Genoomevolutie, Hulp bij profielwerkstuk Bio-informatica

Genoomevolutie, Hulp bij profielwerkstuk
Bio-informatica
Onderzoek naar genoomevolutie door middel van GC-percentage
In de loop van de evolutie verandert er veel in ons erfelijk materiaal (DNA). Niet alleen in de code, maar
ook in de hoeveelheid. Wij hebben bijvoorbeeld veel meer genen en DNA dan dat bacteriën hebben. Je
zou dus denken, hoe meer DNA, hoe slimmer het organisme. Maar is dat wel zo?
Afbeelding 1: het genoom van een vrouw (Homo sapiens)
Beschrijving thema
Mensen hebben ongeveer 3 miljard nucleotiden, de plant Arabidopsis thaliana heeft er 125 miljoen en de
hoeveelheid erfelijk materiaal van bacteriën varieert sterk. De mens heeft net als Arabidopsis 25.000
genen, terwijl bacteriën er een stuk minder hebben.
Het genoom is een verzamelnaam voor het erfelijk genetisch materiaal. Het bestaat uit 1 chromosoom (bij
bacteriën ofwel prokaryoten) of meerdere chromosomen (bij eukaryoten zoals de mens). De mens heeft
46 chromosomen, 22 paren gewone en 2 geslachtschromosomen (XX of XY). Chromosomen bestaan uit
DNA en DNA bestaat uit 4 verschillende nucleotiden: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine
(G). Twee strengen nucleotiden vormen samen een dubbele helix door middel van waterstofbruggen.
Hierbij is A aan T gekoppeld en C aan G. De koppeling van a en t wordt gemaakt met 2
waterstofbruggen, die van C aan G met 3 waterstofbruggen. Door deze sterkere binding ontstaan er
minder snel mutaties bij C’s en G’s.
Hulp bij Profielwerkstuk: Genoomevolutie 1

Afbeelding 2: Twee strengen nucleotiden vormen samen een dubbele helix door middel van waterstofbruggen. Bron:
www.obgynacademy.com/basicsciences/fetology/genetics/
Sommige delen van het genoom zijn genen. Elk gen bestaat uit een lange reeks van nucleotiden (A, T, C
of G). De specifieke volgorde van deze nucleotiden wordt door transcriptie omgezet naar RNA. RNA kan
vervolgens vertaald worden naar een eiwit (translatie). Macromoleculen zoals RNA en eiwit zorgen voor
het functioneren van ons lichaam en daardoor uiteindelijk voor bepaalde eigenschappen, zoals haarkleur,
huidtype of het wel of niet hebben van een erfelijke ziekte.
Afbeelding 3: De coderende nucleotidevolgorde van een gen wordt gekopieerd naar RNA. Dit RNA wordt vervolgens
door ribosomen vertaald naar eiwit. Een setje van 3 nucleotiden (codon) codeert voor 1 aminozuur. Een reeks van
aminozuren vormt het eiwit.
Afbeelding 4: 1 codon wordt vertaald in 1 aminozuur.
Bron afbeelding www.obgynacademy.com/basicsciences/fetology/genetics/
Interessante vragen:
• Welk percentage van het genoom bevat genen?
• Zijn er even veel A- en T-nucleotiden als G- en C-nucleotiden in een genoom? Met andere
woorden, wat is het GC-percentage?
• Zijn er verschillen tussen organismen met betrekking tot de grootte van het genoom, het
percentage genen, en het GC-percentage?
• Wat bevat het genoom naast genen nog meer?
Hulp bij Profielwerkstuk: Genoomevolutie 2

