Examentrainer Vragen Hongerwinterkinderen Gedurende de laatste winter van de Tweede Wereldoorlog stierven veel Nederlanders door barre omstandigheden: koude en voedselgebrek. Tijdens deze hongerwinter werden ook kinderen verwekt. Deze zogenoemde hongerwinterkinderen hebben door de ontberingen van hun moeder epigenetische veranderingen in hun DNA gekregen waarvan de gevolgen nu nog, op hoge leeftijd, merkbaar zijn. Zo komt bij hen relatief vaak overgewicht en diabetes voor. Een onderzoeksteam van het Leids Universitair Medisch Centrum heeft aangetoond dat hongerwinterkinderen een epigenetisch veranderd IGF2-gen hebben. Epigenetisch houdt in dat het fenotype van een persoon verandert zonder dat er iets verandert in de nucleotidenvolgorde van het DNA: er wordt alleen bepaald of genen 'aan' of 'uit' staan. Eén manier om een gen niet tot expressie te laten komen is methylering, het verbinden van een methylgroep aan bepaalde nucleotiden. Hongerwinterkinderen hebben minder methylgroepen (CH 3 -groepen) in het IGF2-gen dan andere kinderen. Mogelijk is er een relatie tussen de methylering van het IGF2-gen en de gezondheid van de, inmiddels op leeftijd gekomen, hongerwinterkinderen. Alleen cytosine, op plaatsen waar in het DNA een 5 -CG-3 nucleotidenvolgorde voorkomt, kan gemethyleerd worden. Tijdens de S-fase van de celcyclus worden de nieuwe, complementaire DNA-strengen alleen op die plaatsen gemethyleerd waar de oude strengen gemethyleerd zijn, zoals in afbeelding 1 is weergegeven. Afbeelding 1 Het enzym dat verantwoordelijk is voor het vastleggen van de imprint na de DNA-replicatie is een DNA-methyltransferase. IGF2 (insulin-like growth factor II) is belangrijk voor de groei van de baby in de baarmoeder: het stimuleert celdelingen van de foetus. Direct na de geboorte is het IGF2-gen veel minder actief. Bij het IGF2-gen is onder normale omstandigheden sprake van maternale imprinting: het allel dat van de moeder is geërfd, komt als gevolg van methylering niet tot expressie. Alleen het minder gemethyleerde allel afkomstig van de vader wordt actief, waardoor er een normale hoeveelheid van het hormoon IGF2 wordt geproduceerd. Wanneer een baby ook van de moeder een actieve kopie van het IGF2-gen zou erven, en er dus twee IGF2-genen tot expressie komen, zou de baby bij de geboorte veel zwaarder zijn. 1 Uitgeverij Malmberg
1 Voorafgaand aan welke deling of welke delingen vindt normaliter methylering van het IGF2-gen plaats? A alleen voor elke mitose, bij mannen en vrouwen B voor elke mitose bij mannen en vrouwen, voor meiose alleen bij mannen C voor elke mitose bij mannen en vrouwen, voor meiose alleen bij vrouwen D voor elke mitose en meiose, bij mannen en vrouwen Door de imprinting van het IGF2-allel afkomstig van de moeder, komt normaliter alleen het allel afkomstig van de vader tot expressie. Bij een verkeerde imprinting van het IGF2-allel loopt het kind een groter risico op overgewicht en andere ziektes. 2 Waarom is het belangrijk dat ten minste één van de IGF2-allelen in de foetus tot expressie komt? Waarom is het beter voor de moeder dat het andere IGF2-allel dan wordt stilgelegd? Naar: examen vwo 2013-1 (pilot). Supermuis Een onderzoeksteam van de Case Western Reserve University in Cleveland heeft tot zijn eigen verbazing supermuizen gecreëerd. Dit was een resultaat van een onderzoek naar de werking van het enzym PEPCK (fosfoënolpyruvaat carboxykinase) in spiercellen. PEPCK maakt omzetting van aminozuren in glucose (gluconeogenese) in een cel mogelijk. Gluconeogenese vindt bij muizen, net als bij mensen, vooral in de lever plaats en niet in de spieren. Voor het onderzoek werd een gen geconstrueerd uit DNA-onderdelen van verschillende organismen: een promotor van het actine-gen; PEPCK-cDNA (copy DNA), gemaakt met als matrijs mrna dat codeert voor het enzym PEPCK; een poly-a-staart, afkomstig van het gen voor groeihormoon. Afbeelding 2 is een schematische weergave van dit genconstruct. Afbeelding 2 Dit genconstruct werd door middel van micro-injectie in zojuist bevruchte eicellen van muizen gebracht. De hieruit gegroeide genetisch gemodificeerde muizen produceren in het cytoplasma van hun spiercellen ruim honderd maal zoveel van het enzym PEPCK als normale muizen. De genetisch gemodificeerde muizen lopen met gemak 6 kilometer op een loopband, terwijl normale muizen na 200 meter al afhaken. Ook op andere fronten presteren deze supermuizen beter: ze eten veel meer zonder dik te worden en daarbij worden ze ook nog eens veel ouder dan normale muizen. De onderzoekers proberen te achterhalen hoe het komt dat de supermuizen tot zulke prestaties in staat zijn. Bij het maken van het cdna op basis van mrna wordt een enzym gebruikt dat afkomstig is van een bepaald type virussen. 