Tastbare moleculaire Genetica

Transcriptie

1 Tastbare moleculaire Genetica Ontwerp Onderzoek Voorstelbaar en concreet maken van lastige moleculaire processen in 6VWO Naam auteur Vakgebied Joki Weyer Biologie Onderwerp moleculaire genetica relevanter en inzichtelijker maken Opleiding Interfacultaire Lerarenopleidingen, Universiteit van Amsterdam Doelgroep 6 de klas VWO Sleuteltermen biologie, concept-context, genetica, DNA, activerende werkvormen Weyer, J. (2014). Tastbare moleculaire genetica. Bibliografische Interfacultaire Lerarenopleidingen Universiteit van referentie Amsterdam. Studentnummer Beoordelaars Datum 2014 Gee van Duin en Erik Joling

2 Paper 2: Lessenserie Samenvatting Leerlingen zien moleculaire genetica als een van de moeilijkste onderwerpen binnen de biologie (Finley en Yarroch, 1982). Mijn ontwerphypothese luidt: Als ik leerlingen die moeite hebben met moleculaire genetica, een lessenreeks met aandacht voor activerende werkvormen geef die moleculaire processen en structuren voorstelbaar en concreet maakt, zullen zij beter instaat zijn deze moeilijke moleculaire processen en structuren te begrijpen. Het ontwerp onderzoek moet voldoen aan een aantal ontwerpregels. Voordat er gestart wordt met de lessenreeks zal er een 0 meting plaatsvinden in de vorm van een concept-map. De leerlingen moeten van de deelconcepten die behandelt gaan worden in de lessenreeks een concept-map maken. Ze krijgen een lijst met deze deelconcepten aangereikt. Tijdens de lessenreeks krijgen de leerlingen per les een actieve werkvorm om te oefenen met deze moeilijke moleculaire processen en structuren en om deze inzichtelijk te maken. Na afloop van de lessenreeks laat ik de leerlingen weer een concept-map maken van dezelfde deelconcepten om te kijken of hun begrip en de samenhang tussen de concepten is toegenomen. Het verschil tussen deze twee metingen zal hopelijk veel inzicht verschaffen over de leeropbrengst van de lessenserie. Aan het eind van de lessenserie zal ik een kleine vragenlijst afnemen waarin de leerlingen kunnen aangeven met een rapportcijfer (1 t/m 10) wat ze van de verschillende lessen en van de totale lessenserie vinden. Deze leerlingen feedback zal worden gebruikt om aanbevelingen op te stellen ter verbetering de lessenserie. Daarnaast zal ik ook na afloop van de lessenserie een interview houden met de docent om samen met hem te evalueren of de vorm van de lessenserie voldoet bij het behalen van de leerdoelen.

3 Lesplan Tastbare moleculaire Genetica Ontwerp Onderzoek Voorstelbaar en concreet maken van lastige moleculaire processen in 6VWO Weyer, J. (2014). Tastbare moleculaire genetica, Lesplan. Interfacultaire Lerarenopleidingen Universiteit van Amsterdam

4 Lesopzet De lessenserie behandelt verschillende moleculaire deelconcepten uit de biologie syllabus. Maar voornamelijk die van de subdomeinen B1.1 DNA, B1.2 Eiwitsynthese en D1.1 Genregulatie en interactie met (a)biotische factoren. De verbinding tussen de lessenserie kan in de context van ziekte en mogelijke oplossingen worden gezet. Les 1 begint met de uitleg over DNA replicatie en eiwitsynthese en vormt de basis voor de andere lessen en maakt daarmee een start voor de uitleg van les 2 PCR. Les 2 over PCR kan je in de context van forensisch onderzoek plaatsen maar ook in die van opsporen van erfelijke aandoeningen (ziekte van Duchenne) op basis van eiwit verschil. Les 3 maakt verbinding van erfelijke aandoening/ziekte met productie van medicijnen. Het voorbeeld zoals dat wordt gebruikt in deze les voor het maken van het eiwit insuline in E. Coli bacteriën. Les 4 over epigenetica is een vrij groot begrip en geeft een nieuwe kijk op invloeden van buitenaf die omkeerbare erfelijke veranderingen in de genfunctie doet laten optreden zonder het DNA te wijzigen (DNA sequentie). Onderbouwing Met deze lessenreeks wil ik ervoor zorgen dat de leerlingen de moeilijke moleculaire genetische processen met behulp van actieve werkvormen voorstelbaar en concreet kunnen maken. Door de processen uit te beelden zoals bijvoorbeeld eiwitsynthese, welke stappen daar voor nodig zijn en waar ze plaats vinden in een cel. Door met behulp van werkvormen leerlingen processen te laten modeleren of uitbeelden, wordt niet alleen het begrip vergroot maar ook voorstelbaar en concreet. Bovendien kan met behulp van een overkoepelende context-concept de samenhang tussen de lessen en concepten worden vergroot. In de eindrapportage van het CVBO wordt sterk gepleit voor een concept-context methode waarbij via een context meerdere (deel) concepten tegelijk worden behandeld (Boersma et al., 2010). In deze lessenserie is als overkoepelende context genetische aandoeningen de rode draad. Door leerlingen dieper te laten nadenken over een concept met behulp van hogere orde opdrachten, zorgt het voor een betere verwerking en dus dat de leerstof beter en langer blijft hangen (Marzano, 2011). Les 1 Les 1 begint met de uitleg over DNA replicatie en eiwitsynthese en vormt de basis voor de andere lessen. Om een beter begrip te krijgen wat er op moleculair niveau gebeurt op het moment dat een (foutief) gen wordt afgelezen en omgezet naar een (foutief) eiwit, helpt de eerste opdracht om dit duidelijk te maken. De leerlingen gaan een eiwit maken met behulp van een DNA stempelset. Deze stempelset is ontworpen door Geraedts & Huizinga (2014) en is te bestellen via de NIBI website (NIBI, 2014). Bij de stempelset krijg je een boekje met de titel: lesactiviteiten bij de stempelset DNA. Deze les is gebaseerd op activiteit 3 uit dit boekje (Geraedts & Huizinga, 2014). Het hele proces van DNA transcriptie tot eiwitsynthese wordt uitgebeeld met behulp van het stempelen van deze processen. De leerlingen moeten op de juiste plek in de

5 cel deze processen uitvoeren. Het leslokaal stelt de cel voor en op verschillende plekken zijn de celorganellen waar ze actief naar toe moeten lopen om daar de juiste stap van eiwitsynthese uit te voeren. Door deze werkvorm wordt hopelijk het hele proces wat erg abstract is in de boeken, veel inzichtelijker en begrijpelijker. Les 2 Omdat in de literatuur wordt beschreven dat een pakkende start van de les de aandacht van kinderen kan richten op het onderwerp (Ebbens & Ettekoven, 2013) heb ik voor het begin van deze les een filmpje over de moord op Marianne Vaatstra uitgekozen. Dit past bij de context van deze les die in het teken staat van forensisch onderzoek. Er wordt ingegaan op de techniek van de PCR en het runnen van een gel, om hiermee een dader aan te wijzen. De PCR reactie wordt uitgebeeld met behulp van de DNA stempelset (Geraedts & Huizinga 2014). Het runnen van de gel wordt uitgebeeld op de vloer van het klaslokaal en de leerlingen leggen actief hun PCR producten op de juiste plaats. De werkvorm heb ik zelf bedacht voor het inzichtelijk maken van het runnen van een gel voor leerlingen. Na afloop van de activiteit gaat de klas samen met de docent de techniek van PCR en sequencen doornemen in de context van een erfelijke ziekte. Dit wordt gedaan om de rode draad van deze lessenserie vast te houden. Op deze manier kunnen binnen twee contexten dezelfde PCR techniek maar verschillende follow-up van het resultaat worden behandeld. Les 3 In les 3 is gekozen voor een zeer visuele en.. werkvorm. De les die hier wordt gegeven is afgeleid van een bestaande les die te vinden is op een engelstalige website met verschillende biologie lessen (Biologyjunction, 2014). De les waarop deze werkvorm is gebaseerd heet E.coli insulin factory. De leerlingen leren binnen de context van insuline productie het inbouwen van een gen in een bacterie. Het mooie van deze werkvorm is dat leerlingen letterlijk knippen (als een retrictie enzym) en plakken (als ligase) in plasmide DNA en cel DNA. De plasmide en cel DNA zijn gegeven in de leerlingenhandleiding, als deze in elkaar geplakt zijn is de plasmide daadwerkelijk rond. Dus het is heel visueel en maakt het waarschijnlijk inzichtelijk voor leerlingen hoe je een gen-construct maakt. Daarna wordt de opgedane kennis gerecontexualiseerd en uitgelegd aan de hand van de ziekte van Duchenne. Het belang van deze oefening is dat de leerlingen leren werken met de relevante deelconcepten voor het eindexamen en dit in verschillende contexten kunnen toepassen. Les 4 Les 4 is weer gebaseerd op de lesactiviteiten bij de DNA stempelset. Deze les is gebaseerd op activiteit 5 en 6 uit dit boekje (Geraedts & Huizinga, 2014) en behandeld epigenetica. De context waarin deze les wordt geïntroduceerd is een documentaire die epigenetica uitlegt aan de hand van de hongerwinter in Nederland. De leerlingen hebben deze documentaire als huiswerk bekeken en daarmee is de voorkennis opgehaald. De active werkvorm van deze les is het methyleren (met behulp van de DNA stempelset) van stukken DNA. De leerlingen leren zo wat het

