Keerpunten-2 4-04 #1.

Presentatie over: "Keerpunten-2 4-04 #1."— Transcript van de presentatie:

1 keerpunten #1

2 keerpunten in de natuurwetenschappen
van ‘dode’ moleculen naar levende cellen #2 netwerken en genetische informatie roel van driel Swammerdam Inst. voor Levenswetenschappen Universiteit van Amsterdam

3 is dit iets anders…? leven big bang elementaire deeltjes
sterrenstelsels is dit iets anders…? zonnestelsels atomen, moleculen aarde, ecologie leven evolutie keerpunten #3

4 de cel cytoplasma DNA celmembraan een plantecel keerpunten #4

5 eiwitten kunnen (bijna) alles
keerpunten #5

6 macromoleculen: de sleutel tot leven
simpele onvertakte ketens van eenvoudige chemische bouwstenen...! energie-opslag koolhydraten de werkpaarden eiwitten informatie-opslag DNA en RNA keerpunten #6

7 wat maakt eiwitten zo bijzonder
heel breed scala van functies specificiteit heel precies herkennen, binden en chemisch veranderen van andere moleculen elk eiwit is lange onvertakte keten van aminozuren keerpunten #7

8 eiwitten binden andere moleculen via veel zwakke precies passende interacties
specificiteit precies pas opgevouwen aminozuurketen keerpunten #8

9 enzymen: de droom van elke chemicus
enzymen zijn eiwitten die chemische verandering katalyseren selectiviteit...! specificiteit...! reactief centrum op eiwit-oppervlak als opvouwing verandert: verlies van functie keerpunten #9

10 een ander mens in een paar dagen...
50% van de moleculen in de cel is zijn eiwitten water niet meegerekend alle eiwitten worden voortdurend aangemaakt en weer afgebroken in cel levensduur minuten tot dagen na een paar dagen zijn alle eiwitten in het lichaam ten minste eenmaal vernieuwd keerpunten #10

11 menu biologische netwerken genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal hoeveel DNA is nodig gebruiken van DNA meer dan DNA alleen keerpunten #11

12 biologische netwerken hoe eiwitten samenwerken in de cel
keerpunten in de biologie biologische netwerken hoe eiwitten samenwerken in de cel keerpunten #12

13 eiwitten werken samen in netwerken
keerpunten #13

14 ketens van chemische reacties
bijvoorbeeld de omzetting van voedingsstoffen (glucose) in kooldioxide (CO2), water en energie keten van 17 reacties keerpunten #14

15 verbranding van koolhydraten door mensen: één-staps proces
bij hoge temperatuur keerpunten #15

16 ‘verbranding’ van koolhydraten door de levende cel: een heleboel kleine stapjes
chemische energie bij lage temperatuur bij hoge temperatuur keerpunten #16

17 verrassend: metabolisme in de cel
groot aantal samenhangende en op elkaar afgestemde chemische en fysische processen in de cel elke(!) omzetting gekatalyliseerd door eigen enzym vaak kan activiteit van enzymen gereguleerd worden gedrag niet intuitief voorspelbaar systeembiologie...! keerpunten #17

18 een ander netwerk: eiwit interactie-netwerk in gistcel
schikowski fig 1 Schwikowski et al., Nature Biotech. 18, 1257 (2000) eiwitten in gistcel 1.548 eiwitten 2.358 interacties één groot netwerk verschillende cel-compartimenten verschillende typen celfuncties keerpunten #18

19 eiwit interactie netwerk in gist
Schwikowski et al., Nature Biotech. 18, 1257 (2000) geel: vet metabolisme blauw: membranen grijs: chromatine rood: celdeling keerpunten #19

20 architectuur van biologische netwerken: altijd scale-free
scale-free netwerken meeste componenten hebben maar weinig partners klein aantal heeft veel partners grote robuustheid...! de ‘knopen’ zijn de achilleshiel net als sociale netwerken www ecologische netwerken keerpunten #20

