarvan de verbranding CO2 produceert. Regenwater neemt CO2 op, lost kalksteen op en vormt waterstofcarbonaat, wat de CO2-concentratie in de atmosfeer reguleert via de zee . * **Formule voor kalksteenoplossing:** $$ \text{CaCO}_3 + \text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \leftrightarrow \text{Ca}^{2+} + 2 \text{HCO}_3^- $$ ##### 5.1.1.2 Stikstofcyclus Stikstof is essentieel voor eiwitsynthese. Planten nemen stikstof op uit de bodem als minerale verbindingen (voornamelijk nitraten). De stikstofcyclus omvat de volgende processen : 1. **Stikstofgasfixatie:** * **Natuurlijk:** Door elektrische ontladingen (bliksem) die stikstofoxiden vormen, die via regen tot nitraat- en nitrietionen worden omgezet . * **Biologisch:** Door stikstofgasfixerende bacteriën, zoals *Rhizobium* in wortelknolletjes van vlinderbloemigen en vrijlevende bacteriën zoals *Azotobacter* en *Clostridium*. Deze bacteriën zetten N2 om tot NH3 en vervolgens tot aminozuren en eiwitten . 2. **Assimilatie:** Planten synthetiseren eiwitten uit nitraten en eigen opgebouwde sacchariden. Dieren nemen organisch gebonden stikstof op via hun voeding . 3. **Ammonificatie:** Afbraak van organische N-verbindingen tot NH3 (ammonium). Ureum uit urine wordt door ureumbacteriën omgezet tot NH3 . 4. **Nitrificatie:** Omzetting van ammonium tot nitriet (door *Nitrosomonas*) en vervolgens tot nitraat (door *Nitrobacter*). Nitraationen worden door planten opgenomen, maar zijn ook gevoelig voor uitloging . 5. **Denitrificatie:** Anaërobe denitrificerende bacteriën breken nitraten af, waarbij stikstofgas (N2) ontstaat dat terugkeert naar de atmosfeer. Dit proces verarmt de bodem aan stikstofverbindingen . * **Belangrijke micro-organismen in de stikstofcyclus:** * *Rhizobium* spp. (wortelknolletjesbacteriën) . * *Azotobacter* spp. (vrijlevende stikstofgasfixerende bacteriën) . * *Clostridium* spp. (anaërobe stikstofgasfixerende bacteriën) . * *Nitrosomonas* (nitrificerende bacteriën) . * *Nitrobacter* (nitrificerende bacteriën) . * *Pseudomonas* spp. (denitrificerende bacteriën) . #### 5.1.2 Bodemmicrobiologie De bodem is een complex ecosysteem met miljoenen micro-organismen, voornamelijk bacteriën en schimmels. Deze micro-organismen spelen een cruciale rol in de omzetting van organisch materiaal en de beschikbaarheid van voedingsstoffen voor planten . * **Microbiële diversiteit in de bodem:** * **Bacteriën:** Belangrijkste groep, verantwoordelijk voor mineralisatie, nitrificatie en N-fixatie. Nuttige bacteriën zijn humificerende, nitrificerende en N-fixerende bacteriën. Schadelijke bacteriën zijn vaak anaëroob en zetten organische stof om in giftige verbindingen . * **Schimmels:** Nemen de overhand bij ongunstige omstandigheden (zure grond, slechte lucht/waterverhouding). Sommige zijn plantpathogeen (bv. voetziekten) . * **Wieren (Algae):** Van geringe betekenis in de landbouw, maar komen vaker voor in de tuinbouw . * **Beïnvloeding van het bodemleven:** Factoren zoals voeding (organisch materiaal), vocht, zuurgraad, temperatuur, aëratie en menselijke ingrepen beïnvloeden de bodemorganismen . * **Gunstige omstandigheden:** Niet te droge, humeuze, neutrale tot zwak alkalische gronden. Grasland heeft een beter bodemleven dan bouwland . * **Ongunstige omstandigheden:** Vochtgebrek, lage pH (bevordert schimmels), ploegen en schoffelen . * **Menselijke ingrepen:** Cultuurmaatregelen (bemesting, bekalking), grondontsmetting (vermindert zowel schadelijke als nuttige micro-organismen), gebruik van chemische bestrijdingsmiddelen, toevoer van zware metalen . #### 5.1.3 Symbiose Symbiose is een samenleving tussen organismen van verschillende aard waarbij beide partners voordeel ondervinden . * **Samenleving van bacteriën met hogere planten:** * **Rhizobium met vlinderbloemigen:** *Rhizobium* bacteriën infecteren wortelharen en vormen wortelknolletjes waar atmosferische stikstof wordt gefixeerd tot ammonium, wat de plant gebruikt voor aminozuursynthese. De plant levert suikers als energiebron aan de bacterie. *Leghemoglobine* in de knolletjes reguleert de lage zuurstofdruk die nodig is voor het *nitrogenase*-enzym. Vlinderbloemigen kunnen hierdoor groeien op stikstofarme bodems . * **Andere vormen van endofytische symbiose:** Blauwwieren (*Anabaena* spp.) met levermossen, cycadeeën en watervarens; straalschimmels (*Frankia* spp.) met els, gagel en duindoorn. Bacteriën in bladeren (*fyllosfeer*) kunnen vorstschade veroorzaken of juist voorkomen met "ice-minus" mutanten . * **Zwamwortelsymbiose (Mycorrhiza’s):** Symbiose tussen schimmels en plantenwortels . * **Voordelen voor de plant:** Verbeterde opname van nutriënten en water, transport van metabolieten, bescherming tegen wortelpathogenen . * **Voordeel voor de schimmel:** Levering van organische koolstof- en energiebronnen door de plant . * **Ectotrofe mycorrhiza’s:** Zwamdraden vormen een mantel rond de wortel (bv. bij sparren, berken) . * **Endotrofe mycorrhiza’s:** Zwamdraden dringen de wortelcellen binnen (komt veel vaker voor, bij >90% van landplanten). Zaden van orchideeën hebben schimmels nodig om te kiemen . * **Planteneters en hun pensflora:** Herkauwers hebben een complexe microbiële flora in hun maag (pens) die cellulose en andere koolhydraten afbreekt. De pens fungeert als een fermentatieruimte waar bacteriën en protozoa plantaardig materiaal verwerken tot vetzuren (azijnzuur, propionzuur, boterzuur), methaan en CO2. Deze vetzuren dienen als koolstof- en energiebron voor het dier. De micro-organismen produceren ook essentiële aminozuren en vitaminen . ### 5.2 Industriële toepassingen Micro-organismen spelen een belangrijke rol in diverse industriële processen, onderverdeeld in vijf hoofdgroepen: celproductie, metabolietenproductie, enzymproductie, gefermenteerd product en omzetting van afvalproducten. Biotechnologie maakt gebruik van levende organismen voor de productie van waardevolle producten . #### 5.2.1 Het fermentatieproces Fermentatieprocessen kunnen spontaan verlopen of gecontroleerd met behulp van geselecteerde stammen (starterculturen). Stammen kunnen verbeterd worden door conventionele mutatietechnieken of moderne genetische recombinatietechnieken. Het kweekmedium is cruciaal en maakt vaak gebruik van goedkope bijproducten uit de voedingsmiddelenindustrie. Industriële fermentaties vinden plaats in grote fermentoren, die steriel moeten blijven en voorzien zijn van systemen voor beluchting, menging, temperatuur- en pH-regeling. Er bestaan discontinue (batch) en continue fermentatiesystemen . * **Continue fermentatie:** Kan plaatsvinden in één cultuurvat ("ééntrapssysteem"), met recycling van cultuurvloeistof, of in meerdere trappen ("meertrapssysteem") . * **Opschalings- en opwerkingsfase:** Na fermentatie wordt het product geoogst en gezuiverd . #### 5.2.2 Micro-organismen als product Microbiële biomassa wordt gekweekt voor de productie van vaccins, starterculturen, bakkersgist, bodem-, zaad- en blad inocula, bio-insecticiden, *single cell protein* (SCP) en *single cell oil* (SCO) . * **Micro-organismen als voedselbron (SCP):** Gistcellen worden al lang als eiwitsupplement gebruikt, onder andere in Duitsland tijdens de wereldoorlogen. Diverse SCP-productieprocessen gebruiken gisten, schimmels, bacteriën en algen. De productie van SCP concurreert echter niet altijd met plantaardige eiwitbronnen zoals soja . * **Productie van vaccins:** Vaccins wekken immuniteit op tegen ziekteverwekkers. Ze bevatten dode of verzwakte ziekteverwekkers, of specifieke antigene componenten. Virusvaccins worden gekweekt in dierlijke cellen of kippeneieren. rDNA-technologie maakt veiligere productie mogelijk door essentiële antigene componenten te gebruiken . * **Productie van bio-pesticiden:** *Bacillus thuringiensis* produceert het Bt-eiwit, een biologisch bestrijdingsmiddel tegen insectenlarven. Genetische modificatie maakt het mogelijk Bt-toxine-informatie in te bouwen in andere bacteriën of zelfs planten . #### 5.2.3 Metabolieten als product * **Primaire metabolieten:** Nodig voor celgroei, maar door specifieke stammen overmatig geproduceerd (bv. aminozuren, vitaminen, alcoholen) . * **Secundaire metabolieten:** Niet direct nodig voor celgroei, maar van grote economische waarde (bv. antibiotica, toxines, alkaloïden) . * **Voorbeelden van microbiële secundaire metabolieten in voeding en veevoeder:** Conserveermiddelen, pigmenten, voederadditieven, coccidiostatica, anthelmintica, antibacteriële, antifungale en antivirale stoffen, biopolymeren . * **Antibiotica:** Remmen bacteriële groei. Ontdekking van penicilline door Fleming. Productie verbeterd door stamselectie, optimalisatie van synthese en procesvoering. Toepassingen in geneeskunde, veevoeder, en conservering van industriële producten. Antibiotica worden ingedeeld naar producerend micro-organisme, werkingsspectrum (smal/breed), of chemische structuur. Ze grijpen in op celwand, celmembraan, eiwit- of nucleïnezuursynthese, of hebben een antimetabole werking. Antibioticaresistentie is een groeiend probleem . * **Vitamines:** Industrieel geproduceerd via chemische synthese of microbiële fermentatie (bv. vitamine B12, B2, C, -caroteen) . * **Aminozuren:** Stijgende markt, vooral glutaminezuur, methionine en lysine. Gebruikt als smaakversterker, voor voedingswaarde-verhoging en als grondstof voor zoetstoffen . * **Enzymen:** Makkelijk te produceren op industriële schaal door micro-organismen. Genetisch gemodificeerde organismen (GGO's) spelen hierin een grote rol. Voorbeelden zijn amylases, proteases en pectinases . #### 5.2.4 Het gefermenteerd cultuurmedium als product * **Humane voeding:** Gefermenteerde voedingsmiddelen (bv. wijn, bier, yoghurt, kaas, zuurkool, salami) worden bereid door microbiële groei selectief te stimuleren. Deze processen veranderen de grondstoffen in veelal hoogwaardigere, gemakkelijker verteerbare, voedzamere en langer houdbare producten . * **Diervoeding:** Inkuilen (ensileren) van groenvoeder is een fermentatieproces dat melkzuurbacteriën gebruikt om het voeder te bewaren en de pH te verlagen. Dit proces kent verschillende fasen, waaronder de rol van coli-bacteriën en melkzuurbacteriën. Boterzuurbacteriën kunnen de kwaliteit verminderen . #### 5.2.5 Microbiologische processen bij omzettingen van afvalproducten * **Microbiologische processen bij waterzuivering:** Afvalwaterzuivering verwijdert organisch materiaal en verlaagt de BOD (biochemisch zuurstofverbruik) . * **Primaire fase:** Voorbehandeling met roosters, bezinking, vetvang . * **Secundaire fase:** Biologische afbraak door micro-organismen. * **Aërobe zuivering:** Gebruik van zuurstof door bacteriën om organisch materiaal af te breken tot biomassa, water en CO2 (bv. actief slib, biofilter). Rendement tot 99% . * **Anaërobe zuivering:** Gebruikt bij hoge belasting, geen zuurstof. Afbraak via organische zuren tot methaan (CH4). Rendement tot 90%, vereist aanvullende aërobe zuivering . * **Tertiaire fase:** Verwijdering van voedingszouten (nitraten, fosfaten) via chemische of microbiologische processen (bv. denitrificatie) en desinfectie . * **Compostering:** Omzetting van organisch materiaal met O2 door bacteriën en schimmels, waarbij warmte vrijkomt. Vernietigt ziekteverwekkers en onkruidzaden. Gebruikt als bodemverbeteraar en meststof . * **Bioremediatie:** Gebruik van micro-organismen om polluenten af te breken of te neutraliseren. Kan plaatsvinden door introductie van micro-organismen of stimulatie van aanwezige micro-organismen (biostimulatie) . --- ## 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 | |------|------------| | Microbiologie | De wetenschap die zich bezighoudt met de studie van de bouw en de levensverrichtingen van micro-organismen. | | Micro-organismen | Organismen die in hun levenscyclus ten minste één periode doormaken, waarin één enkele cel zich als individu vermenigvuldigt, inclusief microscopische organismen die uit één enkele cel of celcluster bestaan, samen met virussen die microscopisch zijn maar niet cellulair. | | Prokaryotische cel | Een primitieve celstructuur zonder membraanomhulde celorganellen en zonder een afgebakende celkern. Deze celtypen worden aangetroffen bij bacteriën en archaea. | | Eukaryotische cel | Een meer complexe celstructuur met membraanomhulde celorganellen, waaronder een afgebakende celkern die het genetisch materiaal bevat. Deze celtypen worden aangetroffen bij planten, dieren, schimmels, gisten en protozoa. | | DNA (Desoxyribonucleïnezuur) | Een molecuul dat de genetische informatie van organismen draagt, opgebouwd uit nucleotiden die een dubbele helix vormen. Het bevat de instructies voor de opbouw van eiwitten en de regulering van celprocessen. | | RNA (Ribonucleïnezuur) | Een enkelstrengs molecuul dat betrokken is bij de eiwitsynthese en de expressie van genen. Er zijn verschillende typen RNA, zoals mRNA, tRNA en rRNA, elk met een specifieke rol. | | Enzym | Een biologische katalysator, meestal een eiwit, dat specifieke chemische reacties versnelt zonder zelf verbruikt te worden. Enzymen spelen een cruciale rol in vrijwel alle metabole processen. | | Metabolisme | De totale reeks biochemische reacties die plaatsvinden in een levend organisme om leven te onderhouden. Het omvat zowel afbraakprocessen (katabolisme) die energie leveren, als opbouwprocessen (anabolisme) die energie verbruiken. | | Katabolisme (dissimilatie) | De afbraak van organische moleculen om energie vrij te maken, die vervolgens wordt opgeslagen in de vorm van ATP. Voorbeelden zijn aerobe en anaerobe respiratie, en fermentatie. | | Anabolisme (assimilatie) | De opbouw van complexe moleculen uit eenvoudigere bouwstenen, wat energie vereist. Dit omvat processen zoals de synthese van eiwitten, nucleïnezuren en celbestanddelen. | | Aerobe respiratie | Een energieopwekkend metabool proces waarbij moleculaire zuurstof (O2) fungeert als de finale elektronenacceptor. Dit proces genereert een grote hoeveelheid ATP. | | Anaerobe respiratie | Een energieopwekkend metabool proces waarbij, in afwezigheid van zuurstof, anorganische verbindingen (zoals nitraat, sulfaat of carbonaat) fungeren als de finale elektronenacceptor. | | Fermentatie | Een anaerobe metabole weg die energie genereert door de afbraak van organische moleculen, waarbij de eindproducten organische verbindingen zijn. Het levert minder energie op dan respiratie. | | Fotosynthese | Een proces waarbij lichtenergie wordt gebruikt om kooldioxide en water om te zetten in organische verbindingen (zoals glucose) en zuurstof. Dit proces vindt plaats bij fototrofe organismen, zoals algen en cyanobacteriën. | | Chemotrofe | Organismen die energie verkrijgen door de oxidatie van chemische verbindingen, zowel organisch als anorganisch. | | Autotrofe | Organismen die hun eigen organische voedsel produceren uit anorganische bronnen, zoals CO2. | | Heterotrofe | Organismen die hun koolstof en energie verkrijgen uit organische verbindingen, afkomstig van andere organismen. | | Stikstofcyclus | Een reeks biochemische processen waarbij stikstof door de biosfeer circuleert, inclusief stikstoffixatie, ammonificatie, nitrificatie en denitrificatie. | | Koolstofcyclus | Een reeks biochemische processen waarbij koolstof door de biosfeer circuleert, inclusief fotosynthese, ademhaling en de afbraak van organisch materiaal. | | Symbiose | Een nauwe en langdurige interactie tussen twee verschillende biologische soorten. Er zijn verschillende vormen, zoals mutualisme, commensalisme en parasitisme. | | Mycorrhiza | Een symbiotische relatie tussen een schimmel en de wortels van een plant, waarbij de schimmel de plant helpt bij de opname van nutriënten uit de bodem in ruil voor suikers. | | Taxonomie | De wetenschap die zich bezighoudt met de classificatie, benoeming en indeling van organismen op basis van hun eigenschappen en evolutionaire verwantschap. | | Nomenclatuur | Een systeem van naamgeving aan organismen, meestal gebaseerd op de binomiale nomenclatuur, waarbij elke soort een geslachtsnaam en een soortnaam heeft. | | Identificatie | Het proces van het herkennen en toewijzen van een organisme aan een specifieke taxonomische groep, vaak met behulp van microscopische, biochemische en moleculaire technieken. | | Industriële microbiologie | De toepassing van microbiologische processen en micro-organismen in industriële productie, zoals de fabricage van voedingsmiddelen, medicijnen en chemicaliën. | | Fermentatie | Een biotechnologisch proces waarbij micro-organismen worden gebruikt om organische stoffen om te zetten in gewenste producten, zoals alcohol, zuren en gassen. | | Antibiotica | Stoffen, geproduceerd door micro-organismen of synthetisch, die de groei van bacteriën remmen of doden. Ze worden gebruikt voor de behandeling van bacteriële infecties. | | Vaccins | Biologische preparaten die worden gebruikt om immuniteit tegen specifieke ziekteverwekkers op te wekken, meestal door het introduceren van verzwakte of dode micro-organismen, of delen daarvan. | | Bio-pesticiden | Bestrijdingsmiddelen tegen plagen die afkomstig zijn van biologische bronnen, zoals bacteriën of virussen, als alternatief voor chemische pesticiden. | | Enzymproductie | Industriële productie van enzymen door micro-organismen, die vervolgens worden gebruikt in diverse sectoren zoals de voedingsmiddelen-, wasmiddelen- en farmaceutische industrie. | | Cellulase | Een enzym dat cellulose afbreekt tot kleinere suikers, geproduceerd door verschillende micro-organismen, waaronder bacteriën en schimmels. | | Plasmodium | Een meerkernige massa cytoplasma die deel uitmaakt van de levenscyclus van acellulaire slijmzwammen. | | Endosporen | Zeer resistente structuren gevormd door sommige bacteriën (zoals Bacillus en Clostridium) voor overleving onder ongunstige omstandigheden. Ze zijn geen voortplantingsstructuren. | | Gramkleuring | Een differentieel kleuringsprocédure die bacteriën indeelt in twee hoofdcategorieën: Gram-positief en Gram-negatief, gebaseerd op de chemische samenstelling van hun celwand. | | Morfologie | De studie van de uitwendige vormen en structuren van organismen. In de microbiologie omvat dit de vorm, grootte en arrangement van bacteriën, schimmels en andere micro-organismen. | | Bioremediatie | Het gebruik van micro-organismen om verontreinigende stoffen in het milieu af te breken of te neutraliseren. | | Vitamines | Organische verbindingen die in kleine hoeveelheden nodig zijn voor normale groei en metabolisme, en die door sommige micro-organismen kunnen worden geproduceerd. | | Aminozuren | De bouwstenen van eiwitten. Sommige aminozuren worden industrieel geproduceerd door microbiële fermentatie en gebruikt in de voedingsmiddelen- en veevoederindustrie. | | Wateractiviteit (aw) | De hoeveelheid "vrij" water in een milieu dat beschikbaar is voor microbiële groei. Het is een maat voor de concentratie van opgeloste stoffen en beïnvloedt de groei van micro-organismen. |

# Structuur en classificatie van virussen Virussen zijn obligaat intracellulaire parasieten die variëren in grootte, vorm en chemische samenstelling, en worden geclassificeerd op basis van hun genoom en structuur. ## 1. Algemene structuur van een virion Een virion, de extracellulaire vorm van een virus, bestaat uit genetisch materiaal omgeven door een eiwitschaal genaamd de capside. ### 1.1 De capside De capside is opgebouwd uit individuele eiwitten, capsomeren, die op een specifieke manier geordend zijn. Deze structuur is metastabiel: stevig genoeg voor bescherming en transport, maar valt uiteen om het genetisch materiaal vrij te geven in de gastheercel. ### 1.2 Symmetrie van virussen Er zijn twee primaire vormen van symmetrie in virussen: * **Helicale symmetrie:** Kenmerkend voor staafvormige virussen, waarbij de lengte wordt bepaald door de symmetrie van het genetisch materiaal en de breedte door de grootte van de capsomeren. * **Icosahedrale symmetrie:** Kenmerkend voor sferische virussen. Een icosaëder, opgebouwd uit 20 driehoeken, is de meest efficiënte vorm omdat het het minimale aantal capsomeren vereist (meestal 60). Een icosaëder heeft twaalf vijf-voudige symmetrieassen, twintig drie-voudige assen in het midden van de driehoeken en dertig twee-voudige assen op elke ribbe. ### 1.3 Naakte en ingekapselde virussen Virussen kunnen worden onderverdeeld in: * **Naakte virussen:** De capside vormt het buitenste omhulsel met het genetisch materiaal erin. * **Ingekapselde (enveloped) virussen:** De capside, met het genetisch materiaal, is omgeven door een lipide envelope (membraan) die virale eiwitten, voornamelijk glycoproteïnen, bevat. Deze glycoproteïnen spelen een cruciale rol bij de interactie met gastheercelreceptoren voor infectie. De envelope is meestal afkomstig van het cytoplasmatisch membraan van de gastheercel. ## 2. Variatie in virusstructuur en gastheer De morfologie van virussen varieert aanzienlijk en is vaak gerelateerd aan hun gastheer. ### 2.1 Voorbeelden van virusstructuren en hun gastheer * **Zika-virus:** Sferisch partikel met membraan, infecteert mensen en kan microcefalie veroorzaken bij pasgeborenen. * **Pepino mosaic virus:** Helicaal en filamenteus, zonder membraan, infecteert tomatenplanten. * **Mimivirus:** Grote, stervormige structuur op het oppervlak, met een membraan, infecteert amoeben. Het heeft fibrillen die de infectie verbeteren en een porie waaruit het genoom kan worden vrijgegeven. * **Pandoravirus en Pithovirus sibericus:** Grote virussen, niet bolvormig of filamenteus, met een porie in het virion en grote genomen. Pithovirus is het grootste bekende virus en kan duizenden jaren overleven in permafrost. * **Faag T4:** Heeft een kopstructuur met een helciale staart en vezels aan de basale plaat voor herkenning van bacteriën. * **Ebolavirus:** Filamenteus, met een helciale nucleocapside omgeven door een membraan envelope. ## 3. Classificatie van virale genomen Virussen worden geclassificeerd op basis van hun genoomtype (DNA of RNA, enkel- of dubbelstrengs) en de manier waarop ze mRNA produceren voor eiwitsynthese. De Baltimore-classificatie is een veelgebruikt systeem. ### 3.1 De Baltimore-classificatie De Baltimore-classificatie verdeelt virussen in zeven klassen: * **Klasse I:** Dubbelstrengs DNA (dsDNA) virussen (bv. T4 faag, adenovirussen). * **Klasse II:** Enkelstrengs DNA (ssDNA) virussen (bv. Parvovirus, faag $\phi$X174). * **Klasse III:** Dubbelstrengs RNA (dsRNA) virussen (bv. Rotavirus). * **Klasse IV:** Enkelstrengs RNA (+ssRNA) virussen (bv. Poliovirus, coronavirus). Deze kunnen direct als mRNA functioneren. * **Klasse V:** Enkelstrengs RNA (-ssRNA) virussen (bv. Influenzavirus, Rhabdovirussen). Deze vereisen transcriptie naar +ssRNA. * **Klasse VI:** Retrovirussen (ssRNA-RT) (bv. HIV). Produceren DNA uit hun RNA-genoom via reverse transcriptie. * **Klasse VII:** Dubbelstrengs DNA met een replicatieve tussenstap van RNA (dsDNA-RT) (bv. Hepadnavirussen). ### 3.2 Genoomgrootte en -variatie Virale genomen variëren sterk in grootte, van enkele kilobasen (kb) tot wel meer dan een megabase (Mb) bij pandora-virussen. Viroiden daarentegen bestaan uit slechts enkele honderden basen enkelstrengs RNA en hebben geen coderende sequenties, maar verstoren de regulatie van gastheergenen. ## 4. Specifieke virusgroepen en hun kenmerken ### 4.1 DsDNA virussen * **T4 bacteriofaag:** Infecteert *E. coli*, codeert voor eigen DNA-polymerase en heeft terminale repeats. Het genoom kan geconcateneerd worden en vervolgens door endonucleasen in individuele genomen worden geknipt. * **T7 bacteriofaag:** Infecteert *E. coli*, met een lineair dsDNA genoom en terminale repeats. Replicatie is asymmetrisch en leidt tot concatemeren. * **Faag lambda ($\lambda$)**: Infecteert *E. coli*, heeft een lineair dsDNA met cohesieve eindes die circulair vormen. Kan een lysogene cyclus ondergaan waarbij het genoom integreert in het bacteriële genoom. * **Adenovirussen:** Veroorzaken verkoudheid en gastro-intestinale problemen. Het lineaire DNA heeft een eiwit gebonden aan de terminale uiteinden dat fungeert als primer voor DNA-synthese. * **Polyomavirus (bv. SV40):** Kleine circulaire dsDNA virussen die tumoren kunnen induceren. * **Herpesvirussen:** Veroorzaken o.a. koortsblaren en windpokken. Lineair dsDNA genoom, envelop, en replicatie via rolling circle. ### 4.2 SsDNA virussen * **Faag $\phi$X174:** Enkelstrengs circulair genoom met overlappende open leesramen (ORFs). Wordt door de gastheercel omgezet naar een dubbelstrengs replicatieve vorm (RF) voor transcriptie en replicatie via rolling circle. * **Faag M13:** Filamenteus ssDNA virus dat een persistente infectie veroorzaakt zonder lytische fase. ### 4.3 SsRNA virussen * **Poliovirus:** Veroorzaakt kinderverlamming. Het ssRNA (+)-genoom kan direct als mRNA fungeren. Het heeft een interne ribosome entry segment (IRES) in plaats van een CAP-structuur. * **Coronavirus:** (+)-envelopvirus, herkenbaar aan de kroonachtige spikes. Replicatie vindt plaats in het cytoplasma. * **Rhabdovirussen (bv. Rabiës virus):** Kogelvormig (-)-envelopvirus. Het genoom bevat een RNA-replicase. * **Influenzavirus:** Gesegmenteerd (-)-RNA genoom met mantel-eiwitten zoals hemagglutinine en neuraminidase. Veroorzaakt griep. ### 4.4 DsRNA virussen * **Reovirussen (bv. Rotavirus):** Veroorzaakt buikloop. Het dsRNA genoom bevat een RNA-replicase voor onmiddellijke transcriptie na infectie. ### 4.5 Retrovirussen * **HIV:** (+)-envelopvirus met een diploïd ssRNA genoom. Het reverse transcriptase genereert dsDNA dat in het gastheergenoom wordt geïntegreerd. ### 4.6 Hepadnavirussen * Bevatten een partieel dsDNA genoom dat via reverse transcriptie wordt gerepliceerd. Hepatitis B is een voorbeeld. ## 5. Viroïden en prionen * **Viroïden:** Kleinste bekende infectieuze agentia, bestaande uit circulair enkelstrengs RNA zonder coderende sequenties. Ze interfereren met de regulatie van gastheergenen. * **Prionen:** Eiwitdeeltjes die ziekten veroorzaken door verkeerde vouwing van normale cellulaire eiwitten, wat leidt tot aggregatie en celschade (bv. de ziekte van Creutzfeldt-Jakob). ## 6. Virusdetectie en -kweek * **Plaque assay:** Een methode om virussen te tellen door hun lytische effect op een monolaag van gastheercellen te observeren, resulterend in plaques (zones zonder cellen). * **Virale fabrieken:** Bij sommige virussen, zoals mimivirus, worden assemblageprocessen uitgevoerd in specifieke structuren binnen de gastheercel. * **Infectie van plantencellen:** Kan gebeuren via mechanische schade of insectenvectoren. * **Infectie van dierlijke cellen:** Kan leiden tot lyse, transformatie (kanker), persistente infectie of latente infectie. > **Tip:** De Baltimore-classificatie is cruciaal voor het begrijpen van de replicatiestrategieën van virussen. Bestudeer de routes voor elk type genoom. > **Tip:** Virale genomen variëren sterk in grootte en complexiteit, van kleine RNA-moleculen (viroïden) tot grote dsDNA-genomen (mimivirus). Deze diversiteit weerspiegelt hun aanpassingsvermogen en interactie met verschillende gastheren. --- # Virale replicatiecycli en infectiemethoden Dit onderwerp beschrijft de essentiële stappen die virussen doorlopen om zich te vermenigvuldigen binnen gastheercellen, inclusief de diverse manieren waarop ze deze cellen infecteren en nieuwe virionen vrijgeven, toegepast op zowel bacteriële als eukaryote systemen. ### 2.1 De virale levenscyclus Virussen zijn obligaat intracellulaire parasieten en hun replicatiecyclus kan worden onderverdeeld in de volgende algemene stappen: #### 2.1.1 Vasthechting aan de gastheercel (Adsorptie) Het virion bindt specifiek aan receptoren op het oppervlak van de gastheercel. Deze specificiteit wordt bepaald door de biochemische samenstelling van zowel het virion (bv. envelop-eiwitten, capsomeren) als de gastheercel (bv. lipopolysacchariden, pilus, transport-eiwitten). * **Voorbeelden van specifieke interacties:** * Faag T1 herkent ijzertransport-eiwitten op bacteriën. * Faag MS2 bindt aan de pilus van bacteriën. * Faag M13, een filamenteus faag, bindt eveneens aan de pilus. * Virussen die eukaryoten infecteren, gebruiken vaak glycoproteïnen op hun envelop om te binden aan specifieke celmembraanreceptoren. #### 2.1.2 Penetratie en ontsluiting van het genoom Na vasthechting wordt het virale genoom de gastheercel binnengebracht. Dit kan op verschillende manieren gebeuren: * **Injectie:** Bij bacteriofagen wordt het genetisch materiaal vaak direct in de bacteriële cel geïnjecteerd, terwijl de capsiden buiten de cel achterblijven. Faag T4 gebruikt bijvoorbeeld een tubulus om DNA in de cel te pompen. * **Endocytose:** Bij eukaryote virussen kan het hele virion worden opgenomen door de cel via endocytose, waarbij het omgeven wordt door een membraanblaasje (vesikel). * **Membraanfusie:** Bij enveloped virussen versmelt de virale envelop met het cytoplasmatisch membraan van de gastheercel, waardoor het nucleocapside vrijkomt in het cytoplasma. Na penetratie moet het virale genoom worden "ontsloten" uit het virion, zodat het toegankelijk wordt voor de cellulaire machinerie. #### 2.1.3 Synthese van virale componenten De gastheercel wordt gedwongen om virale nucleïnezuren (DNA of RNA) en eiwitten te produceren, geleid door de instructies van het virale genoom. De exacte mechanismen zijn afhankelijk van het type virale genoom (zie Baltimore-classificatie). * **Replicatie van DNA-virussen:** Genomen kunnen repliceren in de kern (bv. Adenovirus, Herpesvirus) of in het cytoplasma (bv. Pokkenvirussen, Mimivirus). DNA-polymerases van het virus of de cel worden gebruikt. Sommige grote DNA-virussen, zoals T4, coderen voor hun eigen DNA-polymerase. * **Replicatie van RNA-virussen:** Deze virussen vereisen gespecialiseerde RNA-afhankelijke RNA-polymerases (RNA replicases) die door het virus zelf worden meegebracht of worden gesynthetiseerd na de eerste expressie van virale genen. Dit is omdat eukaryote cellen geen enzymen hebben die RNA repliceren van een RNA-template. * **+ssRNA virussen:** Het genoom fungeert direct als mRNA. Een RNA-replicase maakt vervolgens een negatieve streng als template voor nieuwe positieve strengen. Poliovirus en Coronavirus vallen hieronder. * **-ssRNA virussen:** Het genoom kan niet direct als mRNA dienen. Het virion moet een RNA-replicase bevatten