6 mechanisme achter epigenetica is. Ook dit is weer een zeer verhelderende werkvorm om de basis van dit moeilijker proces helder te krijgen. Het tweede deel van de les bevat celdifferentiatie: van stamcel naar volwassen cel. De leerlingen moeten hier een aantal vragen beantwoorden. Aan het einde van de les wordt een terugkoppeling gemaakt naar de hongerwinter. MDA-lesplannen Hieronder worden de verschillende lessen van deze lessenserie beschreven, kijk ook in de leerlingenhandleiding en de docenthandleiding. Voorgaand aan deze lessenserie is het nodig dat de leerlingen de volgende voorkennis en deelconcepten kennen voor ze aan les 1 beginnen. Huiswerk: Lezen en de bijbehorende opgaves maken van de paragraven; 8.1, 8.1.1, 8.2, 8.3, 8.3.1, 8.4. ( / hoofdstuk moleculaire genetica). Bijbehorende deelconcepten weten van de subdomeinen: B1.1 DNA: DNA, genetische code. B1.2 Eiwitsynthese: eiwit structuur (primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur), mrna, trna, rrna, startcodon, stopcodon, Aminozuur, Transcriptie, Translatie, Coderende streng, Template/matrijsstreng. C1.1 Genexpressie: RNA-polymerase Les 1: Wedstrijdje Eiwitsynthese Docent: Joki Weyer Datum: Tijd: 65 min Lesonderwerp Beginsituatie Leskern Klas: 6VWO Introductie lessenserie + Wedstrijdje Eiwitsynthese Aantal lln: 6 De lln hebben in de voorgaande les kennisgemaakt met moleculaire genetica en weten de nodige deelconcepten Je snapt hoe de synthese van eiwitten werkt (Subdomein B1.2) Leerdoelen Docentdoelen Boek (+ blz.) - De lln kunnen het proces van transscriptie en translatie beschrijven. - De lln kunnen m.b.v. een gegeven DNA-fragment de bijbehorende nucleotidenvolgorde van het mrnamolecuul en de aminozuurvolgorde van het eiwit bepalen. - De llln kunnen op basis van de relatie tussen tripletcode en aminozuur toelichten hoe eiwitten gevormd worden. - De lln kunnen uitleggen dat eiwitten pas in het ER en het Golgiapparaat hun uiteindelijke driedimensionale vorm krijgen, doordat ze op een bepaalde manier worden gevouwen Doel lessenserie duidelijk maken, handleidingen uitdelen en verduidelijken H8.1, 8.1.1, 8.2, 8.3, 8.3.1, 8.4 Docenthandleiding + Lln handleiding. Binas: 71E, 71k2, 71J, 67H2 (71G)

7 Media, spullen, hulp DNA-Stempelset Leerlingenhandleiding Binas Knip en plak materiaal, post-its Voor de les: voor 2 groepen cel locaties uitprinten en klaslokaal inrichten voor spel (tafels met uitgeprinte locaties: celkern, cytoplasma, ribosoom, ER / Golgiapparaat) Tijd 5 min Lesfa se 1: begin les 10 min 2 5 min min 10 min 3 5 min. 6 Leerdoel Aandacht richten op leerdoelen en leskern Korte Uitleg aan de hand van Binas Uitdelen leerlingenhandleiding Actieve werkvorm: wedstrijdje eiwitsynthese Wat ik doe en zeg Programma op het bord /pp. leerdoelen en leskern uitleggen. Uitleg lessenserie (aankomende 4 lessen) Kort laten zien + uitleggen waar je de volgende begrippen vind in BINAS: Transcriptie: 71E, trna vorm: 71K2 translatie/eiwitsynthese: 71J eiwit structuur: 67H2 Handleiding uitdelen en even kort samen doornemen Uitleg spel en doel. Jongens tegen de meisjes. Cel locaties op juiste plek ophangen in lokaal. Het startsein geven voor het spel, vragen beantwoorden. Rondlopen om vragen te beantwoorden 4+5 Nabespreken Gestempelde eiwitsynthese controleren Lesafsluiten Afsluiting Kort samenvatten les en vooruitblikken naar volgende les+ Huiswerk opgeven Wat zij doen (werkvorm) Luisteren en vragen stellen Luisteren, mee kijken in BINAS Luisteren en vragen stellen Het spel spelen Klassikaal Huiswerk noteren Huiswerk: Lezen paragraven 8.1.2, 8.1.3, 8.3.2, Maken van bijbehorende opgaven. ( / hoofdstuk moleculaire genetica) Leeractiviteit * Noem de specifieke! Verkennen van onderwerp Begrijpen, overzicht Verkennen, lezen Benoemen, categoriseren, vergelijken en discussiëren Uitwisselen, evalueren, begrijpt Overzicht, duidelijkheid Bekijk PCR uitleg op bioplek.org: Bekijk Gelelectroforese uitleg op bioplek.org (overslaan uitleg over Southern Blotting): Deelconcepten die je moet kennen van de volgende subdomeinen: B1.1 DNA: PCR, Primer B1.2 Eiwitsynthese: DNA-Polymerase, DNA-fingerprinting

8 Les 2: Vind de Dader Docent: Joki Weyer Datum: Tijd: 65 min Lesonderwerp Beginsituatie Leskern Leerdoelen Docentdoelen Boek (+ blz.) Media, spullen, hulp Vind de dader Klas: 6VWO Aantal lln: 6 De lln hebben zich voorbereid op de les door het maken van het huiswerk Je snapt hoe DNA (genetische fingerprint) kan worden ingezet bij forensisch onderzoek bij het vinden van de juiste dader. - De lln kent de volgende begrippen: PCR, Primer, DNA- Polymerase, DNA-fingerprinting - De lln kan uitleggen dat je met PCR (polymerasekettingreactie) methode van een zeer kleine hoeveelheid DNA binnen enkele uren miljoenen kopieën kan maken - De lln begrijpt de toepassing van DNA fingerprinting = uniek per persoon en dat het kan worden gebruikt bij b.v. dader opsporen en verwantschap. - De lln snapt dat je met gelelectroforese de uit PCR verkregen DNA-fragmenten kan runnen op een gel en dat de negatief geladen DNA fragmenten in de richting van de + electrode verplaatsen - De lln snappen dat bij gelelectroforese hoe kleiner de DNA-fragmenten, hoe verder ze richting de + kant komen Begeleiden actieve werkvorm: pcr-en/gel laten runnen H8.1.2, 8.1.3, 8.3.2, Docenthandleiding + Lln handleiding BINAS: 71M2 Youtube filmpje: tot tot DNA-Stempelset Leerlingenhandleiding Knip en plak materiaal Tijd 5 min Lesfa se 1: begin les 5 min 1 +2 Leerdoel Aandacht richten op leerdoelen en leskern Aandacht richten forensische onderzoek, moordzaak Wat ik doe en zeg Programma op het bord /pp. leerdoelen en leskern uitleggen. Youtube filmpje laten zien: DNA-match bij moord Marianne Vaatstra + uitleg pcr gebruik Wat zij doen (werkvorm) Luisteren en vragen stellen Film kijken (2.04) Leeractiviteit * Noem de specifieke! Verkennen van onderwerp Verkennen van onderwerp 10 min 1+2 Uitleg PCR aan de hand van BINAS, bord en filmpjes Uitleggen hoe PCR werkt + 2 Youtube filmpjes over PCR + laten zien waar je PCR in BINAS vind: 71M2 Film kijken ( ) Begrijpen, overzicht,

