Streven. Jaargang 15

[p. 452]

Wetenschappelijke kroniek
Het raadsel der erfelijkheid
W. Rombauts S.J.

ADEMEN, lopen, verteren, alle activiteiten van een levend organisme zijn een ingewikkeld samenspel van honderden soorten proteïnen. Onze huid, spieren, bloedvaten en organen bestaan voor het grootste deel uit proteïnen. Ook de enzymen, de geheimzinnige ‘opzichters’ van onze organische processen, zijn proteïnen. Het voornaamste probleem van de biochemie op dit ogenblik is dan ook: de biosynthese der proteïnen, waarover in augustus-september 1960 een symposion gehouden werd te Wassenaar met grote biochemici, zoals Zamecnik, Hoagland, Work, Bonner, Webster, Campbell, Butler, Gros, Naono.

De biosynthese der proteïnen is nauw verwant met erfelijkheid en evolutie. De structuur der proteïnen is immers afhankelijk van het chromosoom, dat de erfelijke eigenschappen overdraagt en maakt dat een mens steeds een mens, een olifant steeds een olifant voortbrengt en dat de kleur van onze ogen, vorm van onze neus en de trekken van ons temperament bepaalt. Indien we scheikundig iets in het chromosoom kunnen veranderen, dan worden de proteïnen daardoor beïnvloed en in bepaalde gevallen zou aldus een beter organisme kunnen ontstaan... of zou het organisme niet meer leefbaar zijn.

De eerste stap in de erfelijkheidsleer is gezet rond 1860 door Gregor Mendel, de Silezische Augustijnermonnik. Zijn beroemde theorie, waarop de erfelijkheidsleer of genetica nog steeds voortbouwt, kan men, zoals men weet, als volgt samenvatten: De plant die ontstaat door kruising, krijgt

Fig. 1 Schematische voorstelling van een cel. 1 kern of nucleus; 2 nucleolus; 3 buisjes in het cytoplasma: microsomen, met daaraan verbonden de sub-microsomen of ribosomen (zwarte bolletjes); 4 mitochondria; 5 gesynthetiseerde proteïnen; 6 chromosomen.

voor elke erfelijke eigenschap een dubbele ‘aanleg’ mee, één van de vaderplant (zaadcel) en één van de moederplant (eicel). In de nakomeling zal één van die eigenschappen ‘domineren’ en het uiterlijke uitzicht van de plant bepalen, b.v. gele kleur overheerst groen, maar de andere, ‘recessieve’ aanleg blijft latent aanwezig. Heeft deze plant nu ook nakomelingen, dan komt daarin de aanleg van beide stamplanten weer aan het licht en verdelen ze zich volgens de wetten der waarschijnlijkheidsrekening.

Deze hypothese hield twee belangrijke dingen in: 1. dat een bepaalde eigenschap werd overgedragen door een ‘corpusculair iets’, dat Mendel ‘aanleg’ noemde; 2. dat het uiterlijk verschijnen van een eigenschap louter bepaald werd door de wetten van de probabiliteit, zodat men op voorhand kon uitrekenen hoeveel nakomelingen deze en hoeveel die eigenschap zouden vertonen. Om te weten of aan dat ‘corpusculair iets’ of aan die ‘aanleg’ ook in werkelijkheid iets beantwoordde, moest men de

[p. 453]

Fig. 2 Voorstelling van ‘crossing over’.
De chromosomenparen wisselen stukken van de chromatiden uit.

ei- en de zaadcel onderzoeken. Spoedig ontdekte men dat de cel bestond uit een kern, met daarrond een eiwitachtige vloeistof: het cytoplasma (fig. 1). Niet lang daarna vond men de chromosomen, eigenaardige, draadvormige lichaampjes in de celkern, die goed kleurbaar zijn en hun naam danken aan deze eigenschap. Elk levend wezen is opgebouwd uit oneindig veel cellen en elke celkern heeft chromosomen in een bepaald aantal, dat verschilt volgens de soort. De erwt heeft er b.v. 14, de mens 46. De zaadcel en de eicel bevatten elk slechts de helft van dit bepaald getal chromosomen. Bij de bevruchting ontstaat dan een cel met het juiste aantal.