om eerst een positieve streng te synthetiseren, die vervolgens als mRNA kan dienen. Influenza en Rhabdovirussen zijn voorbeelden. * **dsRNA virussen:** Het virion bevat ook een RNA-replicase. Eén van de strengen wordt gebruikt voor transcriptie naar mRNA. Reovirussen en Rotavirussen vallen hieronder. * **Retrovirussen:** Deze virussen hebben een +ssRNA genoom, maar ze synthetiseren eerst een DNA-kopie van hun RNA met behulp van reverse transcriptase. Dit DNA wordt vervolgens geïntegreerd in het gastheergenoom, waar het wordt getranscribeerd naar zowel mRNA als nieuwe virale genomen. HIV is een bekend voorbeeld. * **Overlappende open leesramen (ORF's):** Sommige virussen, zoals faag ϕX174 en faag MS2, gebruiken overlappende genen om efficiënt gebruik te maken van hun beperkte genoomgrootte. #### 2.1.4 Assemblage van nieuwe virions De nieuw gesynthetiseerde virale genomen en eiwitten worden geassembleerd tot nieuwe, functionele virionen. Dit proces kan complex zijn en vereist vaak specifieke chaperonne-eiwitten en assemblagefactoren. * **Faag T4 hoofd assemblage:** Dit proces omvat de vorming van een prohead structuur, het pompen van het DNA in de kop via een motorcomplex, en de daaropvolgende assemblage van de staart en vezels. #### 2.1.5 Vrijlating van nieuwe virions Nieuwe virionen worden uit de gastheercel vrijgelaten, zodat ze nieuwe cellen kunnen infecteren. Dit kan op verschillende manieren gebeuren: * **Cellysis:** Veel virussen, met name lytische bacteriofagen, veroorzaken de afbraak (lyse) van de gastheercel, waardoor een grote hoeveelheid virions vrijkomt. Dit is een kenmerk van de lytische replicatiecyclus. * **Budding (knopvorming):** Enveloped virussen verkrijgen hun envelop door te knoppen uit het celmembraan van de gastheercel. Tijdens dit proces worden virale eiwitten in het gastheermembraan ingebed, en het nucleocapside wordt door dit membraan naar buiten gestuurd, waarna het membraan zich om het virion sluit. Ebola en Influenza virussen worden op deze manier vrijgegeven. * **Continue afscheiding:** Sommige virussen veroorzaken geen directe celdood, maar scheiden voortdurend nieuwe virions af (persistente infectie). Faag M13 veroorzaakt een persistente infectie zonder een lytische fase. ### 2.2 Virale infectiemethoden en uitkomsten Virussen kunnen bacteriële, planten- en dierlijke cellen infecteren, met variërende gevolgen voor de gastheercel. #### 2.2.1 Infectie van bacteriën (Bacteriofagen) Bacteriofagen (fagen) zijn virussen die bacteriën infecteren. Ze spelen een cruciale rol in de ecologie van bacteriële populaties. * **Lytische cyclus:** De faag repliceert zich binnen de bacterie, leidt tot celdood en de vrijlating van nieuwe fagen. * **Lysogene cyclus (getemperde fagen):** Het virale genoom integreert in het bacteriële genoom en wordt een profaag. Bij celdeling wordt het virale genoom mee gerepliceerd. Onder bepaalde omstandigheden kan de profaag reactiveren en overgaan naar de lytische cyclus. Faag lambda is een voorbeeld van een getemperde faag die zowel lytische als lysogene cycli kan doorlopen. * **Regulatie van lytische vs. lysogene cyclus:** De expressie van virale genen zoals cI (lysogenie) en Cro (lyse) bepaalt welke cyclus wordt gevolgd. #### 2.2.2 Infectie van eukaryoten * **Dierlijke cellen:** * **Specifieke interacties:** Dierlijke virussen vertonen een hoge specificiteit voor bepaalde celtypen, gebaseerd op de aanwezigheid van specifieke receptoren. * **Entry mechanismen:** Endocytose of membraanfusie worden gebruikt, afhankelijk van het type virus (naakt of enveloped). * **Replicatieplaats:** Replicatie kan plaatsvinden in de kern (bv. Adenovirus, Herpesvirus) of in het cytoplasma (bv. Pokkenvirussen, Mimivirus). * **Virale "fabriek":** Sommige grote virussen, zoals Mimivirus, creëren gespecialiseerde structuren binnen de cel, genaamd virale "fabrieken", voor hun replicatie en assemblage. * **Infectie uitkomsten:** * **Lyse:** Celafbraak en vrijlating van virions. * **Transformatie:** De cel wordt omgezet in een tumorcel die ongecontroleerd deelt (kanker). Dit gebeurt wanneer virale genen die celgroei reguleren, tot expressie komen. * **Persistente infectie:** De cel blijft leven en scheidt continu virions af. * **Latente infectie:** Het virus blijft inactief in de cel totdat een trigger leidt tot reactivatie en replicatie. Herpesvirussen kunnen latente infecties veroorzaken. * **Planten cellen:** * **Mechanische introductie:** Virussen kunnen planten infecteren via wonden in de cuticula, vaak veroorzaakt door insecten of door fysieke schade (bv. wrijven met zand). * **Beweging binnen de plant:** Virussen verspreiden zich binnen de plant via plasmodesmata (kanalen die cytoplasma van aangrenzende cellen verbinden) en via het vaatstelsel. * **Virussen en stress:** Sommige virussen kunnen de plant helpen bij het omgaan met omgevingsstress, zoals droogte. * **Uitkomsten:** Lyse, persistente infectie, en symptomen zoals groeiverstoringen of mozaïekpatronen op bladeren. ### 2.3 Virale genomen en diversiteit ( Baltimore-classificatie en specifieke voorbeelden) De classificatie van virussen door Baltimore groepeert ze op basis van hun genetisch materiaal (DNA of RNA, enkel- of dubbelstrengig) en de methode die ze gebruiken om mRNA te produceren. #### 2.3.1 Klasse I & VII: Dubbelstrengig DNA (dsDNA) * **Klasse I:** dsDNA virussen (bv. T4 faag, Adenovirus, Herpesvirus, Mimivirus, Pokkenvirussen). * **Replicatie:** Genetisch materiaal wordt getranscribeerd door DNA-afhankelijke RNA-polymerase naar mRNA. De replicatie van het DNA zelf kan via verschillende mechanismen verlopen, zoals rolling circle replicatie (bv. Faag lambda, Faag M13) of replicatie in de celkern of cytoplasma. * **Voorbeelden:** * **T4 faag:** 170 kbp, vervangt cytosine door 5-hydroxymethylcytosine om restrictie-enzymen van de gastheer te omzeilen. Cocodeert voor eigen DNA-polymerase. * **T7 faag:** 40 kbp, repliceert via asymmetrische replicatie. * **Faag lambda:** 48.5 kbp, lineair DNA met cohesieve einden die circulair DNA vormen; kan integreren in gastheergenoom (lysogenie). * **Adenovirussen:** 35 kbp, lineair DNA met terminale eiwitten die fungeren als primer. * **Herpesvirussen:** 150 kbp, lineair DNA; replicatie via rolling circle. * **Pokkenvirussen (Variola major):** 190 kbp, dsDNA met envelop; replicatie volledig in cytoplasma. * **Mimivirus:** Groot genoom, replicatie in "virale fabrieken". * **Klasse VII:** Dubbelstrengig DNA met gedeeltelijk enkelstrengige regio's (bv. Hepadnavirussen zoals Hepatitis B virus). * **Replicatie:** Gebruikt reverse transcriptase om DNA te produceren uit een RNA-template. #### 2.3.2 Klasse II: Enkelstrengig DNA (ssDNA) * **Klasse II:** ssDNA virussen (bv. Parvovirus, Faag ϕX174, Faag M13). * **Replicatie:** Het ssDNA wordt eerst omgezet in een dubbelstrengige replicatieve vorm (RF) in de celkern. Vervolgens wordt deze RF gebruikt voor transcriptie en replicatie. * **Voorbeelden:** * **Faag ϕX174:** Circulair ssDNA genoom, gebruikt rolling circle replicatie. * **Faag M13:** Filamenteus ssDNA virus, veroorzaakt persistente infectie via budding. #### 2.3.3 Klasse III: Dubbelstrengig RNA (dsRNA) * **Klasse III:** dsRNA virussen (bv. Rotavirus, Reovirus). * **Replicatie:** Virussen bevatten een RNA-replicase. Transcriptie vindt plaats van de negatieve streng naar mRNA. Nieuwe dsRNA genomen worden gevormd binnen de capsiden. * **Voorbeelden:** * **Rotavirus:** Veroorzaakt diarree, replicatie vindt plaats in het cytoplasma en vereist assemblage binnen het ER. #### 2.3.4 Klasse IV: Enkelstrengig RNA met positieve polariteit (+ssRNA) * **Klasse IV:** +ssRNA virussen (bv. Poliovirus, Coronavirus, Zika-virus). * **Replicatie:** Het genoom fungeert direct als mRNA. Een virale RNA-replicase synthetiseert vervolgens de complementaire negatieve streng, die als template dient voor de productie van nieuwe +ssRNA genomen en mRNA. * **Voorbeelden:** * **Poliovirus:** 7.5 kb, icosahedrale capside, gebruikt een IRES (Internal Ribosome Entry Site) voor translatie. * **Coronavirus:** 30 kb, enveloped, met karakteristieke "kroon" van spikes. * **Zika-virus:** Veroorzaakt microcefalie bij foetussen. #### 2.3.5 Klasse V: Enkelstrengig RNA met negatieve polariteit (-ssRNA) * **Klasse V:** -ssRNA virussen (bv. Influenza virus, Rhabdovirussen). * **Replicatie:** Het genoom kan niet direct als mRNA dienen. Het virion moet een RNA-replicase bevatten om de positieve streng te synthetiseren, die vervolgens als mRNA fungeert. * **Voorbeelden:** * **Rhabdovirussen:** 13 kb, kogelvormig, bv. Rabiës virus. * **Influenza virus:** 13.6 kb, gesegmenteerd genoom (8 segmenten), pleomorf. #### 2.3.6 Klasse VI: Enkelstrengig RNA met positieve polariteit, maar gerepliceerd via DNA (Retrovirussen) * **Klasse VI:** Retrovirussen (bv. HIV). * **Replicatie:** Gebruiken reverse transcriptase om RNA om te zetten in dsDNA. Dit DNA wordt geïntegreerd in het gastheergenoom, waarna het getranscribeerd wordt. * **Voorbeelden:** * **HIV:** 9.7 kb, enveloped, veroozaakt AIDS. Het RNA genoom is diploïd (twee kopieën van een +ssRNA streng). #### 2.3.7 Speciale gevallen en andere virale entiteiten * **Viroïden:** Kleinere, enkelstrengige circulaire RNA-moleculen zonder eiwitomhulsel. Ze infecteren planten en repliceren met behulp van de plantaardige RNA-polymerase. Ze interfereren met cellulaire processen door complementaire baseparing met gastheer-RNA. * **Prionen:** Geen virussen, maar misgevouwen eiwitten die andere eiwitten kunnen converteren naar de misgevouwen vorm. Dit leidt tot aggregatie en schade in zenuwcellen, bv. de ziekte van Creutzfeldt-Jakob ("dollekoeienziekte"). * **Virofagen:** Kleinere virussen die grotere virussen (zoals Mimivirus) infecteren, en hun replicatie kunnen verstoren. ### 2.4 Methodes voor detectie en kwantificering * **Plaque assay:** Wordt gebruikt om de concentratie van infectieuze virions (fagen of dierlijke virussen) te bepalen. * **Bacteriofagen:** Fagen worden gemengd met bacteriën in een zachte agarlaag. Lytische fagen creëren "plaques" (zones zonder bacteriële groei) op de bacteriële monolaag. Het aantal plaques is proportioneel aan het aantal infectieuze fagen. * **Dierlijke virussen:** Vereist permissieve dierlijke celculturen die gevoelig zijn voor infectie en een lytisch effect vertonen. Plaques zijn zones van celverlies. * **Microscopie:** Grote virussen, zoals Mimivirus, en hun structuren kunnen met geavanceerde microscopietechnieken direct worden waargenomen. * **Vergelijking met bekende structuren:** De structuur van virionen (bv. helicale, icosahedrale, enveloped) en de symmetrie ervan bieden belangrijke kenmerken voor identificatie. > **Tip:** Het bestuderen van de Baltimore-classificatie is cruciaal, omdat dit de basis legt voor het begrijpen van de replicatiestrategieën van verschillende virusgroepen. Ken de belangrijkste voorbeelden van elk klasse. > **Tip:** Let op het onderscheid tussen naakte virussen (alleen capsiden om genoom) en enveloped virussen (met een extra lipide envelop verkregen van de gastheercel). De envelop speelt een sleutelrol bij infectie en vrijlating. --- # Virale genomen en diversiteit Dit onderwerp verkent de enorme variëteit aan virale genomen, de classificatie ervan volgens Baltimore, en de uiteenlopende genomische structuren die de verschillende virustypen kenmerken. ## 3. Virale genomen en diversiteit Virale genomen vertonen een grote diversiteit in termen van grootte, structuur en samenstelling. Ze kunnen variëren van enkele kilobases tot wel enkele megabases. Viroiden daarentegen bestaan uit slechts enkele honderden nucleotiden. Over het algemeen zijn virale genomen kleiner dan die van bacteriën of hogere organismen. RNA-genomen zijn doorgaans kleiner dan 10.000 basenparen, deels vanwege de hogere foutenmarge bij RNA-replicatie zonder proofreading, wat leidt tot gemakkelijke genetische variatie. De grootste genomen worden aangetroffen bij archaeafagen, al is het mogelijk dat er RNA-virussen bestaan die archaea infecteren, rekening houdend met de extreme omstandigheden waarin deze organismen leven. ### 3.1 De Baltimore classificatie van virale genomen De Baltimore classificatie verdeelt virussen in zeven klassen op basis van de aard van hun genetisch materiaal (DNA of RNA, enkel- of dubbelstrengig) en hoe ze mRNA produceren, wat essentieel is voor replicatie. * **Klasse I: Dubbelstrengig DNA (dsDNA) virussen** * Deze virussen gebruiken een DNA-afhankelijke RNA-polymerase om mRNA te synthetiseren vanuit de negatieve streng. * Voorbeelden: T4 faag, Vaccinia virus. * **Klasse II: Enkelstrengig DNA (ssDNA) virussen** * Het ssDNA wordt eerst omgezet in een dubbelstrengige replicatieve vorm (RF), waarna mRNA wordt gesynthetiseerd door een DNA-afhankelijke RNA-polymerase. * Voorbeelden: Parvovirus, Bacteriofaag $\phi$X174, Bacteriofaag M13. * **Klasse III: Dubbelstrengig RNA (dsRNA) virussen** * Deze virussen bevatten een RNA-afhankelijke RNA-polymerase en synthetiseren mRNA vanuit de negatieve streng. * Voorbeelden: Rotavirus. * **Klasse IV: Enkelstrengig RNA (+) (ssRNA(+)) virussen** * Het genoom fungeert direct als mRNA en kan door ribosomen worden getranslateerd. * Voorbeelden: Poliovirus, Coronavirus. * **Klasse V: Enkelstrengig RNA (-) (ssRNA(-)) virussen** * Deze virussen bevatten een RNA-afhankelijke RNA-polymerase. De negatieve streng dient als template voor mRNA-synthese. * Voorbeelden: Influenza virus, Rhabdovirussen. * **Klasse VI: Enkelstrengig RNA (+) retrovirussen** * Deze virussen bevatten een reverse transcriptase dat het RNA eerst omzet in een dsDNA-intermediair. Dit dsDNA wordt vervolgens getranscribeerd naar mRNA. * Voorbeelden: HIV. * **Klasse VII: Dubbelstrengig DNA (dsDNA) retrovirussen** * Deze virussen hebben een dsDNA-genoom dat via een RNA-intermediair wordt gerepliceerd. * Voorbeelden: Hepadnavirussen (zoals Hepatitis B virus). ### 3.2 Genomische structuren van verschillende virustypen #### 3.2.1 dsDNA virussen * **Bacteriofagen:** * **T4 faag:** Genoom van ongeveer 170 kilobasen (kbp). Een kenmerk is de vervanging van cytosine (C) door 5-hydroxymethylcytosine (hmC) om restrictie-enzymen van de gastheercel te ontwijken. De replicatie verloopt via een concatemeer, dat vervolgens door endonucleasen in individuele genomen wordt geknipt, resulterend in genomen met variabele termini. * **T7 faag:** Genoom van ongeveer 40 kbp. De replicatie start bij een asymmetrische ori (origin of replication). De genomen zijn identiek en hebben terminale repeats, die na splicing concatemeren vormen. Endonucleasen splitsen deze tot lineaire genomen met 5' overhangende eindes. * **Lambda faag ($\lambda$):** Genoom van ongeveer 48.5 kbp. Het lineaire DNA heeft aan de uiteinden complementaire, overhangende ssDNA-sequenties (cohesieve eindes). Deze eindes vormen circulaire DNA-structuren, die vervolgens kunnen integreren in het bacteriële genoom (lysogene cyclus) of repliceren via een rolling circle mechanisme (lytische cyclus). De expressie van genen zoals $cI$ en $Cro$ bepaalt of de cyclus lytisch of lysogeen wordt. * **Virussen van Eukaryoten:** * **Mimivirus:** Een relatief groot virus met een icosahedrale structuur, fibrillen aan de buitenkant en een porie waaruit het genoom kan worden vrijgegeven. Fibrillen helpen bij infectie en interactie met bacteriën. * **Pandoravirus en Pithovirus sibericus:** Zeer grote virussen met complexe structuren, waaronder poriën, en grote genomen. Deze zijn verwant aan Mimivirus. * **Smallpox (Variola major) virus:** Genoom van ongeveer 190 kbp, omgeven door een envelop. Alle replicatie-, transcriptie- en translatieprocessen vinden plaats in het cytoplasma. * **Adenovirussen:** Genoom van ongeveer 35 kbp. Ze hebben lineair dsDNA met terminale repeats die geassocieerd zijn met eiwitten, die fungeren als primers voor DNA-synthese. De virussen hebben een icosahedrale structuur en veroorzaken diverse infecties. * **Polyomavirus (bv. SV40):** Genoom van ongeveer 5 kbp. Het circulaire dsDNA lijkt op een plasmide en kan tumoren induceren door integratie in het gastheer-DNA. * **Herpesvirussen:** Genoom van ongeveer 150 kbp, omgeven door een envelop. Het lineaire dsDNA wordt na penetratie van de celkern gerepliceerd via een rolling circle mechanisme. * **Archaea virussen:** * Er zijn geen RNA-fagen gevonden die archaea infecteren, maar wel diverse DNA-virussen. Sommige vertonen unieke pyramide-achtige structuren (VAPs) die bij openbreken nieuwe virussen vrijgeven. #### 3.2.2 ssRNA virussen * **ssRNA(+) virussen:** * **Poliovirus:** Genoom van ongeveer 7.5 kbp met een icosahedrale capside. Het genoom heeft een poly(A)-staart aan het 3'-uiteinde en een eiwit aan het 5'-uiteinde in plaats van een CAP-structuur. Het gebruikt een Internal Ribosome Entry Segment (IRES) voor translatie. Synthese van de negatieve streng dient als template voor nieuwe positieve strengen. * **Coronavirus:** Genoom van ongeveer 30 kbp, omgeven door een envelop met spikes. Het genoom heeft een CAP en poly(A)-staart, vergelijkbaar met eukaryoot mRNA, wat directe translatie toelaat. Het virus produceert een replicase-eiwit dat de synthese van de negatieve streng initieert. * **Retrovirussen (bv. HIV):** Genoom van ongeveer 9.7 kbp, diploïd (twee identieke kopieën van het ssRNA(+)-genoom). Ze bevatten een reverse transcriptase dat het RNA omzet in DNA, wat vervolgens in het gastheer-DNA wordt geïntegreerd. * **ssRNA(-) virussen:** * **Influenza virus:** Genoom van ongeveer 13.6 kbp, gesegmenteerd in 8 segmenten. Het virus is pleomorf en heeft membraaneiwitten zoals hemagglutinine en neuraminidase. De replicatiecyclus is vergelijkbaar met die van rhabdovirussen en vereist een RNA-replicase. * **Rhabdovirussen (bv. Rabies virus):** Genoom van ongeveer 13 kbp, kogelvormig en omgeven door een envelop. Het virus brengt een RNA-replicase mee dat direct de synthese van mRNA en nieuwe genomen initieert. #### 3.2.3 dsRNA virussen * **Reovirussen (bv. Rotavirus):** Genoom van ongeveer 18.6 kbp, met een icosahedrale structuur. Het virus brengt een RNA-replicase mee voor onmiddellijke transcriptie. De replicatiecyclus omvat de vorming van een dubbele streng na assemblage en maturatie in het endoplasmatisch reticulum. #### 3.2.4 Andere Virale Genoomtypen * **dsDNA/ssDNA virussen (bv. Hepadnavirussen):** Genoom van ongeveer 3.4 kbp. Dit type virus heeft een gedeeltelijk dubbelstrengig en gedeeltelijk enkelstrengig DNA-genoom, en gebruikt reverse transcriptase voor replicatie. Het Hepatitis B virus is een voorbeeld. ### 3.3 Speciale gevallen #### 3.3.1 Viroïden Viroïden bestaan uitsluitend uit RNA met veel complementaire sequenties, waardoor ze een dsRNA-achtige structuur aannemen, maar ze zijn circulair. Ze coderen niet voor eiwitten, maar verstoren de replicatie en transcriptie van de plantencel door interactie met het plantaardige RNA-polymerase. Ze kunnen zich verplaatsen via pollen, insecten en plasmodesmata. #### 3.3.2 Prionen Prionen zijn geen virussen, maar infectieuze eiwitten die zich kunnen vermenigvuldigen door de conformatie van normale eiwitten te veranderen, wat leidt tot aggregatie en schade aan zenuwcellen, zoals bij de ziekte van Creutzfeldt-Jakob (dollekoeienziekte). > **Tip:** De Baltimore classificatie is een cruciaal raamwerk om de diversiteit van virale genomen en hun replicatiestrategieën te begrijpen. Het is essentieel om de zeven klassen en de bijbehorende principes te kennen voor examens. > **Voorbeeld:** De replicatiecyclus van een ssRNA(-) virus zoals influenza vereist dat het virus zelf een RNA-afhankelijke RNA-polymerase meebrengt, omdat de gastheercel dit enzym niet heeft. Dit polymerase gebruikt het virale RNA als template om zowel mRNA als nieuwe virale genomen te synthetiseren. --- ## 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 | |------|------------| | Virion | De extracellulaire, infectieuze vorm van een virus, bestaande uit genetisch materiaal (RNA of DNA) omgeven door een eiwitschaal (capside). | | Capside | De eiwitschaal die het genetisch materiaal van een virus omhult en beschermt; deze is metastabiel en kan uit elkaar vallen om het genoom vrij te geven in de gastheercel. | | Obligaat intracellulaire parasiet | Een organisme dat niet in staat is zich zelfstandig voort te planten en afhankelijk is van een levende gastheercel voor zijn reproductie. | | Bacteriofaag | Een virus dat specifiek bacteriën infecteert; wordt soms gebruikt als alternatief voor antibiotica vanwege zijn specificiteit. | | Enveloped virus (ingekapseld virus) | Een virus dat naast een capside ook een lipide envelop bezit, afkomstig van het celmembraan van de gastheer, met virale eiwitten erin. | | Naakt virus | Een virus dat alleen een capside heeft als omhulsel, zonder een lipide envelop. | | Capsomeren | De individuele eiwitmoleculen die de capside van een virus vormen, geordend op een specifieke manier. | | Helicale symmetrie | Een vorm van virusstructuur waarbij de capsomeren spiraalvormig gerangschikt zijn rond het genetisch materiaal, resulterend in een staafvormige of filamenteuze structuur. | | Icosahedrale symmetrie | Een vorm van virusstructuur waarbij de capside is opgebouwd uit 20 driehoeken, wat een bolvormig uiterlijk geeft en een efficiënte manier is om een gesloten omhulsel te vormen met minimale capsomeren. | | Plaque assay | Een laboratoriummethode om virussen te detecteren en te kwantificeren door de vorming van plaques (zones van cel-lyse) op een monolaag van gastheercellen. | | Lytische cyclus | Een virale replicatiecyclus waarbij het virus de gastheercel binnendringt, zich vermenigvuldigt, nieuwe virusdeeltjes produceert en uiteindelijk de cel laat lyseren om de nieuwe virions vrij te geven. | | Lysogene cyclus | Een virale replicatiecyclus waarbij het virale genoom geïntegreerd wordt in het genoom van de gastheercel (profaag) en mee gerepliceerd wordt tijdens de celdeling, zonder onmiddellijk de cel te doden. | | Profaag | Het virale genoom van een bacteriofaag dat geïntegreerd is in het bacterieel genoom. | | mRNA | Messenger RNA (boodschapper-RNA), een type RNA dat de genetische code van DNA overbrengt naar ribosomen voor eiwitsynthese. | | Reverse transcriptase | Een enzym dat RNA kan omzetten in DNA, kenmerkend voor retrovirussen. | | Viroid | Een infectieus agens dat uitsluitend uit een kort, circulair RNA-molecuul bestaat en geen eiwitmantel heeft; ze infecteren voornamelijk planten. | | Prion | Een abnormaal gevouwen eiwit dat de neiging heeft om zich te aggregeren en andere normale eiwitten te dwingen zich ook abnormaal te vouwen, wat leidt tot neurodegeneratieve ziekten. | | Baltimore classificatie | Een systeem voor het classificeren van virussen op basis van hun genoom (DNA of RNA, enkel- of dubbelstrengig) en hun methode van mRNA-productie. | | Viroloog | Een wetenschapper die gespecialiseerd is in de studie van virussen. | | Gastheercel (GH) | De cel die geïnfecteerd wordt door een virus en die door het virus wordt gebruikt voor replicatie. | | Genetisch materiaal (NZ) | Het nucleïnezuur (DNA of RNA) dat de genetische informatie van een virus bevat. | | Cytoplasmatisch membraan (CP membraan) | Het membraan aan de buitenkant van de cel dat de celinhoud scheidt van de omgeving. | | Fibrillen | Fijne, haarachtige structuren op het oppervlak van sommige virussen, die kunnen helpen bij infectie of interactie met de gastheer. | | Virofagen | Kleinere virussen die grotere virussen infecteren en hun replicatie verstoren, vaak voorkomend bij amoeben. |

# De genetische code en ontdekking Hier is een gedetailleerde studiehandleiding over de genetische code en de ontdekking ervan, opgesteld volgens uw specificaties. ## 1. De genetische code en ontdekking Dit onderwerp verkent de universele taal van het leven, de genetische code, die bepaalt hoe de sequentie van nucleotiden in DNA en RNA wordt vertaald naar de sequentie van aminozuren in eiwitten, en de historische ontdekkingen die hieraan ten grondslag liggen. ### 1.1 De aard van de genetische code De genetische code is een set regels die de volgorde van nucleotiden in RNA bepaalt, welke vervolgens de volgorde van aminozuren in een eiwit bepaalt. Deze code is cruciaal voor de expressie van genen en de synthese van eiwitten in alle levende organismen. #### 1.1.1 De 1 gen - 1 enzym / polypeptide hypothese * **Beadle en Tatum (begin jaren 1940):** Met hun experimenten op *Neurospora crassa* formuleerden zij de "1 gen - 1 enzym" hypothese. Ze toonden aan dat mutaties in genen leidden tot specifieke storingen in metabolische routes, wat suggereerde dat elk gen codeert voor één specifiek enzym. * **Pauling, Ingram en Yanofsky (begin jaren 1950):** * Pauling observeerde verschillen in hemoglobine bij patiënten met sikkelcelanemie. Dit leidde tot de hypothese dat een genetische afwijking kon resulteren in een ander aminozuursamenstelling van een eiwit. * Ingram analyseerde hemoglobine (wild type en sikkelcel) verder door trypsine-digestie en scheiding van peptiden via elektroforese en papierchromatografie. Hij toonde aan dat sikkelcelhemoglobine slechts één aminozuurverschil had met normaal hemoglobine. Dit versterkte de hypothese, leidend tot de "1 gen - 1 polypeptide" hypothese. * Yanofsky bevestigde dit verder met studies naar het tryptofaan synthase gen in bacteriën, waarbij mutaties in het gen direct correleerden met veranderingen in het tryptofaan synthase enzym (een polypeptide). #### 1.1.2 Het kraken van de genetische code De ontrafeling van de genetische code vereiste het begrijpen van hoe de vier nucleotiden (A, U, G, C in RNA) de twintig verschillende aminozuren konden specificeren. * **Crick en Brenner:** Zij stelden de hypothese op dat de genetische code een drievoudige code (codon) is. Door te muteren met proflavin (een intercallerend agens dat base-inserties of -deleties veroorzaakt) in T4 bacteriofagen, observeerden ze dat mutaties in drievoudige clusters konden worden "gereversed" (het wild-type fenotype hersteld). Dit suggereerde dat elke "letter" in de genetische code uit drie nucleotiden bestond. * De genetische code gebruikt dus drietallen nucleotiden, **codons**, om specifieke aminozuren aan te duiden. * De code is **niet overlappend**. Dit betekent dat een sequentie van nucleotiden slechts op één manier kan worden gelezen als opeenvolgende codons. Bijvoorbeeld, in de sequentie 5'-AUG GCA UAG-3', codeert AUG voor methionine, GCA voor alanine en UAG voor stop. Er is geen overlap tussen deze codons. > **Tip:** Hoewel de meeste coderende sequenties niet overlappend zijn, zijn overlappende genen wel ontdekt in bepaalde virussen en bacteriën, en ook in het menselijk genoom. * **Nirenberg, Matthaei, Khorana en anderen:** Zij hebben de code experimenteel gekraakt door gebruik te maken van cel-vrije eiwitsynthese systemen en synthetische RNA moleculen. * **Nirenberg en Matthaei (1961):** Gebruikten polynucleotide phosphorylase om synthetische RNA-homopolymeren te maken (bv. poly-U, poly-A, poly-C). Toen ze poly-U aan een cel-vrij systeem toevoegden, werd een polypeptide gesynthetiseerd dat uitsluitend uit het aminozuur fenylalanine bestond. Dit leidde tot de conclusie dat het codon **UUU** codeert voor fenylalanine. Op vergelijkbare wijze werden de codons **AAA** (lysine) en **CCC** (proline) bepaald. * **Khorana:** Synthetiseerde copolymeren (RNA met alternerende nucleotiden, bv. poly-AU) en korte RNA-moleculen van specifieke sequenties. Door deze te testen in cel-vrije systemen, kon hij codons voor andere aminozuren bepalen. Bijvoorbeeld, poly-AU resulteerde in een eiwit met alternerende isoleucine en histidine. * Door deze en verdere experimenten met copolymeren en korte RNA's, werd een compleet codonwoordenboek opgesteld. #### 1.1.3 Eigenschappen van de genetische code * **Drielettercode:** Elke aminozuur wordt gespecificeerd door een codon van drie nucleotiden. * **Dertig-drie letters en twintig woorden:** Er zijn 4 nucleotiden, dus $4^3 = 64$ mogelijke codons. Slechts 20 van deze codons coderen voor de standaard aminozuren. Drie codons fungeren als **stopcodons** (UAA, UAG, UGA) die de translatie beëindigen. * **Degeneratie:** De genetische code is **gedegenereerd**. Dit betekent dat meer dan één codon kan coderen voor hetzelfde aminozuur. Dit beschermt tegen mutaties, omdat een verandering in de derde positie van een codon vaak niet leidt tot een verandering in het aminozuur. Bijvoorbeeld, zowel CUU als CUC coderen voor leucine. > **Tip:** Hoewel de code gedegenereerd is, is er ook sprake van "codon usage bias", waarbij bepaalde codons vaker worden gebruikt dan andere voor hetzelfde aminozuur, afhankelijk van het organisme en het gen. * **Niet overlappend:** Zoals eerder vermeld, wordt de sequentie van nucleotiden in een enkelvoudige leesraam gelezen. * **Eenduidig:** Elk codon specificeert slechts één aminozuur (of een stop). Er is geen ambiguïteit. * **Universeel:** De genetische code is grotendeels **universeel** onder alle levende organismen, van bacteriën tot mensen. Dit is sterk bewijs voor een gemeenschappelijke voorouder. Er zijn echter enkele bekende uitzonderingen: * **Mitochondriën:** In sommige mitochondriën hebben UGA en AGA andere betekenissen (respectievelijk tryptofaan en stop). * **Bepaalde bacteriën en eencelligen:** Kunnen afwijkende codes hebben, zoals CUG dat voor serine codeert in plaats van leucine. * **Speciale aminozuren:** * Selenocysteïne (aminozuur 21) wordt gecodeerd door een normaal stopcodon (UGA) in zowel prokaryoten als eukaryoten, maar vereist specifieke sequenties in het mRNA. * Pyrrolysine (aminozuur 22) wordt gecodeerd door een stopcodon (UAG) in sommige prokaryoten. ### 1.2 Hoofdrolspelers van de translatie De translatie is het proces waarbij de genetische informatie van mRNA wordt omgezet in een eiwitsequentie. Verschillende moleculen spelen hierin een sleutelrol. #### 1.2.1 Het ribosoom Ribosomen zijn de cellulaire machinerie voor eiwitsynthese. * **Structuur:** Bestaan uit twee dissocieerbare subeenheden: een grote en een kleine subeenheid. * **Prokaryotische ribosomen:** 70S (bestaan uit 30S en 50S subeenheden). * **Eukaryotische ribosomen:** 80S (bestaan uit 40S en 60S subeenheden). * **Locaties:** Ribosomen hebben specifieke plaatsen voor interactie met mRNA en tRNA: * **A-plaats (aminoacyl-tRNA-bindingsplaats):** Hier bindt het binnenkomende aminoacyl-tRNA. * **P-plaats (peptidyl-tRNA-bindingsplaats):** Hier bevindt zich het tRNA met de groeiende polypeptideketen. * **E-plaats (exit-plaats):** Hier verlaat het "lege" tRNA het ribosoom na het afstaan van zijn aminozuur. * **Ribozymen:** De peptidyl-transferase activiteit (vorming van peptidebindingen) wordt gekatalyseerd door rRNA in de grote subeenheid, wat aantoont dat ribosomen ook ribozymen zijn. #### 1.2.2 Transfer-RNA (tRNA) tRNA-moleculen fungeren als adapters tussen codons op mRNA en specifieke aminozuren. * **Structuur:** Kleine RNA-moleculen met een karakteristieke klaverbladstructuur, die in 3D een L-vorm aanneemt. Ze hebben een 3'-uiteinde met de sequentie -CCA waar het aminozuur covalent aan gebonden wordt. * **Functie:** Elk tRNA-molecuul heeft twee belangrijke regio's: * **Anticodon:** Een sequentie van drie nucleotiden die complementair is aan een specifiek codon op het mRNA. * **Aminoacyl-acceptor-arm:** Het uiteinde waar het corresponderende aminozuur wordt gebonden. * **Aminoacyl-tRNA:** Wanneer een aminozuur covalent is gebonden aan zijn tRNA, wordt het een aminoacyl-tRNA of "geladen" tRNA genoemd. Dit is een hoog-energetische binding. #### 1.2.3 Aminoacyl-tRNA synthetases Deze enzymen zijn essentieel voor het correct "laden" van tRNA-moleculen met de juiste aminozuren. * **Functie:** Katalyseren de vorming van de covalente esterbinding tussen een specifiek aminozuur en zijn corresponderende tRNA. Dit proces verloopt in twee stappen: 1. **Aminozuur activatie:** Het aminozuur reageert met ATP om een aminoacyl-adenylaat (aminoacyl~AMP) te vormen, waarbij pyrofosfaat (PPi) vrijkomt. $$ \text{aminozuur} + \text{ATP} \rightleftharpoons \text{aminoacyl}\sim\text{AMP} + \text{PP}_i $$ 2. **Aminozuur transfer:** De aminoacylgroep wordt overgedragen van aminoacyl~AMP naar de 2'- of 3'-hydroxylgroep van de ribose aan het 3'-uiteinde van het tRNA. $$ \text{aminoacyl}\sim\text{AMP} + \text{tRNA} \rightleftharpoons \text{aminoacyl}\sim\text{tRNA} + \text{AMP} $$ De totale reactie is: $$ \text{aminozuur} + \text{ATP} + \text{tRNA} \rightleftharpoons \text{aminoacyl}\sim\text{tRNA} + \text{AMP} + \text{PP}_i $$ De reactie wordt gedreven door de hydrolyse van PPi. * **Specificiteit:** Er zijn 20 verschillende aminoacyl-tRNA synthetases, één voor elk standaard aminozuur. Deze enzymen herkennen zowel het juiste aminozuur als het correcte tRNA-molecuul (vaak gebaseerd op anticodon en 3'-uiteinde sequenties). * **Kwaliteitscontrole:** Aminoacyl-tRNA synthetases hebben een "proeflees"-functie om fout geladen tRNA's te corrigeren. #### 1.2.4 Eiwitfactoren Verschillende eiwitfactoren faciliteren specifieke stappen van de translatie: * **Initiatiefactoren (IF / eIF):** Essentieel voor de start van de translatie. * **Elongatiefactoren (EF / eEF):** Betrokken bij het toevoegen van aminozuren aan de groeiende polypeptideketen. * **Release factoren (RF / eRF):** Noodzakelijk voor de beëindiging van de translatie. #### 1.2.5 mRNA structuur en types * **Prokaryoot mRNA:** Vaak **poly-cistronisch**, wat betekent dat één mRNA-molecuul codeert voor meerdere polypeptiden. Deze coderen vaak voor eiwitten met gerelateerde functies en vormen een **operon**. * **Eukaryoot mRNA:** Meestal **mono-cistronisch**, waarbij één mRNA-molecuul codeert voor één polypeptide. * **Initiatie:** Bij eukaryoten wordt het ribosoom meestal gerekruteerd via de 5'-cap van het mRNA. Soms kan rekrutering plaatsvinden via een **Internal Ribosome Entry Sequence (IRES)**. * **5'- en 3'-uiteinden associatie:** Bij eukaryoten associëren de 5'-cap en het poly(A)-staart aan het 3'-uiteinde van het mRNA tijdens de initiatie van de translatie, mogelijk gefaciliteerd door eiwitten zoals poly(A)-bindend proteïne (PABP) en eIF4G. ### 1.3 Mechanisme van de translatie De translatie verloopt in drie hoofdfasen: initiatie, elongatie en terminatie. #### 1.3.1 Initiatie Het proces start met de vorming van een initiatiecomplex dat het mRNA, het start-tRNA en de ribosomale subeenheden samenbrengt. * **Prokaryoten:** 1. Initiatiefactoren (IF1, IF3) binden aan de kleine ribosomale subeenheid (30S). 