Ontwikkelings- biologie - van informatie tot formatie

De voordrachten, uitgesproken tijdens het symposium 'Ontwikkelingsbiologie - van informatie tot formatie' leverden het materiaal voor
deze uitgave.
Het symposium vond plaats op 24 en 25 oktober 1974 in Den
Haag, en werd georganiseerd door de Nederlandse Vereniging voor
Ontwikkelingsbiologie in samenwerking met de Biologische Raad van
de Koninklijke Nederlandse Akademie van Wetenschappen.
ontwikkelingsbiologie
Redactie:dr.J. Faber
dr. W. L. M. Geilenkirchen.
Centrum voorLandbouwpublikatiesenLandbouwdocumentatie
Wageningen -1975
W-f r i l
Kort voor het ter persegaan van dezeuitgaveoverleed prof. dr. H. D.
Berendes op 25 mei 1975 geheel onverwachts. De Nederlandse ontwikkelingsbiologie heeft door zijn dood een gevoelig verlies geleden.
ISBN 902200572 0
Copyright: Pudoc, Centrum voor Landbouwpublikaties en Landbouwdocumentatie, Wageningen
Op de omslag: Viercellig embryo van Ascaris mechalocephala (spoelworm) (Uit Theodor Boveri, 1899)
Druk: Boek- en Offsetdrukkerij Verweij Wageningen B.V.
P L A N T K - Y . ! ^ SW l X i N t t k
CfcNTR.
Inhoud
Inleiding
r
Dr. J. Faber Hubrecht Laboratorium van de Koninklijke NederlandseAkademie van Wetenschappente Utrecht . . . .
7
Genetische en epigenetische factoren in de ontwikkeling
Prof. dr. J. G. H. Wessels Botanisch Laboratorium van de
Rijksuniversiteit te Groningen
14
De functie van het genoom in de ontwikkeling
Prof.dr.H. D.Berendest GenetischLaboratorium vande Katholieke Universiteitte Nijmegen
39
De activiteit van genen tijdens de vroege ontwikkeling en de
geslachtsdifferentiatie bij zoogdieren
Dr. R. L. Gardner Department of Zoology, Oxford University,
Oxford,Engeland
Determinatie tijdens de vroege ontwikkeling
Prof. dr. J. H. Sang School of BiologicalSciences, University
of Sussex, Brighton, Engeland
69
105
Het ontstaan van ruimtelijke ordening tijdens de ontwikkeling
van insekten
Dr. W. J. Ouweneel Hubrecht Laboratorium van de KoninklijkeNederlandseAkademie van Wetenschappen te Utrecht . . 1 2 6
De genetische regulatie van de celdifferentiatie, toegelicht aan
dehandvan deSpermiogenese van Drosophila hydei
Prof. dr. O. Hess Institut für Allgemeine Biologie,Universität
Düsseldorf, Düsseldorf, Duitse Bondsrepubliek
169
De overgang van devegetatieve naar degeneratieve fase
Prof. dr. H. F. Linskens Botanisch Laboratorium van de Katholieke Universiteitte Nijmegen
180
Glossarium
206
Literatuur
220
Register
240
Inleiding
J. FABER
Hij die dingen ziet zoals ze zich vanaf het begin ontwikkelenzaler hetmooistezichtophebben.
Aristoteles
De ontwikkelingsbiologie neemt een belangrijke plaats in binnen het
geheel van de biologische wetenschappen. Voor deze bewering zijn
verschillende argumenten aan te voeren. In de eerste plaats is ontwikkeling een fundamentele eigenschap van alles wat leeft. Het geheel
dat wij leven noemen speelt zich af in drie van elkaar te onderscheiden tijdschalen: de fysiologische tijdschaal, gemeten in eenheden van
de orde van grootte van seconden en minuten; de genetisch-ontogenetische tijdschaal, grofweg gemeten in uren, dagen,weken of maanden;
en tenslotte de evolutionaire tijdschaal, gemeten in decennia, eeuwen
of zelfs miljoenen jaren. Ontwikkelingsprocessen spelen zich af in de
tweede tijdschaal, en vrijwel elke bioloog die met levend materiaal
werkt krijgt te maken met continue, soms vrij snelle, soms zeer langzame veranderingen in zijn materiaal, die onder het hoofd ontwikkeling vallen.
Het tweede argument dat ik wil noemen is van groter belang: de
ontwikkelingsbiologie isbij uitstek geschikt om inzicht te verschaffen
in de specifieke organisatie dieeigen is aan alleleven - de organisatie
van uitermate complexe maar niettemin geïntegreerde systemen. De
ontcijfering van de genetische code vastgelegd in het DNA van de
chromosomen, en daarmee de opkomst van de moleculaire biologie,
hebben een sterke impuls gegeven aan een bepaald soort 'reductionisme' dat de sleutel tot allebiologischeproblemen zoekt in de kennis
van DNA, RNA, eiwitten en andere macromolekulen en hun interacties. Daartegenover wordt de laatste jaren steeds duidelijker de
waarschuwing gehoord dat wij het totale organisme niet uit het oog
mogen verliezen. Volgens velen is het belangrijkste probleem waar-
voor de biologie zich momenteel gesteld ziet de ontraadseling van de
biologische organisatie en integratie op hogere niveaus dan het moleculaire (hoebelangrijk overigens demoleculair-biologische benadering
is en zal blijven). Om deze reden zijn verschillende moleculair-biologen van naam (Crick, Brenner, Benzer) zich de laatste jaren gaan
bezighouden met de ontwikkelingsbiologie.
Iets van het voorgaande komt tot uitdrukking in de ondertitel van
het symposium: 'Van informatie tot formatie'. Ter voorkoming van
misverstand wil ik er de nadruk op leggen dat wij het woord 'informatie' niet gebruiken in de zin die de mathematische informatietheorie daaraan geeft, maar in een veel ruimere, en daardoor minder
exacte betekenis. (Voor een strikt informatie-theoretische behandeling
van de dierlijke ontwikkeling, zie Raven, 1968.) Onder 'informatie'
wordt voornamelijk de genetische informatie verstaan; het zal echter
in de loop van dit boek duidelijk worden dat dit niet de enige informatie voor de ontwikkeling is, maar dat er ook sprake is van informatie vastgelegd in het cytoplasma, en wel speciaal in de cortex van
de eicel.De aanvankelijk gegeven informatie wordt tijdens de ontwikkeling 'vertaald', en nu denk ik niet uitsluitend aan 'transcriptie' en
'translatie', maar ook aan hogere niveaus dan het moleculair-genetische. Het woord 'formatie' staat voor de resultaten van dit proces
van informatieverwerking ophogere niveausvan organisatie. Ik noem
hier slechts enkele aspecten, zoals de cellulaire differentiatie, de samenwerking van cellen bij de opbouw van weefsels en organen, en het
ontstaan van deruimtelijke vorm vanhet organisme.Het zal duidelijk
zijn dat al deze processen verfijnde regulatiemechanismen vereisen,
die ervoor moeten zorgen dat ondanks de grote gecompliceerdheid
een normaal en functioneel eindresultaat bereikt wordt.
Ik heb een aantal malen het woord 'niveau' of 'organisatieniveau' gebruikt. Dit brengt mij vanzelf op een sleutelbegrip voor de biologische
organisatie, namelijk het begrip hiërarchie. Ik kan dit het best toelichten met een eenvoudig schema dat de hiërarchische opbouw van
een gecompliceerd organisme weergeeft (fig. 1). Eenvoudigheidshalve
onderscheid ik slechts vier niveaus van organisatie: het organisme als
geheel; de samenstellende organen; de cellen die de organen vormen;
en de molekulen waaruit de cellen zijn opgebouwd. Dit is een structurele hiërarchie, maar parallel hiermee, en onlosmakelijk ermee verbonden, bestaat er ook een hiërarchie van processen. Als we aan ont8
Fig. 1. Schema van de hiërarchische opbouw van een organisme uit organen, cellen en molekulen.
wikkelingsprocessen denken kunnen we bijvoorbeeld onderscheiden
(ditmaal beginnend bij het laagste niveau): de moleculaire differentiatie, de cellulaire differentiatie, de Organogenese, en tenslotte de
embryogenese en de postembryonale ontwikkeling van het organisme
als geheel (zoals het ontstaan van de volgroeide plant uit de kiemplant). Kenmerkend voor een hiërarchie (hetzij structureel of functioneel) is dat er op elk moment in de tijd interacties plaatsvinden
tussen alleorganisatieniveaus; dit iswat het organisme tot een eenheid
maakt (zieWeiss, 1969). Daarnaast is er van veel kanten op gewezen
dat er op een bepaald niveau van organisatie relaties tussen de samenstellende delen of processen bestaan die niet altijd geheel gereduceerd
kunnen worden tot de relaties die één of meer niveaus lager gelden.
Dit kan beschouwd worden als een argument tegen het strikte moleculaire reductionisme dat ik eerder noemde. Ik kan hier niet verder
op ingaan, maar moet verwijzen naar het boekje 'Hierarchy theory'
dat in 1973 onder redactievan Howard Pattee is verschenen, en waaraan o.a. de ontwikkelingsbiologen Grobstein en Bonner hebben meegewerkt.
De aard van een hiërarchisch systeem kan het best worden bestudeerd daar waar relatief eenvoudige systemen zich ontwikkelen tot
meer complexe systemen. Tijdens de ontwikkeling van een eicel tot
een complex organisme verschijnen steeds hogere niveaus van organisatie, terwijl toch elk ontwikkelingsstadium een in zich gesloten en
levensvatbaar individu is. Voor het begrijpen van het zeer complexe
eindprodukt van de ontwikkeling zijn wij dus niet uitsluitend aangewezen op het volwassen organisme zelf; we kunnen de interacties
tussen de opeenvolgende organisatieniveaus als het ware stapsgewijs
analyseren. Hierin ligt volgens mij de bijzondere betekenis van de
ontwikkelingsbiologie.
De analyse van ontwikkelingsprocessen kan zich richten op verschillende niveaus van organisatie. Zo kunnen we verschillende niveaus van analyse onderscheiden: het moleculaire, het subcellulaire,
het cellulaire, het supracellulaire en het 'organismale' niveau. Welke
benadering men kiest hangt o.a. sterk af van depersoonlijke voorkeur,
maar alle zijn onontbeerlijk voor ons uiteindelijk inzicht. We kunnen
alleen hopen de ontwikkeling van hoog-gestructureerde en geïntegreerde organismen ooit beter te zullen begrijpen wanneer we een geintegreerde benadering toepassen: de analyse zal op zoveel mogelijk
niveaus parallel moeten plaatsvinden, omdat de resultaten elkaar
noodzakelijkerwijs aanvullen en pas gezamenlijk een sluitend beeld
vormen. De komende hoofdstukken zullen voorbeelden geven van
analyse op verschillende niveaus.
Reeds enkele malen heb ik een ander sleutelwoord gebruikt: differentiatie. Dit is eigenlijk een ongelukkig woord, want het omvat twee
nogal verschillende begrippen: differentiatie in de ruimte en in de
tijd. Letterlijk betekent het: het groter worden van de verschillen tussen de delen van het zich ontwikkelende organisme. Als we ons even
beperken tot de embryonale ontwikkeling van dieren kunnen we dit
met een sterk vereenvoudigd schema toelichten (fig. 2). Dit schema
vertoont een verticale ruimte-as (die eigenlijk drie-dimensionaal zou
moeten zijn) en een horizontale tijd-as. Voor de differentiatie in de
ruimte gebruiken we meestal de term patroonvorming, voor die in de
tijd de woorden histogenèse (voor weefsels) en celdifferentiatie (voor
cellen), maar soms ook kortweg differentiatie, hoewel het in feite
slechts één aspect van dit begrip betreft. Celdifferentiatie en patroonvorming zijn niet van elkaar los te denken.Te zamen leiden zij tot het
ontstaan van de specifieke ruimtelijke organisatie van het organisme,
die tegelijkertijd een functionele organisatie is, daar vorm en functie
niet van elkaar te scheiden zijn.
Het ontstaan van de ruimtelijke vorm als zodanig, zowel van het
organisme als van zijn afzonderlijke organen, wordt aangeduid met de
term morfogenese. Dikwijls gebruikt men dezeterm ook als synoniem
10
Ei
Embryo
Kiembladen
Organen
^ectoderm
ruimtelijke
eicel-*~blastula-»-gastrula•
-mesoderm
differentiatie
[patroonvorming]
^entoderm
differentiatie in de tijd
Ihistogenèse en celdifferentiatie]
Fig.2. Sterk vereenvoudigde weergave vande dierlijke embryogenese ter
toelichting vanhetbegrip 'differentiatie'. Hetpatroon van organen is schematisch weergegeven doorverschillen inde vormenarcering vande symbolen.
voor ontwikkeling als zodanig, dus met inbegrip van de functionele
(fysiologische) aspecten. (Strikt genomen is hier echter sprake van
oneigenlijk woordgebruik.)
Eén van de dingen die ik uit het schema heb weggelaten, is het
feit dat er voor elk celtype een moment in de ontwikkeling is aan te
wijzen waaropnog geen zichtbare celdifferentiatie is opgetreden, maar
de cellen toch reeds zijn geprogrammeerd voor een bepaalde ontwikkelingsrichting. Aan dit fundamentele, maar nog slecht begrepen
verschijnsel van de determinatie zal in verschillende hoofdstukken
aandacht worden besteed) In gevallen waarin cellen nog niet zijn gedetermineerd (zoals de cellen van de klievingsstadia van vele diersoorten) spreken we van totipotente cellen (d.w.z. cellen die nog alle
ontwikkelingspotenties bezitten).
Omdat het organisme hiërarchisch is opgebouwd en zijn ontwikkeling
zich in de tijd afspeelt, zal het duidelijk zijn dat de verwerking van
de in het begin gegeven informatie in ruimte en tijd op getrapte wijze
moet plaatsvinden. De informatie aanwezig op een bepaald niveau
van organisatie (bijvoorbeeld dat van het DNA-molekuul) moet vertaald worden in termen van het naast-hogere niveau (bijvoorbeeld dat
11
van het cytoplasma en de celmembraan). Daarnaast moet informatie
aanwezig op een vroeg stadium soms worden verwerkt tot informatie
die pas op latere stadia wordt gebruikt.
De gang van zaken tijdens de dierlijke ontwikkeling kan bij wijze
van voorbeeld zeer kort als volgt geschetst worden. Cytoplasmatische
informatie vastgelegd in de eicel wordt omgezet in ruimtelijke verschillen tussen de cellen van het jonge embryo. Onder invloed van
deze cytoplasmatische verschillen wordt in de verschillende cellen telkens een ander gedeelte van de (in alle cellen aanwezige) genetische
informatie vertaald in termen van macromoleculaire synthese in het
cytoplasma (selectieve gen-activatie). Dit leidt tot het zojuist genoemde proces van de determinatie, dat we als de eerste stap van het
differentiatieproces kunnen beschouwen. Bij de latere fasen worden
weer andere genen selectief geactiveerd, bijvoorbeeld door hormonen.
Parallel hiermee vindt uitwisseling van informatie plaats tussen celgroepen en tussen individuele cellen. Dit komt o.a. tot uiting in het
feit dat de uiteindelijke bijdrage van elke cel aan de organisatie van
het geheel afhangt van zijn positie ten opzichte van andere cellen
(positionele informatie). Dit alles betreft voornamelijk de ruimtelijke
aspecten van de ontwikkeling. Wat het tijdsaspect betreft: de genetische informatie wordt niet altijd onmiddellijk gebruikt, maar kan in
een andere vorm in het cytoplasma worden opgeslagen, om eerst op
een later stadium te worden ingezet.
Al deze aspecten zullen in de volgende hoofdstukken aan de orde
komen. Zij hebben niet alleen betrekking op de dierlijke ontwikkeling
maar op alle fasen van de levenscyclus van planten, dieren en lagere
organismen, of dit nu generatieve of vegetatieve fasen zijn. Uit het
eerste en het laatste hoofdstuk zal blijken dat de beide fasen van de
individuele ontwikkeling van planten, dehaploïde en de diploïde fase,
en ookde overgangdaartussen (inclusief debevruchting) tot het ruime
gebied van de ontwikkelingsbiologie gerekend kunnen worden.
In dit boek komen voornamelijk dié aspecten van de ontwikkelingsbiologie aan de orde, waarbij het erom gaat het uiterst ingewikkelde
proces van informatieverwerking op verschillende niveaus van biologische organisatie te ontrafelen. De gehele ontwikkelingsbiologie omvat zeker meer, maar de informatieverwerking is een zeer belangrijk
en actueel aspect ervan. Het zal duidelijk zijn dat wij in zeven hoofdstukken vanditdeelgebiedgeengeheelvolledigbeeld kunnen schetsen.
12
r
Mijn inleidende opmerkingen, waarbij ik mij moest beperken tot algemene principes en begrippen, zullen velen wellicht wat erg abstract
aandoen, maar ik ben ervan overtuigd dat zij in de hoofdstukken die
volgen een meer concrete inhoud zullen krijgen.
13
Genetischeenepigenetischefactoren indeontwikkeling
J. G. H. WESSELS
Theorieën betreuende de ontogenèse
Het individuele levende organisme is een gebeuren dat zich afspeelt
in tijd en ruimte. Het leven van dier en plant start meestal met één
enkele cel en verloopt via een aantal opeenvolgende stadia uitmondend in een schijnbaar stabiele toestand die als volwassenheid bekend
staat, waarna de aftakeling volgt eindigend met de dood. Het verloop
van de opeenvolgende stadia die tot volwassenheid leiden wordt aangeduid als ontogenèse, het eerste deel hiervan meestal als embryogenese.
Het veelal gebruikte begrip 'ontwikkeling' roept meteen de gedachte op aan een historische controverse, die in feite terug gaat tot de
klassieke oudheid, maar die vooral in de laatste eeuwen een belangrijke rol heeft gespeeld in het biologisch denken. In de 17e en 18e
eeuw, toen de mannelijke en vrouwelijke geslachtscellen werden ontdekt, won de gedachte veld dat ofwel in het ei, ofwel in het zaad een
miniatuur van het organisme in volkomen vorm aanwezig moest zijn:
de theorie van de preformatie. Het gepreformeerde organisme zou
zich slechts letterlijk hoeven te ontwikkelen of ontplooien tijdens de
ontogenèse. Ondanks alle fantasie van de aanhangers, tot uitdrukking
komend in hun tekeningen,bleekdezetheoriebij nader microscopisch
onderzoek althans in deze vorm onhoudbaar. Tegenover de theorie
van de ontwikkeling van gepreformeerde structuren stelde C. Fr.
Wolff in 1759 dan ook zijn theorie van de epigenese. Volgens deze
opvatting is het bevruchte ei geheel structuurloos en homogeen. Tijdens de ontogenèse zou geleidelijk een toenemende mate van organisatie, van ingewikkeldheid ontstaan. Wanneer wij voorbijgaan aan de
zelfs in onze eeuw nog gepostuleerde vitalistische krachten die deze
toenamevan organisatie zouden moeten bewerkstelligen, moet worden
toegegeven dat de theorie van de epigenese op betere waarnemingen
14
berustte dan die van de preformatie. Zo nam Wolff waar dat in de
stengeltop van planten tijdens de groei telkens nieuwe bladprimordia
worden gevormd in een bepaalde geometrische rangschikking (zie ook
Wardlaw, 1970). Het is duidelijk dat hier inderdaad geen sprake kon
zijn van preformatie, aangezien de primordia gevormd worden in een
tevoren niet bestaand deel van de stengel.
Het zou te ver voeren om hier in te gaan op de manier waarop de
antithese tussen preformatie en epigenese een rol heeft gespeeld in het
werk van de grondleggers van de experimentele embryologie, zoals
W. Roux, H. Driesch en H. Spemann. Juist omdat het mogelijk bleek
de embryogenese experimenteel te beïnvloeden en te modificeren,
moesten epigenetische factoren wordenverondersteld.Anderzijds werd
het duidelijk dat de theorie van de epigenese van Wolff niet voldoende was ter verklaring van de ontogenèse. Immers, rond de laatste
eeuwwisseling werd de door Mendel ontwikkelde theorie van de erfelijkheid herontdekt: de aanleg voor alle eigenschappen van het volwassen individu moest reedsin debevruchte eicel aanwezig zijn.
Bij de huidige stand van ons biologisch inzicht is het duidelijk dat
de theorieën van preformatie en epigenese niet als antithesen tegenover elkaar behoeven te staan, maar elkaar kunnen aanvullen. Uiteraard is het wel nodig om de terminologie, die zo zwaar historisch
beladen is,een nieuweinhoud te geven (zieL0vtrup, 1974).
De erfelijkheidsleer en de moleculaire biologie hebben het inzicht
geopend dat het genoom van de cel de belangrijkste structurele informatie bevat in de volgorden van nucleotiden in het DNA. Hierdoor
wordt de samenstelling bepaald van alle RNA- en eiwitmolekulen die
een rol spelen bij het functioneren en de ontogenèse van het organisme. Ook is duidelijk geworden dat behalve deze 'structurele genen'
in het DNA nucleotidevolgorden voorkomen die als functie hebben
bepaalde groepen van structurele genen aan of uit te schakelen, de
zogenaamde 'regulatieve genen' (zie ook het hoofdstuk van Sang).
Daarom lijkt het zeer wel mogelijk dat in de structuur van het DNA
een aantal alternatieve mogelijkheden voor de expressie van de informatie in het genoom verankerd liggen. Zoals nader besproken zal
worden, is de in deze opvatting besloten liggende veronderstelling dat
het genoom tijdens de ontogenèse geen onomkeerbare veranderingen
behoeft te ondergaan, inderdaad in een aantal gevallen geverifieerd.
Het genoom is duidelijk een gepreformeerde component in de ontwikkeling.
15
Men zou echter dezelfde fout maken alsde oudepreformisten door
nu te stellen: 'omnis embryo e DNA' (elk embryo ontstaat uit het
DNA). In dit verband is meer wijsheid te vinden in de oude stelling
van Virchov: 'omnis cellula e cellula' (elke cel ontstaat uit een andere
cel). Immers, niet het DNA maar de cel is de elementaire eenheid die
functioneert in de ontwikkeling. Afgezien van de waarschijnlijkheid
dat in het cytoplasma structurele informatie voorhanden is die niet in
DNA is gecodeerd (Sonneborn, 1970,zieookpag. 111e.V.),ishet duidelijk dat een geordend verloop van zowel de replicatie van het DNA
als de regulatie van de expressie van het DNA slechts mogelijk is
binnen het hooggeorganiseerde cytoplasmatische reactiesysteem dat bij
iedere celdeling aan de dochtercellen wordt doorgegeven. Ook dit
cytoplasmatische systeem- en daarmee de gegeven interactiemogelijkheden tussen genoom (kern) en cytoplasma- behoort tot de gepreformeerde componenten van de ontwikkeling.
De in een bepaalde cel aanwezige structurele informatie en de in
de celstructuur verankerd liggende mechanismen vormen als het ware
het gepreformeerde substraat waarmee de ontwikkeling zich kan voltrekken. Met dit gepreformeerde substraat is ook de specificiteit van
de ontwikkeling gegeven; uit de bevruchte eicel van een kikker groeit
een kikker, uit die van een beukeboom een beukeboom. Maar het
probleem van de ontwikkeling is hiermee niet gedefinieerd, laat staan
opgelost. Gegeven de gepreformeerde potenties van de cel zien wij
dat tijdens de ontwikkeling deze potenties slechts tot expressie komen
op 'de juiste tijd en de juiste plaats'. In ieder ontwikkelingsstadium
reageren de cellen met de expressie van zeer bepaalde potenties naar
gelang hun positie in het zich ontwikkelende systeem. De factoren die
deze reacties bewerkstellingen noemen wij nu epigenetisch (zie ook
pag. 126). Het betreft hier factoren in het 'milieu' waarin de cellen
zich bevinden tijdens de ontwikkeling. In zoverre het endogene factoren betreft, vinden ze hun oorsprong in het zich ontwikkelend organisme zelf, of in het omringende ouderlijke weefsel. Experimenteel
zijn ze echter wel te beïnvloeden. Soms zijn de epigenetische factoren
echter exogeen en vinden hun oorsprong buiten het zich ontwikkelend
systeem.
Inzicht in het proces van de ontwikkeling kan dus tot stand komen
door het gepreformeerde substraat te onderzoeken; het terrein van
moleculair-biologen en celbiologen. Anderzijds is het mogelijk epigenetische factoren te bestuderen, terwijl het gepreformeerde substraat
16
minof meer alseen gegeven wordt beschouwd; traditioneel het terrein
van de embryologie. Integratie van beide soorten onderzoek is uiteindelijk nodig voor een volledig inzicht in de ontwikkeling van een
organisme.
In de rest van dit hoofdstuk zal in wat meer detail op het voorgaande worden ingegaan.Aangezienin devolgende hoofdstukken van
dit boek, met uitzondering van het hoofdstuk van Linskens, voornamelijk gesproken zal worden over de ontwikkeling van vertebraten
en insekten, zal hier sterk de nadruk worden gelegd op onderzoek
met planten en lagere organismen (zie Bruinsma &Wessels, 1972),in
zoverre dat heeft bijgedragen tot een algemeen inzicht-in het proces
van de ontwikkeling.
Totipotentie van de cel
Centraal in de genoemde theorie, die stelt dat tijdens de ontwikkeling
epigenetische factoren inwerken op het gepreformeerde substraat van
de cel, staat dat dit substraat zelf niet behoeft te veranderen tijdens
de differentiatie van de cel. Dit zou dus inhouden dat niet alleen de
zygote, maar ook vegetatieve cellen van het volwassen organisme
totipotent zijn; wat dit betreft zou er dus geen principieel verschil
hoeven te zijn tussen generatieve en somatische cellen, zoals eertijds
verondersteld door P. Weiss.
Een sterke aanwijzing dat de celdifferentiatie tijdens de ontwikkelingniet gepaard hoeft te gaan met onomkeerbare veranderingen volgt
reeds uit eenvoudige regeneratieverschijnselen bij planten. Zo kan
men waarnemen dat een completeplant zichontwikkelt uit één enkele
epidermiscel van een blad, zoals bij de begonia. Bij bloemplanten
(Konar & Natarja, 1965) en varens (zie pag. 21 e.V.) kent men de
apogame ontwikkeling, waarbij een gedifferentieerde vegetatieve cel
weer gaat delen en een embryo vormt dat uitgroeit tot een complete
plant.
Hoewel men bij deze regeneratieverschijnselen kan waarnemen dat
de ontwikkeling met één cel start, is deze cel toch nog steeds onderdeel van een multicellulair geheel. Men zou dus kunnen tegenwerpen
dat deze initiële cel niet echt totipotent is, maar dat tijdens de differentiatie verloren gegane potenties worden aangevuld vanuit de omringende cellen. Daarom is het belangrijk dat het mogelijk bleek om
uit volledig geïsoleerde cellen van wortels, stengels en bladeren com17
/
wortelvcrming i
^ ' verspe
>
_
mergparenchymop^volwassen
aaar-medium
plant
callusuitmergparenchymi
weefsel
~^h~
spruitvo rmingw
)9@
s^w
callus
schudcultuur
^rz^o—/^&]cellenmassaop
agar-medium
microcultuur
Fig. 1. De ontwikkeling van een normale tabaksplant uit één enkele cel,
geïsoleerd uit het mergparenchym. (Uit: Bruinsma & Wessels.Leerboek der
Plantenfysiologie, deel 2: Groei en ontwikkeling. Oosthoek, Scheltema &
Holkema, Utrecht. Naar Vasil &Hildebrandt, 1965.)
plete planten op te kweken (Vasil & Hildebrandt, 1965;fig. 1), dikwijls via de normale embryonale stadia. Tegenwoordig kunnen cellen
uit planten gemakkelijk worden geïsoleerd door de celwanden op te
lossen met bepaalde hydrolytische enzymen. De geïsoleerde protoplasten kunnen een nieuwe celwand maken en daarna uitgroeien tot
volledige planten (Cocking, 1972). Het blijkt zelfs mogelijk om haploïde of diploïde protoplasten te doen versmelten en op deze wijze
somatische hybridisatie tot stand te brengen. Anderzijds is het tot nu
toe niet gelukt om de bevruchte eicel van planten 'in vitro' tot ontwikkeling te brengen. Men kan de zygote dus beschouwen als een
gedifferentieerde cel die alleen in het speciale milieu van de embryozak een embryo kan vormen (Steward, 1968).
Bij lagere planten blijkt eveneens dat gedifferentieerde cellen zeer
gemakkelijk een nieuwe route kunnen inslaan. Maar zelfs hier blijkt
dat het enige tijd kan duren voordat de cellen volledig zijn omgeschakeld. Als voorbeeld diene de regeneratie van mycelium uit monokaryotische protoplasten verkregen uit dikaryotisch mycelium van
Schizophyllum commune (fig. 2).Heterokaryotische mycelia met ker18
monokaryon
o
I «
)
ï
-
o
_Qi
Cx
G\
„,,
,
F/g. 2. Regeneratie van protoplasten verkregen uit een monokaryon. en
een dikaryon van Schizophyllum commune. Dunne pijlen: protoplastvorming. Dikke pijlen: regeneratie. (Naar Wessels & Hoeksema, ongepubliceerd.)
nen van tegengesteld kruisingstype bezitten twee kernen per cel en de
hyfen hebben een gesp bij iedere dwarswand. Monokaryotische mycelia bezitten slechts één kern per cel en hebben geen gespen. (Zie
ook fig. 5.) Bij de regeneratie van dikaryotische protoplasten ontstaan
meteen dikaryotische hyfen met gespen, bij de regeneratie van monokaryotische protoplasten verkregen uit een monokaryon ontstaan
meteen monokaryotische hyfen zonder gespen. Bij de protoplastvorming uit het dikaryon worden echter eveneens monokaryotische protoplasten verkregen. Deze regenereren meestal niet meteen tot hyfen
met de typische monokaryotische morfologie maar vormen dikwijls
eerst hyfen gekenmerkt door het voorkomen van gesp-initialen
(pseudogespen). Kennelijk dragen deze protoplasten nog een 'herinnering' aan de dikaryotische morfologie en althans een deel van de
processen die leiden tot deze morfologie is nog niet uitgeschakeld
hoewel de normale voorwaarde, namelijk de aanwezigheid van twee
verschillende kernen, niet meer aanwezig is. Pas na een aantal celdelingen 'vergeten' de cellen hun afkomst en gaan over tot de vorming van een normaal monokaryotisch mycelium.