Natuurlijk was men er vlug bij om het chromosoom gelijk te stellen met de ‘aanleg’ van Mendel en in 1903 formuleerde Sutton de hypothese: ‘Het chromosoom is drager van de erfelijke eigenschapoen’. In 1911 volgde de ‘genentheorie’ van Morgan. Deze hield in dat het chromosoom niet als een ondeelbaar geheel verantwoordelijk was voor alle eigenschappen ‘en bloc’, maar dat deeltjes van het chromosoom elk verantwoordelijk waren voor één eigenschap. Zo'n deeltje noemde Morgan ‘gen’. Tot het opstellen van deze theorie was hij gekomen door het waarnemen van onregelmatigheden bij de overgang der erfelijke eigenschappen. Immers, bij het vormen van ei- en zaadcellen wordt door een gecompliceerd mechanisme een gewone cel in tweeën gesplitst en ontstaan er twee cellen met elk de helft van het normale aantal chromosomen. Morgan dacht dat bij het uiteengaan der chromosomenparen (fig. 2) sommige gedeelten van de gepaarde chromosomen werden meegesleurd, zodat er een soort uitwisseling plaats vond. Deze uitwisseling noemde hij ‘crossing over’ en ze maakte het mogelijk de opgemerkte onregelmatigheden te verklaren en toonde tegelijkertijd aan dat Mendels intuïtie van de ‘corpusculaire overdracht der erfelijke eigenschappen’ niet alleen geldig was voor het chromosoom maar zelfs verder ging tot voor een deeltje van het chromosoom. De hypothese van Morgan was, zoals die van Mendel, louter statistisch gefundeerd maar werd later door experimenten bevestigd, onder meer dank zij het microscopisch onderzoek van kanunnik Jansen van de cytologische school te Leuven, die erin slaagde een ‘crossing-over’-stadium te verkrijgen onder de microscoop.

Morgan had nog meer geluk. In de cellen van de speekselklieren van de drosophila (banaanvliegje) ontdekte Painter chromosomen die soms wel 0,5 mm groot waren. De genen schenen

Fig. 3 Stuk van de ‘reuzenchromosomen’ van de drosophila. Let op de bijna zichtbare aanwezigheid van genen.

hier werkelijk als ‘schijfjes’ aanwezig en echte chromosomenkaarten konden worden opgesteld (fig. 3). Verdween één van de schijfjes, dan ontbrak ook een eigenschap. Zulke veranderingen noemt men mutaties (blond haar, rood haar, witte beren, rode beuken). Müller bestraalde bepaalde ‘schijfjes’ van die chromosomen met X-stralen en gammastralen en kon op deze wijze vele mutaties verkrijgen. De verandering in de uiterlijke eigenschap stemde steeds overeen met de verandering aangebracht op de plaats van het chromosoom. Langs welke scheikundige

[p. 454]

reacties het chromosoom op dergelijke mutaties invloed uitoefende was echter nog volkomen onbekend. Daarom legde men zich er op toe de chemische structuur van het chromosoom te achterhalen.