Onderzoeksvragen
Naast ‘coderend DNA’ bestaat er ook ‘niet-coderend DNA’. Dit DNA kan regulerende sequenties bevatten
die zorgen voor het aan- en uitzetten van de transcriptie van bepaalde genen, maar het kan ook bestaan
uit junk-DNA of repeats (bijvoorbeeld tatatatatatatatata).
• Is het percentage genen bij elk organisme hetzelfde?
• Is er een overeenkomst tussen de grootte van het genoom en de hoeveelheid genen?
• Waaruit bestaat het genoom nog meer naast genen? Geef dit aan in percentages.
• Hoe verschilt de samenstelling van het genoom van verschillende organismen?
De verdeling van het aantal nucleotiden kan verschillen tussen organismen, maar kan ook verschillen per
locatie op een chromosoom. De verdeling 50% GC en 50% AT kom je in de natuur niet vaak tegen.
• Is er een relatie tussen de grootte van het genoom en het GC-percentage? Vergelijk hiervoor het
GC-percentage van een chromosoom van enkele prokaryoten (bacteriën) met dat van enkele
eukaryoten (mens, plant, dier).
• Is er een verschil in het percentage GC-nucleotiden als je verschillende organismen vergelijkt of
verschillende regio's in het genoom vergelijkt?
• Waarom hebben sommige delen van een chromosoom een hoger GC-percentage dan andere
delen?
Onderzoeksactiviteiten:
Hieronder vind je een paar hints en tips om het onderzoek uit te voeren:
• Sequenties downloaden: The Genomes On Line Database (GOLD): Overzicht van
genoomprojecten in de ‘Gold tables’. Van welke genomen is de nucleotidevolgorde al bekend en
met welke genomen zijn ze nog bezig? Door te klikken op het Goldstamp-nummer vind je
informatie over dat genoom. Onderaan bij data kun je direct door naar de nucleotidevolgorde van
dat genoom. http://www.genomesonline.org of http://gold.imbb.forth.gr/
• NCBI genoom database: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/sites/entrez?db=genome
Zoek in de genoomdatabase van NCBI naar genoomsequenties door te zoeken aan de hand van
de Engelse naam van het organisme. Je krijgt dan hits met de bijbehorende accessiecode (bv
NC_006274, het genoom van de bacterie Bacillus cereus). Door te klikken op deze accessiecode
krijg je een overzicht van links en informatie over het genoom.
Klik op de accessiecode bij refseq om naar de sequentie te gaan.
Klik dan bij ‘display’ in plaats van ‘Genbank’ het ‘FASTA’ formaat aan en bij ‘show’ in plaats van
‘send to’ neem je ‘file’.
Let op: als je zoekt is vaak niet de eerste hit het meest relevant. Kijk goed in de lijst bij
verdere zoekresultaten. Of voeg meerdere zoektermen toe (bijvoorbeeld chromosome of
de Latijnse naam) om het aantal resultaten te verminderen.
Let op: Als het genoom bestaat uit meerdere chromosomen dan is er per chromosoom
een entry in de database met een eigen accessiecode.
Let op dat deze files behoorlijk groot kunnen worden als je een humaan chromosoom
neemt.
• GC analyse:
GC-Profile – Een internettool voor het analyseren en visualiseren van GC-percentages
http://tubic.tju.edu.cn/GC-Profile/
Dit programma kun je ook downloaden. Het is dan erg geschikt voor grote files.
GC content: http://nbc11.biologie.uni-kl.de/framed/left/menu/auto/right/GC/
• Programmeren in Python:
Je kunt natuurlijk zelf een script schrijven om het GC-percentage te berekenen. Dit is niet moeilijk
met de programmeertaal Python (Versie 2.5.2 voor Windows): http://www.python.org/download/
Een handleiding voor python kun je vinden op:
http://www.pasteur.fr/formation/infobio/python/support.pdf
Hulp bij Profielwerkstuk: Genoomevolutie 3

Eindproducten en presentatiemogelijkheden
Je kunt het eindproduct in de vorm van een verslag of een PowerPoint-presentatie maken. Geef hierin
aan welke vragen je hebt beantwoord en hoe je dat hebt gedaan. De resultaten kun je weergeven in de
vorm van tabellen. Misschien kun je aan het eind van je verslag of je presentatie een verklaring aangeven
voor de gevonden waardes.
In de resultaten kun je bijvoorbeeld opnemen:
• De vergelijking van de groottes van verschillende genomen en hun GC-percentage.
• Een overzicht van de samenstelling (in percentages) van het genoom van verschillende
organismen, waarbij je aangeeft welk deel een hoog GC-gehalte heeft.
Documentatie
• Human Genome project: http://www.ornl.gov/sci/techresources/Human_Genome/home.shtml
• Als je Wikipedia gebruikt, ga dan uit van de Engelse versie. Op dit moment (december 2008)
bevat de Nederlandse versie veel fouten. Als je de Nederlandse versie gebruikt, vergelijk die dan
wel met de Engelse versie.
• Wat is een chromosoom, gen, DNA?
http://www.obgynacademy.com/basicsciences/fetology/genetics/
Hulp bij Profielwerkstuk: Genoomevolutie 4