De werking van genen in de cellen

Huishoudgenen kunnen bij voortduring afgelezen worden en coderen voor producten, die essentieel zijn voor de stofwisseling en voor het voortbestaan van de cel. Anderzijds zijn er genen die coderen voor specifieke producten wat van belang is voor celdifferentiatie. Veelal wordt slechts een geringe hoeveelheid van het genetisch materiaal door de cellen effectief benut. Een gen kan men opvatten als de verzameling van alle stukjes DNA, minus de introns, die nodig zijn om een functionele RNA-molecule te doen aanmaken. Dit wordt zo geformuleerd omdat vooral bij de hogere organismen dikwijls lange stroken DNA volledig uit de boot vallen. De segmenten die wel relevant zijn worden exons genoemd, omdat ze effectief tot expressie komen. De stukjes die niet worden gebruikt noemt men introns.

• De samenstellende delen van een gen
• Selectief gebruik van DNA
• Selectie van huishoudgenen binnen de cel
• Selectie van weefselspecifieke genen
• Selectie van exons binnen een gen

De samenstellende delen van een gen

Een gen is een DNA sequens, welke de code bevat voor de aanmaak van een functionele RNA-molecuul, die al dan niet gebruikt zal worden bij de constructie van een eiwit. Toch is daarmee nog niet alles gezegd, want zo'n DNA sequens bevat op zich, behalve de introns en de exons, ook weer zowel meer als minder dan de informatie die nodig is om functioneel RNA te doen aanmaken. In de eerste plaats dient onderscheid gemaakt te worden tussen de eigenlijke transcriptie eenheid - dat is het DNA segment waarop de feitelijke code voor het RNA-afschrift gelegen is - en diverse regulatiesegmenten die een belangrijke rol kunnen uitoefenen op het afschrijfproces. Twee ervan kennen we al: de een of meerdere promotors en de terminator. Maar daarnaast zijn er nog diverse andere stukjes DNA, die soms vele duizenden basen van de eigenlijke transcriptie-eenheid (DNA sequens) verwijderd kunnen liggen, maar toch een wezenlijke invloed hebben op het afschrijfproces. Sommige kunnen de transcriptie activeren of intensifiëren en worden enhancers genoemd. Andere gaan daar juist tegen in en worden aangeduid als silencers.

Selectief gebruik van DNA

De aanwezigheid van de hele voorraad genetisch materiaal betekent evenwel niet dat het in zijn totaliteit ook effectief gebruikt wordt in iedere cel. Zelfs wanneer we ons beperken tot de nauwelijks twee procent van het totale genoom dat uit coderend DNA bestaat, wordt daar door de meeste cellen slechts een klein deel van benut. Cellen zijn dus erg selectief bij de transcriptie van hun genenpool. Maar die selectiviteit gaat nog een stap verder. Bij afgeschreven DNA-segmenten was bekend dat alleen de exons ten volle gebruikt werden om er nuttige dingen zoals eiwitten van te maken. Recentelijk is echter gebleken dat soms nog een verdere selectie wordt doorgevoerd, in die zin dat sommige exons de ene keer wel en de andere keer niet worden opgenomen in het uitgezuiverde rijpe mMRA. Dat kan er onder meer tot leiden dat vanuit eenzelfde gen soms heel verschillende eindproducten aangemaakt kunnen worden. Genen dienen telkens opnieuw door transcriptiefactoren aangezet te worden, voordat ze tot expressie kunnen komen. Ze liggen ook in een vaste volgorde op de chromosomen, door overkruising worden echter niet alle genen van een bepaald chromosoom steeds samen overgeërfd van ouder op kind.

Selectie van huishoudgenen binnen de cel

Sommige genen worden bij tijd en wijle in zowat alle cellen van het organisme gemobiliseerd. Het gaat daarbij vooral om genen waarvan de eindproducten essentieel zijn voor het goed functioneren van de cel zelf. Men duidt ze daarom aan als huishoudgenen. Ze komen onder meer voor bij de bouw en onderhoud van de cel, met inbegrip van haar vele organellen, maar bijvoorbeeld ook bij de duplicatie en de controle op fouten van het DNA, bij de diverse stappen die deel uitmaken van de eiwitsynthese en bij de programmering en het verloop van de celdeling. Een gen is derhalve een DNA-molecuul dat de vorm heeft van een dubbele spiraal. Dat molecuul bevat het genetische profiel (streepjescode).

