Waarom lijk je op je ouders, maar ben je geen kopie? Waarom kunnen twee bruinogige ouders een kind met blauwe ogen krijgen? En hoe kan een fout in één letter van het DNA een ziekte veroorzaken? Dat zijn de vragen van de genetica. Het vak loopt van het molecuul DNA tot de verdeling van eigenschappen in een hele populatie, en het vormt samen met de evolutieleer het fundament van de moderne biologie.
Artikelen over genetica
- DNA, genen en genoom — de bouw van DNA, wat een gen is en het verschil tussen gen, chromosoom en genoom.
- Wetten van Mendel — uniformiteit, splitsing en onafhankelijke overerving, met kruisingsschema’s.
- DNA-replicatie — hoe een cel zijn DNA semi-conservatief verdubbelt vóór de celdeling.
- Eiwitsynthese — transcriptie en translatie: van gen naar eiwit.
- Mutaties — veranderingen in het DNA, hun oorzaken en gevolgen.
Van nucleotide tot genoom
De erfelijke informatie is opgeslagen in DNA (desoxyribonucleïnezuur). DNA is een dubbele helix van twee strengen, opgebouwd uit vier bouwstenen met de basen adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C). A paart altijd met T en G altijd met C. De volgorde van die basen is de code.
| Niveau | Wat is het? | Bij de mens |
|---|---|---|
| Nucleotide / basepaar | één ‘letter’ (A, T, G of C) met zijn partner in de andere streng | ~3,1 miljard baseparen per set |
| Gen | een stuk DNA met de code voor één eiwit (of één RNA) | ~20 000 eiwitcoderende genen |
| Chromosoom | één lang DNA-molecuul, opgerold rond eiwitten | 46 chromosomen (23 paren) per lichaamscel |
| Genoom | al het DNA van een organisme (één volledige set) | 23 chromosomen plus het mitochondriale DNA |
Een verrassend klein deel van het menselijk genoom codeert voor eiwitten: ongeveer 1–2 %. De rest bestaat uit regelende stukken (schakelaars die bepalen wanneer een gen aan of uit staat), genen voor RNA, herhaalde stukken en restanten van oude virussen. Uitgerold is het DNA in één menselijke cel ongeveer 2 meter lang, opgevouwen in een celkern van zo’n 6 micrometer.
Het genoom: hoe groot is het?
De grootte van een genoom zegt weinig over hoe ingewikkeld een organisme is. Een ui heeft ongeveer vijf keer zoveel DNA als een mens.
| Organisme | Genoomgrootte (baseparen) | Eiwitcoderende genen |
|---|---|---|
| Darmbacterie E. coli | 4,6 miljoen | ~4 300 |
| Bakkersgist | 12 miljoen | ~6 000 |
| Fruitvlieg | ~140 miljoen | ~14 000 |
| Mens | 3,1 miljard | ~20 000 |
| Ui | ~16 miljard | — |
Tussen twee willekeurige mensen verschilt ongeveer 0,1 % van de basenvolgorde: zo’n 3 miljoen letters. Die kleine verschillen bepalen samen met de omgeving alle erfelijke variatie in lengte, huidskleur, bloedgroep en aanleg voor ziekten. Het eerste vrijwel volledige menselijk genoom werd in 2003 afgerond door het Human Genome Project; de laatste ontbrekende stukken werden in 2022 ingevuld.
Hoe werkt een gen?
Een gen is een recept. Bij de eiwitsynthese wordt het recept eerst overgeschreven naar boodschapper-RNA (transcriptie) en daarna op een ribosoom vertaald in een keten van aminozuren (translatie). Elke drie basen (een triplet of codon) staan voor één aminozuur. Die eiwitten, zoals enzymen, hormonen en structuureiwitten, bepalen uiteindelijk de eigenschappen van een cel en een organisme. Vóór elke celdeling wordt het hele genoom gekopieerd door DNA-replicatie, zodat elke dochtercel een volledige set krijgt.
Overerving: genotype en fenotype
Van elk chromosoom heb je twee exemplaren: één van je moeder en één van je vader. Van elk gen heb je dus twee versies, allelen. Zijn ze gelijk, dan ben je homozygoot; zijn ze verschillend, dan heterozygoot. Het genotype is de combinatie van allelen (bijvoorbeeld Aa), het fenotype is de waarneembare eigenschap (bijvoorbeeld bruine ogen). Een dominant allel komt tot uiting zodra het aanwezig is, een recessief allel alleen als je twee kopieën hebt.
Bij de vorming van geslachtscellen worden de paren gescheiden door meiose, zodat elke eicel of zaadcel van elk paar maar één exemplaar krijgt. Bij de bevruchting ontstaat weer een paar. De regels die daaruit volgen, ontdekte Gregor Mendel al rond 1865 met erwtenplanten: de wetten van Mendel. Een snel voorbeeld: twee ouders die allebei drager zijn (Aa) van een recessieve ziekte zoals taaislijmziekte, hebben per kind 25 % kans op een kind met de ziekte (aa), 50 % op een drager (Aa) en 25 % op een kind zonder het allel (AA).
