EIWITTEN IN DE HOOFDROL

DE GEMENE DELER EIWITTEN IN DE HOOFDROL Naam: Klas: Datum:

EIWITTEN IN DE HOOFDROL - VWO De onderzoeksgroep van Puck Knipscheer aan het Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek, doet onderzoek naar een nog weinig onderzocht mechanisme van DNA-schade herstel. Over het onderzoek van de Knipscheergroep is echter nog niet veel bekend bij het brede publiek. Om het onderzoek onder de aandacht te brengen van de media ga je als nieuwe persvoorlichter van het Hubrecht Instituut aan het eind van deze module een persbericht schrijven over het onderzoek van de Knipscheergroep. Aangezien eiwitten een belangrijke rol spelen in het onderzoek, verdiep je je in deze module eerst in de bouw en functies van eiwitten. Pagina 1

FACT SHEET PUCK KNIPSCHEER ONDER HET VERGROOTGLAS Naam Functie Waar Puck Knipscheer Onderzoeker en leider onderzoeksgroep Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek in Utrecht Bio Dr. Puck Knipscheer studeerde moleculaire wetenschappen aan Wageningen Universiteit en promoveerde daarna in 2007 aan het Nederlands Kanker Instituut en aan de Erasmus Universiteit Rotterdam. Daarna deed zij onderzoek aan Harvard Medical School in Boston, Verenigde Staten. Voor beide onderzoeken ontving ze in 2010 de Heineken Young Scientist Award voor biochemie en biofysica. Onderzoeksfocus De Knipscheergroep doet onderzoek naar een mechanisme van DNA-herstel. Wanneer DNAschade in een cel niet wordt gerepareerd, kan een ziekte als kanker ontstaan. Een gevaarlijke, maar weinig bekende vorm van DNA-schade is een inter-strand crosslink (ICL). Een ICL is een dwarsverbinding tussen de twee DNA-strengen van de dubbele helix, die bestaat uit sterke covalente bindingen. Door zo n ICL kan het DNA eromheen niet meer goed worden afgelezen en gekopieerd. Het herstelmechanisme waar de Knipscheergroep onderzoek naar doet, is de Fanconi-anemie-signaleringsroute. Dit is een opeenvolging van eiwitactiviteiten die uiteindelijke tot herstel van het DNA leiden. Mensen waarbij deze signaleringsroute niet goed werkt, hebben Fanconi-anemie, een aandoening waardoor ICL s niet worden hersteld. Door problemen met de mechanismen voor DNA-schadeherstel stapelen zich veel sneller dan normaal fouten op in het DNA. Patiënten hebben hierdoor een zeer grote kans om op jonge leeftijd verschillende vormen van kanker te ontwikkelen. De Knipscheergroep kijkt specifiek naar het moleculaire mechanisme dat deze signaleringsroute reguleert. Belangrijkste bevindingen - De Fanconi-anemie-eiwitten zijn betrokken bij de reparatie van een specifieke soort DNAschade. Puck Knipscheer heeft in Boston, samen met anderen, een systeem opgezet waarmee ze de reparatie van deze DNA-schade buiten een cel kunnen nabootsen. - Dit nabootssysteem gebruiken de onderzoekers nu om er achter te komen wat precies de rol is van de Fanconi-eiwitten in het proces van DNA-reparatie. In eerste instantie vonden ze dat twee van de Fanconi-eiwitten, FANCD2 en FANCI, een directe functie hebben in een specifieke stap van het reparatieproces. - Het blijkt dat er zelfs nog een aantal andere Fanconi-eiwitten, FANCP en FANCQ, bij deze stap betrokken zijn. Het lijkt erop dat dit kleine maar zeer belangrijke onderdeel van het reparatieproces in grote mate bepaald wordt door een netwerk van Fanconi-eiwitten. Pagina 2