2. IF2, gebonden aan GTP, rekruteert de initiator fMet-tRNA (N-formylmethionine-tRNA). 3. Het mRNA bindt aan de 30S subeenheid, waarbij de **Shine-Dalgarno sequentie** (stroomopwaarts van het startcodon AUG) essentieel is voor de positionering van het ribosoom. 4. De grote ribosomale subeenheid (50S) bindt, wat leidt tot de hydrolyse van GTP door IF2 en de dissociatie van IF1 en IF3, waardoor het 70S initiatiecomplex wordt gevormd. Het initiator-tRNA bevindt zich nu in de P-plaats. * **Eukaryoten:** 1. Er worden meer initiatiefactoren (eIFs) gebruikt (ongeveer 12). 2. Een 43S pre-initiatiecomplex (40S subeenheid + eIFs + initiator Met-tRNA) wordt gevormd. 3. Het 5'-cap van het mRNA wordt herkend door eIF4E, die andere eIFs rekruteert (o.a. helicase eIF4A). 4. Het 43S PIC bindt aan het mRNA en scant dit tot het startcodon AUG, vaak in de buurt van de **Kozak-sequentie** (een consensussequentie die de herkenning van het startcodon vergemakkelijkt). 5. De grote subeenheid (60S) bindt, GTP wordt gehydrolyseerd en de overige eIFs dissociëren, wat leidt tot de vorming van het 80S initiatiecomplex. Het initiator-tRNA bevindt zich in de P-plaats. #### 1.3.2 Elongatie Dit is de fase waarin aminozuren sequentieel aan de groeiende polypeptideketen worden toegevoegd. Het proces omvat drie cyclische stappen: 1. **Binding van aminoacyl-tRNA:** Een nieuw aminoacyl-tRNA wordt naar de A-plaats van het ribosoom gebracht, gefaciliteerd door elongatiefactor Tu (EF-Tu) gebonden aan GTP (in prokaryoten) of eEF1α (in eukaryoten). Alleen het aminoacyl-tRNA met een anticodon dat correct paart met het mRNA-codon in de A-plaats, zorgt voor GTP-hydrolyse en blijft gebonden. 2. **Vorming van een peptidebinding:** Het aminozuur aan het tRNA in de P-plaats wordt covalent gebonden aan het aminozuur aan het tRNA in de A-plaats. Dit wordt gekatalyseerd door de peptidyl-transferase activiteit van het ribosomale rRNA. De groeiende polypeptideketen wordt overgedragen naar het tRNA in de A-plaats, waardoor een peptidyl-tRNA ontstaat. 3. **Translocatie:** Het ribosoom schuift één codon (3 nucleotiden) op langs het mRNA in de 5' naar 3' richting. Dit wordt gefaciliteerd door elongatiefactor G (EF-G) gebonden aan GTP (in prokaryoten) of eEF2 (in eukaryoten). Het lege tRNA in de P-plaats wordt naar de E-plaats verplaatst en verlaat het ribosoom, terwijl het peptidyl-tRNA in de A-plaats naar de P-plaats schuift. De A-plaats is nu vrij voor een nieuw aminoacyl-tRNA. > **Tip:** De wobble-basenparing (alternatieve basenparing op de derde positie van het codon) speelt een rol bij de herkenning van codons door tRNAs, wat verklaart waarom er minder tRNA-moleculen zijn dan 61. Inosine, een gemodificeerde base, in het anticodon kan met A, U of C paren. #### 1.3.3 Terminatie De translatie stopt wanneer het ribosoom een van de drie stopcodons (UAA, UAG, UGA) in de A-plaats bereikt. * **Rol van release factoren (RF / eRF):** Stopcodons worden niet herkend door aminoacyl-tRNA's, maar door specifieke eiwitten genaamd release factoren. Deze binden aan de A-plaats, wanneer een stopcodon aanwezig is. * **Hydrolyse van de peptidebinding:** De binding van release factoren induceert de hydrolyse van de esterbinding tussen de groeiende polypeptideketen en het tRNA in de P-plaats. De polypeptideketen komt vrij. * **Dissociatie van het ribosoom:** Na de vrijgave van de polypeptide, dissocieert het ribosoom in zijn subeenheden, en komen ook de mRNA en het lege tRNA vrij. Dit proces vereist ook GTP. #### 1.3.4 Energieverbruik tijdens translatie Translatie is een energetisch kostbaar proces dat energie vereist in de vorm van ATP en GTP hydrolyse: * **Initiatie:** Vereist de hydrolyse van GTP. * **Elongatie:** * Elk aminoacyl-tRNA wordt geladen door aminoacyl-tRNA synthetase (kost ATP). * De binding van aminoacyl-tRNA aan de A-plaats (kost GTP). * Translocatie (kost GTP). * Voor elk toegevoegd aminozuur worden dus meerdere hoog-energetische bindingen gehydrolyseerd. * **Terminatie:** Vereist de hydrolyse van GTP. ### 1.4 Mutatie en translatie Mutaties in het DNA kunnen leiden tot veranderingen in het mRNA, die op hun beurt de eiwitsequentie kunnen beïnvloeden. #### 1.4.1 Puntmutaties (verandering van 1 nucleotide) * **Missense mutatie:** Een verandering in één nucleotide resulteert in een codon dat codeert voor een ander aminozuur. Dit kan leiden tot een verandering in de eiwitfunctie. Een bekend voorbeeld is sikkelcelanemie, waar een A->U substitutie in het b-globine gen leidt tot de vervanging van glutaminezuur (GAA) door valine (GUA). * **Nonsense mutatie:** Een verandering in één nucleotide creëert een stopcodon (bv. UAA, UAG, UGA) in het mRNA. Dit leidt tot de premature beëindiging van de translatie, wat resulteert in een verkort, meestal niet-functioneel eiwit. * **Nonstop mutatie:** Een mutatie die leidt tot het verwijderen van een stopcodon. De translatie gaat dan door tot een ander, vaak verder gelegen, stopcodon of totdat het ribosoom van het mRNA valt. * **Stille (silent) mutatie:** Een verandering in één nucleotide die resulteert in een ander codon, maar dit nieuwe codon codeert voor hetzelfde aminozuur (vanwege de degeneratie van de genetische code). Deze mutaties hebben geen effect op de aminozuursequentie. #### 1.4.2 Inserties en deleties (indels) * **Frameshift mutaties:** De insertie of deletie van één of meerdere nucleotiden die geen veelvoud van drie is, verschuift het leesraam van het mRNA. Dit verandert de codering van alle codons na de mutatie, wat meestal leidt tot een drastisch ander eiwit en vaak een vroegtijdig stopcodon. #### 1.4.3 Cel-mechanismen voor het omgaan met mRNA-afwijkingen Cellen hebben mechanismen om te reageren op mRNA's met afwijkingen: * **Nonsense suppressor tRNAs:** Sommige mutaties in tRNA-genen kunnen resulteren in tRNA's met een anticodon dat een stopcodon herkent en een aminozuur inbrengt. Dit kan een nonsense mutatie "onderdrukken" en een volledig (maar vaak gemuteerd) eiwit produceren. * **Nonsense-mediated mRNA decay (NMD):** Dit is een kwaliteitscontrolemechanisme dat transcripten met premature stopcodons (PTCs) detecteert en afbreekt. Tijdens de translatie, wanneer een ribosoom een stopcodon tegenkomt dat zich vóór een Exon Junction Complex (EJC) bevindt, wordt het mRNA gemarkeerd voor afbraak. * **Nonstop mRNA decay:** Een mechanisme dat transcripten zonder stopcodon detecteert. In eukaryoten wordt dit gedaan door de rekrutering van een ribonuclease-complex naar de A-plaats wanneer het einde van het mRNA wordt bereikt zonder een stopcodon. In prokaryoten kan een tmRNA (transfer-messenger RNA) binden en de toevoeging van een kort signaalsequentie katalyseren die het eiwit afbreekt. ### 1.5 Post-translationele processing Na de translatie ondergaan veel eiwitten nog modificaties die essentieel zijn voor hun uiteindelijke functie, structuur en lokalisatie. #### 1.5.1 Moleculaire chaperons * **Functie:** Deze eiwitten helpen bij het correct vouwen van nieuw gesynthetiseerde polypeptiden en bij het herstellen van misgevouwen eiwitten. Ze binden aan hydrofobe regio's van ongevouwen of misgevouwen eiwitten om aggregatie te voorkomen en de juiste 3D-structuur te bevorderen. Voorbeelden zijn hsp70 en het GroEL/GroES-complex. * **Andere functies:** Chaperons kunnen ook helpen bij de assemblage van eiwitcomplexen en bij het transport van eiwitten naar organellen zoals mitochondriën en chloroplasten. #### 1.5.2 Chemische modificaties Covalente toevoeging van chemische groepen aan aminozuren na translatie. Deze modificaties zijn vaak omkeerbaar en spelen een cruciale rol in de regulatie van eiwitactiviteit. * **Fosforylering:** Toevoeging van een fosfaatgroep aan Serine, Threonine of Tyrosine residuen. Gekatalyseerd door kinasen, omgekeerd door fosfatasen. * **Acetylering:** Toevoeging van een acetylgroep aan Lysine residuen. * **Methylering:** Toevoeging van een methylgroep aan Lysine of Arginine residuen. * **Glycosylering:** Binding van suikermoleculen. * **O-linked glycosylering:** Binding van suiker aan de zuurstof van Serine of Threonine. * **N-linked glycosylering:** Binding van suiker aan het stikstofatoom van Asparagine. #### 1.5.3 Proteolytische processing * Verwijdering van aminozuren, vaak vanaf het N-terminus, inclusief het initiële methionine. * Klieving van inactieve precursor-eiwitten (pro-eiwitten) tot hun actieve vorm (bv. insuline). #### 1.5.4 Proteïne splicing * Een proces waarbij interne sequenties (inteïnen) uit een polypeptide worden verwijderd en de buitenste sequenties (extiënen) aan elkaar worden gezet, resulterend in een matuur eiwit. > **Voorbeeld:** De post-translationele processing van insuline omvat de verwijdering van N-terminale aminozuren, de vorming van zwavelbruggen, en de verwijdering van interne aminozuren uit een precursor-polypeptide (pro-insuline) om het functionele insuline te vormen. --- # Eiwitsynthese: translatie en mechanismen Eiwitsynthese, ook wel translatie genoemd, is het proces waarbij de genetische informatie opgeborgen in mRNA wordt omgezet in een functioneel eiwit. ### 2.1 De genetische code De genetische code vormt de basis voor translatie. Het is een set regels die bepaalt hoe de sequentie van nucleotiden in mRNA wordt vertaald naar de sequentie van aminozuren in een eiwit. * **Eigenschappen van de genetische code:** * **Codon:** Drie opeenvolgende nucleotiden in mRNA vormen een codon, dat codeert voor een specifiek aminozuur of een stopsignaal. * **Niet-overlappend:** Codons worden sequentieel gelezen; een nucleotide behoort slechts tot één codon. * **Gedegenereerd:** Meer dan één codon kan coderen voor hetzelfde aminozuur. Dit zorgt voor redundantie en bescherming tegen mutaties. * **Eenduidig:** Elk codon codeert voor slechts één specifiek aminozuur of stop. * **Universeel:** De code is grotendeels universeel over alle organismen, met enkele uitzonderingen (bv. in mitochondriën en bepaalde micro-organismen). * **Ontdekking van de genetische code:** * De hypothese van "één gen - één enzym" (Beadle & Tatum) en later "één gen - één polypeptide" (Pauling, Ingram & Yanofsky) legde de link tussen genen en eiwitten. * Experimenten met proflavin door Crick & Brenner suggereerden dat de code uit triplets bestaat. * Nirenberg & Matthaei, en Khorana kraakten de code door synthetische RNA's te gebruiken in celvrije systemen. ### 2.2 Hoofdrolspelers van de translatie Verschillende moleculen en structuren zijn essentieel voor het translatieproces. * **Ribosomen:** * De "eiwitfabrieken" van de cel. * Bestaande uit twee subeenheden: een kleine (bv. 30S in prokaryoten) en een grote (bv. 50S in prokaryoten). In eukaryoten zijn dit 40S en 60S subeenheden. De complete ribosomen zijn 70S (prokaryoten) en 80S (eukaryoten). * Bevatten rRNA (ribosomaal RNA) en eiwitten. * Hebben drie belangrijke bindingsplaatsen voor tRNA: * **A-plaats (aminoacyl-plaats):** Waar het inkomende aminoacyl-tRNA bindt. * **P-plaats (peptidyl-plaats):** Waar het tRNA met de groeiende polypeptideketen gebonden is. * **E-plaats (exit-plaats):** Waar lege tRNAs het ribosoom verlaten. * **tRNA (transfer RNA):** * Kleine RNA-moleculen die dienen als adapters. * Elk tRNA molecuul herkent een specifiek codon op het mRNA via zijn anticodon. * Draagt het corresponderende aminozuur aan het 3'-uiteinde (CCA-sequentie). * De binding tussen aminozuur en tRNA is een hoog-energetische esterbinding. * **Aminoacyl-tRNA synthetases:** * Enzymen die elk specifiek aminozuur koppelen aan het juiste tRNA. * Ze herkennen zowel het aminozuur als het specifieke tRNA (via anticodon en 3'-uiteinde). * Dit proces vereist ATP en omvat twee stappen: aminozuuractivatie en aminozuurtransfer. * De reactie wordt gedreven door de hydrolyse van pyrofosfaat ($PP_i$). * Formule: `aminozuur + ATP + tRNA` $\longrightarrow$ `aminoacyl-tRNA + AMP + $PP_i$` * **mRNA (messenger RNA):** * Draagt de genetische code van DNA naar het ribosoom. * In prokaryoten zijn mRNA's vaak polycistronisch (coderen voor meerdere polypeptiden). * In eukaryoten zijn mRNA's meestal monocistronisch (coderen voor één polypeptide). Eukaryotisch mRNA heeft een 5'-cap en een poly-A-staart die belangrijk zijn voor initiatie en stabiliteit. * **Translatiefactoren:** * Eiwitten die helpen bij initiatie (IFs), elongatie (EFs) en terminatie (RFs) van de translatie. * Gebruiken GTP als energiebron. ### 2.3 Mechanisme van de translatie Translatie verloopt in drie hoofdfasen: initiatie, elongatie en terminatie. * **Initiatie:** * **Prokaryoten:** 1. De kleine ribosomale subeenheid (30S) bindt aan het mRNA, geholpen door initiatiefactoren (IFs) en GTP. 2. De Shine-Dalgarno sequentie op het mRNA (stroomopwaarts van het startcodon AUG) is cruciaal voor de herkenning door het 16S rRNA van de kleine subeenheid. 3. De initiator tRNA, geladen met N-formylmethionine (fMet), bindt aan het startcodon AUG op de P-plaats van de 30S subeenheid. 4. De grote ribosomale subeenheid (50S) bindt, waarbij GTP wordt gehydrolyseerd, en vormt het 70S initiatiecomplex. IF1 en IF2/GDP laten los. * **Eukaryoten:** 1. Een 43S pre-initiatiecomplex (40S subeenheid, initiator methionyl-tRNAiMet, eIFs) wordt gevormd. 2. De 5'-cap van het mRNA wordt herkend door eIF4E, wat leidt tot de rekutering van het 43S complex. 3. Het ribosoom scant het mRNA tot het startcodon AUG vindt, vaak in de Kozak-sequentie (ACC AUG G). 4. De 60S subeenheid bindt, GTP wordt gehydrolyseerd, en het 80S initiatiecomplex wordt gevormd. 5. Associatie van de 5'- en 3'-uiteinden van het mRNA (via PABP en eIF4G) speelt een rol bij de initiatie. * **Elongatie:** Dit proces herhaalt zich voor elk aminozuur dat aan de polypeptideketen wordt toegevoegd. 1. **Binding van aminoacyl-tRNA:** Een nieuw aminoacyl-tRNA bindt aan de A-plaats, herkend door elongatiefactoren (bv. EF-Tu*GTP in prokaryoten) en door correcte codon-anticodon paring. GTP wordt gehydrolyseerd, waardoor de factor loslaat. 2. **Vorming van een peptidebinding:** Het aminozuur op de P-plaats wordt overgedragen naar het aminozuur op de A-plaats, waardoor een peptidebinding ontstaat. Dit wordt gekatalyseerd door het rRNA in de grote subeenheid (peptidyl-transferase activiteit; ribozym). De energie komt uit de hoog-energetische esterbinding van het aminoacyl-tRNA. 3. **Translocatie:** Het ribosoom schuift één codon op in de 5' naar 3' richting. Het tRNA dat nu op de P-plaats zit (met de groeiende keten) komt op de P-plaats, het lege tRNA op de P-plaats komt op de E-plaats en verlaat het ribosoom. De A-plaats is weer vrij voor een nieuw aminoacyl-tRNA. Dit proces wordt geholpen door elongatiefactoren (bv. EF-G*GTP in prokaryoten) en vereist GTP-hydrolyse. * **Terminatie:** * Wanneer een stopcodon (UAA, UAG, UGA) in de A-plaats komt, wordt dit herkend door release factoren (eiwitten, geen tRNA's). * Release factoren binden aan de A-plaats, wat leidt tot hydrolyse van de esterbinding tussen de polypeptideketen en het tRNA op de P-plaats. * De polypeptide wordt vrijgegeven. * GTP wordt gehydrolyseerd om het ribosoom te dissociëren in zijn subeenheden, klaar voor een nieuwe ronde van translatie. ### 2.4 Energievereisten van translatie Translatie is een energie-intensief proces. Er zijn verschillende stappen waarbij energie wordt verbruikt, voornamelijk in de vorm van ATP en GTP: * **Initiatie:** Vereist de hydrolyse van meerdere fosfoanhydridebindingen (3 in prokaryoten, 4 in eukaryoten). * **Elongatie:** Voor elke aminozuurincorporatie worden ten minste 4 energierijke fosfoanhydridebindingen gehydrolyseerd (2 GTP voor aminoacyl-tRNA binding, 1 GTP voor translocatie, plus energie voor de vorming van aminoacyl-tRNA). * **Terminatie:** Vereist GTP-hydrolyse voor de dissociatie van het ribosoom. * **Aminoacyl-tRNA synthese:** Vereist ATP voor de activatie van het aminozuur. > **Tip:** De energieverbruik per aminozuur is significant, wat de efficiëntie en nauwkeurigheid van eiwitsynthese onderstreept. Een polypeptide van 100 aminozuren kan al snel meer dan 2920 kcal/mol aan energie kosten enkel voor de elongatiestap. ### 2.5 Moleculaire chaperons en correcte vouwing Na de translatie moeten polypeptiden de juiste driedimensionale structuur aannemen om functioneel te zijn. * **Moleculaire chaperons:** Eiwitten die de correcte vouwing van polypeptiden bevorderen en misvouwing voorkomen. * Ze binden aan hydrofobe regio's van ongevouwen of misgevouwen eiwitten. * Voorbeelden zijn Hsp70 en GroEL/GroES (een "kooi"-structuur). * Ze helpen ook bij de assemblage van eiwitcomplexen en transport. ### 2.6 Mutatie en translatie Mutaties in het DNA kunnen leiden tot veranderingen in het mRNA en uiteindelijk in het eiwit. * **Puntmutaties (verandering van één nucleotide):** * **Missense mutatie:** Leidt tot de codering van een ander aminozuur. * **Nonsense mutatie:** Creëert een prematuur stopcodon, wat leidt tot een verkort eiwit. * **Nonstop mutatie:** Verwijdering van het stopcodon, wat leidt tot translatie die doorgaat tot een ander stopcodon of het einde van het mRNA, met een verlengd eiwit. * **Stille (silent) mutatie:** Verandering in het codon die niet resulteert in een verandering van aminozuur (vanwege de gedegenereerdheid van de code). * **Indels (inserties of deleties):** * Insertie of deletie van één of meerdere nucleotiden. * Als het aantal ingevoegde/verwijderde nucleotiden geen veelvoud is van drie, ontstaat een **frameshift mutatie**, die de leesraam van het mRNA verschuift en de sequentie van alle daaropvolgende aminozuren verandert. * **Mechanismen voor genoomkwaliteitscontrole:** * **Nonsense-gemedieerde mRNA afbraak (NMD):** mRNA's met prematuur stopcodons worden herkend en afgebroken. * **Nonstop mRNA decay:** mRNA's zonder stopcodon worden afgebroken. * **Suppressor tRNAs:** Sommige mutaties in tRNA-genen kunnen leiden tot tRNAs die een stopcodon herkennen en zo een aminozuur aanbieden, waardoor de translatie doorgaat. ### 2.7 Post-translationele processing Na translatie ondergaan veel eiwitten modificaties om functioneel te worden. * **Verwijderen van het eerste aminozuur:** Vaak wordt het initiatiemethionine verwijderd. * **Proteolytische processing:** Grote precursor-eiwitten worden geknipt tot actieve, kleinere eiwitten (bv. insuline). * **Chemische modificaties:** * **Fosforylering:** Toevoeging van een fosfaatgroep (op Ser, Thr, Tyr). * **Acetylering:** Toevoeging van een acetylgroep (op Lys). * **Methylering:** Toevoeging van een methylgroep (op Lys, Arg). * **Glycosylering:** Toevoeging van suikergroepen (N-linked op Asn, O-linked op Ser/Thr). * **Vorming van zwavelbruggen:** Disulfidebruggen tussen cysteïneresiduen stabiliseren de eiwitstructuur. * **Proteïne splicing:** Zeldzaam proces waarbij interne sequenties (inteïnen) uit een polypeptide worden geknipt en de externe sequenties (exteïnen) aan elkaar worden gezet. --- # Mutatie en post-translationele processen Dit onderwerp bespreekt hoe mutaties de eiwitsynthese beïnvloeden en introduceert de cruciale post-translationele processen die eiwitten ondergaan om hun uiteindelijke functie te verkrijgen. ## 3.4 Mutatie en translatie Mutaties kunnen verschillende effecten hebben op de translatie en de daaropvolgende eiwitstructuur en -functie. De aard van de mutatie bepaalt het uiteindelijke gevolg. ### 3.4.1 Puntmutaties Puntmutaties, waarbij slechts één nucleotide is veranderd, kunnen diverse uitkomsten hebben: * **Missense mutaties:** Een verandering in het codon resulteert in de codering voor een ander aminozuur. Een klassiek voorbeeld hiervan is sikkelcelanemie, waarbij een enkele basenverandering in het bèta-globine gen leidt tot de vervanging van glutaminezuur (Glu) door valine (Val). * **Nonsense mutaties:** Een puntmutatie creëert een stopcodon in het mRNA, wat resulteert in een vroegtijdige beëindiging van de translatie en een verkort, vaak niet-functioneel eiwit. * **Nonstop mutaties:** Deze mutaties verwijderen een stopcodon, waardoor de translatie doorgaat tot er een ander stopcodon wordt bereikt, wat leidt tot een verlengd eiwit. * **Stille (silent) mutaties:** Een verandering in het codon leidt tot de codering voor hetzelfde aminozuur, dankzij de redundantie van de genetische code. Hierdoor heeft de mutatie geen waarneembaar effect op de aminozuursequentie. ### 3.4.2 Inserties en deleties (Indels) Inserties (toevoeging van nucleotiden) en deleties (verwijdering van nucleotiden) kunnen leiden tot een **frameshift** (leesraamverschuiving). Als het aantal ingevoegde of verwijderde nucleotiden geen veelvoud is van drie, verschuift het leesraam voor de rest van het mRNA. Dit verandert alle codons na de mutatie, wat leidt tot een compleet andere aminozuursequentie en meestal tot een niet-functioneel eiwit. ### 3.4.3 Reactie van de cel op nonsense en nonstop mutaties Cellen hebben mechanismen ontwikkeld om met mRNA's die voortijdig stopcodons of juist geen stopcodons bevatten om te gaan: * **Nonsense suppressor tRNAs:** Dit zijn speciale tRNAs die een stopcodon kunnen herkennen en een aminozuur kunnen inbrengen. Dit resulteert in de synthese van een volledig eiwit, maar met mogelijk één (gemuteerd) aminozuur op de plaats van het oorspronkelijke stopcodon. * **Nonsense-mediated mRNA decay (NMD):** Dit is een kwaliteitscontrolesysteem dat mRNA's met voortijdige stopcodons (premature termination codons - PTCs) detecteert en afbreekt. Dit voorkomt de synthese van potentieel schadelijke verkorte eiwitten. Een belangrijk aspect is de associatie van stopcodons met Exon Junction Complexes (EJCs); een stopcodon dat optreedt vóór het laatste EJC signaleert NMD. * **Nonstop mRNA decay:** Transcripten die geen stopcodon bevatten, worden ook afgebroken. In eukaryoten gebeurt dit via de rekrutering van een eiwitcomplex met ribonuclease-activiteit naar de A-site. In prokaryoten is dit proces vergelijkbaar, maar maakt gebruik van tmRNA, dat een klein aantal aminozuren aan het groeiende polypeptide toevoegt, inclusief een signaal voor afbraak. > **Tip:** Het onderscheid tussen de afloop van een nonsense mutatie (geen suppressor tRNA, wel NMD vs. geen NMD) en de introductie van een nonsense suppressor tRNA is cruciaal voor het voorspellen van het uiteindelijke eiwitproduct. ## 3.5 Post-translationele processen Na de synthese op het ribosoom ondergaan veel eiwitten modificaties om hun uiteindelijke structuur en functie te voltooien. Deze post-translationele modificaties zijn divers en essentieel voor de eiwitactiviteit. ### 3.5.1 Proteolytische verwerking Sommige eiwitten worden gesynthetiseerd als inactieve precursors die vervolgens door specifieke proteasen worden geknipt om de actieve vorm te verkrijgen. * **Verwijdering van de initiële methionine:** Het eerste aminozuur, methionine, wordt vaak verwijderd na translatie. * **Klieving van pro-peptiden:** Veel eiwitten, zoals hormonen (bv. insuline) en enzymen (bv. spijsverteringsenzymen), worden gesynthetiseerd als grotere, inactieve precursor-vormen (pro-eiwitten of pre-pro-eiwitten) die vervolgens worden geknipt. Bij insuline worden bijvoorbeeld de C-peptide en de N-terminale signaalsequentie verwijderd. ### 3.5.2 Chemische modificaties Covalente toevoeging van chemische groepen aan aminozuurresiduen kan de eiwitactiviteit, stabiliteit, lokalisatie of interacties beïnvloeden. Deze modificaties zijn vaak omkeerbaar. * **Fosforylering:** Toevoeging van een fosfaatgroep aan de hydroxyl (-OH) groep van serine (Ser), threonine (Thr) of tyrosine (Tyr) residuen. Dit wordt gekatalyseerd door eiwitkinasen en verwijderd door eiwitfosfatases. * **Acetylering:** Toevoeging van een acetylgroep aan de amino (-NH$_{2}$) groep van lysine (Lys) residuen. Gekatalyseerd door acetyltransferases en verwijderd door deacetylases. * **Methylering:** Toevoeging van een methylgroep (-CH$_{3}$) aan de amino groep van Lys of arginine (Arg) residuen. Gekatalyseerd door methyltransferases en verwijderd door demethyltransferases. * **Glycosylering:** Binding van een suikermolecuul aan het eiwit. * **O-linked glycosylering:** Binding via het zuurstofatoom van Ser of Thr. * **N-linked glycosylering:** Binding via het stikstofatoom van asparagine (Asn) residuen. Dit gebeurt meestal in het endoplasmatisch reticulum. ### 3.5.3 Proteïne splicing Een intrigerend post-translationeel proces waarbij bepaalde interne sequenties (inteïnen) zichzelf uit een polypeptideketen knippen, waarna de buitenste sequenties (exteïnen) aan elkaar worden geligeerd. Dit leidt tot een functioneel eiwit met een andere structuur dan het oorspronkelijke translaat. ### 3.5.4 Vorming van zwavelbruggen (disulfide bonds) De vorming van covalente bindingen tussen de sulfhydryl (-SH) groepen van twee cysteïne (Cys) residuen. Deze bindingen stabiliseren de tertiaire en quaternaire structuur van eiwitten, met name voor eiwitten die buiten de cel functioneren. Bij insuline worden bijvoorbeeld zwavelbruggen gevormd tussen de A- en B-ketens. ### 3.5.5 Moleculaire chaperons en vouwing Moleculaire chaperons zijn eiwitten die helpen bij de correcte driedimensionale vouwing van andere eiwitten, zowel tijdens als na de translatie. Ze voorkomen aggregatie van ongevouwen of misgevouwen eiwitten en kunnen zelfs helpen bij het herstellen van de vouwing. Voorbeelden zijn heat-shock proteïnen (Hsp70) en het GroEL/GroES complex, dat functioneert als een 'kooi' voor eiwitvouwing. Ze spelen ook een rol bij de assemblage van eiwitcomplexen en transport door membranen. > **Tip:** Post-translationele modificaties zijn cruciaal voor de diversiteit en specificiteit van eiwitfuncties in de cel. Het begrijpen hiervan is essentieel voor veel gebieden binnen de biologie en geneeskunde. --- ## 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 | |------|------------| | Genetische code | Het systeem dat nucleotidenreeksen in genen vertaalt naar aminozuursequenties in eiwitten, waarbij triplets van nucleotiden (codons) overeenkomen met specifieke aminozuren of stopsequenties. | | Translatie | Het proces waarbij de genetische informatie, gecodeerd in messenger-RNA (mRNA), wordt gebruikt om een specifieke sequentie van aminozuren te synthetiseren, wat