DNA (biologie)

Structuur van het DNA, het molecuul dat de basis vormt van erfelijkheid. DNA heeft de vorm van een dubbele helix. Rechts zijn twee basenparen uitvergroot.

Desoxyribonucleïnezuur, beter bekend als DNA, is het biologische macromolecuul dat in alle levende cellen de basis vormt van erfelijkheid. DNA is een zeer lang polymeer, en bevat de genetische instructies voor de ontwikkeling, het functioneren, de groei en de voortplanting van alle bekende organismen en vele virussen.

DNA heeft een ingewikkelde chemische structuur. Het is opgebouwd uit twee ketens van nucleotiden, die in de vorm van een dubbele helix met elkaar vervlochten zijn. Een nucleotide bestaat uit een van de vier stikstofbasen (adenine, guanine, thymine of cytosine), een suikergroep genaamd desoxyribose, en een fosfaatgroep. De desoxyribose en de fosfaatgroep verbinden de nucleotiden in een keten aan elkaar en vormen de 'ruggengraat' van het DNA. De basen liggen tegenover elkaar, waarbij A altijd paart met T en G altijd met C.

De volgorde van de basen in het DNA vormt een code die het organisme informatie geeft hoe het eiwitten kan maken. Eiwitten bepalen op hun beurt alle verrichtingen en de structuur van de cel. Een stuk DNA dat voor een bepaalde eigenschap codeert, vormt een gen. De expressie van een gen, die via transcriptie en translatie verloopt, wordt zeer precies gereguleerd.

In de cellen van dieren, planten en andere eukaryoten is het DNA opgedeeld in een aantal losse strengen, de chromosomen. In een chromosoom is het DNA in hoge mate opgevouwen en opgerold rond eiwitten. Voorafgaand aan iedere celdeling zullen de chromosomen in hun geheel gekopieerd worden, een proces genaamd DNA-replicatie, en vervolgens verdeeld worden over iedere dochtercel. Bij eukaryoten ligt het DNA opgeslagen in de celkern, terwijl het bij bacteriën en archaea los in het cytoplasma voorkomt, vaak als een circulair chromosoom.

Biochemie

Structuur

Ruimtelijk model van het DNA. De basenparen liggen horizontaal tussen de twee spiraliserende ketens.

DNA bestaat in levende organismen uit twee lange, polymere ketens van vier verschillende bouwstenen, de nucleotiden. Nucleotiden zijn opgebouwd uit drie delen: een suikerverbinding, een fosfaatgroep en een stikstof-bevattende base. In het geval van DNA-nucleotiden is de suikergroep een desoxyribose (vandaar de naam des­oxy­ri­bo­nu­cleïne­zuur). De stikstofbase is ofwel een adenine (A), een thymine (T), guanine (G) of een cytosine (C). De nucleotiden zijn covalent met elkaar verbonden in de keten via de suiker- en fosfaatgroepen. Deze vormen als het ware de 'ruggengraat' van het DNA.

In een normale situatie liggen de twee ketens van het DNA-molecuul tegenover elkaar, waarbij de basen van de ene keten zich door middel van waterstofbruggen hechten aan die van de andere keten. Daarbij ligt A telkens tegenover een T en C tegenover G. De twee ketens liggen gedraaid om elkaar (in de vorm van een dubbele helix), waarbij de basenparen de twee ketens verbinden als de treden van een wenteltrap. De ontdekking van de helixstructuur van DNA was een mijlpaal in de wetenschap en betekende een enorme stimulans voor de ontwikkeling van de moleculaire biologie.

In het DNA draaien de twee nucleotideketens rond een gemeenschappelijke as. Eén volledige winding bestrijkt ongeveer tien nucleotiden en heeft een lengte van 34 ångström (3,4 nanometer). De helix zelf heeft een breedte van 20 ångström. De stikstofbasen wijzen in de helix naar binnen; de fosfaatribose-ruggengraat vormt de buitenzijde van de helix en staat in contact met het waterige milieu. Omdat DNA in levende cellen uit twee strengen bestaat, wordt het dubbelstrengs genoemd.

Polariteit

Chemische opbouw van een stukje DNA, waarin vier basenparen zijn weergegeven. Merk op dat de twee strengen een 3'-eind en een 5'-eind hebben.