In 1871 stelde Miescher vast dat in de celkern Desoxyribonucleïnezuur (DNA) aanwezig is, en nu weet men dat het chromosoom voor het grootste deel uit DNA bestaat. Dit kwam aan het licht door een aantal experimenten die alle in dezelfde richting wezen. De aanwezigheid van DNA in elke celkern ontdekte men door bepaalde ontbindende stoffen, enzymen genaamd, te laten inwerken op een celvloeistof, verkregen door het verbrijzelen van cellen. Liet men enzymen inwerken die de nucleïnezuren ongemoeid laten maar wel andere stoffen afbreken, dan bleef het celvocht de specifieke eigenschappen van het DNA bewaren. Liet men enzymen inwerken die de nucleïnezuren aantasten, dan had het celvocht alle eigenschappen van het DNA verloren. Verder vond men dat bepaalde abnormale cellen, met een verdubbeld of verdriedubbeld chromosomengarnituur, eveneens het dubbele of het driedubbele van de normale hoeveelheid DNA bevatten. Hetzelfde werd gemeten bij de celdeling. Alvorens de cel zich deelt in twee volwaardige cellen, verdubbelen zich de chromosomen en op dat ogenblik is er in de celkern ook een dubbele kwantiteit DNA. Het chromosoom bestaat dus uit DNA en DNA kan beschouwd worden als overbrenger van de erfelijke eigenschappen.

Meer spectaculaire bewijzen voor de rol van het DNA in de erfelijkheid waren de ‘somatische mutaties’. Treedt er een ‘mutatie’, d.i. een plotselinge verandering in de structuur van het chromosoom, op in de eicel of de zaadcel, dan kan het opgroeiende individu afwijkende kenmerken vertonen. Bij de mens geeft dit b.v. aanleiding tot het ontstaan van de blanke huidskleur. Een ‘somatische mutatie’ is een verandering in de chromosomen die niet plaats grijpt in de zaad- of eicellen vóór de bevruchting, maar die gebeurt wanneer het individu aan het opgroeien is en die dan bepaalde kenmerken van het normale doet afwijken. En wat belangrijk is, de veranderingen veroorzaakt door deze beide soorten mutaties zijn erfelijk en worden voortgezet op de nakomelingen. Griffith toonde reeds in 1928 aan dat bacteriën van een bepaalde variëteit, door warmte gedood, nog in staat waren een andere variëteit hun eigenschappen te doen overnemen, dus een mutatie te verwekken. Het voortgezette onderzoek van M.H. Dawson en R.H.P. Sio (1931) J.L. Alloway (1932) O.T. Avery, C.M. Mac Leod en M. Mac Carty (1944) toonde successievelijk aan dat de invloed van de dode bacteriën op de levende te wijten was aan een bepaald ‘princiep’. Bij uitzuivering bleek dit DNA te zijn.

Herhaaldelijk werd er getracht met DNA ook mutaties te veroorzaken bij hogere wezens, zoals muizen en kikvorsen, maar niets lukte. Waren dan alleen bacteriën en zeer laagstaande organische wezens vatbaar voor de wijzigende invloed van het DNA van een vreemde soort? Het jaar 1957 zag het antwoord. Professor Benoît, van het Collège de France, slaagde er in bij eenden somatische mutaties te verwekken, door DNA van de variëteit ‘khaki’ (bruine kleur en zwarte bek) in te spuiten in een aantal kleine eendjes van de variëteit ‘pékin’ (ivoorkleurig, oranje bek en poten). De opgroeiende ‘pékin’ eendjes werden niet ivoorkleurig maar sneeuwwit en de oranje bek werd roze met zwarte vlekjes en bij enkele zelfs totaal zwart. De invloed van deze verandering bleef eveneens doorwerken in de nakomelingen. Alles in het experiment is dus verlopen alsof het ingespoten DNA van de variëteit ‘khaki’ zich is gaan nestelen

[p. 455]

Fig. 4 Voorstelling van de nucleiotiden. Het gestreepte gedeelte stelt de fosfaatgroep voor, het zwarte gedeelte de suikergroep en het witte het radicaal. Deze zijn complementair getekend, adenine met thymine en guanine met cytosine.

bij of in de chromosomen van de variëteit ‘pékin’ en aldus de keten biochemische reacties die het groeiproces van het organisme bepalen, heeft gewijzigd. Professor Benoît noemt deze somatische mutaties echter voorzichtigheidshalve ‘transformaties’: hij is er nog niet in geslaagd zijn experiment te herhalen en een experiment is eerst ten volle geldig, wanneer het herhaald kan worden.

