Hoe DNA, genen en erfelijkheid werken: de basisprincipes van erfelijkheid uitgelegd

Genetica is de studie van genen en erfelijkheid — hoe eigenschappen van ouders aan kinderen worden doorgegeven via DNA, volgens het National Institute of General Medical Sciences (NIGMS) van de VS. DNA, of desoxyribonucleïnezuur, is het erfelijk materiaal dat in bijna elke cel van het menselijk lichaam aanwezig is, volgens MedlinePlus Genetics, een bron die wordt onderhouden door de National Library of Medicine van de VS.

Hoe DNA er werkelijk uitziet

DNA wordt gebouwd uit vier chemische basen — adenine (A), thymine (T), guanine (G) en cytosine (C) — die zich paren (A met T, C met G) om treden op een gedraaide, ladderachtige structuur genaamd dubbele helix te vormen, legt MedlinePlus uit. Menselijk DNA bevat ongeveer 3 miljard van deze basenparen, en meer dan 99 procent daarvan zijn identiek bij elke persoon; het resterende gedeelte verklaart individuele verschillen, stelt MedlinePlus.

Het meeste DNA zit in de celkern, waar het nucleair DNA wordt genoemd. Een kleine hoeveelheid bestaat ook in mitochondriën, de celstructuren die voedsel omzetten in bruikbare energie; dit staat bekend als mitochondriaal DNA, of mtDNA, volgens MedlinePlus.

Genen: de eenheden van erfelijkheid

Een gen wordt door MedlinePlus beschreven als "de basisphysieke en functionele eenheid van erfelijkheid". Genen bestaan uit DNA en dragen meestal instructies voor het maken van eiwitten die het lichaam nodig heeft om te functioneren; sommige genen reguleren in plaats daarvan andere genen. Menselijke genen variëren van enkele honderden DNA-basenparen tot meer dan 2 miljoen basenparen in lengte, volgens MedlinePlus. Schattingen van het totale aantal proteïnecoderend genen hebben gevarieerd: het Human Genome Project (1990–2003) schatte aanvankelijk 20.000 tot 25.000 van dergelijke genen, terwijl recente schattingen het getal op ongeveer 19.900 stellen, volgens MedlinePlus, en NIGMS citeert ongeveer 20.000.

Genen maken slechts ongeveer 1 procent van menselijk DNA uit, volgens NIGMS; de rest bestaat uit andere sequenties, inclusief regio's die reguleren wanneer en hoe genen worden in- of uitgeschakeld.

Chromosomen en hoe eigenschappen tussen generaties worden overgedragen

Genen bevinden zich op chromosomen, en mensen hebben meestal 23 paren daarvan, volgens NIGMS. Eén chromosoom in elk paar komt van de moeder en één van de vader, wat betekent dat een persoon meestal twee kopieën van elk gen erft — één van elke ouder, merkt MedlinePlus op. Omdat chromosoomenparen gelijke genen dragen die subtiel kunnen verschillen, is dit het basisprincipe achter waarom kinderen lijken op, maar niet identiek zijn aan hun ouders.

Een genvariatie wordt een allel genoemd. Minder dan 1 procent van de genen varieert tussen individuen, maar deze varianten zijn verantwoordelijk voor verschillen in fysieke eigenschappen zoals oog- of haarkleur, en in sommige gevallen voor erfelijk ziekterisico, volgens MedlinePlus en NIGMS.

Dominante, recessieve en andere erfelijkheidsmechanismen

Wanneer een gen twee verschillende allelen heeft, hangt af hoe een eigenschap verschijnt van het erfelijkheidsmechanisme. Bij autosomaal dominante erfelijkheid is één enkele veranderde kopie van één ouder genoeg voor de eigenschap of aandoening om op te treden; een persoon met dergelijke variatie heeft een kans van 50 procent om het aan elk kind door te geven, stelt MedlinePlus, stellende met standaard risico-evaluatiefiguren die in klinische genetica worden gebruikt.

Bij autosomaal recessieve erfelijkheid verschijnt een eigenschap alleen wanneer beide genkopieën de variatie dragen. Personen met slechts één kopie zijn dragers en worden meestal niet aangetast. Als beide ouders dragers zijn, stelt MedlinePlus, is er een kans van 25 procent per zwangerschap dat een kind wordt aangetast, een kans van 50 procent dat het kind een niet-aangetaste drager is, en een kans van 25 procent dat het kind noch aangetast noch een drager is.

X-gebonden erfelijkheid hangt af van de geslachtschromosomen. Volgens MedlinePlus geeft een aangetaste vader een X-gebonden variatie door aan al zijn dochters maar aan geen van zijn zonen, omdat zonen in plaats daarvan zijn Y-chromosoom ontvangen. Y-gebonden aandoeningen kunnen daarentegen alleen mannen aantasten, en een aangetaste vader geeft de aandoening door aan al zijn zonen.

Onderzoekers van het Genetic Science Learning Center van de University of Utah waarschuwen dat "er geen universaal mechanisme is waardoor dominante en recessieve allelen werken", en dat de twee termen resultaten beschrijven in plaats van één vast biologisch proces. Ze wijzen op sikkelcelanemie als voorbeeld: twee kopieën van het sikkelcelallel veroorzaken de ziekte, maar dragers met één kopie hebben enkele sikkelcellen en winnen onder bepaalde omstandigheden resistentie tegen malaria — een patroon dat niet in een eenvoudig dominant/recessief label past.

Voorbij eenvoudige patronen

Niet elke eigenschap volgt een schone dominante of recessieve regel. NIGMS merkt op dat veel aandoeningen meerdere genen en omgevingsfactoren betreffen, waardoor erfelijkheid moeilijker te voorspellen is dan voor enkelvoudige erfelijkheidseigenschappen. MedlinePlus voegt eraan toe dat voor dergelijke aandoeningen familiegeschiedenis en genetische testresultaten soms — maar niet volledig bepalen — de kans kunnen verfijnen dat een eigenschap wordt doorgegeven.

Epigenetica voegt nog een laag toe: chemische markeringen aangebracht op DNA of op de eiwitten waaromheen DNA zich wikkelt, kunnen genen in- of uitschakelen zonder de onderliggende DNA-sequentie zelf te veranderen. NIGMS noemt roken als voorbeeld van een omgevingsfactor die dergelijke veranderingen kan veroorzaken.