De manier waarop nucleotiden aaneengeschakeld zijn, geeft de DNA-keten een bepaalde chemische polariteit (richting). Binnen een DNA-streng zitten alle nucleotiden in dezelfde oriëntatie aan elkaar gekoppeld. Als men de koolstofatomen van de suikergroep telt, valt op dat de hydroxylgroep altijd aan het derde koolstofatoom vastzit, en de fosfaatgroep aan het vijfde koolstofatoom. De gehele DNA-streng krijgt zodoende twee verschillende uiteinden: een zogenaamd 3'-eind en een 5'-eind. Genetici gebruiken om deze aanduidingen om de leesrichting van een DNA-sequentie op een consistente manier aan te geven.

Om basenparing mogelijk te maken, moeten de twee nucleotideketens in omgekeerde richting tegenover elkaar liggen. Met andere woorden, de polariteit van de ene streng is tegengesteld aan die van de andere streng. Men zegt wel dat de strengen antiparallel tegenover elkaar liggen. In genetisch onderzoek, waarbij men vaak geïnteresseerd is in de coderende stukken in het DNA, zijn de termen sense en antisense nuttig. Een stuk DNA wordt sense genoemd als de nucleotidevolgorde hetzelfde is al die van het mRNA (en dus codeert voor eiwitten). De andere streng, die niet codeert, wordt antisense genoemd.

Basenparen

In het dubbelstrengse DNA ligt de stikstofbase adenine altijd tegenover thymine, en guanine altijd tegenover cytosine. Dit principe wordt complementaire basenparing genoemd. In beide gevallen ligt een grotere tweeringige base (een purine) tegenover een kleinere éénringige base (een pyrimidine). Dit is de meest energiegunstige conformatie waarop de basen een interactie met elkaar kunnen aangaan binnen de helix. De basenparen A–T en G–C hebben bovendien een vergelijkbare breedte, waardoor de suiker-fosfaatruggengraat van beide partnerstrengen op constante afstand worden gehouden en dus op een vloeiende wijze om elkaar heen wentelen.

• 
  Adenine en thymine worden bij elkaar gehouden door twee waterstofbruggen
• 
  Guanine en cytosine hebben er drie, waardoor de interactie stabieler is

Complementaire basenparing is een fundamentele eigenschap van het genetisch materiaal. Het verklaart namelijk het principe waarmee de genetische informatie gekopieerd en doorgegeven kan worden aan het nageslacht. Omdat de volgorde van nucleotiden van de ene streng exact complementair is aan die van de andere streng, is het mogelijk dat elke streng kan fungeren als een matrijs (template) voor de synthese van een nieuwe complementaire streng. Tijdens de replicatie – het proces waarbij DNA gekopieerd wordt – gaan de twee strengen uit elkaar, en dient elke streng als een 'sjabloon' voor de polymerisatie van een nieuwe complementaire streng die identiek is aan de vorige partnerstreng. Op deze manier wordt genetische informatie gericht in stand gehouden.

Groeven

In de smalle groeve bindt de Hoechst-kleurstof, een stof die DNA zichtbaar maakt

Over het oppervlak van de dubbelstrengse DNA-helix lopen inkepingen, de zogenaamde groeven. Omdat de twee nucleotideketens niet precies symmetrisch om elkaar heen draaien, is de ene groeve wat ruimer dan de andere. Men maakt onderscheid tussen een brede groeve (major groove) en een smalle groeve (minor groove). De brede groeve is 12 ångström breed, en de smalle groeve 6 ångström.

In de groeven kunnen DNA-bindende eiwitten, zoals transcriptiefactoren of endonucleases, contact maken met de stikstofbasen. Eiwitten die als taak hebben om bepaalde nucleotidesequenties te herkennen, kunnen via een groeve aan het DNA vasthechten. Aan de randen van de groeve bevinden zich namelijk patronen van waterstofbrug-vormende groepen die specifiek zijn voor bepaalde sequenties. Op deze manier kan de sequentie-informatie van het DNA door eiwitten herkend en afgelezen worden zonder de helix te openen.

Lengte en hoeveelheid

DNA-moleculen zijn extreem lang in vergelijking met hun diameter. Onder de elektronenmicroscoop zien ze er dan ook uit als langgerekte draden. Zelfs kleine DNA-moleculen van virussen, zoals die van bacteriofaag λ, zijn relatief lang. Er zijn verschillende manieren om de lengte van DNA-moleculen uit te drukken. De meest gebruikte lengtemaat is in het aantal basen waaruit de DNA-keten bestaat. In de praktijk zijn DNA-moleculen kilobasen (kb) tot vele megabasen (Mb) lang. Zo is het chromosoom van de laboratoriumbacterie E. coli ongeveer 6400 kb of 6.4 Mb groot. Het DNA van de mens, en veel andere primaten, heeft een lengte van ongeveer 3,0 Gigabasen (Gb).