Bij dieren is de vraag naar de totipotentie van gedifferentieerde
cellen aanzienlijk moeilijker te beantwoorden. Geïsoleerde dierlijke
cellen behouden meestal hun gedifferentieerde verschijningsvorm
wanneer ze in cultuur worden gebracht en de-differentiëren niet. Bovendien zijn er voorbeelden bekend van gevallen waarbij gedurende
19
de ontwikkeling de cellen chromosomen verliezen en het is natuurlijk
duidelijk dat gespecialiseerde cellen als de rode bloedcellen van zoogdieren niet meer totipotent kunnen zijn omdat ze gedurende de differentiatie hun kernen verliezen. Ook regeneratie van ledematen na
amputatie, zoals dat bijvoorbeeld optreedt bij amfibiën, levert geen
duidelijk argument vóór totipotentie, omdat de regeneratie niet zoals
bij planten start door deling in één enkele cel en ook niet bewezen is
dat uit de nakomelingen van een bepaalde gedifferentieerde cel (bijvoorbeeld een spiercel) zich cellen van een ander type (bijvoorbeeld
zenuwcellen) kunnen ontwikkelen. Slechts in een enkel geval van
regeneratie is een dergelijke metaplasie werkelijk geconstateerd (zie
Markert & Ursprung, 1971).
Het is een algemeen verschijnsel bij de ontwikkeling van dieren
dat de cellen reeds in een vroeg stadium van de embryogenese een
sterke determinatie verwerven (zie ook het hoofdstuk van Sang). Zo
is na de eerste klieving van het ei van weekdieren, rondwormen, platwormen en nematoden reeds vastgelegd welke weefsels ieder van de
twee blastomeren zal gaan vormen (dit in tegenstelling tot de vroege
ontwikkeling van stekelhuidigen, holtedieren en amfibiën). Verwijdering van één van de blastomeren leidt tot de ontwikkeling van abnormale embryo's waarin bepaalde weefsels geheel afwezig zijn. Bij de
mens ontstaan alle rode bloedcellen uit 8 stamcellen in het embryo,
allemelanocyten uit 34stamcellen. Alsvoorbeeld van een vroegtijdige
determinatie kan hier ook verwezen worden naar de cellen in de imaginaalschijven van Insektenlarven (zie het hoofdstuk van Ouweneel).
Maar hoewel deze cellen in de imaginaalschijven voorbestemd zijn
om zeer bepaalde onderdelen van het volwassen insekt te vormen, kan
men experimenteel aantonen dat de cellen soms toch nog andere wegen in de differentiatie kunnen inslaan (transdeterminatie). Van belang zijn ook de in het hoofdstuk van Berendes (pag. 41) beschreven
experimenten over de transplantatie van kernen uit gedifferentieerde
cellen in ontkernde eieren van de Afrikaanse klauwpad. Aangezien
deze gemanipuleerde eieren een normale embryonale ontwikkeling
kunnen doormaken, blijkt althans in dit geval dat de kern geen onomkeerbare veranderingen ondergaat tijdens de differentiatie.
Het is daarom zeer wel mogelijk dat de dikwijls vroegtijdige determinatie van dierlijke cellen niet altijd betekent dat deze cellen ook
hun totipotentie principieel verloren hebben. Het kan zijn dat bepaalde schakelingen in het regulatiesysteem van de cellen een min of meer
20
definitieve (stabiele) vorm hebben gekregen, zodat het ook experimenteel niet lukt om deze schakelingen teniet te doen. Het lijkt daarom
zinvol om ook bij dieren het probleem van de celdifferentiatie in eerste instantie te blijven beschouwen als het probleem van de regulatie
van de expressie van blijvend aanwezige potenties. Dat hierbij verlies
kan optreden van celkomponenten dient dan niet zozeer als een oorzaak alswel als een gevolgvan de celdifferentiatie te worden opgevat.
Epigenetische factoren in de ontwikkeling
Voordat nader wordt ingegaan op de cellulaire mechanismen die een
rol spelen bij de celdifferentiatie, lijkt het goed te illustreren voor wat
voor soort problemen de epigeneticus zich gesteld ziet. In de volgende
hoofdstukken zullen nog verschillende voorbeelden aan de orde komen, zodat hier zal worden volstaan met twee voorbeelden uit het
plantenrijk, namelijk de generatiewisseling (zie ook pag. 181 en fig. 1
in het hoofdstuk van Linskens) bij varens en de reeds genoemde initiatievanknop- en bladprimordia in de groeiende stengel.
Figuur 3 toont de generatiewisseling van een varen, die wordt gekenmerkt door het voorkomen van twee morfologisch en oecologisch
geheel verschillende planten. De gebruikelijke gang van zaken is dat
zich op de aan het landleven aangepaste diploïde sporofyt sporangia
vormen waarin door reductiedeling haploïde sporen ontstaan. Komen
deze sporen terecht op een vochtige ondergrond, dan kiemen ze en er
ontstaat een zelfstandige en van de sporofyt geheel afwijkende plant,
de gametofyt, die alleen groeit in een zeer vochtige omgeving. Aan
de onderzijde van deze gametofyt of prothallium ontstaan archegonia
en antheridia dieeicellen en spermatozoïden bevatten. Na bevruchting
van een eicelontstaatuit dezygote de diploïde sporofyt.
In eerste instantie zou men misschien geneigd zijn te denken dat
genetische factoren bepalend zijn voor het type plant dat zich ontwikkelt; haploïde conditie voor de gametofyt, diploïde conditie voor
de sporofyt. Dit is echter niet het geval. Er zijn varens bekend waar
de méiose uitblijft en dus diploïde sporen worden gevormd. Toch
vormt deze diploïde spore na kieming een prothallium en geen sporofyt. Het prothallium kan daarna een sporofyt vormen, nu niet
startend met een zygote in een archegonium, maar door apogamie.
Hierbij begint een vegetatieve cel in het prothallium te delen en geeft
aanleiding tot een embryonale ontwikkeling die sterk lijkt op die van
21
spore
soms met sporangia
Fig. 3. De levenscyclus van een varen. De in de sporangia gevormde
sporen kunnen haploid of diploid zijn, hetgeen resulteert in haploïde respectievelijk diplóide gametofyten. In het eerste geval wordt de sporofyt
meestal gevormd uit een zygote, na versmelting van de gameten. In hel
tweede geval steeds door apogamie. (Uit:Bruinsma & Wessels. Leerboek
der Plantenfysiologie, deel 2: Groei en ontwikkeling. Oosthoek, Scheltema
& Holkema, Utrecht.)
een zygote in een archegonium. Het blijkt echter dat een dergelijke
apogamie niet beperkt is tot diploïde prothallia. Experimenteel kan
22
men ook de gewone haploïde prothallia aanzetten tot de apogame
ontwikkeling van sporofyten die nu dus haploïd zijn. De ploïdie van
de cellen is dus niet essentieel voor de keuze tussen de twee ontwikkelingsmogelijkheden. Wat van groot belang lijkt, is of de ontwikkeling start met een vrije cel- de spore- die steeds uitgroeit tot een
prothallium, of met een cel die omringd is door andere cellen-de
zygote in het archegonium of een vegetatieve cel in het prothallium waarna steeds een sporofyt gevormd wordt (zieWhittier, 1971).
Overigens is deze onafhankelijkheid van de generatiewisseling van
de ploïdie niet beperkt tot varens, maar ook bekend van bloemplanten. Terwijl normaal de haploïde spore (pollen) een gereduceerde
gametofyt vormt- slechts bestaand uit een pollenbuis waarin twee
generatieve kernen (gameten) en één vegetatieve kern - kan onder
experimentele omstandigheden uit deze spore een normaal gebouwde
maar haploïde plant (sporofyt) gekweekt worden (Nitsch & Nitsch,
1969).
Het zijn dus duidelijk epigenetische factoren, die echter nog niet
exact zijn te definiëren, die bepalen welke van de twee alternatieve
ontwikkelingsprogramma's gekozen zal worden.
Het tweede voorbeeld heeft te maken met epigenetische factoren
zoals die heersen in een zich ontwikkelend systeem en die bepalen op
welke wijze het systeem zich verder zal ontwikkelen. Het betreft de
initiatie van bladprimordia in een groeiende stengeltop van een plant.
Deze primordia ontstaan in een regelmatig patroon, hetgeen resulteert
in een plaatsing van de bladeren langs de stengel in een schroeflijn
met een bepaald aantal bladeren per winding of in kransen, afhankelijk van de soort (fyllotaxis). Figuur 4 toont de situatie in de stengeltop van een varen waar telkens nieuwe bladprimordia ontstaan dicht
bij het apicale centrum. Natuurlijk is de gehele ontwikkeling van de
stengeltop afhankelijk van bouwstoffen die van beneden worden aangevoerd door het vaatweefsel. In het volwassen deel van de stengel is
dit vaatweefsel goed gescheiden van de andere weefsels maar in de
stengeltop gaat dit vaatweefsel over in provasculair weefsel waarbij
deze scheiding veel minder duidelijk is. De bouwstoffen kunnen zich
hier dus waarschijnlijk gemakkelijk verspreiden en men mag aannemen dat ze voornamelijk verbruikt zullen worden in de bestaande
groeicentra, namelijk het topmeristeem en de meristemen van de zich
ontwikkelende bladprimordia. Er ontstaan dus waarschijnlijk gradiënten van bouwstoffen tussen de aanvoerpunten, de vaten, en de groei23
.4
bladprimordium
apicale cel
bladvenster—
\
7 ©-.,,
•jfr „
^.'
r'~"\
B
F/g. 4. A. Schematische lengtedoorsnede door de stengeltop van een varen. De pijlen duiden op de mogelijke beweging van bouwstoffen vanuit de
vaten in het apicole gebied, (i): Apicale gebied waarin primordia worden
geïnduceerd, (ii): Subapicaal gebied waarin de primordia sterk groeien.
(Ui): Gebied waarin volwassen weefsels ontstaan.
B. Bovenaanzicht van de stengeltop van een varen, ac: apicale cel. 11-13:
toekomstige bladprimordia in volgorde van verschijnen. P1-P10: reeds gevormde bladprimordia in volgorde van toenemende ouderdom, b: knopinitialen. (Naar Wardlaw, 1970.)
centra waar de concentraties laag zullen zijn vanwege het verbruik.
Tevens is gebleken dat de groeicentra zelf stoffen produceren die de
ontwikkeling van andere groeicentra remmen en aangenomen mag
worden dat ook deze stoffen zich zullen verdelen volgens bepaalde
gradiënten. Hoewel over de aard van de stoffen waaruit de gradiënten
zijn opgebouwd nog weinig bekend is, kan men zich om elk groeicentrum een fysiologisch veld denken waarbinnen het ontstaan van
een nieuw groeicentrum onmogelijk is (zie fig. 4).Nieuwe primordia
zullen alleen daar ontstaan waar voldoende 'ruimte' tussen de velden
beschikbaar is, d.w.z. alleen daar waar bepaalde waarden voor (be24
paalde) bouwstoffen en remmende factoren gerealiseerd zijn.
Aanwijzingen voor de hier gegeven interpretatie van epigenetische
factoren die het patroon van bladvorming in de stengeltop bepalen,
zijn vooral afkomstig van chirurgische experimenten waarbij de gebieden waar nieuwe primordia zullen verschijnen door insnijdingen
van elkaar worden gescheiden (zieWardlaw, 1970).
Het is in het algemeen duidelijk dat de cellen in een zich ontwikkelend systeem informatie bezitten over de plaats waar ze zich bevinden. Ze meten als het ware de grootte van verschillende signalen
die hun vanuit de verschillende delen van het zich ontwikkelend systeem bereiken. Zoals zojuist werd gesuggereerd, reageren de cellen
misschienopgradiënten (Wolpert, 1969;Lawrenceet al., 1972;zieook
pag. 157 e.v. en pag. 165) maar ook andere mogelijkheden zijn niet
uitgesloten (Goodwin &Cohen, 1969). In ieder geval is de informatie
die de cel bereikt aanleiding om op een zeer specifieke wijze te reageren. In het genoemde voorbeeld kan men zich voorstellen dat de
cel verschillende ontwikkelingsprogramma's tot haar beschikking
heeft, zoals deling evenwijdig aan of loodrecht op het oppervlak van
de top, differentiatie tot vaatcel, parenchymcel, enz., en dat de kwaliteit en de grootte van de signalen die een cel in een bepaalde positie
ontvangt ('positionele informatie', vergelijk het hoofdstuk van Ouweneel) bepalend is voor de keuze van het uit te voeren ontwikkelingsprogramma.
De ontwikkelingsprogramma's zelf en de waarden van de verschillende parameters die bepalend zijn voor de keuze tussen verschillende
ontwikkelingsprogramma's, zijn geen onderdeel van het epigenetisch
systeem, maar behoren tot de intrinsieke eigenschappen van de cel
van het betreffende organisme.
Regulatie van genetische potenties
Naast het vraagstuk van de epigenetische factoren staat dus in de
ontwikkelingsbiologie centraal het vraagstuk van de herleiding van de
verschillende ontwikkelingsprogramma's van de cel tot moleculaire
processen en de regulatie van deze processen. Helaas is nog buitengewoon weinig bekend betreffende het eerste deel van dit vraagstuk:
welke moleculaire processen bepalen bijvoorbeeld of een cel zal uitgroeien tot een parenchymcel of een vaatcel? Zelfs bij de meest eenvoudige celdifferentiaties zoals die optreden bij lagere organismen is
25
L
een volledige beschrijving van het differentiatieproces in moleculaire
termen nog niet mogelijk. Wel is het mogelijk in meer algemene termen iets te zeggen over de regulatiemechanismen die een rol kunnen
spelen bij de expressie van de verschillende ontwikkelingsprogramma's.
Onderzoek bij bacteriofagen
Sinds de publikatie van het operon-model voor de regulatie van de
eiwitsynthese, waarbij ook meteen op de gevolgen van dit model voor
het probleem van de celdifferentiatie werd ingegaan (Monod &Jacob,
1961), is enorm veel onderzoek verricht over de expressie van genetische informatie bij bacteriën. Vanaf het begin van dit onderzoek
stond ook de regulatie van de expressie van het in bacteriën geïnjiceerde genoom van bacteriofagen sterk in de belangstelling. De
analogie met de expressie van een ontwikkelingsprogramma is hier
duidelijk. Nadat het genoom van het virus de bacterie is binnengedrongen, komt met behulp van de enzymatische machinerie van de
bacterie dit genoom gereguleerd tot expressie, waarbij de verschillende
genprodukten, nucleïnezuur en verschillende eiwitten, in een zeer bepaalde volgorde ter beschikking komen. Dit laatste blijkt nodig te zijn
om tot een geordende assemblage van het virus te komen dat dan op
het juiste tijdstip de cel kan verlaten.
Het is hier niet de plaats om op de resultaten van dit onderzoek
nader in te gaan (voor een inleiding zie Lewin, 1970;Watson, 1970).
Volstaan kan worden met enkele punten te memoreren. De uit de
gegevens ontwikkelde modellen hebben betrekking op de regulatie
van de transcriptie van nucleotidenvolgorden in het DNA in specifieke RNA-molekulen die een transcript van meerdere genen kunnen
bevatten. Het betreft hier het mRNA (messenger- of boodschapperRNA) dat, gedecodeerd in het eiwitsynthetiserend apparaat, de volgorde bepaalt van de aminozuren in de polypeptideketens en daarmee
de specificiteit van het gesynthetiseerde eiwit. De geïdentificeerde
regulatiemechanismen hebben gemeen dat in het genoom (regulatieve)
genen zijn gelokaliseerd waarvan de produkten de transcriptie van
andere (structurele) genen beïnvloeden. Deze regulatie kan 'negatief'
zijn in die zin dat het regulerende gen een produkt maakt dat de aflezing van structurele genen 'represseert' (onderdrukt) of 'positief'
waarbij het produkt van het regulerende gen juist nodig is om be26
paalde structurele genen af te lezen. In het eerste geval wordt door
interactie van de repressor met kleine molekulen (effectoren) bepaald
of al of niet blokkering van de betreffende structurele genen zal volgen. In het tweede geval moet het regulerende gen eerst tot expressie
worden gebracht om aflezing van de betreffende structurele genen
mogelijk te maken. In de tot nu toe onderzochte gevallen blijken de
regulerende produkten van de regulatieve genen steedseiwitten te zijn:
repressors bij de negatieve regulering, specifieke RNA-polymerasen
of onderdelen daarvan bij de positieve regulering.
Het zou echter onverstandig zijn om de inzichten verkregen door
onderzoek aan bacteriën en bacteriofagen zonder méér toe te passen
op eukaryotische cellen gezien de aanwezigheid van echte chromosomen en de lokalisatie van deze chromosomen in een apart celorganel,
de kern. In het hoofdstuk van Berendes wordt uitgebreid ingegaan op
de structuur en activiteit van de eukaryotische chromosomen. Daar
wordt aandacht besteed aan de informatie-inhoud van het eukaryotische genoom, het voorkomen van repetitieve nucleotidenvolgorden in
het DNA en het verschijnsel van de genversterking waarbij een groot
aantal kopieën van een gen gemaakt worden. Uit onderzoek aan
eukaryotische cellen is ook gebleken dat de regulatie van de eiwitsynthese zeker niet alleen plaatsvindt door regulatie van de transcriptie van DNA in RNA, maar dat dit tevens gebeurt door regulatie van
het transport van RNA uit de kern, modificatie van RNA, beïnvloeding van de vertaling van RNA in de Polypeptiden en door regulatie
van de afbraak van specifieke eiwitten.
Terwijl dus eukaryotische cellen ongetwijfeld beschikken over speciale mechanismen om de expressie van het genoom te regelen, is het
anderzijds zo dat de evolutie meestal nogal conservatief te werk gaat.
De vraag is dan ook gewettigd of niet bepaalde bij bacteriën en bacteriofagen ontdekte elementen uit de regulatiemechanismen ook nog
een rol spelen bij de differentiatie en ontwikkeling van eukaryotische
cellen. Met name geldt dit de vraag naar het voorkomen van regulatieve genen die een rol zouden kunnen spelen bij het aanschakelen
van bepaalde ontwikkelingsprogramma's. Men kan zich hierbij voorstellen dat voor een bepaald ontwikkelingsprogramma van de cel een
bepaalde 'batterij' van (misschien honderden) genen in een bepaalde
volgorde tot expressie moet komen, terwijl dit voor ieder ander ontwikkelingsprogramma voor een andere genenbatterij geldt (Davidson
&Britten, 1973;zieookpag. 109e.v.).Inderdaad zijn dergelijke genen
27
gepostuleerd, niet alleen voor het hier te bespreken systeem van Schizophyllum commune (Raper & Raper, 1973; Wessels & Marchant,
1974), maar ook voor bijvoorbeeld de ontwikkeling van mannelijke
en vrouwelijke geslachtsorganen van zoogdieren (Ohno, 1971) en de
transdeterminatie van cellen in imaginaalschijven van insekten (Kauffman, 1973;zie het hoofdstuk Ouweneel).
Onderzoek aan schimmels
Bij Schizophyllutn commune, een paddestoelvormende schimmel die
meestal op geveldeboomstammen groeit, zijn twee alternatieve myceliumvormen bekend (fig. 5). Eén vorm noemt men het monokaryon
omdat iedere cel één kern bezit. Dit mycelium ontstaat wanneer een
haploïde spore uit de paddestoel kiemt op een geschikte voedingsbodem.'Dergelijke monokaryons vormen echter meestal geen paddestoelen. Deze ontstaan pas wanneer twee verschillende monokaryons
met elkaar in contact komen. Er worden dan cytoplasmatische verbindingen tussen de mycelia gevormd en door deze verbindingen worden kernen uitgewisseld. De 'vreemde' kernen migreren dan door
beide partners. Dit is mogelijk doordat onder invloed van de 'vreemde' kern enzymen worden gevormd die de septa in het ontvangende
mycelium oplossen. Wanneer de kern na migratie door vele cellen een
topcel bereikt, vindt een associatie plaats met de daar reeds aanwezige
kern. Het oplossen van septen wordt nu uitgeschakeld en bij iedere
volgende celdeling delen de twee kernen tegelijk en er ontstaat een
nieuw soort mycelium, het dikaryon, dat gekenmerkt wordt door de
aanwezigheid van twee kernen per cel en een gesp bij ieder septum.
Deze gespen worden gevormd bij iedere celdeling en spelen een rol
bij deverdelingvan devier dochterkernen over detwee dochtercellen.
Het dikaryon vormt de paddestoelen waarin door reductiedeling de
haploïde sporen gevormd worden. Opgemerkt kan worden dat het
dikaryon het functionele equivalent is van een diploïde levensfase
maar de vorming van een echte diploïde cel vindt pas plaats in de
basidia van depaddestoel, vlak vóór de reductiedeling.
De hier besproken sexuele morfogenese, typisch voor vele basidiomyceten, is slechts mogelijk indien de twee met elkaar parende monokaryons verschillende vormen (allelen) bezitten van twee genetische
incompatibiliteitsfactoren, de A- en de Ä-factor. (Dat hier gesproken
wordt over factoren i.p.v. genen komt omdat iedere factor in feite
28
AxBx
Ay B y —
fusie
Ax By
hyfen
AyBx-
0
dikaryonvorming
genotypekem(en)
mycelium
type
Ax
Bx
homokaryon
Ax
Bx By
heterokaryon
Ax
Bmut
homokaryon
Ax Ay
Bx
Amut
Bx
Ax Ay
Amut
Bx By
Bmut
kemmigratie
kemmigratie
morfologie hyfen
vorming
vrucntlicnamen
• I• )
heterokaryon
homokaryon
&£
heterokaryon
homokaryon
Fig. 5. De levenscyclus van de basidiomyceet Schizophyllum commune
(boven) en de regulatie van de ontwikkeling onder invloed van de incompatibiliteitsfactoren (onder).
bestaat uit twee loci die op enige afstand van elkaar op een chromosoom liggen.) Kennelijk is het zo dat het dikaryon gevormd wordt
door interactie van de produkten van verschillende A- en B-factoren.
Het blijkt ook dat deze factoren ieder een apart deel van de morfogenese beheersen. Dit kan afgeleid worden uit het gedrag van hetero29
karyons die ontstaan door kruising van monokaryons die slechts een
verschil bezitten in één van de incompatibiliteitsfactoren (fig. 5).
Slechts een deel van de besproken morfogenese voltrekt zich dan. In
het geval dat alleen de 5-factoren verschillend zijn, wordt wél het
oplossen van septa en de migratie van kernen aangeschakeld (en niet
meer afgeschakeld) maar de vorming van gespen blijft achterwege.
Wanneer in de kruising alleen de A-factoren verschillend zijn worden
de septa niet opgelost en komt nauwelijks kernuitwisseling tot stand.
In de gevormde heterokaryotische cellen wordt echter wél de gespvorming aangeschakeld, een proces dat echter niet voltooid wordt
(pseudogespen). Voor de laatste stap in de gespvorming, namelijk de
versmelting met de subterminale cel, moeten ook de Ä-factoren verschillend zijn.
Dat de A- en Ä-factoren opgevat moeten worden als regulatieve
genen voor de celdifferentiatie wordt sterk gesuggereerd door het feit
dat alle hiervoor besproken morfogenetische gebeurtenissen zich ook
kunnen afspelen in homokaryons, mycelia die dus slechts één soort
kernen bezitten (fig. 5). Zoals reeds aangeduid heeft een dergelijk
homokaryon normaal de morfologie van een monokaryon, maar door
een mutatie in een van de incompatibiliteitsfactoren wordt de door
deze factor gestuurde morfogenese aangeschakeld. Zo neemt een homokaryon met mutaties in zowel de A- als de ß-factor de morfologie
aan van een dikaryon. Net als het heterokaryotische dikaryon brengt
dit homokaryotische dikaryon paddestoeltjes voort. Maar er worden
nu natuurlijk geen verschillende sporen gevormd; alle sporen zijn genetisch identiek.
Het bijzondere van dit systeem isde duidelijkheid waarmee de controle-elementen in het genoom zich manifesteren en het relatieve gemak waarmee ze te analyseren zijn. Tenslotte gaat het hier slechts om
twee alternatieve celvormen die ieder een zelfstandig bestaan kunnen
leiden. Bij multicellulaire organismen is het aantal verschillende ontwikkelingsprogramma's meestal veel groter en het aantal controleelementen zal dus dienovereenkomstig groter zijn. Bovendien treedt
bij de celdifferentiatie in multicellulaire organismen een zekere specialisatie op waarbij een onderlinge afhankelijkheid van de cellen optreedt. Mutaties in het genetische regulatiesysteem zullen daarom dikwijls letaal zijn of leiden tot ernstige misvormingen.
Is een bepaald ontwikkelingsprogramma van de cel eenmaal aangeschakeld, dan volgen de verschillende gebeurtenissen die tot dit
30
programma behoren elkaar in de juiste volgorde en met de juiste tussentijden op (zie ook pag. 119). Dit kan voor een belangrijk deel het
gevolg zijn van de omstandigheid dat deze gebeurtenissen deel uitmaken van ketenprocessen, waarbij iedere gebeurtenis voorwaarde is
voor de realisatie van een volgende gebeurtenis. Maar het is ook mogelijk dat daarnaast de structuur van het genoom zelf een rol speelt
bij het bepalen van de volgorde van en de tijdsintervallen tussen de
verschillende gebeurtenissen in het ontwikkelingsprogramma. Zoals
reeds vermeld, is een dergelijke situatie gerealiseerd in het genoom
van bacteriofagen, maar in eukaryotische organismen kan dit alleen
maar worden vermoed. Intussen zijn er wel sterke aanwijzingen
dat tijdens het uitvoeren van ontwikkelingsprogramma's specifieke
mRNA's alleen in bepaalde fasen van de ontwikkeling worden gesynthetiseerd (zie ook pag. 177 e.V.).
Onderzoek aan slijmzwammen
Als voorbeeld volgt hier een korte beschrijving van de ontwikkeling
van een cellulaire slijmzwam, Dictyostelium discoideum (fig. 6). Zolang dit organisme voldoende voedsel in de vorm van bacteriën ter
beschikking heeft, leeft het als individuele amoeben die zich door
deling vermenigvuldigen en die zich niets van elkaar schijnen aan te
trekken. Raakt echter het voedsel op dan wordt verdere vermenigvuldiging onmogelijk en gaan de amoeben zich plotseling sociaal gedragen. Ze worden tot elkaar aangetrokken en vloeien samen tot een
pseudoplasmodium waarin de individuele cellen herkenbaar blijven.
De aantrekking tot elkaar geschiedt door afscheiding van een chemotaktische stof die geïdentificeerd is als cyclisch adenosinemonofosfaat
(Konijn, 1972). Het pseudoplasmodium kruipt als een slakje enige
tijd rond waarna deze beweging tot stilstand komt en een aantal formatieve processen plaatsvinden. Terwijl hun aantal niet verandert,
glijden de cellen langs elkaar en vormen een vruchtlichaampje. Afhankelijk van hun plaats in het pseudoplasmodium worden bepaalde
cellen sporecellen, andere steelcellen, weer andere vormen de basale
schijf (zie Bonner, 1967).
N
jj
Gedurende de vorming van de vruchtlichaampjes wordt ongeveer
20% van het drooggewicht omgezet in een aantal Polysacchariden
en één disaccharide, namelijk trehalose. Figuur 6 laat zien dat de bij
deze synthesen betrokken enzymen en hun mRNA's alleen in bepaal31
I
1
I
1
1
1
1
s
I
I
1
1
1
io
1
I
1
1
1
1
1
1
1
1
is
1
1
1
20
1
s5 uren
1 trehalose-6-Psynthetase
t
] UDPG pyrofosfotylase
w^mmmmmmmim® J
UDPGal: polysaccharide
transferase
1 UDPGal-4-epimerase
Fig. 6. De ontwikkeling van vruchtlichaampjes van Dictyostelium discoideum, met de perioden gedurende welke transcriptie en vertaling plaatsvindt voor een aantal enzymen. Open rechthoeken: transcriptie (vorming
van specifiek boodschapper-RNA). Gearceerde rechthoeken: vertaling (vorming van het enzym). (Naar Sussman.)
defasen van de ontwikkeling worden gemaakt (zieSussman&Newell,
1972). De transcriptie van specifieke delen van het DNA wordt dus
gereguleerd in de tijd en in een vaste volgorde. De figuur laat nog
twee belangrijke verschijnselen zien die ook in andere zich ontwikkelende systemen zijn geconstateerd. Ten eerste blijkt er een aanzienlijke periode (lVa-5 uur) te liggen tussen het verschijnen van het
mRNA en de vertaling ervan in een specifiek eiwit (vgl.pag. 177e.V.).
De reden hiervoor is nog niet duidelijk. Mogelijk heeft deze periode
te maken met de tijd die nodig is om het RNA geschikt te maken
voor vertaling of te transporteren vanuit de kern naar het cytoplasma
(zie pag. 56 e.V.). Ook is het mogelijk dat er nog een speciaal signaal
nodig is voordat de ribosomen met dit RNA eiwit kunnen gaan maken. Het tweede verschijnsel van algemene betekenis betreft het feit
dat niet slechts het specifiek mRNA gedurende een bepaald tijdsinterval wordt gesynthetiseerd en weer afgebroken, maar dat dit ook geldt
voor het m.b.v. dezeboodschapper gesynthetiseerde enzym. Inderdaad
is gemakkelijk in te zien dat het voor een ordelijk verloop van een
ontwikkelingsprogramma niet alleen belangrijk is dat een enzym op
een bepaald moment verschijnt, maar ook dat het na enige tijd weer
geëlimineerd kan worden. In het algemeen is trouwens gebleken dat
32
bij eukaryote cellen de afbraak van enzymen een zeer belangrijke rol
speeltbij deregulatievan dehoeveelheid enzym (Marcus, 1971).
Experimenten met Dictyostelium discoideum laten ook zien dat er
een zeker automatisme zit in de afwerking van moleculaire ontwikkelingsprogramma's. Men kan degevormde vruchtlichaampjes mechanisch dissociëren in individuele cellen. De losse cellen aggregeren
echter meteen weer tot een pseudoplasmodium en recapituleren snel
hun ontwikkeling waarbij opnieuw een vruchtlichaampje ontstaat.
Ook recapituleren ze het genoemde moleculaire ontwikkelingsprogramma waarbij een nieuw quantum van de verschillende enzymen
wordt gesynthetiseerd. Wordt na dissociatie aan de cellen actinomycine D toegevoegd - een antibioticum dat de transcriptie van het
DNA remt-dan recapituleren ze hun morfogenese toch, maar nu
wordt geen nieuw quantum van de verschillende enzymen gevormd.
Kennelijk bezitten de cellen nog voldoende enzymen om de morfogenese te voltooien maar onder invloed van een signaal dat ontstaat
bij de aggregatie werken de cellen automatisch het moleculaire ontwikkelingsprogramma opnieuw af. Overigens moet hier vermeld worden dat de gegeven interpretatie voor een belangrijk deel afhankelijk
is van een specifieke werking van actinomycine D op de transcriptie.
Deze specificiteit is wel aan kritiek onderhevig en een andere interpretatie van het moleculaire ontwikkelingsprogramma is dan ook gegeven door Wright (1973).
