Genetica

Genetica of erfelijkheidsleer is een onderdeel van de biologie dat zich bezighoudt met erfelijke eigenschappen: de aangeboren verschillen en overeenkomsten tussen de opeenvolgende generaties.

In 1865 publiceerde Gregor Mendel de resultaten van zijn onderzoek over overerving van verschillende eigenschappen in erwten. Deze publicatie verdween in de vergetelheid, maar werd in 1901 herontdekt door Hugo de Vries, Carl Correns en Erich von Tschermak. De regels voor overerving die Mendel in zijn onderzoek beschrijft staan nu bekend als de Wetten van Mendel.

Enkele jaren daarna werden chromosomen geïdentificeerd als de dragers van erfelijke eigenschappen. Deze ontdekking leidde tot het ontstaan van het neo-Darwinisme, waarin de evolutietheorie van Charles Darwin een fysieke basis kreeg. De stoffelijke dragers van erfelijke eigenschappen bleken de chromosomen en de daarop gelegen genen te zijn.

Disciplines binnen de genetica

Klassieke genetica

Met klassieke genetica worden de overervingsregels aangeduid die bekend waren voordat de moleculaire biologie en de ontrafeling van de chemische structuur van DNA hun intrede deden. De regels zijn een uitbreiding van de Wetten van Mendel met verschijnselen als begrippen als mutatie, crossing-over en recombinatie. De wetten van de klassieke genetica zijn te verklaren zonder begrip van de moleculaire basis van chromosomen en DNA.

Moleculaire genetica

De ontdekking van de dubbele helix-structuur van DNA door James D. Watson en Francis Crick in 1953 leidde de opkomst in van de moleculaire genetica. Onderwerp van onderzoek is het (moleculaire) mechanisme van expressie van genen. Daarbij komen bijvoorbeeld vragen aan de orde als waarom in cellen in verschillende weefsels van hetzelfde individu (dus met dezelfde genen), toch andere genen tot expressie komen. Het proces van expressie van genen verloopt via transcriptie (uitlezen van DNA naar RNA) en translatie (het vertalen van de RNA moleculen in aminozuren) naar de productie van eiwitten (zie ook: genetische code).

Klinische genetica

Klinische genetica is een tak binnen de medische wetenschap die zich bezighoudt met de risicobepaling op erfelijke ziekten.

Door middel van DNA-testen, meestal in combinatie met analyse van familiestambomen en eventuele klinische ziektebeelden, kan worden vastgesteld hoe groot de kans is dat een patiënt een bepaalde ziekte of aandoening zal krijgen in de toekomst. Vooral bij erfelijke vormen van borstkanker en darmkanker is dit risico goed te bepalen en kan een patiënt preventief worden onderzocht op deze ziekten. Als de ziekte inderdaad wordt vastgesteld, kan deze in een vroeg stadium worden behandeld.

Ook speelt de klinische genetica een belangrijke rol bij prenataal onderzoek. Mensen die van zichzelf weten dat ze een erfelijke ziekte hebben, of van wie waarschijnlijk is dat ze een allel bij zich dragen dat bij een van hun kinderen zou kunnen leiden tot een ziekte, kunnen in de eerste helft van een zwangerschap een DNA-test laten doen op materiaal dat wordt afgenomen bij het ongeboren kind. Ouders kunnen vervolgens besluiten tot afbreking van de zwangerschap.

Erfelijkheid

Erfelijke eigenschappen en genotypen

Organismen kunnen bepaalde eigenschappen doorgeven aan hun nakomelingen. Zulke eigenschappen worden erfelijke eigenschappen genoemd en kunnen van ouders op nakomelingen worden doorgegeven. Een erfelijke eigenschap hoeft zich niet altijd in een nakomeling te uiten maar kan ook een generatie overslaan. Bij mensen is een voorbeeld van een erfelijke eigenschap de kleur van de ogen.

Alle erfelijke eigenschappen samen, of deze nu wel of niet tot uiting komen, worden het genotype van een organisme genoemd. Alle eigenschappen die samen het uiterlijk, gedrag en overig functioneren van een organisme bepalen worden het fenotype genoemd. Het fenotype is het resultaat van het genotype en de omgeving waarin het organisme zich bevindt. Anders gezegd: de mate waarin een erfelijke eigenschap van een organisme tot uitdrukking komt is afhankelijk van de omgeving (milieu). Wanneer bijvoorbeeld huid regelmatig aan zonlicht met ultraviolette straling wordt blootgesteld, wordt in de huid meer pigment gevormd en wordt de huid meer getint. De mate waarin het gen voor pigmentvorming tot uitdrukking komt wordt dus beïnvloed door de hoeveelheid zonlicht. Individuen bij wie het gen voor pigment niet werkt (albinisme) hebben geen huidpigment.