Een andere manier om de lengte van DNA aan te geven is de fysieke lengte van de dubbelstrengse helix. Wanneer het DNA van een diploïde menselijke cel volledig uitgerold zou worden, zou het theoretisch een lengte hebben van ruim twee meter. Het is dus noodzakelijk dat de ruimtelijke structuur van DNA zeer compact is. In cellen van eukaryoten is het DNA dan ook in vergaande mate gespiraliseerd en opgerold rond eiwitten. Bij mensen is er per cel in totaal ongeveer 6,0 picogram DNA aanwezig.

Alternatieve DNA-structuren

Meer informatie: Nucleïnezuurstructuur

Het ruimtelijk model dat in 1953 door Watson en Crick werd opgesteld, is in feite een gemiddelde structuur van het DNA, hetgeen tegenwoordig B-DNA wordt genoemd. Structuurbiologisch onderzoek aan zuivere DNA-kristallen heeft aangetoond dat er belangrijke lokale variaties op deze gemiddelde structuur kunnen optreden, waarbij de basen kunnen draaien en de groeven dieper of ondieper kunnen zijn. Twee belangrijke variante structuren zijn A-DNA en Z-DNA. Deze treden bijvoorbeeld op bij het loswikkelen van de DNA-helix tijdens transcriptie. De biologische rol van de verschillende structuurvariaties is nog grotendeels onduidelijk, maar er zijn aanwijzingen dat ze een rol spelen in genregulatie, totstandkoming van mutaties en genoomevolutie.

Een quadruplexstructuur in DNA komt voor bij telomeren

Een andere structurele eigenschap die inherent is aan de helixstructuur van DNA is een fenomeen genaamd supercoiling. DNA-supercoiling vindt plaats wanneer er mechanische spanningen optreden als het DNA lokaal ontrold wordt. Zulke spanningen zijn het gevolg van vervormingen in het DNA – die onvermijdelijk plaatsvinden tijdens transcriptie en replicatie – en doen zich vooral voor wanneer de bewegingsvrijheid van het DNA klein is (bijvoorbeeld bij een DNA-ring zoals het chromosoom van bacteriën, of bij de hechte windingen rond histonen). Een groep van enzymen genaamd topo-isomerases kunnen de windingsspanningen opheffen door snel de fosfodi-esterbindingen in de nucleotideketens te verbreken en vernieuwen.

Aan de uiteinden van chromosomen bevinden zich niet-coderende stukken DNA die telomeren worden genoemd. Ze beschermen het DNA tegen afbraak en schade die vaak plaatsvindt aan de uiteinden van het een DNA-molecuul. Telomeren bestaan uit repetitieve sequenties die rijk zijn aan guanine. Guaninerijk DNA kan een bijzondere secundaire structuur vormen, de zogenaamde G-quadruplex. Een G-quadruplex is samengesteld uit vier guaninebasen die in het platte vlak gerangschikt zijn, en bij elkaar gehouden door waterstofbruggen. De structuur wordt gestabiliseerd door positieve tegenionen zoals kalium. DNA-vouwingstructuren als de G-quadruplex kunnen de genoominstabiliteit beïnvloeden, waardoor ze onder meer in de belangstelling zijn gekomen als target voor antikankermedicijnen.

Chromatine

Chromatine is het complex van DNA en eiwitten, die samen de chromosomen vormen. De eiwitten in het chromatine hebben diverse functies: ze helpen het DNA te verpakken in zeer compacte structuren, ze spelen een belangrijke rol bij het regelen van de genexpressie, en ze maken het DNA extra sterk wanneer er tijdens de mitose en de meiose veel spanning op het DNA komt te staan.

Cellen moeten grote hoeveelheden DNA in een klein volume opslaan. Menselijke cellen, bijvoorbeeld, bezitten DNA met een totale lengte van ongeveer 2 meter, dat opgeslagen moet worden in een celkern, die een diameter heeft van 11 tot 22 micrometer. Op verschillende niveaus wordt daartoe het DNA op compacte wijze verpakt.

De dubbele helix (1) wordt in het beads-on-a-string model (2) voorgesteld als een draad die zich in het nucleosoom rond de histonen wikkelt (3).