21 heel veel reacties hangen met elkaar samen
netwerken van samenwerkende componenten in de cel eiwitten en enzymen genen speciale systeem- eigenschappen geselecteerd tijdens evolutie robuustheid efficientie aanpassen aan omgeving regulatie van systemen ‘leven’ een netwerk van chemische en fysische netwerken dit is nog maar een heel klein deel van het totale netwerk keerpunten #21

22 conclusie moleculaire basis van leven is simpel èn complex
individuele chemische en fysische interacties simpel samenspel van heel veel reacties en interacties is complex netwerken van reacties en interacties gereguleerd in tijd en ruimte het bijzondere van leven zit ‘verborgen’ in de complexiteit van de netwerken van interacties ‘emergente eigenschappen’ van netwerken… keerpunten #22

23 menu biologische netwerken genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal hoeveel DNA is nodig gebruiken van DNA meer dan DNA alleen keerpunten #23

24 DNA codering van genetische informatie
keerpunten in de biologie DNA codering van genetische informatie keerpunten #24

25 when was it discovered...? DNA is the genetic material
1933, 1944, 1955, 1966 DNA can be sequenced 1955, 1966, 1977, 1988 DNA is a double helix 1953, 1963, 1973, 1983 the human genome is sequenced 1991, 1996, 2001, 2006 a gene codes for a protein 1935, 1945, 1955, 1965 keerpunten #25

26 ons genetisch materiaal
keerpunten #26

27 hoe ziet ons genetisch materiaal eruit...?
electronenmicroscopie DNA is donkerder lichtmicroscopie DNA is lichtgevend gemaakt de celkern van een menselijke cel keerpunten #27

28 bij celdeling worden chromosomen zichtbaar
keerpunten #28

29 bij celdeling worden chromosomen zichtbaar
keerpunten #29

30 bij celdeling worden chromosomen zichtbaar
individuele chromosomen worden tijdelijke zichtbaar tijdens de celdeling keerpunten #30

31 chromosomen ontdekt eind 19de eeuw
Theodor Bovari hoogleraar zoologie en vergelijkende anatomie Universiteit Wurzburg hij wilde ontdekken: ‘those processes whereby a new individual with definite characteristic is created from the parental generative material’ hij ontdekte dat vorm en grootte van chromosomen typisch zijn voor een organisme keerpunten #31

32 de mens heeft 24 verschillende chromosomen
24 verschillende menselijke chromosomen elke cel heeft 46 (2 x 23) chromosomen vrouwen twee van 1 t/m 22 plus twee X mannen twee van 1 t/m 22 plus X plus Y elk chromosoom bevat één lang DNA molecuul chromosomen na openmaken delende cel en gekleurd chromosomen geordend door computer keerpunten #32

33 macromoleculen: de sleutel tot leven
simpele onvertakte ketens van eenvoudige chemische bouwstenen...! energie-opslag koolhydraten de werkpaarden eiwitten DNA (RNA) keerpunten #33

34 James Watson, Francis Crick en Maurice Wilkins en ook Rosalind Franklin
James Watson: I never saw Frances Crick in a modest mood... keerpunten #34

35 keerpunten #35

36 het verbazende DNA DNA is keten van simpele chemische bouwstenen: nucleotiden menselijk DNA: drie miljard nucleotiden gemiddeld menselijk chromosoom is 130 miljoen nucleotiden lang vier verschillende nucleotiden A = adenine T = thymine C = cytosine G = guanine DNA keten is dubbel...! complementaire nucleotiden-volgorde altijd A tegenover T altijd C tegenover G keerpunten #36

37 paring van nucleotiden in beide ketens van DNA molecuul
in twee ketens van DNA A past precies op T C past precies op G informatie in de twee DNA ketens is redundant C G A T keerpunten #37

38 DNA is een dubbele helix
keerpunten #38

39 elk chromosoom is één lang DNA molecuul verpakt in eiwitten
een menselijke cel 2 x 23 chromosomen 2 maal 3 miljard nucleotiden gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom een ontrafeld chromosoom DNA model 15 nucleotiden lang keerpunten #39

40 elk chromosoom is één lang DNA molecuul verpakt in eiwitten
een menselijke cel 2 x 23 chromosomen 2 maal 3 miljard nucleotiden gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom een ontrafeld chromosoom DNA model 15 nucleotiden lang keerpunten #40