9 30 min 10 min 3 Actieve werkvorm: PCR uitbeelden 4+5 Nabespreken Uitleg geven over activerende werkvorm PCR-en BINAS:, gel runnen, langslopen Geef dader profiel en vergelijk met profiel leerlingen; Dader opsporen en bespreken met de klas Het spel spelen Klassikaal Benoemen, categoriseren, vergelijken en discussiëren Uitwisselen, evalueren, begrijpen 5 min. 6 Lesafsluiten Afsluiting Kort samenvatten les en vooruitblikken naar volgende les+ Huiswerk opgeven Huiswerk noteren Overzicht, duidelijkheid Huiswerk: Lezen paragraven 8.2.1, Maken van bijbehorende opgaven. ( / hoofdstuk moleculaire genetica) Bekijk uitleg transgene bacteriën op bioplek.org: Deelconcepten die je moet kennen van de volgende subdomeinen: B1.1 DNA: Plasmide, restrictie-enzym D1.1 Genregulatie en interactie met (a)biotische factoren: recombinant DNA Les 3:Insuline Fabriek in E. coli Docent: Joki Weyer Datum: Tijd: 65 min Lesonderwerp Beginsituatie Leskern Leerdoelen Docentdoelen Boek (+ blz.) Insuline fabriek in E. coli Klas: 6VWO Aantal lln: 6 De leerlingen hebben met huiswerk voorkennis opgedaan over restrictie enzymen en recombinatie techniek met bacteriën. Jullie snappen hoe de productie werkt voor humaan insuline in een bacterie en dat dit een voorbeeld is van de productie van medicijnen en biotechnologische ontwikkelingen - De lln kent de volgende begrippen: Plasmide, restrictieenzym, recombinant DNA - De lln begrijpt dat je met het inbouwen van gen-construct in bacteriën (recombinatie techniek) goedkoop medicijnen kan produceren voor mensen. - De lln kunnen als voorbeeld voor recombinant DNAtechniek het produceren van insuline noemen - De lln kent globaal de stappen die nodig zijn om een bepaald gen uit een stuk DNA te knippen en deze in een bacterie tot expressie te brengen. - De lln is bekent dat je m.b.v. antibiotica resistentie kan controleren of het gewenste gen is ingebouwd in de bacterie. Begeleiden actieve werkvorm: insuline maken H8.2.1, Docenthandleiding + Lln handleiding BINAS: 71M1

10 Media, spullen, hulp Leerlingenhandleiding Knip en plak materiaal Tijd 5 min Lesfa se 1: begin les 15 min min 10 min 3 5 min. 6 Leerdoel Aandacht richten op leerdoelen en leskern Uitleg DNA techniek Plasmide + opdracht uitleggen Actieve werkvorm: insuline maken 4+5 Nabespreken Lesafsluiten Afsluiting Wat ik doe en zeg Programma op het bord /pp. leerdoelen en leskern uitleggen. Uitleg m.b.v. BINAS 71M1 plasmiden + uitleg werkvorm en doel Wijzen waar ze de opdr. kunnen vinden Leerlingenhandleiding+ rondlopen en begeleiden Nakijken, bespreken Kort samenvatten les en vooruitblikken naar volgende les+ Huiswerk opgeven Wat zij doen (werkvorm) Luisteren en vragen stellen Klassikale uitleg, college Opdracht uitvoeren Klassikaal, met de groepjes Huiswerk noteren Leeractiviteit * Noem de specifieke! Verkennen van onderwerp Analyseren, samenhang begrijpen, verhelderen Benoemen, categoriseren, vergelijken en discussiëren Uitwisselen, evalueren, kijkt na, begrijpt Overzicht, duidelijkheid Huiswerk: Lezen paragraven Maken van bijbehorende opgaven. ( / hoofdstuk moleculaire genetica). Bekijk de Nederlandse docu over Epigenetica (36.19 min.): Deelconcepten die je moet kennen van de volgende subdomeinen: D1.1 Genregulatie en interactie met (a)biotische factoren: Epigenetisch, Promotor E3.2 Erfelijke eigenschap: Epigenetica, Methylering Les 4:Epigenetica en celdifferentiatie Docent: Joki Weyer Datum: Tijd: 65 min Lesonderwerp Beginsituatie Leskern Leerdoelen Epigenetica en celdifferentiatie Klas: 6VWO Aantal lln: 6 De lln hebben zich voorbereid op de les door het maken van het huiswerk Jullie snappen de basis van epigenetica. (Sub domein D1.1) - De lln kent de volgende begrippen: Epigenetisch, Promotor, Epigenetica, Methylering - De lln kan mechanismen voor genregulatie noemen en het belang ervan toelichten. - De lln kan uitleggen dat (a)biotische factoren de variatie aan eiwitten beïnvloeden. - De lln begrijpt dat genexpressie een dynamisch proces is dat geregeld wordt door verschillende factoren waaronder epigenetisch. - De lln kan uitleggen dat methylering van genen (inactief worden) zorgt voor celdifferentiatie. - De lln kan uitleggen dat door methylering van een gen, dat

11 Tijd 5 min Lesfas e 1: begin les Docentdoelen Boek (+ blz.) Media, spullen, hulp Leerdoel Aandacht richten op leerdoelen en leskern 10 min 1 +2 Uitleg gene switches 5 min min 10 min 3 5 min. 6 Uitleg DNA transcriptie en genregulatie Actieve werkvorm: DNAmethyltransferase en celdifferentiatie gen minder actief of inactief wordt Begeleiden actieve werkvorm: DNA-methyltransferase en celdifferentiatie Docenthandleiding + Lln handleiding BINAS: 70A Youtube filmpje: (vanaf 8.20) Leerlingenhandleiding Knip en plak materiaal DNA-stempelset Wat ik doe en zeg Programma op het bord /pp. leerdoelen en leskern uitleggen. PowerPoint presentatie over gene switches + BINAS: 70A methylering/basis epigenetica Youtube filmpjes laten zien 2x Wijzen waar ze de opdr. kunnen vinden Leerlingenhandleiding + rondlopen en begeleiden 4+5 Nabespreken Nakijken opdrachten + nabespreken Lesafsluiten Afsluiting Kort les samenvatten en vooruitblikken naar volgende les+ Huiswerk opgeven Wat zij doen (werkvorm) Luisteren en vragen stellen Klassikale uitleg, college Film kijken (1.35 min. + 2 min) Opdracht uitvoeren Klassikaal Huiswerk noteren Leeractiviteit * Noem de specifieke! Verkennen van onderwerp Analyseren, samenhang begrijpen, verhelderen verkennen Benoemen, categoriseren, vergelijken en discussiëren Uitwisselen, evalueren, kijkt na, begrijpt Overzicht, duidelijkheid Referenties - Boersma, K. T., Kamp, M. J. A., van den Oever, L., & Schalk, H. H. (2010). Naar actueel, relevant en samenhangend biologieonderwijs. Utrecht. - DNA Stempelset - NIBI. (2014) Gevonden 10 oktober 2014, van - Ebbens, S., & Ettekoven, S. (2013). Effectief leren in de les: basisvaardigheden voor docenten. Groningen: Wolters-Noordhoff.

12 - E. Coli insulin facory - biologyjunction. (2014) Gevonden 9 oktober 2014, van - Finley, F.N., Stewart, J. & Yarroch, W.L. (1982). Teacher s perceptions of important and difficult science content. Science education, 66(4), Geraedts, C.L., & Huizinga, J. (2014). Lesactiviteiten bij de stempelset DNA. Boek bij DNA stempelset. - Marzano, R. J. (2011). Leren in vijf dimensies (5th ed.). Assen: Koninklijke Van Gorcum BV.

13 Docentenhandleiding Tastbare moleculaire Genetica Ontwerp Onderzoek Voorstelbaar en concreet maken van lastige moleculaire processen in 6VWO Weyer, J. (2014). Tastbare moleculaire genetica, docentenhandleiding. Interfacultaire Lerarenopleidingen Universiteit van Amsterdam.

14 Inhoudsopgave Inleiding 3 Les 1 Wedstrijdje Eiwitsynthese 5 Les 2 Vind de dader 7 Les 3 Insuline fabriek in E. coli 9 Les 4 Epigenetica en Celdifferentiatie 11 Referenties 13 Bijlagen 14