resulteert in de vorming van een eiwit. | | Ribosoom | Een complex moleculair apparaat dat voorkomt in alle levende cellen en dat verantwoordelijk is voor eiwitsynthese; het is opgebouwd uit ribosomaal RNA (rRNA) en eiwitten en bestaat uit een grote en een kleine subeenheid. | | tRNA (transfer RNA) | Kleine RNA-moleculen die een cruciale rol spelen bij translatie door specifieke aminozuren te binden en deze aan het groeiende polypeptide te leveren, gebaseerd op de complementariteit van hun anticodon met het mRNA-codon. | | Anticodon | Een triplet van nucleotiden op een tRNA-molecuul dat complementair is aan een specifiek codon op een mRNA-molecuul, waardoor de juiste aminozuurtoevoeging tijdens de eiwitsynthese wordt gegarandeerd. | | Codon | Een sequentie van drie nucleotiden in DNA of RNA die codeert voor een specifiek aminozuur of een stopsignaal tijdens de translatie. | | Aminozuur | De bouwsteen van eiwitten; er zijn twintig standaard aminozuren die worden gebruikt in de biologische eiwitsynthese, elk met een unieke chemische eigenschap. | | Wobble basenparing | Een flexibele basenparing die optreedt aan de derde positie van een codon en de eerste positie van een anticodon, waardoor een enkel tRNA-molecuul meerdere gerelateerde codons kan herkennen. | | Aminoacyl-tRNA synthetase | Enzymen die verantwoordelijk zijn voor het correct koppelen van een specifiek aminozuur aan het corresponderende tRNA-molecuul, een proces dat essentieel is voor de nauwkeurigheid van de eiwitsynthese. | | Initiatiefactoren | Proteïnen die een rol spelen bij het initiëren van translatie door de binding van het mRNA en het initiatie-tRNA aan het kleine ribosomale subeenheid te faciliteren. | | Elongatiefactoren | Proteïnen die het proces van elongatie (verlenging) van het polypeptide tijdens translatie ondersteunen, zoals het binden van aminoacyl-tRNA's en het faciliteren van peptidebindingvorming. | | Release factoren | Proteïnen die het einde van translatie herkennen door te binden aan stopcodons op het mRNA, wat leidt tot beëindiging van de eiwitsynthese en vrijlating van het polypeptide. | | Mutatie | Een permanente verandering in de DNA-sequentie van een organisme; dit kan variëren van puntmutaties (verandering van één nucleotide) tot grotere chromosomale veranderingen. | | Frameshift mutatie | Een type mutatie veroorzaakt door de insertie of deletie van een aantal nucleotiden dat geen veelvoud van drie is, wat resulteert in een verandering van het leesraam en vaak een niet-functioneel eiwit. | | Post-translationele modificaties | Chemische veranderingen die optreden op een eiwit na de initiële translatie, die de functie, structuur, lokalisatie of stabiliteit van het eiwit kunnen beïnvloeden. | | Moleculaire chaperons | Eiwitten die de correcte vouwing van andere eiwitten helpen bevorderen, voorkomen van aggregatie en assisteren bij eiwittransport, zonder zelf deel uit te maken van het uiteindelijke functionele eiwit. | | Proteolytische processing | Een post-translationele modificatie waarbij een polypeptide wordt geknipt door proteasen om een actief eiwit te vormen, bijvoorbeeld door het verwijderen van een signaalsequentie of het splitsen van een groter precursor-eiwit. | | Glycosylering | Een post-translationele modificatie waarbij een koolhydraatgroep (glycaan) covalent wordt gebonden aan een eiwit, wat de eiwitvouwing, stabiliteit, cellulaire interacties en signalering kan beïnvloeden. |

# Regulatie van genexpressie in bacteriën en eukaryoten Hier is een uitgebreide samenvatting over de regulatie van genexpressie in bacteriën en eukaryoten, opgesteld als een studiehandleiding. ## 1. Regulatie van genexpressie ### 1.1 Algemeen: vergelijking tussen bacteriën en eukaryoten Genexpressieregulatie is essentieel voor alle organismen om te reageren op omgevingssignalen, zich te ontwikkelen en functies uit te voeren. Hoewel de basisprincipes vergelijkbaar zijn, verschillen de mechanismen tussen bacteriën en eukaryoten aanzienlijk, vooral wat betreft de complexiteit en de meerdere niveaus van controle in eukaryoten. ### 1.2 Regulatie van genexpressie in bacteriën Bacteriële genexpressie wordt efficiënt en snel gereguleerd, vaak gecoördineerd via operons. Het primaire controlepunt is transcriptie. #### 1.2.1 Operons * Een operon is een functionele eenheid van DNA die genen bevat die betrokken zijn bij een specifiek metabolisme of proces. * Het bestaat uit een promotor, een operator en één of meer structurele genen. * **Default status:** Genen in bacteriën zijn over het algemeen "aan" (ON) tenzij ze specifiek worden uitgeschakeld. #### 1.2.2 Transcriptieregulatie * **Repressie:** Genen worden uitgeschakeld door een repressor-eiwit dat bindt aan de operatorsequentie, waardoor RNA-polymerase de toegang tot de promotor wordt belemmerd. * **Induceerbare operons (bv. lac-operon):** De repressor is normaal gebonden. Een inducer (bv. allolactose) bindt aan de repressor, waardoor deze loslaat van de operator en transcriptie mogelijk wordt. * **Represseerbare operons (bv. trp-operon):** De repressor is normaal niet gebonden. Een co-repressor (bv. tryptofaan) bindt aan de repressor, waardoor deze actief wordt en bindt aan de operator, wat transcriptie remt. * **Activatie (positieve regulatie):** Transcriptie wordt gestimuleerd wanneer een activator-eiwit bindt aan een activerende sequentie dichtbij de promotor. * **CAP (catabolite activator protein):** CAP activeert de transcriptie van het lac-operon wanneer glucose laag is en cyclisch AMP (cAMP) hoog is. CAP bindt aan de CAP-bindingsplaats, wat de affiniteit van RNA-polymerase voor de promotor verhoogt. #### 1.2.3 Gecoördineerde expressie Regulerende transcriptiefactoren (TF's) kunnen op specifieke DNA-responseelementen binden om de expressie van meerdere genen te coördineren, zelfs als deze genen niet bij elkaar liggen. ### 1.3 Regulatie van genexpressie in eukaryoten Eukaryote genexpressie is veel complexer en wordt op meerdere niveaus gereguleerd. #### 1.3.1 Vijf niveaus van controle 1. **Genomische controle (chromatine-niveau):** Toegankelijkheid van DNA voor transcriptie. 2. **Transcriptionele controle:** Regulatie van RNA-synthese. 3. **Post-transcriptionele controle (RNA-processing en nucleair export):** Modificatie van pre-mRNA en transport naar het cytoplasma. 4. **Translationele controle:** Regulatie van eiwitsynthese. 5. **Post-translationele controle:** Modificatie en stabiliteit van eiwitten. #### 1.3.2 Niveau 1: Genomische controle * **Chromatinestructuur:** De mate van chromatinecondensatie beïnvloedt de toegankelijkheid van genen voor transcriptiefactoren en RNA-polymerase. * **Euchromatine:** Losse structuur, toegankelijker voor transcriptie. * **Heterochromatine:** Dichte structuur, minder toegankelijk, vaak transcriptioneel inactief. * **Histonmodificaties:** Acetylering van histonen maakt chromatine losser (verhoogt transcriptie), terwijl methylering en fosforylering gecompliceerdere effecten kunnen hebben, vaak leidend tot condensatie (vermindert transcriptie). * **DNA-methylering:** Methylering van cytosine in CpG-dinucleotiden is vaak geassocieerd met transcriptie-onderdrukking. #### 1.3.3 Niveau 2: Transcriptionele controle Dit niveau is cruciaal voor cel-type-specifieke expressie en reactie op signalen. * **Transcriptiefactoren (TF's):** Eiwitten die binden aan specifieke DNA-sequenties om de transcriptie te reguleren. * **Algemene transcriptiefactoren:** Nodig voor de transcriptie van de meeste genen door RNA-polymerase II. Ze binden aan de kernpromotor. * **Regulerende transcriptiefactoren:** Binden aan specifieke DNA-controlelementen (enhancers, silencers, proximale controle-elementen) en reguleren de transcriptiesnelheid van specifieke genen. * **DNA-controle-elementen:** * **Proximale controle-elementen:** Liggen dichtbij de kernpromotor (bv. GC box, CAAT box, octameer). * **Enhancers:** Sequenties die de transcriptie sterk kunnen verhogen. Ze kunnen stroomopwaarts, stroomafwaarts of binnen genen liggen en werken onafhankelijk van hun oriëntatie. * **Silencers:** Sequenties die de transcriptie kunnen onderdrukken. * **Insulators:** Sequenties die de interactie tussen enhancers/silencers en promoters beperken, waardoor hun bereik wordt begrensd. * **Structuur van DNA-bindingsdomeinen van regulerende TF's:** * **Helix-turn-helix motief:** Eenvoudig motief gevonden in bacteriële TF's (bv. Lac repressor) en eukaryote homeotische TF's. Een herkenningshelix bindt aan de grote groef van DNA. * **Zink-vinger motief:** Bevat zink-ionen die worden gepositioneerd door cysteïne- of histidine-residuen. Veel zinkvingers kunnen aan elkaar gebonden zijn (bv. TFIIIA met 9 zinkvingers). * **Helix-lus-helix (HLH) motief:** Twee polypeptiden met HLH-domeinen dimeriseren en vormen een DNA-bindend domein. * **Leucine ritssluiting (Leucine zipper):** Twee alfa-helices met leucine-residuen op regelmatige afstanden vormen een coiled-coil structuur. Dit domein wordt vaak gecombineerd met een DNA-bindend domein. * **Gecoördineerde genexpressie:** Meerdere regulerende TF's binden aan verschillende controle-elementen op enhancers of silencers. Deze combinatie van bindingen bepaalt de uiteindelijke transcriptiesnelheid. Dit "combinatorische controle" maakt cel-type-specifieke expressie mogelijk. * **Enhancer-werking (Looping):** Activator-TF's op enhancers rekruteren co-activatoren, zoals histon-modificerende enzymen, chromatine-remodelleercomplexen en het mediatorcomplex. Deze complexen helpen RNA-polymerase II bij de promotor te komen en transcriptie te initiëren. Dit gebeurt vaak door DNA-looping, waarbij de enhancer-regio dichtbij de promotor wordt gebracht. * **DNA-respons-elementen (DRE's):** Specifieke DNA-sequenties waarop regulerende TF's binden als reactie op een signaal. * **Hormoonrespons-elementen (HRE's):** Gevonden voor steroïde- en schildklierhormonen. Hormoonreceptoren, die vaak zinkvinger TF's zijn, binden aan HRE's na binding van het hormoon, wat kan leiden tot activatie of onderdrukking van genen. * **cAMP-respons-element (CRE):** Bindt aan CREB (cAMP response element-binding protein) na fosforylering door PKA, wat leidt tot transcriptie-activatie en rekrutering van co-activator CBP. * **Interferon-stimulerend respons-element (ISRE):** Bindt aan STAT-transcriptiefactoren na activatie door interferonen. * **Heat-shock respons-element (HSRE):** Bindt aan heat-shock transcriptiefactor (HSTF) na blootstelling aan warmte, wat leidt tot transcriptie van hitte-shock genen. * **Homeotische genen:** Coderen voor homeotische TF's met een homeodomein (een helix-turn-helix DNA-bindend domein). Deze TF's zijn cruciaal voor embryonale ontwikkeling en het bepalen van het lichaamsplan. #### 1.3.4 Niveau 3: Post-transcriptionele controle (RNA-processing en nucleair export) * **Alternatieve splicing:** Een enkel pre-mRNA kan op verschillende manieren worden gespliced, wat resulteert in verschillende mRNA-isoformen en dus verschillende eiwitten. Dit wordt geregeld door regulatorische eiwitten die binden aan splicing enhancer- en silencer-sequenties. * **Alternatieve polyadenylering:** Verschillende poly(A)-staarten kunnen aan het 3'-uiteinde van mRNA worden toegevoegd, wat de stabiliteit en translatie-efficiëntie kan beïnvloeden. * **Nucleair export van mRNA's:** Alleen volwassen, correct verwerkte mRNA's worden als mRNPs (mRNA-proteïnecomplexen) via kernporiën naar het cytoplasma getransporteerd. Defecte mRNA's worden afgebroken. Sommige virussen (bv. HIV met Rev-proteïne) kunnen dit proces manipuleren. * **Functie van de poly(A)-staart:** Bescherming tegen exonucleasen, betrokken bij export uit de kern en initiatie van translatie. #### 1.3.5 Niveau 4: Translationele controle * **Initiatiefactoren (eIF's):** Regulatie van de translatie-initiatie, met name door fosforylering van eIF2 en eIF4E. * **Regeling via eIF2 fosforylering:** In afwezigheid van heem in rode bloedcellen wordt het eiwitkinase HCI geactiveerd en fosforyleert eIF2, wat de translatie blokkeert. In aanwezigheid van heem is HCI inactief en verloopt de translatie van globine. * **Regeling via eIF4E fosforylering:** Fosforylering van eIF4E (5'-cap-bindend eiwit) activeert de translatie-initiatie. Sommige virussen kunnen dit proces inhiberen of manipuleren. * **Allosterische translationele repressors:** Eiwitten die aan specifieke mRNA-responseelementen (bv. IRE in het 5'-UTR van ferritine-mRNA) binden en de translatie remmen. De activiteit van deze repressors kan worden geregeld door moleculen zoals ijzer. * **Regeling van mRNA-afbraak:** De levensduur van mRNA's (bepaald door de poly(A)-staartlengte en AU-rijke elementen in de 3'-UTR) beïnvloedt de hoeveelheid eiwit die gesynthetiseerd kan worden. Afbraak vindt plaats via het cytoplasmatisch exosome of in P-bodies (mRNA-processing bodies). * **Kleine RNA's (siRNA's, miRNA's, piRNA's):** Deze RNA-moleculen reguleren genexpressie door mRNA-degradatie of translatie-inhibitie. * **siRNA's (small interfering RNAs):** Worden gebruikt voor experimentele gen-uitschakeling (RNAi) en als natuurlijke verdediging tegen virussen. Ze leiden tot volledige complementariteit met het doel-mRNA en veroorzaken mRNA-afbraak. Kunnen ook transcriptie-inhibitie induceren. * **miRNA's (microRNAs):** Bindt op basis van partiële complementariteit aan doel-mRNA's, wat leidt tot translatie-inhibitie of mRNA-afbraak. Ze spelen een grote rol in de regulatie van genexpressie. * **piRNA's (Piwi-interacting RNAs):** Voornamelijk actief in geslachtscellen ter bescherming tegen transposon-activiteit door RNA-afbraak of transcriptie-inhibitie. * **Lange noncoding RNA's (lncRNA's):** >200 nucleotiden lange RNA's die genexpressie op verschillende niveaus kunnen reguleren, zoals transcriptie-inhibitie (bv. Xist RNA voor X-chromosoominactivatie) of door chromatine-modificerende complexen te targeten. #### 1.3.6 Niveau 5: Post-translationele controle * **Post-translationele modificaties:** Omkeerbare (bv. fosforylering, methylering) of permanente (bv. proteolytische knipping) veranderingen aan eiwitten die hun activiteit, stabiliteit of lokalisatie beïnvloeden. * **Regeling van eiwitconcentratie door eiwitafbraak:** De concentratie van een eiwit wordt bepaald door de balans tussen synthese en afbraak. Eiwitafbraak vindt plaats via proteasomen (ATP-afhankelijk) of lysosomen. * **Ubiquitinering:** Eiwitten worden gemarkeerd met ubiquitine, wat leidt tot herkenning door het proteasoom. E3-ligasen bepalen de substraatspecificiteit. * **Sumoylering:** Reguleert eiwitstabiliteit, nucleocytoplasmatisch transport en functie van transcriptiefactoren. * **Targeting van eiwitten:** Eiwitten worden naar hun juiste intra- of intercellulaire locaties getransporteerd. * **Interacties met regulatorische moleculen:** Eiwitten kunnen direct interageren met moleculen zoals cAMP of calciumionen om hun functie te moduleren. > **Tip:** Begrijp dat de regulatie in eukaryoten zich uitbreidt van de structuur van het DNA zelf (chromatine) tot de uiteindelijke activiteit en stabiliteit van het eiwit. De complexiteit maakt differentiatie en gespecialiseerde celtypen mogelijk. > **Tip:** Vergelijk de bacteriële aanpak (vaak via operons en snelle respons op nutriënten) met de eukaryote aanpak (meerdere lagen van controle voor complexere organismen, ontwikkeling en celtypespecifieke taken). > **Concept check:** Bacteriën reguleren genen vaak via operons, waarbij de default status "aan" is en repressie de genen uitschakelt. Eukaryoten hebben een "basale" transcriptie als default, die verhoogd kan worden door activatoren of verlaagd/uitgeschakeld door repressoren. > **Concept check:** Een mutatie in een UTR (vooral 3'-UTR) van een mRNA kan de binding van miRNA's of regulatorische eiwitten beïnvloeden, wat kan leiden tot veranderde expressiepatronen zonder de aminozuursequentie van het eiwit te veranderen. --- # Transcriptionele controle in eukaryoten Transcriptionele controle in eukaryoten is een complex proces dat bepaalt welke genen worden afgeschreven en in welke mate, en speelt een cruciale rol in de differentiatie van celtypen en de reactie op omgevingssignalen. ### 2.1 Algemene en regulerende transcriptiefactoren De regulatie van genexpressie op transcriptioneel niveau berust op de interactie tussen verschillende eiwitfactoren en specifieke DNA-sequenties. Deze factoren kunnen worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën: * **Algemene transcriptiefactoren (TF):** Deze zijn essentieel voor de transcriptie van vrijwel alle genen die door een bepaald type RNA-polymerase (bv. RNA pol II) worden gecodeerd. Ze binden aan de kernpromotor, een regio direct stroomopwaarts van het gen, en zijn noodzakelijk voor de rekrutering van RNA-polymerase om de transcriptie te initiëren. * **Regulerende transcriptiefactoren:** Deze factoren binden aan specifieke DNA-sequenties die zich buiten de kernpromotor bevinden. Ze kunnen de transcriptie van specifieke genen versterken (activatoren) of onderdrukken (repressors) en zijn cruciaal voor celtype-specifieke genexpressie en respons op signalen. #### 2.1.1 Structuur van DNA-bindingsdomeinen van regulerende TF Regulerende transcriptiefactoren bezitten gespecialiseerde DNA-bindingsdomeinen die hen in staat stellen om specifieke DNA-sequenties te herkennen en te binden. Enkele veelvoorkomende domeintypes zijn: * **Helix-turn-helix motief:** Dit motief, aanwezig in zowel bacteriële (bv. in Lac en Trp repressors) als eukaryotische transcriptiefactoren (bv. homeotische transcriptiefactoren), bestaat uit twee alfa-helices gescheiden door een lus. Een "herkenningshelix" bindt in de grote groeve van het DNA, terwijl een tweede helix de configuratie stabiliseert via hydrofobe interacties. * **Zink-vinger motief:** Dit domein maakt gebruik van zinkionen om de structuur van de eiwit-DNA-interactie te stabiliseren. Het bestaat typisch uit een alfa-helix en een bèta-plaat, waarbij cysteïnen of histidinen het zinkion positioneren. TFIIIA, een factor voor het 5S rRNA gen, heeft bijvoorbeeld negen zinkvingers. Steroïdhormoonreceptoren maken ook gebruik van zinkvingers. * **Helix-lus-helix motief:** Dit domein kenmerkt zich door een korte alfa-helix gevolgd door een langere herkennings-alfa-helix. Twee polypeptiden (identiek of verschillend) met dit motief kunnen dimeren vormen, waarbij hun herkenningshelices binden aan een specifiek DNA-segment. * **Leucine-ritssluiting (Leucine zipper):** Dit motief bestaat uit twee alfa-helices die rond elkaar wikkelen en een dubbele spiraal vormen. Leucine-residuen op regelmatige afstanden in deze helices zorgen voor hydrofobe interacties. Dimerisatie via dit motief, gecombineerd met bijkomende alfa-helices, faciliteert de binding in de grote groeve van het DNA. #### 2.1.2 Gecoördineerde genexpressie door binding van een TF op een DNA respons element Een **DNA respons element (DRE)** is een specifieke consensus DNA-sequentie waaraan een regulerende transcriptiefactor bindt om de expressie van een gen te reguleren. DRE's kunnen voorkomen in proximale controle-elementen of in enhancers/silencers. Wanneer een signaal uit de omgeving of een ontwikkelingsfase de activiteit van een regulerende TF beïnvloedt, kan deze TF alle genen in het genoom die voorzien zijn van het corresponderende DRE tegelijkertijd aan- of uitzetten. Dit mechanisme maakt gecoördineerde regulatie mogelijk van genen die verspreid over het genoom liggen. * **DNA respons elementen voor hormoonreceptoren:** Steroïdhormonen en schildklierhormonen zijn lipofiel en kunnen celmembranen passeren. Hormoonreceptoren (HR), vaak zinkvinger transcriptiefactoren, binden na hormoonbinding aan specifieke **hormoon respons elementen (HRE)** in het DNA. Deze binding kan de transcriptie activeren of, in sommige gevallen, onderdrukken (bv. door rekrutering van histon deacetylases, HDACs, die chromatinecondensatie bevorderen). * **DNA respons elementen voor CREB:** Het **cAMP respons element (CRE)** in het DNA reguleert genen waarvan de transcriptie wordt geactiveerd door cAMP. cAMP activeert proteïne kinase A (PKA), dat op zijn beurt CREB (cAMP response element-binding protein) fosforyleert. Fosforylering van CREB leidt tot de rekrutering van co-activatoren, zoals CBP (CREB binding protein), een histon acetyltransferase, wat leidt tot acetylering van histonen en een meer toegankelijk chromatine. * **DNA respons elementen voor STAT:** Na activatie door signalen zoals interferon, dimeriseren en fosforyleren STAT-eiwitten (Signal Transducer and Activator of Transcription). Deze STAT-dimeren transloceren naar de kern en binden aan **interferon stimulerende respons elementen (ISRE)** om de transcriptie te activeren. * **DNA respons elementen voor heat-shock TF (HSTF):** Warmte of andere stressfactoren activeren HSTF in het cytoplasma. Het geactiveerde HSTF transloceert naar de kern, bindt als trimeer op **heat-shock respons elementen (HSRE)**, en wordt verder gefosforyleerd om de transcriptie van heat-shock genen te activeren. Deze genen coderen voor o.a. moleculaire chaperones zoals Hsp70. * **Homeotische transcriptiefactoren:** Deze reguleren de embryonale ontwikkeling en de bepaling van het lichaamsplan. Homeotische genen coderen voor homeotische transcriptiefactoren die een **homeodomein** bezitten, een DNA-bindingsdomein van 60 aminozuren. Deze factoren binden aan specifieke DNA-sequenties en activeren of inhiberen genen die essentieel zijn voor de vorming van lichaamsdelen. Mutaties in deze genen kunnen leiden tot drastische veranderingen, zoals het ontstaan van poten op de plaats van antennes (Antennapedia-complex). De HOX-genen, belangrijk voor de anteroposterior as, zijn sterk geconserveerd. #### 2.1.3 Differentiële transcriptie in verschillende celtypen Cellen in een organisme verschillen aanzienlijk in hun transcriptoom (de verzameling van alle RNA-moleculen). Dit wordt grotendeels bepaald door de specifieke combinaties van regulerende transcriptiefactoren die in elke celtype aanwezig en actief zijn. ### 2.2 Promotor-proximale controle-elementen Deze controle-elementen bevinden zich dicht bij de kernpromotor van een gen en zijn betrokken bij de basale regulatie van de transcriptie. Voorbeelden zijn: * **GC box:** Een GC-rijke sequentie die vaak voorkomt in de promotors van veel genen. * **CAAT box:** Een CCAAT-sequentie die cruciaal is voor de efficiëntie van de transcriptie-initiatie. * **Octameer (ATTTGCAT):** Een sequentie die in verschillende genen wordt aangetroffen en door specifieke transcriptiefactoren wordt herkend. ### 2.3 Enhancers, silencers en insulators Deze sequenties spelen een sleutelrol in de fijnmazige regulatie van genexpressie en bevinden zich vaak op aanzienlijke afstand (zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts) van de gereguleerde genen. * **Enhancers:** Dit zijn DNA-sequenties die de transcriptie van een gen kunnen versterken. Een enhancer bestaat vaak uit meerdere **DNA controle-elementen**, waarbij elke sequentie specifieke **transcriptionele activatoren** bindt. * **Silencers:** Dit zijn DNA-sequenties die de transcriptie van een gen kunnen onderdrukken. Aan silencers binden **transcriptionele repressors**. * **Insulators:** Deze DNA-sequenties fungeren als barrières. Insulator-eiwitten binden aan deze sequenties en verhinderen dat activatoren en repressoren van nabijgelegen enhancers of silencers de genen waarop ze niet van toepassing zijn, beïnvloeden. Ze beperken de actie van enhancers en silencers tot specifieke genen. #### 2.3.1 Het werkingsmechanisme van enhancers Enhancers werken vaak door **looping** van het DNA. Transcriptionele activatoren, die een DNA-bindingsdomein en een activatiedomein bezitten, binden aan de enhancer. Het activatiedomein rekruteert vervolgens **co-activatoren**. Deze co-activatoren kunnen diverse functies hebben, waaronder het modificeren van histonen (bv. acetylering), het remodelleren van chromatine complexen, of het vormen van het **mediator complex**. Het mediator complex vormt een brug tussen de transcriptiefactoren op de enhancer en de algemene transcriptiefactoren en RNA-polymerase op de kernpromotor, wat leidt tot verhoogde transcriptie. ### 2.4 Combinatorische controle van genexpressie Eukaryotische genexpressie wordt gekenmerkt door **combinatorische controle**. Dit betekent dat de expressie van een gen niet wordt bepaald door de aanwezigheid van één enkele transcriptiefactor, maar door de specifieke combinatie van verschillende regulerende transcriptiefactoren die aan verschillende controle-elementen (in enhancers, silencers, proximale elementen) binden. * **Transcritionele activatoren (met DNA-bindingsdomein + activatiedomein):** Binden op enhancer sequenties en rekruteren co-activatoren. * **Transcritionele repressors (met DNA-bindingsdomein + repressiedomein):** Binden op silencer sequenties en rekruteren co-repressoren. Het netto-effect van de interactie tussen activatoren en repressoren bepaalt of een gen aan staat (hoge transcriptie), uit staat (geen transcriptie), of basaal wordt getranscribeerd. Dit combinatorische systeem maakt de enorme diversiteit aan celtypen en hun specifieke functionele eigenschappen mogelijk. > **Tip:** Het combineren van verschillende regulerende transcriptiefactoren op verschillende controle-elementen creëert een 'logische poort' voor genexpressie, waarbij alleen specifieke combinaties van signalen leiden tot de activatie van een gen. #### 2.4.1 Celtypen-specifieke expressie De verschillende celtypen in een organisme bezitten vrijwel hetzelfde genoom, maar hun functionele specialisatie is het gevolg van verschillende transcriptiepatronen. Dit wordt bereikt doordat verschillende celtypen verschillende sets van regulerende transcriptiefactoren tot expressie brengen. Deze transcriptiefactoren binden vervolgens aan specifieke DNA-sequenties (respons-elementen) om de expressie van genen te reguleren die essentieel zijn voor de specifieke functie van dat celtype. Nucleaire run-on assays kunnen worden gebruikt om de transcriptieactiviteit in verschillende celtypen te kwantificeren. --- # Regulatie van genexpressie op post-transcriptioneel niveau Dit document beschrijft de regulatie van genexpressie op post-transcriptioneel niveau in eukaryoten, inclusief RNA-processing, nucleair export, translatie en post-translationele modificaties. ## 3 Regulatie van genexpressie op post-transcriptioneel niveau Genexpressie wordt nauwkeurig gereguleerd op verschillende niveaus in eukaryoten, na de initiële transcriptie van DNA naar RNA. Deze post-transcriptionele mechanismen omvatten de bewerking van RNA, het transport ervan uit de kern, de efficiëntie van de translatie en modificaties aan de resulterende eiwitten. Deze lagen van controle zorgen voor een fijnmazige regulatie van genproductie, wat essentieel is voor celtype-specifieke functies en reacties op omgevingssignalen. ### 3.1 Controle van RNA-processing en nucleair export (3e niveau) Na transcriptie ondergaat pre-mRNA diverse bewerkingsstappen voordat het als volwassen mRNA de celkern kan verlaten voor translatie in het cytoplasma. #### 3.1.1 Alternatieve splicing en polyadenylering * **Alternatieve splicing:** Dit proces maakt het mogelijk om uit één enkel gen verschillende eiwitisoformen te genereren. Regulatorische eiwitten en kleine nucleaire RNA's (snoRNA's) binden aan specifieke sequenties op het pre-mRNA, de zogenaamde *splicing enhancer* en *silencer* sequenties. Deze bindingen beïnvloeden de selectie van introns en exons tijdens het splicingproces. Splicing enhancer- en silencer-sequenties kunnen zich zowel in exons als in introns bevinden. * **Polyadenylering:** De 3'-uiteinde van het mRNA wordt verwerkt door de toevoeging van een poly(A)-staart. Dit gebeurt na herkenning van een AAUAAA sequentie, gevolgd door knipping 10-35 nucleotiden stroomafwaarts en de daaropvolgende toevoeging van de poly(A)-staart door poly(A)-polymerase. Dit proces eindigt de transcriptie en heeft meerdere functies: * Bescherming tegen exonucleasen. * Betrokkenheid bij de export van mRNA uit de kern naar het cytoplasma. * Belangrijk voor de initiatie van translatie. Hoewel de meeste mRNA's een poly(A)-staart hebben, bestaan er uitzonderingen van transcripts zonder deze staart. #### 3.1.2 Nucleair export van mRNA's Niet alle gesynthetiseerde mRNA's worden geëxporteerd uit de kern. Defecte mRNA's worden geïdentificeerd en afgebroken. Alleen volwassen, correct verwerkte mRNA's worden als *messenger ribonucleoprotein complexes* (mRNP's) - bestaande uit mRNA en verschillende gebonden eiwitten, zoals het Exon Junction Complex (EJC) - via de kernporiën naar het cytoplasma getransporteerd. * **Gereguleerde export:** In sommige gevallen, zoals bij infectie met het HIV-virus, kan de nucleaire export worden geregeld. Het HIV-virus produceert het Rev-eiwit, dat een nucleair exportsignaal bezit. Dit eiwit bindt aan specifiek HIV-mRNA in de kern en faciliteert de transport ervan door de kernporiën naar het cytoplasma. ### 3.2 Translationele controle (4e niveau) De translationele controle richt zich op de efficiëntie waarmee mRNA wordt omgezet in eiwitten. Dit kan gebeuren door regulatie van de initiatie van translatie, de activiteit van translationele repressors, de afbraak van mRNA, en de actie van kleine RNA-moleculen. #### 3.2.1 Controle via eukaryotische initiatiefactoren (eIFs) Eukaryotische initiatiefactoren spelen een cruciale rol bij de translatie-initiatie. * **Fosforylering van eIF2:** eIF2 is essentieel voor translatie-initiatie. Fosforylering van eIF2 door specifieke proteïnekinasen kan de translatie-initiatie remmen. Een voorbeeld hiervan is het heem-gecontroleerde inhibitor (HCI) kinase in rode bloedcellen. In aanwezigheid van heem (essentieel voor hemoglobine) is HCI inactief en kan de translatie van globine-mRNA's (die meer dan 90% van de eiwitten in deze cellen vormen) plaatsvinden. In afwezigheid van heem wordt HCI actief, fosforyleert het eIF2, wat leidt tot een blokkade van translatie-initiatie. * **Fosforylering van eIF4E:** eIF4E is een cap-bindend eiwit dat onderdeel is van het eIF4F-complex, cruciaal voor de initiatie van translatie door de 5'-cap van het mRNA te herkennen. Fosforylering van eIF4E activeert het complex. Sommige