41 humane genoomproject nucleotiden-volgorde van volledige humane genoom bepaald 3 miljard nucleotiden samenwerking groot aantal onderzoeksgroepen wereldwijd ten dele commercieel klaar in 2001 genoomprojecten van vele andere organismen keerpunten #41

42 menu biologische netwerken genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal hoeveel DNA is nodig gebruiken van DNA meer dan DNA alleen keerpunten #42

43 genetische informatie een taal met maar 4 letters
keerpunten in de biologie genetische informatie een taal met maar 4 letters keerpunten #43

44 elk chromosoom is één lang DNA molecuul verpakt in eiwitten
een menselijke cel 2 x 23 chromosomen 2 maal 3 miljard nucleotiden gemiddeld 130 miljoen nucleotiden per chromosoom DNA model 15 nucleotiden lang keerpunten #44

45 gen is de eenheid van genetische informatie
gen concept is simpel gen is nucleotide-volgorde in ons DNA gen bevat de informatie voor de aanmaak van een eiwit lengte verschilt per gen 1000 tot nucleotiden per gen mens heeft ongeveer genen gemiddeld ~1500 genen per chromosoom of toch (veel) meer...? keerpunten #45

46 genen op een chromosoom
deel van chromosoom 2 van de fruitvlieg in plaatje ~5 miljoen nucleotiden totale genoom van fruitvlieg is 165 miljoen elk gekleurd balkje is een gen keerpunten #46

47 genen op een chromosoom
deel van chromosoom 2 van de fruitvlieg in plaatje ~5 miljoen nucleotiden totale genoom van fruitvlieg is 165 miljoen elk gekleurd balkje is een gen keerpunten #47

48 informatie in een gen een specifiek gen bevat de informatie voor de aminozuur-volgorde in een specifiek eiwit aminozuurvolgorde bepaalt de opvouwing van het eiwit opvouwing van het eiwit bepaalt de functie specifieke binding van andere moleculen katalyse van specifieke chemische reactie (als eiwit een enzym is) dus: een gen codeert voor een functie in de cel keerpunten #48

49 een menselijk gen: codeert voor -globine
genetische code is taal met slechts vier letters A, T, G, C -globine gen beslaat ~2000 van de 3 miljard letters van het menselijke genoom nucleotide-volgorde van één van beide DNA ketens getoond codeert voor onderdeel van bloed-eiwit hemoglobine beta-globine: eiwit ~150 aminozuren lang keerpunten #49

50 genetische informatie een simpele lineaire code
keerpunten #50

51 humane genoomproject nucleotiden-volgorde van volledige humane genoom volledig opgelost 3 miljard nucleotiden alle genen bekend inzicht in alle eiwitten die in menselijke cellen kunnen voorkomen één gen één eiwit dogma maar: veel eiwitten worden chemisch veranderd in de cel op verschillende manieren keerpunten #51

52 het menselijk genoom 2 meter DNA in celkern
2 x 3 miljard nucleotiden in elke cel ~ genen slechts 3% van DNA zijn genen 97% van DNA heeft totaal onbekende functie...! 2 meter DNA in celkern diameter celkern is 10 micrometer (1/100 millimeter) keerpunten #52

53 2 meter DNA per celkern van 1/100 mm doorsnee
equivalent 20 km draad in een tennisbal (10 cm) gemiddeld gen ~2 cm toch efficiënt gen aan/uit zetten vind 2 cm gen op 20 km draad...! keerpunten #53

54 nog een een rekensom 2 meter DNA per menselijke cel
mens: meer dan 75 miljard cellen totaal 75 x 2 x 109 meter alle DNA moleculen uit één mens achter elkaar 150 miljoen km DNA... gelijk afstand aarde-zon... keerpunten #54

55 menu biologische netwerken genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal hoeveel DNA is nodig gebruiken van DNA meer dan DNA alleen keerpunten #55

56 hoeveel genetische informatie is nodig...?
keerpunten in de biologie hoeveel genetische informatie is nodig...? keerpunten #56