Erfelijk materiaal: genen en DNA

De fysieke dragers van erfelijke eigenschappen zijn chromosomen, structuren die zich in de celkern van de cel bevinden. Als chromosomen in tweevoud voorkomen spreekt men van diploïde organismen. Deze homologe chromosomen zijn in grote lijnen hetzelfde, maar hebben ook veel verschillen. Chromosomen bevatten DNA, het eigenlijke erfelijke materiaal.

Het DNA bevat genen, de eenheden voor erfelijke eigenschappen. Genen zijn delen van DNA-moleculen waarin de genetische informatie ligt opgeslagen. Elk gen komt dus overeen met een erfelijke eigenschap. De plaats van een gen op een chromosoom wordt de locus van dat gen genoemd. Verschillende varianten van een gen worden allelen genoemd. Een locus op een chromosoom dat van de moeder afkomstig is, kan een ander allel bevatten dan dezelfde locus op het homologe chromosoom van de vader. De combinatie van allelen bepaalt het genotype van een organisme. Hoewel een diploïde organisme maximaal twee verschillende allelen van een bepaald gen kan hebben., kunnen er binnen een populatie tientallen verschillende allelen voor een bepaald gen voorkomen.

DNA is een lang molecuul dat is opgebouwd uit vier soorten nucleotiden, die in wisselende volgorde in het DNA-molecuul voorkomen. De volgorde waarin de vier nucleotiden in het DNA-molecuul voorkomen wordt een DNA-sequentie genoemd. Door verschillen in de volgorde van de nucleotiden heeft elk individu andere chromosomen.

Bij veel organismen bestaan grote delen van het genoom uit niet-coderend DNA, zoals introns en virus-achtige elementen. Dit niet-coderend DNA wordt ook wel 'junk-DNA' genoemd. De functie van dit DNA is veelal nog niet duidelijk.

Er is geen correlatie tussen de complexiteit van een organisme en de grootte van het genoom. Sommige primitieve organismen hebben een veel groter genoom dan de mens. De achtergrond van deze zogenaamde C-value paradox is nog niet duidelijk.

Uitwisseling van genetisch materiaal

Voortplanting of verticale genoverdracht is de meest voorkomende vorm van genetische uitwisseling. Bij geslachtelijke voortplanting wordt door middel van seks de erfelijke informatie van twee organismen gecombineerd tot het erfelijk materiaal van een nakomeling.

Horizontale genoverdracht (HGT), ook wel laterale genoverdracht genoemd, is de uitwisseling van genetisch materiaal tussen organismen die niet verwant zijn. Er zijn drie vormen van horizontale genoverdracht bekend:

• Transductie is het overbrengen van genetisch materiaal van de ene cel naar een andere door middel van een virus
• Bij transformatie neemt een cel genetisch materiaal op uit zijn omgeving
• Conjugatie is het uitwisselen van genetisch materiaal door middel van fysiek contact tussen cellen

Horizontale genoverdracht kan de genetische variatie aanzienlijk verhogen, en speelt vooral een belangrijke rol bij organismen met ongeslachtelijke voortplanting zoals bacteriën. Horizontale genoverdracht vertroebelt de fylogenetische stamboom.

Genmigratie is de uitwisseling van genen tussen populaties. Genmigratie kan de genetische variatie binnen populaties aanzienlijk vergroten wanneer populaties, die voorheen gescheiden waren, zich vermengen. Immers, iedere populatie zal unieke allelen bezitten, die ze dan aan elkaar door kunnen geven. Genen zijn in de moleculaire genetica stukjes DNA die coderen voor [[proteïne|eiwitten. Eiwitten spelen een belangrijke rol bij het verkrijgen van het fenotype van een organisme. Eiwitten zijn opgebouwd uit aminozuren. De definitie van een gen is niet altijd even eenduidig: een gen bestaat vaak uit meerdere stukjes DNA (exons) en kan via splicing coderen voor meerdere eiwitten. Een gen bevat ook vaak enkele niet-coderende signaalsequenties, die een rol spelen bij de transcriptie.

De genetische code vertelt welke combinaties van nucleotiden coderen voor welke aminozuren. Bij de transcriptie wordt eerst het DNA gekopieerd naar mRNA, en vervolgens wordt in de translatie het mRNA met behulp van de genetische code vertaald naar een eiwit. De genetische code vormt dus de link tussen het genotype en het fenotype.

Replicatie van het DNA vindt plaats wanneer een cel gaat delen. Bij de replicatie worden de strengen van het DNA zo exact mogelijk gekopieerd.

Genetische manipulatie

Genetische manipulatie of genetische modificatie (GM) is het door de mens opzettelijk veranderen van de genen van een organisme en is een onderdeel van de gentechnologie. Dit begrip dient onderscheiden te worden van de klassieke wijze van het kruisen van gewassen of dieren (hetgeen valt onder GM in brede zin). Informatie over de klassieke wijze van verandering van de genen van organismen is te vinden in de artikelen over domesticatie en veredeling (o.a. mutatieveredeling en hybrideveredeling).