15 Inleiding In deze beknopte docentenhandleiding wordt verwezen naar de bijbehorende leerlingenhandleiding en de uitgewerkte lesplannen van Tastbare Moleculaire Genetica (Weyer, 2014). Achter de titel van elke les staat tussen haakjes de desbetreffende bladzijden in de leerlingenhandleiding vermeld. Er wordt van de docent verwacht dat deze de lessen goed heeft voorbereid en de nodige materialen heeft klaarliggen voor er begonnen wordt aan de les. Aan het begin van elke les wordt de leskern en de doelen bekent maakt. De docent legt de activerende werkvorm helder uit en heeft voornamelijk een begeleidende rol tijdens het uitvoeren. De docent observeert de processen en kijkt wat goed gaat en wat nog wat extra aandacht nodig heeft. Deze aandachtspunten worden mee genomen in de klassikale nabespreking met de leerlingen aan het einde van elke les. Ik hoop dat je wat aan deze lessenserie hebt en veel plezier! Samenhang tussen de verschillende lessen De lessenserie behandelt verschillende moleculaire deelconcepten uit de biologie syllabus. Maar voornamelijk die van de subdomeinen B1.1 DNA, B1.2 Eiwitsynthese en D1.1 Genregulatie en interactie met (a)biotische factoren. De verbinding tussen de lessenserie kan in de context van ziekte en mogelijke oplossingen worden gezet. Erfelijke eigenschappen worden doorgegeven van moeder en vader aan zoon of dochter. Dit kan zijn de kleur van je ogen, de mogelijkheid tot tongrollen of zelfs een erfelijke aandoening. Een erfelijke aandoening ontstaat doordat een mutatie is opgetreden in één van de genen, die codeert voor een eiwit. Daarbij ontstaat er een eiwit dat zijn functie niet (voldoende) kan uitoefenen. De manier waarop een erfelijke aandoening bij een kind ontstaat kan komen door overerving van het verkeerde gen van de ouder(s) of een spontane mutatie in één van de geslachtscellen waaruit het kindje is ontstaan. Doordat erfelijke aandoeningen (meestal) een mutatie in het DNA als oorzaak hebben, is er de laatste tijd veel aandacht voor gentherapie als behandelingsmogelijkheid voor erfelijke ziektes. Hierbij wordt gebruik gemaakt van vectoren (virussen) die de correcte genen in het bestaande DNA plaatsen. Recentelijk komt er steeds meer bewijs dat kinderen geboren worden met aandoeningen die veranderingen van het DNA tot gevolg hebben maar die niet zijn terug te vinden in de nucleotidenvolgorde van de genen. Uit (website hongerwinter, 2014) blijkt dat kinderen die rond een hongersnood worden geboren later blijvende problemen hebben met hun gezondheid.

16 Nodige voorbereiding op de lessenserie Voorgaand aan deze lessenserie is het nodig dat de leerlingen de volgende voorkennis en deelconcepten kennen voor ze aan les 1 beginnen. Huiswerk: Lezen en de bijbehorende opgaves maken van de paragraven; 8.1, 8.1.1, 8.2, 8.3, 8.3.1, 8.4. ( / hoofdstuk moleculaire genetica). Bijbehorende deelconcepten weten van de eindtermen: B1.1 DNA: DNA, genetische code. B1.2 Eiwitsynthese: eiwit structuur (primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur), mrna, trna, rrna, startcodon, stopcodon, Aminozuur, Transcriptie, Translatie, Coderende streng, Template/matrijsstreng. C1.1 Genexpressie: RNA-polymerase

17 Les 1 Wedstrijdje eiwitsynthese (zie bladzijden 4 t/m 5 in de leerlingenhandleiding en les 1 van het MDA-lesplan) Inleiding Om een beter begrip te krijgen wat er op moleculair niveau gebeurt op het moment dat een (foutief) gen wordt afgelezen en omgezet naar een (foutief) eiwit, helpt de eerste opdracht om dit duidelijk te maken: we gaan een eiwit maken (ook wel eiwitsynthese genoemd). Belangrijk: op het moment dat bv een hydrofobe restgroep wordt vervangen door een hydrofiele, zal de eiwitstructuur veranderen (de tertiaire structuur). Door een verandering van structuur van een eiwit kan dit zijn werking niet (goed) meer doen. Dit is de basis van een erfelijke aandoening Deze les: Inleiding lessenserie Uitdelen van Leerlingenhandleidingen Hoe het spel werkt: 1. Leerlingen krijgen een stuk DNA (zie de tips), hierin zit het gen voor Methyltransferase verborgen. 2. De leerlingen moeten met de stempel set het juiste stuk mrna kopiëren van de coderende streng DNA. Dit gebeurd in de celkern, met behulp van de rollen; Helicase en RNA-polymerase. 3. Dan wordt met behulp van de rol transporteiwit het mrna getransporteerd naar het ribosoom. 4. Bij het ribosoom wordt het mrna getransleerd in de aminozuurketen (eiwit) Dit gebeurt door de rol translatie eiwit. Leerlingen kunnen Binas tabel 71G gebruiken voor de codons. 5. Daarna wordt het eiwit gevouwen door de rol vouweiwitten. En wordt het gevouwen eiwit afgeleverd in het blaasje, bij de docent, ter controle. Voor de rollen beschrijving zie de Leerlingen handleiding Tips voor de docent: o Om leerlingen inzicht te geven in de plaatsen in de cel waar de processen transcriptie, translatie en eiwitvouwing plaatsvinden kunt u ervoor kiezen om hiervoor ook daadwerkelijk verschillende plaatsen in het lokaal voor aan te wijzen (zie hiervoor ook de organelkaarten in bijlage 1). Het blaasje kan dan op een tafel aan het bord of bij het bureau van de docent liggen. Het groepje dat als eerste het juiste polypeptide in het blaasje legt heeft gewonnen. o Er is per set slechts één aminozuurstempel. Om aan te geven om welk aminozuur het gaat schrijven de leerlingen de drielettercode in de gestippelde ovaal.

18 o De aminozuren kunnen op een strook papier (bijvoorbeeld een kassarol) of op losse PostIts gestempeld worden. Als je PostIts gebruikt kun je de leerlingen ook de trna-moleculen, met anticodons, laten stempelen. De PostIt met het bijbehorende aminozuur kan dan makkelijk van de bindingsplaats afgehaald worden en aan de polypeptideketen worden gekoppeld. o Als startsequentie kunt u de bijgeleverde scan gebruiken (zie het pdf-bestand met de naam startsequentie). Knip hiervoor de stroken met het DNA uit beide pagina s, en plak deze met plakband aan elkaar zodat één lang fragment ontstaat. Let op: de scan bevat één nucleotide overlap. De coderende streng moet er als volgt uit komen te zien: 5 ROMMEL-A-T-G-G-A-G-A-A-A-G- C-T-T-C-A-T-A-A-ROMMEL 3 o Het bijbehorende mrna is dan: 5 A-U-G-G-A-G-A-A-A-G-C-U-U-C-A-U- A-A 3 o De bijbehorende aminozuurketen is dan: Met Glu Lys Ala Ser STOP o U kunt natuurlijk ook zelf een startsequentie bedenken en stempelen. o Om leerlingen te laten zien dat eiwitten na translatie nog niet klaar zijn, is als laatste stap ook een bewerking toegevoegd waarbij de aminozuurketen moet worden gevouwen. Omdat het hier maar om een heel korte keten gaat (vijf aminozuren) is de vouwing zelf niet echt realistisch, al is het principe (hydrofobe restgroepen bij elkaar) over het algemeen wel van invloed. Nodig voor deze les: o DNA Stempel set o Voordat de les begint: voor 2 groepen cel locaties uitprinten en klaslokaal inrichten voor spel (tafels met uitgeprinte locaties: celkern, cytoplasma, ribosoom, ER / Golgiapparaat) + Het start DNA, uitgeprint op papier voor elk groepje. o Schaar, plakband. o Papier voor mrna, postits voor aminozuren. o Controle mrna, controle eiwit (aminozuur keten met vouwing). Les nabespreken en huiswerk opgeven (zie Lesplan).

19 Les 2 Vind de dader (zie bladzijde 6 in de leerlingenhandleiding en les 2 van het MDA-lesplan). Inleiding Bij onderzoek naar erfelijke aandoeningen gaan artsen op zoek naar de oorzaak van een erfelijke ziekte. Ze kijken of er een verandering zit in de nucleotidenvolgorde van het gen dat de aandoening kan veroorzaken. Artsen kunnen heel doelgericht op zoek gaan naar deze aandoening in het erfelijke materiaal. Als dat niets oplevert, kunnen ze breder gaan zoeken. Methoden om specifiek naar de nucleotidenvolgorde van een gen te kijken zijn: Polymerase-ketting reactie: PCR is een techniek waarmee een kleine hoeveelheid van een specifieke nucleotidenvolgorde een groot aantal keren gekopieerd wordt via kunstmatige DNA-replicatie (Alles over DNA, 2014). Whole genome sequencing: Volgens de klassieke sequencing-methoden wordt de basenvolgorde bepaald door af te lezen welke basen er tijdens een speciale PCRreactie worden ingebouwd (Alles over DNA, 2014). Deze tweede opdracht gaat in de context van een misdrijf in op de techniek van de PCR, gel runnen en hiermee een dader aanwijzen. Na afloop van de activiteit gaat de klas samen met de docent de techniek van PCR en sequencen doornemen in de context van een erfelijke ziekte. Op deze manier kunnen binnen twee contexten dezelfde PCR techniek maar verschillende follow-up van het resultaat worden behandeld. Deze les: Inleiding van de les, het oplossen van een moordzaak. Aan de hand van het onderzoek naar de moord op Marianne Vaatstra die in 1999 is vermoord wordt het nut en de methode van DNA fingerprinting uitgelegd. Video over de moordzaak bij voorbeeld; tot Introductie (bijvoorbeeld PowerPoint) over forensisch onderzoek, DNA fingerprinting Introductie over PCR, video bijvoorbeeld; Introductie over gelelectroforese, video bijvoorbeeld; tot Uitvoeren van de opdracht door de leerlingen Doel van de opdracht: Het doel van deze opdracht is het inzichtelijk maken wat een PCR reactie inhoud. Na de PCR reactie zal een gel worden gerund, uit deze gel kunnen de leerlingen samen met de docent de dader van de moord aanwijzen. 1. De

