Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Lerarenopleidingen Science en Wiskunde/Rekenen

Kanker als context

Bij het reizende DNA-lab ‘Lees de taal van de tumor’ is veel lesmateriaal ontwikkeld. In dit webartikel kunt u lesmateriaal downloaden dat ook als afzonderlijk lesmateriaal gebruikt kan worden: ‘Op zoek naar een gen in een databank’, ‘Van nature tot metro’, ‘Organisatieniveaus’ en ‘De tumor als evolutieproces’. Deze materialen sluiten aan bij de nieuwe examenprogramma’s op de gebieden redeneren tussen organisatieniveaus, kennis/vaardigheden toepassen in een context en de nieuwe onderwerpen in de centrale examens ‘moleculaire interactie’, ‘cellulaire interactie’ en ‘zelforganisatie van cellen’. Naast de lesmaterialen vindt u in dit webartikel achtergrondinformatie over kanker als context.

In ‘Lees de taal van de tumor’ onderzoeken leerlingen tumorcellen op drie veelvoorkomende mutaties, die zorgen voor belangrijke eigenschappen van tumorcellen:

Mutatie in gen Gen codeert voor Mutatie zorgt voor tumor-eigenschap
Her2/neu Receptor voor groeisignaal Groeiregulatie verstoren
CdH2 Eiwit dat cellen verbindt Uitzaaien
Brca1 DNA-reparatie eiwit DNA-reparatie verstoren

Er zijn verschillende inleidende en afsluitende lessen bij dit DNA-lab ontwikkeld, waarvan u er vier in dit webartikel kunt downloaden.

Wat is er belangrijk voor een opleider?

De onderwerpen in dit webartikel sluiten op drie manieren aan bij de examenprogramma’s, zoals die voor havo vanaf 2015 en voor vwo vanaf 2016 worden geëxamineerd:

  1. In deze programma’s is aandacht voor biologische vakvaardigheden, waarbij het kunnen redeneren tussen verschillende organisatieniveaus een hoofdonderdeel is. Dit webartikel laat zien hoe binnen het onderwerp kanker de interactie tussen de organisatieniveaus expliciet kan worden behandeld. Zie onder het kopje Kanker en organisatieniveaus
  2. Het biologieonderwijs moet de leerling voorbereiden om biologische kennis en vaardigheden in een context toe te passen, waarbij gezondheid een belangrijk contextgebied is. In leefwereld-, beroeps- en wetenschappelijke contexten liggen veel mogelijkheden om hierop in het onderwijs aan te sluiten, waarvan sommige ook als voorbeeld in de examensyllabi zijn opgenomen
  3. Nieuwe onderwerpen in het CE zijn voor vwo Moleculaire interactie (D1), Cellulaire interactie (D2) en voor zowel havo als vwo Zelforganisatie van cellen (C1). Al deze onderwerpen kunnen uitstekend worden geïllustreerd via de verstoring ervan zoals bij kanker. De ‘supereigenschappen van een tumor’, zoals toegelicht onder de kop Kanker vergelijken met evolutie, geven daarmee ook de ‘superbeschermingsmechanismen’ aan van de cel, waarbij kanker alleen ontstaat als al deze mechanismen tegelijk falen. In het (lesmateriaal behorende bij het) DNA lab wordt dan ook de nadruk gelegd op de noodzaak van meerdere mutaties voordat cellen ontsporen

Een extra niveau van biologisch inzicht kan worden verkregen door het proces van het ontstaan van een tumor te vergelijken met natuurlijke selectie. Ook hiervoor biedt dit webartikel een voorbeeld (zie onder Kanker vergelijken met evolutie).

Wat kan een docent eraan hebben?

Dit artikel biedt concreet lesmateriaal (zie onder Overzicht van het lesmateriaal) en achtergrondinformatie hierbij.

