DE GEMENE DELER ZONDER EIWITINTERACTIES KOM JE NERGENS Naam: Klas: Datum:
ZONDER EIWITINTERACTIES KOM JE NERGENS VWO Zonder eiwitten is het leven niet mogelijk. Interacties tussen eiwitten zijn cruciaal voor het tot stand komen van alle celactiviteiten. In deze module maak je kennis met drie wetenschappers die onderzoek doen aan kanker. In hun onderzoek staan interacties tussen eiwitten centraal. Je gaat leren welke mechanismen ervoor zorgen dat in een cel de juiste eiwitten op het juiste moment aanwezig zijn, en je verdiept je in eiwitinteracties binnen het onderzoek van één van de drie wetenschappers. OPDRACHT 1: ONDERZOEK NAAR CELACTIVITEITEN Onderzoekers die onderzoek doen aan kanker, onderzoeken uiteenlopende celactiviteiten. In deze opdracht maak je kennis met het werk van drie verschillende onderzoekers, die verschillende celactiviteiten onderzoeken. 1.1 Neem de samenvattingen over de onderzoeksgroepen op de volgende pagina door. Schrijf voor elke onderzoeksgroep op welke celactiviteiten centraal staan in het onderzoek. Gebruik de volgende formulering: De onderzoeksgroep van (onderzoeker x) onderzoekt hoe cellen Onderzoeksgroep 1 Onderzoeksgroep 2 Onderzoeksgroep 3 Pagina 1
Onderzoeksgroep 1: Dr. Puck Knipscheer De Knipscheergroep bestudeert de Fanconi-anemie-signaleringsroute, die betrokken is bij het herstel van een gevaarlijke vorm van DNA-schade: inter-strand crosslinking (ICL). Een ICL is een sterke covalente binding tussen de twee DNA-strengen van een dubbele helix, waardoor het DNA om de ICL heen niet correct wordt afgelezen en gekopieerd. De Fanconi-anemie-signaleringsroute bestaat onder andere uit een kettingreactie van eiwitten, die het herstelmechanisme van de ICLs reguleert. Hier kun je een video over het onderzoek van Puck Knipscheer bekijken: http://fastfacts.nl/content/knipscheer-een-blokkade-op-de-dna-snelweg Onderzoeksgroep 2: Prof. Dr. Geert Kops De Kopsgroep houdt zich bezig met verschillende aspecten van chromatidesplitsing. Dit is het proces tijdens de celdeling waarbij in een cel het genetisch materiaal wordt verdeeld over de toekomstige dochtercellen. Geert Kops is vooral geïnteresseerd in de manieren waarop dit proces in gezonde cellen wordt gereguleerd, wat erbij misgaat in kankercellen, en hoe de regulatie gebruikt kan worden bij de behandeling van kanker. Een specifiek onderdeel van de chromatidesplitsing waar de Kopsgroep zich mee bezig houdt, is het controlenetwerk dat het proces van splitsen aanstuurt en controleert. Hier kun je een video over het onderzoek van Geert Kops bekijken: www.allesoverdna.nl/ degemenedeler/geertkops Onderzoeksgroep 3: Prof Dr. Hans Clevers De Cleversgroep houdt zich bezig met de manier waarop volwassen stamcellen een rol spelen in weefsels die voortdurend vernieuwen, zoals de dunne darmwand. De groep is tevens benieuwd hoe deze stamcellen een rol spelen in de ontwikkeling van kanker. Specifiek is Hans Clevers geïnteresseerd in de Wnt-signaleringsroute in deze stamcellen. Dit is één van de signaleringsroutes die signalen van buiten de cel communiceert naar de celkern. In de celkern beïnvloedt de route via genexpressie de aanmaak van verschillende eiwitten die belangrijk zijn bij de celdeling. Als de Wnt-signaleringsroute ontregeld raakt, kunnen de adulte stamcellen de ontstaansplaats zijn van tumoren in de dunne darm. De video over het onderzoek van Hans Clevers kan je hier bekijken: http://fastfacts.nl/content/clevers-gut-feeling-and-science 1.2 Leg uit waarom eiwitten, en niet genen, soms de werkpaarden van een cel worden genoemd. Gebruik in je antwoord het woord celactiviteiten. Pagina 2