20 leerlingen krijgen ieder een stuk DNA (gestempeld, met de DNA Stempel set). Een van deze DNA codes is van de dader, de andere zijn van andere mensen. De leerlingen moeten met behulp van de DNA stempel set de PCR reactie nabootsen voor 3 cycli. 2. Als alle leerlingen de PCR reactie hebben gedaan, wordt er op tafel (of op de grond) een gel getekend (met bijvoorbeeld schilders tape) de gel moet uit 7 lanen bestaan, 6 voor de leerlingen en een voor het DNA dat gevonden is op crime scene. De leerlingen moeten samen hun zelf gemaakt DNA op de goede plaats op de gel uitspreiden. Als de leerlingen klaar zijn met de zal de docent het gemaakte dader DNA ook op de gel leggen. Nu is duidelijk wie de dader is. Benodigdheden voor deze les: o Voordat de les begint: 6 stukken gestempeld DNA (1 dader 5 andere), met PCR gemaakt dader DNA voor de gel. o Lokaal inrichten, Gel uittekenen (of tapen) o DNA-stempel set o Genoeg papier, scharen en plakband voor de leerlingen o Tape voor het uittekenen van de gel Nabespreking van de les (zie Lesplan).

21 Les 3 Insuline fabriek in E. Coli (zie bladzijden 7 t/m 10 in de leerlingenhandleiding en les 3 van het MDA-lesplan). Inleiding Gentherapie voor een erfelijke aandoening: voorbeeld Duchenne Wat is Duchenne spierdystrofie? Duchenne spierdystrofie is een ernstige erfelijke spierziekte die de spieren aantast en verzwakt. De eerste verschijnselen zijn vaak al voor het tweede levensjaar zichtbaar. Op den duur kunnen de aangetaste spieren niet meer gebruikt worden. Duchenne spierdystrofie treft nagenoeg altijd jongens. In Nederland komt Duchenne spierdystrofie bij één op de vierduizend pasgeboren jongens voor. Oorzaak Een fout in het dystrofine-gen op het X-chromosoom veroorzaakt een tekort van het eiwit dystrofine in de spiercelwand. Dit eiwit geeft de spieren veerkracht en stevigheid. Zonder dystrofine beschadigen de spiercellen, ze sterven op den duur af. Er komt bindweefsel voor in de plaats. Duchenne spierdystrofie is een erfelijke ziekte die via de moeder wordt overgedragen. Zonen van een draagster hebben 50% kans op de aandoening, dochters hebben 50% kans draagster te worden. In 30% van de gevallen treedt de aandoening spontaan op waarna deze weer kan worden overgedragen (Vereniging Spierziekte Nederland, 2014). Gentherapie Voor de introductie van een gezond dystrofine-gen in spieren van patiënten met Duchenne zijn verschillende transportmiddelen getest. Deze transportmiddelen, vectoren genoemd, kunnen synthetisch zijn, of gebaseerd zijn op verschillende virussen. Virussen zijn van naturen namelijk zeer efficiënte gen-overdragers. Virale vectoren worden gemaakt door specifieke stukken van het virus-dna middels genetische manipulatie te verwijderen. Dit voorkomt niet alleen dat het virus ziekteverwekkende eiwitten maakt, maar zorgt ook voor meer transportruimte voor bijvoorbeeld het lange dystrofine-gen. Adenovirale vectoren zijn de laatste jaren uitgebreid getest en aanzienlijk verbeterd als transportmiddelen voor het dystrofinegen. Hoewel ze inmiddels veiliger zijn geworden, blijft echter een nadeel dat ze niet in staat zijn om het gen over te dragen aan volwassen spiervezels. Dit komt omdat spiervezels voor stevigheid zijn omgeven door een extra wand, de extracellulaire matrix, waar het adenovirus niet doorheen kan. Het huidige onderzoek met adenovirale vectoren voor Duchenne gentherapie is daarom gericht op verdere vectorverbeteringen om onder andere gen-overdracht in volwassen spierweefsel mogelijk te maken. Klassenactiviteit

22 De leerlingen leren binnen de context van insuline-gen inbouwen in een bacterie over de mogelijkheid om een humaan-gen in te bouwen in een ander organismen (let op: een virus is geen organisme want is niet levend). Door de activiteit uit te voeren krijgen leerlingen meer begrip voor binas 71M 1. Daarna kan de opgedane kennis gerecontexualiseerd worden en uitgelegd worden voor de ziekte van Duchenne. Het belang van deze oefening is dat de leerlingen leren werken met de relevante deelconcepten voor het eindexamen en dit in verschillende contexten kunnen toepassen. Doel van de opdracht In deze activiteit wordt een namaak DNA-boodschap dat codeert voor het eiwit insuline aangegeven op de cel DNA. Het is jou taak een enzym te vinden dat de plasmide eenmaal knipt (niet meer dan 1 keer) en het cel DNA zo dicht mogelijk bij de eindes van het insuline gen. Om daarna het insuline gen in de plasmide te kunnen plakken. Om dit voor elkaar te krijgen moet je het volgende doen: 1 Bepalen welke restrictie-enzym je moet gebruiken om de DNA-strengen te knippen. 2 Bepalen welke antibiotica je zou gebruiken om te bepalen of je afgerond gerecombineerd DNA werd geabsorbeerd door de bacteriën of niet. Opdrachten: De leerlingen maken met behulp van knippen en plakken een recombinant DNA plasmide die insuline kan produceren wanneer deze in de E. Coli geplaatst zou worden. Er wordt ook meteen een controle ingebouwd in de plasmide om te checken of de recombinant plasmide gelukt is. Benodigdheden voor deze les: o Genoeg scharen en plakband voor de lln. o Antwoorden van de te maken opdrachten voor het nabespreken Nabespreken van de les en de opdrachten (zie Lesplan).

23 Les 4 Epigenetica en celdifferentiatie (zie bladzijden 11 t/m 12 in de leerlingenhandleiding). Inleiding De hongerwinter in Nederland ( ) heeft ervoor gezorgd dat kinderen die tijdens deze periode zijn verwekt in ondervoede moeders op latere leeftijd meer last hebben van suikerziekte, hoge cholesterol en schizofrenie dan leeftijdgenoten die dit niet hebben meegemaakt. Een nieuwe wetenschap: epigenetica lijkt hier een verklaring voor te hebben: de omstandigheden in de baarmoeder zorgen ervoor dat genen (die niet gemuteerd zijn) toch niet werkzaam zijn: terwijl ze dat wel in een normale situatie dienen te zijn. Dit komt doordat nucleotiden of histonen een methylgroep krijgen en hierdoor de transcriptie van genen wordt uitgezet. Als voorbeeld bij de hongerwinter wordt verwezen naar het IGF-2 gen (Trouw, 2014) De context waarin epigenetica wordt uitgelegd is celdifferentiatie: van stamcel naar volwassen cel. Daarna kan de opgedane kennis gerecontextualiseerd worden naar de hongerwinter. Deze les Als introductie kijken naar een video over epigenetica (hongerwinter). Opdracht DNA-Methyltranferase (stempel-set) Opdracht Celdifferentiatie (stempel-set) Overstap maken naar gen transcriptie o Kijken naar video o Kijken naar video (vanaf 8.20) Extra informatie over de opdrachten: Methyltransferase Deze activiteit richt zich op het principe van DNA-methylering en sluit daarmee goed aan bij het onderwerp epigenetica. Bereid de startsequentie voor (zie het pdf-bestand startsequentie DNAmethyltransferase) door over alle cytosines waar in de 5 à 3 richting een guanine op volgt een paperclip te schuiven (zie afbeelding hieronder). Celdifferentiatie

24 Bij deze activiteit wordt geen gebruik gemaakt van de stempel set. Het voornaamste doel van deze activiteit is dat leerlingen zien dat epigenetische processen een belangrijke rol spelen bij celdifferentiatie en cel specialisatie. Benodigdheden voor deze les: o Genoeg knip en plak materiaal voor de lln o DNA-Stempelset Nabespreken van de les, antwoorden bespreken van de opdracht, huiswerk voor volgende les (zie Lesplan). Referenties Website Hongerwinter (2014). Het hongerwinter onderzoek: Baby s van de hongerwinter. Website alles over DNA (2014). PCR techniek en DNA- sequensen. Website van Trouw (2014). Hongerwinter trok sporen in het DNA van baby s.