3 Wat is de naam van dit enzym? A DNA-polymerase B restrictie-endonuclease C reverse transcriptase D RNA-polymerase 2 Uitgeverij Malmberg
4 Bevat het PEPCK-cDNA alleen introns, alleen exons, of beide? A alleen introns B alleen exons C zowel introns als exons Het genconstruct werd rechtstreeks geïnjecteerd in één van de nog niet samengesmolten kernen van zojuist bevruchte muizeneicellen. Deze eicellen werden na een aantal delingen in de baarmoeder van draagmoedermuizen geplaatst. Na de geboorte werden de jonge muizen getest: bij een klein aantal was het gen succesvol in het genoom opgenomen. Met twee muizen waarin het gen het meest tot expressie kwam, is verder gefokt om een homozygote lijn te verkrijgen met een extra grote PEPCK-activiteit. De supermuizen hebben een groot uithoudingsvermogen. Menig sporter zou zijn of haar prestaties graag ook zo zien verbeteren. Genetische modificatie is bij mensen echter niet aan de orde. Sporters zouden misschien wel tot doping verleid kunnen worden als PEPCK als pil of injectie verkrijgbaar zou zijn. 5 Waardoor zal het slikken van PEPCK als pil geen effect hebben op de prestaties van een sporter? 6 Waardoor zal toediening als injectie in het bloed evenmin effect hebben? Naar: examen vwo 2013-1 (pilot). DNA-schade maakt oud Al sinds de oudheid zijn mensen geïnteresseerd in veroudering, en dan vooral in het tegengaan daarvan. Uit een aantal onderzoeken is gebleken dat naarmate weefsels van mensen ouder worden, het aantal mutaties van het DNA toeneemt. Cellen bezitten mechanismen om de voortdurend optredende DNA-schade te repareren. Een cel met DNA-schade die niet meer effectief te repareren is, gaat gewoonlijk over in een rustende toestand of tot apoptose (geprogrammeerde celdood). In afbeelding 3 is dit in een schema weergegeven. Afbeelding 3 3 Uitgeverij Malmberg
Endogene mutagene invloeden zijn niet alleen replicatiefouten tijdens de celcyclus, maar ook allerlei celprocessen die mutaties kunnen veroorzaken. Exogene mutagene factoren zijn onder andere allerlei stoffen in voeding en milieu die DNA-schade kunnen veroorzaken. 7 Geef een ander voorbeeld van een exogene mutagene factor. 8 Leg een verband tussen DNA-schade en veroudering. Je kunt daarbij afbeelding 3 gebruiken. In het schema (zie afbeelding 3) staat een vraagteken bij een van de mogelijke reacties van een disfunctionele cel op de DNA-schade. 9 Welke voor het lichaam schadelijke reactie wordt hier bedoeld? Bron: examen vwo 2013-1. RNA-interferentie in rijst voor nierpatiënt Bepaalde nierpatiënten hebben belang bij voedingsmiddelen met een laag eiwitgehalte en een hoge energetische waarde. Sinds de jaren zeventig van de vorige eeuw wordt voor deze doelgroep een rijstmutant verbouwd met een verlaagd eiwitgehalte. Japanse onderzoekers hebben ontdekt dat de betreffende mutatie het gevolg is van RNA-interferentie. RNA-interferentie (RNAi) is een manier om de expressie van genen te regelen. Het RNAi-proces verloopt in een aantal stappen (zie afbeelding 4). 1 Het remmen van genexpressie wordt geactiveerd door dubbelstrengs RNA (dsrna), dat op verschillende manieren in het cytoplasma terecht kan komen. 2 Het lange dsrna-molecuul wordt door het enzym 'dicer' in korte stukjes dubbelstrengs RNA geknipt, die sirna (small interfering RNA) worden genoemd. 3 De sirna s worden vervolgens opgenomen in het eiwitcomplex RISC (RNA-induced silencing complex) in het cytoplasma. Daar wordt de 'sense'-streng verwijderd, terwijl de 'anti-sense'- streng aan RISC gebonden blijft. 4 Deze 'anti-sense'-streng is complementair aan een bepaald stukje rijp mrna, waardoor dit in het RISC-complex specifiek gebonden wordt. Het mrna wordt er in onbruikbare stukjes geknipt. Gevolg is dat het gen waarvan het mrna afkomstig is, tijdelijk niet tot expressie komt. Afbeelding 4 4 Uitgeverij Malmberg
