Genetische portretten op het grensvlak van gen, omgeving en kenmerk

1. Genetische portrettenop het grensvlak van gen, omgeving en kenmerk Dirk Jan Boerwinkel d.j.boerwinkel@uu.nl Manon ten Asbroek m.h.j.tenasbroek@students.uu.nl Nibi conferentie zaterdag 11 januari 2014

2. Genomics project FIsme (zie ook www.ecent.nl) Studie ontwikkelingen in genetische technologie Gevolgen van nieuwe inzichten voor begrippen in de genetica (gen, eigenschap, omgeving, erfelijk) Gevolgen van toepassingen genetische technologie voor persoonlijke en maatschappelijke keuzen (nieuwe vormen van genetisch testen) Voorstellen voor inhouden en didactieken (o.a. in ‘Genetica in Beweging’)

3. Programma overzicht Oefening A. genen en omgeving in de marathon Waarom aandacht hiervoor? Gen, omgeving en eigenschap nader bezien Wat is ‘genetisch bepaald’ en hoe onderzoeken we dat Oefening B. mechanismen en routes Gebruik in de les

4. Oefening A. genen en omgeving in de marathon In tweetallen: Geef in het schema aan waar en hoe omgevingsinvloeden een rol spelen Geef in het schema aan waar en hoe genen een rol spelen

5. Programma overzicht Oefening A. genen en omgeving in de marathon Waarom aandacht hiervoor? Gen, omgeving en eigenschap nader bezien Wat is ‘genetisch bepaald’ en hoe onderzoeken we dat Oefening B. mechanismen en routes Gebruik in de les

6. Waarom aandacht hiervoor? Onderontwikkeld deel van genetica-onderwijs Te sterke nadruk op Mendelse genetica kan leerlingen onjuist beeld geven van wat het genoom doet en is Moeilijke inhoud

7. A. Onderontwikkeld deel genetica Examenprogramma zegt hier weinig over De kandidaat kan in een context: uitleggen dat een fenotype tot stand komt door de combinatie van genotype en de invloed van milieufactoren, en verschillen herkennen met de epigenetische overerving Schoolboeken noemen wel de interactie, maar niet de mechanismen daarvan ‘Het fenotype wordt echter niet alleen door het genotype bepaald, maar ook door milieufactoren. Voorbeelden daarvan zijn licht, lucht, vochtigheid, temperatuur, voeding, ziekten en verwondingen.’

8. B. Mendelse genetica kan onjuist beeld geven We kijken in Mendelse genetica vooral naar genen die via 1 eiwit een onderscheidbaar effect sorteren en waarbij variatie geen groot nadeel oplevert, echter Vrijwel alle genen veroorzaken effect in combinatie met andere genen en omgevingsfactoren. Mendelse genetica betreft uitzonderingen. Leerlingen kunnen belang van genen overschatten en/of onderschatten ‘Je genen leggen vast wat je kunt worden’ ‘Je genen hebben geen invloed op je keuzes’

9. C. Moeilijke inhoud Interacties tussen genoom, omgeving en eigenschap zijn complex nieuwe inzichten veroorzaken verschuivingen in de inhoud van deze begrippen Veel van deze relaties zijn nog niet goed bekend Begrippen als ‘mate van genetisch bepaald’ en ‘epigenetisch’ zijn lastig en vaag gedefinieerd

10. Programma overzicht Oefening A. genen en omgeving in de marathon Waarom aandacht hiervoor? Gen, omgeving en eigenschap nader bezien Wat is ‘genetisch bepaald’ en hoe onderzoeken we dat Oefening B. mechanismen en routes Gebruik in de les

11. Gen, omgeving en eigenschap IWat zijn goede beschrijvingen van een gen? DNA deel dat codeert voor een kenmerk (zoals tongrollen) DNA deel dat codeert voor een eiwit (zoals amylase) De exons van het DNA deel dat codeert voor een eiwit DNA deel dat codeert voor een eiwit inclusief de daarop regulerende delen in het genoom DNA deel dat wordt gekopieerd in RNA DNA deel dat unieke persoonlijke informatie bevat (zoals Short Tandem Repeats)

12. Gen/genoombeeld Genen zijn interactieve eenheden, waarvan de producten (RNA en eiwit) vaak regulerende werking op andere genen hebben. Genen hebben vaak meerdere producten Veel delen van het menselijk genoom hebben nog onbekende functies, hebben hun functie verloren of nieuwe functies gekregen.