Genomics

In genomics is het totale genoom (genenpakket) van een organisme onderwerp van onderzoek. Daarvoor moet eerst het totale genoom van het organisme in kaart worden gebracht, zoals dat bij de mens is gebeurd in het menselijk genoomproject en bij de planten bij de dicotyle zandraket en monocotyle rijst.

Enkele begrippen uit de genetica

Haploïde, diploïde en polyploïde

Organismen hebben in zijn algemeenheid een dubbele set chromosomen (2n chromosomen): één set van elk van beide ouders. Zo'n organisme noemt men diploïd (2n chromosomen). Een voortplantingscel (gameet) heeft slechts één set chromosomen (1n chromosomen) en dat heet haploïd. Er bestaan ook organismen waarvan de cellen meer dan twee sets chromosomen hebben, zoals triploïde (3n), tetraploïde (4n), hexaploïde (6n) en octoploïde (8n) cellen. Dit noemt men polyploïd. Bij de gekweekte suikerbiet zijn er bijvoorbeeld naast diploïde ook triploïde rassen, de gekweekte aardappel is tetraploïd en de gekweekte aardbei octoploïd. Verder kunnen alloploïden en autoploïden onderscheiden worden. Alloploïden ontstaan doordat bij een soortskruising een verdubbeling van het aantal chromosomen plaatsvindt. Autoploïden ontstaan door verdubbeling van het chromosoom aantal van een plant.

Homozygoot en heterozygoot

Omdat er in diploïde organismen een dubbele set chromosomen aanwezig is, zijn er van elk gen twee exemplaren aanwezig. Voor één gen kunnen een aantal varianten bestaan. De varianten voor hetzelfde gen worden allelen genoemd. Het kan zijn dat beide allelen identiek zijn, dan heet het organisme homozygoot voor dat gen. Als de beide allelen verschillen, heet dat heterozygoot. De plaats waar een gen zich op de chromosomen bevindt heet locus.

Dominant, recessief en intermediair

Als een diploïd organisme heterozygoot is (twee verschillende allelen heeft) voor een eigenschap, dan kunnen beide allelen tot uitdrukking komen, resulterend in een mengvorm (bijvoorbeeld roze bloemen, als er één allel voor rode bloemen en één allel voor witte bloemen is). Dit heet intermediair of additief. Maar het kan ook zijn dat één van de twee allelen niet tot uiting (expressie) komt. Het tot expressie komende kenmerk heet dan dominant en het niet tot expressie komende kenmerk heet recessief. Bij polyploïde organismen zijn er meer dan twee allelen van een gen aanwezig. Bij een tetraploïd is dit bijvoorbeeld vier. Een nulliplex heeft vier allelen die voor een bepaald kenmerk recessief zijn, een duplex twee, een triplex één en een quadriplex heeft vier allelen voor het dominante kenmerk. Wanneer de kenmerken geassocieerd met beide allelen tegelijk en afzonderlijk zichtbaar zijn (zoals bij de bloedgroep AB), dan heet dit co-dominant.

Genotype en fenotype

Het genotype is de erfelijke informatie van een organisme, het fenotype is het uiteindelijke resultaat, ontstaan door een samenspel van het genotype en omgevingsinvloeden. Het eerder genoemde voorbeeld van roze bloemen is een fenotype, gebaseerd op het genotype rode bloemen/witte bloemen. Het is denkbaar dat hetzelfde fenotype (roze bloemen) het resultaat is van een ander genotype roze bloemen/roze bloemen. Omgevingsfactoren als bijvoorbeeld zuurgraad en temperatuur kunnen ook invloed hebben op het fenotype. In de biologie is de volgende formule gebruikelijk: ' Fenotype = genotype + milieu '.

Kwalitatieve en kwantitatieve vererving

Bij kwalitatieve vererving is er sprake van één kenmerk met twee of meer duidelijk, discreet onderscheiden expressies. Een voorbeeld hiervan is de kleur van de zaadlobben bij erwten. Bij kwantitatieve vererving dragen (meestal) meerdere genen bij aan de expressie van een eigenschap waarvan de verschillende expressies vloeiend in elkaar over gaan, zoals lichaamslengte of -gewicht of de zaadopbrengst van een plant. Wanneer men de onderliggende genen voor zo'n kenmerk tracht te lokaliseren spreekt men van een QTL (Quantitative Trait Locus) waar het betreffende Quantitative Trait Gene (QTG) ligt.

Zie ook

• Epigenetica
• Erfelijke aandoening
• Genetische code
• Genetisch geheugen
• Locus
• Modelorganisme
• Nucleosoom
• Penetrantie
• Plasmide
• Populatiegenetica
• Variabel aantal tandemherhalingen

  Intertaalkoppelingen via Wikidata (via reasonator)