Dat gebeurt in de eerste plaats door de vorming van nucleosomen, die ontstaan wanneer een dubbele helix zich om een aantal histoneiwitten wikkelt. De nucleosomen vormen een soort ketting met kralen, wat in het Engels het beads-on-a-string model wordt genoemd. In ieder nucleosoom is de dubbele helix tweemaal om acht histonen gewikkeld. Tussen de nucleosomen bevindt zich een afstandhouder van koppelings-DNA, een deel van het DNA dat niet gebonden is aan de nucleosomen. De zo gevormde keten van nucleosomen heeft een doorsnede van ongeveer 10 nm (nanometer). Deze keten wordt op nog niet goed begrepen wijze verder verpakt tot een vezel met diameter 30 nm.

Het nucleosoom. Groen: de kern van het nucleosoom met 8 histonen. Rood: het DNA. Grijs: histon H1

Een nucleosoom bestaat uit een eiwitcomplex van acht histonen en het eromheen gewikkelde DNA. Histonen maken het grootste deel uit van het chromatine. Er zijn vijf soorten histonen, met de namen H1, H2A, H2B, H3 en H4. De histonen H2A, H2B, H3 en H4 komen elk tweemaal voor in een nucleosoom. Deze histonen spelen een belangrijke rol in het regelen van de genexpressie. Acetylering van histonen kan leiden tot activatie van de transcriptie van genen, methylering heeft het tegenovergestelde effect.

Histon H1 maakt geen onderdeel uit van het nucleosoom, het houdt het DNA op z'n plaats en speelt een rol in de vorming van de 30nm-vezel.

De 30 nm-vezel wordt gevormd door een compacte opeenpakking van de nucleosomen in de vorm van een helix waarvan de precieze structuur nog niet bekend is. Ook de 30 nm-vezel wordt weer op compacte wijze gevouwen, waardoor het chromosoom gevormd wordt.

Degradatie van DNA

Nucleïnezuren worden ook in de cel gesplitst of afgebroken. Dit gebeurt met behulp van een enzym, een nuclease. Nucleasen zijn een groep van enzymen, die nucleïnezuren gedeeltelijk of helemaal afbreken. De nucleasen katalyseren de hydrolyse van de chemische binding fosfodi-esterbinding zonder uiteindelijk deel te nemen aan de reactie. Daarom behoren de nucleasen tot de groep katalysatoren.

Functies

Drager van erfelijke informatie

Schematische weergave van een gen op een chromosoom

DNA is de drager van erfelijke informatie, opgeslagen in de afzonderlijke genen, die bestaan uit gedeelten van het DNA. Eén gen bevat over het algemeen de instructies voor het synthetiseren van één bepaald eiwit. De eiwitten zijn uiteindelijk bepalend voor de biochemische activiteiten van de cel.

Het aantal genen kan per organisme verschillen. Planten hebben de meeste genen, rond de 50 duizend. De mens en zoogdieren als de muis en de rat hebben ongeveer 25 duizend genen, insecten en wormen tussen de 10 duizend en 20 duizend genen. Alle genen van een organisme worden samen het genoom genoemd.

Bij de celdeling (mitose) wordt het DNA in de oorspronkelijke cel gekopieerd, en elke dochtercel krijgt een kopie van het totale genoom. Bij meiose, een vorm van celdeling waarbij de geslachtscellen (gameten) ontstaan, krijgt elke dochtercel slechts de helft van het DNA in de moedercel. Doordat geslachtscellen wanneer ze versmelten ook hun DNA samenvoegen, heeft het nieuwe organisme dat hieruit ontstaat, weer de normale hoeveelheid DNA. De eigenschappen van het nieuwe organisme zijn op deze wijze van beide ouders afkomstig.

De structuur van DNA

Transcriptie van DNA naar RNA

Het DNA bepaalt de gang van zaken in de cel door het coderen van eiwitten. Dit gaat niet direct, maar met behulp van boodschapper (messenger) RNA ofwel mRNA, dat erg op DNA lijkt. mRNA, dat opgebouwd is uit vrijwel dezelfde bouwstenen (nucleotiden) als DNA, wordt overgeschreven van het DNA (transcriptie). RNA verschilt van DNA doordat het thymine vervangen is door uracil en in plaats van 2-desoxyribose ribose als suiker gebruikt wordt.

Bij de transcriptie bij prokaryoten spelen operons een belangrijke rol. Een operon bestaat uit op het DNA bij elkaar liggende genen die bij elkaar horen voor het tegelijk uitvoeren van één transcriptie van meerdere enzymen voor één celproces. Een voorbeeld is het lac-operon voor de productie van het lactoseverterend enzym (β-galactosidase).

