Diffusie kan genexpressiepatronen minder diffuus maken
De ontwikkeling van een embryo wordt gestuurd door ruimtelijke patronen van genregulerende eiwitten die het lot bepalen van elke cel in het embryo. Recente experimenten hebben laten zien dat deze patronen zeer precies zijn, ondanks dat de synthese van de genregulerende eiwitten stochastisch van aard is. Onderzoekers van het FOM Instituut AMOLF en het John Innes Centre in Engeland hebben nu een wiskundig model ontwikkeld dat deze paradox kan verklaren. Hun model laat zien dat diffusie van de genregulerende eiwitten een cruciale rol speelt: diffusie kan, verrassend, de ruimtelijke patronen scherper maken. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 17 december in het toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.
Alle cellen in ons lichaam bevatten het zelfde DNA, en toch is niet elke cel hetzelfde: een hartcel verschilt bijvoorbeeld sterk van een levercel. Deze verschillen ontstaan doordat tijdens de embryonale ontwikkeling in de cellen verschillende genen worden aangezet. Dit proces van celdifferentiatie moet ruimtelijk gecoördineerd worden, opdat cellen weefsels en organen kunnen vormen die een duidelijke ruimtelijke structuur hebben. Deze aansturing vindt plaats via ruimtelijke patronen van genregulerende eiwitten. Zij zorgen ervoor dat de juiste genen in cellen op de juiste plaats worden aangezet.
Dit proces is wellicht het best begrepen voor het zogenaamde Biciod-Hunchback systeem in de fruitvlieg Drosophila. Bicoid is een genregulerend eiwit dat een exponentiële concentratiegradiënt vormt in de lengterichting van het embryo. Eén van de genen dat Bicoid moet activeren is hunchback. Dit gen wordt tot expressie gebracht (‘aangezet’) wanneer de concentratie van Bicoid boven een bepaalde drempelwaarde ligt, met als gevolg dat de concentratie van Hunchback hoog is in de voorste helft van het embryo en laag in de achterste helft. Recente experimenten hebben nu laten zien dat fluctuaties in de positie waar de concentratie van Hunchback zijn half-maximale waarde bereikt minimaal zijn, namelijk minder dan één cel. Dit betekent dat de twee helften van het embryo heel nauwkeurig bepaald zijn. Wát deze grens nu zo scherp maakt was echter niet begrepen: omdat de synthese van Hunchback een stochastisch proces is, was de verwachting dat de grens van het expressiedomein diffuus zou zijn.
De onderzoekers van het AMOLF en het John Innes Centre hebben een wiskundig model opgesteld dat de experimentele waarnemingen kwantitatief kan beschrijven. Bovendien laat hun model zien dat diffusie van Hunchback essentieel is voor het vormen van een scherpe grens tussen het voorste en het achterste deel van het embryo. Diffusie leidt er namelijk toe dat de Hunchback moleculen die door een sterke fluctuatie in korte tijd in een cel geproduceerd worden, snel verspreid worden over naburige cellen, met als gevolg dat de ruis in de concentratie van Hunchback naar beneden gaat. Diffusie kan genexpressiepatronen dus scherper maken door fluctuaties in de synthese van eiwitmoleculen uit te smeren over meerdere cellen. De onderzoekers denken dat dit mechanisme, waarbij diffusie het effect van biochemische ruis onderdrukt, ook een rol kan spelen in andere systemen.
Informatie
Wilt u meer informatie over dit onderzoek? Neem dan contact op met Pieter Rein ten Wolde, FOM–instituut AMOLF, telefoon: (020) 754 72 81.
Referentie
Role of Spatial Averaging in the Precision in Gene Expression Patterns, T. Erdmann, M. Howard and P.R. ten Wolde, Phys. Rev. Lett. 103, 258101 (2009), December 17, 2009.