In 2003 werd bekendgemaakt dat het volledige menselijke genoom was ontcijferd. Deze baanbrekende ontdekking opende de poorten voor wetenschappers om het proces van evolutie en overerving te begrijpen, en ook om een diagnose te stellen en vele ernstige ziekten te behandelen. Vandaag weten we dat genen effectief in kaart kunnen worden gebracht, gesequenced, en waarschijnlijk ook bewerkt!
- Geschiedenis van de ontdekking van het menselijk genoom
- Hoe is het menselijk genoom opgebouwd?
- Hoe werken genen?
- Is er een gensequencing?
- Wat zijn genetische mutaties?
- Wat is er te lezen in het menselijk genoom?
De Escherichia coli bacterie (E. coli) heeft ongeveer 3200 genen, de fruitvlieg (Drosophilia melanogaster) ongeveer 13 duizend, terwijl het menselijk genoom uit ongeveer 20,5 duizend genen bestaat en, paradoxaal genoeg, helemaal geen record op aarde is. Wetenschappers beweren dat rijst, afhankelijk van de variëteit, zelfs 40 tot 63 duizend genen heeft! Zoals u gemakkelijk kunt raden, is het niet de hoeveelheid die het belangrijkst is!
Het verhaal van de ontdekking van het menselijk genoom
De vader van de moderne genetica wordt beschouwd als Gregor Mendel, een monnik die, terwijl hij in de beslotenheid van een klooster in Brno experimenteerde met de voortplanting van erwten, de eerste basiswetten van de erfelijkheid formuleerde. Op basis van zijn werk en dat van Charles Darwin, begonnen steeds verdergaande theorieën te worden geformuleerd over genen en de informatie die zij bevatten. De absolute doorbraak kwam echter in het midden van de 20e eeuw, toen Watson en Crick de structuur van DNA ontdekten en als eersten het beroemde dubbele-helixmodel aan de wereld lieten zien. Vanaf dat moment begon onze kennis zich in een razend tempo uit te breiden – transcriptie, replicatie en translatie van genen, d.w.z. de basisprocessen die het celleven regelen, werden beschreven. In 1980 slaagt de groep van Sanger erin het genoom van Escherichia coli te sequencen, wat leidt tot verdere technische vooruitgang bij de automatische ontcijfering van de DNA-code. In 1990 start de Amerikaanse regering het baanbrekende Human Genome Project, dat tot op de dag van vandaag het grootste onderzoeksproject in de geschiedenis van de moderne wetenschap is. 2800 wetenschappers namen deel aan het werk, en na 13 jaar en talrijke obstakels kon in 2003 een volledige kaart van menselijke genen worden gepubliceerd. Francis Collins, directeur van het instituut dat toezicht houdt op het HPG, schreef dat het ontdekte genoom een geschiedenisboek is dat de reis van de soorten door de tijd beschrijft, een winkelgids met instructies voor elke cel in ons lichaam, en een leerboek voor de geneeskunde dat de manier zal veranderen waarop we ziekten behandelen en voorkomen. De essentie van een grote ontdekking kan nauwelijks beter worden vastgelegd!
Hoe is het menselijk genoom opgebouwd?
Elke cel in ons lichaam bevat DNA, dat wil zeggen de meer dan 20.000 genen die zijn gegroepeerd op 23 paar chromosomen. Maar liefst 22 van deze paren bevatten elk twee identieke chromosomen, en deze laatste zijn bij vrouwen ook XX-symmetrisch, terwijl ze bij mannen bestaan uit een van de moeder geërfd X-chromosoom en een van de vader geërfd Y-chromosoom. Van de overige chromosomenparen is ook altijd de helft afkomstig van de ene ouder en de andere helft van de andere ouder. De uitzonderingen hierop zijn de voortplantingscellen, d.w.z. het sperma en de eicel. Omdat ze bedoeld zijn om samen te smelten tot een nieuw organisme met 23 paar chromosomen, bevat elk slechts 23 ongepaarde chromosomen.
Als we een chromosoom van dichtbij zouden bekijken, zouden we zien dat het bestaat uit een gedraaide dubbele streng desoxyribonucleïnezuur, kortweg DNA genoemd. Deze strengen zijn nauw met elkaar verbonden door het verschijnsel van vier basen: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T), die door waterstofbruggen aan elkaar gekoppeld zijn. Adenine verbindt zich altijd met thymine, en guanine met cytosine. Zo kunnen we, als we de regels op de ene streng – een nucleotide genoemd – kennen, voorspellen wat er op de andere streng staat! De drie opeenvolgende basen op een bepaalde streng zijn de zogenaamde codons – d.w.z. de echte code die specifieke aminozuren aanduidt, b.v. proline, leucine of tryptofaan. Alle proteïnen in ons lichaam zijn gemaakt van twintig basisaminozuren!
Maar waar zijn die chromosomen, die genen bevatten en de eerder genoemde principes, waarvan wij er maar liefst 3 miljard in ons DNA hebben? Welnu, elke cel van een levend organisme – van een bloedlichaampje tot een melanocyt (die pigment in de huid produceert) bevat een celkern, waarin deze krankzinnig ingewikkelde opeenvolging van letters ATTDGACCA… enz. verborgen zit. Het bepaalt onder meer dat een bepaalde bloedcel ongeveer 120 dagen leeft, en dan sterft en een nieuwe moet worden geboren.
Hoe werken genen?
De lange streng DNA waarnaar hierboven wordt verwezen, is, eenvoudig gezegd, de gebruiksaanwijzing voor het gehele organisme. Het is hier dat de informatie over hoe individuele cellen zich voortplanten, specialiseren en afsterven wordt gevonden. Hier is het “recept” voor elk eiwit, elk enzym en hormoon, en ook de richtlijnen voor de kleur van onze ogen, haar en huid.