OPDRACHT 2: REGULATIE VAN GENEXPRESSIE Doordat eiwitten interacties met elkaar aangaan kunnen uitgebreide signaleringsroutes tot stand komen, met uiteenlopende celactiviteiten als gevolg. Zonder eiwitten zijn er geen celactiviteiten. Maar hoe komen de juiste eiwitten op het juiste moment beschikbaar? Ook hier zijn weer eiwitten voor nodig. Het proces waarbij DNA wordt vertaald in eiwit, wordt genexpressie genoemd. Dit proces van eiwitproductie wordt heel precies gereguleerd door signaleringsroutes waarin eiwitten een belangrijke rol spelen. 2.1 Lees paragraaf 4.2 van het naslagwerk tot en met de tekst onder het kopje regulatie van de genexpressie in prokaryoten, en leg in je eigen woorden uit op welke manieren genexpressie (het vertalen van DNA naar eiwit) wordt geregeld in prokaryoten (bacteriën). Gebruik de volgende begrippen: promotor, operator, repressor, activator, structuurgen, transcriptie. 2.2 Lees de rest van paragraaf 4.2 van het naslagwerk, en geef van de volgende begrippen aan of ze horen bij genexpressie in prokaryoten, eukaryoten of beiden: A. Operator:................ B. Operon:. C. Promotor:................ D. Structuurgenen:......... E. Veranderingen aan histoneiwitten:........ 2.3 Leg uit waarom de termen regulatorgen en structuurgen misleidend zijn. Pagina 3
In tumorcellen worden sommige genen meer of juist minder dan normaal afgeschreven. De genexpressie van deze genen is dus verhoogd of verlaagd. 2.4 Leg uit hoe een verhoogde expressie van een gen veroorzaakt kan zijn door een mutatie (verandering) in een ander gen. 2.5 Leg uit hoe een verlaagde expressie van een gen veroorzaakt kan zijn door een mutatie in een ander gen. 2.6 Leg uit waarom een verandering in de expressie van een gen veroorzaakt kan zijn door een mutatie in een niet-coderend deel van dat gen. 2.7 Leg uit dat een verhoogde genexpressie in tumorcellen veroorzaakt kan zijn door een verandering in de DNA-methylering. Geef hierbij ook aan hoe de DNA-methylering veranderd is. 2.8 Noem, naast DNA-methylering, nog twee factoren die genexpressie kunnen beïnvloeden. Pagina 4
In onderstaand tabel zie je verschillende onderdelen van een signaleringsroute die reguleert of een gen aan of uit wordt gezet. Bij elke onderdeel staat informatie over dat onderdeel. 2.9 Lees paragraaf 4.3 van het naslagwerk, en teken de onderdelen uit de tabel op de juiste plaats in het werkblad (op de laatste pagina van deze module), zodat er een mechanisme ontstaat waarbij de binding van de groeifactor leidt tot het aanzetten en afschrijven van het gen. Eiwit in de signaleringsroute Locatie Bindt aan Activiteit Groeifactor Buiten de cel - Receptor Activeert receptor Receptor met kinase activiteit In het celmembraan - Groeifactor - Protease Koppelt fosfaatgroepen aan andere eiwitten Protease In het cytoplasma - Receptor - Repressor Knipt andere eiwitten Repressor In het cytoplasma - Protease - Transcriptiefactor Blokkeert andere eiwitten Transcriptiefactor In het cytoplasma - DNA - RNA-polymerase Activeert RNA-polymerase RNA-polymerase In de celkern - DNA - Transcriptiefactor Maakt mrna kopie van het gen 2.10 Beschrijf de situatie in de celkern van de cel voordat de groeifactor aan de receptor heeft gebonden (beginsituatie) en nadat de groeifactor aan de receptor heeft gebonden (eindsituatie). Beginsituatie:.......... Eindsituatie:.......... Pagina 5