Na de transcriptie verlaten deze mRNA-moleculen de celkern en verplaatsen zich naar andere delen van de cel (het celplasma of naar het endoplasmatisch reticulum). Daar worden de RNA-moleculen vertaald in aminozuren (translatie), die in een lange keten een eiwit vormen. Eiwitten zijn dus ketens van aminozuren, waarvan er in de natuur een twintigtal zijn. Ieder aminozuur in de keten wordt gespecificeerd door een bepaalde volgorde van drie basen (een zogenaamd codon) op een DNA/RNA-streng.

Omdat op elke positie steeds vier nucleotiden mogelijk zijn, kunnen er 4 × 4 × 4 = 64 combinaties gevormd worden met drie basenparen. Dat zijn er meer dan de voor de aminozuren benodigde 20, dus is de code ontaard: er zijn aminozuren die door meer dan 1 code worden aangeduid. Dit aflezen van de basenvolgorde naar aminozuren wordt gedaan door de ribosomen (grote complexen van RNA en eiwitten). De keten van aminozuren vormt zich op basis van verschillende ladingen en krachten (onder andere H-bruggen, S-bruggen) in die keten tot een eiwit. Vaak wordt een streng meerdere malen afgelezen door een serie van ribosomen, waardoor er in een geringe tijd veel eiwit gemaakt kan worden.

DNA-schade

Zie DNA-schade voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Schade aan het DNA heeft geleid tot diverse breuken in de chromosomen

DNA-schade kan ontstaan ten gevolge van normale biologische processen zoals het metabolisme, maar ook door omgevingsfactoren zoals UV-straling. Naar schatting treden er op moleculair niveau in iedere cel per dag duizenden beschadigingen op aan het DNA. Bij de mens kan dit aantal oplopen tot zo'n 1 miljoen beschadigingen per cel per dag. Veel van deze beschadigingen kunnen zorgen voor schade aan de structuur van het DNA-molecuul. Daardoor kan de transcriptie van een gen beïnvloed worden. Andere beschadigingen leiden tot potentieel gevaarlijke mutaties. Daarom zijn er constant DNA-herstelmechanismen in werking, zodat zo veel mogelijk schade gerepareerd kan worden.

Het grootste deel van de schade aan het DNA betreft de primaire structuur van de dubbele helix. Dat wil zeggen dat er chemische veranderingen optreden aan de basen in het DNA. Ook de dubbele-helixstructuur zelf kan hierdoor aangetast worden, en uiteindelijk ook de structuur van het chromosoom.

DNA-schade kan ook weer ongedaan gemaakt worden door de informatie van de complementaire streng te gebruiken, of door gebruik te maken van de informatie op de zusterchromatide.

Sense en antisense

Als gevolg van het feit dat de beide strengen in tegengestelde richting aan elkaar zitten, en dat de enzymen voor het aflezen van een stuk DNA voorkeur hebben voor een bepaalde richting wordt slechts één streng goed afgelezen voor een bepaald gen. De andere streng kan alleen achterstevoren afgelezen worden, en doordat de nodige sequenties voor transcriptie niet aanwezig zijn op die andere streng zal er geen transcriptie optreden. Moleculair biologen noemen een stuk DNA dat afgelezen wordt of afleesbaar is een antisense en het tegenovergestelde, dus niet afleesbaar, sense (letterlijk vertaald staat sense voor betekenis). Hieruit volgt wat paradoxaal dat de sjabloon (template) voor transcriptie een antisense-streng heeft, hetgeen resulteert in het aflezen van de antisense-DNA-streng en in een sense-RNA-streng.

Onderscheid tussen sense en antisense strengen

Een klein deel van de genen in prokaryoten en een groter gedeelte in plasmiden en virussen maakt het bovenstaande verschil in sense en antisense er niet duidelijker op. Sommige stukken van hun genoom-DNA doen dubbel dienst doordat een eiwit gedecodeerd wordt bij het aflezen van de ene streng van 5' naar 3' en tegelijkertijd een tweede eiwit wordt afgelezen op de andere streng echter ook van 5' naar 3'. Hierdoor kunnen hun genomen in vergelijking met het aantal genen dat ze bevatten zeer compact zijn. Dit bevestigt dat er geen biologisch verschil is tussen de twee strengen, hetgeen nog wordt versterkt doordat elke streng van een dubbele DNA-helix in verschillende gebieden optreedt als sense en antisense.

Enkelstrengs DNA

De meeste virussen hebben geen DNA maar RNA. Er zijn echter ook virussen die wel DNA hebben en bij sommige van deze virussen bestaat het DNA niet uit twee maar uit één streng.