virussen kunnen deze fosforylering blokkeren. Andere virussen produceren proteasen die eIF4G (een ander onderdeel van eIF4F) in fragmenten knippen. Eén fragment kan nog steeds binden aan de 5'-cap, terwijl het andere kan binden aan een *internal ribosome entry sequence* (IRES) op viraal mRNA, waardoor selectief virale eiwitten worden getranslateerd ten koste van cellulaire eiwitten. #### 3.2.2 Allosterische translationele repressors Deze eiwitten reguleren de translatie van specifieke mRNA's door binding op regulatoire elementen in het mRNA, vaak in de *untranslated regions* (UTRs). * **Voorbeeld: IJzerregulatie van ferritine:** Ferritine is een eiwit dat ijzer intracellulair opslaat. Bij hoge ijzerconcentraties is er meer ferritine nodig. Het mRNA voor ferritine bevat een ijzer-respons element (IRE) in de 5'-UTR. Een IRE-bindend eiwit fungeert als een translationele repressor. In afwezigheid van ijzer bindt dit eiwit aan de IRE en blokkeert het de translatie van ferritine-mRNA. Bij hoge ijzerconcentraties bindt ijzer aan het repressor-eiwit, waardoor het zijn affiniteit voor de IRE verliest. Het eiwit dissocieert, waardoor de translatie van ferritine-mRNA wordt geactiveerd. #### 3.2.3 Translationele controle door regulatie van mRNA-afbraak De levensduur van mRNA-moleculen kan sterk variëren, wat een belangrijke factor is in genexpressieregulatie. * **Halfwaardetijd van mRNA:** De tijd die nodig is om 50% van een mRNA-molecuul af te breken, varieert van minder dan 30 minuten tot 10 uur. De levensduur wordt beïnvloed door de lengte van de poly(A)-staart en het aantal AU-rijke elementen in de 3'-UTR. * **Mechanismen van mRNA-afbraak:** * **3' → 5' pathway:** Inkorting van de poly(A)-staart, verwijdering van poly(A)-bindende eiwitten, en afbraak van het mRNA in 3'→5' richting door exonucleasen van het cytoplasmatisch exosoom, gevolgd door afbraak van de 5'-cap door een cap-afbrekend enzym. * **5' → 3' pathway:** Inkorting van de poly(A)-staart, verwijdering van de 5'-cap, en afbraak van het mRNA in 5'→3' richting door exonucleasen die zich bevinden in cytoplasmatische structuren, bekend als P-bodies (*mRNA processing bodies*). * **Regulatie via ijzer:** Net zoals bij ferritine, kan mRNA-afbraak worden gereguleerd door ijzer. Transcripten met een IRE in de 3'-UTR kunnen bijvoorbeeld worden beïnvloed door ijzerconcentraties. #### 3.2.4 Small RNAs: siRNAs, miRNAs en piRNAs Kleine RNA-moleculen spelen een cruciale rol bij het uitschakelen van genexpressie via RNA-interferentie (RNAi) en andere mechanismen. * **RNA-interferentie (RNAi):** Dit is een proces waarbij dubbelstrengig RNA (dsRNA) leidt tot de afbraak van complementaire mRNA's of tot de inhibitie van translatie. Het werd oorspronkelijk ontdekt als een afweermechanisme tegen dsRNA-virussen in planten en *C. elegans*. Een RNA-afhankelijk RNA-polymerase (RdRP) kan de RNAi-respons versterken. * **siRNAs (small interfering RNAs):** dsRNA wordt door het enzym DICER verwerkt tot ds siRNA's van 21-22 nucleotiden lang. Deze worden in het RNA-induced silencing complex (RISC) opgenomen, wat leidt tot mRNA-afbraak (bij volledige complementariteit) of translatie-inhibitie (bij partiële complementariteit). siRISC kan ook binden aan DNA en leiden tot transcriptie-inhibitie door rekrutering van DNA- of histon-methyltransferasen. * **miRNAs (microRNAs):** miRNAs ontstaan uit lange primaire microRNAs (pri-miRNAs) die door DROSHA worden verwerkt tot precursor miRNAs (pre-miRNAs). DICER verwerkt deze verder tot enkelstrengige miRNAs die in een miRISC-complex worden opgenomen. miRNAs binden aan mRNAs via partiële of volledige complementariteit en reguleren genexpressie voornamelijk door translatie-inhibitie, maar ook door mRNA-afbraak. Ze spelen een rol bij de regulatie van ongeveer 1000 genen bij zoogdieren. * **piRNAs (Piwi-interacting RNAs):** piRNAs zijn langer (ca. 24-31 nucleotiden) en worden afgeschreven van piRNA-clusters die bestaan uit transposon-elementen. Ze binden aan Piwi-eiwitten (onderdeel van argonaut-eiwitten) in een piRISC-complex. piRNAs beschermen de geslachtscellen tegen transposon-activiteit door de afbraak van transposon-RNA en de inhibitie van transposon-transcriptie. * **Experimentele toepassing van RNAi:** Door kunstmatig dsRNA of korte hairpin RNA (shRNA) in te brengen, kan genexpressie experimenteel worden uitgeschakeld. Dit wordt gebruikt voor genoom-wijde screens en heeft therapeutisch potentieel. #### 3.2.5 Long non-coding RNAs (lncRNAs) Lange non-coderende RNA's (lncRNA's) zijn RNA-moleculen langer dan 200 nucleotiden die genexpressie op verschillende niveaus kunnen reguleren. * **In cis inhibitie:** LncRNA's kunnen de transcriptie van dichtbij gelegen genen of zelfs hele chromosomen inhiberen, zoals Xist RNA dat betrokken is bij de inactivatie van het X-chromosoom. Dit gebeurt vaak op een sequentie-onafhankelijke manier door het rekruteren van chromatine-modificerende enzymen. * **In trans inhibitie:** LncRNA's kunnen ook in *trans* (op andere loci, zelfs op andere chromosomen) werken door te associëren met chromatine-regulerende complexen en deze naar specifieke doelwitlocaties te leiden. HOTAIR is een voorbeeld van een lncRNA dat gesynthetiseerd wordt in de HOXC-cluster, maar de expressie van de HOXD-cluster (op een ander chromosoom) reguleert door het PRC2-complex te targeten. ### 3.3 Post-translationele controle (5e niveau) De laatste laag van regulatie vindt plaats na de synthese van het eiwit en omvat modificaties, targeting, en afbraak van het eiwit. #### 3.3.1 Post-translationele modificaties Deze modificaties kunnen de functie, activiteit, stabiliteit of lokalisatie van een eiwit veranderen. * **Omkeerbare modificaties:** Voorbeelden zijn fosforylering en defosforylering, die vaak dienen als schakelaars voor eiwitactiviteit. * **Permanente modificaties:** Dit omvat proteolytische knipping, waarbij een eiwit wordt doorgesneden om een actieve vorm te genereren. #### 3.3.2 Regeling van eiwitvouwing en targeting Post-translationele aanpassingen kunnen essentieel zijn voor de correcte vouwing van eiwitten en voor hun correcte intracellulaire of extracellulaire lokalisatie. #### 3.3.3 Interacties met regulatorische moleculen of ionen Eiwitten kunnen hun activiteit aanpassen door interacties met kleine moleculen (zoals cAMP) of ionen (zoals calciumionen $Ca^{2+}$). #### 3.3.4 Regeling van eiwitconcentratie door eiwitafbraak De uiteindelijke concentratie van een eiwit in de cel wordt bepaald door de balans tussen de snelheid van synthese en de snelheid van afbraak. * **Eiwitafbraak door proteasomen:** De meeste eiwitafbraak in de cel vindt plaats via het proteasoom. Dit is een ATP-afhankelijk proteolytisch complex dat abnormaal gevouwen, beschadigde of gereguleerde eiwitten afbreekt. * **Ubiquitinering:** Eiwitten worden voor afbraak door het proteasoom gemarkeerd met een keten van ubiquitine-moleculen. Dit proces wordt gekatalyseerd door een reeks enzymen: E1 (ubiquitine-activerend enzym), E2 (ubiquitine-conjugerend enzym) en E3 (ubiquitine ligase). De E3 ligasen zijn cruciaal voor de substraatspecificiteit en herkennen specifieke sequenties of structuren (degrons) op doelwit-eiwitten, zoals N-terminale aminozuren of interne aminozuursequenties. Ook defecte eiwitten worden herkend en geubiquitineerd. * **Sumoylering:** Kleine ubiquitin-gerelateerde modificatoren (SUMO's) kunnen aan eiwitten worden gebonden en reguleren de eiwitstabiliteit, nucleocytoplasmatisch transport, en de functie van transcriptiefactoren. * **Eiwitafbraak via lysosomen:** Hoewel minder selectief dan proteasomale afbraak, kunnen eiwitten ook via lysosomen worden afgebroken (microautofagie). #### 3.3.5 DNA-editing enzymen en hun regulatie Sommige enzymen, zoals APOBEC3G (een deaminerend enzym), kunnen DNA-sequenties modificeren. Dit heeft antivirale functies maar kan ook leiden tot mutaties. Het HIV-virus produceert bijvoorbeeld het Vif-eiwit, dat APOBEC3G herkent, ubiquitineert, en daardoor afbraak via het proteasoom bevordert. > **Tip:** Het centrale dogma van de moleculaire biologie omvat replicatie, transcriptie en translatie. Post-transcriptionele regulatie voegt meerdere lagen van controle toe die cruciaal zijn voor de complexiteit van eukaryote genexpressie. Deze niveaus zijn: 1) genomische controle, 2) transcriptionele controle, 3) RNA-processing en nucleair export, 4) translationele controle, en 5) post-translationele controle. --- # Rol van kleine RNA's in genexpressieregulatie Kleine RNA's spelen een cruciale rol in genexpressieregulatie door middel van mRNA-afbraak, translatie-inhibitie of transcriptie-inhibitie. ### 4.1 Inleiding tot kleine RNA's en RNA-interferentie (RNAi) RNA-interferentie (RNAi) is een mechanisme dat leidt tot transcriptionele en post-transcriptionele gen silencing, waarbij genexpressie wordt onderdrukt door kleine RNA-moleculen. Dit proces werd oorspronkelijk ontdekt als een verdedigingsmechanisme tegen dubbelstrengig RNA (dsRNA) virussen in planten en C. elegans. RNA-afhankelijke RNA-polymerases (RdRP's) versterken de RNAi respons. Er zijn drie belangrijke RNAi-paden: siRNA's, miRNA's en piRNA's. RNAi maakt het mogelijk om genexpressie experimenteel uit te schakelen in zoogdiercellen en heeft therapeutisch potentieel. ### 4.2 De siRNA-pathway siRNA's (small interfering RNAs) worden gegenereerd uit lang dsRNA. Dit dsRNA kan afkomstig zijn van virussen, synthetisch ingebrachte dsRNA-moleculen, of door plasmiden die een inverted repeat tot expressie brengen, waardoor een haarspeldstructuur ontstaat. * **Generatie:** Lang dsRNA wordt door het enzym DICER verwerkt tot dsRNA-moleculen van ongeveer 21-22 nucleotiden. * **RISC-complex vorming:** Een van de strengen van het dsRNA wordt opgenomen in het RNA-induced silencing complex (RISC), dat een argonaut-eiwit bevat, resulterend in siRISC. * **Mechanismen van silencing:** * **mRNA-afbraak:** Als het siRNA volledig complementair is aan het doel-mRNA, initieert siRISC de afbraak van het mRNA door een ribonuclease-activiteit. * **Translatie-inhibitie:** Bij partiële complementariteit kan siRISC de translatie van het mRNA inhiberen. * **Transcriptie-inhibitie:** siRISC kan ook in de kern binden aan DNA en daar DNA- of histon-methyltransferases rekruteren, wat leidt tot transcriptie-inhibitie. * **Doelwit:** siRNA's richten zich op virale mRNA's of endogene mRNA's/DNA wanneer het dsRNA complementair is aan deze sequenties (voornamelijk in planten en C. elegans). ### 4.3 De miRNA-pathway miRNA's (microRNAs) zijn kleine niet-coderende RNA-moleculen die genexpressie reguleren door binding aan doel-mRNA's. Ze worden gecodeerd door specifieke miRNA-genen. * **Generatie:** * miRNA-genen worden getranscribeerd tot lange primaire microRNAs (pri-miRNA's) met een hairpin-structuur. * DROSHA verwerkt de pri-miRNA's tot precursor miRNAs (pre-miRNA's) die nog steeds een hairpin-structuur hebben. * Deze pre-miRNA's worden uit de kern getransporteerd en door DICER verwerkt tot enkelstrengs miRNA's. * **RISC-complex vorming:** Het enkelstrengs miRNA wordt opgenomen in het miRISC-complex. * **Mechanismen van silencing:** * **Translatie-inhibitie:** Als het miRNA gedeeltelijk complementair is aan het doel-mRNA, leidt binding van miRISC tot inhibitie van de translatie. Dit is de meest voorkomende modus. * **mRNA-afbraak:** Bij volledige complementariteit kan miRISC leiden tot de afbraak van het mRNA. * **Doelwit:** Circa duizend miRNA-genen zijn geïdentificeerd bij zoogdieren. Eén miRNA kan reversibel binden aan ongeveer 200 verschillende mRNA's, en één mRNA kan door verschillende miRNA's gebonden worden. De binding vindt vaak plaats in de 3'-UTR van het mRNA. ### 4.4 De piRNA-pathway piRNA's (Piwi-interacting RNAs) zijn een klasse van kleine RNA's die voornamelijk in geslachtscellen voorkomen en een cruciale rol spelen bij de bescherming van het genoom tegen de activiteit van transposons. * **Generatie:** piRNA's worden afgeleid van lange enkelstrengs RNA's die worden afgeschreven van specifieke piRNA-clusters. Deze clusters bevatten transposon-sequenties. * **RISC-complex vorming:** piRNA's binden aan eiwitten van de Piwi-familie, die behoren tot de argonaut-eiwitfamilie, en vormen zo een piRISC-complex. * **Mechanismen van silencing:** * **RNA-afbraak van transposons:** piRNA's kunnen binden aan RNA afkomstig van transposons, wat leidt tot de afbraak van dit RNA. * **Transcriptie-inhibitie van transposons:** piRNA's kunnen ook binden aan transposons op DNA-niveau en de transcriptie ervan inhiberen. * **Doelwit:** piRNA's richten zich op transposon RNA en DNA, ter bescherming van de germline-cellen tegen genoominstabiliteit veroorzaakt door mobiele genetische elementen. ### 4.5 Experimentele toepassing en therapeutisch potentieel De mogelijkheid om genexpressie via RNAi uit te schakelen, heeft geleid tot de ontwikkeling van krachtige experimentele tools. * **Genoom-wijde screening:** RNAi-screens kunnen worden gebruikt om de functie van elk gen in een organisme te bestuderen. * **Therapeutische toepassingen:** De modulatie van genexpressie door kleine RNA's biedt potentieel voor de behandeling van diverse ziekten. Synthetische siRNA's kunnen worden gebruikt om specifieke mRNA's te laten afbreken, en korte haarspeld-RNA's (shRNA's) die in een haarspeldstructuur worden geproduceerd, kunnen op vergelijkbare wijze worden ingezet. > **Tip:** Begrijp de verschillen in de inputmoleculen (dsRNA voor siRNA, pri-miRNA voor miRNA, lange enkelstrengs RNA voor piRNA) en de primaire mechanismen (afbraak vs. translatie-inhibitie) voor elk type klein RNA. Let ook op de specifieke functies en locaties (bv. geslachtscellen voor piRNA). > **Voorbeeld:** Een mutatie in een 3'-UTR-sequentie van een mRNA kan de binding van een specifiek miRNA verstoren. Dit kan leiden tot een verhoogde expressie van het eiwit dat door dit mRNA wordt gecodeerd, omdat de normale post-transcriptionele repressie wegvalt. Dit is relevant voor concept check 20.4. --- ## 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 | |------|------------| | Transcriptiefactoren (TF) | Eiwitten die zich binden aan specifieke DNA-sequenties om de transcriptie van genen te reguleren. Ze kunnen zowel transcriptie activeren als onderdrukken. | | Kernpromotor | Een DNA-sequentie gelegen direct stroomopwaarts van het startpunt van transcriptie, waar de RNA-polymerase en algemene transcriptiefactoren binden om de transcriptie te initiëren. | | Proximale controle elementen | DNA-sequenties die zich nabij de kernpromotor bevinden en waaraan regulerende transcriptiefactoren kunnen binden om de transcriptiesnelheid te moduleren. Voorbeelden zijn de GC-box en CAAT-box. | | Enhancer | Een DNA-regio die de transcriptie van een gen kan versterken, ongeacht de afstand of oriëntatie ten opzichte van de promotor. Vele transcriptieactivatoren binden aan enhancers. | | Silencer | Een DNA-regio die de transcriptie van een gen kan onderdrukken. Transcriptierepressoren binden aan silencers om de genexpressie te verminderen. | | Insulator | DNA-sequenties die functioneren als grenzen om de invloed van enhancers en silencers op aangrenzende genen te beperken en zo de genexpressie nauwkeurig te regelen. | | Transcriptionele activator | Een transcriptiefactor die bindt aan een enhancer of ander regulerend element om de transcriptie te starten of te verhogen. Ze rekruteren vaak co-activatoren. | | Transcriptionele repressor | Een transcriptiefactor die bindt aan een silencer of ander regulerend element om de transcriptie te remmen of te verlagen. Ze kunnen co-repressoren rekruteren. | | Reporter gen | Een gen dat wordt gebruikt om de activiteit van een promotor of enhancer te meten. Het gen codeert voor een waarneembaar eiwit, zoals b-galactosidase (LacZ). | | DNA-bindingsdomein | Een specifiek deel van een transcriptiefactor dat direct interactie aangaat met DNA-sequenties om de transcriptie te reguleren. | | Helix-turn-helix motief | Een veelvoorkomend DNA-bindingsmotief in transcriptiefactoren, bestaande uit twee alfa-helices verbonden door een lus, dat zich in de grote groeve van het DNA bindt. | | Zink-vinger motief | Een DNA-bindingsmotief dat zinkionen gebruikt voor stabilisatie. Het bestaat typisch uit een alfa-helix en een b-plaat, die met cysteïne of histidine residuen aan zink binden. | | Helix-lus-helix motief | Een eiwitdomein dat dimere vorming bevordert en deel uitmaakt van veel transcriptiefactoren. Twee van deze domeinen kunnen samen binden aan DNA-respons elementen. | | Leucine ritssluiting (Leucine zipper) | Een dimere interface in transcriptiefactoren, waarbij leucine residuen op regelmatige intervallen langs een alfa-helix elkaar aanvullen en een dubbele spiraal vormen, wat de DNA-binding vergemakkelijkt. | | DNA respons element | Een specifieke consensus DNA-sequentie waarop een regulerende transcriptiefactor bindt om de expressie van een of meerdere genen te coördineren, ongeacht hun locatie in het genoom. | | Hormoonrespons element (HRE) | Een DNA-sequentie die door een hormoonreceptor (na binding van een hormoon) herkend wordt, waardoor de transcriptie van specifieke genen wordt gereguleerd. | | cAMP respons element (CRE) | Een DNA-sequentie waaraan het CREB-eiwit (na fosforylering) bindt om de transcriptie van cAMP-gereguleerde genen te activeren, vaak via rekrutering van co-activator CBP. | | Interferon stimulerend respons element (ISRE) | Een DNA-sequentie die de transcriptie van interferongerelateerde genen activeert, vaak door binding van gefosforyleerde STAT-eiwitten na een virale infectie. | | Heat-shock respons element (HSRE) | Een DNA-sequentie die voorkomt in hitte-schok genen. Wanneer cellen worden blootgesteld aan hitte, bindt de geactiveerde heat-shock transcriptiefactor (HSTF) aan HSREs om de transcriptie te induceren. | | Homeotische genen | Genen die coderen voor homeotische transcriptiefactoren. Deze factoren spelen een cruciale rol in de embryonale ontwikkeling door het bepalen van het lichaamsplan en de identiteit van segmenten. | | Homeodomein | Een DNA-bindend domein van ongeveer 60 aminozuren dat kenmerkend is voor homeotische transcriptiefactoren en gebaseerd is op het helix-turn-helix motief. | | Alternatieve splicing | Een proces waarbij verschillende combinaties van exons uit een pre-mRNA worden samengevoegd, wat resulteert in de productie van verschillende mRNA-moleculen en eiwitvarianten uit hetzelfde gen. | | Polyadenylering | Het toevoegen van een reeks adeninenucleotiden (poly(A)-staart) aan het 3'-uiteinde van een mRNA-molecuul. Dit beschermt het mRNA tegen afbraak en is betrokken bij export en translatie-initiatie. | | Nucleair export | Het proces waarbij mature mRNA-moleculen vanuit de celkern naar het cytoplasma worden getransporteerd via kernporiën, meestal in de vorm van ribonucleoproteïnen (mRNPs). | | Translationele controle | Regulatie van genexpressie op het niveau van translatie, waarbij de snelheid waarmee mRNA wordt omgezet in eiwit wordt bepaald. | | Eukaryotische initiatiefactoren (eIFs) | Eiwitten die essentieel zijn voor de initiatie van translatie in eukaryoten. Hun activiteit kan gereguleerd worden door fosforylering. | | Allosterische translationele repressors | Moleculen die de translatie van specifieke mRNA's reguleren door te binden aan respons-elementen op het mRNA en zo de ribosoombinding of -beweging te belemmeren. | | mRNA afbraak | Het proces van afbraak van mRNA-moleculen, wat een belangrijke manier is om de genexpressie te reguleren. De levensduur van mRNA wordt beïnvloed door factoren als de poly(A)-staart en UTR-sequenties. | | Small RNAs (siRNA, miRNA, piRNA) | Kleine, niet-coderende RNA-moleculen die een sleutelrol spelen in genregulatie door mRNA-degradatie, translatie-inhibitie, of zelfs transcriptie-inhibitie te induceren. | | RNA-interference (RNAi) | Een biologisch proces waarbij kleine RNA-moleculen de genexpressie uitschakelen door het mRNA van een doelgen te degraderen of de translatie ervan te blokkeren. | | siRNA (small interfering RNA) | Een type klein RNA dat betrokken is bij RNA-interference. siRNA's worden vaak gegenereerd uit dubbelstrengig RNA en leiden tot de afbraak van complementaire mRNA's. | | miRNA (microRNA) | Een klasse van kleine, endogene RNA's die de genexpressie reguleren door te binden aan complementaire sequenties in mRNA's, wat leidt tot translatie-inhibitie of mRNA-degradatie. | | piRNA (Piwi-interacting RNA) | Een klasse van kleine RNA's die voornamelijk in geslachtscellen voorkomen en betrokken zijn bij de silencing van transposons en de instandhouding van de genoomintegriteit. Ze binden aan Piwi-eiwitten. | | LncRNA (long noncoding RNA) | Lange RNA-moleculen (>200 nucleotiden) die geen eiwitten coderen, maar verschillende regulerende functies hebben op transcriptie-, post-transcriptionele en epigenetische niveaus. | | Post-translationele controle | Regulatie van genexpressie na de synthese van een eiwit, via modificaties zoals fosforylering, afbraak, of herlokalisatie, die de activiteit en stabiliteit van het eiwit beïnvloeden. | | Proteasoom | Een groot eiwitcomplex in eukaryote cellen dat verantwoordelijk is voor de selectieve afbraak van ubiquitineerde eiwitten. | | Ubiquitinering | Het proces waarbij ubiquitine, een klein eiwit, wordt gekoppeld aan een doelwit-eiwit. Dit kan leiden tot de afbraak van het eiwit door het proteasoom. | | Sumoylering | Het proces waarbij SUMO-eiwitten (Small Ubiquitin-related Modifiers) worden gekoppeld aan doelwit-eiwitten. Dit kan de stabiliteit, lokalisatie en functie van eiwitten, met name transcriptiefactoren, beïnvloeden. | | Exosome | Een ribonucleoproteïnecomplex dat betrokken is bij de afbraak van RNA-moleculen in zowel de kern als het cytoplasma. | | P-bodies | Cytoplasmatische aggregaten die betrokken zijn bij mRNA-verwerking, opslag en afbraak. | | Genomische controle | Regulatie van genexpressie op het niveau van de chromatine-structuur, inclusief DNA-methylering en histonmodificaties, die de toegankelijkheid van genen voor transcriptie beïnvloeden. | | Transcriptionele controle | Regulatie van genexpressie op het niveau van het starten en de snelheid van RNA-synthese. | | RNA processing & RNA export | Regulatie op het niveau van het verwerken van pre-mRNA tot mature mRNA, inclusief splicing en polyadenylering, en het transport van mRNA uit de kern. | | Translationele controle | Regulatie op het niveau van de eiwitsynthese (translatie) uit mRNA. | | Post-translationele controle | Regulatie op het niveau van het eiwit zelf, na de translatie, via modificaties of afbraak. |

# Les caractéristiques de la réplication de l'ADN chez les eucaryotes La réplication de l'ADN chez les eucaryotes présente des particularités liées à la structure complexe de leur génome, notamment la présence de chromosomes linéaires, la compaction par les histones et la nécessité d'une coordination rigoureuse avec le cycle cellulaire. ### 1.1 Organisation du génome eucaryote et origines de réplication Contrairement aux procaryotes, les eucaryotes possèdent des chromosomes linéaires dont la taille et le nombre de paires de bases varient considérablement entre les espèces. L'ADN est intimement associé aux histones, formant des nucléosomes, qui constituent la structure de base de la chromatine. Les boucles chromosomiques pourraient fonctionner comme des domaines de réplication indépendants, similaires à des molécules circulaires ancrées à la matrice nucléaire [3](#page=3). La réplication de l'ADN eucaryote commence à de nombreuses origines de réplication réparties le long des chromosomes (estimées à 30 000 chez l'homme). Ce nombre élevé d'origines permet une duplication complète du matériel génétique dans un laps de temps compatible avec la division cellulaire. Il est important de noter que toutes les origines ne sont pas activées simultanément; leur activation est régulée au cours de la phase S du cycle cellulaire [3](#page=3). Contrairement à certaines séquences spécifiques chez les procaryotes, les origines de réplication chez l'homme ne présentent pas de régions de séquences définies. Ce sont plutôt des séquences larges, riches en adénine et thymine (AT), autour desquelles les complexes d'origines de réplication (ORC) s'assemblent [5](#page=5). ### 1.2 Modifications structurelles pour la réplication La réplication de l'ADN nécessite des modifications transitoires de la structure des nucléosomes. L'histone H1, par exemple, est phosphorylée avant la mitose, puis déphosphorylée après le déroulement du chromosome, facilitant ainsi l'accès des enzymes de réplication. La topoisomérase II est également produite en grande quantité pour aider à résoudre les problèmes de sur-enroulement de l'ADN lors de la réplication [4](#page=4). ### 1.3 Coordination avec le cycle cellulaire La réplication de l'ADN est un événement strictement contrôlé et coordonné avec le cycle cellulaire pour garantir qu'elle n'ait lieu qu'une seule fois par cycle et avant la division cellulaire. Le début de la réplication est programmé pour le début de la phase S du cycle cellulaire [6](#page=6). Ce contrôle est médiatisé par des protéines régulatrices appelées cyclines, qui se fixent à des protéines kinases dépendantes des cyclines (Cdk) et les activent [6](#page=6). * Le complexe **[CDK2-Cycline E]**, connu sous le nom de G1/S-Cdk, est crucial pour le passage de la cellule de la phase G1 à la phase S [7](#page=7). * La progression au sein de la phase S est principalement assurée par le complexe **[CDK2-Cycline A]**, appelé S-Cdk, qui déclenche activement la réplication de l'ADN [7](#page=7). Une des Cdk spécifiques (cdk2) joue un rôle dans la régulation de la réplication en se fixant aux assemblages des origines de réplication [6](#page=6). ### 1.4 Initiation de la réplication L'initiation de la réplication implique des facteurs clés tels que le Facteur de Licence de Réplication (RLF), comprenant Cdc6 et Cdt1, ainsi que le complexe Mcm (Minichromosome maintenance). Ces facteurs sont essentiels pour préparer les origines de réplication à l'initiation [8](#page=8). ### 1.5 Élongation de la réplication Deux polymérases d'ADN distinctes sont nécessaires pour copier un réplicon chez les eucaryotes [9](#page=9). * **Polymérase initiatrice : Polymérase α** * Elle initie la réplication en synthétisant un segment d'ADN [9](#page=9). * Cette polymérase possède une sous-unité primase qui synthétise l'amorce d'ARN nécessaire au début de la synthèse de l'ADN [10](#page=10). * Elle ajoute un segment d'environ 20 nucléotides à l'amorce d'ARN [10](#page=10). * Elle est ensuite remplacée par une enzyme plus processive pour poursuivre l'élongation [9](#page=9). * **Polymérases principales réplicatives : Polymérase ε et δ** * Ces deux polymérases sont les principales enzymes responsables de la réplication de l'ADN chez les eucaryotes [9](#page=9). Le processus d'élongation implique également d'autres facteurs : * Le **Facteur C de réplication (RFC)** déplace la polymérase α une fois que la synthèse de l'amorce est terminée [10](#page=10). * Le RFC recrute ensuite un **clamp coulissant, le PCNA** (antigène nucléaire de prolifération cellulaire), qui est l'homologue de la sous-unité β de la polymérase III chez les procaryotes [10](#page=10). * La fixation de la **polymérase δ** au PCNA confère à cette enzyme une très haute processivité, lui permettant de synthétiser de longs segments d'ADN sans dissociation [10](#page=10). > **Tip:** La distinction entre polymérase initiatrice et polymérases principales est une caractéristique clé de la réplication eucaryote, permettant une initiation précise et une élongation efficace. > **Tip:** Le PCNA est souvent utilisé comme marqueur de prolifération cellulaire dans les études histologiques. --- # Les télomères et leur rôle dans la réplication Les télomères sont des structures essentielles situées aux extrémités des chromosomes eucaryotes, jouant un rôle crucial dans le maintien de l'intégrité génomique lors de la réplication de l'ADN. ### 2.1 Structure et composition des télomères Les télomères sont constitués de courtes séquences répétées, riches en guanine et en thymine. Chez l'homme, cette séquence est répétée plusieurs milliers de fois sous la forme 5' TTAGGG 3'. Chaque extrémité chromosomique présente une extension monocaténaire en 3'. Ces séquences monotones sont associées à des protéines spécifiques telles que hTRF1 et hTRF2. Cette structure particulière permet d'utiliser les télomères comme de nouvelles origines de réplication [12](#page=12). ### 2.2 Le problème de la réplication des extrémités chromosomiques La synthèse du brin discontinu, lors de la réplication de l'ADN, ne permet pas de copier intégralement les extrémités des chromosomes linéaires. En effet, l'amorçage par l'ARN polymérase nécessite une séquence d'ADN comme matrice, et une fois l'amorce retirée, il reste un espace non répliqué à l'extrémité 5' du brin fils. Ce phénomène conduit à un raccourcissement progressif des chromosomes à chaque division cellulaire [13](#page=13) [19](#page=19). ### 2.3 La télomérase : mécanisme et fonction #### 2.3.1 Composition et mode d'action de la télomérase La télomérase est une enzyme spécialisée dans la maintenance des télomères. Elle est composée de plusieurs sous-unités protéiques, dont une sous-unité catalytique protéique, hTERT. Cette sous-unité est associée à une courte matrice d'ARN (hTR) de 160 nucléotides, qui porte la séquence complémentaire des motifs télomériques, soit 3' AAUcccAAUC 5'. Cette matrice d'ARN peut s'apparier de manière antiparallèle avec l'ADN simple brin qui dépasse en 3' des extrémités chromosomiques [12](#page=12) [15](#page=15). La télomérase est une ADN polymérase ARN-dépendante. Elle se comporte comme une réverse transcriptase, car elle n'a pas besoin de matrice d'ADN pour fonctionner. Chaque étape de synthèse de la télomérase conduit à l'ajout d'une répétition de DNA télomérique de 6 nucléotides, soit 5' TTAGGG 3'. L'enzyme est caractérisée par une haute processivité [15](#page=15). #### 2.3.2 Régulation de l'activité de la télomérase L'activité de la télomérase et la longueur des télomères sont régulées par des protéines qui lient les télomères. Ces protéines agissent comme de faibles