57 genomen, genen en de complexiteit van organismen
genoom genen neurons (nucleotiden) E. coli ,200,000 4, gist ,000,000 6, worm (nematode) ,000,000 18, Arabidopsis (plant) 130,000,000 25, fruitvlieg ,000,000 13, ,000 muis 3,300,000,000 35, ,000,000 mens ,000,000 35, ~75,000,000,000 keerpunten #57

58 genomen, genen en de complexiteit van organismen
genoom genen neurons (nucleotiden) E. coli ,200,000 4, gist ,000,000 6, worm (nematode) ,000,000 18, Arabidopsis (plant) 130,000,000 25, fruitvlieg ,000,000 13, ,000 muis 3,300,000,000 35, ,000,000 mens ,000,000 35, ~75,000,000,000 keerpunten #58

59 sommige amfibieën en planten hebben tot 100 maal meer DNA dan een mens
geen simpele relatie complexiteit organisme, grootte van genoom en het aantal genen...! genoom genen neuronen (nucleotiden) E. coli ,200,000 4, gist ,000,000 6, worm (nematode) ,000,000 18, Arabidopsis (plant) 130,000,000 25, fruitvlieg ,000,000 13, ,000 muis 3,300,000,000 35, ,000,000 mens ,000,000 35, ~70,000,000,000 sommige amfibieën en planten hebben tot 100 maal meer DNA dan een mens keerpunten #59

60 welke informatie is gecodeerd in ons DNA...?
het volledige bouwplan...? kun je op basis van het DNA een organisme de novo maken...? overwegingen een cel/organisme ontstaat altijd uit een ander cel/organisme er ontstaat nooit de novo leven uit DNA antwoord op vraag nog open...! keerpunten #60

61 genetische informatie volledig uitwisselbaar
veel genen bijna hetzelfde in verschillende organismen gen uit ene organisme functioneert prima in andere voorbeeld stier Herman menselijk gen voor eiwit lactoferrine in rund-genoom geplaatst keerpunten #61

62 genen fruitvlieg lijken op genen van mens
deel van chromosoom 2 van fruitvlieg rose, rood en geel gemarkeerde genen ook in de mens gevonden keerpunten #62

63 menu biologische netwerken genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal hoeveel DNA is nodig gebruiken van DNA meer dan DNA alleen keerpunten #63

64 lezen van genetische informatie
keerpunten in de biologie lezen van genetische informatie keerpunten #64

65 informatie-stroom DNA -> RNA -> eiwit
stap #1 nucleotiden-volgorde van één van de twee DNA ketens van gen gekopieerd als RNA keten messenger RNA (mRNA) RNA synthese (transcriptie) in celkern stap #2 mRNA getransporteerd van kern naar cytoplasma stap #3 nucleotiden-volgorde van mRNA wordt vertaald naar aminozuur-volgorde van het eiwit waarvoor gen codeert eiwitsynthese (translatie) in cytoplasma keerpunten #65

66 van DNA-taal naar eiwit-taal
U = T DNA-taal 4 letters: 4 nucleotiden A,T.G.C eiwit-taal 20 letters: 20 aminozuren woordenboek: de genetische code groepje van drie nucleotiden afgelezen en vertaald in één aminozuur aminozuur triplet nucleotiden keerpunten #66

67 mutaties C mutatie is verandering van nucleotiden-volgorde in DNA X X
resulteert in andere aminozuurvolgorde van eiwit waarvoor gen codeert meestal verlies van functie van eiwit verlies van eigenschap van cel mutaties kunnen bijv. ziekten veroorzaken X X phe X keerpunten #67

68 mutaties wil de cel tot elke prijs voorkomen
de cel wil genetische informatie constant houden read only...! DNA reparatie mechanismen vele mechanismen om veranderingen in DNA te herkennen en te repareren uiterst efficiënt uiterst precies DNA replicatie tijdens celdeling extreem nauwkeurig één fout per kopieren van een miljard nucleotiden...! duizenden schades in DNA per huidcel per uur...! keerpunten #68