De meeste eigenschappen worden niet door één gen bepaald. Lichaamslengte, huidskleur en intelligentie zijn polygeen: honderden genen dragen elk een beetje bij, en de omgeving (voeding, gezondheid) speelt mee.
Waar komt genetische variatie vandaan?
- Mutaties — veranderingen in de basenvolgorde, door kopieerfouten of door straling en chemische stoffen. Dit is de enige bron van écht nieuwe allelen. Elk mens draagt enkele tientallen nieuwe mutaties die geen van beide ouders had.
- Recombinatie — bij de meiose wisselen chromosomen van een paar stukken uit (crossing-over), en elk paar wordt willekeurig verdeeld. Met 23 paren zijn er al 2²³ ≈ 8,4 miljoen combinaties per ouder mogelijk, zonder crossing-over meegeteld.
- Bevruchting — de combinatie van een willekeurige eicel met een willekeurige zaadcel.
Die variatie is het materiaal waarop natuurlijke selectie werkt.
Korte geschiedenis van de genetica
| Jaar | Gebeurtenis |
|---|---|
| 1865–1866 | Gregor Mendel publiceert zijn kruisingsproeven met erwten |
| 1900 | Herontdekking van Mendels werk, onder anderen door de Nederlander Hugo de Vries |
| 1910 | Thomas Hunt Morgan toont met fruitvliegen aan dat genen op chromosomen liggen |
| 1944 | Avery, MacLeod en McCarty: DNA is de drager van erfelijke informatie |
| 1953 | Watson en Crick beschrijven de dubbele helix, mede op basis van röntgenfoto’s van Rosalind Franklin |
| 1958 | Meselson en Stahl bewijzen de semi-conservatieve replicatie |
| 1966 | De genetische code is volledig ontcijferd |
| 2003 | Human Genome Project afgerond |
| 2012 | Doudna en Charpentier beschrijven CRISPR-Cas9 als precieze ‘genetische schaar’ (Nobelprijs 2020) |
Genetica in de praktijk
Genetische kennis is overal: de hielprik bij pasgeboren baby’s spoort erfelijke stofwisselingsziekten op, DNA-onderzoek helpt bij de opsporing van daders en het vaststellen van verwantschap, en artsen kiezen bij sommige vormen van kanker een medicijn op basis van de mutaties in de tumor. In de landbouw worden gewassen veredeld op ziekteresistentie. Met CRISPR kunnen onderzoekers gericht één letter in het DNA veranderen; eind 2023 werd in het Verenigd Koninkrijk en de VS de eerste CRISPR-behandeling goedgekeurd, voor sikkelcelziekte. Zulke technieken roepen ook ethische vragen op, bijvoorbeeld over het aanpassen van het DNA van embryo’s. Voor de chemie achter DNA en eiwitten, zie eiwitten bij biochemie.
Veelgestelde vragen
Wat is genetica?
Genetica is de erfelijkheidsleer: de wetenschap die bestudeert hoe eigenschappen via genen in het DNA van ouders op nakomelingen worden doorgegeven, hoe genen werken en hoe variatie tussen organismen ontstaat.
Wat is een genoom?
Het genoom is al het erfelijk materiaal van een organisme: één volledige set DNA. Het menselijk genoom bestaat uit ongeveer 3,1 miljard baseparen verdeeld over 23 chromosomen, plus het DNA in de mitochondriën, en bevat zo’n 20 000 eiwitcoderende genen.
Wat is het verschil tussen DNA, een gen en een chromosoom?
DNA is het molecuul waarin de erfelijke code staat. Een gen is een stuk DNA met de code voor één eiwit. Een chromosoom is één lang, opgerold DNA-molecuul met honderden tot duizenden genen. Een mens heeft 46 chromosomen per lichaamscel.
Wat is het verschil tussen genotype en fenotype?
Het genotype is de combinatie van allelen die een organisme heeft, bijvoorbeeld Aa. Het fenotype is de waarneembare eigenschap die daaruit volgt, samen met invloeden van de omgeving, bijvoorbeeld bruine ogen.
Hoeveel genen heeft een mens?
Ongeveer 20 000 eiwitcoderende genen. Dat is minder dan vroeger werd gedacht en vergelijkbaar met veel andere dieren. Slechts zo’n 1 tot 2 % van het menselijk DNA codeert voor eiwitten.
Wie is de grondlegger van de genetica?
Gregor Mendel, een Moravische monnik die rond 1865 met kruisingen van erwtenplanten de basisregels van overerving ontdekte. Zijn werk werd pas in 1900 herontdekt.