De relatie tussen kern en cytoplasma
In de inleiding van dit hoofdstuk werd reeds gewezen op het belang
van het cytoplasma in verband met de ontwikkeling van de cel. Dit
belang manifesteert zich op twee manieren. Enerzijds worden in het
cytoplasma de instructies uit de kern, in de vorm van mRNA's, vertaald in specifieke eiwitten, zoals enzymen die het functioneren en de
verschijningsvorm van de cel bepalen. Anderzijds ontvangt de kern
uit het cytoplasma instructies voor de expressie van het genoom (zie
ook pag. 56).
Betreffende het eerste punt is reeds opgemerkt dat het cytoplasma
de instructies uit de kern niet altijd onmiddellijk en automatisch uitvoert. Dikwijls wordt zelfs een situatie aangetroffen die er op wijst
dat de ordening van de gebeurtenissen in de tijd een zaak is die zich
geheel in het cytoplasma afspeelt. Dit kan aan de hand van enkele
33
kern
mifochondrium
|
Kernkap
vrije ribosomen
ZOOSPORE
Iruw endoplasmatisch
reticulum
RONDE CEL I
Fig. 7. De ontwikkeling vaneen zoospore vanBlastocladiella emersonii.
(NaarSoll & Sonneborn, 1971.)
voorbeelden geïllustreerd worden.
De-zoospore van de in het water levende schimmel Blastocladiella
emersoniikan zich onder invloed van een uitwendige prikkel ontwikkelen tot een tweecellig plantje dat weer zoösporen kan produceren.
De eerste ontwikkelingsstadia zijn afgebeeld in figuur 7. Uit een onderzoek van Soll & Sonneborn (1971) bleek dat een populatie van
zwemmende zoösporen synchroon tot ontwikkeling kan worden gebracht door aan het medium bepaalde kationen toe te voegen. De
zoospore bezit één flagel, één mitochondrium en een structuur die
men de kernkap noemt; dit is een door een membraan omgeven dichte pakking van inactieve ribosomen. Als meest opmerkelijke gebeurtenissen gedurende de ontwikkeling kunnen genoemd worden: De cel
wordt bolvormig terwijl de flagel wordt ingetrokken en een celwand
wordt gevormd (ronde cel I). Daarna verdwijnen de microtubuli van
de flagel in het cytoplasma, de ribosomen komen vrij uit de kernkap
en verdelen zich over nieuwgevormd endoplasmatisch reticulum, terwijl het grote mitochondrium opgedeeld wordt in een aantal kleinere
mitochondria (ronde cel II). Tenslotte wordt een kiembuis gevormd
die het rhizoïd zal vormen waarmee het plantje zich vasthecht. Het
blijkt nu dat al deze intracellulaire gebeurtenissen, tot en met de vorming van de kiembuis, kunnen verlopen in de afwezigheid van aantoonbare RNA-synthese; dus waarschijnlijk zonder enige activiteit van
dekern. Het blijkt zelfs dat de meesteprocessen ook kunnen verlopen
bij volledig geblokkeerde eiwitsynthese; alleen voor het verdwijnen
van de restanten van de flagel en de vorming van de kiembuis is
eiwitsynthese nodig. Deze eiwitsynthese is echter kennelijk mogelijk
34
met behulp van gepreformeerd mRNA.
In het zojuist beschreven voorbeeld werd de inactiviteit van de kern
gedurende de ontwikkeling afgeleid uit het feit dat eenvolledige remming van de RNA-synthese door actinomycine D de ontwikkeling
niet verhinderde. Maar er zijn ook gevallenbekend waar een omvangrijke intracellulaire ontwikkeling kan plaatshebben na chirurgische
verwijdering van de kern. Klassiek zijn de proeven van Hämmerling
(zie Brächet, 1968) met Acetabularia-sooiten. Deze in zee levende
algen bestaan uit één cel waaraan een rhizoïd, steel en hoed zijn te
onderscheiden (fig. 8).In het rhizoïd bevindt zich de kern. Bij A. mediterranenkan de steel 4-6 cm lang worden en de/hoed kan een
diameter bereiken van 1cm. Acetabulariaheeft een opmerkelijk regeneratievermogen: bij afsnijden van de hoed of steel regenereren de
verloren gegane onderdelen weer. Het meest opmerkelijke is dat zelfs
fragmenten van de steel,diedus geen kern bezitten, een normale hoed
en soms zelfs een rhizoïd kunnen regenereren. Alleswordt nieuw gevormd, behalve natuurlijk de kern, en pas na een paar maanden sterft
med
medwettst
0
1
wettst
Pig.8. Regeneratie bijAcetabularia. Een kernloos steelfragment van A.
niediterranea (med)wordtop een kernhoudend rhizoïdvanA. wettsteinii
{wettst) geënt.De regenererende hoed heeft de morfologievan de hoed
van A. wettsteinii. (Naar Hämmerling.)
35
de geregenereerde plant.
Bij een jonge nog hoedloze Acetabularia is het vooral het topge^
deelte van de steel dat een hoge capaciteit tot regeneratie bezit. Kennelijk worden hier zogenaamde 'morfogenetische stoffen' geconcentreerd. De aard van deze morfogenetische stoffen, vermoedelijk te
identificeren als stabiel mRNA, wordt echter volledig bepaald door
de kern. Dit blijkt uit proeven waarbij een kernloos steelfragment van
de ene soort wordt geënt ophet kernhoudende rhizoïd van een andere
soort (fig. 8).Steeds blijkt de uit de ent geregenereerde hoed de morfologie te bezitten van de soort die het rhizoïd met kern leverde.
Overeenkomstige resultaten zijn geboekt door gewassen kernen-die
vrij zijn van cytoplasma- te transplanteren. De kern geeft hier dus
een zeer algemene instructie betreffende de specifieke ontwikkeling
die gevolgd moet worden, maar het verloop van de ontwikkeling zelf
lijkt geheel geprogrammeerd te worden in en door het cytoplasma.
Een soortgelijke rol van het cytoplasma valt ook te constateren bij
de vroege ontwikkeling van het dierlijke embryo. Genoemd kunnen
worden experimenten met zeeëgeleieren (Gross, 1967). Het is mogelijk om deze eieren door centrifugatie te fragmenteren in twee delen,
één met kern, één zonder kern. Met behulp van boterzuur kan in
beide fragmenten de ontwikkeling parthenogenetisch gestart worden.
Ook in de ontkernde fragmenten vinden klievingen plaats en wordt
zelfs een blastulastadium bereikt. Ook vindt er een stijging van de
eiwitsynthese plaats die, evenals in het kernhoudende systeem, niet
geremd wordt door actinomycine D. Ook hier dus een geprogrammeerde ontwikkeling zonder dat enige activiteit van de kern vereist is.
Het tweede punt betreft de beïnvloeding van de activiteit van de
kern door het cytoplasma. Dat een dergelijke beïnvloeding optreedt
wordt zeer fraai geïllustreerd door experimenten waarbij verschillende
cellen met elkaar tot versmelting worden gebracht (somatische hybridisatie).Hierdoor ontstaan heterokaryons waarbij verschillende kernen
zich nu bevinden in één cytoplasma (Harris, 1970). Rode bloedcellen
van vogels bezitten een kern die geen DNA of RNA meer maakt. In
tegenstelling hiermee bezitten tumorcellen in cultuur een sterke groeien delingsactiviteit en daarmee samenhangend een sterke DNA- en
eiwitsynthese. Men kan nu een fusie tot stand brengen tussen de
bloedcel en de tumorcel waarbij blijkt dat de inactieve bloedcelkern
weer start met de synthese van DNA en RNA. Kennelijk gebeurde dit
door een signaal uit het cytoplasma van detumorcel (zieook pag.56).
36
De polarisatie van de eicel
Indien bij devroege ontwikkeling van het embryo de klievingsprodukten van het ei reeds snel op verschillende ontwikkelingswegen zitten,
dan kan dit eigenlijk alleen het gevolg zijn van een verdeling van
identieke dochterkernen over verschillende cytoplasmatische milieus.
Het concept van de polarisatie van het cytoplasma voorafgaande aan
de kern- en celdeling zal nader uitgewerkt worden in het hoofdstuk
van Sang en hier kan volstaan worden met een enkel voorbeeld, namelijk de vroege ontwikkeling van de bevruchte eicel van wieren
behorend tot het geslacht Fucus (blaaswier).
,
In tegenstelling tot de situatie bij dieren lijkt het cytoplasma van
de bevruchte eicel van Fucus (en andere planten) oorspronkelijk geheelhomogeen. Na de bevruchting treedt echter al snelpolarisatie op
die hierin tot uitdrukking komt dat zich aan één pool een uitstulping
vormt, het toekomstige rhizoïd, waarna kerndeling volgt en een wand
wordt gevormd loodrecht op de richting van uitgroei van het rhizoïd
(fig. 9). De plaats waar het toekomstige rhizoïd zal uitgroeien kan
Ouur
12uur
39uur
29uur
25uur
**"'£•9, Deeerste celdelingentijdensdeontwikkeling van heteivan Fucus.
(Naar een film vanLibbenga, Oostrom en Quint.)
37
experimenteel worden beïnvloed. Zo blijkt bij unilaterale belichting
van de zygote het rhizoïd zich steeds te ontwikkelen aan de van hel
licht afgekeerde kant.In een elektrische stroom ontwikkelt het rhizoïd
zich in de richting van de positieve pool. In een pH-gradiënt ontwikkelt het rhizoïd zich steeds aan de 'zure' kant van de zygote.Het lijkt
waarschijnlijk dat de morfologisch zichtbare polarisatie voorafgegaan
wordt door een submicroscopische of biochemische polarisatie. Omdat de richting van de polarisatie niet veranderd kan worden door
centrifugeren, berust deze polarisatie waarschijnlijk op de organisatie
in het buitenste taaie cytoplasma. Niet alleen kan een elektrische
potentiaal de polarisatie beïnvloeden, maar de gepolariseerde Zygoten
genereren ook zelf een potentiaalverschil tussen de uiteinden van de
polarisatie-as. Er zijn aanwijzingen dat een intracellulaire elektrische
stroom in feite verantwoordelijk isvoor deredistributie en ruimtelijke
oriëntatie van verschillende polymeren en andere bestanddelen van
het cytoplasma (Jaffe, 1970), en het is mogelijk dat dergelijke bioelektrische velden ook een rol spelen bij de polarisatie van dierlijke
eieren.
Debestudering van systemen alsdevroegeontwikkeling vanFucuseieren isvooral interessant omdat het hier mogelijk isom door middel
van milieufactoren het differentiatie-patroon te beïnvloeden in een
geïsoleerde cel. De rol van epigenetische factoren kan hier dus zeer
goed bestudeerd worden en mogelijk inzicht verschaffen overde wijze
waarop endogene epigenetische factoren een rol spelen bij de expressie van genetische potenties in een zich ontwikkelend multicellulair
organisme.
38
De functie van het genoom in de ontwikkeling1
H. D. BERENDES t
Bij het observeren van een hoger, meercellig organisme, een vlieg,
een vis, een muis of een medemens, realiseren we ons nauwelijks dat
vorm- en ook gedragskenmerken van deze organismen, in principe,
berusten op genetische informatie welke reeds in de bevruchte eicel
aanwezig was. Van deze cel immers, stammen alle cellen af die een
bijdrage leveren aan het ontstaan van de uiterlijke vorm of van een
bepaald gedrag. Devraag opwelkewijze vorm- of gedragskenmerken,
waarvoor informatie in het genoom aanwezig is, tot uitdrukking komen, is een van de meest intrigrerende en centrale vraagstukken van
de moderne biologie.
Het lijdt geen twijfel dat dezekenmerken het resultaat zijn van een
gecoördineerd samenspel van vele cellen, die ieder voor zich op grond
Van de genetische informatie aanwezig in hun celkern, een bijdrage
leveren tot het ontstaan van bepaalde kenmerken. Het tot stand komen van een typisch uiterlijk kenmerk of van een bepaald gedragspatroon berust dusprimair op het tot expressie komen van de hieraan
ten grondslag liggende genetische informatie op het niveau van de
individuele cel. Hoewel bij het ontstaan van deze kenmerken velecellen betrokken zijn, zijn er zeker ook cellen die géén bijdrage leveren.
Men kan zich dan afvragen waarom de genetische informatie voor de
genoemde kenmerken in de ene cel wel, maar in een andere cel van
hetzelfde organisme, niet tot expressie komt.
Het antwoord op deze vraag zou simpel kunnen zijn: 'de ene cel is
de andere niet'; m.a.w. de ene cel heeft zich tijdens de ontwikkeling
in een andere richting gespecialiseerd dan de andere. Als dit inderdaad de verklaring is, dringt een volgende vraag zich aan ons op: wat
1. Gaarne wil ik mijn medewerkers dr. H. Leenders, drs. J. Derksen en
drs. J. Joosten danken die, door het maken van kritische kanttekeningen
bijhet manuscript, eenwezenlijke bijdrage hebben geleverd.
39
ligt aan het ontstaan van cellen met verschillende specialisaties ten
grondslag? Hoe heeft bijvoorbeeld een cel in het beenmerg van een
zoogdier het vermogen tot hemoglobine-synthese ontwikkeld, terwijl
cellen in de lever van dit zoogdier dit vermogen missen en gespecialiseerd zijn in de afbraak van dit eiwit. Laten we aannemen dat het
ontwikkelen van deze verschillende specialisatierichtingen berust op
de aanwezigheid van genetische informatie die, voor beide celtypen,
uiteindelijk afkomstig moet zijn uit de bevruchte eicel. Als deze veronderstelling juist is,dan moet uit het totaal aan genetische informatie
aanwezig in de bevruchte eicel, bij de ontwikkeling van de twee verschillende celtypen, een selectie zijn gemaakt. De vraag hoe deze
selectie tot stand komt ligt ten grondslag aan alle ontwikkelings-biologische fenomenen.
Bij het zoeken naar een antwoord op deze vraag zou men allereerst
moeten weten of beide gespecialiseerde cellen potentieel nog steeds
over dezelfde genetische informatie beschikken als aanwezig was in
de bevruchte eicel. Indien dit inderdaad het geval is, zou men een
inzicht moeten hebben in de processen welke betrokken zijn bij het
tot expressie komen van genetische informatie op het niveau van de
individuele cel, om tenslotte te kunnen onderzoeken welke factoren
één of meer van deze processen kunnen beïnvloeden. De gegevens
welke uit een dergelijk onderzoek naar voren komen zouden ons inzicht kunnen verschaffen in de wijze waarop tijdens de ontwikkeling
een verschil invorm en functie tussen cellen tot stand komt.
Is de hoeveelheid genetische informatie in alle cellen van een organisme identiek?
De genetische informatie van een cel is vastgelegd in het chromosomale DNA. (De informatie diein extra-nucleair DNA, met name in
het DNA van de mitochondriën, aanwezig is wordt hier verder buiten
beschouwing gelaten.) Uitgaande van een exacte duplicatie van het
chromosomale DNA voorafgaande aan iedere celdeling, beginnende
met de eerste klieving van de bevruchte eicel, zou iedere cel van een
organisme in principe over dezelfde hoeveelheid chromosomaal DNA
moeten beschikken. DNA-metingen aan celkernen van verschillende
weefsels in een aantal organismen wezen inderdaad op de aanwezigheid van een overeenkomstige hoeveelheid DNA in alle diploïde celkernen (tabel 1).Dit gegeven opzichzelf isechter geenszins voldoende
40
Tabel 1. DNA-gehalte in pg (= 10~12g) van celkernen
uit verschillendeweefsels van de kip en het rund.
Celtype
Kip
Rund
lever
alvleesklier
schildklier
nier
milt
2,6
2,6
2,5
2,6
6,4
6,6
6,4
6,4
6,8
spermatide
1,3
3,3
-
om te kunnen concluderen dat dan ook het totaal aan genetische informatie aanwezig in de kernen van verschillend gespecialiseerde cellen identiek is. De DNA-hoeveelheid per celkern zegt immers niets
over de informatieve inhoud van het DNA. Het is dus noodzakelijk
op de een of andere wijze vast te stellen of de genetische informatie
aawezig in de celkern van een gespecialiseerde cel nog dezelfde is als
de informatie die aanwezig was in de bevruchte eicel waarvan de gespecialiseerde cel afstamt.
Ongeveer 20 jaar geleden volbrachten Robert Briggs en Thomas
King een aantal elegante experimenten om te testen of de in de celkern aanwezige genetische informatie tijdens de ontwikkeling van een
kikkerei aan veranderingen onderhevig is. Celkernen uit blastula-cellenwerden geïmplanteerd in bevruchte eicellen waaruit de eigen kern
was verwijderd. In vele gevallen bleken deze eieren zich normaal te
ontwikkelen. John Gurdon zette deze experimenten voort met eieren
van de Afrikaanse klauwkikker, Xenopus laevis. Hij stelde vast dat
kernen afkomstig uit darmcellen van een kikkervisje na implantatie in
eicellen waarvan de kern was gedood (door u.v.-bestraling), nog alle
genetische informatie bezaten om een volledige ontwikkeling van het
eitot kikkervisje tot stand te laten komen (fig. 1).De conclusie welke
uit de resultaten van dit experiment mag worden getrokken is, dat
cellen die zich tijdens de ontwikkeling van het bevruchte kikkerei tot
darmcellen specialiseren, nog steeds over dezelfde genetische informatie beschikken als die welke aanwezig was in de bevruchte eicel.
(Voor een volledig overzicht van deze experimenten, zie Gurdon,
1974;vergelijk pag. 1-41voor dergelijke experimenten bij insekten;zie
ook pag. 17 e.v.)
41
if
Fig. I. Eén van de kerntransplantatie-experimenten van Gurdon. Een on
bevruchte eicel van Xenopus laevis wordt met u.v.-licht bestraaldwaardooi
de celkern wordt gedood. Na injectie van een celkern uit het darmepitheei
van een kikkervisje begint de eicel zich te delen. Wanneer het blastulastadium is bereikt, worden opnieuw celkernen getransplanteerd in eicellen
waarvan de kern door bestraling met u.v.-licht is gedood. Opnieuw gaan
de eicellen zich delen en uit iedere eicel zal uiteindelijk een kikkervisje en
nog later een volwassen kikker ontstaan.
42
Jl.
-^
Hoewel Gurdon's experimenten goede argumenten leverden voor
de opvatting dat de genetische informatie in alle diploïde celkernen
van een organisme identiek is, ongeacht de specialisatie die de cel
tijdens de ontwikkeling heeft ondergaan, zijn er uitzonderingen op
deze regel.
In vele insekteneieren worden tijdens de eerste klievingsdelingen
chromosomen geëlimineerd uit kernen van cellen waaruit het soma
zichzalontwikkelen (fig. 2a;zieook pag. 122).Een soortgelijk proces
treedt op tijdens de vroege ontwikkeling van de spoelworm, Ascaris,
en bij Copepoden. Bij deze organismen gaan onderdelen van chromo-
eliminatie
diminutie
jrjf®
~Ui®
Fig. 2. Veranderingen in hel DNA-gehalte vancelkernen alsgevolgvan:
A. Chromosoom-eliminatie, een proces waarbij gehele chromosomen tijdens eenkerndeling uitgesloten worden vanopname in de dochterkernen.
Dit proces vindt plaats tijdens de ontwikkeling van eieren van galmuggen
en sommige tweevleugelige insekten.
B. Chromosoom-diminutie, delen van chromosomen worden tijdens een
kerndeling niet opgenomen in de dochterkernen. Dit proces treedt op tijdensdeontwikkeling van eieren vandespoelworm envan Copepoden.
C. Amplificatie vanDNA, een proces waarbij een bepaald deel vaneen
chromosoom door snel opeenvolgende DNA-verdubbeling relatief 'verrijkt'
wordt ten opzichte vande rest van het DNA. Amplificatie vanbepaalde
genen (ribosomale genen) treedt op tijdensdeOogenese bijde ontwikkeling
vanprimaire oöcyten bijvele insekten en amfibieën.
De genoemde processen treden in het merendeel vande beschrevengevallen op in diploïde celkernen waarbij beide homologe chromosomen op
dezelfde wijze bijhetproces betrokken zijn.
43
somen verloren in de kernen van de cellen waaruit het soma ontstaat
Dit proces noemt men diminutie (fig. 2b). Cellen van de kiembaar
ondergaan geen eliminatie- of diminutie-proces. Als gevolg van chromosomen-eliminatie en -diminutie ontstaat niet alleen een verschil in
hoeveelheid DNA tussen kernen van kiembaan- en kernen van somatische cellen, doch tevens een kwalitatief verschil in genetische informatie tussen kiembaan- en somatische cellen. Bepaalde informatie
gaat bijhet ontstaan van het soma verloren.
Naast het ontstaan van kwalitatieve verschillen in genetische informatie, kan bij bepaalde organismen ook een kwantitatief verschil in
informatiegehalte van bepaalde celtypen tot stand komen. Zo treedt
bij vele insekten en amfibieën tijdens de méiose, welke leidt tot de
vorming van een eicel, plotseling een selectieve vermeerdering op van
één bepaald gen; het gen dat codeert voor rRNA (ribosomaal RNA)
(Brown & David, 1969). Bij sommige insekten treedt aan het einde
van de larvale ontwikkeling in bepaalde somatische celtypen een lokale toename in chromosomaal DNA op (Pavan &DaCunha, 1969). In
al deze gevallen spreekt men van genversterking of genamplificatie
(fig. 2c), een kwantitatieve toename van één bepaalde informatie die
tot stand komt door selectieve replicatie van een bepaald deel van het
chromosomale DNA.
Uit deze voorbeelden blijkt dat de opvatting dat alle celkernen van
een organisme dezelfde genetische informatie zouden bevatten, geen
algemene geldigheid bezit. Aan de andere kant moet men vaststellen
dat er, voor wat betreft kernen van gespecialiseerde somatische cellen,
geen aanwijzingen zijn voor het bestaan van kwalitatieve verschillen
in genetische informatie. Men zou dus ten aanzien van de kwaliteit
van de genetische informatie in somatische cellen misschien een variant op een bekend Engels gezegde kunnen toepassen 'All somatic
nuclei are equal, but some are more equal than others'.
Hoewel in het voorgaande herhaaldelijk over de kwaliteit van de
genetische informatie in de celkern werd gesproken,werd nergensduidelijk gedefinieerd wat men hieronder zou moeten verstaan. Alvorens
aandacht te besteden aan het tot expressie komen van genetische informatie, lijkt een correctie van deze omissieopzijn plaats.
44
Het genoom, de bron van allegenetische informatie
Gerepeteerde en unieke basenvolgorden In zuiver kwantitatieve zin
isdehoeveelheid genetische informatie waarover een celkern beschikt
een functie van de hoeveelheid DNA in die celkern. De hoeveelheid
DNA in een celkern kan echter niet als maatstaf dienen indien men
een uitspraak wil doen met betrekking tot de aard van de genetische
informatie die in het DNA is vastgelegd. De informatieve inhoud van
een DNA-molekuul wordt immers bepaald door de volgorde waarin
de purinebasen, adenine en guanine en de pyrimidinebasen, cytosine
en thymine in het DNA-molekuul gerangschikt zijn/Laten we als
voorbeeld kiezen de informatie welke nodig is voor de synthese van
een bepaald eiwit in een cel. De voor dit eiwit specifieke volgorde
van aminozuren is gebaseerd op een specifieke volgorde van tripletten
van basen in het DNA (de genetische code), waarbij ieder triplet als
code voor slechts één aminozuur fungeert. De volgorde waarin de
verschillende tripletten in het DNA voorkomen, bepaalt dus de 'kwaliteit' (aard) van de informatie in dit DNA. Omdat verschillende aminozuren door verschillende (voor ieder aminozuur specifieke) tripletten van basen worden gecodeerd, is dus in feite de basenvolgorde in
het DNA-molekuul bepalend voor de 'kwaliteit' van de informatie
(zie Watson, 1970).
Eigenlijk zou men verwachten, dat bij een verschil in hoeveelheid
DNA per genoom, het genoom dat meer DNA bevat ook 'kwalitatief'
meer informatie zou bevatten. Aan dezeverwachting hoeft echter niet
voldaan te worden. Meer DNA betekent nog niet dat er meer verschillende basenvolgorden zijn. De situatie zou zich kunnen voordoen
dat bepaalde basenvolgorden niet slechts éénmaal, maar meerdere
malen (gerepeteerd) aanwezig zijn. In zo'n geval is er ondanks een
kwantitatief verschil in informatie-inhoud, geen kwalitatief verschil.
Is nu deze filosofie slechts van theoretisch belang, of komt gerepeteerdeinformatie in denatuur ook werkelijk voor?
DNA komt in de natuur in het algemeen voor in de vorm van twee
spiraalvormig om elkaar gewonden ketens (dubbelstreng-molekuul of
DNA-helix). De associatie tussen de twee ketens berust op het aanwezig zijn van waterstofbruggen tussen de basen adenine en thymine,
en tussen de basen guanine en cytosine. Adenine en thymine noemt
men evenals de basen guanine en cytosine complementaire basen. Een
dubbelstreng-DNA-molekuul bestaat altijd uit twee strengen waarin
45
de basenvolgorde complementair is (bijvoorbeeld
). Indiei
t-iAuvAA
men onder bepaalde experimentele omstandigheden twee complemen
taire enkelstreng-DNA-molekulen bij elkaar zou voegen, ontstaat eei
dubbelstreng-DNA-molekuul waarbij tegenover iedere base in de en
streng, een complementaire base in de andere streng aanwezig za
zijn.
Dit principe heeft Roy Britten in het midden van de zestiger jarei
benut om basenvolgorden in het DNA van verschillende zoogdierei
te vergelijken. Hierbij werd gebruik gemaakt van de volgende metho
de: DNA werd geïsoleerd uit de kernen van zoogdiercellen en vervol
gensverhit (fig. 3)of in een alkalisch milieu gebracht. Hierdoor rakei
de complementaire strengen, als gevolg van het verbreken van di
waterstofbruggen, losvan elkaar (denaturering). Vervolgens wordt he
milieu zodanig gewijzigd (door afkoeling bijvoorbeeld) dat opnieuv
waterstofbruggen tussen complementaire basenkunnen ontstaan.Doo
de denaturering zijn echter de molekulen met complementaire basen
volgorde elkaar kwijt geraakt en het terugvinden van de juiste partne:
(renaturering) is een kansspel.
Bij het uitvoeren van dit soort experimenten werd door Brittei
waargenomen dat in zoogdier-DNA een bepaald, soms niet onaan
zienlijk gedeelte, zeer snel renatureerde, terwijl een ander gedeelti
niet renatureerde of in ieder geval zeer veel tijd nodig had om d<
partner terug te vinden. Deze resultaten wezen erop dat bepaald«
basenvolgorden in dit DNA in veel grotere aantallen aanwezig moes
ten zijn dan andere. Immers, aangezien het terugvinden van de part
ner aan het toeval onderhevig is, is de kans op succes groter, naar
mate het aantal kopieën van een bepaalde basenvolgorde in het DN^
groter is (fig. 3;zieBritten &Kohne, 1970).
Vooral gedurende de afgelopen jaren is er veel vergelijkend onder
zoek verricht om, bij een grote verscheidenheid van hogere organiS'
men, te bepalen welk deel van het genoom uit snel renaturerenc
DNA (repetitieve basenvolgorden) en welk deel uit zeer langzaan
renaturerend DNA (unieke basenvolgorden) bestaat. Bij dit onderzoel
werd gevonden dat in de meeste organismen verschillende klassen var
'gerepeteerde basenvolgorden' voorkomen, die kunnen worden onderscheiden op grond van het aantal kopieën (N) waarmee ze in hei
genoom aanwezig zijn: N > 100.000; 100.000 < N > 100;N < 100
N = 1.
46
©
"^tas^â
A. /-
©
Fig. 3. A. Dubbelstreng-DNA-molekulen uit het genoom van een hypothetisch hoger organisme worden verhit. Hierdoor worden dewaterstofbruggen tussen complementaire baseparen verbroken en worden beide
strengengescheiden (denaturering).
B. Bij afkoeling vande resulterende enkelstreng-DNA-molekulen kunnen
molekulen met complementaire basenvolgorden reassociëren en opnieuw
dubbelstreng-molekulen vormen. De kans op reassociatie van complementaire enkelstreng-molekulen isgroter naarmate deconcentratie in hetmengsel hoger is.Molekulen met de basenvolgorde A hebben dus in dit geval
neer kans eenmolekuul met de volgorde A' te ontmoeten dan molekulen
B of C hun complementaire basenvolgorde B' of C'. Dubbelstreng-DNAmolekulen kunnen van enkelstreng-molekulen gescheiden worden door filtratieover hydroxyapatiet. Dubbelstreng-DNA wordt door hydroxyapatiet
geadsorbeerd, enkelstreng-DNA niet. Men kan dus op verschillende tijdstippennahet begin vande renatureringsreactie onderzoeken hoeveel van
hetDNA inhetreactiemengsel isgerenatureerd.
Nu we vertrouwd geraakt zijn met het idee dat in het genoom van
een hoger organisme naast unieke basenvolgorden ook gerepeteerde
basenvolgorden voorkomen, wordt de vraag relevant of de verschillen
in aantal waarmee bepaalde basenvolgorden in het genoom aanwezig
47
zijn, een functionele betekenis hebben.
Indien we er eenvoudigheidshalve van uit zouden gaan dat eengerepeteerde basenvolgorde de code zou bevatten voor een eiwit, dar
zou de cel potentieel in staat zijn enorme hoeveelheden van dit eiwil
te produceren. De produktie van het eiwit is echter in eerste instantie
afhankelijk van de produktie van een RNA-molekuul dat van degerepeteerde basenvolgorde in het DNA wordt afgelezen. De eerstestar.
in het proces van het tot expressie brengen van genetische informatie
is immers het aflezen van de genetische code van het DNA, waarbi;
een RNA-molekuul wordt gevormd met een basenvolgorde die complementair is aan die van één der DNA-strengen. Dit RNA (messenger RNA, kortweg mRNA) dient als 'boodschapper' tussen het ir
de celkern gelokaliseerde DNA en het in het cytoplasma gelokaliseerde eiwitsynthese-apparaat. Indien er in het genoom van een hogei
organisme inderdaad gerepeteerde basenvolgorde voorkomen dieworden afgelezen, dan kunnen we dit testen met soortgelijke experimenten als hiervóór werden beschreven. Indien we DNA denatureren en
het enkelstreng-mengsel na toevoeging van complementaire RNAmolekulen laten renatureren, dan is er een goede kans (uiteraard afhankelijk van de concentratie van de RNA-molekulen ten opzichte
van DNA-molekulen met een overeenkomstige basenvolgorde) dat ei
hybriden ontstaan tussen RNA-molekulen en complementaire enkelstreng-DNA-molekulen.We spreken dan van hybridisatie tussen RNA
en DNA (fig. 4).