Aanpassing van DNA

DNA kan kunstmatig aangepast worden, maar ook natuurlijk.

Kunstmatige aanpassing van DNA

Tegenwoordig kan DNA kunstmatig aangepast worden door het te extraheren uit een cel en het op te kweken via PCR. Men kan dan proberen het DNA weer in te brengen. Dit wordt onder andere toegepast bij bacteriën en planten.

DNA kan ook in levende wezens aangepast worden door middel van gentherapie.

Natuurlijke aanpassing van DNA

DNA wordt ook constant door de natuur aangepast, bijvoorbeeld door recombinatie/crossing-over. Een andere mogelijkheid waardoor het DNA aangepast kan worden is door mutatie, wat ook constant gebeurt in de natuur.

Individuele verschillen in het DNA

DNA-monster van het wangslijmvlies, genomen van met behulp van een wattenstaafje

Hoewel individuen die tot één soort behoren in het algemeen hetzelfde aantal chromosomen hebben (er zijn uitzonderingen, zoals bij veldbeemdgras) en ook een zeer grote overeenkomst vertonen in hun exacte DNA-volgorde, zijn er tussen individuen van een soort naast de geslachtsverschillen ook altijd enige verschillen aantoonbaar, met name in bepaalde regionen van het chromosoom. Naast polymorfismen (de aan- of afwezigheid van bepaalde kenmerkende stukjes DNA) zijn er variabele regio's (microsatellieten) met lengtevariaties in repeterend DNA, ook wel junk-DNA genoemd, wat het een handig hulpmiddel maakt bij het identificeren van sporen (bijvoorbeeld bloed, sperma, haren) achtergelaten op delictplaatsen. Als men een verdachte heeft, kan men na onderzoek van het spoor en van het DNA van de verdachte nagenoeg met zekerheid zeggen of het spoor van de verdachte afkomstig was of niet.

Ook bij het bepalen van afstamming en bloedverwantschap kunnen deze variabele regio's van het DNA een grote rol spelen. De genetische vingerafdruk, een door mensen gemaakte analyse van de variabele regio's in het DNA, is voor ieder mens uniek mits er voldoende genetische merkers worden gebruikt. Klonen zijn met behulp van de DNA-techniek niet van elkaar te onderscheiden, voor eeneiige tweelingen is een speciale test ontwikkeld om zo ook uitsluitsel te geven.

Bij DNA-onderzoek wordt gewerkt met 11 variabele plekken op een genoom, 1 plek om te bepalen of het DNA-profiel van een man of een vrouw is en de overige 10 om het profiel te maken. Stel dat van elk van deze 10 plekken in het genoom er gemiddeld 10 varianten zijn in een populatie, dan is de kans om twee keer een willekeurig profiel aan te treffen 1 op 10 miljard. De kans dat twee willekeurige individuen hetzelfde DNA-profiel hebben, is daarmee dus verwaarloosbaar klein.

Geografische herkomst

Voor het bepalen van geografische herkomst zijn verschillende methoden beschikbaar, die deels nog in ontwikkeling zijn. De eerste methode kijkt alleen naar het DNA van het Y-chromosoom (het mannelijk geslachtschromosoom). De tweede methode is gebaseerd op het mitochondriaal DNA. De derde en meest recente methode gaat uit van het autosomale DNA. Hierbij kijkt men naar eigenschappen van alle 22 niet geslachtsgebonden chromosomen. Daarbij wordt vooral gelet op specifieke eigenschappen van baseparen, zogenaamde SNP's (single nucleotide polymorphisms). Via deze methode heeft men DNA-verschillen van bewoners van Europese landen in kaart kunnen brengen. Zo heeft de populatiegeneticus Spencer Wells in zijn Genographic Project DNA van volken over de hele wereld verzameld. Dit project is een initiatief van computerbedrijf IBM en de National Geographic Society. Hieraan kan een ieder deelnemen door zijn DNA met een wattenstaafje uit de wang te schrapen en naar het project op te sturen. Met deze methode probeert men menselijke migratiepatronen te reconstrueren op basis van het DNA van mensen die nu leven.

DNA-databank

Er zijn twee soorten DNA-databanken:

• Een bank waarin alle bekende sequenties (volgordes van basen in DNA) worden opgeslagen met de daarbij eventueel bekende functie. Hierdoor kunnen onderzoekers een door hen onderzocht stukje DNA vergelijken met alle reeds bekende sequenties.
• Databanken waarin DNA-profielen zijn opgeborgen om daders van misdrijven te kunnen identificeren, waaronder de DNA-databank voor strafzaken in Nederland.