inhibiteurs de la télomérase [17](#page=17). ### 2.4 Rôles des télomères Les télomères remplissent plusieurs fonctions essentielles pour la cellule : * **Protection des extrémités chromosomiques:** En coiffant les extrémités des chromosomes, les télomères protègent les régions distales contenant des gènes importants contre les processus de dégradation enzymatique [18](#page=18). * **Maintien de l'intégrité du génome:** Le maintien de l'intégrité des télomères semble associé à une protection contre les phénomènes de recombinaisons ou de fusions interchromosomiques [18](#page=18). * **Régulation du cycle cellulaire et sénescence:** À chaque division cellulaire, les extrémités des chromosomes perdent entre 20 et 200 nucléotides. Ce raccourcissement progressif des télomères agit comme un "compteur de divisions" et contribue à l'induction de la sénescence cellulaire lorsque les télomères atteignent une longueur critique [19](#page=19). > **Tip:** Il est important de noter que ce phénomène de raccourcissement n'affecte pas certaines lignées cellulaires, telles que les cellules germinales, les cellules du sang, de la peau, de l'intestin, ainsi que les cellules cancéreuses, qui expriment souvent la télomérase et maintiennent ainsi la longueur de leurs télomères [19](#page=19). > **Example:** Si une cellule somatique subit 50 divisions cellulaires, et que chaque division entraîne une perte moyenne de 50 nucléotides à chaque télomère, alors le télomère aura perdu environ 2500 nucléotides. Cela peut déclencher le signal de sénescence [19](#page=19). --- # Réplication de l'ADN mitochondrial La réplication de l'ADN mitochondrial est un processus distinct de la réplication de l'ADN nucléaire, faisant intervenir une enzyme spécifique et présentant des caractéristiques uniques en termes d'origines de réplication [22](#page=22). ### 3.1 L'enzyme clé : la DNA polymérase gamma La réplication de l'ADN mitochondrial est principalement assurée par la DNA polymérase gamma. Il est important de noter que cette enzyme est codée par un gène nucléaire mais qu'elle est synthétisée dans le cytoplasme avant d'être adressée au mitochondrion [22](#page=22). ### 3.2 Deux origines de réplication et une structure intermédiaire L'ADN mitochondrial possède deux origines de réplication distinctes: l'origine H (pour "Heavy") et l'origine L (pour "Light"). Ce mécanisme conduit à la formation d'une structure intermédiaire à trois brins lors de la réplication [22](#page=22). #### 3.2.1 Le déroulement de la réplication Le processus débute à l'origine H. Lorsque la synthèse du brin nouvellement formé à partir de l'origine H progresse, cela entraîne le déplacement et le démasquage du brin parental lourd (H), révélant ainsi l'origine L. Ce démasquage permet le début de la synthèse du brin léger (L) [22](#page=22). Une fois la réplication terminée, le brin H parental s'associe au brin L nouvellement synthétisé, tandis que le brin L parental s'associe au brin H nouvellement synthétisé. Ce mécanisme asynchrone et bidirectionnel est caractéristique de la réplication de l'ADN mitochondrial [22](#page=22). > **Tip:** Comprendre la distinction entre l'origine de la DNA polymérase gamma (nucléaire) et sa localisation fonctionnelle (mitochondriale) est crucial pour saisir le transport et le ciblage des protéines au sein de la cellule [22](#page=22). --- # Réplication des rétrovirus Les rétrovirus possèdent un mécanisme de réplication unique qui utilise une enzyme appelée transcriptase inverse pour convertir leur ARN génomique en ADN [25](#page=25). ### 4.1 Le cycle de vie des rétrovirus et la transcriptase inverse Le mécanisme de réplication des rétrovirus est une spécificité de leur matériel génétique. Ces virus sont caractérisés par leur capacité à synthétiser de l'ADN à partir d'un ARN matrice. Ce processus est médiatisé par une enzyme clé, la transcriptase inverse (également appelée reverse transcriptase ou RNase H transcriptase inverse), qui est portée par le virion [25](#page=25). La transcriptase inverse possède plusieurs activités enzymatiques essentielles à la réplication rétrovirale : * **Activité transcriptase inverse ARN-dépendante (RT):** Elle synthétise une chaîne d'ADN complémentaire (ADNc) à partir du génome ARN du rétrovirus [25](#page=25). * **Activité RNase H:** Elle dégrade la chaîne d'ARN matrice qui a été hybridée à la chaîne d'ADN nouvellement synthétisée [25](#page=25). * **Activité ADN polymérase ADN-dépendante:** Elle synthétise la seconde chaîne d'ADN pour former une molécule d'ADN double brin (ADNdb) [25](#page=25). Le cycle de vie général d'un rétrovirus implique les étapes suivantes : 1. **Entrée dans la cellule hôte:** Le rétrovirus se lie à des récepteurs cellulaires spécifiques et fusionne avec la membrane plasmique ou est endocyté [25](#page=25). 2. **Transcription inverse:** Dans le cytoplasme, le génome ARN viral est converti en ADNdb par la transcriptase inverse. Cette étape est cruciale car elle permet l'intégration du matériel génétique viral dans le génome de la cellule hôte [25](#page=25). 3. **Intégration:** L'ADN viral double brin est transporté dans le noyau et intégré dans l'ADN chromosomique de la cellule hôte par une enzyme appelée intégrase. L'ADN viral intégré est alors appelé provirus [25](#page=25). 4. **Réplication et transcription:** Le provirus est répliqué avec l'ADN de la cellule hôte lors de la division cellulaire. Il est également transcrit par la machinerie ARN polymérase II de la cellule hôte en ARN messagers (ARNm) et en ARN génomique viral [25](#page=25). 5. **Traduction et assemblage:** Les ARNm viraux sont traduits en protéines virales (protéines structurales et enzymes). Ces protéines, ainsi que les ARN génomiques viraux, s'assemblent à la membrane plasmique [25](#page=25). 6. **Bourgeonnement:** Les nouveaux virions sont libérés de la cellule hôte par un processus de bourgeonnement, acquérant leur enveloppe lipidique à partir de la membrane cellulaire [25](#page=25). > **Tip:** La présence de la transcriptase inverse est ce qui distingue les rétrovirus des autres virus à ARN. C'est une caractéristique fondamentale de leur stratégie de réplication [25](#page=25). --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Réplication de l'ADN | Processus par lequel une molécule d'ADN est copiée pour produire deux molécules d'ADN identiques. C'est essentiel à la division cellulaire. | | Eucaryotes | Organismes dont les cellules possèdent un noyau défini délimité par une membrane nucléaire, ainsi que d'autres organites membranaires. | | Chromosomes linéaires | Les chromosomes des eucaryotes sont de longues molécules d'ADN linéaires, empaquetées avec des protéines appelées histones. | | Histones | Protéines basiques du noyau qui s'associent à l'ADN pour former les nucléosomes, l'unité de base de la chromatine, permettant ainsi le compactage de l'ADN. | | Nucléosome | Unité structurale de base de la chromatine, composée d'un segment d'ADN enroulé autour d'un octamère d'histones. | | Origines de réplication | Séquences spécifiques sur l'ADN où le processus de réplication commence. Les eucaryotes possèdent de multiples origines de réplication sur chaque chromosome. | | Cycle cellulaire | Suite ordonnée d'événements qu'une cellule traverse entre sa formation et sa division en deux cellules filles. Il comprend les phases G1, S, G2 et M. | | Phase S | La phase du cycle cellulaire durant laquelle la réplication de l'ADN a lieu, garantissant que chaque cellule fille recevra une copie complète du génome. | | Cyclines | Protéines dont la concentration varie au cours du cycle cellulaire. Elles se lient aux protéines kinases dépendantes des cyclines (Cdk) pour réguler la progression du cycle cellulaire. | | Protéines kinases dépendantes des cyclines (Cdk) | Enzymes qui jouent un rôle crucial dans la régulation du cycle cellulaire en phosphorylant des protéines cibles, activées par la liaison aux cyclines. | | CDK2 | Une protéine kinase spécifique qui joue un rôle clé dans le passage de la phase G1 à la phase S et dans le déclenchement de la réplication de l'ADN. | | Complexe CDK2-Cycline E (G1/S-Cdk) | Complexe protéique responsable de la transition de la phase G1 à la phase S, initiant le processus de réplication. | | Complexe CDK2-Cycline A (S-Cdk) | Complexe protéique qui assure la progression dans la phase S en déclenchant la réplication de l'ADN. | | Replication Licensing Factor (RLF) | Facteurs protéiques, tels que Cdc6 et Cdt1, qui régulent le recrutement des complexes d'origines de réplication, assurant que la réplication ne se produise qu'une fois par cycle cellulaire. | | Mcm (Minichromosome maintenance) | Complex protéique formant un hélicase essentiel à l'initiation et à l'élongation de la réplication de l'ADN chez les eucaryotes. | | Polymérase alpha | Une ADN polymérase initiatrice chez les eucaryotes, qui commence la synthèse d'une amorce d'ARN suivie d'un court segment d'ADN. | | Polymérase epsilon et delta | Les principales ADN polymérases réplicatives chez les eucaryotes, responsables de la synthèse des longs brins d'ADN pendant l'élongation. | | Primase | Sous-unité d'une polymérase qui synthétise les amorces d'ARN nécessaires au début de la réplication de l'ADN. | | Facteur C de réplication (RFC) | Protéine qui aide à remplacer la polymérase alpha par la polymérase delta ou epsilon, et qui est nécessaire pour le recrutement du PCNA. | | PCNA (antigène nucléaire de prolifération cellulaire) | Un homotrimère en forme d'anneau qui se fixe à l'ADN et à la polymérase delta ou epsilon, augmentant leur processivité et leur stabilité. | | Télomères | Structures protectrices situées aux extrémités des chromosomes eucaryotes, composées de séquences répétitives riches en TG. | | Télomérase | Une enzyme unique, une ADN polymérase ARN-dépendante, qui synthétise les séquences télomériques répétées à l'extrémité des chromosomes, compensant le raccourcissement qui survient lors de la réplication. | | h-TERT | La sous-unité catalytique protéique de la télomérase chez l'homme. | | hTR-160nt | Une courte matrice d'ARN associée à la sous-unité catalytique h-TERT de la télomérase, qui sert de modèle pour la synthèse des séquences télomériques. | | Reverse transcriptase | Une enzyme qui synthétise de l'ADN à partir d'un modèle d'ARN. La télomérase fonctionne comme une reverse transcriptase. | | Sénescence cellulaire | Un état d'arrêt irréversible de la prolifération cellulaire, souvent déclenché par l'usure des télomères. | | ADN mitochondrial | L'ADN circulaire trouvé dans les mitochondries des cellules eucaryotes, qui code pour des protéines essentielles à la fonction mitochondriale. | | DNA polymérase gamma | L'ADN polymérase principale responsable de la réplication de l'ADN mitochondrial. | | Rétrovirus | Un type de virus qui réplique son ARN en ADN grâce à une enzyme appelée transcriptase inverse, puis intègre cet ADN dans le génome de l'hôte. |

## Bacteriën ### Situering en algemene kenmerken van bacteriën Bacteriën, grotendeels behorend tot de *Bacteria* (Eubacteria), vormen een divers rijk aan micro-organismen. Hoewel veel bacteriën essentieel zijn voor het menselijk lichaam, zoals de darmflora die helpt bij de spijsvertering en bescherming biedt, kunnen sommige ook ziekte veroorzaken. Archaea, een andere groep micro-organismen die soms als "omgevingsbacteriën" worden beschouwd, worden ook aangetroffen in de menselijke darmflora. De overdracht van bacteriën van moeder op kind tijdens de geboorte kan zowel gunstige als ziekteverwekkende stammen introduceren. ### Anatomie van bacteriën Bacteriën vertonen een relatief eenvoudige celstructuur, bestaande uit: * **Celmembraan**: Een selectief permeabel membraan dat de celomsluit en essentieel is voor transportprocessen. * **Celwand**: Biedt structurele ondersteuning en bescherming aan de cel. De samenstelling van de celwand is cruciaal voor de Gram-kleuring en bepaalt mede de pathogeniteit. * **Genoom**: Meestal een enkel circulair dubbelstrengs DNA-chromosoom, opgevouwen door supercoiling, waarbij enzymen als gyrasen en topoisomerasen een rol spelen en dienen als doelwit voor antibiotica zoals chinolonen. Soms komen extra circulaire DNA-moleculen voor, plasmiden genaamd. * **Andere structuren**: Zoals kapsels, flagellen, en pili, die functies hebben zoals bescherming, beweging, en hechting aan gastheren. #### Structuur van lipopolysaccharide (LPS) Lipopolysacharide (LPS), ook wel endotoxine genoemd, is een belangrijk bestanddeel van de celwand van gramnegatieve bacteriën. Het bestaat uit: * **Lipidestaart (Lipid A)**: Een relatief constante component die verantwoordelijk is voor de krachtige ontstekingsreactie die het veroorzaakt. * **Binnenste polysachariden**: Ook relatief constant in structuur. * **Suikerkop (O-antigeen)**: Zeer variabel, wat belangrijk is voor immuunherkenning en serotypering. #### Groeiwijze Bacteriën kunnen extracellulair (buiten de gastheercel) of intracellulair (binnenin de gastheercel) groeien. Ze zijn over het algemeen microscopisch klein. ### Vorm en Gramkleuring Hoewel bacteriën op basis van vorm (bolvormig - kokken, staafvormig - bacillen) kunnen worden ingedeeld, is dit vaak onvoldoende voor onderscheid. De Gram-kleuring, gebaseerd op verschillen in de peptidoglycaansamenstelling van de celwand, is een cruciale methode: * **Grampositieve bacteriën**: Kleuren blauw. * **Gramnegatieve bacteriën**: Kleuren rood. #### Vormen van bacteriën * **Kokken (bolvormig)**: Kunnen voorkomen als enkele cellen, in kettingen (streptokokken) of in trosjes (stafylokokken). * **Bacillen (staafvormig)**. #### Celwand van mycobacteriën Mycobacteriën hebben een unieke celwandsamenstelling met een dichte laag mycolzuren. Dit resulteert in: * Langdurige overleving, zelfs onder moeilijke omstandigheden. * Hoge besmettelijkheid en pathogeniteit. * Weerstand tegen afbraak door macrofagen, waardoor ze kunnen overleven in het fagolysosoom. * Hoge resistentie tegen veel antibiotica. * Zuurvastheid, wat hun overleving in zure omgevingen bevordert. ### Het bacterieel genoom Het bacterieel genoom bestaat typisch uit één circulair dubbelstrengs chromosoom. Dit genoom kan variëren in grootte, wat invloed heeft op het aanpassingsvermogen van de bacterie. Grotere genomen coderen voor meer regulatiemechanismen, waardoor ze beter kunnen omgaan met veranderende omstandigheden. Bacteriële genomen kunnen ook extra circulaire DNA-moleculen bevatten, plasmiden genaamd, die genetische informatie kunnen uitwisselen. ### Extra structuren * **Kapsel**: Een polysacharidenlaag rond de celwand die beschermt tegen fagocytose. * **Flagellen**: Structures die zorgen voor beweeglijkheid en dragen vaak het H-antigeen. * **Fimbriae**: Aanhechtingsmoleculen die belangrijk zijn voor kolonisatie en virulentie. * **Pilus**: Structures die bacteriën in staat stellen genetisch materiaal over te dragen via conjugatie. * **Sporen**: Een fysiologische rustfase die bescherming biedt tegen vijandige omstandigheden en waaruit de bacterie kan terugkeren naar een vegetatieve vorm. ### Metabolisme, celgroei en fenotypische adaptatie Het metabolisme van bacteriën is cruciaal voor hun overleving en omzetting van moleculen voor energieproductie. Micro-organismen beïnvloeden hun omgeving door metabolieten te produceren. #### Celdeling en groei Bacteriële groei volgt vaak een logaritmische curve ($1 \rightarrow 2 \rightarrow 4 \rightarrow 8 \rightarrow \dots$), met delingstijden variërend van 20-30 minuten. De groei kent verschillende fasen: lag-fase (adaptatie), logaritmische fase (exponentiële vermenigvuldiging), stationaire fase (uitputting van voedingsstoffen) en dode fase (afsterven). #### Invloed van de omgeving * **Temperatuur**: Elke bacterie heeft een optimum groeithemperatuur. Voor humane pathogenen ligt dit rond 36,5°C. Koorts of koeling vertraagt de groei. * **Zuurstof en CO2**: Bepalen of bacteriën aeroob, anaeroob of facultatief zijn. Capnofielen groeien beter bij hogere CO2-spanning. * **Zuurtegraad (pH)**: Beïnvloedt welke bacteriën aanwezig en actief kunnen zijn. #### Fenotypische variatie en adaptatie Bacteriën reguleren hun genexpressie om zich aan te passen. Er wordt onderscheid gemaakt tussen: * **Planktonische bacteriën**: Vrij zwemmend, klassiek bestudeerd in het lab onder ideale omstandigheden. * **Sessiele bacteriën**: Vastzittend, vaak levend in biofilms en onder suboptimale omstandigheden, wat kan leiden tot ander gedrag dan voorspeld in het lab. Fenotypische variaties omvatten: * **Persisters**: Bacteriën die tijdelijk ongevoelig zijn voor antibiotica door een verlaagde metabole activiteit. * **Bet hedging / risicospreiding**: Populaties die zich splitsen om zich voor te bereiden op nieuwe uitdagingen. #### Biofilm en quorum sensing Quorum sensing is een mechanisme waarbij bacteriën communiceren via signaalmoleculen. Bij een voldoende hoge dichtheid verandert het gedrag van de bacteriën, wat kan leiden tot de vorming van biofilms. Biofilms bieden bescherming tegen antibiotica en het immuunsysteem. ### Naamgeving en taxonomie De taxonomie van bacteriën evolueert, waarbij genetische gelijkenis (met name 16S rRNA-sequenties) steeds belangrijker wordt voor classificatie. ### Genotypische variatie en typering Genetische variatie ontstaat door mutatie, selectie en uitwisseling van genetisch materiaal. Dit leidt tot varianten met verschillende eigenschappen, zoals toxiciteit of resistentie. Verschillen in genotypen worden gebruikt voor typering, zoals serotypering en genotypering, wat belangrijk is voor epidemiologie en vaccinontwikkeling. ## Virussen ### Classificatie en structuur Virussen zijn obligaat intracellulaire parasieten die een gastheercel nodig hebben voor replicatie. Ze missen een celstructuur en organellen. * **Genoom**: Bestaat uit RNA of DNA (enkel- of dubbelstrengs), soms in meerdere chromosomen. * **Nucleocapside**: Genetisch materiaal met structurele eiwitten. * **Enveloppe**: Sommige virussen zijn omgeven door een membraan (enveloppe) bestaande uit glycoproteïnen en matrixeiwitten. Naakte virussen hebben alleen een nucleocapside. ### Genoomgrootte en partikelgrootte De genoomgrootte varieert van enkele kilobases tot meer dan 600 kilobases. Partikelgroottes liggen tussen 20 nm en 100 nm. ### Indeling op basis van genoom De indeling op basis van het genoom, met name de configuratie van RNA-genomen (positief of negatief), is medisch het meest relevant. ### Eigenschappen van virussen * **Naakte virussen**: Komen vrij door lyse van de gastheercel, veroorzaken acute infecties, zijn stabiel tegen temperatuur, zuren en detergenten, en worden makkelijk verspreid. Humorale immuniteit is vaak voldoende voor bestrijding. * **Enveloppe virussen**: Komen vrij door afsnoering, kunnen chronische infecties veroorzaken, zijn labiel tegen temperatuur, zuren en detergenten, en worden minder makkelijk verspreid. Humorale en cellulaire immuniteit zijn nodig. ### Virale levenscyclus De virale levenscyclus omvat meerdere stappen: 1. **Adsorptie**: Vasthechting van het virus aan de gastheercel via receptoren. 2. **Penetratie**: Binnenkomen van het virus in de cel (bv. door injectie, endocytose of membraanfusie). 3. **Replicatie en expressie**: Vermenigvuldiging van viraal genetisch materiaal en productie van virale eiwitten. Dit kan in de kern of het cytoplasma plaatsvinden, afhankelijk van het type virus. 4. **Virion productie**: Assemblage van nieuwe virionen. 5. **Release**: Vrijlating van nieuwe virions uit de gastheercel (door lyse of budding). #### RNA en DNA sensors Het immuunsysteem detecteert virussen en bacteriën via specifieke receptoren (TLR's, RIG-I, etc.) die pathogen-associated molecular patterns (PAMP's) herkennen. #### Interferon-gestimuleerde genen (ISG's) ISG's zijn genen die worden geïnduceerd door type I en III interferonen. Ze spelen een cruciale rol in het blokkeren van virusreplicatie. ### Levenscycli van specifieke virussen * **Lytische levenscyclus (bacteriofaag)**: Snel, leidt tot lysis van de bacterie. * **Temperate bacteriofaag (lysogene cyclus)**: Faag-DNA integreert in het bacteriegenoom als profaag. * **Dierlijke virussen**: Minder complex dan faag, maar groei kan trager zijn door compartimentalisatie. Voorbeelden zijn herpesvirussen en influenza. * **HIV**: Een retrovirus dat zijn RNA-genoom omzet in DNA en integreert in het gastheergenoom. ### Aantonen van virussen Virussen kunnen worden aangetoond door middel van kweek op cellijnen, waarbij cytopathogeen effect (CPE) wordt waargenomen, of door moleculaire technieken zoals PCR. Plaques (heldere zones in een bacteriële kolonie veroorzaakt door faaglysis) kunnen gebruikt worden om virusconcentraties te bepalen. ## Antibiotica en Virostatica ### Antibiotica Antibiotica zijn geneesmiddelen die de vermenigvuldiging van bacteriën remmen. Ze hebben selectieve toxiciteit en een specifiek aangrijpingspunt in de bacterie, wat leidt tot een bepaald spectrum aan activiteit. Onnodig gebruik kan leiden tot resistentieontwikkeling en verstoring van de normale flora. #### Werkingsmechanismen van antibiotica Antibiotica grijpen aan op verschillende processen in bacteriën: 1. **Celwandsynthese**: Remmen de opbouw van peptidoglycaan (bv. β-lactams, glycopeptiden). 2. **Eiwitsynthese**: Blokkeren de 50S of 30S subunit van het ribosoom (bv. aminoglycosiden, macroliden, tetracyclines). 3. **Nucleïnezuursynthese**: Inhiberen DNA-replicatie of transcriptie (bv. chinolonen, metronidazol). 4. **Metabole 'pathways'**: Verstoren essentiële metabolische routes (bv. cotrimoxazol). #### Antibioticaresistentie Resistentie kan ontstaan door mutaties of horizontale gentransfer (plasmiden, transductie, transformatie). Mechanismen omvatten neutralisatie van het antibioticum, verminderde opname, efflux, of alternatieve metabole wegen. #### Voorspellen van werkzaamheid De werkzaamheid van een antibioticum wordt voorspeld door laboratoriumtesten zoals het dilutie-antibiogram (MIC - minimale inhiberende concentratie) en diffusie-antibiogram. Farmacokinetische (PK) en farmacodynamische (PD) kenmerken (bv. Time > MIC, AUC/MIC, Cmax/MIC) zijn cruciaal voor het bepalen van de optimale dosering. ### Middelen tegen virussen (Virostatica) Virostatica grijpen in op specifieke stappen van de virale levenscyclus. * **Anti-herpes middelen (bv. acyclovir)**: Remmen virale DNA-synthese door kettingterminatie. * **Antivirale middelen tegen influenza (bv. oseltamivir)**: Remmen neuraminidase of M2-ionenkanalen. * **Antivirale middelen tegen HIV (cART)**: Combinatietherapie met remmers van reverse transcriptase, protease, integrase, etc. ## Virulentie en Vatbaarheid ### Kiem-gastheer relatie De relatie tussen een gastheer en een micro-organisme kan harmonisch of ziekteverwekkend zijn, afhankelijk van de virulentie van de kiem en de vatbaarheid van de gastheer. Infectie leidt niet altijd tot ziekte; asymptomatische infecties komen voor. ### Virulentie Virulentie is het ziekteverwekkend vermogen van een microbe. Pathogenen hebben virulentiefactoren (genen) die hen helpen te overleven, hechten, en ziekte te veroorzaken. Voorbeelden zijn adhesines, toxines, en mechanismen om het immuunsysteem te ontwijken. ### Gastheerfactoren die vatbaarheid beïnvloeden Factoren zoals leeftijd (neonatale periode), schade aan lichaamsbarrières, uitputting, de aanwezigheid van vreemde voorwerpen, en verstoring van de normale flora kunnen de vatbaarheid voor infecties verhogen. ### Verloop van een infectie Een infectie omvat aanhechting, invasie, vermenigvuldiging, verspreiding en uitscheiding (shedding). Het immuunsysteem reageert op deze stadia. #### Ontwijken van afweer Pathogenen gebruiken verschillende strategieën om het immuunsysteem te ontwijken, zoals het produceren van eiwitten die de immuunrespons moduleren (bv. S. aureus Protein A) of het zich verbergen in cellen. ### Reservoir en overdracht * **Reservoir**: De plaats waar een infectieagent zich in stand houdt (bv. mens, dier, omgeving). * **Overdracht (Transmissie)**: Kan horizontaal (tussen individuen van dezelfde generatie) of verticaal (van ouder op kind) plaatsvinden. Vectoren of carriers kunnen een rol spelen. * **Kudde-immuniteit**: Bescherming van niet-immune individuen doordat een voldoende groot deel van de populatie immuun is. ### Epidemiologische clusteranalyse Het analyseren van de verspreiding van ziekten binnen een populatie, vaak beginnend bij een indexpatiënt. ## Diagnostiek van Infectieziekten ### Taken van het medisch microbiologisch laboratorium Het diagnosticeren van infecties, identificeren van verwekkers, en bepalen van de gevoeligheid voor antibiotica. ### Technieken * **Microscopie**: Direct aantonen van micro-organismen (bv. Gramkleuring, Ziehl-Neelsen). * **Kweek en identificatie**: Groeien van micro-organismen op specifieke media en identificatie (bv. MALDI-TOF). * **Antigendetectie**: Opsporen van specifieke antigenen (bv. ELISA). * **Moleculaire detectietechnieken (bv. PCR)**: Amplificeren van genetisch materiaal voor detectie. * **Serologie**: Opsporen van antilichamen in het serum van de patiënt. ### Interpretatie van resultaten De interpretatie van microbiologische resultaten is cruciaal en hangt af van het type monster, de klinische vraag, en de aanwezigheid van commensale flora. ## Infecties met intracellulaire pathogenen ### Tuberculose Tuberculose wordt veroorzaakt door *Mycobacterium tuberculosis*. Mycobacteriën hebben een unieke celwand met mycolzuren, wat hen resistent maakt tegen veel antibiotica en de afweer. #### Pathogenese * Transmissie via aerosolen, opname door macrofagen. * *M. tuberculosis* verhindert fagosoom-lysosoomfusie en kan overleven en zich vermenigvuldigen in macrofagen. * **Persisters**: Niet-delende bacteriën die resistent zijn tegen antibiotica. * Immuunrespons met T-cellen en interferongamma is essentieel voor controle. #### Diagnostiek * Microscopie op zuurvaste staven (Ziehl-Neelsen, auramine). * Kweek (vaste en vloeibare bodems). * Moleculaire technieken (PCR). * IGRA-tests (interferon-gamma release assays). ### Infecties met fungi Schimmels (gisten en schimmels) zijn eukaryoten met specifieke celwandcomponenten. Ze kunnen oppervlakkige of invasieve infecties veroorzaken. #### Gisten (bv. Candida, Cryptococcus) * Ronde tot ovale cellen, vermenigvuldigen door knopvorming. * *Candida albicans* is een veelvoorkomende opportunist. #### Myceliale schimmels (bv. Aspergillus) * Groeien als hyfen en produceren sporen. * *Aspergillus* is een omgevingsschimmel die aspergillose kan veroorzaken, vooral bij immuungecompromitteerden. #### Dimorfe fungi Kunnen zowel als gist- als schimmelstadium voorkomen, afhankelijk van de omgeving. #### Diagnostiek * Microscopie (wet-stain, Calcofluor). * Kweek (bv. Sabouraud agar). * Moleculaire technieken en serologie. #### Behandeling Antimycotica grijpen aan op specifieke componenten van de schimmelcelwand of het membraan (bv. azolen, polyenen, echinocandines). ### Infecties met protozoa Protozoa zijn ééncellige eukaryoten die parasitaire infecties kunnen veroorzaken. * **Trypanosomiasis (slaapziekte)**: Overgedragen door de tseetseevlieg. * **Leishmaniasis**: Overgedragen door zandvliegen. * **Amoebiasis en Cryptosporidiose**: Vaak gastro-intestinale infecties, overgedragen via fecaal-orale route. * **Toxoplasmose**: Veroorzaakt door *Toxoplasma gondii*, vaak asymptomatisch bij gezonde individuen, maar gevaarlijk bij immuungecompromitteerden en tijdens zwangerschap. * **Malaria**: Veroorzaakt door *Plasmodium spp.*, overgedragen door muggen. #### Immuunrespons tegen protozoa Protozoa hebben diverse ontsnappingsstrategieën, waaronder polymorfisme van oppervlakte-antigenen en intracellulair schuilen. #### Diagnostiek en behandeling Diagnostiek omvat vaak microscopie, serologie, en PCR. Behandeling is afhankelijk van het type protozoa. ### Worminfecties en importpathologie Parasitaire wormen kunnen diverse infecties veroorzaken, vaak met complexe levenscycli waarbij tussengastheren betrokken zijn. * **Lintwormen (bv. Taenia saginata, Taenia solium)**: Kunnen vele meters lang worden, veroorzaken ziekte bij larvale stadia. * **Schistosomiase (Bilharziose)**: Veroorzaakt door *Schistosoma spp.*, besmetting via contact met zoet water. * **Nematoden (rondwormen, bv. Ascaris, Ancylostoma)**: Vaak fecaal-oraal overgedragen of via huidpenetratie. #### Diagnostiek en behandeling Diagnostiek omvat het aantonen van eieren in feces of urine, serologie, en histologie. Behandeling met anthelmintica. ## De Chronische Virale Infectie Chronische virale infecties treden op wanneer het virus niet op korte termijn uit het lichaam wordt geklaard. Dit kan te wijten zijn aan langdurige replicatie, latentie, of ontsnapping aan de immuunrespons. ### HIV (Humaan Immunodeficiëntie Virus) HIV infecteert immuuncellen (CD4+ T-cellen, macrofagen), leidend tot immuundeficiëntie en AIDS. * **Transmissie**: Via seksueel contact, bloedcontact, en van moeder op kind. * **Levenscyclus**: Retrovirus dat RNA omzet in DNA en integreert in het gastheergenoom. * **Diagnostiek**: Opsporen van antilichamen (ELISA, Western blot), virale lading (RT-PCR). * **Behandeling**: Combinatietherapie (cART) met verschillende antivirale middelen. * **Preventie**: Veilige seksuele praktijken, post-exposure profylaxe. ### Andere chronische virale infecties Virussen zoals Hepatitis B (HBV) en C (HCV) kunnen ook chronische infecties veroorzaken, leidend tot leverziekten. ### Immuunevasie door virussen Virussen gebruiken diverse mechanismen om aan de immuunrespons te ontsnappen, waaronder het blokkeren van MHC-I presentatie, mutaties (antigene drift en shift), en het infecteren van immuuncellen. ## Overzicht van Antibiotica (Tabellen) De tabellen in het originele document geven gedetailleerde informatie over verschillende klassen antibiotica, hun werkingsmechanismen, farmacokinetiek, toxiciteit, spectrum en toepassingen. Deze zijn hier niet volledig herhaald maar vormen een essentieel onderdeel van de studiematerialen. --- Dit studiehandleiding biedt een uitgebreid overzicht van de materie, essentieel voor een grondige voorbereiding op examens. Vergeet niet de specifieke details en mechanismen te bestuderen die in de originele documentatie worden beschreven.