Nucleïnezuur-hybridisatie Van de reeds beschreven mogelijkheid,
het ontstaan van RNA/DNA-hybriden, kan gebruik gemaakt worden
om te onderzoeken of bepaalde, door een cel gesynthetiseerde RNAmolekulen al dan niet afgelezen werden van een gerepeteerde basenvolgorde in het DNA. Laten we een duidelijk voorbeeld kiezen.Ribosomaal RNA (rRNA), een onderdeel van de ribosomen, die in hel
cytoplasma een belangrijke rol bij de eiwitsynthese vervullen, wordl
door de cel in grote hoeveelheden aangemaakt. De synthese vindt in
de meeste interfase-cellen continu plaats. Als we deze cellen nu voorzien van een radioactieve bouwsteen van RNA, het nucleotide uridine
(een stikstofbase uracil gekoppeld aan een molekuul ribose waaraan
tevens een fosforzuur gebonden is), dan wordt deze bouwsteen tijdens
de synthese van RNA in vele, zo niet alle molekulen ingebouwd. Na
extractie van het door de cel geproduceerde RNA (alle nieuw gesyn48
chromosoom
RNA-polymerase
•
radioaktief undinetrifosfaat
(invitrotranscriptie)'
-
B
©
©
incontactbrengenmet
"gedenatureerd chromosoom
vormingvan hybridenvan RNA*met DNA
inhet chromosoomalleenopdieplaatsen
waar hetDNA eenbasenvolgorde heeft
diecomplementair isaandievan het DNA
Fig. 4. Hybridisering vanRNA- en DNA-molekulen (in situ). Na extractie
vanDNA uit celkernen (chromosomaal DNA) wordt het DNA gedenatureerd (B; zie ook fig. 3). Vervolgens wordt aan het DNA het enzym
'DNA-afhankelijke RNA-polymerase' (geïsoleerd uit bacteriën) en een
mengsel van de rtucleotide-trifosfaten (ATP, GTP, CT? en UTP*) toegevoegd (het UTP-molekuul is radioactief gemerkt) (C). Het enzym vormt
radioactieve RNA-molekulen (D), die na isolatie uit het RNA/DNA-mengsef (E) kunnen worden gebruikt voor hybridisatie met het chromosomale
DNA (F).
Eenzelfde experiment kan worden verricht met radioactief RNA dat
doorde levende cel zelf werd gesynthetiseerd. De procedure is vanaf stap
E identiek. Een dergelijk experiment zal een indruk geven over de aanw
ezigheid en de chromosomale herkomst van RNA-molekulen die in de
cel werden afgelezen van gerepeteerde basenvolgorden in het chromosomale DNA.
49
thetiseerde RNA-molekulen bevatten deradioactieve bouwsteen) kun
nen we met behulp van bepaalde scheidingstechnieken (RNA-gelelek
troforese of centrifugatie van het RNA in een suikergradiënt) he
rRNA van de andere RNA-molekulen scheiden. Vervolgens wordt he
rRNA gevoegd bij een mengsel van gedenatureerd DNA uit dezelfd<
cel (enkelstreng-DNA)onder omstandigheden waarbij devorming var
hybriden van het rRNA en de complementaire basenvolgorde in he
DNA kan optreden. Deze hybriden zijn radioactief als gevolg vand«
aanwezigheid van het radioactieve nucleotide uridine in de rRNA'
molekulen. Wekunnen nu, aan de hand van radioactiviteits-metingen
vaststellen welk deel van het DNA hybriden heeft gevormd met hei
rRNA. Het aantal nucleotiden in één rRNA-molekuul is ons bekend
op grond van de resultaten van de scheidingsprocedures. We kunnen
dus aan de hand van al deze gegevens uitrekenen hoeveel basenvolgorden, complementair aan die van het rRNA, in het DNA aanwezig
waren. De hybridisatie-techniek biedt dus de mogelijkheid om te bepalen hoeveel genen (cistronen) voor rRNA in het DNA van de cel
aanwezig zijn.
Gebruik makend van deze technieken heeft men kunnen vaststellen
dat de meeste organismen een veelvoud aan genetische informatie
(dus basenvolgorden) voor rRNA in hun genoom bezitten (een diploïde kern van de bananenvlieg Drosophilabevat ongeveer 400 en een
diploïde cel van de klauwkikker Xenopus ongeveer 1000 genen voor
rRNA; zie ook Teelken &Gruber, 1971).
Met een geringe modificatie van het zojuist beschreven experiment
kunnen weook nog een inzicht krijgen in delokalisatie van de rRNAgenen in de chromosomen. We passen dan de techniek van in situ
hybridisatie toe (zie fig. 4). Hierbij wordt radioactief rRNA gebruikt
dat tevoren 'in vitro' wasgesynthetiseerd in aanwezigheid van gedenatureerd DNA. Indien dit gerepeteerde basenvolgorden bevatte, zijn
onder de 'in vitro' gesynthetiseerde RNA-molekulen, molekulen met
deze repetitieve basenvolgorde in groter aantal aanwezig dan molekulen die werden afgelezen van unieke basenvolgorden. Het mengsel
van 'in vitro' gesynthetiseerde RNA-molekulen wordt nu in contact
gebracht met een cytologisch preparaat van chromosomen van hetzelfde organisme dat werd gebruikt om het DNA te isoleren. Deze
cytologische preparaten werden tevoren zodanig behandeld dat het
chromosomale DNA is gedenatureerd. Hierdoor kunnen de (enkelstreng) RNA-molekulen een hybride vormen met enkelstreng-DNA50
molekulen met een complementaire basenvolgorde. Ook in dit experiment is de kans op ontmoeting tussen molekulen met een complementaire basenvolgorde afhankelijk van de relatieve concentraties
waarmee de molekulen in het reactiemengsel aanwezig zijn. Molekulen die werden afgelezen van repetitieve basenvolgorden zullen dus
meer kans hebben op een ontmoeting met een complementaire basenvolgorde in het chromosomale DNA dan molekulen die werden afgelezen van een unieke basenvolgorde. De gevormde RNA/DNAhybriden kunnen vervolgens met behulp van autoradiografie van het
cytologische preparaat worden gelokaliseerd. Immers, op die plaatsen
in de chromosomen waar een hybride werd gevormd zal als gevolg
van de radioactiviteit van het RNA een zwarting optreden op een
erboven aangebrachte fotografische film. Op deze wijze heeft men
kunnen aantonen dat rRNA-molekulen altijd met een deel van de
nucleolus hybridiseren.
Moleculaire hybridisatie tussen complementaire RNA- en DNAbasenvolgorden biedt dus de mogelijkheid, enerzijds te bepalen hoeveel genen (dus basenvolgorden met bepaalde informatie) in het
genoom van een cel aanwezig zijn, anderzijds om deze genen in de
chromosomen te lokaliseren.
Dit type experimenten heeft ons verder geleerd dat genen die coderen voor RNA en eiwitten die in alle cellen nodig zijn voor het verrichten van de basisfuncties in die cel ('huishoud-genen'), veelal in
meervoud in het haploïde genoom aanwezig zijn (genen voor rRNA,
tRNA (transport-RNA) en mRNA's voor de basische chromosomale
eiwitten, de histonen). Daartegenover staat dat vele cel-specifieke
eiwitten gecodeerd worden door unieke basenvolgorden. Er is voor
deze eiwitten dus slechts één enkel gen per haploïd genoom (dit geldt
bijvoorbeeld voor hemoglobine en ovalbumine).
Tot slot van deze paragraaf over de informatieve inhoud van het
genoom, lijkt het zinvol om even in te gaan op de vraag of de informatieve inhoud van het totaal van het in een cel aanwezige chromosomale DNA nu bekend is. Het antwoord op deze vraag moet ontkennend luiden. Tot nu toe is slechts van een beperkt aantal genen
de frequentie waarmee ze in het genoom voorkomen, en hun lokalisatie onderzocht (unieke basenvolgorden kunnen op grond van hun
extreem langzame hybridisatie niet met behulp van in situ hybridisatie
worden gelokaliseerd). Bovendien komen in het genoom van alle hogere organismen gerepeteerde basenvolgorden voor waarvan de func51
tie tot nu toe onbekend is.
Op grond van het feit dat in het chromosomale DNA waarschijnlijk iedere unieke basenvolgorde (die codeert voor een specifiek eiwit)
van de volgende unieke basenvolgorde gescheiden is door een gerepeteerde basenvolgorde (zieCold, 1973),heeft men gesuggereerd dat de
gerepeteerde basenvolgorden mogelijk een regulerende rol vervullen
bij de aflezing (transcriptie) van de naastgelegen unieke basenvolgorde
(Britten &Davidson, 1969;zieook pag. 109e.V.).
Nu we enig inzicht hebben verkregen in de informatieve inhoud van
het genoom met betrekking tot de 'kwaliteit' van de aanwezige informatie, keren we terug tot de vraag hoe een cel op een selectieve wijze
van de aanwezige informatie gebruik kan maken bij het ontwikkelen
van zijn specialisatie.
De expressie van genetische informatie
Het tot uiting komen van genetische informatie vindt plaats via een
aantal opeenvolgende processen. Het eerste en ongetwijfeld belangrijkste proces is de transcriptie, het aflezen van een bepaalde basenvolgorde in het DNA en het overschrijven van de in die basenvolgorde neergelegde code, op een RNA-molekuul. Zonder deze eerste
stap kan geen enkele genetische informatie tot expressie komen. Al
tijdens de transcriptie wordt het RNA-molekuul verpakt in eiwit en
kunnen er veranderingen in de lengte van het molekuul ontstaan (zie
fig. 7). Het RNA-eiwitcomplex, een ribonucleoproteïne (RNP)-partikeltje, verlaat het chromosoom en migreert door het kernplasma naar
de kernmembraan. Vervolgens passeert het de kernmembraan waarbij
waarschijnlijk een verandering in de eiwitsamenstelling van het partikel optreedt. Waarschijnlijk is deze gang van zaken voor alle RNAmolekulen die in het cytoplasma terechtkomen hetzelfde. We hadden
reeds eerder, ongemerkt, een differentiatie aangebracht tussen RNAmolekulen die geen code voor de synthese van een eiwit bevatten
(rRNA; tRNA) en molekulen die wel informatie voor de synthese
van een eiwitmolekuul in zich dragen (mRNA). Het rRNA-eiwitcomplex zal gaan functioneren als ribosoom, het tRNA-eiwitcomplex als
transportmiddel voor aminozuren. De mRNA-eiwitcomplexen worden
met de ribosomen geassocieerd. Het mRNA verschuift vervolgens
langs het ribosoom waarbij een eiwitmolekuul wordt gevormd waarin
52
deopeenvolging van aminozuren wordt bepaald door de volgorde van
tripletten van basen. Dit proces noemt men translatie (zie voor gedetailleerde beschrijving van het translatieproces: Lengyel &Söll, 1969).
We zullen in dit kader geen aandacht besteden aan het mechanisme
van het transcriptie- en translatieproces. Het mechanisme van deze
processen is waarschijnlijk voor alle cellen identiek. Als we willen
weten waarom de, in de ene cel tot expressie gebrachte genetische informatie, verschilt van die in een andere cel van hetzelfde organisme,
is de vraag op welke wijze de genoemde processen worden gereguleerd veel belangrijker. We zullen daarom in de volgende paragrafen
enige aandacht besteden aan regulatie van de processen die uiteindelijk leiden tot het tot expressiekomen van de genetische informatie.
Selectieveinductie enrepressievandetranscriptie Eenvan demeest
overtuigende aanwijzingen voor de regulatie van de transcriptie werd
verkregen uit een onderzoek van de activiteit van de reuzenchromosomen bij insekten.
Microscopisch onderzoek van deze chromosomen bracht aan het
licht dat in verschillende cellen van een insektelarve eenduidelijk verschillend patroon van lokale verdikkingen in de reuzenchromosomen
aanwezig was (Beermann, 1952;Berendes & Beermann, 1969). Deze
lokale verdikkingen, 'puffs' genoemd, zijn uitingen van een hoge activiteit van de RNA-synthese (transcriptie) ter plaatse. Vergelijkend
onderzoek van het patroon van 'puffs' (plaatsen waar transcriptie
plaatsvindt) in de reuzenchromosomen van verschillende weefsels van
dezelfde larve, en van hetzelfde weefsel op verschillende tijden in de
larvale ontwikkeling, maakte duidelijk dat deze patronen verschillend
waren (fig. 5). Met andere woorden, het patroon van afgelezen genetische informatie verschilt in cellen met verschillende functie (specialisatie) en voor dezelfde cel op verschillende tijdstippen in de ontwikkeling. Uit deze waarnemingen zou men kunnen afleiden dat de
inductie van genactiviteit, het aanschakelen van de transcriptie, een
selectief proces is. Steun voor deze opvatting werd verkregen uit experimenten waarbij weefsels geïsoleerd uit een insektelarve werden
geïncubeerd met het vervellingshormoon ecdyson. De hormoonbehandeling resulteerde in het ontstaan van specifieke puffs, terwijl tevens
enkele bestaande puffs als gevolg van de hormoonbehandeling verdwenen. In de normale ontwikkeling van de insektelarve treden dezelfde veranderingen in de activiteit van het genoom op wanneer de
53
laatderdelarve.
stadium
maagblindzakken
54
middenderdelarvestadium
speekselklier
laatderdelarve.
stadium
speekselklier
larve gaat vervellen. Het hormoon kan dus kennelijk selectief bepaaldegenen activeren en de activiteit van andere genen reduceren.
Een ander voorbeeld van selectieve activering van bepaalde genen
wordt gevonden tijdens de vroege ontwikkelingsstadia van amfibieeieren. Tot aan het begin van het blastulastadium vindt nauwelijks
RNA-syntheseplaats.Tijdens het blastulastadium wordt alleen mRNA
en tRNA gesynthetiseerd terwijl met de synthese van rRNA niet
eerder wordt begonnen dan kort voor het gastrulastadium (Gurdon,
1974). Deze volgorde in aanschakelen van transcriptie van de verschillende in de cel benodigde RNA-molekulen wijst eveneens op een
selectieve inductie van genactiviteit. De waarnemingen verricht aan
de activiteit van de RNA-synthese in getransplanteerde kernen, zijn
in dit verband ook zeer interessant. Indien een neurula-kern, waarin
mRNA, tRNA en rRNA wordt gesynthetiseerd, wordt geïmplanteerd
in een ei waarvan de eigen kern verwijderd is, stopt binnen 20 minuten na transplantatie de RNA-synthese in die kern volledig. Na verloop van tijd begint de mRNA- en tRNA-synthese weer op gang te
komen. Vervolgens wordt kort voor het gastrulastadium ook weer
rRNA gesynthetiseerd. Dit interessante onderzoek, uitgevoerd door
Gurdon met Xenopus-eieren, vormt opnieuw een aanwijzing voor
Fig. 5. Vergelijking van de activiteit van een deel van een interfase(reuzen-)chromosoom (uiteinde van chromosoom 2 van Drosophila hydeij
op verschillende tijdstippen in de ontwikkeling van eenzelfde celtype(speekselkliercellen in midden- en laat-derde larvestadium) en in twee verschillende weefsels van dezelfde larve (cellen uit de maagblindzakken en uit de
speekselklieren in het laat-derde larvestadium). De zwarte pijlen wijzen
naar plaatsen in het chromosoom waar sterke RNA-synthese-activiteit optreedt ('puffs'), de witte pijlen wijzen naar plaatsen die niet actief zijn.
ledere horizontale rij vanpijlen (eerstepijl van boven, enz.) wijst op homologe plaatsen in het chromosoom (de lijnen verbinden homologe banden
in de chromosomen). Bij het 'lezen' van deze figuur kan men vaststellen
dat bijvoorbeeld de puffs aangeduid door de derde pijl en de zesde pijl van
boven alleen voorkomen in de cellen van de maagblindzakken en nooit in
de cellen van speekselklieren. De puff aangeduid door de tweede pijl van
boven is slechts actief in cellen van de speekselklieren tijdens het middenderde larvestadium.
Deze figuur, welke gebaseerd is op directe observaties van de chromosomen, illustreert duidelijk de differentiële activiteit van interfase-chromosomen, enerzijds in verschillende celtypen en anderzijds op verschillende
tijdstippen in de ontwikkeling van één celtype.
55
selectieve transcriptie tijdens de ontwikkeling.
Dit experiment levert echter meer informatie. Het afschakelen van
de RNA-synthese onmiddellijk na implantatie van de kern en het in
normale volgorde opnieuw aanschakelen van verschillende genen
(eerst mRNA en tRNA, daarna pas rRNA) is een aanwijzing dat het
milieu waarin de kern zich bevindt een belangrijke invloed op de
activiteit vandekern kan uitoefenen (zie ook pag.36).
Hoewel we in het voorgaande enkele aanwijzingen voor een selectieve inductie van de transcriptie van bepaalde genen hebben bijeengebracht, hebben we de vraag hoe de selectie van de te activeren
genen tot stand komt angstvallig vermeden. Op dit probleem zal later
aan de hand van een voorbeeld wat dieper worden ingegaan. (Zie ook
pag. 199 voor een voorbeeld van selectieve genactivatie bij de bevruchting van planten.)
Maturatie en transport van genprodukten Na transcriptie van een
bepaalde, informatiebevattende, basenvolgorde in het chromosomale
DNA, kan het nieuw gesynthetiseerde RNA-molekuul de volgende
modificaties ondergaan:
1. De lengte van het molekuul kan worden gereduceerd door werking van specifieke (ribo-)nucleasen die het molekuul in stukken
knippen.
2. De lengte van het molekuul kan worden vergroot door aanhechting van ongeveer 50 tot 200 adeninegroepen aan één kant van het
molekuul. Het resulterende RNA-molekuul krijgt dan een 'poly-A'uiteinde.
3. Op specifieke plaatsen in het molekuul kan een modificatie plaatsvinden door alkylering van bepaalde nucleotiden.
Van alle, na de transcriptie, aangebrachte modificaties in RNAmolekulen zijn voorbeelden bekend. Een van de best bestudeerde gevallen waarbij nieuw gesynthetiseerde RNA-molekulen worden verkleind, betreft de maturatie (rijping) van rRNA. Opnieuw zullen we
Xenopus laevisals onderzoeksobject gebruiken, hoewel het maturatieproces van rRNA bij andere diersoorten zich volgens hetzelfde principe voltrekt. Van een ribosomaal gen (Xenopus heeft er in een
diploïde cel ongeveer 1000) wordt een RNA-molekuul afgelezen dat
is opgebouwd uit ongeveer 9000 nucleotiden. Dit molekuul wordt
enkele malen geknipt waarbij altijd twee stukken van respectievelijk
4700 en 2200 nucleotiden overblijven (Brown, 1973).Het grote, 4700
56
nucleotiden lange molekuul gaat deel uit maken van de grote subeenheid, het kleine molekuul van de kleine subeenheid van een ribosoom (fig. 6).Hoewel er duidelijke aanwijzingen zijn dat ook mRNA
een dergelijke modificatie ondergaat, is tot op heden voor geen enkel
mRNA het maturatieproces volledig beschreven.
Het maturatieproces biedt mogelijkheden voor regulatie van de
hoeveelheid functionele rRNA- of mRNA-molekulen waarover de cel
kan beschikken. Bij het uitblijven van het maturatieproces zou de cel
ondanks synthese van het volledige molekuul niet over de functionele
onderdelen ervan kunnen beschikken.
Een andere mogelijkheid voor regulatie is het uitblijven van'de
aanhechting van een stuk poly-A aan een mRNA-molekuul. Hoewel
bepaalde RNA-molekulen zeker geen poly-A hoeven te bezitten om
te kunnen functioneren (rRNA, tRNA en histon-mRNA bevatten
ribosomaalgen
Y
I
. c a .9000 nucleotiden
transcriptiegevolgd door knippen
!
1 1
•
y
— - H
4700 nucleotiden
2200 nucleotiden
ribosoom
Fig. 6. Vereenvoudigd schema van 'post-transcriptionele' modificatie van
ribosomaal RNA bij Xenopus laevis. Onderzoek van ribosomaal RNA van
veleplante- en diersoorten heeft uitgewezen dat in allegevallen modificatie
van het nieuw gesynthetiseerde molekuul optreedt. In alle gevallen wordt
het molekuul na de transcriptie geknipt en gaan kleine stukken van het
oorspronkelijke molekuul verloren. Er vindt echter nooit toevoeging van
adenine-molekulen plaats. Deze toevoeging (polyadenylering) komt, voor
zover bekend, uitsluitend voor bij mRNA (ofschoon deze regel uitzonderingen kent).
57
geen poly-A), bevatten de meeste dierlijke mRNA's wel deze toevoeging. Hoewel de functie van het poly-A-uiteinde vooralsnog onduidelijk is, ishet niet uitgesloten dat voor bepaalde mRNA's de aanwezigheid van deze toevoeging een voorwaarde is om als 'messenger' te
kunnen functioneren (Darneil et al., 1973).
Het transport van het gesynthetiseerde RNA vindt plaats in de
vorm vanribonucleoproteïne-(RNP-)partikeltjes,complexen van RNA
met eiwit. De eiwitcomponent, waarvoor de naam 'informofeer' werd
voorgesteld (Georgiev & Samarina, 1971) dient als drager van het
nieuw gesynthetiseerd RNA. Onderzoek van Georgiev en zijn medewerkers suggereert dat reeds tijdens de synthese van een RNA-molekuul informofeer-eiwit met het RNA wordt geassocieerd (fig. 7). De
eerder beschreven modificaties van RNA-molekulen (knippen en aanhechting van poly-A) zou in feite pas geschieden nadat het molekuul
met één of meer 'informoferen' is geassocieerd. Een lang RNA-mole*
kuul dat met meer dan één eiwit-eenheid geascocieerd wordt vormt
een keten van RNP-partikels. Deze keten zou kunnen worden verbroken door het 'knippen' van het RNA-molekuul op plaatsen waar
het twee eiwit-eenheden verbindt. Dit knippen moet echter zodanig
gebeuren dat één of meer partikels gecombineerd blijven met een
functioneel RNA-molekuul (bijvoorbeeld functioneel mRNA).
Elektronenmicroscopisch onderzoek aan puffs in de reuzenchromosomen heeft uitgewezen dat in elke puff RNP-partikels aanwezig zijn.
De grootte van de partikels in verschillende puffs varieert. In de
meeste puffs hebben de partikels een doorsnede variërend van 30 tot
50 nm (Derksen et al., 1973). In de puff zelf kan men 'slingers' of
groepjes van RNP-partikels waarnemen. Het is niet uitgesloten dat
deze 'slingers' of groepjes één volledig nieuw gesynthetiseerd RNAmolekuul bevatten in de zin zoals dit door Georgiev is gepostuleerd.
Aangezien in het kernplasma van deze cellen praktisch uitsluitend
losse RNP-partikels worden aangetroffen, zou de modifikatie van het
RNA-molekuul ('knippen'), met als gevolg het uiteenvallen van de
'slinger' of het groepje RNP-partikels, in depuff plaatsvinden.
RNP-partikels worden ook in de kernmembraan en in het cytoplasma dicht bij de kernmembraan aangetroffen. Dit wijst erop dat
het RNP de kern kan verlaten. Met betrekking tot een mogelijke regulatie van het transport van RNP, van het chromosoomgebied waar
de transcriptie plaatsvond naar het cytoplasma, is tot nu toe niets
bekend. Het is echter niet uitgesloten dat ook bij dit proces een
58
gen a
gen b
gen c
DNA-matrijs
transcriptie
associatievan RNA
metinformoferen
knippenRNA-molekuul
""IIH tot mRNAoverblijft;
polyadenylering
l
transportdoor
kernmembraan
informosoom
/vivvvvvw\AWvw/to*
bindingaanribosomen
translatie
Fig. 7. De verwerking van nieuw gesynthetiseerd RNA. h en c zijn RNAmolekulen die van rechts naar links zijn afgelezen van basenvolgorden in
het DNA waarin onder meer de informatie van respectievelijk gen b en
gen c aanwezig is. De RNA-molekulen omvatten dus meer dan uitsluitend
de informatie die codeert voor een bepaald genprodukt. Na associatie met
een aantal informofeer-eiwitten kan het RNA-molekuul zodanig geknipt
worden dat in principe slechts één informofeer-eiwit drager van de informatie (mRNA) is. Dit mRNA-molekuul kan verder gemodificeerd worden
door toevoeging van een poly-A-stuk om vervolgens de celkern te verlaten
en nu als 'informosoom' (cytoplasmatisch mRNP) geassocieerd te worden
met ribosomen. Hierna kan translatie van hel mRNA optreden.
Er moet echter op gewezen worden dat dit schema voor de verwerking
van nieuw gesynthetiseerd RNA voor een belangrijk deel op hypothese berust, ook al zijn er belangrijke argumenten ten gunste van deze hypothese
aan te voeren. Een van de basisgegevens voor deze hypothese is dat het
mRNA dat uit het cytoplasma kan worden geïsoleerd altijd veel kleiner is
dan nieuw gesynthetiseerd RNA dat uit de celkern geïsoleerd kan worden.
59
selectie gemaakt kan worden ten aanzien van de genetische informatie
die het cytoplasma bereikt.
Regulatie van de translatie Nadat een mRNA-molekuul, verpakt in
een RNP-partikel, het cytoplasma heeft bereikt, is het in principe beschikbaar voor translatie, dus voor het vertalen van de nucleótidenvolgorde (tripletten) in de aminozuurvolgorde van een eiwit. We zullen in dit bestek niet in detail ingaan op het mechanisme van de
eiwitsynthese (voor een beknopte beschrijving van de eiwitsynthese,
zie Fast, 1972),maar wel op devraag of devertalingvan een mRNAmolekuul gereguleerd kan worden. Kan een cel, die een grote verscheidenheid aan mRNA-molekulen met verschillende informatieve
inhoud heeft gesynthetiseerd, een selectie uitoefenen ten aanzien van
het al dan niet vertalen van een 'messenger'? Hoewel er verschillende
mogelijkheden zijn om deze vraag experimenteel te onderzoeken, zullen we aan één van deze mogelijkheden bijzondere aandacht besteden.
Zoogdier-reticulocyten zijn gespecialiseerd in het maken van hemoglobine. Ongeveer 80% van het in deze cellen gesynthetiseerde eiwit
bestaat uit <x-en /?-hernoglobine-molekulen. Deze cellen moeten dus
grote hoeveelheden mRNA voor a- en /^-hemoglobine bevatten. Dit
mRNA kan men met behulp van biochemische technieken uit deze
cellen extraheren en zuiveren. Als we de mRNA-molekulen voor
a- en jS-hemoglobine in handen hebben, kunnen we in een daarvoor
geschikt biologisch systeem de vertaling van deze 'messenger' testen.
Als testsysteem voor de regulatie van de eiwitsynthese kan een
oöcyt (eicel) van een amfibie, bijvoorbeeld van Xenopus laevisworden gebruikt. De oöcyt bevat een volledig functioneel eiwitsyntheseapparaat en zal na injectie van een mRNA, deze 'messenger' vertalen
in een eiwit. Dit werd voor het eerst beproefd door John Gurdon en
zijn medewerkers (Gurdon et al., 1971). Injectie van mRNA afkomstig van andere diersoorten in oöcyten van Xenopus, resulteerde in
de synthese van een voor het mRNA van de donor specifiek eiwit
(tabel 2). Met behulp van dit biologische systeem kunnen we nu gaan
onderzoeken of na het inspuiten van verschillende mRNA's in een
oöcyt, er al dan niet een selectie optreedt ten aanzien van vertaling
van de ene of de andere 'messenger'.
Bij injectie van gelijke hoeveelheden a- en /5-hemoglobine-mRNA
van het konijn worden in de oöcyt naast iedere 10molekulen /?-hemoglobine slechts twee molekulen a-hemoglobine gemaakt. In de intacte
60
Tabel2. De synthese vaneiwitten in oöcytenvanXenopus laevis na injectie van'soortvreemde' mRNA-molekulen.
mRNA voor
Geïsoleerd uit
Produkt
cc- en/?-hemoglobine konijne-reticulocyten konijne-hemoglobine (aenß)
muize-reticulocyten muize-hemoglobine (aenß)
eende-reticulocyten eende-hemoglobine
protamine
forelle-testis
protamine
promellitine
honingbij
promellitine
collageen
muize-fibroblasten
collageen
a-cristalline
runderogen
a-cristalline
konijne-reticulocyten waaruit het mRNA werd geïsoleerd, is de verhouding tussen nieuwgesynthetiseerde ß- en a-hemoglobine-molekulen
echter 10:7.Eenzelfde verhouding tussen nieuwgesynthetiseerde ß- en
a-hemoglobine-molekulen werd gevonden in een celvrij eiwit-synthetiserend systeem waaraan gelijke hoeveelheden ß- en a-mRNA waren
toegevoegd.
Vergelijking van de verhoudingen van nieuwgesynthetiseerde a-en
ß-hemoglobine-molekulen in de verschillende systemen wijst in de
richting van een relatief inefficiënte vertaling van a- ten opzichte van
^-molekulen in de oöcyt. Is nu deze afwijkende verhouding een gevolg van mRNA-selectie door het eiwit-synthetiserend systeem, en zo
ja, hoe komt deze selectie dan tot stand? Bij het onderzoeken van een
aantal factoren die mogelijk een rol zouden kunnen spelen bij een
dergelijk selectieprincipe werd gevonden, dat injectie van hemine na
injectie van de 'messengers' voor a-en /^-hemoglobine tot gevolg had
dat de verhouding tussen nieuwgesynthetiseerde a-en /?-hemoglobinemolekulen 1:1 werd. Hemine bleek dus een factor te zijn die de
translatie van a-hemoglobine-messenger kan versterken (Gurdon &
Woodland, 1974). Uit deze bijzonder elegante experimenten kan men
de conclusie trekken dat op het niveau van de translatie kwantitatieve
regulatie kan plaatsvinden (verschillen in efficiëntie van vertaling van
verschillende mRNA's).
De vraag rijst natuurlijk of er ook aanwijzingen zijn voor een kwalitatieve regulatie. Zijn er mRNA's die wel in het cytoplasma aanwezig zijn maar niet worden vertaald? Deze vraag kan bevestigend
worden beantwoord. Tijdens de vroege embryonale ontwikkeling van
61
zeeëgeleieren kan men een toename in eiwitsynthese waarnemen zonder dat er in de celkernen RNA-synthese plaatsvindt. De toename in
eiwitsynthese-activiteit van de cellen moet dus in dit geval berusten
op de aanwezigheid van mRNA dat reeds tijdens de Oogenese werd
gevormd maar tot dusver niet werd vertaald. We spreken in zo'n
geval van 'gemaskeerd' mRNA (Gross, 1967).