DNA in de taxonomie

DNA wordt tegenwoordig veel gebruikt in de systematiek. Het gaat dan in de eerste plaats om chloroplast-DNA bij planten en mitochondriaal DNA bij dieren. Volgens de endosymbiontentheorie is dit in beide gevallen afkomstig van prokaryoot DNA. Een praktische consequentie van deze nieuwe aanpak is het APG III-systeem (2009). Op grond van DNA-sequenties komt men vaak tot andere taxonomische indelingen dan op grond van uiterlijke kenmerken.

Maatschappelijke consequenties van DNA-onderzoek

Het DNA-onderzoek heeft maatschappelijke consequenties, zowel op medisch vlak als op juridisch gebied.

Bij het forensisch onderzoek vormt het DNA-onderzoek een aanvulling op de vingerafdruk. DNA wordt onder andere aangetroffen in bloedsporen en in sperma. Met DNA is het ook mogelijk verwantschap en de etniciteit van de dader vast te stellen, wat met vingerafdrukken niet kan.

Soms wordt aan een groot aantal mensen gevraagd vrijwillig DNA af te staan om te helpen bij het vinden van de dader van een misdrijf. Ook als de dader zelf geen DNA heeft afgestaan, kan men vaststellen of de dader nauw verwant is met iemand die wel DNA heeft afgestaan.

Op die manier kunnen tegenwoordig cold cases alsnog worden opgelost en kunnen rechterlijke dwalingen ontdekt worden, waarbij onschuldigen werden veroordeeld.

Het aantreffen van DNA-materiaal levert niet zonder meer het bewijs van daderschap van degene van wie het DNA is aangetroffen, maar kan een duidelijke indicatie zijn.

Het gaat hier niet alleen om menselijk DNA. Als aan de kleding van een verdachte een boomblad is blijven hangen, dan kan wellicht worden vastgesteld dat dat blad afkomstig is van een boom die staat op de plek waar het delict is gepleegd, en dat is dan een indicatie dat de verdachte daar geweest is.

Doordat DNA-onderzoek steeds goedkoper wordt is het voor meer mensen mogelijk om verwantschappen vast te stellen, in het bijzonder door het vaststellen van vaderschap.

Synthetisch DNA

Synthetisch DNA (SDNA) wordt toegepast in DNA-spray dat gebruikt wordt om voorwerpen te merken of om bij een misdrijf de dader te besproeien en daardoor herkenbaar te maken. Zo wordt bijvoorbeeld koper gemerkt om het na koperdiefstal, zelfs na omsmelten, nog te kunnen herkennen.

Dit DNA wordt in een laboratorium gemaakt uit precies dezelfde bouwstenen A, T, G en C die ook in natuurlijk DNA voorkomen (zie boven). Een fragment synthetisch DNA bestaat uit tientallen baseparen in een bepaalde combinatie.

Geschiedenis

DNA werd in 1869 ontdekt door de Zwitserse biochemicus Johann Friedrich Miescher (1844-1895). Hij wist de stof te zuiveren uit leukocyten (witte bloedcellen), die hij verkreeg uit pus, afkomstig van ziekenhuisafval. De chemische structuur van DNA bleef nog lange tijd onbekend. In 1909 had Phoebus Levene de theorie opgesteld dat DNA uit vier nucleotiden bestond, en in 1919 publiceerde hij een hypothese voor de wijze waarop de nucleotiden onderling verbonden zijn in een nucleïnezuur.

De natuurkundige Erwin Schrödinger publiceerde in 1944 een invloedrijk boek met de titel Was ist Leben? (Wat is leven?). In dit boek beredeneerde hij dat het erfelijke materiaal moest bestaan uit een aperiodiek kristal: een vaste stof met een regelmatige maar variabele structuur, die de code zou bevatten voor de ontwikkeling van organismen.

Dat het DNA de drager van erfelijke eigenschappen is, werd duidelijk in 1952 door onderzoek van Alfred Hershey en Martha Chase. Zij toonden aan dat een virus, dat bestaat uit DNA (of het verwante RNA) en een eiwitmantel, alleen door middel van DNA een cel kon besmetten. Virussen worden niet gerekend tot de levende organismen. Een virus wordt vermenigvuldigd in een cel.