Selectie van weefselspecifieke genen

Naast de huishoudgenen zijn er de gevarieerde weefselspecifieke genen. Zoals de term suggereert zijn ze uitsluitend actief in bepaalde cellen. Ze zijn daar verantwoordelijk voor de aanmaak van producten die de cel op een bepaald moment nodig heeft bij het uitvoeren van specifieke taken die ze binnen het organisme te vervullen heeft. Levercellen bijvoorbeeld gebruiken andere delen van de erfelijke informatie dan spier- of zenuwcellen. De vraag daarbij is hoe de cellen weten wanneer welke genen geactiveerd dienen te worden. In deze zijn alle details nog niet ontrafeld, wel weet men dat er heel verschillende processen bij betrokken zijn.

Het tot expressie brengen van genen

Sommige genen zijn in bepaalde cellen permanent geïnactiveerd, bijvoorbeeld omdat ze gelegen zijn op delen van een chromosoom die, in de vorm van heterochromatine, blijvend gecondenseerd zijn, zodat de afschrijfmachinerie er gewoon niet bij kan. Welke genen aldus het zwijgen opgelegd wordt, is dikwijls al vastgelegd bij de differentiatie van de cellen tijdens de embryonale ontwikkeling. Anderzijds is het natuurlijk ook zodat genen niet vanzelf tot de actie overgaan. Bij de beslissing om een gen tot expressie te brengen is er doorgaans een heel arsenaal van eiwitten actief, die tussen het DNA genesteld zitten en die mede invloed hebben op de initiatie en/of snelheid van het transcriptieproces. Sommige werken rechtstreeks in op de promotor, die het eigenlijke proces in gang zet. Andere gaan bindingen aan met enhancers of silencers in de omgeving van het gen, die de snelheid en de duur van de transcriptie kunnen aanvuren of temperen.

Selectie van exons binnen een gen

Het overgrote deel van transcriptie-eenheid bestaat uit introns, die nadien weggeknipt worden uit het mRNA en dus geen directe bijdrage leveren bij het bepalen van de exacte opeenvolging van de aminozuren in een eiwit. Sedert 2003 is bekend dat het menselijke genoom slechts uit 30.000 genen bestaat, die 90.000 verschillende eiwitten dienen aan te maken. Een deel van de verklaring om zulks toch mogelijk te maken, lijkt te liggen in het aan elkaar lassen van verschillende selecties van exons uit eenzelfde gen. Door van een bepaald gen de ene keer bijvoorbeeld het eerste, het tweede en het derde exon tot een rijp mRNA samen te voegen, en een andere keer het tweede, het derde en het vierde, krijgt men twee verschillende eindcodes, die vervolgens omgezet zullen worden tot twee heel verschillende eiwitten. Omdat de instructies die aangeven welke exons aan elkaar gelast moeten worden van cel tot cel kunnen verschillen, kan eenzelfde gen in verschillende weefsels tot de aanmaak van uiteenlopende eindproducten leiden. Vandaar dat het lassen van exons evenredig toeneemt met de groeiende complexiteit van organismen.

Misschien verklaart dat ten dele ook waarom zo'n gigantische hoeveelheid overbodig DNA middenin de genen blijft voortbestaan in al onze cellen. Hoewel genen sterk van elkaar kunnen verschillen in lengte, heeft men berekend dat een transcriptie-eenheid gemiddeld circa 28.000 basenparen bevat. Slechts gemiddeld iets meer dan 1.000 daarvan bestaat uit exons, de rest staat als introns geboekstaafd.

Lees verder

• Mutaties van cellen
• Ribonucleïnezuur (RNA) en de eiwitsynthese
• Structuur van het menselijke DNA