2.11 Beschrijf alle tussenliggende stappen van de signaleringsroute vanaf de binding van de groeifactor aan de receptor tot en met het activeren van het gen. Matak in je antwoord gebruik van woorden uit paragraaf 3.3 uit het naslagwerk. Wees zo precies mogelijk. Zeg dus niet: de groeifactor activeert de receptor, maar: de groeifactor bindt aan de receptor, waardoor de receptor van vorm verandert, etc. Stap 1: De groeifactor bindt aan de receptor, waardoor de receptor van vorm verandert. Stap 2:.. Stap 3:.. Stap 4:.. Stap 5:.. Stap 6:.. Stap 7:.. Stap 8:.. Stap 9:.. Stap 10:.. Eén van de veranderingen in tumorcellen is dat de cellen te veel, of continu groeisignalen kunnen krijgen. 2.12 Bekijk de eiwitten in de signaleringsroute die je op het werkblad hebt getekend. Mutatie(s) in het DNA dat codeert voor deze eiwitten kunnen ertoe leiden dat een cel te veel, of continu groeisignalen krijgt. A. Geef in de tweede kolom van de tabel op de volgende pagina aan welke verandering(en) in het eiwit kunnen leiden tot te veel, of continue groeisignalen. Voor de receptor is het antwoord al gegeven. B. Geef in de derde kolom van de tabel aan welke mutatie(s) deze verandering(en) kunnen veroorzaken. Voor de receptor is het antwoord al gegeven. Pagina 6
Eiwit in de signaleringsroute Verandering nodig voor continu of meer signaal Mutatie die deze verandering kan veroorzaken Gen voor dit eiwit (proto-oncogen / tumorsuppressorgen) Groeifactor Receptor met kinase activiteit - meer receptoren - continu actieve receptoren - amplificatie (uitbreiding) receptorgen - verhoogde transcriptie receptorgen - mutatie in kinase domein (continu actief). Protease Repressor Transcriptiefactor 2.13 Lees paragraaf 4.4 van het naslagwerk, en geef in kolom 4 van de tabel aan of het gen dat codeert voor het betreffende eiwit een proto-oncogen of een tumorsuppressorgen kan zijn. In deze opdracht heb je gekeken naar eiwitinteracties in de context van genexpressie. 2.14 Leg uit bij welke Hallmark (of enabling characteristic) deze opdracht aansluit? Pagina 7
OPDRACHT 3: ONDERZOEK MET EIWITTEN Je loopt een dagje mee bij één van de onderzoeksgroepen uit opdracht 1. De bevindingen van de onderzoeksgroepen kunnen gebruikt worden om in de toekomst meer op maat gemaakte therapieën te ontwikkelen om kanker te behandelen. Wanneer je namelijk precies weet hoe activiteiten in een gezonde cel gereguleerd worden, en wat er mis kan gaan in een tumorcel, kan gezocht worden naar therapieën om specifiek die fout te behandelen. 3.1 Lees de drie onderzoeksbevindingen hieronder, en schrijf op bij welke onderzoeksgroep je een dagje meeloopt. De rest van de opdracht maak je over de onderzoeksgroep die je hebt gekozen. Onderzoeksbevinding van de onderzoeksgroep van Puck Knipscheer De Knipscheergroep bestudeert de Fanconi-anemie-signaleringsroute, die betrokken is bij het herstel van een gevaarlijke vorm van DNA-schade: inter-strand crosslinking (ICL). Het complex van fanconi-eiwitten (core-complex) en het D2I-eiwitcomplex worden geactiveerd door het eiwit ATR. Dit gebeurt doordat ATR een fosfaatgroep ( P ) aan de eiwitcomplexen koppelt met een energierijke verbinding. Vervolgens activeert het grote core-complex het D2I-complex door er een Ubiquitine-label ( Ub ) aan te hangen. Nu zijn zowel het core-complex als het D2I-complex