Genen zijn de blauwdrukken voor het bouwen van de chemische machinerie die cellen in leven houdt. Dat geldt voor mensen en alle andere levensvormen. Maar wist u dat mensen, met 20.000 genen, bijna 11.000 genen minder hebben dan watervlooien? Als het aantal genen geen voorspelling is voor complexiteit, wat dan wel?
Het antwoord is dat ons genetisch materiaal veel meer bevat dan de eenheden die we genen noemen. Net zo belangrijk zijn de schakelaars die een gen aan en uit zetten. En hoe cellen genetische instructies lezen en interpreteren, is bij mensen veel complexer dan bij die watervlooien.
Genen en de schakelaars die ze aansturen zijn gemaakt van DNA. Dat is een lange molecule die op een spiraalvormige ladder lijkt. De vorm staat bekend als een dubbele helix. In totaal drie miljard sporten verbinden de twee buitenste strengen – de rechtopstaande steunen – van deze ladder. We noemen de sporten basenparen naar de twee chemische stoffen (paren) waaruit ze zijn opgebouwd. Wetenschappers verwijzen naar elke chemische stof met zijn beginletter: A (adenine), C (cytosine), G (guanine) en T (thymine). A paart altijd met T; C paart altijd met G.
In menselijke cellen bestaat het dubbelstrengs DNA niet als één gigantische molecule. Het is opgesplitst in kleinere brokken, chromosomen genaamd (KROH-moh-soams). Deze zijn verpakt in 23 paren per cel. Dat maakt 46 chromosomen in totaal. Samen worden de 20.000 genen op onze 46 chromosomen het menselijk genoom genoemd.
De rol van DNA is vergelijkbaar met de rol van het alfabet. Het heeft de potentie om informatie te dragen, maar alleen als de letters worden gecombineerd op manieren die zinvolle woorden maken. Door woorden aan elkaar te rijgen ontstaan instructies, zoals in een recept. Dus genen zijn instructies voor de cel. Net als instructies, hebben genen een “begin.” Hun reeks van basenparen moet in een specifieke volgorde volgen tot ze een bepaald “einde” bereiken.
Als genen als een basisrecept zijn, zijn allelen (Ah-LEE-uhls) versies van dat recept. Bijvoorbeeld, de allelen van het “oogkleur”-gen geven aanwijzingen om ogen blauw, groen, bruin enzovoort te maken. We erven één allel, of genversie, van elk van onze ouders. Dat betekent dat de meeste van onze cellen twee allelen bevatten, één per chromosoom.
Maar we zijn geen exacte kopieën van onze ouders (of broers en zussen). De reden: voordat we ze erven, worden de allelen geschud als een spel kaarten. Dit gebeurt wanneer het lichaam ei- en zaadcellen maakt. Dat zijn de enige cellen met slechts één versie van elk gen (in plaats van twee), verpakt in 23 chromosomen. Ei- en zaadcellen versmelten in een proces dat bekend staat als bevruchting.
Door twee sets van 23 chromosomen te combineren – één set van de eicel, één set van de zaadcel – krijgt die nieuwe persoon de gebruikelijke twee allelen en 46 chromosomen. En haar unieke combinatie van allelen zal nooit meer op precies dezelfde manier ontstaan. Dat maakt ieder van ons uniek. Maar we zijn geen exacte kopieën van onze ouders (of broers en zussen). De reden: voordat we ze erven, worden de allelen geschud als een spel kaarten. Dit gebeurt wanneer het lichaam ei- en zaadcellen maakt. Dat zijn de enige cellen met slechts één versie van elk gen (in plaats van twee), verpakt in 23 chromosomen. Ei- en zaadcellen versmelten in een proces dat bekend staat als bevruchting. Hiermee begint de ontwikkeling van een nieuw mens.
Een bevruchte cel moet zich vermenigvuldigen om alle organen en lichaamsdelen van een baby te maken. Om zich te vermenigvuldigen, splitst een cel zich in twee identieke kopieën. De cel gebruikt de instructies op zijn DNA en de chemicaliën in de cel om een identieke DNA-kopie voor de nieuwe cel te maken. Dan herhaalt het proces zich vele malen: één cel kopieert om twee te worden. En twee kopiëren om vier te worden. Enzovoort.
Om organen en weefsels te maken, gebruiken de cellen de instructies op hun DNA om kleine machines te bouwen. Zij sturen reacties tussen chemicaliën in de cel die uiteindelijk organen en weefsels produceren. De piepkleine machientjes zijn eiwitten. Wanneer een cel de instructies van een gen leest, noemen we dat genexpressie. Een bevruchte cel moet zich vermenigvuldigen om alle organen en lichaamsdelen van een baby te maken. Om te vermenigvuldigen, splitst een cel zich in twee identieke kopieën. De cel gebruikt de instructies op zijn DNA en de chemicaliën in de cel om een identieke DNA-kopie voor de nieuwe cel te produceren. Dan herhaalt het proces zich vele malen: één cel kopieert om twee te worden. En twee kopiëren om vier te worden. Enzovoort.