OPDRACHT 1: OP HET JUISTE MOMENT IN GOEDE VORM De onderzoeksgroep van Puck Knipscheer doet onderzoek naar het herstellen van een specifieke vorm van DNA-schade. Binnen dit herstelmechanisme spelen eiwitten een belangrijke rol. Eiwitten zijn de onderdelen in een cel die ervoor zorgen dat celactiviteiten, zoals het herstellen van DNA-schade, worden uitgevoerd. Er zijn vele soorten eiwitten met uiteenlopende functies. In deze opdracht maak je kennis met de bouw, vorm en functies van eiwitten. 1.1 Bedenk naast het herstellen van DNA-schade nog minimaal drie activiteiten in een cel waarbij eiwitten betrokken zijn. De verschillende eiwitten in een cel voeren allerlei verschillende functies uit. Toch zijn de verschillende eiwitten onder te verdelen in bepaalde typen eiwitten. 1.2 Lees paragraaf 3.1 van het naslagwerk, en geef voor elk van onderstaande eiwitten aan wat voor type eiwit het is. Tip: bedenk welke functie het eiwit vervult. A. Keratine (eiwit waar je haar uit bestaat):........................................ B. Actine (spiereiwit):........................................ C. Caseïne (belangrijkste eiwit in melk):........................................ D. Hemoglobine (eiwit in rode bloedcellen):........................................ E. EDGF-R (reageert op groeifactor):........................................ 1.3 Leg uit welke van bovenstaande eiwitten ontregeld zou kunnen zijn in tumorcellen? Bedenk hierbij wat een karakteristieke eigenschap van tumorcellen is. De functies die eiwitten uitvoeren, hangen nauw samen met de vorm die de eiwitten hebben. 1.4 Lees de tekst onder het kopje vorm-en-functie in paragraaf 3.2 van het naslagwerk en bekijk de Bioplek-animatie: http://www.bioplek.org/animaties/enzymen/enzymen.html. Pagina 3

De animatie gaat specifiek over enzymen, maar de uitgebeelde principes gelden voor alle eiwitten. Wanneer een activiteit in de cel niet meer wordt uitgevoerd, komt dit doordat een betrokken eiwit niet meer goed werkt. Een oorzaak hiervan kan een veranderde vorm van het eiwit zijn. Bij de volgende opdracht zie je vier tekenvakken. In het vakje linksboven zie je een enzym (eiwit) en de twee substraten (moleculen). Stof A stelt een molecuul van stof A voor en stof B stelt een molecuul van stof B voor. 1.5 Teken in elk van de drie overgebleven vakjes het enzym en de twee substraten in de volgende situaties: A. Eiwit met afwijkende vorm, die nog wel zijn functie met de substraten kan uitvoeren. B. Eiwit met afwijkende vorm, die niet meer zijn functie met de substraten kan uitvoeren. C. Eiwit met afwijkende vorm, waardoor het wel de substraten aan zich kan binden, maar niet op de juiste plek om zijn functie uit te voeren. a. b. c. Bron af beelding: www.bioplek.org Bioplek 1.6 Bespreek met je buurman/buurvrouw waarom de principes die je in deze opdracht bent tegengekomen van belang zijn bij alle Hallmarks of Cancer (naslagwerk, H6) en leg je antwoord uit. Tot nu toe heb je gezien dat eiwitten allerlei verschillende functies in de cel vervullen, en dat de vorm van het eiwit daarbij erg belangrijk is. Maar hoe doet een eiwit precies wat het doet? Het werkingsmechanisme van de meeste eiwitfuncties komt neer op binding en vormverandering. Pagina 4