Hoewel niet in detail bekend is, wat in dit geval de oorzaak is dat
het aanwezige mRNA niet vertaald wordt, neemt men aan dat het uitblijven van de vertaling niet berust op een deficiëntie in het eiwitsynthese-systeem. Er zijn echter geen duidelijke aanwijzingen dat er,
wanneer de eiwitsynthese eenmaal begint, een selectie plaatsvindt van
de aanwezige mRNA's.
De voorgaande beschouwing over de verschillende fasen in het proces
dat leidt tot de expressie van genetische informatie op het niveau van
de cel is zeker niet volledig. De gekozen voorbeelden bieden echter
een zicht op de mogelijkheden voor een, in eerste instantie, kwantitatieve regulatie tijdens het proces van informatieverwerking. Nadat
een bepaalde basenvolgorde in het DNA is overgeschreven in een
RNA-molekuul, kan de verwerking van dit molekuul meer of minder
efficiënt geschieden. Hoewel, zoals in het geval van het 'gemaskeerde'
mRNA, translatie van alle in een cel aanwezige mRNA kan uitblijven, is het niet duidelijk of een 'echte' kwalitatieve selectie voor wat
betreft de translatie van aanwezige mRNA's plaatsvindt.
Kwalitatieve selectieten aanzien van de informatie die tot expressie
moet komen bij de specialisatie van een cel tijdens de ontwikkeling
(en ook voor het instandhouden van het basismetabolisme van decel),
ligt in ieder geval primair op het niveau van de initiatie van de
transcriptie. Selectieve inductie van de transcriptie van een bepaalde
basenvolgorde (selectieve genactivering) moet men beschouwen als
één van de grondslagen waarop het ontstaan van in verschillende
richtingen gedifferentieerde cellen binnen één organisme berust (zie
ook pag. 127en fig. 1inhet hoofdstuk van Ouweneel).
Regulatie van de transcriptie als basis van celdifferentiatie
Indien we er van uitgaan dat aan het ontstaan van een functionele
specialisatie van een cel selectieve genactivering ten grondslag ligt, op
welke wijze komt dan deze selectie tot stand? Het onderzoek van de
62
^J
embryonale ontwikkeling van een groot aantal diersoorten heeft uitgewezen dat reeds de eerste differentiatie in celtypen altijd gebonden
is aan bepaalde plaatsen in het embryo. Zulke plaatsen zijn kennelijk
voorbestemd (gedetermineerd; zie het hoofdstuk van Sang). Hoewel
determinatie een fenomeen is waarvan nog weinig bekend is, lijkt het
erop dat vele cellen al in de vroege embryonale ontwikkeling gedetermineerd worden voor wat betreft hun toekomstige specialisatie. Is een
celeenmaal gedetermineerd, dan is een bepaald signaal voldoende om
de differentiatie tot stand te brengen. Een goed voorbeeld hiervan
vormen cellen van de oviduct van de kip die bij een bepaalde concentratie van het steroïd-hormoon progesteron (dat wordt afgescheiden door het ovarium) plotseling gaan differentiëren tot cellen die
ondermeer het eiwit ovalbumine gaan maken. Het steroïd-hormoon
fungeert voor deze cellen als signaal. Andere celtypen, die uiteraard
ook in contact komen met het hormoon, worden niet aangezet tot het
maken van ovalbumine. Bij nader onderzoek bleek dat hormoonmolekulen door de oviductcellen werden opgenomen en in het cytoplasma
aan een specifiek eiwit gebonden werden. Een dergelijk eiwit noemt
meneenhormoon-'receptor'. In andere cellenvanhetzelfde organisme
bleek dit 'receptor'-eiwit niet aanwezig te zijn. Het hormoon kon door
deze cellen niet gebonden worden. We kunnen dus de aanwezigheid
van hormoon-receptoren beschouwen als een factor die de determinatie van de cel bepaalt; slechts bij aanwezigheid van deze receptoren
kan de cel een verandering in functie ondergaan zodra het steroïdhormoon met de cel in contact komt. Uit onderzoek van O'Malley
bleek dat het hormoon-molekuul in het cytoplasma van oviductcellen
met het receptoreiwit een complex vormt (fig. 8). De eigenschappen
van het receptoreiwit veranderen tijdens dit proces zodanig dat het,
in combinatie met het hormoon, de kernmembraan kan passeren en
in de celkern terecht komt. Het steroïd-receptor-complex kan kort
hierna worden teruggevonden in het chromatine (DNA-eiwitcomplexen van chromosomale oorsprong). Nadat het steroïd-receptorcomplex in de kern terecht gekomen is, treedt een toename in RNAsynthese op waarbij tevens het patroon van nieuw gesynthetiseerde
RNA-molekulen verandert. Dit feit, tesamen met het aantonen van
hormoon-receptorcomplexen in het chromatine, heeft geleid tot de
hypothese dat het hormoon-receptorcomplex verantwoordelijk zou
zijn voor de activering van specifieke genen, waaronder die welke het
eiwit ovalbumine coderen (O'Malley & Means, 1974).
63
©
vorming [SR]complex
^ • y y y y y ^
modificatie [SR]complex
,...,
®
initiatieen
transcriptie
translatie mRNA
in cyroplasma
/
inactlvering
[SR]complex
©
dissociatie
[SR]complex
i '
§•0
F']
64
Jl
Is nu de aanwezigheid van speciale progesteron-bindende eiwitten
in het cytoplasma van oviductcellen de enige determinerende factor?
Om dit na te gaan werden kernen geïsoleerd uit cellen van andere
weefseltypen, zoals hart, long en darm van de kip, en samengebracht
met hormoon-receptorcomplexen die uit oviductcellen waren geïsoleerd. Uit deze experimenten bleek, dat in tegenstelling tot kernen
geïsoleerd uit oviductcellen, kernen van andere weefsels nauwelijks
of geen hormoon-receptorcomplexen bonden. Op grond van deze resultaten werd een tweede eigenschap gepostuleerd die betrokken zou
zijn bij de determinatie van oviductcellen; in de celkern zou een, voor
het hormoon-receptorcomplex specifieke, 'acceptor' aanwezig zijn/
Andere experimenten (zie O'Malley & Means, 1974) maakten waarschijnlijk dat ook deze 'acceptor' een eiwit is en dat deze acceptoren
Fig. 8. Het werkingsmechanisme vaneen steroïd-hormoon.
A. Het steröid-molekuul (S) dringt een hormoongevoelige cel binnen en
wordtgekoppeld aaneen receptoreiwit-molekuul (R).
B. Hethormoon-receptor-complex verplaatstzich naarde kern.
C.Het hormoon-receptor-complex passeert de kernmembraan en zoekt in
het chromatine (chromosomale DNA-eiwit-complex) eenspecifieke 'acceptor".
D. Het hormoon-receptor-complex isgebonden aan eenbepaalde plaatsin
het chromatine, waardoor transcriptie wordt aangezet (bolletjes geven het
enzym RNA-polymerase weer).
E. De transcriptieisin volle gang, nieuw gesynthetiseerde RNA-molekulen
worden geassocieerd met informofeer-eiwitten en worden naar het cytoplasma getransporteerd.
De transcriptie gaat voort zolang er hormoon-receptor-complexen de
kern binnen komen. Het stopzetten vande transcriptie van nieuwe molekulenzoukunnen plaatsvinden via een terugkoppelings-mechanisme (zieF).
Een eiwit-molekuul, gecodeerd door het nieuw gesynthetiseerde RNA, verbindt zich met het hormoon-receptor-complex waardoor dit onwerkzaam
wordt. Een andere mogelijkheid voor het stopzetten vande RNA-synthese
M het uiteenvallen vanhet hormoon-receptor-complex na initiatie van de
RNA-synthese (zieF1).Indien het receptoreiwit-molekuul hierna niet meer
m staat is een nieuw hormoonmolekuul te binden, zal bij een voldoende
hoeveelheid hormoonmolekulen hetaantal receptoreiwit-molekulen indecel
bepalendzijn met betrekking tothetmaximum aantal RNA-molekulen dat
kan worden gesynthetiseerd. Bij onvoldoende hoeveelheid hormoonmolekulenom alleindecel aanwezige receptor-molekulen tebinden is uiteraard
net aantal hormoonmolekulen bepalend voor het aantal RNA-molekulen
dat kan worden geproduceerd. Tot zover is echter weinig bekend over de
wijzewaaropdenieuw geïnduceerde RNA-synthese weer totstilstand komt.
65
1i
in het chromatine gelokaliseerd zijn. Een acceptor-eiwit zou de rol
van 'herkenningspunt' voor het hormoon-receptorcomplex kunnen
spelen. De acceptoren zouden inhet genoom gelokaliseerd zijn opdié
plaatsen die onder invloed van het hormoon geactiveerd moeten worden om via de synthese van nieuwe mRNA's en nieuwe eiwitten te
leiden tot een functieverandering van de cel.
Hoewel we ons in het voorgaande voornamelijk hebben bezig gehouden met het hormoon progesteron, blijken ook andere Steroidhormonen eenzelfde werkingsmechanisme te hebben. We zouden de
groep van Jensen en zijn medewerkers in Chicago te kort doen, als
we niet vermeldden dat zij de eersten zijn geweest die bij bestudering
van het werkingsmechanisme van het steroïd-hormoon oestrogeen in
de uterus van zoogdieren specifieke hormoon-receptoren hebben gevonden (zie Jensen & DeSombre, 1973).
Het is niet uitgesloten dat het zojuistbeschreven werkingsmechanisme van steroïd-hormonen bij zoogdieren en vogels een mechanisme
is dat, voor wat de principes betreft, ook bij andere signalen die de
differentiatie van een cel induceren in werking treedt.
Het onderzoek over het mechanisme van inductie van puff-vorming
in de reuzenchromosomen van insekten ondersteunt deze opvatting.
Verschillende 'signalen' (zoals het steroïd-hormoon ecdyson en het
vitamine Be) doen in dezelfde cel verschillende puffs ontstaan. De
grootte van de puff is, voor beide signalen, afhankelijk van de sterkte
van het signaal (ecdyson- of vitamine-concentratie).
Als eerste reactie van de cel op het experimenteel toedienen van
een signaal, ongeacht of dit ecdyson of vitamine is, treedt een verplaatsing op van eiwit vanuit het cytoplasma naar de kern. Het eiwit
dat onder invloed van het hormoon ecdyson de kern binnengaat is
echter verschillend van het eiwit dat onder invloed van vitamineBa
naar binnen gaat; ook de puffs die ontstaan als gevolg van vitamine
B6 zijn andere dan die welke als gevolg van ecdyson ontstaan. Het
eerste wat men kan waarnemen alsmen kijkt naar de chromosomengebieden waar een puff gaat ontstaan, is het optreden van een plaatselijke toename in eiwitgehalte. Er zijn sterke aanwijzingen dat het
eiwit dat als gevolg van een signaal van cytoplasma naar kern migreert, reeds tevoren in de cel aanwezig moet zijn geweest; ook het
eiwit dat zich bij het ontstaan van de puffs plaatselijk ophoopt was
tevoren in de cel aanwezig (Berendes, 1972).
De lokale toename in eiwitgehalte van de geactiveerde chromo66
soomloci wordt onmiddellijk gevolgd door activiteit van de RNAsynthese en het ontstaan van RNP. Op een later tijdstip treedt dan
cytoplasmatische eiwitsynthese op waarbij de nieuw gesynthetiseerde
eiwitten specifiek zijn voor het 'signaal' dat werd toegediend (Leenders et al., 1974).
Deze vergelijking van de effecten van twee totaal verschillende
signalen op dezelfde cel illustreert dat de uiteindelijke veranderingen
die in de cel plaatsvinden (verandering in het patroon van nieuw gesynthetiseerde eiwitten) voor het ene signaal anders zijn dan voor het
andere. Ofschoon beide signalen werken volgens eenzelfde mechanisme, is het verschil in eindresultaat een gevolg van een verschillende
selectie van de genen die worden geactiveerd. Bij het proces van selectieve genactivering lijken specifieke cytoplasmatische eiwitten ('signaal-receptoren') een belangrijke functie te vervullen.
Deze feiten suggereren dat de determinatie van een cel, zijn vermogen om op een bepaald signaal te reageren, bepaald wordt door
specifieke eiwitten die in het cytoplasma aanwezig zijn. Indien deze
suggestiejuist zou zijn, hoekomt de celdan aan de specifieke eiwitten
waardoor hij in een bepaalde richting is gedetermineerd? Hoewel het
antwoord op deze vraag nog niet gegeven kan worden, zou men zich
kunnen voorstellen dat reeds in de eicel bepaalde specifieke 'receptoreiwitten' aanwezig zijn die bij het ontstaan van de eerste cellen onevenredig over de dochtercellen verdeeld worden. Op basis van een
dergelijk principe zouden in de loop van de ontwikkeling steeds meer,
in verschillende richtingen gedetermineerde cellen, kunnen ontstaan.
Conclusies
De ontwikkeling van een meercellig organisme, opgebouwd uit een
grote verscheidenheid van in verschillende richting gespecialiseerde
cellen, is primair gebaseerd op de genetische informatie aanwezig in
het genoom van de bevruchte eicel. De specialisatie van de verschillende cellen waaruit het organisme is opgebouwd berust op een selectief gebruik van de aanwezige genetische informatie door iedere individuele cel. Deze selectie vindt in eerste instantie plaats op het
niveau van de transcriptie, hoewel selectie tijdens de verwerking van
de afgelezen informatie door de cel niet uitgesloten kan worden.
Naast een kwalitatieve selectie (welke informatie wordt afgelezen),
vindt ook een kwantitatieve selectie plaats, zowel op het niveau van
67
1
de transcriptie als op dat van de translatie (hoevéél van een bepaalde
informatie wordt afgelezen of vertaald). De selectie van de genetische
informatie die wordt afgelezen wordt bepaald door 'milieu'-factoren
(epigenetische factoren, vergelijk pag. 16). Het aanwezig zijn van
Produkten van andere cellen in het milieu (bijvoorbeeld hormonen)
kan.als 'signaal' fungeren. Indien de cel dit signaal 'herkent' wordt
bepaalde informatie selectief afgelezen met als gevolg het ontstaan
van een bepaalde specialisatie van die cel. De plaats welke een cel
op verschillende momenten in de ontwikkeling van het geïntegreerde
complex van cellen inneemt, is waarschijnlijk bepalend voor het ontwikkelen van het 'herkenningsprincipe' (vergelijk 'positionele informatie' in het hoofdstuk van Ouweneel).
Het onderzoek van de moleculaire processen die betrokken zijn bij
het tot expressie komen van genetische informatie heeft een tipje opgelicht van de sluier waarin het proces van de ontwikkeling van een
meercellig organisme uit een bevruchte eicel is gehuld. Het ligt in de
verwachting dat voortgang op de ingeslagen weg, in nauwe samenwerking met andere disciplines, zal leiden tot een meer volledig inzicht in de belangrijke rol die het genoom speelt bij de ontwikkeling
van hogere organismen.
68
De activiteit van genen tijdens de vroege ontwikkeling en de
geslachtsdifferentiatie bij zoogdieren1
R. L. GARDNER
De laatste vijftien jaar hebben een plotselinge sterke toename in de
belangstelling en de onderzoek-activiteit op het gebied van de zoogdier-embryologie te zien gegeven. Hierbij hebben technische vorderingen duidelijk een centrale rol gespeeld. Zo is het bijvoorbeeld
mogelijk gebleken door het toedienen van exogene gonadotrope hormonen uit de hypofyse of de placenta het aantal eieren of nog niet
geïmplanteerde embryo's verkregen uit één enkel wijfje op te voeren
tot maximaal het zevenvoudige (Gates, 1971). Dit is van bijzonder
belang voor het biochemisch onderzoek omdat de geringe grootte van
jonge embryo's het dikwijls noodzakelijk maakt grote aantallen embryo's van hetzelfde stadium tegelijk te analyseren. Recente verbeteringen in de kweekmethoden voor jonge embryo's hebben de volledige
ontwikkeling van pas bevruchte eieren tot het blastocyst-stadium in
een betrekkelijk eenvoudig medium van bekende chemische samenstelling mogelijk gemaakt (Whitten, 1971). Dit heeft niet alleen aangetoond dat de vroege ontwikkeling grotendeels onafhankelijk is van
moederlijke invloeden, maar het heeft ook waardevolle gegevens verschaft aangaande de veranderende stofwisselingseisen van het jonge
embryo (Brinster, 1970; Biggers & Stern, 1973). Hoewel de momenteel ondernomen pogingen om de kweekperiode tot voorbij het stadium van innesteling in de uterus uit te breiden bemoedigend lijken
(Jenkinson & Wilson, 1970; Daniel, 1971; New, 1971; Hsu et al.,
1974), is de blastocyst tot nu toe nog het eindpunt van de normale
ontwikkeling in vitro. Daarom zijn technieken voor het transplanteren
van eieren en embryo's naar de oviduct of uterus van een ontvanger-
1. Vertaald door J. Faber.
Het werk van de auteur waarnaar in dit hoofdstuk wordt verwezen, werd
financieel gesteunddoor deFordFoundation,deMedicalResearchCouncil
en de World Health Organisation.
n\\
69
wijfje van zeer groot belang geweest bij het vaststellen van het effect
op lange termijn van experimentele ingrepen.
De aard en de omvang van de recente vorderingen bij de bestudering van de vroege ontwikkeling van de zoogdieren worden volledig
gedocumenteerd in het toenemende aantal symposia en overzichtsartikelen die aan dit onderwerp worden gewijd. Het is niet mijn bedoeling te pogen al deze aspecten van dit snelin omvang toenemende
gebied van onderzoek samen te vatten. Liever wil ik trachten terug
te treden van de overvloed van feiten en ze van een afstand te bezien,
in de hoop zo een beter perspectief te verkrijgen. Daarom zal dit
hoofdstuk zich bezig houden met dàt beeld van de genactiviteit in de
vroege ontwikkeling, dat men kan verkrijgen door te trachten de
voornaamste ontdekkingen van de experimentele embryologie, debiochemie en de genetica met elkaar te integreren. Het eerste deel zal de
ontwikkeling tot het blastocyst-stadfum behandelen, het tweede deel
de genetische aspecten van de geslachtsdifferentiatie, waarbij de nadruk zal liggen opde inactivatie van het X-chromosoom als voorbeeld
van differentiële gen-activiteit.
De soort diehet meest voor al dit onderzoek is gebruikt is demuis,
omdat dit een geschikt laboratoriumdier is met een korte draagtijd
(ongeveer 20 dagen), waarvan de genetica beter bekend is dan van
enige andere vertebraat, met uitzondering van de mens. Bovendien is
gebleken dat het jonge embryo van de muis zich zeer goed leent voor
experimentele manipulatie. Daarom heeft, afgezien van incidentele
verwijzingen naar andere zoogdieren, het meeste dat ik zal zeggen
betrekking op de muis.
Experimenteel-embryologisch onderzoek van de vroege ontwikkeling
Voordat ik het experimentele werk bespreek zal ik in het kort de
vroege ontwikkeling van het muize-embryo beschrijven, ten behoeve
van diegenen die niet met de zoogdier-embryologie vertrouwd zijn.
Voor een meer gedetailleerde beschrijving verwijs ik naar het voortreffelijke artikel van Snell & Stevens (1966). Vergeleken met andere
metazoënsoorten verloopt de klieving bij de zoogdieren als regel zeer
langzaam. De eerste celdeling vindt ongeveer 24 uur na de paring
plaats en levert twee blastomeren van vergelijkbare grootte en morfologie. Spoedig verdwijnt de synchroniciteit van de klievingsdelingen,
70
polairtrofectoderm
primair ectoderm
_^ primairentoderm
blastocoelholte
?)
murale trofectodermcellen
vergroten zich tot primaire reuzencellen (zona
afgeworpen)
ectoplacentale kegel
murale trofoblast-reuzencellen
extra-embryonaal ectoderm
extra-embryonaal deel van bet proximale entoderm
distaal entoderm
embryonaal deel van het proximale entoderm
pro-amnion-holte
embryonaal ectoderm
dooierholte
(vroegere blastocoelholte)
ectoplacentale kegel
ectoplacentale holte
chorion
murale trofoblast-reuzencellen
(voornamelijk secundaire, afkomstig
van ectoplacentale kegel)
allantoïs-knop
amnion
embryonaal gebied (ecto-* meso- en entoderm)
amnionholte
dooierholte
®
Fig. 1. Stadia in de ontwikkeling van de muis van 31h tot SVs dag post
coitum. (A) blastocyst van 3'/2dag. (B) blastocyst van 4J/a dag. (C) eicylinder-stadium van 5V2dag. (D) embryo van ongeveer #% dag. Het trofectoderm en de daaruit ontstaande structuren zijn in donkergrijs weergegeven,
de inwendige celmassaen zijn derivaten in lichtgrijs.
71
terwijl het cytoplasma van de eicel verdeeld wordt in steeds kleinere
cellulaire eenheden. Op de derde dag verlaten de embryo's de oviduct
en bereiken de uterus; elk embryo is dan een massief bolletje bestaande uit 8-16 cellen, dat morula genoemd wordt. Gedurende de
vierde dag hoopt zich vloeistof binnenin de morula op, waardoor
deze verandert in een hol blaasje met een diameter van ongeveer 100
fj,m, de blastocyst. Op dit stadium is het voor het eerst mogelijk verschillende celpopulaties in het embryo te onderscheiden. Zo bestaat
3V2 dag na de coïtus (post coitum) de buitenwand van de blastocyst,
het trofectoderm, uit tennaastenbij 45 afgeplatte polygonale cellen,
verbonden door intercellulaire verbindingspunten ('cell junctions', Enders &Schlafke, 1965). Het overige 15-tal cellen ligt tegen de binnenwand van een deel van het trofectoderm aan in de vorm van een
schijf met de toepasselijke naam inwendige celmassa (ICM). (Dit is
de letterlijke vertaling van de Engelse term 'inner cell mass';de meer
gangbare Nederlandse term is embryonale knop; vertaler.) Figuur 1
toont de blastocyst en enige latere ontwikkelingsstadia. Het trofectoderm levert later de verschillende soorten trofoblast-cellen die verantwoordelijk zijn voor de totstandkoming en handhaving van een
nauwe fysiologische relatie tussen het embryo en de moeder. De ICM
vormt zowel de eigenlijke foetus alsook bepaalde extra-embryonale
structuren zoalshet amnion, de allantoïs en de dooierzak.
Gedurende de daaropvolgende 24 uur, als de blastocyst zich in de
uterus begint in te nestelen, treden nog meer veranderingen in de
structuur van het embryo op. De murale trofectoderm-cellen, die de
blastocoelholte omgeven (fig. IA), houden op met delen maar gaan
door met het verdubbelen van hun DNA (de zogenaamde endoreduplicatie), waardoor zij tot de zogenaamde primaire trofoblast-reuzencellen worden (fig. IB). De polaire trofectodermcellen, die de ICM
bedekken, blijven zich daarentegen actief delen, duwen de ICM naar
binnen in de blastocoelholte, en vormen de trofoblast van het extraembryonale ectoderm en de aan de dorsale zijde uitstekende ectoplacentale kegel (Gardner & Papaioannou, 1974). De meest perifere
cellen van de ectoplacentale kegel veranderen voortdurend in secundaire trofoblast-reuzencellen, die morfologisch identiek zijn aan de
primaire reuzencellen van het murale trofectoderm. Al deze vele reuzencellen migreren ventraalwaarts tot zij uiteindelijk de gehele vrucht
omhullen (fig. IC). Recente experimenten duiden erop dat de beide
generaties van reuzencellen niet door celversmelting, maar door her72
haalde endoreduplicatie van het hele genoom ontstaan (Chapman et
al., 1972; Gearhart & Mintz, 1972; Sherman et al., 1972; Gardner
et al., 1973).
Gelijktijdig met de veranderingen in het trofectoderm vinden ook
grote veranderingen plaats in de ICM. Viereneenhalve dag post
coitum heeft een duidelijke enkelvoudige laag cellen, het primaire
entoderm, zich afgesplitst van het naar de blastocoelholte gekeerde
oppervlak vande ICM, enheeft zichuitgebreid over het binnenoppervlak van de aangrenzende murale trofectoderm-cellen (fig. IB). Qua
ultrastructuur zijn deze cellen te onderscheiden van andere cellen van,
de ICM en van trofectoderm-cellen doordat hun cytoplasma rijk is
aan ruw endoplasmatisch reticulum (Enders, 1971). Vervolgens verlengt de ICM zich tot een ei-cylinder waarin de ligging van de kiembladen (ectoderm en entoderm) tijdelijk omgekeerd is (fig. ID). Het
mesoderm en het embryonale entoderm worden later gevormd, waarschijnlijk op analoge wijze als in het kippe-embryo, en wel doordat
embryonale ectodermcellen door de primitiefstreep naar binnen bewegen (Levak-Svajger & Svajger, 1971;Nicolet, 1967). Het primaire
entoderm levert alleen cellen voor het extra-embryonale entoderm van
de latere vrucht (Gardner & Papaioannou, 1974).
Determinatie endifferentiatie vanhet trofectoderm tegenoverdeICM
Microchirurgische technieken hebben de isolatie mogelijk gemaakt
van zuiver trofectoderm- en ICM-weefsel uit de muize-blastocyst van
3V2dag (Gardner, 1971).Zowelin weefselkweek als na transplantatie
naar deuterus van ontvanger-wijfjes vertonen deze weefsels volkomen
verschillende eigenschappen (Gardner, 1971, 1972, 1974a). Trofectoderm-fragmenten sluiten zich in vitro en vormen een nieuwe holte,
waardoor blaasjes ontstaan die lijken op kleine blastocysten zonder
ICM. Twee of meer van zulke fragmenten of blaasjes hechten zich
niet aan elkaar, zelfs niet wanneer ze lange tijd in contact met elkaar
gekweekt worden. Dit is misschien het gevolg van het voorkomen
van 'junctional complexes' tussen de cellen (Enders&Schlafke, 1965).
Trofectoderm-cellen nemen ook gretig d.m.v. fagocytose kleine partikels op, zoals melanine-granula geïsoleerd uit de ogen van gepigteerde muizen (Gardner, 1974a). Bovendien brengen de blaasjes,
wanneer ze worden getransplanteerd naar de uterus van een wijfje
dat in het juiste stadium van de pseudo-zwangerschap verkeert, een
normale implantatie-reactie teweeg (Finn, 1971), even effectief als
73
m
intacte blastocysten dat doen. Na de innesteling veranderen al hun
cellen echter in normale trofoblast-reuzencellen, die niet verder gaan
met delen en ook geen ectoplacentale kegel of enig ander weefsel van
het normale geïmplanteerde embryo vormen.
Geïsoleerde inwendige celmassa's gedragen zich geheel anders en
gelijken op morula's in hun onvermogen om blaasjes te vormen,en
melanine-granula op te nemen, in het gemak waarmee zij zich tijdens
het kweken aan elkaar hechten, en in hun onvermogen zich in de
uterus in te nestelen (Gardner, 1972, 1974a). Trofectoderm-cellen
tonen dus verscheidene eigenschappen die samengaan met differentiatie, iets dat ICM-cellen niet doen. Men kan daarom verwachten
dat de trofectoderm-cellen op het blastocyst-stadium reeds gedifferentieerd zijn, terwijl de ICM-cellen hetzij met betrekking tot de verdere
ontwikkeling nog labiel, hetzij wel gedetermineerd maar nog niet gedifferentieerd zijn. Inmijn laboratorium zijn verscheidene experimentele benaderingen op dit probleem toegepast, maar alvorens deze te
bespreken is het beter eerst de factoren te bezien die gedurende de
klieving een rol schijnen te spelen bij de vroegste determinatie van het
trofectoderm en de ICM.
Wij kunnen de mogelijkheid uitsluiten dat het bevruchtende Spermium of het milieu in de oviduct een beslissende rol zouden spelen
bij de vroege determinatie. Onbevruchte eieren kunnen hetzij spontaan, hetzij na activatie in vivo of in vitro, blastocysten vormen die
zich in de uterus tot na het implantatie-stadium kunnen ontwikkelen
(Stevens & Varnum, 1974; Tarkowski et al., 1970; Graham, 1972;
Kaufman &Gardner, 1974).Daarnaast zagen wij reeds dat bevruchte
eieren zich in vitro kunnen ontwikkelen tot blastocysten die in staat
zijn normale nakomelingen te leveren nadat zij inde uterus zijn teruggebracht (Whitten & Biggers, 1968). Wij moeten daarom de factoren
die verantwoordelijk zijn voor de cellulaire differentiatie zoeken in de
organisatie van het ei of in de relaties tussen de blastomeren gedurende de klieving. Hoewel in het levende zoogdier-ei geen regionale
cytoplasmatische verschillen te zien zijn, heeft cytochemisch werk van
Dalcq en medewerkers (zie Dalcq, 1957; Mulnard, 1965) aangetoond
dat RNA en bepaalde enzym-activiteiten in gefixeerd materiaal niethomogeen verdeeld zijn. Met dezemethoden konden zij twee duidelijk
verschillende plasmagebieden in het ei onderscheiden, die gedurende
de klieving in respectievelijk het trofectoderm en de ICM schenen te
worden gesegregeerd. Zij veronderstelden een causaal verband waarbij
74
het lot van een blastomeer zou afhangen van het soort cytoplasma
dat hij meekreeg ('cytoplasmatische segregatie', vergelijk pag. 115).
Het feit dat deze gebieden in levende eieren en jonge embryo's niet
tezien zijn, maakt een direct onderzoek van dehypothese onmogelijk,
hoewel de meeste experimentele gegevens die in dit hoofdstuk besproken zullen worden ermee in strijd zijn. Andere onderzoekers die
de cytochemische analyse van klievingsstadia hebben herhaald, opperen dat de regionale verschillen een artefact zouden kunnen zijn
(Solter et al., 1973).
Dit probleem is experimenteel benaderd met klassieke methoden
als het isoleren, het weer verenigen en het anders groeperen van /
blastomeren. De voornaamste resultaten kunnen als volgt worden
samengevat. Elk van de beide geïsoleerde blastomeren van het 2-cellige ratte-ei kunnen na transplantatie embryo's van het eiclyinderstadium vormen (Nicholas & Hall, 1942). Evenzo kunnen dergelijke,
zogenaamde 1/2 blastomeren van zowel de muis als het konijn zich
tot levende jongen ontwikkelen (Tarkowski, 1959;Seidel, 1952,1960).
Van geïsoleerde blastomeren van 8-cellige konijne-embryo's kan een
klein percentage eveneenslevendejongen leveren (Mooreet al., 1968).
Déze celisolatie-experimenten kunnen in overeenstemming gebracht
worden met de hypothese van de segregatie van cytoplasmatische
determinanten wanneer men aanneemt dat depositievan deklievingsvlakken ten opzichte van de door Dalcq gepostuleerde gebieden varieert (Tarkowski, 1959). In dat geval zou men inderdaad verwachten
dat sommige blastomeren hun totipotentie zouden behouden doordat
zijeen zekere hoeveelheid van beide typen cytoplasma meekrijgen.