69 regulering van het aflezen van een gen
DNA eiwitten RNA polymerase RNA polymerase beweegt langs DNA en maakt mRNA regulering van het aflezen van een gen genetische informatie van een gen wordt alleen afgelezen indien nodig als eiwit waarvoor gen codeert aangemaakt moet worden precies gereguleerd proces speciale eiwitten herkennen begin van gen herkennen DNA nucleotiden-volgorde van gen en binden eraan recruteren enzym dat mRNA maakt (RNA polymerase) RNA polymerase loopt langs DNA en maakt mRNA keerpunten #69

70 organismen kunnen genen aan- en uitzetten
Antirrhinum een organisme kan veel van zijn genen aan- en uitzetten bijv. genen voor bloemontwikkeling o.i.v. signalen van buiten regulering per celtype in het organisme keerpunten #70

71 genen werken samen in netwerken
bakkersgist 6100 genen 1000 genen onderzocht 4000 interacties genen met soortgelijke functie hebben vaker interactie met elkaar dan met andere genen clusters in netwerk genen ‘praten’ met elkaar via eiwitten geintegreerde netwerken Tong et al. Science 303, 808 (2004) keerpunten #71

72 menu biologische netwerken genetische informatie: DNA
lezen van genetische taal hoeveel DNA is nodig gebruiken van DNA meer dan DNA alleen keerpunten #72

73 genetische informatie meer dan DNA alleen
keerpunten in de biologie genetische informatie meer dan DNA alleen keerpunten #73

74 probleem...! een mens heeft ongeveer 200 à 300 verschillende soorten cellen bijv. huid, lever, nier, etc. elk celtype maakt eigen keus uit totale repertoire van genen elk celtype heeft slechts toegang tot deel van alle genen % van totaal (?) hoe kan dat...? oplossing: epigenetica extra epigenetische informatie keerpunten #74

75 epigenetica verandering in genetische eigenschappen van een cel zonder verandering in nucleotiden-volgorde van DNA vereist inzicht in chromatine keerpunten #75

76 chromatine DNA van eukaryoten verpakt met eiwitten
eenheid van verpakking is nucleosome complex van 8 eiwitten (histonen) schijfvormig (6 x 11 nm) dubbele DNA helix bijna 2 maal om schijf gewonden 150 nucleotiden per nucleosoom menselijk genoom: 20 miljoen nucleosomen zelfde structuur voor alle(!) planten en dieren keerpunten #76

77 chromatine hetzelfde in alle eukaryoten
kralenketting vouwt zich op in celkern verschillende niveaus van opvouwing nog veel open vragen keerpunten #77

78 chemische veranderingen van nucleosoom-eiwitten
nucleosoom-eiwitten (histonen) kunnen verschillende chemische veranderingen ondergaan in cel m.b.v. speciale enzymen chemische histon code geschreven op nucleosoom keten naast genetische code in vorm van nucleotiden volgorde in DNA chemische code herkend door speciale eiwitten histon code bepaalt of genetische informatie in DNA toegankelijk is of niet histon code hiërarchisch hoger dan genetische code in DNA keerpunten #78

79 epigenetische informatie wordt geschreven gedurende embryonale ontwikkeling
genetische informatie (DNA) cel doet alles om deze informatie te behouden ‘read only’ epigenetische informatie (histon code in nucleosomen) cel kan deze informatie schrijven, lezen en (soms) wissen keerpunten #79

80 epigenetische (histon) code geschreven tijdens embryonale ontwikkeling
bevruchte eicel alle genen beschikbaar net als stamcel tijdens ontwikkeling van embryo differentiëren cellen tot verschillende weefsels differentieren = specialiseren bij differentiatie steeds kleiner deel van totale gen-repertoir beschikbaar genen definitief uitgezet via histon code kloneren van organismen is wissen en herschrijven van histon code...! klauwpad (Xenopus laevis) keerpunten #80

81 er is nog nooit zoveel belangstelling geweest voor biologie
waarom…? begrijpen wie we zijn een lang(er) leven remedie tegen al onze kwalen ons zelf ‘verbeteren’ basis principes beginnen duidelijk te worden zelfde voor alle(!) levende wezens op deze aarde keerpunten #81

82 keerpunten #82