1.7 Teken in de kaders bij deze opdracht schematisch de verschillende stappen van bepaalde eiwitactiviteiten, zoals die staan beschreven in paragraaf 3.3 van het naslagwerk. Teken in het linkervakje steeds de beginsituatie, in het middelste vakje een tussensituatie, en in het rechtervakje de eindsituatie. A. Teken in kader 1 de eiwitactiviteit pompen. Voor een animatie van de activiteit pompen kun je het volgende filmpje bekijken: https://www.youtube.com/watch?v=gthwig1vony B. Teken in kader 2 nog een eiwitactiviteit. Kies uit de volgende activiteiten: herkennen, koppelen, lopen of splitsen. Verdeel de activiteiten met een groepje van vier leerlingen, zodat alle eiwitactiviteiten getekend worden. Voor een animatie van de activiteiten kun je de volgende filmpjes bekijken (je mag eventueel ook zelf een ander filmpje zoeken). Herkennen: https://www.youtube.com/watch?v=ia6ojvbazge Koppelen: http://www.bioplek.org/animaties/enzymen/enzymen.html Lopen: https://www.youtube.com/watch?v=yava4g3pk6k Splitsen: https://www.youtube.com/watch?v=czd5xsokres (00.20 00.59) Kader 1: eiwitactiviteit: pompen 1. 2. 3. Kader 2: eiwitactiviteit:..................... 1. 2. 3. 1.8 Lees paragraaf 3.2 van het naslagwerk nu volledig, en leg in je eigen woorden uit hoe het komt dat eiwitten pas op het niveau van de tertiaire (of zelfs quarternaire) structuur hun specifieke functie kunnen uitvoeren. Overleg met je buurman of buurvrouw. Gebruik in je antwoord de volgende begrippen: primaire structuur, secundaire structuur, tertiaire structuur en quarternaire structuur. Pagina 5

OPDRACHT 2: FANCONI-ANEMIE De onderzoeksgroep van Puck Knipscheer doet onderzoek naar de Fanconi-anemie-signaleringsroute. Dit is een signaleringsroute die bij een bepaalde vorm van DNA-schade, een inter-strand crosslink (ICL), wordt geactiveerd en die ertoe leidt dat de DNA-schade wordt gerepareerd. In deze opdracht maak je nader kennis met het onderzoek van de Knipscheergroep, zodat je in de volgende opdracht een persbericht hierover kunt opstellen. 2.1 Beantwoord de volgende vragen met behulp van de fact sheet over Puck Knipscheer op pagina 2 van deze module, en het filmpje over haar onderzoek: http://fastfacts.nl/content/knipscheer-een-blokkade-op-de-dna-snelweg. A. Wat is een inter-strand crosslink? B. In de fact sheet staat dat mensen met Fanconi-anemie een grote kans hebben om op jonge leeftijd verschillende vormen van kanker te ontwikkelen. Leg uit waarom de kans op het ontstaan van kanker groter is wanneer DNA- herstelmechanismen niet meer goed werken. C. Welke Hallmark of enabling characteristic past bij dit onderzoek? Kijk eventueel in hoofdstuk 6 van het naslagwerk. Knipscheer noemt de eiwitten little machines, kleine machientjes, aangezien eiwitten bepaalde specifieke activiteiten uitvoeren. In veel gevallen volgen specifieke eiwitactiviteiten elkaar op, zodat de eiwitten samen bepaalde reacties in de cel tot stand te laten komen. Dit is ook het geval bij de Fanconi-anemie-signaleringsroute (FA-signaleringsroute). 2.2 In de onderstaande tekst staat een deel van het werkingsmechanisme van de Fanconianemie-signaleringsroute uitgelegd. A. Onderstreep in de tekst hieronder de eiwitactiviteiten die genoemd worden. Het complex van fanconi-eiwitten (core-complex) en het D2I-complex worden geactiveerd door het eiwit ATR. Dit gebeurt doordat het een fosfaatgroep ( P ) aan de eiwitcomplexen koppelt met een energierijke verbinding. Vervolgens activeert het grote core-complex het D2I-complex door er een ubiquitinelabel ( Ub ) aan te hangen. Nu zijn zowel het core-complex en het D2I-complex geactiveerd, en zijn ze in staat om op het chromatine (DNA met histoneiwitten) te binden. Vanaf daar gaat de Fanconi-anemie-signaleringsroute verder, met als uiteindelijk gevolg het verwijderen van de ICL en herstel van het DNA. Pagina 6