Moeilijker is het de resultaten te verklaren van experimenten waarbij alle 'zuster'-blastomeren geïsoleerd uit 2-, 4- en 8-cellige embryo's
tot en methet blastocyst-stadium worden opgekweekt (Mulnard, 1965;
Tarkowski & Wroblewska, 1967). Op deze wijze wordt een verscheidenheid aan structuren verkregen, waarvan sommige zich niet bevredigend laten classificeren (Tarkowski & Wroblewska, 1967). Dikwijls vormen alle blastomeren trofectoderm-blaasjes, en wat opvallend
is, is dat er nooit complementaire structuren worden gevormd uit
'zuster'-blastomeren, zoals men zou verwachten op grond van de 'segregatie'-hypothese. Bovendien, wanneer men met 3H-thymidine gemerkte klievingsstadia paarsgewijs of in groepen doet versmelten met
niet-gemerkte embryo's, dan kan men met behulp van autoradiografie
op het blastocyst-stadium geen regelmaat in de rangschikking van de
j Ij
!|
I ')jij
j :j!
75
IM
samenstellende cellen ontwaren (Mintz, 1965a).
Deze experimenten doen vermoeden dat de blastomeren van vroege
klievingsstadia met betrekking tot hun ontwikkeling labiel zijn (Mintz,
1965a),en dat de relatievepositie die een cel inneemt de voornaamste
factor isdiezijn bestemming bepaalt (vergelijk 'positionele informatie'
in het hoofdstuk van Ouweneel). Daarom hebben Tarkowski &Wroblewska (1967) het denkbeeld geopperd dat alle blastomeren voorbestemd zijn trofectoderm-cellen te vormen, tenzij zij geheel binnenin
de morula komen te liggen, waardoor zij dan op de een of andere
wijze gedetermineerd zouden worden om ICM-cellen te vormen. Een
voor de hand liggende voorspelling voortvloeiend uit deze hypothese
is, dat het mogelijk zou moeten zijn de bestemming van een blastomeer te veranderen door hem van binnen naar buiten te verplaatsen,
of vice versa. Dit idee werd onderzocht door twee groepen onderzoekers. Wilson en medewerkers (1972) injiceerden druppeltjes van
een inerte oliehetzij dicht onder debuitenmembraan van blastomeren,
hetzij in het inwendige, dichtbij het grensvlak tussen de cellen. De
druppeltjes in de eerstgenoemde positie werden op het blastocyststadium uitsluitend in trofectoderm-cellen aangetroffen, terwijl een
kwart van de dieper gelegen druppeltjes in de ICM terechtkwamen.
Dit duidt erop dat gedurende de klieving betrekkelijk weinigreorganisatie van het corticale cytoplasma plaatsvindt. Wanneer echter klievende eieren met perifeer gelegen oliedruppeltjes paarsgewijs tot versmelting werden gebracht, dan werden sommige druppeltjes later in
ICM-cellen teruggevonden.
Hillman en medewerkers (Hillman et al., 1972) plaatsten met 3Hthymidine gemerkte blastomeren, geïsoleerd uit 4- en 8-cellige embryo's, aan de buitenzijde van ongemerkte 4- tot 16-cel-stadia. Later
werd meer dan 90% van de afstammelingen van de gemerkte cellen
in het trofectoderm van de blastocysten aangetroffen. Werden de gemerkte cellen daarentegen omgeven door blastomeren van ongemerkte
2- of 4-cellige embryo's, dan kwamen slechts 60% van hun afstammelingen in het trofectoderm terecht, terwijl de overige bijdroegen
aan de vorming van de ICM. Als enkelvoudige, intacte gemerkte
embryo's aan alle zijden werden omgeven door 14 ongemerkte embryo's, dan werden alle gemerkte cellen later in de ICM aangetroffen.
Dezelfde onderzoekers voerden ook een parallelle serie experimenten
uit waarbij genetische celmarkering werd toegepast. Op deze wijze
konden zij aantonen dat cellen die aan de buitenzijde lagen in de
76
latere ontwikkeling hoofdzakelijk bijdroegen tot de vorming van de
gedifferentieerde structuren afkomstig van het trofectoderm, terwijl
inwendige cellen in de foetus en in andere structuren gevormd door
deICM terechtkwamen (Hillman et al., 1972).
Extrapolerend vanuit de bovengenoemde resultaten schijnt het dat
in de normale ontwikkeling de blastomeren die gedurende de latere
klieving in een ingesloten of inwendige positie komen te liggen op de
een of andere manier ertoe worden aangezet ICM-cellen te vormen,
terwijl de cellen die aan debuitenzijde onbedekt blijven trofectodermcellen vormen. Dit suggereert dat de beste manier om na te gaan of
debeide celtypen van de blastocyst van 3Vä dag gedetermineerd zijnf
is, om trofectoderm-cellen aan inwendige en ICM-cellen aan uitwendige condities bloot te stellen.
Hoewel trofectoderm-blaasjes zich in vitro in de uterus kunnen innestelen en uitgroeien, zijn zij blijkbaar niet in staat ICM-derivaten
te vormen (Gardner, 1972; Ansell & Snow, 1974). Wanneer ze worden geïnjiceerd in een blastocyst of worden gerecombineerd met
ICM-weefsel,komenzijlaternietinde ICM van de ontstaande vrucht
terecht, terwijl getransplanteerde ICM-cellen dat wel steeds doen
(Gardner, 1971, 1974a; Gardner et al., 1973). Daar ICM-cellen niet
vastkleven aan de buitenkant van een blastocyst, en geïsoleerd van
het trofectoderm geen verdere ontwikkeling laten zien, moesten andere wegen worden gevonden om hun ontwikkelingsvermogen onder
gewijzigde omstandigheden na te gaan. Mijn collega Janet Rossant
heeft twee verschillende situaties ontdekt waarin hun verdere lot kan
worden onderzocht. In de eerste plaats blijven tot versmelting gebrachte ICM's van 3V2 dag post coitum 1-2 dagen in de oviduct in
leven, mits zij eerst in een lege 'zona pellucida' waren geïnjiceerd. Zij
vertonen weinig of geen verdere celdeling, maar de aan de buitenkant
gelegen cellen differentiëren zich tot primair entoderm en niet tot
trofectoderm. Wanneer zij,na uit deoviduct tezijn genomen, worden
geïnjiceerd in de blastocoelholte van genetisch gemerkte gastheerblastocysten, en dezevervolgens in de uterus worden gebracht, zijn de
eruit ontstaande embryo's alleen chimerisch wat betreft de structuren
gevormd door de ICM (Rossant, 1974a).Het tweede soort experiment
bestond uit het doen vasthechten van geïsoleerde ICM's aan de buitenzijde van 8-16-cellige morula's van een ander genotype. Dit leidt
tot de vorming van blastocysten van normale uitwendige afmetingen,
die echter ongeveer tweemaal zoveel ICM-cellen bevatten als normaal.
77
Wanneer deze blastocysten tot innesteling worden gebracht, blijkt daff
ook hier in de embryo's de ICM-cellen van de donor alleen in d$
structuren gevormd door de ICM van de gastheer terechtkomen(Rog*\
sant, 1974b).
Derhalve zijn de trofectoderm- en de ICM-cellen 3V2 dag post
coitum kennelijk gedetermineerd, hoewel de ICM-cellen geen enkel
kenmerk vertonen dat ons van gedifferentieerde cellen zou kunnen
doen spreken. Het juiste tijdstip van de cellulaire determinatie moet
nog worden vastgesteld. Wanneer wij de 'binnenkant-buitenkant'hypothese aanvaarden, dan is het van belang dat het tijdstip waarop
voor het eerst enige blastomeren totaal ingesloten raken tussen het
8- en het 16-cellige stadium ligt (Barlow et al., 1972). Vanaf hetmoment waarop zij voor het eerst verschijnen, blijken de inwendig gelegen cellen sneller te delen dan de cellen aan de buitenkant (Barlow
et al., 1972).Bovendien heeft Snow (1973a, 1973b) gevonden dathet
continu kweken van pre-implantatie-embryo's in aanwezigheid van
3
H-thymidine kan leiden tot volledige onderdrukking van de vorming
van de ICM, tenminste wanneer de kweek vóór het 16-celligstadiuA
begint. Een later begonnen blootstelling aan vergelijkbare concentraties van de isotoop reduceert alleen het aantal ICM-cellen. Al deze
waarnemingen wijzen erop dat wellicht beslissende gebeurtenissen
plaatsvinden in het late morula-stadium, wanneer het embryo uit
16-32 cellen bestaat.
Differentiatie van cellen binnen het trofectoderm en de ICM De
cellen van het trofectoderm en de ICM zijn klaarblijkelijk 31/2 dag
post coitum definitief voorbestemd voor ontwikkelingsrichtingen die
elkaar wederzijds uitsluiten. De bestemming van individuele cellen
binnen deze beideweefsels is echter waarschijnlijk nog niet vastgelegd
(Gardner, 1974b, Gardner &Papaioannou, 1974).Dit is 24 uur later
niet meer het geval. Het trofectoderm is dan gesegregeerd in een
muraal gebied, waarvan de cellen zijn voorbestemd tot de vorming
van reuzencellen (fig. IB) en een polair gebied dat doorgaat met prolifereren (fig. IB en IC). De ICM is ook onderverdeeld, en wel in
primaire entodermcellen en niet-entodermale cellen (fig. IB en IC).
In de 41/2 dag oude ICM verschillen deze beide celtypen zowel in
hun morfologie als in hun bestemming na injectie in gastheer-blastocysten (Gardner & Papaioannou, 1974). Hierbij rijst de vraag: welke
factoren spelen een rol bij de vroege celdifferentiatie binnen de twee
78
primaire weefsels van de blastocyst?
Zuiver trofectodermale blaasjes, verkregen hetzij door micro-operatie verricht aan de blastocyst (Gardner, 1971, 1972) hetzij door
behandeling van klievende eieren met sH-thymidine (Snow, 1973a,
1973b) tonen geen verdere mitotische activiteit maar vormen zowel
in de uterus als in vitro slechts een beperkt aantal reuzencellen
(Gardner, 1972;Ansell &Snow, 1974). Zij differentiëren zich dus als
murale en niet als polaire trofectoderm-cellen. Wanneer men echter
ICM-weefsel in zulke trofectoderm-blaasjes brengt voordat ze in de
uterusworden teruggebracht, vindt in beide weefsels normale proliferatieplaats, die leidt tot de vorming van normale vruchten (Gardner, '
1971).Door ervoor te zorgen dat de gerecombineerde weefsels homozygoot waren voor verschillende isozymen van glucose-fosfaat-isomerase (Gfi-1) kon bovendien worden aangetoond dat al de geprolifereerde trofoblast-cellen afkomstig waren van trofectoderm-cellen en
nietvan ICM-cellen (Gardner et al., 1973). Dit resultaat laat zien dat
niet alle murale trofectoderm-cellen na 3V2 dag zijn voorbestemd
reuzencellen te vormen, en duidt eropdat voor deproliferatie van het
polaire trofectoderm een inductieve interactie met de ICM vereist is.
Wehebben geopperd dat alletrofectoderm-cellen ophet lateblastocyst-stadium hun intrinsieke vermogen tot celdeling verliezen maar
het vermogen hun DNA te repliceren behouden. Voortgezette deling
van trofectoderm-cellen na dit stadium vereist lokale inductieve ondersteuning van de kant van de ICM, en dit leidt tot de vorming van
het extra-embryonale ectoderm en de trofoblast van de ectoplacentale
kegelin het polaire gebied dat boven deICM ligt.Naarmate de kegel
echter in omvang toeneemt, worden de meer perifere cellen onttrokken aan de invloedssfeer van de ICM en houden dus op met delen.
Deze perifere cellen gaan door met hun DNA-replicatie en veranderen daardoor in secundaire reuzencellen. Allebeschikbare experimentele gegevens en waarnemingen zijn in overeenstemming met deze
hypothese, en zijn eldersin detail weergegeven (Gardner, 1971,1972,
1974a, 1974b, 1974c;Gardner et al., 1973).
Twee andere experimentele situaties zijn van belang voor het probleem van de differentiatie binnen de ICM. De eerste is deze dat
ICM's van 3Va dag, hoewel ze op dat stadium nog geen morfologisch
gedifferentieerde primaire entodermcellen bevatten, deze kunnen vormen één dag nadat ze zijn geïsoleerd en in de oviduct zijn gebracht
(Rossant, 1974a). Wanneer zulke ICM's uit de oviduct worden ge79
•
nomen en in het elektronenmicroscoop worden bestudeerd, ziet men
dat alle cellen aan de buitenkant, maar dan ook alleen die cellen,het
overvloedige ruwe endoplasmatische reticulum vertonen dat karakteristiek is voor entoderm (Enders & Schlafke, 1965; Enders, 1971).
Dit is zelfs dan het geval wanneer de ICM's vóór de overbrenging
naar de oviduct paarsgewijs tot versmelting waren gebracht (Rossant,
1974a).
In de tweede plaats is onlangs aangetoond, dat na injectie van
ICM's geïsoleerd uit ratte-blastocysten in de blastocoel-holte van
muize-blastocysten, in de muize-uterus chimerische foeten kunnen
ontstaan (Gardner &Johnson, 1973).Het belang van dergelijke interspecifieke chimeren voor ontwikkelings-onderzoek ligt daarin dat
alle cellen afkomstig van beide soorten in seriecoupes van embryo's
ondubbelzinnig kunnen worden geïdentificeerd, en wel d.m.v. met
fluorescentie gemerkte antilichamen gericht tegen antigenen specifiek
voor de rat en demuis (Gardner &Johnson, 1973, 1974).
De cellen van de geïnjiceerde ratte-ICM's breiden zich alsregeluit
over de naar het blastocoel gerichte oppervlakte van de ICM van de
gastheer, en nemen daardoor juist dat gebied in waar zich normaliter
het primaire entoderm ontwikkelt. Het is daarom interessant dat in
de latere ontwikkeling de ratte-donorcellen voornamelijk in het extraembryonale entoderm worden aangetroffen (Gardner & Johnson,
1974). In sommige gevallen hechten de ratte-donorcellen zich echter
als een klompje aan het murale trofectoderm, in plaats van zich uit
te breiden over de oppervlakte van de muize-ICM, en in dat geval
ontwikkelen zij zichtot een afzonderlijke tweeling-eicylinder (Gardner
& Johnson, 1973, 1974).Derhalve vormen de ratte-cellen wanneer ze
in de vorm van een enkele laag aan het blastocoel zijn blootgesteld
voornamelijk entoderm, terwijl dié cellen die een apart klompje vormen ook ectoderm en mesoderm leveren (Gardner &Johnson, 1974).
Tezamen genomen wijzen deze twee groepen waarnemingen erop
dat het blootgesteld zijn van ICM-cellen aan 'buitencondities', of die
nu afkomstig zijn van de oviduct of van de blastocoelvloeistof, een
belangrijke factor bij de entodermale differentiatie zou kunnen zijn.
Het experimenteel-embryologisch onderzoek van de ontwikkeling
van de muis vóór de implantatie kan als volgt worden samengevat.
Tijdens de vroege klieving zijn de blastomeren nog niet geprogrammeerd voor differentiatie als trofectoderm- of ICM-cellen, daar hun
bestemming labiel is tot tenminste het 8-cellig stadium (Kelly, 1974).
80
Deprogrammering gebeurtklaarblijkelijk in overeenstemming met de
relatieve posities die de cellen gedurende de latere klieving innemen,
en dientengevolge zijn ze op het ongeveer 64-cellig stadium verdeeld
intwee gedetermineerde populaties.Binnen devolgende 24 uur treedt
verdere 'diversificatie' op, zowel binnen het trofectoderm als binnen
deICM. De regionale diversificatie in het trofectoderm is afhankelijk
van een inductieve interactie met de ICM, die een mitose-prikkel
verschaft die noodzakelijk is voor de voortgezette deling van de polaire cellen. De diversificatie tussen de ICM-cellen onderling schijnt
afhankelijk te zijn van hun positie binnen dit weefsel, op een wijze
vergelijkbaar met die waarop de oorspronkelijke diversificatie van de
ICM tegenover het trofectoderm in de late klieving plaatsvindt. Dit
ontwikkelingspatroon, dat tussen het 8-celligen het ongeveer 90-cellig
stadium voortschrijdt van 'blanco' cellen naar vier gedetermineerde
populaties, schijnt een zeer vroege expressie van verschillende delen
vanhet embryonale genoom te suggereren.
Biochemisch en genetisch onderzoek van de vroege ontwikkeling
De vraag op welk stadium het embryonale genoom voor het eerst tot
expressiekomt kan op verschillende manieren onderzocht worden. De
meest voor de hand liggende is te weten te komen wanneer de synthese van RNA, het directe produkt van de gen-transcriptie, na de
bevruchting voor het eerst plaatsvindt. Een andere manier is vast te
stellen wanneer de definitieve gen-produkten, gevormd door detranslatie van deze RNA-molekulen, voor de ontwikkeling noodzakelijk
worden, en wel door de effecten na te gaan van remmers van de
RNA-synthese. Uit werk over de nucleolus-loze mutant van Xenopus
laevis(de Afrikaanse klauwkikker) is gebleken dat deze twee benaderingen nogal verschillende resultaten kunnen opleveren. Zo kunnen
homozygote nucleolus-loze embryo's, hoewel zij niet in staat zijn
ribosomaal RNA (rRNA) tevormen, zichniettemin aanzienlijk verder
ontwikkelen dan het stadium waarop in heterozygote en homozygote
wild-type embryo's de synthese van deze molekulen begint (Brown &
Gurdon, 1964; Gurdon, 1974).Een derde manier is de activatie van
specifieke loei na te gaan. Dit ismogelijk in gevallen waar verschillen
tussen allelen het mogelijk maken het produkt van een van de vader
geërfd gen van dat van het van de moeder geërfde te onderscheiden.
Tenslottte kan meer inzicht in dit probleem verkregen worden door
81
, I:
I
j
!
:j
i
!
'
vast te stellen wanneer mutaties die de ontwikkeling veranderen of]
stopzetten zich voor het eerst manifesteren. Deze en andere facetten :
van de gen-activatie in de vroege zoogdier-ontwikkeling zijn onlangs :
in een overzichtsartikel samengevat (Wolf &Engel, 1972).
RNA-synthese Graham (1973) heeft een critische beoordeling gegeven van de gegevens over de nucleïnezuur-synthese tijdens de vroege ^ 1
ontwikkeling van zoogdieren. Hij wijst erop dat de huidige inzichten ^ » '
'steunen op de enthousiaste interpretatie van zeer zwakke experimen- £\V;i
tele gegevens'. Ook berusten zij bijna geheel op gegevens verkregen * •,
bij één enkele soort, de muis. De eerste onderzoekingen maakten ge- 'f\.'
bruik van cytochemische en autoradiografische methoden (Flax, 1953, ..;
geciteerd in Mintz, 1965b; Silagi, 1963; Mintz, 1964a, 1965b), maar .V'
meer recentelijk zijn ook verschillende technieken voor de extractie
en fractionering van RNA gebruikt (Monesi & Salfi, 1967; Ellem &
Gwatkin, 1968; Woodland & Graham, 1969; Monesi et al., 1970;
Pikó, 1970;Daentl &Epstein, 1971;Knowland &Graham, 1972).
Flax (1953, geciteerd in Mintz, 1965b) paste spectrofotometrische
analysetoe opmet azuur-B gekleurde oöcyten enjonge embryo's,met
het doel de relatieve hoeveelheden cytoplasmatisch RNA gedurende
de Oogenese en de vroege embryogenese te bepalen. De hoeveelheid
steeg zeer sterk met de diameter van de oöcyt tot kort voor de ovulatie, om daarna snel af te nemen. Zij bleef na de bevruchting laag en
steeg pas weer ongeveer twee dagen later, op het 5-cellig stadium.
Mintz (1964a, 1965b) was de eerste die een gedetailleerde analyse
ondernam van de werkelijke synthese van RNA gedurende de ontwikkeling vóór de implantatie, en wel door embryo's van opeenvolgende
stadia te kweken in medium dat 3H-uridine bevatte, en dan d.m.v.
autoradiografie dehoeveelheid 'label'te bepalen die gevoeligwasvoor
ribonuclease-behandeling. Slechts enkele ongekliefde eieren toonden
incorporatie boven het achtergrond-niveau, zelfs na langdurig kweken
in hoge concentraties van de RNA-bouwsteen. Dit ismisschien eerder
het gevolg van de impermeabiliteit van het pas bevruchte ei voor uridine dan vanhet ontbreken van RNA-synthese (Woodland &Graham,
1969). Op het 2-cellig stadium werd een lage maar onmiskenbare
incorporatie geconstateerd in de kernen, en wel in het gebied buiten
de nucleolus. Als er meer tijd verliepna het begin van de blootstelling
aan de isotoop verplaatste een deel van de 'label' zich naar het cytoplasma. De eerste duidelijke incorporatie in het nucleolus-gebied van
82
dekernen verscheen kort na het 4-celligstadium, terwijl tegelijkertijd
de totale RNA-synthese scheen toe te nemen. De toename van de
incorporatie in de kernen, en wel speciaal in de nucleoli, ging door
gedurende het morula- en blastocyst-stadium, en ging gepaard met
een toename in cytoplasmatisch RNA. Daar in de latere klieving de
nucleoli het meest actief schenen te incorporeren, opperde Mintz
(1964a) dat het merendeel van het cytoplasmatische RNA waarschijnlijk rRNA was. Het patroon van de totale eiwitsynthese, afgeleid uit
deincorporatie van het aminozuur 3H-leucine, volgde nauwkeurig het
patroon van de RNA-synthese.
Het baanbrekende autoradiografische werk van Mintz is grotendeels bevestigd door meer recent werk waarbij methoden voor de
isolatie en fractionering van RNA werden gebruikt. Op deze wijze
werd ontdekt dat reeds ophet 4-cellig stadium synthese van 'transfer'RNA (tRNA) en rRNA plaatsvindt (Woodland & Graham, 1969;
Monesi et al., 1970), en verfijnde technieken tonen aan dat al de belangrijkste soorten RNA, met inbegrip van 18S en 28S-rRNA, reeds
op het 2-cellig stadium worden gevormd (Knowland & Graham,
1972). De impermeabiliteit van het ongekliefde ei voor RNA-bouwstenen, zoals orthofosfaat, bicarbonaat en uridine, heeft de analyse
vóór het begin van de klieving onmogelijk gemaakt (Woodland &
Graham, 1969). Men is het er echter algemeen over eens dat het
nievau van de synthese tot het 8-cellig stadium laag blijft, en daarna
in de morula en de blastocyst snel toeneemt (Mintz, 1964a;Monesi &
Salfi, 1967; Ellem & Gwatkin, 1968; Pikó, 1970). Bovendien blijkt,
zoals Mintz reeds veronderstelde, dat rRNA het overwegende RNAtype is en 60 tot 80% uitmaakt van de totale hoeveelheid in de
morula en de blastocyst de novo gevormd stabiel RNA (Ellem &
Gwatkin, 1968). In dit verband is het van belang dat elektronenmicroscopisch onderzoek heeft laten zien dat de normale organisatie
van de nucleoli op het 4- tot 8-cellig stadium wordt bereikt, en dat
dit wordt gevolgd door een aanzienlijke toename van het aantal ribosomen in het cytoplasma (Hillman &Tasca, 1969;Maraldi &Monesi,
1970). Na het vrijkomen van de blastocyst uit zijn zona pellucida in
vitro schijnt er een relatieve toename van de vorming van DNAverwant RNA (dRNA) plaats te vinden (Ellem & Gwatkin, 1968).
Terwijl de kwalitatieve aspecten van de RNA-synthese goed zijn vast
te stellen door aan te tonen dat het radioactief gemerkte RNA in een
gel of in fracties verkregen uit een kolom in positie overeenkomt met
/
83
ongemerkt 'marker'-RNA, steekt daarentegen het kwantitatieve onderzoek vol moeilijkheden. Zo kan bijvoorbeeld een toename in de incorporatie van de bouwsteen 3H-uridine veroorzaakt worden doordat
deze sneller in de cellen doordringt naarmate de ontwikkeling voortschrijdt, of kan zij een afname in de hoeveelheid endogeen uridine
weerspiegelen, in plaats van dat zij een verandering in het niveau van
de synthese zelf betekent. Zo kan ook de mate waarin de bouwsteen
in verschillende soorten RNA wordt geïncorporeerd ten dele samenhangen met hun relatief uridine-gehalte. Niettemin weerspiegelt de
toename in radioactieve markering in de late klievingsstadia waarschijnlijk een echte toename in RNA-synthese, omdat een andere
bouwsteen, guanine, eveneens op dit stadium een verhoogde incorporatie in RNA laat zien, hoewel zijn opnamesnelheid sterk verschilt
van die van uridine (Daentl &Epstein, 1971).
Is het patroon van de RNA-synthese in het jonge muize-embryo
hetzelfde als dat bij andere zoogdieren? Het antwoord op deze vraag
is dat de gegevens over andere soorten momenteel te schaars zijn om
een geldige conclusie mogelijk te maken. Anders dan bij de muis
blijkt dat de kernen van embryo's van de goudhamster op het 2-cellig
stadium in autoradiografische'experimenten een zeer actieve rRNAsynthese laten zien (Ukatoji, 1969).Het enige andere zoogdier waarbij
de RNA-synthese enigszins gedetailleerd is bestudeerd is het konijn
(Manes, 1969, 1971).Het konijne-ei klieft sneller dan het muize-ei en
bestaat voordat de blastula gevormd wordt reeds uit 100-130 cellen.
Het totale RNA-gehalte per cel begint ongeveer 72 uur post coitum
toe te nemen, d.w.z. op het overgangsstadium tussen de morula en de
blastocyst. Onbevruchte eieren vertonen geen RNA-synthese. Na de
bevruchting wordt de synthese voor het eerst waarneembaar op het
2-cellig stadium, en elektroforetische analyse heeft aangetoond dat het
hier waarschijnlijk 4S-RNA (vermoedelijk tRNA) betreft. De synthese
gaat gedurende de hele klieving door, maar het totale RNA-gehalte
per cel loopt terug tot aan het morula-stadium. De vorming van
rRNA is voor het eerst duidelijk op het 72-cellig stadium, wanneer
ook het totale gehalte per cel begint toe te nemen (Manes, 1971).De
eiwitsynthese begint ongeveer 24 uur later toe te nemen (Manes &
Daniel, 1969).Het isduidelijk dat dit synthese-patroon nogal verschilt
van dat bij demuis, waar de eerste tRNA- en rRNA-synthese vroeger
en synchroon plaatsvindt (Woodland & Graham, 1969; Knowland &
Graham, 1972).
84
Natuurlijk is het de vorming van nieuw mRNA (messenger- of
boodschapper-RNA) die het meest interessant is in verband met de
differentiatie tijdens de vroege ontwikkeling. Helaas is dit het soort
RNA dat het moeilijkst te bepalen is, daar het waarschijnlijk heterogeen van samenstelling en moleculairgewicht is, en slechts in kleine
hoeveelheden voorkomt. Geen van de tot dusver uitgevoerde onderzoekingen over het RNA-metabolisme werpen een direct licht op dit
probleem, hoewel dRNA ('DNA-like' RNA) of heterogeen RNA
vanaf een zeer vroeg stadium schijnt te worden gevormd, zowel bij de
muis (Ellem & Gwatkin, 1968; Knowland & Graham, 1972) als bij
het konijn (Manes, 1971).Veel van dit RNA wordt echter waarschijnlijk in de kern omgezet ('turnover') in plaats van in het cytoplasma te
worden vertaald (zie Harris, 1974). Het enige bevredigende criterium
voor de activiteit van mRNA is het aantonen dat een bepaalde RNAfractie in een geschikt celsysteem of celvrij systeem kan worden vertaald in een specifiek eiwit (Gurdon et al., 1971; Matthews et al.,
1971). Bij het jonge embryo is dit niveau van analyse nog lang niet
bereikt.
Het effect van aciïnomycine D opde ontwikkeling Wehebben er al
eerder op gewezen dat RNA reeds kan worden gevormd enige tijd
voordat zijn translatie nodig is voor de verdere ontwikkeling. Translatie-remmers zijn niet van belang voor het probleem wanneer het
embryonale genoom wordt geactiveerd, daar zij geen onderscheid
maken tussen de vertaling van mRNA-molekulen gevormd tijdens de
embryogenese en van molekulen gevormd in de oöcyt vóór de bevruchting. Een aantal onderzoekers hebben daarom het antibioticum
actinomycine D gebruikt om 'fysiologische ontkerning' van jonge
muize-embryo's te bewerkstelligen (Silagi, 1963;Mintz, 1964a; Thomson & Biggers, 1966; Monesi et al., 1970; Pikó, 1970;Tasca & Hillman, 1970). Men neemt aan dat de werking van deze stof berust op
zijn binding aan de desoxyguanosine-groepen van het DNA, waardoor
het zijn transcriptie tot RNA verhindert (Goldberg et al., 1962;
Sobell, 1973).De resultaten van de verschillende auteurs komen daarin overeen dat zij laten zien dat het jonge muize-embryo erg gevoelig
is voor deze stof, en dat zij de RNA-synthese op alle stadia vóór de
implantatie duidelijk doet afnemen. De vorming van rRNA wordt
gemakkelijker onderdrukt dan die van andere soorten RNA (Ellem &
Gwatkin, 1968;Pikó, 1970). De eiwitsynthese blijkt echter opmerke85
lijk resistent te zijn tegen concentraties van deze stof die de RNAsynthese vrijwel totaal teniet doen (Mintz, 1964a; Monesi et al.,
1970). Wanneer men jonge klievingsstadia kweekt in de voortdurende
aanwezigheid van lage concentraties actinomycine D is enige verdere
ontwikkeling mogelijk, maar minder naarmate de concentratie stijgt.
Bij een concentratie van 10~6tot 10~5 M komt de ontwikkeling geheel
tot stilstand (Mintz, 1964a, 1965; Thomson & Biggers, 1966). Het
zou echter onverstandig zijn aan deze resultaten teveel betekenis toe
te kennen. Zoals Harris (1974) met nadruk stelt, is actinomycine D
uiterst giftig en veroorzaakt het in de concentratie die vereist is om
de transcriptie te remmen het uiteenvallen van de meeste cellen,
mogelijk als gevolg van zeer uiteenlopende effecten op hun fysiologie.
Deze resultaten kunnen daarom niet worden beschouwd als een
ondubbelzinnig bewijs dat het nieuw gevormde RNA essentieel is
voor het aan de gang houden van de vroege ontwikkeling. Misschien
kan men meer betekenis hechten aan het doorgaan van de eiwitsynthese ondanks de aanwezigheid van hoge concentraties van deze stof
(zie Harris, 1974).