Overzicht van het lesmateriaal

In dit webartikel vindt u de volgende lesmaterialen:

  • ‘Op zoek naar een gen in een databank’, zie hieronder
  • ‘Van nature tot metro’, zie hieronder
  • ‘Organisatieniveaus’, zie onder de kop Kanker en organisatieniveaus
  • ‘De tumor als evolutieproces’, zie onder Kanker vergelijken met evolutie

Over het lesmateriaal
Leerlingen krijgen van het bedrijf ‘DNA-lab support’ de opdracht een rapport te maken over het gen p53. Leerlingen moet uitzoeken op welke locatie in het DNA p53 ligt, hoe groot p53 is en welke genen er naast p53 liggen. Hiervoor maken de leerlingen gebruik van echte databanken, die door wetenschappers over de hele wereld gebruikt worden bij hun onderzoek. Leerlingen krijgen zo een duidelijker beeld van:

  • Hoe een gen in het genoom gelegen is
  • Hoe databanken functioneren

Benodigdheden

  • Download: Leerlingenhandleiding ‘Op zoek naar een gen in een databank’ (geschikt zonder DNA-lab)
  • Download: Leerlingenhandleiding ‘Op zoek naar een gen in een databank’ (geschikt na volgen DNA-lab)
  • Download: Docentenhandleiding ‘Op zoek naar een gen in een databank’ (zonder antwoorden)
  • Verder heeft u tijdens deze les een computerlokaal of laptops met internet nodig

De docentenhandleiding met antwoorden kunt u opvragen door een e-mail te sturen naar ECENT vanaf uw school-emailadres.

Doelgroep
Het lesmateriaal ‘Op zoek naar een gen in een databank’ kan gebruikt worden:

  • in de bovenbouw havo/vwo
  • bij het vak biologie of ANW

Leerlingen hebben de volgende voorkennis nodig voor deze module:

  • DNA bestaat uit een dubbele streng nucleotiden
  • Een gen is opgebouwd uit een specifieke nucleotidenvolgorde
  • Eén van beide strengen wordt afgelezen, maar dat kan per gen een andere streng zijn
  • Het menselijk genoom ligt in 23 paar chromosomen (+ in mitochondriën)

Leerdoelen
De leerdoelen van de module zijn dat de leerling kan:

  • aangeven dat databanken moleculaire gegevens bevatten van veel organismen (vooral genomen, nucleotidenvolgordes en aminozuurvolgordes) en weten dat deze voortdurend worden aangevuld
  • opzoeken in een databank wat de basale gegevens van het menselijk genoom zijn
  • vinden en beschrijven wat de locatie in het genoom is van een gegeven menselijk gen
  • bepalen wat de grootte van een gen is en de afstand tot naburige genen in baseparen

Over het lesmateriaal
In deze les lezen leerlingen een Engelstalig onderzoeksartikel uit Nature over de rol van genen bij de uitzaaiing van borstkankertumoren. Als opstap om dit artikel te kunnen lezen, gaan leerlingen eerst aan de slag met een krantenbericht uit de Volkskrant en een artikel uit het Bionieuws over dit onderwerp. Uiteindelijk wordt vanuit het Nature artikel weer teruggekeken naar het Volkskrant en Bionieuws artikel, om te onderzoeken wat er daar is weggelaten uit het oorspronkelijke artikel. Zo leren leerlingen hoe een wetenschappelijk artikel is opgebouwd, en hoe en waarom media bepaalde delen weglaten in publicaties voor een groter publiek. Ook zien ze iets van de opzet van een medisch biologisch onderzoek.

Benodigdheden

De docentenhandleiding met antwoorden kunt u opvragen door een e-mail te sturen naar ECENT vanaf uw school-emailadres.

Doelgroep
Het lesmateriaal ‘Van nature tot metro’ kan gebruikt worden:

  • in 6 vwo
  • bij het vak biologie

Leerlingen hebben de volgende voorkennis nodig voor deze module:

  • Kanker wordt veroorzaakt door mutaties in 5 tot 7 genen
  • Uitzaaiing wordt beïnvloed door mutaties
  • De rol van de bloed-hersen-barrière
  • Tevens is een redelijke beheersing van de Engelse taal noodzakelijk

Leerdoelen
De leerdoelen van de module zijn dat de leerling kan:

  • herkennen en benoemen wat de onderdelen van een Engelstalig wetenschappelijk artikel zijn
  • aangeven welke elementen in afgeleide literatuur zijn weggelaten en geaccentueerd
  • schematiseren wat er in een artikel staat