In een rijstkorrel bestaat ongeveer 60% van de totale hoeveelheid eiwit uit gluteline. De onderzoeksgroep van dr. Kusaba onderzocht rijstplanten met een laag glutelinegehalte (low glutelin content) als gevolg van de Lgc1-mutatie. Bij deze planten is een deletie van 3,5 kb ontstaan tussen twee verschillende glutelinegenen, die een basenvolgorde omgekeerd complementair ten opzichte van elkaar hebben. Door de deletie ontbreekt het eindsignaal van de transcriptie en wordt van het ene gutelinegen doorgelezen naar het andere. Doordat vervolgens de complementaire delen aan elkaar hechten, kan een 'hairpin' (haarspeld) dsrna-molecuul gevormd worden (zie afbeelding 5). Door het ontstaan van sirna van deze hairpin worden alle glutelinegenen geremd. Afbeelding 5 De basenvolgorde van een stukje coderend DNA met twee 'genen', waarbij net als bij de Lgc1- mutatie een hairpin dsrna kan ontstaan, ziet er als volgt uit: 5 TTTGTGCCACGAATGATTTACCGTGGCACTCCT 3 10 Uit hoeveel basenparen bestaat het deel van dit stukje DNA dat de hairpinvorm van het RNA kan veroorzaken? A 5 B 6 C 8 D 9 E 11 Het Lgc1-mutantallel is onvolledig dominant over een intact gluteline-allel. In de rijstkorrels van een voor dit gen heterozygote rijstplant wordt namelijk nog een kleine hoeveelheid gluteline aangetroffen. 11 Leg uit waardoor het Lgc1-mutantallel niet volledig dominant is. Naar: examen vwo 2013-2. 5 Uitgeverij Malmberg
Antwoorden en uitleg Hongerwinterkinderen 1 Het gen is in de eicel gemethyleerd. Dit betekent dat het methyleren bij vrouwen voor de meiose plaatsvindt. Voor de mitose speelt dit geen rol. Het juiste antwoord is dus: C (2 punten). 2 Door de expressie van één IGF2-allel wordt de groei van de foetus bevorderd (1 punt). Door uitschakeling van het andere IGF2-allel onttrekt de foetus niet te veel voeding aan de moeder en is de baby niet te groot bij de bevalling (1 punt). Supermuis 3 Het gaat om het enzym reverse transcriptase. DNA-polymerase is betrokken bij de DNAreplicatie en RNA-polymerase bij de transcriptie. Restrictie-endonuclease knipt DNA open. Het juiste antwoord is dus: C (2 punten). THEMA 2 BASISSTOF 8 4 Het gaat hier om exons. De eigenschappen van de muizen veranderen door de aanmaak van een nieuw eiwit, namelijk het enzym PEPCK. Introns zijn niet-coderende stukjes DNA. Het juiste antwoord is dus: B (2 punten). THEMA 2 BASISSTOF 4 5 Het enzym PEPCK is een eiwit dat in het spijsverteringskanaal wordt afgebroken (1 punt). THEMA 2 BASISSTOF 5 6 Enzymen of eiwitten worden door (spier)cellen niet uit het bloed opgenomen. Deze stoffen worden naar behoefte in cellen gevormd (1 punt). THEMA 2 BASISSTOF 5 6 Uitgeverij Malmberg
DNA-schade maakt oud 7 Voorbeelden van andere exogene mutagene factoren zijn: radioactiviteit, röntgenstraling, uv-licht, virussen ( 1 punt). THEMA 2 BASISSTOF 7 8 Hoe ouder je wordt, des te meer cellen er zijn met DNA-schade die onvoldoende wordt hersteld (1 punt). Weefsels/organen gaan door de beschadiging steeds slechter functioneren (en dus ontstaan steeds meer ouderdomsgebreken) (1 punt). THEMA 2 BASISSTOF 7 9 De cel verandert in een tumorcel en kan ongeremd gaan delen (1 punt). THEMA 2 BASISSTOF 7 RNA-interferentie in rijst voor nierpatiënt 10 De coderende streng levert via de template de volgende RNA-streng op, waarbij de posities 3 en 10 zijn aangegeven: UUUGUGCCACGAAUGAUUUACCGUGGCACUCCU 3 10 De hairpin kan worden gevormd door het omklappen van het (cursieve) stuk CGUGGCAC, vanaf positie 3 tot en met positie 10. Het gaat hier om acht basenparen. Het juiste antwoord is dus: C (2 punten). 11 Door de Lgc1-mutatie treedt RNA-interferentie op, waarbij het gluteline-mrna wordt afgebroken en de genexpressie van het glutelinegen wordt geremd (1 punt). Niet al het mrna zal aan het (anti-sense)-sirna binden en door het RISC onbruikbaar worden gemaakt, waardoor er toch nog wat gluteline ontstaat (1 punt). 7 Uitgeverij Malmberg