B. Uit de omschrijving blijkt dat het core-complex en het D2I-complex geactiveerd worden door er fosfaatgroepen (en ubiquitinelabels) aan te koppelen. Leg uit waarom de koppeling van deze groep(en) aan de eiwitcomplexen ervoor zorgt dat de eiwitcomplexen geactiveerd worden (dat ze dus iets kunnen wat ze eerst niet konden). C. In de afbeelding bij deze opdracht is de Fanconi-anemie-signaleringsroute weergegeven. De activiteiten van ATR en het core-complex zijn weggelaten. Alleen de activatie van het D2I-complex door ATR is vast getekend als voorbeeld. Teken nu zelf in de afbeelding de activatie van het core-complex door ATR en de activatie van het D2I-complex door het core-complex. Gebruik de icoontjes voor een fosfaatgroep en ubiquitine-label zoals ICL stress P fosfaatgroep ATR Ub ubiquitine P P P core-complex D2 I binding chromatine herstel DNA Fanconi-anemie-signaleringsroute Medicalvisuals Pagina 7

OPDRACHT 3: PERSBERICHT FA-SIGNALERINGSROUTE Als persvoorlichter van het Hubrecht Instituut voor Ontwikkelingsbiologie en Stamcelonderzoek, heb je de opdracht gekregen om een persbericht te schrijven over het onderzoek van Puck Knipscheer. Het doel hiervan is het onderzoek onder de aandacht te brengen van journalisten, zodat zij de bevindingen kenbaar kunnen maken aan het bredere publiek. 3.1 Schrijf het persbericht. Let daarbij op onderstaande eisen en de beoordelingstabel. Gebruik ongeveer 250 woorden. Stem je taalgebruik af op de doelgroep (populair-wetenschappelijke media). Bij populair-wetenschappelijke media kun je denken aan tijdschriften als Quest of NewScientist, online platforms als Kennislink.nl, en de wetenschapsbijlagen van de grote kranten. Gebruik relevante biologische (achtergrond) kennis. De journalisten van de wetenschappelijke media zijn goed op de hoogte van de wetenschap. Schrijf helder en duidelijk, zodat ook iemand die geen onderzoek doet aan kanker het kan begrijpen. Plaats de ontdekkingen in de context van de biologie van kanker en het kankeronderzoek. Maak goed duidelijk waarom het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker zo belangrijk is. Pagina 8

Matig (max een 5,5) Voldoende (max een 8) Goed (max een 10) Lengte Je persbericht is te kort of te lang (meer dan 20 woorden te kort of te lang). Je persbericht heeft nagenoeg de juiste lengte (±10 woorden). Je persbericht heeft de juiste lengte. Max 12 punten Max 16 punten Max 20 punten Taalgebruik Je persbericht bevat veel taal- en stijlfouten. Je persbericht bevat geen taal- en stijlfouten, maar is erg moeilijk (of juist heel eenvoudig) geschreven. Je persbericht bevat geen taal- en stijlfouten en is op een goed niveau geschreven. Max 12 punten Max 16 punten Max 20 punten Gebruik van relevante biologische (achtergrond) kennis Je gebruikt geen biologische achtergrondkennis of de kennis die je gebruikt is niet relevant. Je gebruikt relevante biologische achtergrondkennis, maar de uitwerking is beknopt. Je gebruikt relevante biologische achtergrondkennis en werkt dit goed uit. Max 12 punten Max 16 punten Max 20 punten Gebruik van context Je plaatst de onderzoeksbevindingen niet in een context of in een verkeerde context. Je plaatst de onderzoeksbevindingen in een passende context (kanker en kankeronderzoek), maar de uitwerking is beknopt. Je plaatst de onderzoeksbevindingen in een passende context (kanker en kankeronderzoek) en werkt dit goed uit. Max 12 punten Max 16 punten Max 20 punten Ingaan op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker Je gaat niet in op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker. Je gaat in op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker, maar de uitwerking is beknopt. Je gaat in op het belang van het bestuderen van eiwitten in onderzoek naar kanker en werkt dit goed uit. Pagina 9