Kanker en organisatieniveaus

In het nieuwe examenprogramma biologie voor havo en vwo is systeemdenken een belangrijke eis voor examenkandidaten. Kanker is een verschijnsel dat op veel organisatieniveaus te bestuderen is, en waarmee ook veel relaties tussen organisatieniveaus te leggen zijn. Hieronder wordt een organisatieniveau-schema voor kanker beschreven, en kunt u lesmateriaal over dit schema downloaden. Hiermee kun je geleidelijk de complexiteit van kanker laten zien: leerlingen plaatsen eerst verschillende begrippen die bij kanker horen onder preventie, verschijnsel, diagnose en therapie, en vervolgens brengen zij deze onder bij de verschillende organisatieniveaus.

Kanker is een geschikte context voor systeemdenken. Kanker is namelijk op veel organisatieniveaus te bestuderen en tussen deze organisatieniveaus zijn veel relaties te leggen. Bijvoorbeeld:

Daarom is onderstaande advance organizer ontwikkeld (een structuur die het onthouden en verwerken van nieuwe kennis bevordert).

Oorzaken en Preventie (hoe kanker voorkomen) Bestrijding door je lichaam Verschijnselen bij kanker Diagnose (hoe kanker opsporen) Therapie (hoe kanker behandelen)
Molecuul
Cel
Weefsel
Orgaan
Organisme
Populatie

De advance organizer

Verticaal staan de organisatieniveaus uitgezet en horizontaal wat voorafgaat aan kanker (oorzaken en preventie), wat er gebeurt bij kanker en hoe kanker wordt geconstateerd en behandeld (diagnose en therapie). Er is horizontaal dus sprake van een zekere tijdslijn. Wanneer dit schema ingevuld wordt, kunnen verbanden aangeven worden m.b.v. pijlen. Er zijn zowel horizontale als verticale verbanden mogelijk.

De advance organizer in de klas
De advance organizer is verwerkt in een inleidende les voor het DNA-lab ‘Lees de taal van de tumor’ (zie onder ‘Lesmateriaal ‘Organisatieniveaus’’ voor meer informatie over deze les). Dit is getest in 4-vwo klassen op het Gemeentelijk Gymnasium Hilversum en het Gerrit Komrij College (voorheen de Driemark) in Winterswijk. In onderstaand document staan voorbeelden van antwoorden van leerlingen in het schema:

N.a.v. de testlessen hebben het Gemeentelijk Gymnasium Hilversum en de Driemark een voorstel gedaan voor een afsluitende les met het schema, en voor een beoordelingsopdracht met het schema. Deze voorstellen kunt u hieronder downloaden:

Over het lesmateriaal
In dit lesmateriaal leren leerlingen over de oorzaken/ontwikkeling van kanker en over DNA-onderzoek. Om hun kennis over kanker en DNA te ordenen, maken leerlingen gebruik van een schema waarin organisatieniveaus uitgezet staan tegen kanker-stadia (zie onder ‘Achtergrond’). Leerlingen vullen dit schema stapsgewijs in.
Zij starten met een schema waarin alleen de kanker-stadia genoemd staan. Zij vullen dit schema zo ver mogelijk in, op basis van wat ze al weten over kanker. Vervolgens gaat de les dieper in op de oorzaak van kanker: mutaties, en de gevolgen hiervan op celniveau. Daarna krijgen leerlingen een schema waarin alleen de organisatieniveaus staan. Per organisatieniveau moeten de leerlingen een verschijnsel bij kanker opschrijven. Als eindopdracht vullen leerlingen het volledige schema in, waarin zowel de organisatieniveaus als de kanker-stadia staan.

Benodigdheden

De docentenhandleiding met antwoorden kunt u opvragen door een e-mail te sturen naar ECENT vanaf uw school-emailadres.