15. Gen, omgeving en eigenschap II.omgevingsinvloeden Schrijf twee voorbeelden op van een omgevingsinvloed op een eigenschap van een organisme Noteer op welk niveau en welk moment deze aangrijpen Niveau bijv. gedrag/hersenen; orgaan/weefsel, cel, celonderdeel, DNA, RNA, eiwit Moment bijv. in volwassen functioneren, bij celdeling, tijdens embryonale ontwikkeling, bij vorming geslachtscellen

16. Waar valt uw voorbeeld onder? Leefstijl’keuze’ (zoals voeding, roken) woon/werkomgeving (zoals naast snelweg, beroepsziekten) opvoeding/onderwijs/training Abiotische factoren zoals licht, stoffen in milieu omstandigheden in baarmoeder (bijv. voeding en druggebruik moeder) Bij vorming geslachtscellen/bevruchting (bijv. mutagene en epigenetische invloeden) Regulatie door activiteit andere genen (epistasis)

17. Omgevingsinvloeden Veel belangrijke omgevingsinvloeden werken vroeg in de ontwikkeling. Omgevingsinvloeden zijn deels keuzes. Omgeving kan beschouwd worden op organismeniveau maar ook op celniveau

18. Gen, omgeving en eigenschap III.wel of geen fenotypisch kenmerk? Tongrollen Glucose omzetten in glucose 6 fosfaat Geen tumor ontwikkelen Marathon lopen onder de drie uur Empathie vertonen Nederlands spreken Short tandem repeat (DNA kenmerk dat gebruikt wordt in persoonlijke identificatie of verwantschap)

19. Fenotypisch kenmerk kenmerk/fenotype in onderwijs vaak gekoppeld aan waarneembare erfelijke verschillen zonder omgevingsinvloed (Mendels erfenis). Meeste genen doen bij verschillende individuen (en zelfs verschillende organismen) hetzelfde en laten geen variatie toe (glucose metabolisme). Van psychische kenmerken/gedrag zijn veel genetische relaties bekend hoewel allen door omgeving sterk mede beïnvloed. (taal).

20. Programma overzicht Oefening A. genen en omgeving in de marathon Waarom aandacht hiervoor? Gen, omgeving en eigenschap nader bezien Wat is ‘genetisch bepaald’ en hoe onderzoeken we dat Oefening B. mechanismen en routes Gebruik in de les

21. 4. Onderzoek naar genetische- enomgevingsinvloeden 4.1 Onderzoeksmethoden bepaling invloed genen en omgeving 4.2 Onderzoeksmethoden bepaling relevante genen 4.3 Onderzoek relevante omgevingsfactoren

22. 4.1 Onderzoeksmethoden bepaling invloed genen en omgeving Familie onderzoek Tweeling studies Adoptiestudies

23. 4.1 Onderzoeksmethoden bepaling invloed genen en omgeving • Familie onderzoek • Kans familielid getroffen individu ontwikkelen gelijk fenotype (Smoller & Finn, 2003) • Aanwijzing genetisch component • Familieleden: genen en omgeving gemeenschappelijk  meer onderzoek

24. 4.1 Onderzoeksmethoden bepalinginvloed genen en omgeving Gegevens figuur uit: (M. Tsuang, 2000). Figuur uit: Eindexamen biologie 1,2 VWO 2007 tijdvak 1.