## Overzicht van Belangrijke Termen | Term | Definitie | |---|---| | **Bacteriën** | Eéncellige micro-organismen behorend tot het domein Bacteria (Eubacteria), die vrij of in symbiose met andere organismen kunnen voorkomen. Sommige kunnen infecties veroorzaken. | | **Virussen (Virionen)** | Infectieuze agentia die uit genetisch materiaal (DNA of RNA) bestaan, omgeven door een eiwitmantel, en die een gastheercel nodig hebben om te repliceren. Ze worden als niet-levend beschouwd. | | **Pathogeen** | Een micro-organisme, zoals een bacterie, virus, schimmel of protozoa, dat in staat is ziekte te veroorzaken bij een gastheer. | | **Commensaal** | Een micro-organisme dat op of in een gastheer leeft en daar voordeel uit haalt zonder de gastheer significant te schaden, en mogelijk zelfs gunstige effecten heeft. | | **Virulentie** | Het vermogen van een pathogeen om ziekte te veroorzaken bij een gastheer, vaak gemeten aan de hand van de ernst van de symptomen of de dodelijkheid. | | **Resistentie (Antibioticaresistentie)** | Het vermogen van bacteriën om te overleven en te groeien in de aanwezigheid van een antibioticum dat normaal gesproken hun groei zou remmen of ze zou doden. | | **Quorum Sensing** | Een communicatiemechanisme tussen bacteriën waarbij ze signalen produceren en detecteren om de dichtheid van hun populatie te bepalen, wat hun gedrag kan beïnvloeden. | | **Biofilm** | Een gemeenschap van micro-organismen die vastzitten aan een oppervlak en ingebed zijn in een zelfgeproduceerde matrix van extracellulaire substanties, wat hen beschermt tegen omgevingsfactoren en immuunreacties. | | **Endotoxine** | Een toxische component van de celwand van gramnegatieve bacteriën (lipopolysaccharide, LPS), die een sterke ontstekingsreactie kan veroorzaken bij de gastheer. | | **Virostatica** | Geneesmiddelen die de replicatie van virussen remmen, vaak door in te grijpen in specifieke stappen van de virale levenscyclus. | | **Antimycotica** | Geneesmiddelen die worden gebruikt om schimmelinfecties te behandelen. | | **Protozoa** | Eéncellige eukaryote micro-organismen, waarvan sommige parasitaire infecties kunnen veroorzaken bij mensen. | | **Reservoir** | De plaats waar een infectieagent gedurende lange tijd kan overleven en zich kan vermenigvuldigen, en van waaruit het kan worden overgedragen op een vatbare gastheer. | | **Transmissie (Overdracht)** | Het proces waarbij een infectieagent van de ene gastheer naar de andere wordt overgedragen. | | **Pathogenese** | Het mechanisme of de wijze waarop een ziekteverwekker ziekte veroorzaakt. | | **Immuunrespons** | De reactie van het immuunsysteem van de gastheer op de aanwezigheid van een vreemd agens, zoals een pathogeen. | | **Latente infectie** | Een infectie waarbij het pathogeen aanwezig is in de gastheer, maar geen actieve replicatie vertoont of symptomen veroorzaakt, vaak voor langere tijd. |

# Principes de taxinomie et de classification des organismes La taxinomie et la classification des organismes visent à organiser le monde vivant en groupes hiérarchiques basés sur des similarités phénotypiques ou des relations évolutives [1](#page=1). ### 1.1 Définition et application de l'espèce Une espèce est traditionnellement définie comme un ensemble d'individus, vivants ou fossiles, qui sont similaires par leurs formes adultes et embryonnaires ainsi que par leur génotype, qui vivent en contact les uns avec les autres, s'accouplent exclusivement entre eux, et demeurent indéfiniment féconds entre eux. L'exemple classique est \_Canis domesticus, le chien. Cette définition s'applique principalement aux animaux et aux végétaux [1](#page=1). > **Tip:** Carl von Linné est le fondateur de la nomenclature binomiale, un système toujours utilisé pour nommer les organismes vivants [1](#page=1). ### 1.2 Défis de classification pour les procaryotes La classification des procaryotes présente des défis uniques. Ils ne se reproduisent pas de manière sexuée, ce qui rend l'application de la définition biologique de l'espèce difficile. De plus, bien qu'il existe différentes formes (bacilles, spirales, etc.), leurs formes sont généralement moins différenciées que chez les eucaryotes, ce qui ne permet pas une définition d'espèce claire basée uniquement sur la morphologie [1](#page=1). ### 1.3 La systémique microbienne La taxonomie est la science de la classification des organismes. La classification elle-même est l'organisation des organismes en groupes de taille croissante (hiérarchiques) [1](#page=1). * Une espèce est composée d'une à plusieurs souches [1](#page=1). * Les espèces similaires sont regroupées en genres [1](#page=1). * Les genres similaires sont regroupés en familles [1](#page=1). * Les familles sont regroupées en ordres [1](#page=1). * Les ordres sont regroupés en classes [1](#page=1). * Ce système remonte jusqu'au domaine, le taxon le plus élevé, basé sur une collection d'informations phénotypiques et génotypiques [1](#page=1). Le manuel de référence pour la classification des bactéries est le "Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology" [1](#page=1). > **Example:** Un exemple de hiérarchie taxinomique est : > > * Domaine : Bacteria > > * Phylum : Proteobacteria > > * Classe : Gammaproteobacteria > > * Ordre : Enterobacteriales > > * Famille : Enterobacteriaceae > > * Genre : Shigella > > * Espèce : \_Shigella dysenteriae [1](#page=1). > ### 1.4 Méthodes d'identification des espèces bactériennes L'identification d'une espèce bactérienne isolée commence souvent par des tests phénotypiques. Ces tests se basent sur les caractéristiques physiques et visuelles de la bactérie ou de sa colonie [1](#page=1). #### 1.4.1 La coloration de Gram Une première étape cruciale est la coloration de Gram, qui permet de distinguer les bactéries en deux grands groupes : * **Gram-positives (Gram +)**: Elles apparaissent violettes et possèdent une membrane plasmique suivie d'une couche épaisse de peptidoglycanes [1](#page=1). * **Gram-négatives (Gram –)**: Elles apparaissent roses et ont une membrane plasmique, une fine couche de peptidoglycanes, et une membrane externe [1](#page=1). * * * # Méthodes d'identification des bactéries L'identification des bactéries repose sur l'application de diverses méthodes qui analysent leurs caractéristiques phénotypiques et génotypiques [1](#page=1) [2](#page=2). ### 2.1 Principes de base de la taxinomie bactérienne La taxinomie est la science de la classification des organismes. Pour les procaryotes, contrairement aux animaux et végétaux qui suivent la définition de l'espèce basée sur la reproduction sexuée, la classification est plus complexe en raison de l'absence de reproduction sexuée et de formes peu différenciées. Une espèce bactérienne est composée d'une ou plusieurs souches, et des espèces similaires sont regroupées en genres, puis en familles, ordres, classes, jusqu'au domaine. Le manuel de référence pour la systématique bactérienne est le "Bergey's Manual of Systematic Bacteriology" [1](#page=1). ### 2.2 Méthodes d'identification phénotypiques Ces méthodes consistent à identifier les bactéries sur la base de leurs caractéristiques physiques observables [1](#page=1). #### 2.2.1 Coloration de Gram La première étape après l'isolement d'une colonie bactérienne est souvent la coloration de Gram. Cette technique permet de distinguer les bactéries en deux grands groupes [1](#page=1): * **Gram-positives (Gram +)**: apparaissent violettes. Elles possèdent une membrane cellulaire et une couche épaisse de peptidoglycanes [1](#page=1). * **Gram-négatives (Gram –)**: apparaissent roses. Elles possèdent deux membranes et une fine couche de peptidoglycanes [1](#page=1). #### 2.2.2 Morphologie Après la coloration de Gram, la forme de la bactérie est examinée. Les formes les plus courantes sont les bacilles (en bâtonnet) et les coques (sphériques), bien qu'il existe d'autres formes. La combinaison de la coloration de Gram et de la morphologie permet déjà de réduire significativement le nombre d'espèces possibles [1](#page=1) [2](#page=2). #### 2.2.3 Tests enzymatiques Pour affiner l'identification, divers tests enzymatiques peuvent être réalisés. Par exemple, pour les coques Gram-positives, la présence de la catalase est un test discriminant [1](#page=1) [2](#page=2): * **Catalase positive**: suggère un \_Staphylococcus [2](#page=2). * **Catalase négative**: pourrait indiquer un \_Streptococcus ou un \_Enterococcus [2](#page=2). > **Tip:** Les clés d'identification dichotomiques (oui/non) basées sur des tests phénotypiques sont utiles mais doivent être utilisées avec prudence, car plusieurs espèces peuvent présenter des réactions similaires [1](#page=1) [2](#page=2). #### 2.2.4 Galerie API Les galeries API sont des systèmes contenant une vingtaine de tests, chacun doté d'un substrat lyophilisé et d'un indicateur de pH. L'inoculation avec une suspension bactérienne permet de révéler si la bactérie est capable d'utiliser tel ou tel substrat par un changement de couleur. Les profils de résultats obtenus permettent d'identifier l'espèce bactérienne, bien que cette méthode ne soit pas phylogénétique et ne soit pas exhaustive face au grand nombre d'espèces bactériennes [2](#page=2). ### 2.3 Spectrométrie de masse MALDI-TOF La spectrométrie de masse, et plus spécifiquement la technique MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization - Time Of Flight), est une méthode avancée et rapide, particulièrement utilisée en milieu hospitalier pour confirmer l'identité bactérienne [2](#page=2). #### 2.3.1 Principe de la méthode MALDI-TOF 1. Une colonie isolée est déposée sur une plaque MALDI [2](#page=2). 2. Un faisceau laser est appliqué sur la colonie, ionisant les protéines présentes, notamment les protéines ribosomales [2](#page=2). 3. Les protéines ionisées traversent un champ électrique [2](#page=2). 4. Le temps qu'il faut aux protéines pour atteindre un détecteur (Time Of Flight - TOF) est mesuré [2](#page=2). 5. Le détecteur génère des pics correspondant à différentes protéines ionisées, formant un spectre unique pour chaque espèce bactérienne [2](#page=2). 6. Ce spectre est comparé à une base de données de spectres de bactéries déjà identifiées pour déterminer l'identité de l'échantillon [2](#page=2). > **Tip:** Bien que coûteux, le MALDI-TOF est une méthode rapide, permettant une identification en 30 à 45 minutes par échantillon, et peut traiter 50 à 200 échantillons par jour et par appareil [2](#page=2). ### 2.4 Méthodes moléculaires Les méthodes moléculaires représentent une autre approche pour l'identification bactérienne, bien que non détaillée dans les pages fournies [2](#page=2). * * * # Approches moléculaires pour la classification bactérienne Voici un résumé détaillé sur les approches moléculaires pour la classification bactérienne, prêt pour un guide d'étude. ## 3\. Approches moléculaires pour la classification bactérienne Les approches moléculaires ont révolutionné la classification bactérienne en s'appuyant sur l'analyse comparative des séquences d'ADN et d'ARN pour établir les relations phylogénétiques entre les organismes. ### 3.1 L'ARN ribosomique 16S : une pierre angulaire de la classification L'ARN ribosomique (ARNr) est un composant essentiel des ribosomes, et son gène codant, l'ARNr 16S, est particulièrement utile pour la classification bactérienne [3](#page=3). #### 3.1.1 Caractéristiques du gène ARNr 16S * **Présence universelle chez les procaryotes:** Ce gène est retrouvé chez tous les procaryotes, ce qui en fait un marqueur moléculaire de choix [3](#page=3). * **Structure conservée et variable:** Le gène ARNr 16S possède des régions hautement conservées, similaires chez la plupart des bactéries, ainsi que des régions variables qui diffèrent entre les espèces. Ces régions variables sont spécifiques à chaque espèce bactérienne et permettent de les distinguer [3](#page=3). * **Taille:** La séquence du gène ARNr 16S compte généralement entre 1000 et 1500 paires de bases (pb), offrant une précision d'identification [3](#page=3). #### 3.1.2 Processus expérimental pour l'identification par ARNr 16S 1. **Extraction d'ADN:** L'ADN est isolé à partir d'une colonie bactérienne inconnue [3](#page=3). 2. **Amplification par PCR:** Le gène codant l'ARNr 16S est amplifié à l'aide d'amorces spécifiques qui ciblent principalement les régions variables [3](#page=3). 3. **Vérification sur gel:** Le produit PCR est analysé sur un gel d'agarose pour confirmer la présence de la bande amplifiée attendue [3](#page=3). 4. **Séquençage:** La bande d'ADN amplifiée est envoyée pour séquençage afin d'obtenir la séquence nucléotidique [3](#page=3). 5. **Comparaison bio-informatique:** La séquence obtenue est comparée à des séquences de référence présentes dans des bases de données utilisant des outils informatiques d'alignement [3](#page=3). #### 3.1.3 Interprétation des résultats et seuils d'identité * **Identité de séquence > 97%:** Indique que les deux colonies appartiennent à la même espèce [3](#page=3). * **Identité de séquence entre 95% et 97%:** Suggère que les deux colonies appartiennent au même genre mais à des espèces différentes [3](#page=3). * **Variations:** Les pourcentages seuils peuvent légèrement varier en fonction des études et des critères utilisés [3](#page=3). #### 3.1.4 Limites de l'approche ARNr 16S * **Manque de discrimination:** Dans certains cas, le gène peut être trop conservé pour distinguer des espèces très proches [3](#page=3). * **Copies multiples du gène:** Certains génomes bactériens peuvent contenir plusieurs copies du gène ARNr 16S, présentant des variations nucléotidiques entre elles, ce qui peut compliquer l'analyse [3](#page=3). > **Tip :** L'utilisation de l'ARNr 16S est une méthode standard et largement adoptée pour l'identification bactérienne en raison de sa conservation et de la disponibilité de vastes bases de données de séquences. ### 3.2 MultiLocus Sequence Typing (MLST) : une résolution accrue Le MLST vise à affiner l'identification bactérienne en augmentant la longueur totale de la séquence analysée par rapport au seul gène ARNr 16S [4](#page=4). #### 3.2.1 Principe du MLST * **Amplification de plusieurs gènes de ménage:** Au lieu d'un seul gène, le MLST amplifie par PCR plusieurs gènes conservés ("gènes de ménage") répartis sur le chromosome bactérien (typiquement 6 à 7 gènes) [4](#page=4). * **Séquençage et concaténation:** Chacun de ces gènes est séquencé individuellement. Les séquences obtenues sont ensuite fusionnées ("concaténées") pour former une seule "méta-séquence" beaucoup plus longue (par exemple, 8000 pb) [4](#page=4). * **Comparaison bio-informatique:** Cette longue séquence concaténée est comparée à des bases de données de références traitées de la même manière pour l'identification bactérienne [4](#page=4). #### 3.2.2 Avantages et désavantages du MLST * **Identification précise:** Permet une identification au niveau de l'espèce et même de la sous-espèce ou de la souche [4](#page=4). * **Coût et complexité:** Moins utilisé aujourd'hui en raison de la diminution drastique des coûts de séquençage des génomes complets [4](#page=4). ### 3.3 Hybridation et comparaison de génomes Historiquement, l'hybridation ADN-ADN était une méthode clé pour évaluer la similarité entre deux génomes afin de déterminer leur appartenance à la même espèce [4](#page=4). #### 3.3.1 Principe de l'hybridation ADN-ADN 1. **Marquage d'un ADN:** L'ADN d'un organisme est marqué (par exemple, radioactivement ou par fluorescence) [4](#page=4). 2. **Hybridation:** L'ADN marqué est mélangé avec l'ADN non marqué d'un autre organisme [4](#page=4). 3. **Mesure du taux d'hybridation:** Le pourcentage d'hybridation entre les deux brins d'ADN est mesuré. Une hybridation élevée indique une forte similarité des séquences [4](#page=4). #### 3.3.2 Seuils d'hybridation et interprétation * **Taux d'hybridation > 75%:** Indique que les deux organismes appartiennent à la même espèce [4](#page=4). * **Taux d'hybridation entre 25% et 75%:** Suggère qu'ils appartiennent au même genre mais à des espèces différentes [4](#page=4). * **Taux d'hybridation < 25%:** Indique qu'ils appartiennent à des genres différents [4](#page=4). #### 3.3.3 Relation avec l'ARNr 16S Il existe une corrélation entre l'hybridation ADN-ADN et la similarité de séquence de l'ARNr 16S; par exemple, une hybridation autour de 70% correspond souvent à une identité de séquence d'ARNr 16S supérieure à 97% [4](#page=4). #### 3.3.4 Évolution de la méthode Cette approche est aujourd'hui largement remplacée par des méthodes bio-informatiques d'hybridation ADN-ADN "in silico" [4](#page=4). ### 3.4 Séquençage et comparaison de génomes complets L'avènement des technologies de séquençage à haut débit a rendu le séquençage complet du génome bactérien abordable et rapide, ouvrant la voie à une classification extrêmement précise [5](#page=5). #### 3.4.1 Processus et avantages * **Séquençage du génome d'intérêt:** Le génome complet de la bactérie est extrait et séquencé [5](#page=5). * **Comparaison "in silico":** Le génome obtenu est comparé aux génomes de toutes les bactéries connues disponibles dans les bases de données, réalisant ainsi une hybridation ADN-ADN virtuelle [5](#page=5). * **Précision élevée:** Permet une identification bactérienne très précise, allant du règne à la souche [5](#page=5). * **Informations fonctionnelles:** Fournit des informations supplémentaires sur le métabolisme, les fonctions bactériennes (pathogénicité, résistance à des conditions extrêmes, etc.) [5](#page=5). * **Identification de nouvelles espèces:** Aide à confirmer ou identifier de nouvelles espèces bactériennes [5](#page=5). > **Tip:** Le coût du séquençage d'un génome complet a chuté de manière spectaculaire, passant d'environ 800 000 dollars américains en 1995 à environ 90 dollars américains en 2024 [4](#page=4). ### 3.5 Phylogénie moléculaire pour les bactéries La phylogénie moléculaire utilise des données moléculaires, principalement des séquences d'ADN ou d'ARN, pour construire des arbres représentant les relations évolutives entre les organismes [5](#page=5). #### 3.5.1 Principes de construction des arbres phylogénétiques * **Base:** Les arbres sont construits en se basant sur le nombre de différences observées dans les séquences de gènes homologues [5](#page=5). * **Objectif:** Identifier les sous-espèces et les souches infra-spécifiques, ce qui est crucial pour des raisons de sécurité et de diagnostic, notamment pour distinguer les souches pathogènes des souches non pathogènes (par exemple, chez \_Escherichia coli) [5](#page=5). #### 3.5.2 Types de caractéristiques utilisées * **Biochimiques (biotype):** Capacité à fermenter certains sucres [5](#page=5). * **Antigéniques (sérotype):** Détection d'antigènes de surface tels que la capsule (K), le flagelle (H) et le lipopolysaccharide (LPS). Par exemple, \_Escherichia coli O157:H7 Stx2+ indique la présence de l'antigène O157, un flagelle de type 7, et le gène Stx2 [5](#page=5) [6](#page=6). * **Génétiques moléculaires (génotype):** Présence ou absence de gènes spécifiques, comme un facteur de virulence [5](#page=5). #### 3.5.3 Test d'agglutination (sérotypage) Ce test permet de détecter la présence d'antigènes spécifiques à la surface des bactéries en utilisant des billes de latex recouvertes d'anticorps. Une agglutination (précipitation) indique la présence de l'antigène recherché (par exemple, O157(+)), tandis que l'absence d'agglutination suggère sa négativité (O157(-)) [6](#page=6). #### 3.5.4 Classification phénétique vs. phylogénétique * **Classification phénétique:** Basée sur l'évaluation mathématique de la ressemblance globale entre organismes, en considérant un grand nombre de caractères phénotypiques. Elle utilise des matrices de similarité et la construction d'arbres basés sur des coefficients calculés à partir de la présence/absence de caractères. Historiquement utilisée jusqu'aux années 1995-2000, elle devient lourde pour un grand nombre d'espèces [6](#page=6) [7](#page=7). * **Classification moléculaire (phylogénie moléculaire):** De plus en plus prépondérante, elle s'appuie sur l'analyse de séquences d'ADN et d'ARN [7](#page=7). #### 3.5.5 Utilisation d'ARNr homologues chez les eucaryotes L'ARN 18S, homologue à l'ARN 16S chez les procaryotes, est utilisé chez les eucaryotes (comme \_Saccharomyces cerevisiae) pour la construction d'arbres du vivant universels, permettant de classer simultanément procaryotes et eucaryotes [7](#page=7). #### 3.5.6 Défis de la phylogénie moléculaire * **Transfert horizontal de gènes:** Les échanges de matériel génétique entre bactéries, qui ne se reproduisent pas sexuellement, peuvent complexifier l'analyse phylogénétique et induire des erreurs si l'arbre est construit sur un seul gène [7](#page=7). #### 3.5.7 Approches moléculaires avancées * **Phylogénie par MLSA (Multi-Locus Sequence Analysis):** L'analyse de plusieurs gènes conservés (similaire au MLST) permet une classification plus robuste au sein d'une famille ou d'une classe bactérienne [7](#page=7). * **Phylogénie sur base de génomes complets:** L'utilisation de plus de 3000 génomes disponibles permet une précision phylogénétique très élevée [8](#page=8). ### 3.6 Conclusion : intégration des approches pour la classification L'identification des bactéries repose aujourd'hui sur une combinaison d'approches : * **Identification au niveau de l'espèce:** Morphologie (bacille/coque, Gram+/-), biochimie (galeries API, MALDI-TOF), et approches moléculaires (ARNr 16S, MLST, génome complet) [8](#page=8). * **Identification infra-spécifique:** Sérologie (antigènes O, H, K) [8](#page=8). * **Classement phylogénétique:** Principalement basé sur les approches moléculaires (séquençage ARNr 16S, MLST, génomes complets) [8](#page=8). Dans tous les cas, la comparaison des séquences avec les bases de données est essentielle pour l'identification, et la construction d'arbres phylogénétiques permet de classer les espèces. La taxonomie bactérienne est un domaine dynamique, susceptible de modifications au fur et à mesure que de nouvelles données sont découvertes [8](#page=8). * * * # Identification et classification au niveau infra-spécifique L'identification et la classification au niveau infra-spécifique permettent de distinguer les différentes souches et sous-espèces d'un organisme, ce qui est crucial pour des applications telles que l'identification des agents pathogènes. Ces distinctions sont réalisées en utilisant diverses méthodes fonctionnelles et moléculaires [5](#page=5). ### 4.1 Méthodes d'identification et de classification au niveau infra-spécifique Pour distinguer les souches et sous-espèces, plusieurs approches sont utilisées, qu'elles soient basées sur des fonctions ou sur des caractéristiques génétiques [5](#page=5). #### 4.1.1 Fonctions et attributs utilisés Les caractéristiques observables ou mesurables qui permettent de différencier les organismes au niveau infra-spécifique incluent : * **Fonctions biochimiques (biotype)**: Il s'agit de la capacité d'une bactérie à réaliser certaines réactions chimiques, comme la fermentation de sucres spécifiques [5](#page=5). * **Antigénique (sérotype)** : Cette approche repose sur la détection d'antigènes présents à la surface des bactéries. Les principaux antigènes utilisés pour la classification de \_Escherichia coli sont : * **K**: Antigène de la capsule [5](#page=5). * **H**: Antigène des flagelles [5](#page=5). * **O**: Antigène du lipopolysaccharide (LPS) [5](#page=5). * **Génétique moléculaire (génotype)**: Cette méthode analyse la présence ou l'absence de gènes spécifiques, tels que ceux codant pour des facteurs de virulence [5](#page=5). > **Exemple:** \_Escherichia coli pathogène peut être identifiée par son sérotype O157, indiquant la présence de l'antigène O157 au niveau du LPS. Si le sérotype du flagelle est de type 7 (H7) et qu'elle possède le gène \_stx2 codant pour une toxine (Stx2+), cela la caractérise davantage [5](#page=5) [6](#page=6). #### 4.1.2 Test d'agglutination pour la sérologie Le test d'agglutination est une méthode couramment utilisée pour détecter la présence ou l'absence d'antigènes spécifiques [6](#page=6). * **Principe**: Le test utilise des billes de latex recouvertes d'anticorps spécifiques à un antigène d'intérêt (par exemple, l'antigène O157). Ces billes sont mélangées avec la souche bactérienne à tester [6](#page=6). * **Interprétation** : * **Souche négative (O157-)**: Si aucun antigène O157 n'est présent à la surface de la bactérie, les anticorps sur les billes de latex ne se lient pas à la bactérie, et il n'y a pas d'agglutination. Les billes restent en suspension [6](#page=6). * **Souche positive (O157+)**: Si l'antigène O157 est présent, les anticorps sur les billes de latex se lient à cet antigène, entraînant une agglutination (précipitation) visible. Cela se manifeste par la formation d'agrégats dans un puits, par opposition à un milieu limpide pour une souche négative [6](#page=6). #### 4.1.3 Approches génomiques Le séquençage et la comparaison de génomes entiers fournissent une résolution sans précédent pour l'identification bactérienne, allant du règne jusqu'à la souche. L'hybridation ADN-ADN \_in silico (sur ordinateur) entre le génome d'intérêt et ceux d'autres bactéries connues permet d'évaluer leur similarité de séquence. Une forte similarité indique qu'elles appartiennent à la même espèce. Ces approches permettent également d'obtenir des informations supplémentaires sur le métabolisme et les fonctions des bactéries (pathogénicité, résistance à des conditions extrêmes, etc.) [5](#page=5). #### 4.1.4 Phylogénie moléculaire La phylogénie moléculaire construit des arbres basés sur le nombre de différences dans la séquence de gènes homologues. Un dendrogramme "universel" basé sur les ARN ribosomiques (ARNr) illustre la diversité du vivant et montre que la majorité des organismes sont des micro-organismes. Cette approche est fondamentale pour la taxinomie, c'est-à-dire pour déterminer la place d'une espèce au sein de l'arbre du vivant [5](#page=5) [6](#page=6). > **Tip:** Les approches moléculaires, notamment la phylogénie moléculaire, sont devenues prépondérantes par rapport aux méthodes de classification phénétique [6](#page=6). ### 4.2 De l'identification à la classification phylogénétique La classification phylogénétique vise à établir les relations évolutives entre les organismes. #### 4.2.1 Classification phénétique La classification phénétique est une discipline basée sur l'évaluation mathématique de la ressemblance globale entre organismes, en considérant un maximum de caractères phénotypiques de manière équivalente [6](#page=6). #### 4.2.2 Phylogénie moléculaire Contrairement à la classification phénétique qui peut se baser sur le phénotype, la phylogénie moléculaire se concentre sur les séquences d'ADN ou d'ARN pour établir les liens évolutifs. La construction d'arbres phylogénétiques à partir de ces données permet de visualiser et de quantifier les divergences entre organismes, offrant ainsi une classification plus précise et rigoureuse [5](#page=5) [6](#page=6). * * * ## Erreurs courantes à éviter * Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens * Portez attention aux formules et définitions clés * Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section * Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Taxinomie | La science de la classification des organismes, qui vise à organiser le monde vivant en groupes hiérarchiques basés sur leurs caractéristiques. | | Espèce | Un groupe d'individus (vivants ou fossiles) présentant des similitudes morphologiques, embryonnaires et génotypiques, capables de se reproduire entre eux et de produire une descendance fertile. | | Nomenclature binomiale | Un système de dénomination scientifique des espèces créé par Carl von Linné, où chaque organisme est désigné par deux noms : le genre et l'espèce. | | Procaryotes | Organismes unicellulaires dont les cellules ne possèdent pas de noyau défini ni d'organites membranaires. Les bactéries en sont un exemple. | | Systématique microbienne | Le domaine de la microbiologie qui s'occupe de la classification, de la nomenclature et de la taxonomie des micro-organismes, en particulier les bactéries. | | Phénotypique | Désigne les caractéristiques observables d'un organisme, résultant de l'interaction entre son génotype et son environnement. | | Génotypique | Se réfère à la constitution génétique d'un organisme, c'est-à-dire l'ensemble de ses gènes. | | Coloration de Gram | Une méthode de coloration différentielle utilisée pour classifier les bactéries en deux grands groupes : Gram-positives (qui retiennent le colorant violet) et Gram-négatives (qui prennent la couleur rose ou rouge). | | Catalase | Une enzyme qui catalyse la décomposition du peroxyde d'hydrogène en eau et en oxygène, souvent utilisée comme test pour distinguer certains groupes bactériens. | | MALDI-TOF | Spectrométrie de masse à désorption/ionisation laser assistée par matrice, une technique rapide utilisée pour identifier les micro-organismes en analysant leur profil protéique. | | TOF (Time of Flight) | Temps de vol, une mesure du temps nécessaire à une particule ionisée pour voyager à travers un champ électrique jusqu'à un détecteur, utilisé dans la spectrométrie de masse pour déterminer la masse des ions. | | ARN ribosomique (ARNr) | Composant majeur des ribosomes, les structures cellulaires responsables de la synthèse des protéines. Le gène codant l'ARNr 16S est couramment utilisé en taxonomie bactérienne. | | PCR (Polymerase Chain Reaction) | Technique de biologie moléculaire permettant d'amplifier de manière exponentielle des fragments d'ADN spécifiques. | | Gène | Une unité fondamentale de l'hérédité, constituée d'une séquence d'ADN qui code pour une protéine ou une molécule d'ARN fonctionnelle. | | Séquençage | Détermination de l'ordre des nucléotides (A, T, C, G) dans une molécule d'ADN ou d'ARN. | | Base de données | Une collection organisée d'informations, utilisée ici pour comparer des séquences bactériennes connues avec celles d'échantillons inconnus. | | MLST (MultiLocus Sequence Typing) | Une méthode d'identification des souches bactériennes basée sur le séquençage de plusieurs gènes conservés, permettant une discrimination plus fine que le séquençage d'un seul gène. | | Hybridation ADN-ADN | Une technique de biologie moléculaire utilisée pour comparer la similarité entre les génomes de deux organismes en mesurant le degré d'hybridation entre leurs brins d'ADN complémentaires. | | Phylogénie moléculaire | L'étude des relations évolutives entre les organismes basée sur les différences et les similitudes dans leurs séquences d'ADN, d'ARN ou de protéines. | | Dendrogramme | Un diagramme en forme d'arbre représentant les relations phylogénétiques entre un ensemble d'organismes, basé sur des mesures de similarité ou de divergence. | | Phénétique | Une classification basée sur l'évaluation mathématique de la ressemblance globale entre les organismes, en considérant un grand nombre de caractères phénotypiques. | | Sérotype | Un groupe d'organismes partageant des antigènes communs à la surface, permettant leur identification par des réactions immunitaires spécifiques. | | Antigène | Une substance qui déclenche une réponse immunitaire, souvent utilisée pour identifier et différencier des souches bactériennes. Les antigènes O, H et K sont couramment étudiés chez *Escherichia coli*. | | LPS (Lipopolysaccharide) | Un composant majeur de la membrane externe des bactéries à Gram négatif, souvent impliqué dans la pathogénicité et utilisé comme antigène (antigène O). | | Flagelle | Appendice filiforme mobile présent à la surface de certaines bactéries, impliqué dans la locomotion et utilisé comme antigène (antigène H). | | Capsule | Une couche externe généralement polysaccharidique qui entoure la paroi cellulaire de certaines bactéries, jouant un rôle dans la virulence et l'identification (antigène K). | | Transfert horizontal de gènes | Le transfert de matériel génétique entre organismes sans reproduction sexuée, un phénomène qui peut compliquer l'analyse des arbres phylogénétiques bactériens. | | Génomique | L'étude de l'ensemble des gènes d'un organisme (son génome), incluant leur structure, leur fonction, leur évolution et leur cartographie. | | Souche | Une population de cellules dérivées d'une seule cellule ou d'un seul isolat, présentant des caractéristiques génétiques et phénotypiques spécifiques. |

# Structure et expression des gènes eucaryotes Ce sujet explore la transcription des gènes eucaryotes en ARN, le rôle des ARN polymérases, et les distinctions par rapport aux gènes procaryotes [15](#page=15) [3](#page=3). ### 1.1 Les gènes sont transcrits en ARN Les gènes, définis comme des unités de transcription, sont transcrits en molécules d'ARN. Le processus de transcription implique une ARN polymérase qui synthétise une chaîne d'ARN à partir d'un brin matrice d'ADN, dans le sens 5' vers 3'. La transcription commence à un site d'initiation (+1) et se termine à un site d'arrêt. L'ARN produit peut être un ARN codant pour des protéines (ARNm) ou un ARN non codant (ncRNA) [11](#page=11) [12](#page=12) [6](#page=6). Le contenu en ARN d'une cellule eucaryote est majoritairement constitué de ncRNA (96%), tandis que les ARN codants pour les protéines ne représentent qu'une petite fraction (4%). Parmi les ncRNA, on trouve les ARN ribosomiques (ARNr), les ARN de transfert (ARNt), les petits ARN nucléaires (ARNsn), les petits ARN nucléolaires (snoRNA), les microARN (miRNA) et les longs ARN non codants (lncRNA). Les ARN codants sont les ARN messagers (ARNm) [7](#page=7) [9](#page=9). Les principaux types d'ARN sont : * **ARNm (messenger RNA)**: ARN codant pour les protéines, représentant environ 4% des ARN totaux [8](#page=8). * **ARNr (ribosomal RNA)**: Composant des ribosomes [8](#page=8). * **ARNt (transfer RNA)**: Apporte les acides aminés aux ribosomes [8](#page=8). * **Pré-ARN (Pre-mRNA, Pre-rRNA, Pre-tRNA)**: Précurseurs des ARN matures [8](#page=8). * **ARNsn (small nuclear RNA)**: Impliqués dans la maturation des ARNm (épissage) [9](#page=9). * **snoRNA (small nucleolar RNA)**: Impliqués dans la maturation des pré-ARNr (modifications chimiques) [9](#page=9). * **miRNA (micro ARN)**: Petits ARN (21-24 nt) régulant la dégradation ou la répression de la traduction d'ARNm spécifiques [9](#page=9). * **lncRNA (long non-coding RNA)**: ARN de plus de 200 nt, jouant un rôle dans la régulation de l'expression génique [9](#page=9). Le transcriptome désigne l'ensemble des ARNm exprimés par une cellule [7](#page=7). ### 1.2 Les gènes sont transcrits par une ARN Polymérase La transcription est catalysée par une enzyme appelée ARN polymérase. Cette enzyme se déplace le long de l'ADN et synthétise une chaîne d'ARN en utilisant les ribonucleotide-triphosphates (rNTP). La synthèse de l'ARN se fait toujours dans le sens 5' vers 3', en utilisant le brin