Interessant is dat niet alle delen van de nucleotide verantwoordelijk zijn voor coderende genen – bijna 99% zijn niet-coderend van aard en worden dan introns genoemd. Hun rol is veelvoudig en nog niet volledig begrepen, maar wij weten zeker dat zij het “aan” en “uit” van genen bepalen en ook als regulatoren optreden in het complexe proces van eiwitcodering. Deze laatste vormen op hun beurt, samen met vet en water, de hoofdbestanddelen van levende organismen.
Maar hoe gebeurt dit? Het gebruik van het genoom verloopt in twee fasen. In de eerste fase, die transcriptie wordt genoemd, lezen enzymen de instructies in het DNA en zetten ze om in mRNA-moleculen, die als boodschappers fungeren. In de tweede fase, die translatie wordt genoemd, wordt de informatie uit het mRNA vertaald in de taal van aminozuren en worden specifieke eiwitten aangemaakt – van moleculen waarmee spieren worden opgebouwd tot specifieke antilichamen die ons beschermen tegen virussen en bacteriën. Het fascinerende hieraan is dat, hoewel elke cel in ons lichaam volledig DNA bevat, hij er slechts fragmenten van gebruikt. 
Is er een gensequencing?
De uiterst spraakmakende recente sequencing van genen is niets anders dan een techniek om deze vier-lettercode van geselecteerde DNA-fragmenten te lezen. Wetenschappers die het volledige menselijke genoom kennen, weten nu op welk chromosoom zij de afzonderlijke genen moeten zoeken om ze in detail te kunnen analyseren. Afzonderlijke genen zijn meestal niet verantwoordelijk voor één bepaald proces, maar worden in bredere combinaties gebruikt – zo zijn er bijvoorbeeld wel 16 genen verantwoordelijk voor de kleur van onze ogen, waarvan we elk twee kopieën hebben, één van onze vader en één van onze moeder. De vererving van iriskleur is dus helemaal niet zo direct als het lijkt. Anderzijds zijn er ziekten die worden veroorzaakt door de aanwezigheid van mutaties in één enkel gen, die als ze van beide ouders worden geërfd een soort vloek zijn, zoals sikkelcelanemie, cystische fibrose of albinisme. In het geval van scrapie van Huntington hoef je maar één gemuteerde kopie van één gen van één ouder te erven om de ziekte te krijgen. Genoomsequencing stelt ons in staat deze mutaties op te sporen.
Wat zijn genetische mutaties?
Helaas, hoe ingenieus Moeder Natuur en haar genetische code ook mogen lijken, fouten gebeuren nu eenmaal. Men spreekt van een mutatie wanneer in de structuur van het DNA veranderingen optreden die soms zo blijvend zijn dat zij aan het nageslacht worden doorgegeven. Enerzijds danken wij de evolutie en bijvoorbeeld de geleidelijke rechtstand van het postuur van onze voorouders aan dit verschijnsel; anderzijds kunnen deze veranderingen ernstige stoornissen in het functioneren van het lichaam veroorzaken, waaronder kanker. Dankzij de vooruitgang van de moderne geneeskunde weten we nu bijvoorbeeld dat de TP53-genmutatie in de helft van alle kankergevallen voorkomt, terwijl BRCA1- en BRCA2-genmutaties het risico om op jonge leeftijd borst- of eierstokkanker te krijgen aanzienlijk verhogen. De oorzaken van mutaties kunnen sterk uiteenlopen – van statistisch geldige toevallige fouten bij de celdeling tot virale infecties, radioactieve straling en blootstelling aan mutagene chemicaliën.
Wat is er te lezen in het menselijk genoom?
In hoeverre wij onze kennis van het menselijk genoom nu al kunnen gebruiken, is het onderwerp van een reeks boeken. In zijn meest basale toepassing wordt menselijk DNA geanalyseerd om bijvoorbeeld geboorteafwijkingen bij een foetus of de kans op kanker op te sporen. Daarnaast zijn genetische tests om bijvoorbeeld het vaderschap en zelfs de etniciteit vast te stellen van enorm belang. Aan de hand van een haarmonster kunnen wetenschappers nu bepalen uit welk continent of zelfs welk gebied onze voorouders afkomstig zijn.
Het vinden van bepaalde genetische mutaties kan een indicatie zijn voor preventieve chirurgie (b.v. verwijdering van eierstokken), verandering van levensstijl en, in veel landen, abortus als gevolg van foetale geboorteafwijkingen. Bovendien wordt nu op grote schaal gebruik gemaakt van genetica in het proces van kunstmatige bevruchting door het analyseren van materiaal dat afkomstig is van spermadonoren en eiceldonoren. Dankzij dit systeem weten we bijvoorbeeld dat 50-70% van de eicellen van oudere vrouwen zichtbare chromosoomafwijkingen vertonen. Gentherapie daarentegen maakt het mogelijk om actief “vreemde” genen in weefsels in te planten om de ziekte te bestrijden!
Kortom, het genoom stelt ons organisme in staat zich te ontwikkelen van een enkele bevruchte cel tot een volwassen mens, van dag tot dag te overleven en zich voort te planten. Nu we meer over het genoom weten, kunnen we ons leven op aarde bewuster vormgeven. Hier moet echter aan worden toegevoegd dat genen niet alles bepalen – uit onderzoek bij monozygote tweelingen blijkt dat het gedrag, de persoonlijkheid en de intelligentie van een individu tot 70% door de omgeving worden beïnvloed! .