Hoe de natuur het midden van een organisme vindt
De vorm van levende wezens wordt vanaf de eerste cel waaruit ze groeien gestuurd door boodschappereiwitten die morphogenen worden genoemd. Op een of andere manier weet de natuur daarbij op een betrouwbare manier steeds het midden van een organisme te vinden zodat 'kop' en 'staart' zich goed ontwikkelen. Onderzoekers van het Imperial College in Londen en het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben nu een model ontwikkeld dat moet helpen begrijpen hoe de natuur dat doet. Zij voorspellen in het embryo van een fruitvlieg het bestaan van een nog onbekend morphogen. Ze publiceren hierover in het vakblad Physical Review Letters van 11 november 2005. Het artikel gaat op 7 november 2005 online.
Het menselijk lichaam bestaat uit ongeveer tweehonderd verschillende soorten cellen, die samen in een aantal van zo'n 100.000 miljard cellen een menselijk lichaam vormen. Het begint allemaal met één bevruchte eicel. Hoe ontstaan daar die tweehonderd verschillende celtypen uit? En hoe wordt de ruimtelijke verdeling van de cellen gestuurd? Dat zijn fundamentele vragen in de biologie. Wie ooit foto's heeft gezien van de ontwikkeling van een menselijk embryo, weet dat het embryo begint als een ogenschijnlijk wanordelijk klompje cellen, waarin geleidelijk aan een specialisatie van cellen en vormen optreedt die leidt tot de onmiskenbaar menselijke gestalte van de ongeboren baby. Hoe komen alle cellen uiteindelijk op de juiste plaats terecht? En hoe schalen de lichaamsdelen met de grootte van het organisme?
Embryonale ontwikkeling van fruitvliegje
"We kunnen die vraag ook formuleren als: hoe vindt de natuur het 'midden' van een organisme", zegt dr. Pieter Rein ten Wolde van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam. Samen met zijn collega dr. Martin Howard van de Faculteit Wiskunde van het Imperial College in Londen publiceert hij in de Physical Review Letters van 11 november 2005 de resultaten van een modelstudie naar het mechanisme waarmee een groeiend biologisch systeem zijn centrum weet te bepalen. Dat is een intrigerende prestatie gezien het feit dat de onderliggende biochemische processen in een cel of een organisme voortdurend fluctueren. In elk embryo bijvoorbeeld is de verhouding tussen aanmaak en afbraak van eiwitten - de moleculen die de erfelijke eigenschappen tot uitdrukking helpen brengen - verschillend. Ten Wolde en Howard passen het model dat ze hebben ontwikkeld toe op het embryo van de fruitvlieg (Drosophila melanogaster). Het fruitvliegje behoort tot de best bestudeerde organismen als het gaat om embryonale ontwikkeling.
Expressiepatroon van genen robuust
Nu zou men echter verwachten dat de Bcd-gradiënt verstoord wordt door fluctuaties in de onderliggende biochemische processen. Zo zal bijvoorbeeld niet in elk embryo de aanmaak- en afbraaksnelheid van Bcd hetzelfde zijn. Recente experimenten hebben dit ook aangetoond: de Bcd-gradiënt varieert sterk van embryo tot embryo. De bestaande modellen zouden nu voorspellen dat de expressie van de 'doelgenen' ook sterk fluctueert. Dit blijkt echter niet het geval te zijn: ondanks het feit dat de Bcd-gradiënt grote variaties vertoont, is het expressiepatroon van hb heel robuust. Het gebied waar het hunchback mRNA tot expressie komt, blijkt altijd precies tot halverwege het embryo te reiken, onafhankelijk van de lengte van het embryo. Er bestaat dus kennelijk een mechanisme dat variaties in de Bcd-gradiënt kan filteren.
Er zijn de afgelopen jaren allerlei mechanismen bedacht die robuuste patronen van genexpressie kunnen genereren. Deze mechanismen richten zich echter allemaal op de stabiele vorming van de morphogengradiënt, terwijl de recente experimenten dus juist lieten zien dat deze morphogengradiënten vaak sterk fluctueren. Klaarblijkelijk is er een buffermechanisme actief op een ander niveau.
Nog niet waargenomen morphogen?
In het model dat Howard en Ten Wolde hebben ontwikkeld, veronderstellen ze de aanwezigheid van een morphogen, een zogenaamde co-repressor, dat vanaf de achterkant het embryo in diffundeert. Dit morphogen kan aan Bcd binden en daarmee Bcd inactiveren; Bcd gebonden aan de co-repressor kan genen stroomafwaarts zoals hb niet meer aanzetten. Met dit tweede morphogen bereiken de onderzoekers een verdeling en verhouding van eiwitten die goed overeenkomt met de waarnemingen en die ook goed werkt bij veranderende afmetingen van het embryo. Steeds wordt zo de aanmaak van het hunchback-eiwit precies vanaf het midden van het embryo voldoende onderdrukt. Aan biologen nu de opdracht dat tweede, nog onbekende, morphogen te vinden. "Als het er echt blijkt te zijn, dan heeft ons model mogelijk een zeer brede geldigheid," aldus Ten Wolde.