d'ADN 3'-5' comme brin matrice. La polymérase ajoute de nouveaux nucléotides à l'extrémité 3' de la chaîne d'ARN en cours de croissance, libérant un pyrophosphate [11](#page=11) [12](#page=12) [13](#page=13) [6](#page=6). Il est important de noter que l'ARN polymérase peut lire l'ADN dans différentes directions, mais la synthèse de l'ARN reste toujours de 5' vers 3' [13](#page=13). > **Tip:** La compréhension de la polarité 5'-3' de la synthèse de l'ARN et de l'utilisation du brin matrice 3'-5' est fondamentale pour visualiser le processus de transcription. ### 1.3 Il existe trois ARN Polymérases eucaryotes Contrairement aux procaryotes qui possèdent une seule ARN polymérase pour transcrire tous leurs gènes les cellules eucaryotes en possèdent trois distinctes. Ces ARN polymérases eucaryotes sont généralement plus grandes et possèdent plus de sous-unités que leur homologue bactérienne [15](#page=15) [18](#page=18) [19](#page=19) [20](#page=20). Les trois ARN polymérases eucaryotes sont les suivantes : * **ARN Polymérase I (Pol I)**: Transcrit les gènes de classe I, qui codent pour les ARNr (28S, 18S, et 5,8S) [15](#page=15) [18](#page=18) [21](#page=21). * **ARN Polymérase II (Pol II)**: Transcrit les gènes de classe II, qui codent pour les ARNm, la plupart des ARNsn, les snoRNA, les miRNA et les lncRNA [15](#page=15) [18](#page=18) [21](#page=21). * **ARN Polymérase III (Pol III)**: Transcrit les gènes de classe III, qui codent pour les ARNt, l'ARNr 5S, l'ARNsn U6 et d'autres petits ARN (tels que les 7SL RNA, 7SK RNA et certains miRNA) [15](#page=15) [18](#page=18) [21](#page=21). > **Tip:** Il est essentiel de mémoriser quelle ARN polymérase est responsable de la transcription de quels types de gènes (classes I, II, III) pour comprendre les mécanismes de régulation spécifiques à chaque classe. Les ARN produits par ces polymérases sont initialement des pré-ARN qui subissent des modifications pour devenir des ARN matures. Ces modifications varient selon la classe du gène [21](#page=21): * **Gènes de classe I**: Maturation par modifications chimiques et clivage des pré-ARNr [21](#page=21). * **Gènes de classe II**: Maturation incluant l'ajout d'une coiffe en 5', la polyadénylation en 3', l'épissage des pré-ARNm [21](#page=21). * **Gènes de classe III**: Maturation par modifications chimiques, retrait/ajout de nucléotides, et épissage des pré-ARNt [21](#page=21). Ce cours se concentre sur l'expression des gènes portés par le génome nucléaire (classes I, II, III) [15](#page=15). ### 1.4 Expression des gènes codant les protéines : comparaison des gènes procaryotes et eucaryotes L'expression des gènes eucaryotes partage des principes fondamentaux avec celle des procaryotes, notamment la réplication de l'ADN, la transcription en ARN et la traduction des ARNm en protéines. L'information génétique est toujours portée par de l'ADN double brin. L'ADN dirige sa propre réplication par un mécanisme semi-conservatif [23](#page=23). Cependant, des différences significatives existent, ayant des conséquences fonctionnelles majeures [24](#page=24). **Points communs :** * Réplication de l'ADN [23](#page=23). * Transcription de l'ADN en ARN [23](#page=23). * Traduction de l'ARN messager en protéine [23](#page=23). **Différences clés :** * **Compartimentation**: Les cellules procaryotes n'ont qu'un seul compartiment (cytosol) où transcription et traduction ont lieu simultanément. Les cellules eucaryotes possèdent un noyau et un cytoplasme distincts. La transcription et la maturation des ARN se déroulent dans le noyau, tandis que la traduction a lieu dans le cytoplasme. Le transport des ARNm matures du noyau vers le cytoplasme est sélectif et contrôlé par les pores nucléaires [24](#page=24). * **Organisation des gènes**: Les gènes eucaryotes sont souvent "morcelés" avec une organisation en exons et introns, contrairement aux gènes procaryotes qui sont généralement continus [24](#page=24). * **Maturation de l'ARN messager**: Les ARNm eucaryotes subissent des modifications importantes (maturation: coiffage, polyadénylation, épissage) avant de quitter le noyau, ce qui n'est pas le cas pour les ARNm procaryotes [24](#page=24). * **Cistronicité**: Les ARNm eucaryotes sont généralement monocistroniques (codant pour une seule protéine), tandis que les ARNm procaryotes sont typiquement polycistroniques (codant pour plusieurs protéines) [24](#page=24). * **Signaux de transcription et traduction**: Les séquences des promoteurs et des signaux de fin de transcription sont différents entre procaryotes et eucaryotes. L'ARN polymérase II eucaryote ne reconnaît pas les promoteurs procaryotes et vice versa. L'initiation de la traduction est également différente: les eucaryotes utilisent une coiffe en 5' pour l'initiation, tandis que les procaryotes utilisent une séquence Shine-Dalgarno (SD/RBS) [24](#page=24). > **Example:** La présence d'introns dans les gènes eucaryotes signifie que l'ARN pré-messager doit être épissé pour retirer ces séquences non codantes avant que l'ARNm ne soit traduit en protéine. Ce processus n'existe pas chez les procaryotes. --- # Transcription des gènes de classe II par l'ARN polymérase II L'initiation de la transcription des gènes de classe II par l'ARN polymérase II est un processus complexe impliquant le promoteur, l'ARN polymérase II elle-même, les facteurs de transcription généraux (GTF) et le complexe médiateur [29](#page=29) [30](#page=30) [34](#page=34) [36](#page=36) [49](#page=49) [54](#page=54) [73](#page=73). ### 2.1 La transcription basale La transcription basale fait référence à l'ensemble des composants et des étapes minimales nécessaires à l'initiation de la transcription par l'ARN polymérase II. Elle implique le promoteur cœur, l'ARN polymérase II, les facteurs de transcription généraux (GTF) et le complexe médiateur [32](#page=32) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [72](#page=72) [77](#page=77). #### 2.1.1 Le promoteur cœur Le promoteur cœur est la région de l'ADN située autour du site d'initiation de la transcription (+1), généralement comprise entre -50 et +50 paires de bases (pb). Il contient des séquences régulatrices appelées "modules de base" qui sont essentielles à la fixation des facteurs de transcription et de l'ARN polymérase II [31](#page=31) [32](#page=32) [33](#page=33) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [72](#page=72) [77](#page=77). La structure d'un promoteur de gène de classe II est modulaire, signifiant qu'il n'existe pas un promoteur unique, mais une combinaison de différentes séquences (modules) qui peuvent varier d'un gène à l'autre. Le site d'initiation de la transcription est désigné par "+1" et est également appelé "Transcriptional Start Site" (TSS) [31](#page=31) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47) [78](#page=78). Les promoteurs peuvent être classifiés en deux types : * **Promoteurs focalisés:** Ils présentent un site d'initiation de la transcription unique et sont généralement caractérisés par la présence d'éléments comme la TATA box ou l'INR [46](#page=46) [47](#page=47). * **Promoteurs dispersés:** Ils possèdent plusieurs sites d'initiation de la transcription groupés ou dispersés sur 50 à 100 nucléotides. Ces promoteurs sont souvent dépourvus de TATA box mais contiennent de multiples GC box. Ils sont fréquents chez les vertébrés et sont souvent associés aux gènes de ménage (housekeeping genes) [46](#page=46) [47](#page=47). **Modules clés du promoteur cœur :** * **TATA box (ou boite TATA, élément Hogness):** Séquence consensus: TATAA/TAA/T. Elle est reconnue par la protéine TBP (TATA Binding Protein), une sous-unité du facteur TFIID [41](#page=41) [42](#page=42) [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **INR (Initiator motif):** Motif initiateur. Séquence consensus: C/TC /T N T/AC/TC /T [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **DPE (Downstream Promoter Element):** Élément en aval du promoteur. Séquence consensus: A/GG A/TCGTG [43](#page=43) [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **GC box:** Séquence consensus: GGGCGG [44](#page=44) [45](#page=45) [47](#page=47). * **CpG Island:** Ilots CpG, zones riches en dinucléotides 5’-CG-3’, s'étendant sur 500 à 2000 pb [44](#page=44) [45](#page=45) [46](#page=46) [47](#page=47). * **BRE (TFIIB Recognition Element):** Element de reconnaissance de TFIIB, existant en versions "upstream" (BREU) et "downstream" (BRED) [45](#page=45). * **MTE (Motif Ten Element):** [45](#page=45). * **DCE (Downstream Core Element):** Composé de trois sous-éléments (SI, SII, SIII) [45](#page=45). * **XCEP (X core promoter element):** [45](#page=45). La zone proximale du promoteur, située en amont du promoteur cœur (environ -50 à -250 pb), contient des sites de fixation pour des activateurs transcriptionnels qui facilitent la formation du Complexe de Pré-initiation (PIC). Les "enhancers", situés plus loin, ont également un rôle d'activation transcriptionnelle [33](#page=33) [78](#page=78) [79](#page=79). > **Tip:** L'identification des séquences importantes d'un promoteur s'effectue par la comparaison de séquences pour identifier des séquences consensus, puis par mutagénèse dirigée pour vérifier leur rôle [38](#page=38) [40](#page=40) [41](#page=41). #### 2.1.2 L’ARN Polymérase II L'ARN polymérase II (ARN Pol II) est l'enzyme responsable de la transcription des gènes codant pour les ARNm et certains ARN non codants chez les eucaryotes. Elle est composée de 12 sous-unités chez l'homme. La sous-unité la plus grosse possède un domaine C-terminal particulier appelé CTD (CarboxyTerminal Domain) [26](#page=26) [27](#page=27) [51](#page=51). Le CTD est constitué de répétitions d'un heptapeptide (Tyr-Ser-Pro-Thr-Ser-Pro-Ser), avec 26 répétitions chez la levure et 52 chez l'homme. Ce domaine joue un rôle crucial dans le cycle de transcription [51](#page=51). * **Pendant l'initiation:** Le CTD est non phosphorylé [51](#page=51). * **Lors de la transition initiation-élongation:** Le CTD est phosphorylé [51](#page=51). * **Pendant l'élongation:** Le CTD reste phosphorylé [51](#page=51). * **Lors de la terminaison:** Le CTD est déphosphorylé [51](#page=51). La phosphorylation différentielle du CTD à différents résidus (Tyr1, Ser2, Thr4, Ser5, Ser7) coordonne le cycle de transcription [52](#page=52). > **Tip:** Les expériences de transcription *in vitro* ont été essentielles pour comprendre le rôle des différentes protéines dans l'initiation de la transcription [55](#page=55). #### 2.1.3 Les GTF (General Transcription Factors) Les GTF, également appelés TFII (Transcription Factors II), sont un ensemble de protéines essentielles qui, avec l'ARN polymérase II, forment le complexe de pré-initiation (PIC) au niveau du promoteur. Ils sont indispensables pour une initiation efficace et correcte de la transcription [32](#page=32) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [56](#page=56) [57](#page=57) [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71) [72](#page=72) [77](#page=77). Les principaux GTF sont: TFIIA, TFIIB, TFIID, TFIIE, TFIIF et TFIIH [56](#page=56) [58](#page=58) [61](#page=61) [62](#page=62) [64](#page=64) [66](#page=66) [68](#page=68) [70](#page=70). **Leur rôle dans le modèle d'initiation *in vitro* :** 1. **Fixation de TFIID:** Ce complexe de plus de 9 sous-unités contient TBP (TATA Binding Protein) qui se lie à la TATA box, et des TAFs (TBP-Associated Factors) qui reconnaissent d'autres éléments comme l'INR (TAF150 et TAF250) et le DPE (TAF40 et TAF60). La liaison de TBP induit une déformation de l'ADN [59](#page=59) [60](#page=60) [63](#page=63) [65](#page=65) [67](#page=67) [69](#page=69) [77](#page=77). 2. **Fixation de TFIIA:** Composé de 3 sous-unités [63](#page=63) [65](#page=65) [67](#page=67) [69](#page=69). 3. **Fixation de TFIIB:** Composé d'une protéine [65](#page=65) [67](#page=67) [69](#page=69). 4. **Fixation de l'ARN Polymérase II et TFIIF:** L'ARN Pol II (12 sous-unités) et TFIIF (4 sous-unités) sont déjà liés ensemble [67](#page=67) [69](#page=69). 5. **Fixation de TFIIE et TFIIH:** TFIIE (4 sous-unités) et TFIIH (multiples sous-unités) [69](#page=69). L'assemblage de ces facteurs forme le **PIC (Pre-Initiation Complex)** [69](#page=69) [70](#page=70) [71](#page=71) [72](#page=72) [77](#page=77). **Rôles spécifiques de certains GTF dans la transition vers l'élongation :** * **TFIIH:** Possède une activité hélicase pour séparer les brins d'ADN, formant ainsi une bulle d'ouverture du promoteur. Il possède également une activité kinase qui phosphoryle le domaine CTD de l'ARN polymérase II, ce processus étant stimulé par TFIIE [71](#page=71). #### 2.1.4 Le complexe Médiateur Le complexe médiateur est un grand assemblage multiprotéique (environ 20 polypeptides chez la levure, pouvant varier) qui joue un rôle essentiel dans la régulation de la transcription. Il est souvent trouvé associé à l'ARN polymérase II pour former l'**Holoenzyme ARN Pol II** [74](#page=74) [75](#page=75). **Fonctions du complexe médiateur :** * Il active la transcription basale [75](#page=75). * Il stimule la phosphorylation du CTD de l'ARN polymérase II [75](#page=75). * Il sert de pont entre les activateurs transcriptionnels (liés aux enhancers ou à la région proximale du promoteur) et le complexe de transcription basale (PIC) [33](#page=33) [75](#page=75) [79](#page=79). Dans le modèle d'initiation *in vivo*, l'Holoenzyme ARN Pol II, comprenant l'ARN Pol II, certains GTF (TFIIB, E, F, H) et le complexe médiateur, peut être recrutée directement sur le promoteur par interaction avec TFIID (et TFIIA). L'assemblage de ces facteurs au promoteur cœur permet de rendre l'ARN polymérase II compétente pour initier la transcription [32](#page=32) [35](#page=35) [48](#page=48) [53](#page=53) [72](#page=72) [76](#page=76) [77](#page=77). > **Tip:** Pour que le PIC se forme efficacement, la structure de la chromatine au niveau du promoteur doit être plus lâche, permettant un meilleur accès à l'ADN pour les facteurs de transcription. De plus, les interactions avec les facteurs activateurs sont cruciales pour recruter et stabiliser le complexe de transcription, ainsi que pour stimuler le départ de l'ARN Pol II [79](#page=79). --- # Maturation des ARN messagers eucaryotes La maturation des ARN messagers eucaryotes implique plusieurs modifications post-transcriptionnelles essentielles pour produire un ARNm fonctionnel, notamment l'ajout de la coiffe en 5', la polyadénylation en 3' et l'épissage, des processus étroitement liés à la transcription par l'ARN Polymérase II [80](#page=80) [81](#page=81). ### 3.1 L'ajout de la coiffe en 5' L'ajout de la coiffe 7-méthylguanosine (m7G) à l'extrémité 5' de l'ARN prémessager (ARN pré-m) est un processus crucial qui se déroule en deux étapes. Cette coiffe joue plusieurs rôles fondamentaux [82](#page=82): * **Protection contre la dégradation:** Dans le noyau, elle fixe le CAP Binding Complex (CBC), protégeant l'ARN des exonucléases 5'-3'. Dans le cytoplasme, elle interagit avec le complexe eIF-4F, assurant également une protection contre les exonucléases [83](#page=83). * **Facilitation de l'épissage:** Elle favorise l'épissage du premier intron [83](#page=83). * **Exportation nucléaire:** Elle facilite le transport des ARNm du noyau vers le cytosol [83](#page=83). * **Initiation de la traduction:** Dans le cytoplasme, la coiffe est essentielle pour l'initiation de la traduction [83](#page=83). ### 3.2 La polyadénylation en 3' La polyadénylation est le processus d'ajout d'une queue d'environ 250 résidus adénosine (AAAAA) à l'extrémité 3' de l'ARN pré-m. Ce processus est initié par la reconnaissance de séquences signal spécifiques par des facteurs protéiques [86](#page=86): * **Séquence signal de polyadénylation:** La séquence AAUAAA est reconnue par le facteur CPSF (Cleavage and Polyadenylation Factor) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Richesse en G/T:** Une séquence riche en G/T située en aval du site de clivage est reconnue par le facteur CstF (Cleavage Stimulatory Factor) [86](#page=86) [87](#page=87). * **Site de clivage:** Le clivage se produit environ 10 à 30 nucléotides en aval de la séquence AAUAAA, au niveau d'un site marqué par une séquence CA [86](#page=86). La machinerie de polyadénylation comprend également les facteurs CFI et CFII, ainsi que la PolyA Polymérase (PAP) qui synthétise la queue polyA [87](#page=87). La queue polyA est recouverte par des protéines spécifiques, PABII dans le noyau et PABI dans le cytoplasme. La polyadénylation a plusieurs fonctions importantes [90](#page=90): * **Terminaison de la transcription:** Elle est souvent associée à la terminaison de la transcription par l'ARN Polymérase II [90](#page=90). * **Transport nucléo-cytoplasmique:** La présence de la queue polyA et de PABII facilite le transport de l'ARNm hors du noyau [90](#page=90). * **Stabilité de l'ARNm:** La queue polyA augmente la stabilité des ARNm en les protégeant de la dégradation [90](#page=90). * **Initiation de la traduction:** La queue polyA, associée à PABI, favorise l'initiation de la traduction [90](#page=90). ### 3.3 L'épissage L'épissage est le processus par lequel les introns sont excisés de l'ARN pré-m et les exons sont ligaturés ensemble pour former un ARNm mature. Ce processus est hautement conservé chez les eucaryotes et se caractérise par [93](#page=93): #### 3.3.1 Les sites d'épissage Les sites d'épissage sont des séquences consensus situées aux jonctions exon-intron et intron-exon. * **Site donneur (5' splice site):** Généralement GU, il marque le début de l'intron [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). * **Site accepteur (3' splice site):** Généralement AG, il marque la fin de l'intron [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). * **Site de branchement:** Il contient un adénine (A) conservé, situé environ 20 à 50 nucléotides en amont du site accepteur [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). * **Séquence riche en pyrimidines:** Située entre le site de branchement et le site accepteur, elle facilite la reconnaissance par le spliceosome [94](#page=94) [95](#page=95) [96](#page=96). #### 3.3.2 Mécanisme de l'épissage L'épissage se déroule via deux réactions de transestérifications successives [100](#page=100) [97](#page=97) [98](#page=98) [99](#page=99): 1. **Première transestérification:** L'hydroxyle 2'-OH de l'adénine du site de branchement attaque le phosphore du site donneur (5'ss). Cela forme une liaison phosphodiester 2'-5', libérant l'intron sous forme de structure en lasso [100](#page=100) [98](#page=98) [99](#page=99). 2. **Deuxième transestérification:** L'hydroxyle 3'-OH de l'exon 5' nouvellement libéré attaque le phosphore du site accepteur (3'ss). Ceci excises l'intron en lasso et lie les deux exons via une liaison phosphodiester 3'-5' classique [100](#page=100) [98](#page=98) [99](#page=99). #### 3.3.3 Le spliceosome L'épissage est effectué par un complexe macromoléculaire appelé spliceosome, composé de petites ribonucléoprotéines nucléaires (snRNP) et de protéines associées . * **Composants du spliceosome :** * **snRNP:** Ils sont composés d'un ARN nucléaire petit (snRNA) et de plusieurs protéines. Les snRNP clés sont U1, U2, U4, U5 et U6. Les snRNA sont riches en uridine. Les protéines peuvent être communes à toutes les snRNP (par exemple, les protéines Sm) ou spécifiques à une snRNP particulière . * **Autres protéines:** Des facteurs auxiliaires comme U2AF (U2snRNP Auxiliary Factor) sont également impliqués . * **Étapes de formation du complexe:** La formation du spliceosome est un processus dynamique impliquant l'assemblage séquentiel des snRNP et des protéines sur l'ARN pré-m . * **Complexe d'engagement:** La snRNP U1 reconnaît le site donneur (5'ss) et U2AF reconnaît la séquence riche en pyrimidines et le site de branchement . * **Complexe de pré-épissage (présplicéosome):** La snRNP U2 se lie au site de branchement, suivi par l'assemblage des snRNP U4/U6 et U5 pour former le complexe pré-épissage . #### 3.3.4 Reconnaissance des sites d'épissage Les sites d'épissage sont reconnus par des interactions spécifiques entre les séquences consensus de l'ARN pré-m et les composants du spliceosome : * **Interactions snRNA/pré-ARN:** La snRNP U1 reconnaît le site donneur (5'ss) par un appariement de bases entre son snRNA U1 et l'ARN pré-m. La snRNP U2 reconnaît le site de branchement de manière similaire . * **Interactions protéine/pré-ARN:** Le facteur U2AF reconnaît les séquences riches en pyrimidines via ses domaines RRM (RNA Recognition Motif) . #### 3.3.5 L'épissage alternatif L'épissage alternatif est un mécanisme par lequel un seul gène peut produire plusieurs ARNm matures différents, conduisant à la synthèse de protéines distinctes. Ce processus est répandu chez les eucaryotes (plus de 90% des gènes humains) et augmente considérablement la diversité protéique à partir d'un nombre limité de gènes. Les détails de la régulation de l'épissage alternatif seront abordés dans le chapitre sur la régulation de l'expression des gènes . ### 3.4 Liens entre maturation des ARN et transcription Les processus de maturation des ARN sont intimement liés à la transcription par l'ARN Polymérase II (ARN Pol II). Pendant l'élongation de la transcription, l'ARN Pol II est complexée à diverses protéines via son domaine CTD (C-terminal domain) phosphorylé. Parmi ces protéines se trouvent des facteurs impliqués dans la maturation des ARN [80](#page=80) [85](#page=85) [92](#page=92): * Enzymes responsables de l'ajout de la coiffe . * Facteurs de polyadénylation (CPSF et CstF) . * Protéines SR, qui jouent un rôle dans l'épissage . Ces facteurs sont déposés sur l'ARN pré-m au fur et à mesure de sa synthèse, assurant une coordination efficace entre transcription et maturation. L'ajout de la coiffe se produit très tôt pendant la transcription, souvent avant même que la chaîne d'ARN ne soit complètement synthétisée. L'épissage et la polyadénylation suivent généralement, mais peuvent aussi se dérouler de manière concurrente avec la transcription [80](#page=80). --- # Traduction des ARN messagers chez les eucaryotes La traduction des ARN messagers (ARNm) chez les eucaryotes est un processus complexe qui convertit l'information génétique codée dans l'ARNm en une séquence d'acides aminés, formant ainsi des protéines. Ce processus diffère significativement de celui observé chez les procaryotes, notamment dans les étapes d'initiation, d'élongation et de terminaison . ### 4.1 Comparaison de la traduction chez les eucaryotes et les procaryotes Bien que le mécanisme général de la traduction soit conservé, des différences notables existent entre les eucaryotes et les procaryotes, principalement dans la manière dont le ribosome se lie à l'ARNm pour initier la synthèse protéique, ainsi que dans les facteurs impliqués . #### 4.1.1 Initiation de la traduction Chez les procaryotes, l'initiation de la traduction débute par la reconnaissance d'une séquence spécifique sur l'ARNm, la séquence Shine-Dalgarno (SD), située environ 5 à 10 nucléotides en amont du codon d'initiation AUG. Cette séquence agit comme un site de liaison pour le ribosome (RBS - Ribosome Binding Site), permettant à la petite sous-unité ribosomale 30S de se fixer. Des facteurs d'initiation procaryotiques (IF1, IF2, IF3) sont impliqués dans la formation du complexe d'initiation, qui inclut le tRNA initiateur portant la formyl-méthionine (f-Met) . Chez les eucaryotes, l'initiation est différente et dépend de la présence d'une "coiffe" 5' sur l'ARNm. Le processus commence par la fixation d'un complexe de liaison à la coiffe, le complexe eIF4F (composé de eIF4E, eIF4G, eIF4A, et eIF4B), à l'extrémité 5' coiffée de l'ARNm. Le eIF4E est la protéine qui se lie spécifiquement à la coiffe 7-méthylguanosine. Le eIF4B possède une activité hélicase qui déroule les structures secondaires de l'ARN, tandis que le eIF4A stimule cette activité. Le eIF4G interagit avec la protéine de liaison à la queue poly(A) (PABP), stabilisant ainsi le complexe de liaison à la coiffe et favorisant l'initiation en 5' grâce à la queue poly(A) en 3' . Ensuite, la petite sous-unité ribosomale 40S, associée à un complexe ternaire (tRNAi, eIF-2, GTP) et à eIF-3, se fixe via eIF-3 qui interagit avec eIF-4G. Ce complexe d'initiation avance le long de l'ARNm, en éliminant les structures secondaires de la région 5' non traduite (5'-UTR) grâce à eIF4A et B. La reconnaissance du codon d'initiation AUG se fait généralement dans le contexte d'une séquence consensus, la séquence Kozak (5'-ACCAUGG-3') . Une fois l'AUG reconnu, le tRNA initiateur s'apparie au codon AUG. Ceci est suivi par la liaison de la grosse sous-unité ribosomale 60S, catalysée par eIF-6. Le relargage de eIF-2 et eIF-3, médiatisé par eIF-5, et l'hydrolyse du GTP en GDP et Pi par eIF-2 sont également des étapes clés. Enfin, la grosse sous-unité rejoint la petite sous-unité, formant le ribosome 80S fonctionnel, avec le relargage de eIF-6 qui maintenait la grosse sous-unité sous forme libre . > **Tip:** La reconnaissance de l'ARNm chez les eucaryotes est largement médiatisée par la coiffe 5' et la queue poly(A) en 3', créant une boucle qui facilite l'interaction entre les extrémités de l'ARNm et favorise l'efficacité de la traduction . #### 4.1.2 Élongation de la traduction L'élongation de la traduction est le processus par lequel la chaîne polypeptidique s'allonge, acide aminé par acide aminé. Ce processus se déroule en trois étapes principales : 1. **Entrée de l'aminoacyl-ARNt dans le site A du ribosome:** L'aminoacyl-ARNt correspondant au codon de l'ARNm présent dans le site A se lie au ribosome. Chez les procaryotes, cette étape est facilitée par les facteurs EF-Tu et EF-Ts, tandis que chez les eucaryotes, elle implique le facteur eEF-1 (composé de quatre sous-unités: $\alpha, \beta, \delta, \gamma$) . 2. **Formation de la liaison peptidique:** Une liaison peptidique se forme entre l'acide aminé de l'aminoacyl-ARNt dans le site A et la chaîne polypeptidique en croissance attachée à l'ARNt du site P. Cette activité est assurée par la fonction peptidyl-transférase du ribosome. Chez les procaryotes, cette activité est associée à l'ARNr 23S, et chez les eucaryotes, à l'ARNr 28S. L'ARN ribosomique agit comme un ribozyme . 3. **Translocation:** Le ribosome se déplace d'un codon sur l'ARNm, déplaçant l'ARNt du site P vers le site E (exit) et l'ARNt portant la chaîne polypeptidique naissante du site A vers le site P. L'ARNm est également déplacé d'un codon. Chez les procaryotes, cette étape est catalysée par le facteur EF-G, tandis que chez les eucaryotes, c'est le facteur eEF-2 qui intervient . > **Example:** Après la formation de la liaison peptidique, le ribosome passe à la position suivante sur l'ARNm, prêt à accepter un nouvel aminoacyl-ARNt. Ce mouvement coordonné de la machinerie ribosomale et de l'ARNm est essentiel pour la progression de la synthèse protéique . #### 4.1.3 Terminaison de la traduction La terminaison de la traduction survient lorsque le ribosome rencontre un codon stop (UAA, UAG ou UGA) sur l'ARNm. Contrairement aux autres codons, les codons stop ne sont pas reconnus par des ARNt, mais par des facteurs de libération (Release Factors) . Chez les procaryotes, les facteurs de libération RF-1 reconnaît les codons UAA et UAG, tandis que RF-2 reconnaît UAA et UGA. Un troisième facteur, RF-3, est également impliqué dans ce processus . Chez les eucaryotes, le facteur de libération eRF-1 reconnaît les trois codons stop (UAA, UAG, UGA). Similairement aux procaryotes, un facteur eRF-3 existe également. La liaison du facteur de libération au site A du ribosome, en présence d'un codon stop, entraîne la libération du polypeptide synthétisé et la dissociation du ribosome en ses deux sous-unités. La structure de eRF-1 humain présente une similarité remarquable avec celle d'un ARNt, ce qui peut expliquer sa reconnaissance des codons stop . > **Tip:** Les facteurs de libération eucaryotes (eRFs) sont structurellement similaires aux ARNt, ce qui leur permet d'interagir avec le site A du ribosome et de reconnaître les codons stop . ### 4.2 Polyribosomes chez les eucaryotes Une caractéristique importante de la traduction chez les eucaryotes est la capacité de l'ARNm à être traduit simultanément par plusieurs ribosomes. Un tel complexe est appelé un polyribosome ou polysome . Dans un polyribosome, plusieurs ribosomes se déplacent le long de la même molécule d'ARNm, chaque ribosome synthétisant une copie de la protéine codée. Les facteurs eIF-4E et eIF-4G restent fixés à la coiffe 5' de l'ARNm et facilitent la ré-initiation de la traduction avant même que le cycle précédent ne soit terminé. Cela permet une amplification de la production protéique à partir d'une seule molécule d'ARNm . > **Example:** Une micrographie électronique peut révéler la présence de plusieurs ribosomes attachés à une même molécule d'ARNm, formant une structure en "perles sur un fil", caractéristique d'un polyribosome . ### 4.3 Dégradation des ARN messagers eucaryotes La durée de vie des ARNm eucaryotes est régulée et leur dégradation est un processus essentiel pour le contrôle de l'expression génique. Les mécanismes de dégradation peuvent varier, mais impliquent souvent : 1. **Dégradation de la queue poly(A):** La queue poly(A) en 3' de l'ARNm est progressivement raccourcie par des enzymes spécifiques . 2. **Décoiffage:** Lorsque la queue poly(A) atteint une longueur critique (environ une trentaine de résidus A), l'ARNm subit une décoiffage à son extrémité 5' . 3. **Dégradation 5' vers 3':** Après le décoiffage, une dégradation rapide de l'ARNm se produit dans la direction 5' vers 3' . D'autres mécanismes de dégradation existent, tels que le clivage de la région 3' non traduite (3'-UTR) sur des séquences d'instabilité, ou la dégradation des ARNm erronés porteurs de codons stop précoces via le mécanisme de NMD (nonsense-mediated decay) . --- ## Erreurs courantes à éviter - Révisez tous les sujets en profondeur avant les examens - Portez attention aux formules et définitions clés - Pratiquez avec les exemples fournis dans chaque section - Ne mémorisez pas sans comprendre les concepts sous-jacents

| Term | Definition | |------|------------| | Gène | Une unité fondamentale de l'hérédité qui code pour une protéine ou une molécule d'ARN fonctionnelle. Les gènes sont composés de séquences d'ADN qui sont transcrites en ARN, puis potentiellement traduites en protéines. | | ARN Polymérase | Une enzyme clé responsable de la transcription de l'ADN en ARN. Elle synthétise une molécule d'ARN en utilisant un brin d'ADN comme modèle, ajoutant des nucléotides dans la direction 5' vers 3'. Il existe différents types d'ARN polymérases chez les eucaryotes, chacune transcrivant des classes spécifiques de gènes. | | Transcription | Le processus de synthèse d'une molécule d'ARN à partir d'un modèle d'ADN. C'est la première étape de l'expression génique, où l'information génétique contenue dans l'ADN est copiée dans une séquence d'ARN. | | ARN messager (ARNm) | Un type d'ARN qui transporte l'information génétique de l'ADN dans le noyau vers les ribosomes dans le cytoplasme, où il sert de modèle pour la synthèse des protéines. | | ARN ribosomique (ARNr) | Un composant majeur des ribosomes, les complexes cellulaires responsables de la synthèse des protéines. L'ARNr se combine avec des protéines pour former les sous-unités ribosomiques. | | ARN de transfert (ARNt) | Un petit ARN qui transporte des acides aminés spécifiques vers les ribosomes lors de la traduction de l'ARNm en protéine. Chaque ARNt possède un anticodon qui s'apparie avec le codon correspondant sur l'ARNm. | | Promoteur | Une région d'ADN située en amont d'un gène qui régule l'initiation de la transcription. Il contient des séquences spécifiques auxquelles se lient les ARN polymérases et les facteurs de transcription. | | Facteurs Généraux de Transcription (GTF) | Des protéines qui se lient aux promoteurs et à l'ARN polymérase pour former le complexe de pré-initiation (PIC), essentiel à l'initiation de la transcription chez les eucaryotes. | | Maturation de l'ARN | Un ensemble de modifications post-transcriptionnelles subies par un transcrit d'ARN primaire (pré-ARN) pour devenir un ARN mature et fonctionnel. Cela peut inclure l'ajout d'une coiffe en 5', la polyadénylation en 3' et l'épissage. | | Épissage | Le processus par lequel les introns sont retirés d'un pré-ARN messager et les exons sont joints pour former un ARNm mature. Ce processus est réalisé par le spliceosome. | | Épissage alternatif | La capacité d'un seul gène à produire différentes isoformes d'ARNm, et donc différentes protéines, en variant la manière dont les exons sont assemblés lors de l'épissage. | | Polyadénylation | L'ajout d'une longue séquence de nucléotides adénine (queue poly-A) à l'extrémité 3' d'un pré-ARN messager. Cela joue un rôle dans la stabilité de l'ARNm, son exportation du noyau et l'initiation de la traduction. | | Coiffe en 5' (capping) | L'ajout d'une modification unique, généralement un 7-méthylguanosine (m7G), à l'extrémité 5' d'un ARN messager eucaryote. Cette coiffe protège l'ARN de la dégradation, favorise l'épissage et l'exportation, et est impliquée dans l'initiation de la traduction. | | Traduction | Le processus par lequel l'information génétique codée dans une séquence d'ARNm est utilisée pour synthétiser une chaîne polypeptidique (protéine). Cela se produit dans les ribosomes. | | Codon | Une séquence de trois nucléotides dans l'ADN ou l'ARN qui spécifie un acide aminé particulier lors de la synthèse des protéines, ou qui signale le début ou la fin de la traduction. | | AUG | Le codon de départ universel chez la plupart des organismes, qui code pour la méthionine et indique le début de la traduction d'un ARNm. | | Ribosome | Un complexe macromoléculaire présent dans toutes les cellules vivantes qui synthétise les protéines à partir de l'ARNm. Il est composé d'ARNr et de protéines ribosomiques. | | Séquence Shine-Dalgarno (SD) | Une séquence d'ARN chez les procaryotes située en amont du codon d'initiation AUG, qui joue un rôle crucial dans le recrutement du ribosome et l'initiation de la traduction. | | Séquence Kozak | Une séquence consensus chez les eucaryotes qui entoure le codon d'initiation AUG, facilitant la reconnaissance de l'AUG par le ribosome et l'initiation de la traduction. | | PIC (Complexe de Pré-initiation) | Un complexe formé au niveau du promoteur d'un gène eucaryote, composé de l'ARN polymérase II et de facteurs généraux de transcription (GTF), qui est nécessaire pour initier la transcription. | | CTD (domaine C-terminal) | Une région unique de la sous-unité la plus grande de l'ARN polymérase II eucaryote, composée de répétitions d'un heptapeptide. Sa phosphorylation joue un rôle crucial dans la régulation du cycle de transcription, y compris l'initiation, l'élongation et la liaison aux facteurs de maturation de l'ARN. |