De gegevens aangaande de RNA-synthese gedurende de vroege
zoogdierontwikkeling kunnen als volgt worden samengevat. Bij de
embryo's van muis, konijn en goudhamster begint de synthese van de
verschillende soorten RNA-molekulen zeer vroeg in verhouding tot
het aantal cellen (hoewel niet tot de leeftijd vanaf de bevruchting).
Zoogdier-embryo's lijken in dit opzicht meer op embryo's van echinodermen (Emerson & Humphreys, 1971) dan de grotere embryo's van
de amfibieën (Brown & Dawid, 1969; Gurdon, 1974). Het vroegere
begintijdstip van de RNA-synthese bij de muis in vergelijking met het
konijn zou misschien het gevolg kunnen zijn van een grotere bevoorrading met ribosomen tijdens de Oogenese: de eieren van deze laatste
soort zijn groter. De resistentie van de eiwitsynthese tegenover actinomycine D duidt erop dat deze misschien in de allereerste stadia ten
dele afhankelijk is van vooralsnog hypothetische, vóór de bevruchting
gevormde, stabielemRNA-molekulen, zoalsmen aanneemt dathetgeval is bij niet-zoogdieren (Brown & Dawid, 1969) (vergelijk pag. 6162). Gen-activiteit gedurende de Oogenese schijnt in de vroege zoogdierontwikkeling belangrijk te zijn (hoewel zij niet noodzakelijkerwijs
totuitingkomtvia'opgeslagen'mRNA). Hiervoor zijn aanwijzingen te
vinden in recent werk over reciproke kruisingen tussen DDK-muizen
en muizen van andere stammen (Wakasugi, 1973).Uit kruisingen van
86
DDK-mannetjes en -wijfjes, en ook na paring van DDK-mannetjes
met wijfjes van andere stammen, worden normale aantallen nakomelingen verkregen. Maar Fl-embryo's uit de reciproke kruising tussen
DDK-wijfjes en -mannetjes van andere stammen sterven meestal tussen 3 en 5 dagen post coitum, zodat bij de geboorte de worpgrootte
aanzienlijk is gereduceerd. Aangezien men hetzelfde resultaat verkrijgt met wijfjes van andere stammen waarin DDK-ovariën zijn getransplanteerd, is het effect niet te wijten aan een nadelige interactie
tussen de Fl-embryo's en de genitaaltractus van de DDK-moeder.
Het defect blijkt dus in de DDK-eieren zelf te liggen, en is wellicht
het gevolg van de vorming tijdens de Oogenesevan een factor die op
nadelige of niet-effectieve wijze interageert met het vreemde genoom
dat bij de bevruchting door het Spermium in het ei wordt gebracht
(Wakasugi, 1973).
De vorming van specifieke eiwitten tijdens de vroege ontwikkeling
In de laatste jaren zijn een aantal onderzoekingen ondernomen over
de totale eiwitsynthese (Mintz, 1964a, Manes & Daniel, 1969) en de
activiteit van specifieke enzymen (voor details zie Brinster, 1973a).
Deze onderzoekingen zijn echter niet van directe betekenis voor het
onderhavige probleem, daar zij geen onderscheid maken tussen de
synthese d.m.v. RNA gevormd tijdens de Oogenese dan wel na de
bevruchting, en omdat veranderingen in enzym-activiteit het gevolg
kunnen zijn van andere factoren dan synthese. Tot dusver is slechts
één eiwit gevonden dat informatie verschaft aangaande de vroege
expressie van het genoom bij de zoogdieren. Dit ishet enzym glucosefosfaat-isomerase (Gfi-1), dat bij de muis in twee elektroforetisch te
onderscheiden vormen voorkomt (fig. 2). Wanneer wijfjes die homozygoot zijn voor één allel van Gfi-1 worden gekruist met voor het
andere allel homozygote mannetjes, kan het van de vader geërfde
isozym in de hybride-embryo's reeds in het 8-cellig stadium worden
aangetoond (Brinster, 1973b). Dit betekent óf dat het vaderlijke allel
zeer vroeg wordt getranscribeerd en vertaald, óf dat er mRNA voor
Gfi-1 met het Spermium binnenkomt. Aangezien het Spermium zeer
weinig RNA bevat (Monesi, 1971)en er geen ander voorbeeld bekend
is van de vaderlijke overdracht van mRNA, kan dit resultaat hoogst
waarschijnlijk worden toegeschreven aan vroege activatie van het betrokken locus.
87
Fig. 2. Elektroforetische distributiepatronen van isozymen van glucosefosfaat-isomerase (Gfi-J) bij de muis. In homozygoten bestaat elk enzymmolekuul uit twee identieke polypeptide-bouwstenen. Daarom vertonen
homozygoten van de constitutie Gfi-la/Gfi-la (A) slechts één band, die
langzaam in de richting van de kathode loopt; Gfi-H>'/'Gfi-lb-homozy'goten
(B) vertonen ook één band, die echter sneller loopt. In Gfi-la/ Gfi-lb-heterozygoten (C) verbinden de A- en de B-bouwstenen zich twee aan twee
volgens de wetten van het toeval (1AA, 2AB, 1BB), zodat behalve de banden A en B ook een tussengelegen band (AB) verschijnt,die tweemaal zoveel enzym-molekulen bevat.
Vroeg werkende mutaties Bij de muis zijn verscheidene mutaties
onderzocht die tot de vroege dood van homozygote embryo's leiden
(zie het overzicht van McLaren, 1974). Embryo's die homozygoot
zijn voor het /12-allel behorende tot het complexe 'brachyurie'-Iocus
(Bennett, 1964) sterven in het late morula-stadium (Smith, 1956;
Mintz, 1964b), terwijl homozygoten voor oligosyndactylie (Os/Os)
iets later sterven, en wel in het blastocyst-stadium (Van Valen, 1966).
Embryo's homozygoot voor yellow (Av/Av) maken een begin met de
implantatie in de uterus, maar degenereren kort daarna (Eaton &
Green, 1963). De aard van de genetische beschadiging is noch bij
deze, noch bij enige andere vroeg werkende letale mutant vastgesteld.
De meeste aandacht is besteed aan het t12/tt2-embryo. Mintz (1964c)
vond dat toekomstige r^/^-embryo's niet van de dood konden worden gered door ze op een stadium halverwege de klieving te doen
versmelten met niet-mutante embryo's, hoewel het leven van een aantal mutante cellen op deze wijze met een paar uur kon worden verlengd tot het jonge blastocyst-stadium. Het letale effect schijnt dus
veroorzaakt te worden door een cel-autonoom defect. Mintz (1964b,
1965b) opperde de mogelijkheid dat een effect op de synthese van
rRNA de oorzaak zou kunnen zijn, omdat mutante embryo's in autoradiogrammen een verminderde incorporatie van 3H-uridine boven
hun nucleoli lieten zien. Met dezelfde methoden kon Hillman (1972)
echter geen enkel significant verschil ontdekken, noch in de mate
88
r
van incorporatie van 3H-uridine, noch in de ruimtelijke verdeling
daarvan, tussen <ï2/fi2-embryo's en t12/+ en +/+-embryo's uit dezelfde worp, en wel tot aan het stadium waarop de homozygoten begonnen te degenereren. De conclusie dat het primaire defect in de
mutante embryo's niet een te geringe rRNA-synthese is, werd op
elegante wijze bevestigd doordat aangetoond werd dat RNA gefractioneerd uit grote aantallen morula's afkomstig van tï2/+ x t12/+kruisingen hetzelfde niveau van uridine-incorporatie in de 18S- en
28S-componenten vertoont als RNA uit + / + X +/+-embryo's
(Hillman & Tasca, 1973).
Zowel biochemische als genetische gegevens pleiten er dus voor dat
in het zoogdier-embryo expressie van bepaalde delen van het embryonale genoom plaatsvindt vóór de eerste cellulaire determinatie en
differentiatie. Niettemin kan de ontwikkeling vóór de implantatie
ondanks variaties in de dosering van sommige of alle genen normaal
voortgang vinden. Dit kan worden geconcludeerd uit het feit dat
haploïde parthenogenetische embryo's zich tot voorbij het blastocyststadium kunnen ontwikkelen (Kaufman & Gardner, 1974), en dat bij
tetraploïdie, geïnduceerd door behandeling met cytochalasine B gedurende de vroege klieving, ontwikkeling tot aan de geboorte mogelijk
blijft (Snow, 1973c). Ford (1972) heeft op elegante wijze aangetoond
dat bij de muis normale ontwikkeling tot 3V2 dag post coitum mogelijk is ondanks sterke ongebalanceerdheid van het genoom. Mannelijke Fl-hybriden verkregen uit een kruising tussen Mus poschiavinus
(de tabaksmuis) en M. musculus (de gewone laboratorium-muis) werden gepaard met M. musculus-wijfjes. De chromosoom-garnituren
van de twee soorten zijn verschillend: de laboratorium-muis heeft 20
paar acrocentrische chromosomen, terwijl de tabaksmuis 6 paar acrocentrische en 7 paar metacentrische chromosomen heeft (fig. 3). Het
aantal chromosoom-armen is dus bij beide soorten hetzelfde. De
metacentrische chromosomen van de tabaksmuis zijn waarschijnlijk
in de evolutie ontstaan door versmelting van de centromeren van bepaalde acrocentrische chromosoomparen van de voorouders (Robertson, 1916; Ohno, 1970). De Fl-mannetjes hebben dus 7 metacentrische chromosomen, geërfd van de tabaksmuis, die zich tijdens de
méiose elk associëren met twee overeenkomstige acrocentrische chromosomen van de gewone muis, waardoor 7 trivalente chromosomen
ontstaan (fig. 3). Deze ondergaan dikwijls abnormale segregatie (fig.
3), wat in de tweede metafase leidt tot een brede spreiding in het
89
fît! MM •
X
Y
AD ()
Fig. 3. (A) Karyotype van een Fl-mannetje verkregen door paring van
Mus poschiavinus met Musmusculus. De chromosomen vanM. poschiavinus zijn met zwart weergegeven, de overeenkomstige chromosomen van
M. musculus met wit.In zulke mannetjes worden bijde eerste meiotische
metafase trivalente associaties gevormd tussen metacentrische chromosomen vanM. poschiavinus en homologe acrocentrische chromosomen van
M. musculus. Als deze in de anafase op de juiste wijze segregeren,zoals
in (B),kunnen na terugkruising met M. musculus nakomelingen meteen
normaal chromosomen-complement worden verkregen. Bij één of meer
trivalente chromosomen kan echter abnormale segregatie plaats vinden,
zoals in (C),wat leidt tol embryo's die voor de betrokken chromosoomarmen monosoom of trisoom zijn. (Gesegregeerde chromosomen gestippeld.)
aantal chromosoom-armen. Ford vond dat de frequentie waarmee
bepaalde aantallen chromosoom-armen tussen de 15 en 25 bij deze
Fl-mannetjes in de tweede metafase voorkwamen statistisch niet verschilde van de frequentie van de aantallen armen tussen de 35 en 45
(15-25 van het Fl-spermium plus 20 van het ei) voorkomend in
embryo's van 3V2 dag post coitum. Hieruit concludeerde hij dat al
deze qua chromosoom-garnituur abnormale Spermien een even goed
bevruchtingsvermogen hadden, en dat embryo's die enkelvoudig of
90
meervoudig monosoom of trisoom waren tot aan het blastocyst-stadium even goedin levenbleven alsdiploïdeembryo's.
Overleving tot na de geboorte is, zeer weinige uitzonderingen daargelaten, bij afwijkingen van het diploïde aantal autosomen niet mogelijk (Polani, 1969; Jacobs, 1972; Cattanach & Moseley, 1973).
Daarentegen kunnen dieren met veranderingen inhet aantal geslachtschromosomen als regel wel volwassen worden, al zijn zij meestal
steriel (Jacobs, 1972). Het is nog niet duidelijk of de vroege ontwikkeling mogelijk is in de totale afwezigheid van één bepaald chromosoom. Muizen met het normale aantal van 38 autosomen maar met
slechts één X- en geen Y-chromosoom (zogenaamde XO-muizen) zijn
vruchtbare wijfjes, waarvan men zou verwachten dat ze bij kruising
met normale mannetjes vier soorten embryo's met een verschillende
constitutie van de geslachtschromosomen zouden voortbrengen (XX,
XO, XY en YO). Men zegt dat YO-eieren, die geen enkel X-chromosoom hebben, op het 2-cellig stadium sterven (Morris, 1968), maar
deze conclusie moet nog worden bevestigd.
Geslachtsdifferentiatie
Ontwikkelings-aspecten van de activiteit van de geslachtschromosomen Bij de zoogdieren zijn het X- en het Y-chromosoom geheel
verschillend, zowel in morfologie als in het aantal genen dat zij dragen. Het X-chromosoom is het grootste en is drager van vele genen
waarvan de functie niet in verband staat met de geslachtsdifferentiatie
(McKusick, 1969). Het kleinere Y-chromosoom bevat vrijwel geen
genen in de normale Mendeliaanse zin maar oefent een sterke mannelijkheids-bepalende werking uit, zoals blijkt uit het feit dat zijn
aanwezigheid altijd gepaard gaat met de ontwikkeling van testes, onafhankelijk van het aantal X-chromosomen waarmee het gecombineerd is (Beatty, 1970). Afgezien van een paar uitzonderingen, die
later zullen worden besproken, gaat de afwezigheid van het Y-chromosoom gepaard met een vrouwelijk patroon van geslachtsdifferentiatie. Ohno (1967) heeft een zeer stimulerende hypothese voorgesteld
aangaande de mogelijke evolutie van de regeling van de geslachtsdifferentiatie door de geslachtschromosomen bij de vertebraten. Wij
kunnen haar hier onmogelijk volledig recht doen wedervaren. Zij is
gebaseerd op het feit dat bij de lagere vertebraten de richting van de
geslachtsdifferentiatie gemakkelijk om te keren is, zodat genetische
91
mannetjes zich tot vruchtbare wijfjes kunnen ontwikkelen, en omgekeerd (Witschi, 1967; Beatty, 1970). Bij deze soorten zijn er meestal
geen morfologische verschillen tussen de geslachtschromosomen tebespeuren, zodat meer subtiele methoden moeten worden aangewend
om vast te stellen welke individuen tot het heterogame geslacht behoren (XY, of ZW ingeval van vrouwelijke hétérogamie, zoals die
voorkomt bij sommige amfibieën en alle vogels), en welke tot het
homogame geslacht (XX of ZZ; Ohno, 1967;Mittwoch, 1973). Gaande van de lagere naar de hogere vertebraten neemt zowel het dimorfisme van het paar geslachtschromosomen toe, alsook de weerstand
tegen experimentele geslachtsomkering, wat een striktere genetische
regulatie van het proces der geslachtsdeterminatie betekent. Dit bereikt zijn hoogtepunt bij de Eutheria onder de zoogdieren, waar de
geslachtschromosomen sterk dimorf zijn en functionele geslachtsomkering nooit gevonden is.
Ohno (1967) oppert dat het X- en het Y-chromosoom door divergentie geëvolueerd zijn uit een oorspronkelijk homoloog paar autosoom-achtige chromosomen, waarbij de X de meeste van zijn voorouderlijke genen heeft behouden, maar de Y deze heeft verloren en
een sterke mannelijkheids-determinant is geworden. Dit idee wordt
ondersteund door het feit dat, voorzover vergelijkende gegevens voorhanden zijn, genen die bij één zoogdiersoort X-gekoppeld zijn dat ook
bij andere soorten blijken tezijn (Ohno, 1967).
Wanneer dit gezichtspunt echter juist is, dan rijzen er problemen
met betrekking tot de gen-dosering.Het ismoeilijk zichvoor testellen
hoe divergentie tussen de toekomstige X- en Y-chromosomen kon
plaatsvinden, daar dat als gevolg zou hebben dat de mannetjes ernstig
in het nadeel zouden zijn doordat zehaploïd zouden zijn voor alle uit
het Y-chromosoom verloren gegane genen. Dit probleem zou extreem
worden zodra de divergentie volledig was, want wijfjes zouden dan
een dubbele kopie en mannetjes slechts een enkele kopie hebben van
alle X-gekoppelde genen, waarvan vele, zoals wij zagen, functies reguleren die kennelijk niets met de geslachtelijke differentiatie uit te
staan hebben. Mary Lyon (1961) deed voor dit probleem van de
gen-dosering een oplossing aan de hand. In een korte maar elegante
publikatie vestigde zij de aandacht op twee eigenaardigheden met betrekking tot het X-chromosoom van de zoogdieren. Het eerste punt
was dat XO-muizen levensvatbare, vruchtbare wijfjes zijn. In detweede plaats vertonen vrouwelijke zoogdieren die heterozygoot zijn voor
92
X-gekoppelde haarkleur-genen plekken waar telkens het ene of het
andere allel tot expressie komt, in plaats van een homogene kleur,
zoalsmenopgrond vaneenvoudige dominantie vanéénallel overhet
andere zou verwachten. Het meest frappante voorbeeld is de geelzwart-gevlekte 'lapjeskat'. Op grond van deze twee waarnemingen
opperde zij devolgende verklaring.
1. Bij volwassen vrouwelijke zoogdieren is in elke somatische cel
slechtséénvandetweeX-chromosomen actief.
2. Ditkomt tot stand door depermanente inactivatie vanéénvande
beide X-chromosomen inelke celvanhetjonge embryo.
3. Welke van de twee X-chromosomen in een bepaalde cel wordjt
geïnactiveerd wordt door het toeval bepaald, maar als dit eenmaal is
gebeurd zijn alle mitotische nakomelingen van deze cel 'raszuiver',
d.w.z.inaldeze cellenishetzelfde X-chromosoom actief.
Zo neemt men in het geval van de lapjeskat aan dat de zwarte en
gele plekken ontstaan doordat celklonen gevormd worden door telkens één melanoblast, waarin het X-chromosoom dat óf het 'gele'óf
het 'zwarte' allel draagt isuitgeschakeld. Het is duidelijk dat dit niet
de enige wijze iswaarop dosis-compensatie kan plaatsvinden, want er
is geen aanwijzing voor een dergelijk gedrag van het tweede Z-chromosoombijmannelijke vogels (Ohno, 1967).Niettemin iserdelaatste
jaren een enorme massa gegevens verzameld ter ondersteuning vande
zogenaamde 'inactieve-X-', 'één-actieve-X-' of 'Lyon-hypothese', die
verklaart hoebij dezoogdieren de compensatie voor de verschillende
dosering van de X-gekoppelde genen in de twee geslachten tot stand
komt. Hier moet echter wel vermeld worden dat het gedrag van de
geslachtschromosomen in geslachtscellen anders is dan in somatische
cellen. Er zijn sterke aanwijzingen dat tijdens de Oogenese bij de
zoogdieren beide X-chromosomen actief zijn (Epstein, 1969, 1972;
Gartler et al., 1972;Gartler et al., 1973;Kozak et al., 1974), terwijl
tijdens de late Spermatogenese bij het mannetje zowel het X- alshet
Y-chromosoom inactief zijn (zie overzicht van Lyon, 1974a). Het is
nog niet duidelijk of devrouwelijke geslachtscellen eerst geïnactiveerd
en later gereactiveerd worden, of dat hun moedercellen in het geheel
niet aanhet inactivatieproces worden onderworpen.
Zeer onlangs heeft Lyon (1974a, 1974b)een plausibele manier aan
de hand gedaan waarop ditmechanisme geëvolueerd zoukunnen zijn.
In het kort komt deze hierop neer dat er bij een vroege vertebratenvorm, met morfologisch niet verschillende geslachtschromosomen, op
93
äL
het Y-chromosoom een klein segment zou zijn ontstaan dat verschillend was en testis-bepalende genen bevatte. Vervolgens zou er een
mechanisme ontstaan zijn dat ervoor zorgde dat de X en de Y tijdens
de late Spermatogenese inactief, en de beide X-chromosomen tijdens
de Oogenese actief waren. Op een later stadium in de evolutie zou
dan een groot stuk van het homologe deel van de Y naar de X verhuisd zijn, tegelijk met een verandering van het inactivatie-proces,
zodanig dat in de somatische cellen het extra materiaal in de X-chromosomen geïnactiveerd werd. Mogelijk vinden wij een overgangsstadium bij de buideldieren, waar het van de vader geërfde X-chromosoom, dat tijdens de Spermatogenese geïnactiveerd was, in de
somatische cellen van de vrouwelijke nakomelingen blijkbaar inactief
blijft (Cooper et al., 1971). Het laatste stadium is dan het langzaam
verschillend worden van de verdubbelde delen van het X-chromosoom door mutatie en selectie (Lyon, 1974a, 1974b). Deze hypothese
wordt in figuur 4 geïllustreerd. Een aanwijzing voor de verdubbeling
van een deel van het X-chromosoom bij zoogdieren wordt gevonden
in het feit dat in het goed-bestudeerde menselijke X-chromosoom
Fig.4. De hypothese vanLyon aangaande de evolutie vande X-chromosoom-inactivatie. (A) Voorouderlijk paar homologe, autosoom-achtige chromosomen, devoorlopers van hetlatere XY-paar. (B) Differentiatie van een
segment vanhet Y-chromosoom (zwarte arm)dat te makenheeft metde
testis-ontwikkeling. (Tezelfdertijd ontstaat ook op het X-chromosoom een
differentieel segment (gestippeld).) (C)Translokatie vanhet grootste deel
van de rest van het Y-chromosoom naar het X-chromosoom, zodatdit
diploid wordt voor alle genen behalve dievandeoorspronkelijke 'differentiële' delen vanhetX- en het Y-chromosoom. In de uiteindelijke toestand
(D) is de Y een klein geslachtsbepalend chromosoom, terwijlde X een
dubbele dosis vanvele genen bevat.
94
"TT
verschillende paren genen met een vergelijkbare functie voorkomen
(Lyon, 1974a, 1974b). Het bestaan van een 'differentieel' segment in
het X-chromosoom is één van de mogelijke verklaringen voor het feit
dat bij de mens het locus voor de bloedgroep Xg niet blijkt te worden
geïnactiveerd (Ducos et al., 1971). Het zou ook kunnen verklaren
waarom vrouwen met een XO-chromosoom-constitutie meestal somatische afwijkingen vertonen (Ferguson-Smifh, 1965).
Afgezien hiervan blijkt, dat wanneer één van de twee X-chromosomen eenmaal is geïnactiveerd, het niet tot expressie komen van die
genen die aan het inactivatieproces zijn onderworpen met een opmerkelijke stabiliteit wordt 'overgeërfd'. Om een voorbeeld te noemen,
afzonderlijke cellen geïsoleerd uit volwassen vrouwelijke individuen
dieheterozygoot zijn voor elektroforetisch te onderscheiden isozymen,
gecodeerd door X-gekoppelde genen, vormen slechts één van de twee
isozymen, zelfs wanneer ze vele cel-generaties lang worden gekweekt
(Davidson et al., 1963; Gartler et al., 1972). Nooit is er een geval
vermeld van omkering van het inactivatie-proces, zelfs in gevallen
waarin celklonen die een hoge celdichtheid hebben bereikt worden
gebracht in een selectief medium, waarin het geïnactiveerde allel tot
expressie zou moeten komen, willen de cellen overleven (Migeon,
1972).
De laatste jaren heeft de belangstelling zich geconcentreerd op mechanismen waarop een dergelijke stabiliteit in de 'overerving' van de
differentiële activiteit van het X-chromosoom gebaseerd zou kunnen
zijn (voor details zie Eicher, 1970; Lyon, 1971, 1972; Brown &
Chandra, 1973; Cook, 1973, 1974). Tot dusver zijn echter alle suggesties in hoge mate speculatief, als gevolg van het gebrek aan ter
zake dienende feiten. Daarom is het van belang het ontwikkelingsstadium te bepalen waarop de X-inactivatie plaatsvindt, want dat zal
waarschijnlijk waardevolle aanwijzingen opleveren. Dit probleem is
op verschillende manieren onderzocht. Meestal zijn indirecte benaderingen gevolgd, die berusten op de vaststelling wanneer de kenmerken
waardoor men in volwassen vrouwelijke cellen actieve van inactieve
X-chromosomen kan onderscheiden voor het eerst in de ontwikkeling
optreden. In volwassen vrouwelijke cellen blijft het inactieve X-chromosoom gedurende de interfase te onderscheiden als een gecondenseerde, heterochromatische massa, die meestal tegen de binnenzijde
van de kernmembraan aan ligt, en lichaampje van Barr of geslachtschromatine genoemd wordt. Tijdens de synthetische fase van de cel95
cyclus wordt het DNA hiervan later gerepliceerd dan dat van de
actieve X, en soms heeft het in de metafase andere kleuringseigenschappen (Tagaki, 1974).
Waarnemingen over het tijdstip waarop geslachtschromatine of een
laat-replicerend X-chromosoom voor het eerst verschijnen zijn bij
embryo's van een aantal zoogdiersoorten verricht. Daar de resultaten
onlangs reeds zijn samengevat (Austin, 1966; Lyon, 1972) zullen ze
hier niet in detail worden besproken. Het stadium waarop het geslachtschromatine voor het eerst kan worden geïdentificeerd loopt
naar gelang van de soort uiteen van de blastocyst tot het embryo kort
na de implantatie. Een soort die bijzonder nauwkeurig is onderzocht
is het konijn, bij dit dier verschijnt het geslachtschromatine voor het
eerst in de jonge blastocyst, zo'n 86 uur na de copulatie (Issa et al.,
1969; Klinger et al., 1971). De embryo's bestaan dan uit tussen de
160 en 380 cellen (Issa et al., 1969). Ongeveer 24 uur eerder, in de
late morula, is voor het eerst een laat-replicerend X-chromosoom te
zien (Issa et al., 1969). Het formele bewijs dat het lichaampje dat in
dekernen van ongeveer 50% van allekonijne-blastocysten wordt aangetroffen inderdaad het geslachtschromatine is, werd geleverd door
Gardner & Edwards (1968). Zij stelden bij levende blastocysten de
aanwezigheid van dit lichaampje vast aan de hand van uitgesneden
stukjes trofoblast. Alle alspositief aangemerkte blastocysten die na in
de uterus te zijn teruggebracht hun ontwikkeling daar voltooiden,
leverden vrouwelijke foeten, terwijl de als negatief genoteerde blastocysten zich tot mannelijke foeten ontwikkelden.
Daar echter het begin van de late replicatie en de condensatie van
het tweede X-chromosoom pas enige tijd na de genetische inactivatie
zou kunnen vallen, is het van meer waarde langs directe genetische
weg vast te stellen wanneer het verschijnsel plaatsvindt. Het zou in
principe in het 2-cellig stadium kunnen gebeuren (DeMars, 1967),
mits één cel één van de beide X-chromosomen zou uitschakelen en
de andere celhet andere.Dezehypothese werd echtervoor het muizeembryo op elegante wijze weerlegd door Hoppe & Whitten (1972).
Zij kruisten mannetjes die hemizygoot waren voor het X-gekoppelde
gen tabby (Ta/Y) met wild-type-wijfjes ( + / + ) . Zo'n kruising levert
normaal mannelijke nakomelingen die van het wild-type zijn (+/Y),
en Ta/+-wijfjes waarvan de vacht een mozaïek is van +- en Taplekken, in overeenstemming met deLyon-hypothese. Zij vernietigden
nu van 2-ceHige embryo's uit deze kruising één van de blastomeren;
96
in 68 gevallen vormde de overgebleven blastomeer een normaal jong.
Alle 32 vrouwelijke jongen vertoonden een Ta- en +-gestreept fenotype (fig. 5).
Het feit dat men chimerische nakomelingen kan verkrijgen door
injectie van geïsoleerde cellen in gastheer-blastocysten van de muis
verschaft een manier om bij deze soort het tijdstip van de X-inactivatie te bepalen (Gardner & Lyon, 1971;Gardner, 1974c). Het principevan dit experiment is het uitvoeren van een kruising op zodanige
wijze dat de hieruit verkregen embryo's, voorzover het wijfjes zijn,
twee verschillende haarkleur-genen hebben, één op elk van de beide
X-chromosomen. Deze embryo's worden dan als donors gebruikt:
afzonderlijke donorcellen worden geïnjiceerd in een reeks gastheerblastocysten van weer een ander haarkleur-genotype. Als de vrouwelijke donorcellen op het moment van transplantatie reeds X-inactivatie
hadden ondergaan, dan zou men verwachten dat de ontstaande chimère behalve de gastheerkleur slechts één van de donorkleuren zou
vertonen. Zou de inactivatie van het tweede X-chromosoom daarentegen nog niet hebben plaatsgehad, dan zou men een driekleurige
muis verwachten (fig. 6). Voorlopige resultaten verkregen met deze
techniek duiden erop dat de X-inactivatie bij deze soort kort na de
implantatie plaatsvindt (Gardner & Lyon, 1971; Gardner, 1974c).
Dit is in overeenstemming met recente waarnemingen over het begin
van de differentiële replicatie en kleurbaarheid van de twee X-chromosomen bij muize-embryo's (Takagi, 1974). Op grond van een wat
meer aan twijfel onderhevige analyse-methode hebben andere onderzoekers betoogd dat de inactivatie vrij wat later in de ontwikkeling,
en bovendien in de verschillende weefsels op verschillende tijdstippen
zou plaatsvinden (Deol & Whitten, 1972a, 1972b). Deze kwestie zal
alleen kunnen worden opgelost door de injectie van geïsoleerde cellen
tot oudere stadia uit te breiden.
Specifiek genetische aspecten Eén der baanbrekers van het onderzoek over de geslachtsdifferentiatie heeft onlangs dit gebied in een
overzicht samengevat (Jost, 1974). De aanwezigheid van een Y-chromosoom leidt tot de ontwikkeling van testes; de testis produceert
hormonen en waarborgt daardoor de differentiatie van de mannelijke
genitaaltractus, de hersenen en de secundaire geslachtskenmerken
(voor publicaties over verschillende aspecten van dit onderwerp zie
Harris & Edwards, 1970). Bij de wijfjes is de aanwezigheid van ova97
Het |actieveenhet^inacfievBvandevadergeërfcJeX-clvwno5oombeYattenhetgenta^(Ta),
Het f actieveenheUinactievevandemoedergeërfdeX-chromosoombevattenhef+-ollelvantgbb&.
Fig. 5. Het experiment van Hoppe & Whitten (1972), uitgevoerd om uit
te maken of X-inactivatie betekent dat in 2-celligevrouwelijke (XX) muizeembryo's het van de moeder geërfde X-chromosoom in de ene cel en het
van de vadergeërfde in de andere cel wordt uitgeschakeld (DeMars, 1967).
(A) Het te verwachten resultaat indien de hypothese van DeMars juist is.
(B) Het in werkelijkheid verkregen resultaat, waaruit blijkt dat de X-inactivatie na het 2-celligstadium moet plaatsvinden.