Doelgroep
Het lesmateriaal ‘Organisatieniveuas’ kan gebruikt worden:

  • in 6 vwo
  • bij het vak biologie

Leerlingen hebben de volgende voorkennis nodig voor deze module:

  • Bij de eerste invulling van het schema wordt de voorkennis van leerlingen geactiveerd. Hierbij gaat het om algemeen aanwezige voorkennis die wordt gedeeld door deze in het schema onder te brengen
  • Bij de verdere invulling van het schema heeft de leerling de gegevens nodig uit de inleidende les en het DNA-lab zelf

Leerdoelen
De leerdoelen van de module zijn dat, naast kennis nodig om het DNA-lab te begrijpen, de leerling:

  • leert om begrippen rond kanker in te delen in aspecten als preventie, diagnose en therapie
  • leert dat er ‘horizontale verbindingen’ zijn te maken. Bijvoorbeeld: een diagnose (4e kolom) moet een bepaald verschijnsel van kanker (3e kolom) waarnemen
  • leert dat er ‘verticale verbindingen’ zijn te maken. Bijvoorbeeld: een verschijnsel op celniveau (verstoorde celdood) wordt veroorzaakt door een verschijnsel op moleculair niveau (eiwit TP53 is niet aanwezig) en leidt zelf tot verschijnselen op weefsel- en orgaanniveau (tumor en verstoren orgaanwerking)

Kanker vergelijken met evolutie

Een manier waarop kankeronderzoekers naar tumoren kijken is als een succesvol geëvolueerde populatie van cellen. Tumoren vanuit evolutieperspectief bekijken helpt de ontstaanswijze van een tumor namelijk beter te begrijpen. Deze strategie kan ook gebruikt worden in het onderwijs. Op deze manier krijgen leerlingen dieper inzicht in zowel het evolutieproces als de processen die leiden tot tumoren. Hieronder kunt u lesmateriaal hierover downloaden, en vindt u informatie over de overeenkomsten en verschillen tussen het ontstaan van tumoren en het evolutieproces.

Hieronder wordt ingegaan op de overeenkomsten en verschillen tussen het ontstaan van tumoren en het evolutieproces.

Survival en fitness

Tumoren worden gekenmerkt door de volgende acht supereigenschappen (zie afbeelding):

De supereigenschappen van een tumor zijn te vergelijken met de principes die ten grondslag liggen aan evolutie van organismen (survival en fitness), zie onderstaande tabel:

Survival en fitness Evolutie Tumor
Beter overleven individu Bijvoorbeeld vermijden van predatie:
• Dieren met betere schutkleur
• Planten die vraat beter kunnen overleven		 • Resistentie tegen chemotherapie
• Angiogenese
• Immuunsysteem ontwijken
• Apoptose ontwijken
Relatief grotere reproductie Bijvoorbeeld snellere voortplanting:
• Dieren en planten die meerdere malen per jaar nakomelingen krijgen		 • Niet afhankelijk van groeisignalen
• Ongevoelig voor anti-groeisignalen
• Oneindig replicatievermogen
Effectiever in concurrentie dan soortgenoten Bijvoorbeeld effectiever in voedsel verkrijgen:
• Dieren met effectievere spijsvertering
• Planten met snellere wortelvorming		 • Weefselinvasie en metastase
• Angiogenese

Genetische principes
Aan zowel evolutie als het ontstaan van tumoren liggen de volgende genetische principes ten grondslag:

  • Er is een populatie (organismen bij evolutie; cellen bij tumoren) met genetische verschillen (door mutaties) waar natuurlijke selectie op werkt. Een tumor bestaat dus uit een heterogene populatie van cellen. Nakomelingen (bij evolutie) / uitzaaiingen (bij tumoren) verschillen genetisch gezien van de oorspronkelijke organismen / cellen
  • Er zijn meerdere mutaties nodig. Voor de ‘supereigenschappen’ van een tumor zijn 5 tot 7 mutaties nodig
  • Deze mutaties moeten in een specifieke volgorde optreden
  • Er is sprake van convergentie: een gelijke selectiedruk levert vergelijkbare producten op in niet-verwante organismen/cellen. Alle tumoren hebben een unieke mutatie-combinatie, maar wel dezelfde supereigenschappen
  • Evolutie en ontstaan van tumoren lijken achteraf beschouwd een doelgericht proces. Dit komt doordat de mutatie die zorgt voor de voordelige eigenschap de enige is die we later terugzien. De miljoenen andere mutaties die tegelijkertijd plaatsvonden, maar niet tot de voordelige eigenschap hebben geleid, verdwijnen uit het zicht

Evolutie en tumoren zijn dus beide het gevolg van extreem kleine kansen, die plaats kunnen vinden door een combinatie van grote aantallen en selectievoordeel.