25 Bijlagen Bijlage 1 Organelkaarten les 1: wedstrijdje eiwitsynthese CELKERN

26 ER

27 RIBOSOOM

28 BLAASJE

29 Leerlingenhandleiding Tastbare moleculaire Genetica Ontwerp Onderzoek Voorstelbaar en concreet maken van lastige moleculaire processen in 6VWO Weyer, J. (2014). Tastbare moleculaire genetica, leerlingenhandleiding. Interfacultaire Lerarenopleidingen Universiteit van Amsterdam

30 Inhoudsopgave Inleiding 3 Les 1 Wedstrijdje Eiwitsynthese 4 Les 2 Vind de dader 6 Les 3 Insuline fabriek in E. coli 8 Les 4 Epigenetica en Celdifferentiatie 13 Bijlagen 16

31 Inleiding Eén van de opdrachten tijdens mijn opleiding tot leraar is het ontwerpen van een lessenserie. Deze lessenserie bestaat uit vier lessen en zal over het onderwerp moleculaire genetica gaan. Tijdens de komende vier lessen zal de docent wat minder op de voorgrond treden dan jullie misschien gewend zijn. Jullie gaan doormiddel van het uitvoeren van verschillende opdrachten (uitgevoerd in groepjes en soms klassikaal) hopelijk een beter beeld krijgen bij de soms erg abstracte en moeilijk voorstelbare moleculaire processen en begrippen (deelconcepten). In het begin zullen al die begrippen je waarschijnlijk nog niet zo veel zeggen, maar na deze vier lessen zal het hopelijk allemaal veel duidelijker en concreter voor je worden. De theorie die je nodig hebt om je voor te bereiden op de opdrachten en om je voor te bereiden op dit deel van het schoolexamen en het centraal examen is te vinden op in hoofdstuk 8. Daarnaast zal deze leerlingenhandleiding, de uitleg van de docent (PowerPoint) en de filmpjes je helpen met de voorbereidingen op het examen. Succes en veel plezier!

32 Les 1: Wedstrijdje Eiwitsynthese Om een beter begrip te krijgen wat er op moleculair niveau gebeurt op het moment dat een (foutief) gen wordt afgelezen en omgezet naar een (foutief) eiwit, helpt de eerste opdracht om dit duidelijk te maken: we gaan een eiwit maken (ook wel eiwitsynthese genoemd). Belangrijk: op het moment dat b.v. een hydrofobe restgroep wordt vervangen door een hydrofiele, zal de eiwitstructuur veranderen (de tertiaire structuur). Door een verandering van structuur van een eiwit kan dit zijn werking niet (goed) meer doen. Dit is de basis van een erfelijke aandoening. Leskern Je kunt uitleggen hoe de synthese van eiwitten werkt Doelen van de les Aan het einde van deze les; - Kun je benoemen waar in de cel (celkern, cytoplasma, ribosoom, ER / Golgiapparaat) de processen transscriptie, translatie en eiwitvouwing plaatsvinden. - Kun je het proces van transscriptie en translatie beschrijven. - Kun je m.b.v. een gegeven DNA-fragment de bijbehorende nucleotidenvolgorde van het mrna-molecuul en de aminozuurvolgorde van het eiwit bepalen. - Kun je op basis van de relatie tussen tripletcode en aminozuur toelichten hoe eiwitten gevormd worden. - Kun je uitleggen dat eiwitten pas in het ER en het Golgiapparaat hun uiteindelijke driedimensionale vorm krijgen, doordat ze op een bepaalde manier worden gevouwen - Begrijp je wat de volgende begrippen met elkaar te maken hebben: DNA, genetische code, eiwit structuur (primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuur), mrna, trna, rrna, startcodon, stopcodon, Aminozuur, Transcriptie, Translatie, Coderende streng, Template/matrijsstreng, RNApolymerase Opdracht 1. Vorm een groepje van drie. Verdeel de volgende eiwitrollen binnen je groepje: helicase, RNA-polymerase, translatie-eiwitten, vouweiwitten, transporteiwitten en DNA-polymerase. Lees op de rolbeschrijving wat je moet doen. 2. Je krijgt een DNA-fragment. In dat DNA-fragment zit een gen verborgen. Probeer met je groepje zo snel mogelijk het eiwit te maken waar dit fragment voor codeert.

33 3. Voordat je het eiwit kan stempelen, moet je natuurlijk eerst het juiste mrnamolecuul en de trna-moleculen stempelen. Je mag deze stappen niet overslaan. 4. Let op: de processen transcriptie, translatie en eiwitvouwing moeten wel op de juiste plaats in de cel plaats vinden, en door de juiste eiwitten worden uitgevoerd. Je mag elkaar natuurlijk wel helpen. Rolbeschrijvingen Helicase Jij bent een eiwit dat de waterstofbruggen tussen twee DNA-strengen kan verbreken. Hierdoor gaan de twee strengen tijdelijk uiteen. Gebruik hiervoor de schaar. RNA-polymerase Jij bent een eiwit dat zorgt voor transcriptie. Je vormt mrna langs één van de enkelstrengs DNA-strengen. Gebruik hiervoor de stempeltjes. Let er op dat het mrna aan de juiste streng gevormd wordt, en in de juiste richting wordt gesynthetiseerd, dus van 5 naar 3 (zie BINAS 71E). Transporteiwitten Jij bent een eiwit dat helpt bij het transport van (onder andere) mrna-moleculen in de cel. Breng op het juiste moment, de juiste moleculen naar de juiste plek. Translatie-eiwitten (initiation en elongation factors) Jij bent een eiwit dat zorgt voor translatie. Het mrna bindt aan het ribosoom en wordt door jou afgelezen. Hiervoor zijn trna-moleculen nodig: stempel de juiste anticodons op het trna-blaadje. Schrijf op de Post-It met de aminozuurstempel om welk aminozuur het gaat (zie BINAS 71G). De drielettercode is voldoende. Plak de PostIts aan elkaar om een aminozuurketen te maken. Vouweiwitten (chaperonne-eiwitten) Jij bent een eiwit dat helpt bij het vouwen van aminozuurketens. Je bevindt je in het endoplasmatisch reticulum (ER) en het Golgiapparaat. Door jou krijgen eiwitten hun uiteindelijke driedimensionale structuur. Doe in ieder geval het volgende: zorg ervoor dat aminozuren met een hydrofobe restgroep bij elkaar zitten. Kijk in bijlage 1 voor welke aminozuren een hydrofobe restgroep hebben. Gebruik plakband om de hydrofobe restgroepen aan elkaar te plakken. DNA-polymerase Jij bent een eiwit dat zorgt voor replicatie. Je maakt van enkelstrengs DNA weer dubbelstrengs DNA. Doe dit nadat het mrna is gemaakt. Gebruik hiervoor de stempeltjes.

34 Les 2: Vind de Dader Bij onderzoek naar erfelijke aandoeningen gaan artsen op zoek naar de oorzaak van een erfelijke ziekte. Ze kijken of er een verandering zit in de nucleotidenvolgorde van het gen dat de aandoening kan veroorzaken. Artsen kunnen heel doelgericht op zoek gaan naar deze aandoening in het erfelijke materiaal. Als dat niets oplevert, kunnen ze breder gaan zoeken. Methoden om specifiek naar de nucleotidenvolgorde van een gen te kijken zijn: Polymerase-ketting reactie: PCR is een techniek waarmee een kleine hoeveelheid van een specifieke nucleotidenvolgorde een groot aantal keren gekopieerd wordt via kunstmatige DNA-replicatie. Deze methode wordt niet alleen ingezet voor het opsporen van erfelijke aandoeningen, maar ook bij verwantschapsonderzoek (om te kijken wie b.v. de vader van een kind is) en bij forensisch onderzoek Deze tweede les gaan jullie kijken hoe PCR wordt ingezet bij het opsporen van een dader van een misdrijf. Jullie gaan in deze les een stukje DNA kopiëren zoals dat gebeurt bij PCR techniek en het daarna op een gel laten runnen om hiermee aan te tonen wie van jullie de dader is! Leskern Je kunt uitleggen hoe DNA (genetische vingerafdruk) kan worden ingezet bij forensisch onderzoek bij het vinden van de juiste dader. Doelen van de les: Aan het einde van de les: - Kan je uitleggen dat je met PCR (polymerase-kettingreactie) methode van zeer kleine hoeveelheid DNA binnen enkele uren miljoenen kopieën kan worden maken - Begrijp je de toepassing van DNA fingerprinting, dat dit uniek is per persoon en dat het kan worden gebruikt bij forensisch -, verwantschap - en ziekte onderzoek. - Begrijp je dat je met gelelectroforese de uit PCR verkregen DNA-fragmenten kan runnen op een gel en dat de negatief geladen DNA fragmenten in de richting van de + electrode verplaatsen - Begrijp je dat bij gelelectroforese geldt dat hoe kleiner de DNA-fragmenten, hoe verder ze richting de + kant komen - Begrijp je wat de volgende begrippen met elkaar te maken hebben: PCR, Primer, DNA-Polymerase, DNA-fingerprinting Opdracht Iedereen krijgt een stuk DNA. Eén van deze DNA codes is van de dader, de andere zijn van andere mensen. Jullie moeten met behulp van de DNA stempel set en de