Hoe werkt genexpressie?
Genexpressie is afhankelijk van helpermoleculen. Deze interpreteren de instructies van een gen om de juiste soorten eiwitten te maken. Een belangrijke groep van deze helpers staat bekend als RNA. Het is chemisch vergelijkbaar met DNA. Eén type RNA is boodschapper-RNA (mRNA). Het is een enkelstrengs kopie van het dubbelstrengs DNA.
Maken van mRNA uit DNA is de eerste stap in genexpressie. Dat proces staat bekend als transcriptie en vindt plaats in de kern van een cel, of nucleus. De tweede stap, vertaling genoemd, vindt plaats buiten de kern. Het verandert de mRNA-boodschap in een eiwit door het samenstellen van de juiste chemische bouwstenen, bekend als amino (Ah-MEE-no) zuren.
Alle menselijke eiwitten zijn ketens met verschillende combinaties van 20 aminozuren. Sommige eiwitten controleren chemische reacties. Sommige dragen boodschappen over. Weer andere fungeren als bouwmateriaal. Alle organismen hebben eiwitten nodig, zodat hun cellen kunnen leven en groeien.
Om een eiwit te bouwen, worden moleculen van een ander type RNA – transfer RNA (tRNA) – langs de mRNA-streng gelegd. Elk tRNA draagt een drie-letter sequentie aan de ene kant en een aminozuur aan de andere kant. Zo bevat de sequentie GCG altijd het aminozuur alanine (AL-uh-neen). De tRNA’s stemmen hun sequentie af op de mRNA-sequentie, drie letters per keer. Dan voegt een ander hulpmolecuul, bekend als een ribosoom (RY-boh-soam), de aminozuren aan het andere eind samen om het eiwit te maken.
Een gen, verschillende eiwitten
Wetenschappers dachten eerst dat elk gen de code bevatte om slechts één eiwit te maken. Ze hadden het mis. Met behulp van de RNA-machine en haar helpers kunnen onze cellen veel meer dan 20.000 eiwitten maken uit hun 20.000 genen. Wetenschappers weten niet precies hoeveel meer. Het kunnen er een paar honderdduizend zijn – misschien wel een miljoen!
Hoe kan één gen meer dan één soort eiwit maken? Slechts enkele delen van een gen, exonen genoemd, coderen voor aminozuren. De gebieden daartussen zijn introns. Voordat het mRNA de celkern verlaat, verwijderen hulpmoleculen de introns en voegen de exons samen. Wetenschappers noemen dit het splitsen van mRNA.
Hetzelfde mRNA kan op verschillende manieren worden gesplitst. Dit gebeurt vaak in verschillende weefsels (misschien de huid, de hersenen of de lever). Het is alsof de lezers verschillende talen “spreken” en dezelfde DNA-boodschap op meerdere manieren interpreteren. Dat is één manier waarop het lichaam meer eiwitten dan genen kan hebben.
Hier is nog een andere manier. De meeste genen hebben meerdere schakelaars. De schakelaars bepalen waar een mRNA begint met het lezen van een DNA-sequentie, en waar het stopt. Verschillende begin- of eindpunten creëren verschillende eiwitten, sommige langer en sommige korter. Soms begint de transcriptie pas wanneer verschillende chemische stoffen zich aan de DNA-sequentie hechten. Deze DNA-bindingsplaatsen kunnen ver van het gen verwijderd zijn, maar beïnvloeden toch wanneer en hoe de cel zijn boodschap leest.
Splicingvariaties en genschakelaars resulteren in verschillende mRNA’s. En deze worden vertaald in verschillende eiwitten. Eiwitten kunnen ook veranderen nadat hun bouwstenen tot een keten zijn samengevoegd. De cel kan bijvoorbeeld chemicaliën toevoegen om een eiwit een nieuwe functie te geven.
DNA bevat meer dan bouwinstructies
Eiwitten maken is lang niet de enige rol van DNA. In feite bevat slechts één procent van het menselijk DNA de exonen die de cel vertaalt in eiwitreeksen. Schattingen voor het aandeel van DNA dat genexpressie controleert variëren van 25 tot 80 procent. Wetenschappers weten het exacte aantal nog niet omdat het moeilijker is om deze regulerende DNA regio’s te vinden. Sommige zijn gen-schakelaars. Andere maken RNA-moleculen die niet betrokken zijn bij het bouwen van eiwitten.
Het controleren van genexpressie is bijna net zo complex als het dirigeren van een groot symfonieorkest. Bedenk eens wat er voor nodig is om één bevruchte eicel binnen negen maanden tot een baby te laten uitgroeien.
Maakt het dan wat uit dat watervlooien meer eiwit-coderende genen hebben dan mensen? Niet echt. Veel van onze complexiteit schuilt in de regulerende delen van ons DNA. En het ontcijferen van dat deel van ons genoom zal wetenschappers nog vele, vele jaren bezig houden.