De chromosomen, met hun genen, de dragers van de erfelijke eigenschappen, bezitten dus blijkbaar een bepaalde ‘code’, een ‘werkschema’ volgens hetwelk het levend wezen wordt opgebouwd. Daar het scheikundig-actieve deel van de chromosomen uit DNA bestaat, moeten we onderzoeken hoe het DNA kan voldoen aan de eisen die worden gesteld om die erfelijke invloed te kunnen uitoefenen, zowel in de groei als in het op gang houden van het organisme. Deze eis is dubbel: 1. het chromosoom of het DNA moet zich samen met de cellen kunnen redupliceren en dit volgens een bepaald patroon, om in alle cellen van het levende wezen zijn invloed te laten gelden; 2. het chromosoom of het DNA moet invloed uitoefenen op de biochemische reacties van het levende wezen.

Ten eerste dus: het chromosoom moet zich identiek redupliceren volgens een bepaald patroon. Bij het begin van een gewone celdeling, of mitose, zijn de chromosomen onzichtbaar in de celkern. Langzamerhand worden ze meer en meer zichtbaar en beginnen ze een eigenaardige rondedans. Elk chromosoom verschijnt als overlangs gespleten, als twee draden, chromatiden genaamd, die in één punt verbonden zijn. Plotseling wordt de verbinding

Fig. 5 Voorbeeld van ketting DNA. Let op de complementaire structuur van de twee kettingen.

verbroken en gaat de ene chromatide van elk chromosoom naar de ene helft van de celkern en de andere chromatide naar de andere helft. Kort daarna deelt de cel zich en er ontstaan twee nieuwe cellen met elk het benodigde aantal chromosomen. (Dit gebeurt in een ontzaglijk snel ritme: bij de walvis b.v. deelt de bevruchte cel zich in enkele maanden tot de 1500 kg van de babywalvis). De deling van het chromosoom volgens eenzelfde patroon blijkt haar verklaring te vinden in de eigen moleculaire structuur van het DNA, die ontdekt werd door Crick en Watson. Een molecule DNA is opgebouwd uit verschillende nucleïotiden (fig. 4). Elke nucleïotide zelf bestaat nog uit drie delen: een radicaal, een suiker of ribose en een fosfaat. Er zijn vier soorten nucleïotiden en zij verschillen van elkaar door het radicaal, terwijl de suikergroep en de fosfaatgroep overal gelijk zijn. De vier radicalen zijn: adenine, guanine, cytosine en thymine. Verschillende nucleïotiden naast elkaar vormen een ketting. Maar Crick en Watson ontdekten dat een molecule DNA niet slechts uit één ketting maar uit twee ‘complementaire’ nucleïotidenkettingen bestaat, die tegenover elkaar liggen en chemisch met elkaar verbonden zijn. We noemen deze kettingen ‘complementair’ omdat het radicaal adenine

[p. 456]

enkel en alleen met thymine samengaat en omgekeerd, en het guanine alleen met cytosine. Een molecule DNA is dus a.h.w. te vergelijken met een ladder, waarvan de stijlen bestaan uit suiker- en fosfaatgroepen en de sporten uit in elkaar hakende radicalen (fig. 5). Bovendien is deze hele ladder opgewonden in de vorm van een spiraal. De afstand tussen de sporten is 3,4 Angstrøm of 3,4 tien miljoensten van een millimeter. De lengte van een volledige wikkeling van de spiraal is 34 Angstrøm of 3,4 miljoensten van een millimeter.