35 informatie die jullie hebben gekregen over de PCR reactie, de PCR reactie nabootsen voor 3 cycli. Als iedereen de PCR reactie heeft gedaan, wordt er op tafel (of op de grond) een gel getekend de gel moet uit 7 lanen bestaan, 6 voor de leerlingen en 1 voor het DNA dat gevonden is op crime scene (deze heeft de docent). Elke leerling kiest een baan waar hij of zij haar DNA-fragmenten in laat runnen. Jullie moeten nu samen het zelf gemaakte DNA op de goede plaats op de gel uitspreiden. Tip: Denk hierbij goed aan wat je hebt geleerd uit de uitleg over gelelectroforese, dus denk na over de grootte van de verschillende stukken DNAfragmenten ook ten opzichte van je klasgenootjes. Als de gel klaar is zal de docent het gemaakte dader DNA ook op de gel leggen. Nu zal duidelijk worden wie de dader is.

36 Les 3: Insuline Fabriek in E. coli Gentherapie kan worden ingezet bij het genezen van erfelijke aandoeningen zoals b.v. de ziekte van Duchenne. Duchenne spierdystrofie is een ernstige erfelijke spierziekte die de spieren aantast en verzwakt. De eerste verschijnselen zijn vaak al voor het tweede levensjaar zichtbaar. Op den duur kunnen de aangetaste spieren niet meer gebruikt worden. Duchenne spierdystrofie treft nagenoeg altijd jongens. In Nederland komt Duchenne spierdystrofie bij één op de vierduizend pasgeboren jongens voor. De oorzaak is een fout in het dystrofine-gen op het X-chromosoom veroorzaakt een tekort van het eiwit dystrofine in de spiercelwand. Dit eiwit geeft de spieren veerkracht en stevigheid. Zonder dystrofine beschadigen de spiercellen, ze sterven op den duur af. Er komt bindweefsel voor in de plaats. Duchenne spierdystrofie is een erfelijke ziekte die via de moeder wordt overgedragen. Zonen van een draagster hebben 50% kans op de aandoening, dochters hebben 50% kans draagster te worden. In 30% van de gevallen treedt de aandoening spontaan op waarna deze weer kan worden overgedragen. Gentherapie is een behandelingsmethode waarbij genetisch materiaal wordt ingebracht bij de mens, in dit geval bij patiënten met Duchenne. Voor de introductie van een gezond dystrofine-gen in spieren van patiënten met Duchenne zijn verschillende transportmiddelen getest. Deze transportmiddelen, vectoren genoemd, kunnen synthetisch zijn, of gebaseerd zijn op verschillende virussen. Virussen zijn van nature namelijk zeer efficiënte gen-overdragers. Voor het gebruik van virussen voor gentherapie gebeurt in het kort het volgende. De stukken DNA die ervoor zorgen dat wij ziek worden van het virus worden verwijderd. Een viraal genconstruct wordt gemaakt met het medicinale DNA en deze wordt in het virus geplaatst. Dan wordt de patiënt besmet met het virus en draagt het virus het medicinale DNA over aan de patiënt. Naast gentherapie kan je ook op een soort gelijke manier medicijnen produceren. Alleen gebruik je dan i.p.v. virussen, bacteriën om je gen-construct in te plaatsen. In deze les gaan jullie kijken naar de mogelijkheid om een humaan-gen (insuline-gen) in te bouwen in een bacterie. Patiënten die suikerziekte hebben (diabetici) hebben geen of onvoldoende productie van insuline. Leskern Jullie kunnen uitleggen hoe de productie werkt voor humaan insuline in een bacterie en dat dit een voorbeeld is van de productie van medicijnen en biotechnologische ontwikkeling. Doelen van de les: Aan het einde van de les; - Begrijp je dat je met het inbouwen van gen-construct in bacteriën (recombinatie techniek) goedkoop medicijnen kan produceren voor mensen.

37 - Kan je als voorbeeld voor recombinant DNA-techniek het produceren van insuline noemen - Begrijp je globaal de stappen die nodig zijn om een bepaald gen uit een stuk DNA te knippen en deze in een bacterie tot expressie te brengen. - Begrijp je dat je m.b.v. antibiotica resistentie kan controleren of het gewenste gen is ingebouwd in de bacterie. - Begrijp je wat de volgende begrippen met elkaar te maken hebben: Plasmide, restrictie-enzym, recombinant DNA Achtergrond Bacteriën hebben niet alleen hun normale DNA, ze hebben ook stukjes circulair DNA, plasmiden genoemd. Plasmiden zijn erg interessant voor biologen die bacteriën willen maken om heel specifieke eiwitten te produceren. De plasmiden kunnen gemakkelijk worden geknipt en worden gefuseerd met een DNA fragment uit bijvoorbeeld de mens om vervolgens opgenomen te worden door de bacterie. De bacteriën nemen heel gemakkelijk deze nieuwe DNA informatie op in hun metabolisme. Deze "recombinatie" wordt recombinant DNA genoemd. Het extraheren van een gen uit een DNA molecuul (b.v. de mens) en deze in een ander DNA inbouwen (bacterie) vereist nauwkeurig "knippen en plakken." Voor het maken van recombinant DNA, moet het gewenste gen uit een chromosoom worden geknipt en "geplakt" in een bacterieel plasmide. De knipgereedschappen voor het maken van recombinant DNA in een reageerbuis zijn bacteriële enzymen genaamd restrictie-enzymen. Deze enzymen werden eind jaren 60 voor het eerst ontdekt. In de natuur beschermen deze enzymen de bacteriën tegen binnendringend DNA van andere organismen. Dat doen ze door vreemd DNA in stukken te knippen, een proces genaamd restrictie (beperking). De meeste restrictie-enzymen herkennen korte nucleotidesequenties in DNAmoleculen en knippen op specifieke punten binnen deze herkenningssequenties. Doel van de opdracht: In deze activiteit wordt het gen dat codeert voor het eiwit insuline aangegeven op het cel DNA. Het is jou taak een enzym te vinden dat de plasmide eenmaal knipt (niet meer dan 1 keer). Ook moet het enzym het cel DNA zo dicht mogelijk bij beide eindes van het insuline gen knippen om daarna het insuline gen in de plasmide te kunnen plakken. Je gaat straks per tweetal een plasmide construct maken. De opdracht bestaat uit twee onderdelen: Onderdeel A: Bepaal welk restrictie-enzym je moet gebruiken om de DNA te knippen. Onderdeel B: Bepaal welk antibiotica je moet gebruiken om te bepalen of het geknipte gen is opgenomen en tot expressie is gebracht door de bacteriën.

38 Instructies onderdeel A. Stap 1 Zorg voor een schaar en een rol tape Stap 2 Een van jullie beide knipt de stroken plasmide DNA (zie bijlage 2) uit. Kies er van de 6, 4 uit. Een van deze 4 moet de origin of replication bevatten. Plak de stroken aan elkaar de volgorde maakt niet uit, zolang de letters maar de zelfde kant opgaan. En plak dan de twee laatste uiteindes aan elkaar om een cirkel te maken (zorg dat de letters aan de buitenkant zitten). Bewaar de legenda over antibioticaresistentie voor later gebruik. Bewaar ook de extra plasmide stukjes tot je stap 7 met succes hebt afgerond. Stap 3 De ander knipt de CELL DNA (zie bijlage 2) stroken. En plakt deze op volgorde aan elkaar vast. Stap 4 Het is nu tijd om te beginnen met het testen van de verschillende restrictie-enzymen die je hebt gekregen. Knip de enzymen (zie bijlage 2) uit. Er zijn 8 restrictie-enzymen gegeven die het DNA knippen en een ligase die het DNA weer fuseert wanneer je klaar bent (zie bijlage 2). Op de acht vakjes staat de naam van het enzym (bijvoorbeeld Ava II) en een korte DNA-sequentie, deze sequentie is de plek op het DNA waar het enzym knipt. Stap 5 Jullie taak is het vinden van een restrictie-enzym dat de plasmide op slechts 1 plek openknipt (dit is wel of niet mogelijk, afhankelijk van hoe je je plasmide hebt gemaakt). Hetzelfde enzym moet in staat zijn het cel-dna op twee plaatsen te knippen, een aan beide kanten van het gen voor insuline. Het is erg belangrijk dat je een enzym kiest dat zo dicht mogelijk bij het insuline gen knipt. Het geknipte DNA ziet er dan uit als sticky end". DNA Restriction enzyme recognition sequence Restriction enzyme cuts the DNA into fragments. Sticky End Stap 6 Jij en je partner hebben 8 restrictie-enzymen om uit te kiezen. Een deel van de enzymen kan de plasmide niet openknippen, andere kunnen dat wel. Een deel van de enzymen kan het cel-dna niet knippen op twee locaties, een andere mogelijk wel. Als ze niet voldoen aan deze kenmerken dan zijn ze niet bruikbaar. Een van jullie