25. 4.1 Onderzoeksmethoden bepaling invloed genen en omgeving • Tweeling studies • Gelijkenis binnen MZ tweeling vergelijken gelijkenis binnen DZ tweelingen (Plomin, DeFries, McClearn, & McGuffin, 2000) • Aanwijzing genetische- en omgevingscomponent • EEA • Adoptiestudies • Aanwijzing genetische- en omgevingscomponent • Combinaties

26. 4.2 Onderzoeksmethoden bepaling relevante genen Koppelingstudies (Linkage studies) Chromosomale abnormaliteiten Associatiestudies (Association studies) GWAS (Genome Wide Association studies)

27. 4.2 Onderzoeksmethoden bepaling relevante genen • Koppelingstudies (Linkage studies) • Vergelijken van genetische markers tussen families • Ruwe bepaling chromosoomgebied associatie onderzochte fenotype • Chromosomale abnormaliteiten • Vergelijking CNV’s • . • Ruwe bepaling chromosoom gebied associatie onderzochte fenotype

28. 4.2 Onderzoeksmethoden bepaling relevante genen • Associatiestudies (Association studies) • Vergelijking van genetisch markers binnen een familie • Bepaling loci associatie onderzochte fenotype • GWAS (Genome Wide Association studies) • Vergelijking van genetische markers over het gehele genoom • Bepaling gen/loci associatie onderzochte fenotype

29. Hardy & Singleton, 2009

30. 4.3 Onderzoek relevante omgevingsfactoren • Shared environment • Invloeden uit de omgeving die op beide proefpersonen van toepassing zijn omdat ze dezelfde omgeving delen (Plomin, DeFries, McClearn, & McGuffin, 2000) • Onderzoeksmethode: • Combinatie adoptie- en tweelingonderzoek • Biometrische modellering • Nonshared environment • Invloed vanuit de omgeving die de variatie verklaard die niet verklaard kan worden door genen of een gedeelde omgeving (Plomin, DeFries, McClearn, & McGuffin, 2000) • Onderzoeksmethode • Vergelijken MZ tweelingen • Biometrische modellering

31. Heredity versus heritability Wat wil het zeggen dat een eigenschap voor 80% erfelijk bepaald is? Bij 80 % van de mensen is deze eigenschap erfelijk bepaald Genen verklaren 80% van het ontstaan van deze eigenschap Genetische invloeden zijn 4x zo belangrijk als omgevingsinvloeden Genetische variatie verklaart 80% van de variatie in deze eigenschap

32. Programma overzicht Oefening A. genen en omgeving in de marathon Waarom aandacht hiervoor? Gen, omgeving en eigenschap nader bezien Wat is ‘genetisch bepaald’ en hoe onderzoeken we dat Oefening B. mechanismen en routes Gebruik in de les

33. Oefening B. Mechanismen en routes Huntington Oogkleur Zuurstofvoorziening bij sport

34. Ziekte van Huntington 1

35. Ziekte van Huntington 2

36. Oogkleurschema

37. Zuurstofvoorziening bij topsport

39. Genen en omgeving spelen altijd een rol Genen spelen altijd een rol, omdat voor de ontwikkeling van elke eigenschap wel ergens een gen moet worden afgelezen. Het gaat dan echter om genen als een noodzakelijke voorwaarde voor de ontwikkeling, niet om genen waarvan de variatie bijdraagt aan de variatie van het kenmerk Omgeving speelt altijd een rol omdat voor de ontwikkeling van elke eigenschap wel ergens omgevingsinput nodig is. Ook hier geldt dat we het bij de mate van erfelijke/omgevingsinvloed het hebben over de bijdrage aan de variatie van een kenmerk.

40. Programma overzicht Oefening A. genen en omgeving in de marathon Waarom aandacht hiervoor? Gen, omgeving en eigenschap nader bezien Wat is ‘genetisch bepaald’ en hoe onderzoeken we dat Oefening B. mechanismen en routes Gebruik in de les