Een chromosoom bestaat dus uit een groot aantal moleculen DNA, en deze op hun beurt uit verschillende nucleïotiden. Is het hele chromosoom te vergelijken met een zin, dan zijn de moleculen DNA de woorden en de nucleïotiden de letters. En dit is dan de taal die de erfelijke boodschap doorgeeft aan het nageslacht! De ‘genen’ zouden moleculen DNA zijn, maar volstrekt zeker is dit nog niet, omdat men nog niet voldoende weet in hoeverre de molecule DNA voor haar werking afhankelijk is van de omgeving. Wel weten we met zekerheid dat de moleculen DNA, net zoals de chromosomen, ook overlangs gespleten zijn. Gedurende de eigenaardige rondedans der chromosomen begint iedere ladderhelft zich weer een andere ladderhelft bij te maken. Het materiaal daarvoor is aanwezig in de celkern. Het resultaat van deze operatie zijn twee identieke chromosomen; identiek, tengevolge van de complementariteit van de radicalen, waarop we boven reeds hebben gewezen.

In de tweede plaats, zeggen we, moet het chromosoom of het DNA een reële invloed kunnen uitoefenen op de groei en de werking van het levende wezen. Dit doet het DNA vooral door de structuur van de proteïnen te bepalen. Praktisch iedere soort van levende wezens heeft haar eigen proteïnen en de rol van deze organische stoffen is uiterst vitaal. Een proteïnemolecule nu is uitermate complex. Zij is samengesteld uit aminozuren, in de levende cel gewoonlijk niet meer dan twintig. Deze aminozuren kunnen met elkaar een stabiele chemische verbinding aangaan, zodat men een proteïnemolecule a.h.w. kan vergelijken met een ketting mannen met in elkaar geslagen handen. Verandert de volgorde en het aantal der aminozuren, dan krijgt men ook een andere proteïne. Wil men dus invloed uitoefenen op de proteïnen, dan moet men én de plaats van de 20 aminozuren in de ketting bepalen én het aantal keren dat elk van die zuren zal voorkomen.

Reeds vroeger had men opgemerkt dat een kleine verandering in het chromosoom, misschien van één nucleïotide DNA, een verandering veroorzaakte in één aminozuur van een bepaald proteïne. Waarschijnlijk was het dus het DNA dat de volgorde en het aantal der aminozuren controleerde. De moeilijkheid was echter dat de meeste proteïnen

Fig. 6 Voorbeeld van een slechte combinatie der nucleiotiden. De onderste rij (drie witte en drie zwarte) zijn gecombineerd volgens de orde 121213. Het witte groepje op de bovenste rij is 212, het kan dus zijn plaats vinden zowel op het witte als op het zwarte drietal. Deze combinatie is dubbelzinnig.

gesynthetiseerd werden in de ribosomen, die gelegen zijn in het cytoplasma en niet in de celkern. Hoe kon men deze afstand overbruggen? In de ribosomen is er nog een ander nucleïnezuur aanwezig: ribonucleïnezuur of RNA. Dit heeft een gelijksoortige structuur als DNA en praktisch verschilt het hiervan slechts doordat het bij iedere nucleïotide nog een hydroxylgroep (OH) meer heeft, die het

[p. 457]

RNA chemisch actiever maakt. Daarom wordt het DNA ‘Desoxy’-ribonucleïnezuur genoemd. Het was dus niet onmogelijk dat op het ogenblik van de celdeling, wanneer de nucleïotiden DNA overlangs gespleten zijn, ze eerst nucleïotiden RNA zouden kunnen aantrekken en aan deze in de celkern een bepaalde genetische informatie geven. Dan zou het RNA wegtrekken naar de ribosomen en daar zouden op dit RNA, voorzien van een ‘code’, de proteïnen worden gesynthetiseerd. Maar waaruit bestond die ‘code’ en hoe werd hij doorgegeven? Hoe werd in deze veelheid van nucleïotiden een onderscheid aangebracht dat door de aminozuren werd herkend?