39 neemt een enzym, bijvoorbeeld Ava II, en controleert op de plasmide op welke locatie of locaties dit enzym knipt. De andere vult in de tabel (zie hieronder) in hoe vaak dit enzym knipt in de plasmide. Vergeet niet dat je doel is om een enzymen te vinden die de plasmide slechts eenmaal zal knippen. Herhaal dit tot alle 8 enzymen zijn ingevuld. Als je geen enzymen kunt vinden die je plasmide slechts een keer zal knippen, dan moet je je plasmide overnieuw maken met een andere set van 4 stroken plasmide DNA. Stap 7 Nu moeten jullie hetzelfde doen als in stap 6 maar dan met het cel-dna. Onthoud dat het doel is om een enzym te vinden dat twee keer zal knippen, een aan beide kanten van het gen. Het is essentieel dat het enzym niet in het insuline gen knipt. Markeer de knip plaatsen op het cel-dna (die jullie hebben gemaakt). Teken de lijn nauwkeurig zodat precies te zien is waar de bases van elkaar zullen worden geknipt. Schrijf de naam van het enzym naast elke lijn die je trekt. Noteer ook in de tabel hoe vaak het enzym knipt in het cel-dna. Stap 8 Nadat je klaar bent met het testen van de enzymen, kies je welk enzym je zou gebruiken om de plasmide en het cel-dna te knippen. Gebruik een schaar om de knip in de plasmide en het cel-dna te maken. Let op dat je de knip van het enzym ook echt maakt zoals het enzym het zou doen, dus het achterlaten van een sticky end. Gebruik tape om het insuline-gen in de plasmide keten te plaatsen. Je hebt recombinant DNA gemaakt!!! Stap 9 Vul de rest van de tabel in. Geef aan waarom jullie hebben gekozen voor een bepaald enzym. Tabel Onderdeel A Restrictie Aantal keer geknipt Gebruikt Niet enzym Plasmide Celgebruikt DNA Ava II Reden voor gebruik Bam HI Bgl II Eco RI Hin diii

40 Hpa II Sac I Xma I Onderdeel B. In een echte situatie, zou je je recombinant DNA plasmiden mixen met de bacteriën van je keuze. Deze bacteriën zouden de plasmiden opnemen uit hun omgeving. Deze bacteriën kunnen dan insuline maken. Je kan dan de insuline zuiveren en verkopen, zodat het kan worden gebruikt door mensen met suikerziekte (diabetici). In onderdeel A werd je gevraagd om te noteren welke van de antibioticaresistenties je op je plasmide had. Deze kennis is uiterst nuttig bij het bepalen of en welke bacteriën de plasmide hebben opgenomen. Bacteriën worden normaal gesproken gedood door antibiotica (kanamycine, ampicilline en tetracycline). Indien de recombinante plasmiden werkelijk zijn opgenomen door de bacteriën, bevatten de plasmiden een gen voor resistentie tegen een of meerdere antibiotica. Hierdoor kunnen de bacteriën met recombinant DNA overleven in een groeimedium met antibioticum. Zo kun je dus testen of het opnemen van de plasmide gelukt is. Beantwoord de volgende twee vragen Vraag 1. Welk antibioticum of welke antibiotica resistentie bevat de door jullie gemaakte plasmide? Vraag 2. Welk antibioticum of welke antibiotica kun je gebruiken om te testen of jullie plasmide opname in de bacteriën is gelukt?

41 Les 4: Epigenetica en celdifferentiatie De hongerwinter in Nederland ( ) heeft ervoor gezorgd dat kinderen die tijdens deze periode zijn verwekt in ondervoede moeders op latere leeftijd meer last hebben van suikerziekte, hoge cholesterol en schizofrenie dan leeftijdgenoten die dit niet hebben meegemaakt. Een nieuwe wetenschap epigenetica lijkt hier een verklaring voor te hebben. De omstandigheden in de baarmoeder zorgen ervoor dat genen (die niet gemuteerd zijn) toch niet werkzaam zijn, terwijl ze dat wel in een normale situatie dienen te zijn. Dit komt doordat nucleotiden of histonen in je DNA een methylgroep krijgen. Hierdoor wordt de transcriptie van deze genen uitgezet. Als voorbeeld bij de hongerwinter wordt verwezen naar het IGF-2 gen. In deze les gaan we kijken naar celdifferentiatie: van stamcel naar volwassen cel. Dit vormt de basis van epigenetica. Leskern Je kunt het belang en het mechanisme van epigenetica uitleggen Doelen van de les: Aan het einde van de les: - Kan je het mechanismen voor genregulatie uitleggen en het belang ervan toelichten. - Kan je uitleggen dat (a)biotische factoren de variatie aan eiwitten beïnvloeden. - Begrijp je dat genexpressie een dynamisch proces is dat geregeld wordt door verschillende factoren waaronder epigenetisch. - Kan je uitleggen dat methylering van genen (inactief worden) zorgt voor celdifferentiatie. - Kan je uitleggen dat door methylering van een gen, dat gen minder actief of inactief wordt - Begrijp je de samenhang tussen de volgende begrippen: Epigenetisch, Promotor, Epigenetica, Methylering Opdracht 1: DNA-methyltransferase (epigenetica) 1. Je krijgt een DNA-fragment van de docent waarbij aan sommige stikstofbasen methylgroepen gebonden zijn (de paperclips). Kijk eens goed naar de plaatsen waar de methylgroepen aan het DNA gebonden zijn. Zitten de methylgroepen op willekeurige plekken of kun je hier een bepaald patroon in ontdekken? Zo ja, welk? Noteer hieronder je antwoord. 2. Er vindt DNA-replicatie plaats: knip de strengen los van elkaar (helicase) en vorm aan iedere streng een nieuwe (DNA-polymerase). Als het goed is heb je nu twee DNA-fragmenten met een identieke nucleotidenvolgorde, maar een ander methyleringspatroon.

42 3. Het enzym DNA-methyltransferase loopt nu langs het DNA en methyleert alle cytosines (5 -CpG-3 ) waar op de tegenoverliggende streng ook een methylgroep zit. Als het goed is hebben de DNA-fragmenten nu weer hetzelfde methyleringspatroon. 4. Dat juist 5 -CpG-3 gemethyleerd wordt en niet bijvoorbeeld 5 -CpA-3 is geen toeval. Leg uit waarom 5 -CpA-3 niet op dezelfde manier te kopiëren is door DNA-methyltransferase. Noteer je antwoord hieronder. Opdracht 2: Celdifferentiatie Opdracht In het rode beenmerg bevinden zich pluripotente stamcellen. Uit deze cellen kunnen verschillende andere soorten cellen ontstaan, bijvoorbeeld promonocyten en pre-bcellen. Dat zijn unipotente stamcellen: uit promonocyten ontstaan uiteindelijk altijd macrofagen (die bacteriën opeten), en pre-b-cellen differentiëren verder tot plasmacellen (die antistoffen produceren). Volledig gespecialiseerde macrofagen en plasmacellen delen meestal niet meer. (Zie ook BINAS 84 I). 1. Het DNA van al deze cellen is hetzelfde. Maar in ieder type cel zijn andere genen gemethyleerd (inactief gemaakt). Hieronder staan drie genen. Geef in het schema aan welke genen in welk type cel gemethyleerd zijn (zet een kruis door de letter van het gen). gen A: codeert voor een antistof gen B: codeert voor een enzym dat bacteriën afbreekt gen C: codeert voor een eiwit dat zorgt dat voor celdeling

43 2. Waarom is het nodig dat in de verschillende weefsels van het menselijk lichaam stamcellen aanwezig zijn? 3. Kunnen dat dan het beste pluripotente of unipotente stamcellen zijn? Leg je antwoord uit. 4. Als cellen differentiëren worden steeds meer genen gemethyleerd. Bij de vorming van eicellen en spermacellen worden de methylgroepen juist bijna allemaal verwijderd. Welke verklaring kun je daar voor bedenken?

44 Bijlagen Bijlage 1 (nodig voor les 1) Informatie over Aminozuren (Hydrofobe restgroepen)