Er zijn ook verschillen tussen het ontstaan van tumoren en evolutie:

  • Het evolutieproces kan bevorderd worden door geslachtelijke voortplanting (nieuwe mutatie-combinaties in nakomeling). Bij tumoren is geen geslachtelijke voortplanting mogelijk, daarom moeten mutaties bij tumoren in dezelfde cel ophopen
  • Tumorcellen maken gebruik van mutaties die het ontstaan van nieuwe mutaties vergemakkelijken. Bijvoorbeeld mutaties in genen die betrokken zijn bij DNA-reparatie of de chromosoomverdeling. Zo ontstaat een sneeuwbaleffect van mutaties
  • Tumorcellen krijgen relatief meer ‘nageslacht’ door het ontsnappen aan regulatiemechanismen

Over het lesmateriaal
In dit lesmateriaal vergelijken leerlingen evolutie en kanker, waardoor zij dieper inzicht krijgen in beide processen. Het doel van de les is dat leerlingen zich realiseren dat er zowel bij evolutie als bij kanker sprake is van een ophoping van ‘gunstige’ mutaties, waardoor beide processen achteraf bezien door een gestuurd proces lijken te zijn ontstaan. De leerlingen ontdekken de overeenkomsten en verschillen tussen het evolutieproces en het ontstaan van een tumor.

Overeenkomsten

  • De kans op mutaties die een selectievoordeel opleveren is klein, maar er zijn veel kansen
  • Er moeten meerdere mutaties in de juiste volgorde bij elkaar komen
  • Er is selectie op factoren die een groter aandeel in de nakomelingen bevorderen
  • Convergentie: een gelijke selectiedruk levert vergelijkbare producten op in niet-verwante organismen/cellen

Verschillen

  • Een cel (bij het ontstaan van een tumor) kan geen mutaties combineren via geslachtelijke voortplanting
  • Een cel (bij het ontstaan van een tumor) krijgt relatief meer ‘nageslacht’ door het ontsnappen aan regulatiemechanismen

Benodigdheden

De docentenhandleiding met antwoorden kunt u opvragen door een e-mail te sturen naar ECENT vanaf uw school-emailadres.

Doelgroep
Het lesmateriaal ‘De tumor als evolutieproces’ kan gebruikt worden:

  • in 6 vwo
  • bij het vak biologie

Leerlingen hebben de volgende voorkennis nodig voor deze module:

  • Kennis over DNA transcriptie en translatie
  • Kanker wordt veroorzaakt door mutaties in 5 tot 7 genen. Deze genen coderen o.a. voor eiwitten die zorgen voor celdood-regulatie bij afwijkende cellen, groeifactor-receptoren en onderlinge celhechting
  • Erfelijke variatie, onderlinge concurrentie en selectie liggen ten grondslag aan evolutie

Leerdoelen
De leerdoelen van de module zijn dat de leerling kan:

  • uitleggen dat elke kanker een unieke reeks mutaties heeft verzameld, die via verschillende wegen leidt tot dezelfde kenmerken van een tumor
  • aangeven wat de overeenkomsten en verschillen zijn tussen het evolutieproces en het ontstaan van een tumor

Verwijzingen

  • Website: Erfelijkheid.nl – bevat informatie over erfelijkheid, erfelijke aandoeningen en genetisch onderzoek

Kanker vergelijken met evolutie

Kanker en organisatieniveaus

  • Website: Verhoeff R.P., Boerwinkel D.J. & Waarlo A.J. (2009). Genomics in school. EMBO Reports, 10:2, 120-124 – over systeemdenken als manier om genomics in het biologiecurriculum te brengen

Gerelateerde artikelen

ELWIeR en Ecent als één STEM