Weer stelden Crick, Orgel en Griffith, een ingenieuze oplossing voor. Men

Fig. 7 Eindfase der synthese van de proteïnen. Het witte drietal heeft zijn plaats gezocht op het RNA der ribosomen (licht gestreept). Het andere drietal van het Transfer RNA (dicht gestreept) is met het aminozuur verbonden en brengt dit in de nabijheid van andere aminozuren (voorgesteld door cirkel en driehoek).

wist reeds dat in de levende cel de proteïnen gemaakt worden uit praktisch slechts 20 verschillende aminozuren. Als we nu eens, zo redeneerde Crick, de 4 soorten nucleïotiden van het DNA telkens nemen in groepjes van drie, dan blijven er 20 en niet meer dan 20 combinaties over die ondubbelzinnig zijn. D.w.z. dat aan elk van die groepjes van drie nucleïotiden DNA, slechts één groepje RNA beantwoordt. Vergelijken we met een legpuzzel. Stellen we elk groepje van drie nucleïotiden gelijk met één stukje van de puzzel. Heeft men nu de eerste rij stukjes van de puzzel gelegd (het DNA) dan passen daarin de stukjes van de tweede rij (het RNA) alleen op hun bepaalde plaats, die afhangt van de eerste rij. Het RNA neemt dus van het DNA een bepaalde ondubbelzinnige volgorde over van de soorten 20 groepjes van 3 nucleïotiden (fig. 6). Het RNA trekt nu weg uit de celkern naar de ribosomen zoals reeds is gezegd.

Nu bleef er nog het probleem: Hoe zullen de 20 aminozuren hun groepje nucleïotiden herkennen in de keten van het RNA. De ontdekking van het Transfer-RNA bracht hier een oplossing. In het cytoplasma trof men nog een ribonucleïnezuur aan dat dezelfde structuur heeft als het RNA van de ribosomen, maar slechts een relatief klein aantal nucleïotiden telt (50-100 nucleïotiden, tegen 6000 voor het RNA der ribosomen). Dit Transfer-RNA of ‘adaptormolecule’ heeft een eindnucleïotidendrietal dat slechts met één bepaald soort aminozuur kan reageren. Dit gebeurt onder invloed van een enzyme en adenosinetrifosfaat, die dienen als catalysator en tegelijkertijd het aminozuur chemisch actief maken, zodat het zich later met de andere aminozuren zal kunnen verbinden.

Het Transfer-RNA met zijn aminozuur verbonden, gaat nu naar de ribosomen, waar het andere RNA aanwezig is met zijn groepjes nucleïotiden in die bepaalde volgorde die overgenomen is van het DNA van het chromosoom. Een tweede nucleïotidendrietal van het Transfer-RNA zoekt nu tussen de gerangschikte groepjes (van het RNA der ribosomen) ‘zijn’ complementair groepje, waarin het past, en zo krijgt elk aminozuur zijn plaats die oorspronkelijk be-

[p. 458]

paald werd door het DNA van het chromosoom. Tenslotte verbinden de aminozuren zich met elkaar en een nieuwe proteïnemolecule is gevormd en wordt losgelaten. Het Transfer-RNA herneemt zijn cyclus (fig. 7).

Op het symposion te Wassenaar hebben Gros en Naono gesuggereerd, na onderzoekingen op syntheses in bacteriën van ‘gemodifieerde’ proteïnen, dat wanneer één radicaal van RNA verwisseld werd met een analoge stof (analoog pyrimidine), tussen het DNA van het chromosoom en het RNA van de ribosomen nog een derde soort RNA, ditmaal ‘messenger’ RNA genoemd, de codificatie van het chromosoom naar de ribosomen zou overbrengen. Dit zou echter niets essentieels aan de ‘code hypothese’ veranderen, maar er enkel een tussenschakel aan toevoegen.

Weliswaar is het verloop in zijn geheel, zoals we het hier hebben voorgesteld, nog hypothetisch, maar bijna alle afzonderlijke processen zijn bewezen en alles doet vermoeden dat het een vruchtbare werkhypothese is.