In 1951 stelde de scheikundige Linus Pauling een model op voor de structuur van DNA. Dit model ging ervan uit dat DNA de structuur had van een helix, maar bevatte op andere punten belangrijke onjuistheden.

In 1952 publiceerde de biochemicus Erwin Chargaff een belangrijke stelregel over de samenstelling van het DNA: dubbelstrengs DNA bevat evenveel adenine als thymine en evenveel cytosine als guanine. Deze regel werd een jaar later verklaard door het concept dat de dubbele helix is opgebouwd uit baseparen van enerzijds adenine en thymine, en anderzijds cytosine en guanine.

• 
  Friedrich Miescher
• 
  Erwin Schrödinger
• 
  Linus Carl Pauling
• 
  Francis Crick
• 
  James Dewey Watson
• 
  Rosalind Elsie Franklin
• 
  Maurice Wilkins
• 
  Frederick Sanger

De correcte chemische structuur van DNA is in 1953 bepaald door het onderzoek van James D. Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins en Rosalind Franklin. Franklin deed onderzoek naar de structuur van DNA met behulp van de röntgendiffractietechniek. Een van haar opnamen kwam zonder haar medeweten via Wilkins onder ogen van Watson en Crick. De gegevens van Franklin hielpen Watson en Crick om de structuur van de dubbele helix te bepalen. Wilkins hielp Watson en Crick bij de verificatie van hun model. Watson en Crick publiceerden het artikel over de structuur van het DNA in het tijdschrift Nature op 25 april 1953. In hetzelfde nummer verschenen publicaties van Franklin en Wilkins over de structuur van het DNA. Een maand later publiceerden Watson en Crick op basis van deze structuur een model voor het mechanisme van de replicatie van DNA. Watson, Crick en Wilkins kregen hiervoor in 1962 een Nobelprijs. Franklin was toen al overleden aan kanker.

Francis Crick stelde in 1958 het centrale dogma van de moleculaire biologie op. Dit centrale dogma stelt dat informatie uit genen wél vertaald kan worden naar eiwitten, maar informatie van eiwitten nooit vertaald kan worden naar genen. Het vormde het kader voor de processen van transcriptie en translatie.

In 1975 publiceerde Frederick Sanger een methode voor het bepalen van de volgorde van nucleotiden in DNA. Deze methode, die sequencing wordt genoemd, werd een standaardmethode in de moleculaire biologie. DNA-sequenties werden steeds meer gebruikt om de verwantschap tussen organismen te bepalen. Van steeds meer organismen werd het gehele genoom gesequencet. Alec John Jeffreys ontdekte bij een onderzoek in september 1984 dat er kleine verschillen zichtbaar waren in het DNA van personen van eenzelfde familie en legde hiermee de basis voor DNA-fingerprinting. De techniek van de genetische vingerafdruk is een hulp bij forensisch onderzoek en DNA-onderzoek voor ouderschapstesten en afstammingsbepaling.

In 2001 werden de DNA-sequenties van het humane genoom gepubliceerd.

Zie ook

• Archeogenetica
• Biofotonen
• cDNA
• Chromatine-immunoprecipitatie
• DNA-extractie
• DNA in organismen: eukaryoten, prokarioten, virussen en viroïden.
• DNA-hybridisatie
• DNA-microarray
• DNA-polymerase
• DNA-replicatie (Replicatie (DNA))
• Transposon
• Urinezuur

Noten

Referenties

Literatuur

• (en) Alberts, B. (2015). Molecular Biology of The Cell, 6th edition. Garland Science, "Chapter 4: DNA, Chromosomes and Genomes". ISBN 978-0-8153-4464-3.
• (nl) Prinsen J, Van der Leij F.. De bouwstenen van het leven. Wageningen Academic Publishers. ISBN 978-90-8686-270-2.
• (en) Campbell, N. (2017). Biology: A Global Approach, 11th edition. Pearson Education, "Chapter 16: Nucleic Acids and Inheritance". ISBN 978-1-292-17043-5.
• (nl) Schuit, F.C (2000). Medische biochemie. Bohn Stafleu Van Loghum, Houten, "Hoofdstuk 6: Nucleïnezuren". ISBN 90-313-3020-5.
• (en) Kuriyan, J. Konforti, B. & Wemmer, D. (2013). The Molecules of Life. Garland Science, "Chapter 2: Nucleic Acid Structure". ISBN 978-0-8153-4188-8.
• (en) Berg, J. (2015). Biochemistry, 8th edition. W. H. Freeman and Company. ISBN 978-1-4641-2610-9.

Mediabestanden

Zie de categorie DNA van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.