geactiveerd, en zijn ze in staat om aan het chromatine (DNA met histoneiwitten) te binden. Vanaf daar gaat de Fanconi-anemiesignaleringsroute verder, met als uiteindelijk gevolg het verwijderen van de ICL en herstel van het DNA. Onderzoeksbevinding van de onderzoeksgroep van Geert Kops De Kopsgroep houdt zich bezig met verschillende aspecten van chromatideplitsing. Dit is het proces tijdens de celdeling waarbij in een cel het genetisch materiaal wordt verdeeld over de toekomstige dochtercellen. Gekopieerde chromosomen, of zusterchromatiden, worden bij elkaar gehouden door eiwitringen die cohesines heten. Tijdens de anafase van de mitose moeten de zusterchromatiden gesplitst worden. Dit kan echter alleen als de eiwitringen worden verwijderd. Dit wordt gedaan door een eiwit dat separase heet. Separase mag alleen op het juiste moment de ringen verwijderen, namelijk als alle chromatiden correct vastzitten aan de trekdraden van de kernspoel. Om te voorkomen dat separase te vroeg gaat knippen, wordt de activiteit van separase geblokkeerd door binding van het eiwit securine aan separase. Pas als securine wordt afgebroken, wordt separase actief en kan het de ringen gaan doorknippen. Securine wordt afgebroken doordat het ASC (Anafase stimuleringscomplex: een complex van meerdere eiwitten die samen zorgen voor het starten van de anafase) er afbraaksignalen aan heeft geplakt. Onderzoeksbevinding van de onderzoeksgroep van Hans Clevers De Cleversgroep houdt zich bezig met de manier waarop volwassen stamcellen een rol spelen in weefsels die voortdurend vernieuwen, zoals de dunne darmwand. De groep is tevens benieuwd hoe deze stamcellen een rol spelen in de ontwikkeling van kanker. Specifiek is Hans Clevers geïnteresseerd in de Wnt-signaleringsroute in deze stamcellen. Wanneer Wnt afwezig is, wordt het eiwit β-catenine gebonden door een eiwitcomplex dat APC heet. APC koppelt fosfaatgroepen aan β-catenine waardoor β-catenine onstabiel wordt en door een proteasoom, ook een eiwitcomplex, wordt afgebroken β-catenine Pagina 8
is een eiwit dat aan een transcriptiefactor bindt en zo helpt bij het aanzetten van genen waardoor de cel gaat delen. Wanneer β-catenine wordt afgebroken, voorkomt dit dat de cel het signaal krijgt om te delen. Op het moment dat de Wnt-signaleringsroute wordt geactiveerd, doordat Wnt aan de receptor bindt, verandert de receptor aan de kant die in het cytoplasma steekt. Hierdoor bindt en inactiveert de receptor APC, met als gevolg dat β-catenine niet meer afgebroken wordt β-catenine beweegt vervolgens naar de celkern en bindt daar aan een transcriptiefactor om genexpressie te laten starten. 3.2 Maak van de onderzoeksbevinding van de onderzoeksgroep waar je een dagje meeloopt een overzichtstabel met alle eiwitten, bindingen die de eiwitten aangaan en de activiteiten die de eiwitten uitvoeren. Kijk voor een voorbeeld van zo n overzichtstabel naar de tabel bij opdracht 2.6. Het kan helpen om eerst de eiwitten in het stukje tekst te onderstrepen. Eiwit Bindt aan Activiteit 3.3 Stel je voor dat de celactiviteit waaraan jouw onderzoeksgroep onderzoek doet verstoord is bij een kankerpatiënt. Om een passende behandeling te geven, wil de arts graag weten welk eiwit is verstoord. Hoe zou je, zonder naar mutaties in het DNA te kijken, kunnen onderzoeken welk van de betrokken eiwitten in de patiënt ontregeld is? Overleg met je buurman of buurvrouw. Pagina 9
WERKBLAD Pagina 10