98
TT
Fig. 6. Het experiment ontworpen door Gardner & Lyon (1971) om het
tijdstip van de X-chromosoom-inactivatie bij de muis vast testellen. (A) Injectie van één vrouwelijke donorcel waarin het van de moeder geërfde
X-chromosoom reeds inactivatie heeft ondergaan, zodat het van de vader
geërfde +-genvoor haarkleur actief is.(B)De omgekeerde situatie van (A),
waarin alleen het van de moeder geërfde X-chromosoom voor albinohaarkleur tot expressie komt. In beide gevallen blijven de donorcellen 'raszuiver", zodat de verkregen muizen behalve de gastheer-haarkleur slechts
één van de beide donorkleuren vertonen. (C) Het geval waarin de donorcel
op het moment van de transplantatie nog geen X-inactivatie heeft ondergaan. Op toeval berustende inactivatie van het ene of het andere X-chromosoom in de mitotische afstammelingen van deze cel zal leiden tot de
expressie van +-kleur in sommige klonen, en van albino-kleur in andere.
Het resultaat zal een driekleurige muis zijn. De injectie op deze manier
van geïsoleerde cellen van donor-blastocysten van 3'k en 41/s dag oud
heeft als regel (C) tot resultaat, waaruit blijkt dat de X-inactivatie nog niet
heeft plaats gevonden. Zo nu en dan vertoont een muis echter het patroon
(A) of (B). Daarom schijnt het dat de X-inactivatie spoedig na de implantatie plaats vindt, ongeveer 5'/2dag post coitum.
riën blijkbaar alleen noodzakelijk om de volledige expressie van de
vrouwelijke geslachtskenmerken te waarborgen, want bij het ontbreken van foetale gonaden vormen embryo's van beide genetische geslachten (XX en XY) een vrouwelijke genitaaltractus (Jost, 1974).
Het is derhalve de aan- of afwezigheid van testes die beslissend is
voor de vraag of een individu een mannelijk of vrouwelijk fenotype
99
zal vertonen. Ik zal me hier alleen bezig houden met genetische gegevens die betrekking hebben op vroegtijdige gebeurtenissen tijdens
dit proces.
We weten nog vrijwel niets over de vraag wanneer en waar degeslachtsbepalende genen tijdens de ontwikkeling werken. Wel is het
feit dat geslachtslijsten, die op een morfologisch ongedifferentieerd
stadium worden geïsoleerd, zichvolgens hun genetisch geslacht verder
kunnen ontwikkelen een aanwijzing dat dit de plaats zou kunnen zijn
waar zijhet eersttot expressiekomen (Torrey, 1950;Wolff, 1952).
Zoals wij eerder zagen gaat de aanwezigheid van een Y-chromosoom bij zoogdieren altijd gepaard met testis-ontwikkeling (behalvein
zeldzame gevallen waar elke differentiatie van gonaden uitblijft). Het
omgekeerde gaat echter niet altijd op, met name bij de muis, de geit
en het varken. Bij deze soorten heeft men individuen met een XXchromosoom-constitütie gevonden die testes en eennormaal mannelijk
fenotype hadden (Short, 1972; Cattanach, 1974). Deze toestand is
het meest diepgaand onderzocht bij de muis, waar zij wordt overgeërfd als een autosomaal dominant gen, sex reversed{Sxr; Cattanach
et al., 1971). Individuen met een XX-constitutie die voor dit gen
heterozygoot zijn, zijn fenotypische mannetjes maar hebben kleine
testes en zijn altijd steriel. In de foetale testes zijn veel geslachtscellen
aanwezig maar zij gaan kort na de geboorte te gronde. Af en toe
komt Spermatogenesein enkelezaadbuisjes vanvolwassendieren voor,
maar dit schijnt alleen mogelijk te zijn als geslachtscellen één van hun
twee X-chromosomen verliezen (hun meiotische stadia zijn immers
XO). Deze conclusie wordt ondersteund door het feit dat XO-dieren
die heterozygoot gemaakt worden voor Sxr grotere testes hebben dan
XX-dieren, en als volwassen dieren geregeld Spermatogenese vertonen
(Cattanach, 1974). Hun spermatozoon zijn echter abnormaal, en tot
dusverzijn geen van dezemuizen fertiel gebleken.
Eén van de mogelijke verklaringen voor deze geslachtsomkering is
dat een stukje van het mannelijkheids-bepalende Y-chromosoom door
translokatie aan een autosoom gehecht is. Deze interpretatie is echter
onwaarschijnlijk op grond van verschillende door Cattanach (1974)
besproken bewijsvoeringen. Wat er ook tegen pleit, is dat het vergelijkbare erfelijke kenmerk dat bij geiten voorkomt zich gedraagt als
een autosomaal recessief gen in plaats van als een dominant gen
(Short, 1972). Bij varkens lijkt de genetica van dit syndroom ingewikkelder tezijnenisnogweinigduidelijk (Short, 1972;Cattanach, 1974).
100
TTp-"1
Het ziet er dus naar uit dat bij minstens drie zoogdiersoorten de
ontwikkeling van testes en daardoor de differentiatie van het mannelijke fenotype mogelijk is in afwezigheid van een Y-chromosoom.
Bovendien is het duidelijk dat de aanwezigheid van twee X-chromosomen en het ontbreken van een Y-chromosoom tezamen de normale
Spermatogenese onmogelijk maken.
Bij de muis is op het X-chromosoom één gen gevonden dat te maken heeft met de mannelijke geslachtelijke ontwikkeling (Lyon &
Hawkes, 1970). Dit is een gen waarvan het gemuteerde allel (T/w)
het syndroom van de 'testis-vervrouwelijking' (Engels: 'testicular féminisation') veroorzaakt. Dit syndroom komt bij verscheidene zoogdiersoorten voor, ook bij de mens, maar zijn koppeling aan het X-chromosoom is tot dusver alleen voor de muis vastgesteld. Volgens de
'wet van Ohno' betreffende het behoud van X-gekoppelde genen tijdens de evolutie van de zoogdieren (zie pag. 92) is het waarschijnlijk
dat het ook bij de andere soorten aan het X-chromosoom gebonden
is (Ohno, 1967).De dieren diehet syndroom vertonen zijn vrouwelijk
qua fenotype en gedrag, hoewel hun genetische constitutie XY is en
zij testes hebben. Het syndroom wordt blijkbaar veroorzaakt doordat
'target'-cellen ('aanspreekbare' cellen) in de genitaaltractus en elders
niet in staat zijn te reageren op het androgene hormoon dat door de
testes wordt afgescheiden (ziePolani, 1970),zodat deWolffse gangen
in regressie gaan en de hersenen en andere sexueel dimorfe organen
zich volgens het neutrale, vrouwelijke patroon ontwikkelen (Neumann
et al., 1970). Verder onderzoek over deze en andere genen die de
sexuele ontwikkeling beïnvloeden zal zonder twijfel meehelpen enkele
van de raadsels van de geslachtsdeterminatie bij de zoogdieren te ontrafelen. Momenteel lijkt het waarschijnlijk dat het Y-chromosoom
werkt als een schakelmechanisme, dat structurele genen gelegen op
het X-chromosoom en op autosomen activeert die verantwoordelijk
zijn voor de ontwikkeling van het mannelijke fenotype. (Zie ook pag.
177 voor een vergelijkbare hypothese met betrekking tot de Spermiogenese bij Drosophila.) Volgens deze hypothese zou de dominante
mutatie Sxr bij de muis het gevolg kunnen zijn van een verandering
van een geslachtsbepalend gen, zodanig dat het niet meer door een
Y-chromosoom geactiveerd hoeft te worden om te kunnen functioneren. Men ziet,er isruimte genoegvoor speculatie.
In hoeverre wordt de differentiatie van geslachtscellen tot oöcyten
of spermatozoën bepaald door hun eigen genetische activiteit tegen101
'f i
over die van de somatische cellen van de gonade? Het is duidelijk dat
deze vraag bij normale individuen niet beantwoord kan worden, omdat hun geslachtscellen en somatische cellen genetisch identiek zijn.
Explantatie en transplantatie van die gebieden van het amfibië-embryo die de oergeslachtscellen bevatten maakt het mogelijk geslachtscellen van het ene genetische geslacht in steriele geslachtslijsten van
het andere genetische geslacht te brengen (Blackler, 1966).Het resultaat is dat de getransplanteerde geslachtscellen zich tot fertiele eieren
of Spermien ontwikkelen in overeenstemming met het genotype van
de somatische gastheercellen, en niet volgens hun eigen genotype.
Bij zoogdieren is de situatie minder duidelijk, vooral omdat men de
zojuist beschreven experimentele situatie nog niet heeft kunnen realiseren. Toch heeft werk met experimentele chimeren, gemaakt door
klievende muize-eieren te doen versmelten (Tarkowski, 1961;Mintz,
1962)of door injectie van embryonale cellen in blastocysten (Gardner,
1968) enig inzicht in dit probleem verschaft. Aangezien op dit vroege
ontwikkelingsstadium de geslachtsverhouding 1:1 is (Vickers, 1967;
Kaufman, 1973) zou men verwachten dat combinatie van cellen van
telkens twee embryo's zou leiden tot XX -<—>• XX-, XX <—>- XY-en
XY •*—> XY-chimeren in de verhouding 1:2:1. Bij zulke chimerische
nakomelingen zijn intersexen of hermafrodieten onverwacht zeldzaam
(1-2%), kennelijk omdat de meeste XX -*—> XY-embryo's zich tot
dieren van het mannelijke fenotype ontwikkelen (zie het overzichtsartikel van McLaren, 1972). Volwassen XX<—»•XY-dieren van het
vrouwelijke fenotype zijn slechts zo nu en dan gevonden (Mintz,
1969; Mystkowska &Tarkowski, 1968). Als met XX<—• XY-dieren
test-kruisingen worden uitgevoerd, vindt men dat ze, voorzover ze
fertiel zijn, slechts één functionele kiembaan bevatten, en wel dié
waarvan het genetische geslacht overeenkomt met het fenotypische
geslacht van de chimère. Tot dusver zijn bij deze van vier ouders
afstammende (Engels: 'tetraparental') muizen nog geen aanwijzingen
gevonden voor een functionele omkering van de differentiatie van de
geslachtscellen. Wat gebeurt er met de geslachtscellen van het 'verkeerde' sexuele genotype? Tot dusver is dit probleem alleen nog maar
bestudeerd bij XX<—> XY-dieren van het mannelijke fenotype.
Eén van de in het oog lopende verschillen in de differentiatie van
de geslachtscellen tussen normale wijfjes en mannetjes is, dat tijdens
de Oogenese de méiose al in de foetus begint, terwijl dat tijdens de
Spermatogenese pas enige tijd na de geboorte het geval is (Peters,
102
1970). Mystkowska & Tarkowski (1968) konden in meiotische preparaten gemaakt van volwassen testisweefsel van XX•<—> XY-mannetjes geen XX-metafasen vinden. Het is interessant dat deze zelfde
onderzoekers in de testes van laat-foetale chimeren van XX -<—> XYconstitutie enkele geslachtscellen vonden die reeds in de meiotische
profase verkeerden (Mystkowska & Tarkowski, 1970); deze waren
kort na de geboorte niet meer te vinden. Deze waarnemingen doen de
vraag rijzen of deze cellen XX-geslachtscellen zijn die bezig zijn zich
te differentiëren overeenkomstig hun eigen genetisch programma, of
geslachtscellen van beide genetische geslachten die zich aan het ontwikkelen zijn tot oöcyten in gebieden waar somatische cellen van
XX-constitutiedeoverhand hebben. In de geslachtscellen van normale
XY-mannetjes is de meiotische profase gekenmerkt door de aanwezigheid van een 'geslachtsblaasje', dat de beide chromosomen X en Y
bevat.Daar de meiotische cellenin de foetale testes vanXX •*—> XYchimeren geen geslachtsblaasjes schijnen te bevatten, is het heel goed
mogelijk dat ze alle de genetische constitutie XX hebben (McLaren
et al., 1972). Men moet dan nog verklaren waarom deze cellen in
foetale XX<—> XY-testes zoveel geringer in aantal zijn dan in normale foetale ovariën in hetzelfde ontwikkelingsstadium. Eén van de
mogelijkheden zou kunnen zijn dat zij alleen in de uit somatische
XX-cellen bestaande gebieden van de chimerische gonaden lang genoeg in leven blijven om de meiotische profase te bereiken (McLaren,
1972). Niettemin verdwijnen ze zonder uitzondering kort na de geboorte.
De geslachtscellen van de zoogdieren verschillen dus van die van
de amfibiën. Terwijl de ontwikkeling van een testis of ovarium bepaald wordt door de somatische cellen van de geslachtslijsten, wordt
de differentiatie van de geslachtscellen in de gonaden grotendeels
bepaald door hun eigen genetische activiteit. Voor de normale Spermatogenese is de aanwezigheid van één X-chromosoom plus een
Y-chromosoom nodig, voor de normale Oogenese de aanwezigheid
van twee X-chromosomen.
Slotopmerkingen
Ik heb getracht recente gegevensuit de gebieden van de experimentele
embryologie, de genetica en de biochemie tezamen te brengen, die
alle betrekking hebben op het probleem van de gen-activiteit tijdens
103
de vroege ontwikkeling en de geslachtsdifferentiatie bij de zoogdieren.
Deze gegevens laten zien dat zoogdier-embryo's op verscheidene belangrijke punten verschillen van embryo's van lagere vertebraten. Zij
wettigen bovendien de verwachting dat verder onderzoek aan zoogdier-embryo's veel inzicht zal verschaffen in verschillende aspecten
van het algemene vraagstuk van de ontwikkeling en de differentiatie.
De relatief grote afmetingen en de ontwikkeling buiten het moederdier van de embryo's van lagere vertebraten, met name die van de
amfibiën, hebben deze lange tijd gemaakt tot geliefde objecten voor
experimentele analyse. Dit onderzoek heeft veel belangrijke resultaten
opgeleverd. Deze soorten hebben echter het nadeel dat van hun genetica weinig bekend is. Voor ontwikkelingsonderzoek is om drie redenen gedetailleerde kennis van de genetica van een soort belangrijk
(zie ook het hoofdstuk van Ouweneel). In de eerste plaats is ons uiteindelijke doel de ontwikkeling te verklaren op basis van de geordende ruimtelijke en tijdelijke activatie of repressie van groeperingen van
genetische loci. Ten tweede vormen genmutaties een machtig hulpmiddel voor de analyse van de deel-processen waaruit de ontwikkeling
bestaat. En tenslotteverschaffen verschillen tussen allelen opbepaalde
genetische loei ons markeringsmogelijkheden die van groot belang
zijn voor het onderzoek over de ontwikkelingsbestemming en de morfogenetische bewegingen van cellen en over hun interacties.Sinds kort
verenigt de muis in zich de voordelen zowel van bepaalde genetische
achtergrond-gegevens als van toegankelijkheid voor experimentele ingrepen. Daarom geloof ik dat we in de toekomst een aanzienlijke
vooruitgang in de zoogdier-embryologie mogen verwachten, die licht
zal werpen op de menselijke ontwikkeling en zijn vele stoornissen, en
waarschijnlijk ook inzicht zal verschaffen in de algemene mechanismen van de embryogenese van de metazoën.
104
Determinatie tijdens de vroege ontwikkeling1
J. H. SANG
'Het is duidelijk, dat enerzijds elk punt in het embryonale gebied van het blastoderm [van de kip] een later
orgaan of deel van een orgaan moet vertegenwoordigen, en dat anderzijds elk uit het blastoderm ontwikkeld orgaan zijn gepreformeerde aanlegging ['vorgebildete Anlage'] heeft in een gebied met een zeer
bepaalde plaats in de kiemschijf... Het materiaal van
de kiem is reeds aanwezig in de vlakke kiemschijf,
maar is nog niet morfologisch begrensd en daarom
niet direct herkenbaar. Maar door de ontwikkeling
achterwaarts te vervolgen, kunnen we de ligging van
elke aanlegging vaststellen, zelfs in een fase waarin de
morfologische differentiatie onvolledig is of voordat
die plaatsvindt: logisch gezien moeten wij dit proces
trouwens terugvervolgen tot het bevruchte of zelfs het
onbevruchte ei. Volgens ditprincipe bevat de kiemschijf
de orgaan-aanleggingen uitgespreid over een vlakke
plaat, en komt omgekeerd elk punt van de kiemschijf
weer tevoorschijn in een later orgaan; ik noem dit het
principe der orgaanvormende kiemgebieden.'
Wilhelm His (1874), aangehaald door E. B. Wilson in
The cellindevelopment and heredity (1928), pag. 1041.
Determinatie
In het licht van onze huidige embryologische kennis heeft Hadorn
(1965) het begrip 'determinatie' opnieuw gedefinieerd als 'een proces
dat een specifieke ontwikkelingsweg op gang brengt door deze te
1. Vertaald door W. J. Ouweneel.
Het hier besproken werk van de auteur werd financieel gesteund door de
British Research Council.
105
I
i ;i
) ';•
| ;
. :'|
|
\ ;;
!i:
|!J
f i;
*';, !.'.
j
-;i *
%' >
i:
selecteren uit verscheidene mogelijkheden waarvoor een cellulair systeem competent is'. Er zijn andere, vroegere definities geweest die
teruggrijpen op Weismanns (1889) begrip 'determinanten' (hypothetische eenheden in het kiemplasma die de bestemming zouden bepalen
van de cellen waarin ze zich bevinden), maar voor ons doel is het
zinvoller de definitie van Hadorn over te nemen, die er de nadruk op
légt dat we te maken hebben met een proces dat een specifieke inperking van ontwikkelingspotenties teweegbrengt. De embryologen hebben reeds lang ingezien dat de determinatie tot het wezen van de
ontwikkeling behoort en daarom grote belangstelling verdient, maar
het probleem erachter te komen om wat voor proces (of processen)
het gaat is hardnekkig gebleken. Eén van de meest recente boeken
(Davidson, 1968) heeft er zelfs niets over te zeggen. Dat komt gedeeltelijk omdat onze definitie meer verhult dan onthult; Hadorn
vulde zijn bewering dan ook zorgvuldig aan met het klassieke voorbeeld van de determinatie in het ectoderm van de amfibië-gastrula.
Figuur 1 geeft een overzicht van de resultaten van de vele celmarkerings-, transplantatie- en weefselkweek-experimenten die met het amfibië-ectoderm zijn uitgevoerd, en die het volgende aantonen:
1. Het ectoderm moet eerst rijpen voordat het competent kan worden om hetzij epidermaal, hetzij zenuwweefsel te vormen. De competentie kan verloren gaan als het weefsel in kweekmedium gehouden
wordt, wat er ook op wijst dat we te maken hebben met een tijdsproces.
2. De eerste determinatiestap dirigeert de cellen kennelijk in de richting van één van de twee bestemmingen, epidermis of zenuwweefsel,
en het is daarom van belang in te zien dat, hoewel determinatie een
proces is, zij niet noodzakelijkerwijs in beide gevallen hetzelfde proces
hoeft te zijn.
3. Deze twee celgroepen moeten verder rijpen, opdat ze competent
worden om te reageren op de stimuli die tot hun verdere determinatie
leiden; in het geval van de epidermis is dat determinatie tot huid,
hoornvlies of lens, en in het geval van het zenuwweefsel tot de verschillende delen van het centrale zenuwstelsel.
4. Vervolgens differentiëren zij zich in overeenstemming met hun
determinatie-toestand tot specifieke, histologisch identificeerbare celtypen.
Figuur 1 is in meer dan één opzicht schematisch, omdat we alleen
zeker weten wat de uiteindelijke gedifferentieerde produkten zijn, ter106
o
:•-;
n
l ' " ^
o
R 1
OIIOOIO
E
Z Z E E Z E
/ • ' \
ooo
••
EPIDERMIS
R2
® ®® ®®®
/
\
***M
-
/
\
03@@s®88® 6 é é 4 4 t M *
HUIDLENSCORNEA
VOOR,MIDD.,ACHTER
HERSENEN
DIFFERENTIATIE
F/g. i. He/ ongedetermineerde amfibië-ectoderm moet rijpen (Rl) voordat
het competent is om te reageren op de stimuli die de eerste fase van de
determinatie (Dl) teweegbrengen. De cellen slaan dan óf de route van het
epidermale (E) óf die van het zenuwweefsel (Z) in en worden na verdere
rijping (R2) competent om bepaalde weefsels te vormen. Aangegeven is de
determinatie (D2) van de epidermale cellen in het ooggebied (huid,lens en
hoornvlies) en die van de zenuwcellen in het hersengebied. Het proces eindigt met de differentiatie tot de uiteindelijke celtypen. Uit dit schema, dat
gewijzigd is naar Hadorn (1965), mogen geen conclusies over cel-aantallen
getrokken worden.
wijl we de tussengelegen stappen moeten afleiden uit de resultaten
van experimentele ingrepen. De opeenvolging van de determinatiestadia, die in de figuur regelmatig en stapsgewijs lijken te verlopen,
kan zoals we later zullen zien misleidend zijn. Maar wat niet te betwijfelen valt, is dat competentie een voorwaarde voor determinatie,
en determinatie een voorwaarde voor differentiatie is. Eenvoudige
hormonen zoals thyroxine of ecdyson-elk één enkele stimulus brengen de volledige differentiatie van gedetermineerde cellen tot een
grote verscheidenheid aan histologisch herkenbare celtypen teweeg
(zie ook het hoofdstuk van Berendes). Het celtype is dus afhankelijk
107
van de determinatietoestand die, zoals in het hoofdstuk van Ouweneel
(pag. 137)te zien is, een stabiele, overerfbare toestand is;kortom,gedetermineerde cellen kunnen hun eigenschappen gedurende een aantal
mitotische delingen handhaven. Helaas zien zulke cellen er net zo uit
als nog niet gedetermineerde cellen, en er is geen gemakkelijke manier om erachter te komen of een bepaalde cel wel of niet gedetermineerd, wel of niet competent is. De enige toetssteen daarvoor is
immers de differentiatie van die cel tot haar uiteindelijke, andere
vorm die, hoewel zij afhangt van de determinatietoestand van de
cel, er toch noodzakelijkerwijs van verschilt. Determinatie is dus het
proces dat de cellen voorbereidt op hun uiteindelijke differentiatie,
en misschien vindt zij stapsgewijs plaats op regelmatig geordende
wijze, zoals Hadorn opperde. Omdat de eindprodukten verschillend
zijn, ja het hele scala van celtypen van het organisme omvatten, is
het in zekere zin een daad van geloof om de determinatie als een
afzonderlijk proces te beschouwen in plaats van als een stadium (of
als stadia) in de autonome ontwikkeling van de cellen van een organisme.
Alswe de ontwikkeling van welk organisme dan ook bezien, van de
zygote tot het nieuwe volwassen individu, dan zien we de geordende,
opeenvolgende expressie van de totale genenvoorraad. Of, omgekeerd
gezegd: de georganiseerde cellen en weefsels van het organisme weerspiegelen de inperking van de gen-expressie in elk celtype (met inbegrip van het ei, dat een cel van het moeder-organisme is) (zie ook
de hoofdstukken van Berendes en Ouweneel). We weten dit o.a. door
de vele mutatie-onderzoekingen, die aantonen dat een gemuteerd gen
een afwijkende expressie heeft in sommige cellen maar niet in andere,
hoewel elke cel dezelfde genenvoorraad bezit. Het werk van Steward
(overzichtsartikel van 1970), die volledigeplanten opkweekte uit losse
wortelcellen van de peen (zie ook pag. 17-18), en dat van de groep
van Gurdon (Gurdon, 1962;Laskey & Gurdon, 1970), die kernen uit
huid- of darmcellen transplanteerde in ontkernde Xenopus-eieren,
welke vervolgens tot volledige, normale organismen uitgroeiden (zie
pag. 41), en andere dergelijke experimenten (zie Gurdon, 1974) bevestigen de bewering dat alle cellen genetisch totipotent zijn. (Er zijn
enkele speciale gevallen waar dit niet zo is, maar dit zijn de uitzonderingen die de regel bevestigen.) We moeten determinatie dus herdefiniëren als het proces dat de cel zodanig toebereidt, dat er een
differentiële activatie en inactivatie van de genenvoorraad optreedt
108
op het ogenblik dat de uiteindelijke en gewoonlijk irreversibele stap
van de differentiatie plaatsvindt.
Eén der beslissende vragen is: hoe komt een dergelijke selectie van
de gen-activiteit tot stand? We kunnen deze vraag slechts ten dele
beantwoorden, maar het is zinvol eerst eens te kijken naar het genetische model dat we stilzwijgend veronderstellen als we zeggen dat
slechts een deel van de genenvoorraad in een bepaald celtype tot
expressie komt.
Het genetische model
/
Vele modellen voor de genwerking tijdens de ontwikkeling zijn opgesteld sinds Waddington (1947) voor het eerst zijn 'epigenetisch landschap' te berde bracht, een model dat de ontwikkeling beschouwde
als een systeem van valleien, waarin de genen hun rol spelen door de
contouren te bepalen die de ontwikkeling (de deltarivier) naar de ene
of naar de andere vallei rangeren, op weg naar de delta van de uiteindelijke celtypen. Dit was in wezen een beschrijving van ontwikkelingsgebeurtenissen, maar het had de verdienste dat de determinatie
erin begrepen was: slechts één vallei leidde naar een bepaald scala
van deltastromen. Daartegenover concentreren de huidige modellen
zich op de differentiatie (overzichtsartikel van Davidson & Britten,
1973) en steunen allemaal sterk op het schema van Jacob & Monod
(1961), dat geldig is voor de activatie en inactivatie van genen bij de
prokaryoten, d.w.z. het zijn modellen die ervan uitgaan dat het genetisch materiaal georganiseerd is in de een of andere 'operon'-vorm.
Zij neigen ertoe de determinatie te negeren en steun te zoeken in
onderzoekingen naar de moleculaire biologie van het chromosoom.
Daarom is het belangrijk te benadrukken dat de bewijzen voor de
gelijkheid van organisatie van het prokaryotische en het eukaryotische
chromosoom op het ogenblik nog verre van sterk zijn. Toch zijn
dezemodellen zinvol,omdatzijeen overzicht geven van de informatie
die in aanmerking genomen dient te worden.
Figuur 2 geeft een overzicht van één zo'n model. Het eerste feit
dat in elk schema ingepast moet worden, is dat de meeste cellen niet
alleen unieke eiwitten bevatten, maar daarnaast bepaalde eiwitten die
ook in andere cellen voorkomen. De structurele genen (SG) voor al
deze eiwitten moeten derhalve op gecoördineerde wijze in batterijen
geactiveerd worden (aangegeven door de stippellijnen onderaan in de
109
Effectoren
c*.
Sensoren en |Mm
S_, I,
Integrators liffi-l '
Transcriptie
—
r v \ / w /vv
Translatie
AE1 AE2 AE3
Activator-eiwitten
Ra " c
Illlll»!
•mm:
*1
i
SG1
lllllflll
/ v \ AV* / v s
AE1 AE2AE4
u
Operons
3T
5
I
Rb
R
c Rd se2
/ v \ •vi •vv
AE2 AE5 AE6
*• s
Rc Re SG3 SG4
TranscriptieentranslatievanSG-batterijeninverschillendeceltypen
Fig.2. De effector-substanties a, ß, y, enz. reageren specifiekmet de
nucleoproteïne-sensoren (Sa, Sß, enz.) van elke set van integratorgenen
(Iv I2,enz.),wattothun transcriptie en translatie leidt. De activator-eiwitten (AE1, AE2, enz.) die aldusgevormdworden,hechtenzich aande
receptor-plaatsen (R)gelegen naast hetstructurele gen(of genen) (SG) en
bewerkstelligen de transcriptie daarvan. Opdezewijzebrengt één effector
deproduktie teweeg van eenbatterij van bepaalde eiwitten die kenmerkend
zijn vooréénbepaald celtype, terwijl eenandere effectorde vorming van
eenandere batterij totgevolg heeft,dieniettemin overeenkomstige componenten kanbevatten. (Naar Davidson & Britten, 1973; iets vereenvoudigd.)
figuur). Om dit te bereiken moeten we aannemen dat er speciale activator-eiwitten (AE) zijn, die een specifieke interactie aangaan met
receptor-plaatsen (R) op het DNA welke direct naast het structurele
gen liggen en de transcriptie van dat gen bewerkstelligen. Er is op
dezewijze één vorm van integratie dieberust op de associatie van één
receptor (bijvoorbeeld Rc) met een aantal structurele genen (in dit
geval SGi, SG2 en SG3). En evenzo voor andere activator/receptorgen-combinaties. Maar dit zou uit de aard der zaak geen verklaring
kunnen bieden voor het voorkomen van unieke eiwitten en eiwitcomplexen (enzymen of structurele eiwitten) in cellen.Wemoeten daarom
aannemen dat ook de activator-eiwitten op geïntegreerde wijze gevormd worden, en dat er integrator-genensets (I) zijn die in groepen
getranscribeerd worden en zo een set van boodschappers produceren.
Daarbij zouden dan alle sets onderling verschillend zijn maar mogelijk gemeenschappelijke componenten hebben, en verder zou elke set
geassocieerd zijn met een sensor-gen en -eiwit (S), dat reageert op
effector-substanties (a, ß, enz.). Deze effectoren zijn uitwendige signalen die de kern bereiken en de transcriptie van de bijbehorende set
110
van activator-boodschappers op gang brengen. Volgens onze huidige
kennis is het moeilijk een nog eenvoudiger model op te stellen dat
alles wat wij weten omvat, hoewel er andere schema's zijn voorgesteld
die berusten op de chemische bewerking van de voorlopers van het
mRNA in de kern, of op regulatie van de translatie (zie bijvoorbeeld
Darnell et al., 1973;zie ook het hoofdstuk van Berendes). Maar het
model houdt in elk geval rekening met de grote hoeveelheid DNA
aangetroffen in de kernen van hogere organismen die niet te identificeren is als structurele genen, en wijst het een mogelijke functie toe
(Britten &Davidson, 1969;zie ook pag. 52).
Vanuit ons gezichtspunt zijn de belangrijkste aspecten van het model van Davidson en Britten:
1. De genen worden verondersteld inactief te zijn totdat zij geactiveerd worden, logisch gezien de eenvoudigste constructie die in overeenstemming ismet de aanwezigheid van allegenen in allecellen.
2. Het model toont aan dat het mogelijk is aanvaardbare schema's
te ontwerpen voor de geïntegreerde activiteit van genenbatterijen (zie
ook pag. 27 en 144).
3. Daar de activatie van deze batterijen een stapsgewijs proces is, is
er ruimte voor de determinatie als een fase voorafgaand aan de differentiatie, hoewel dit misschien extra onderstellingen vereist.
4. De activatie is afhankelijk van effectoren die afkomstig zijn van
buiten de kern; hiervan zijn de hormonen het klassieke voorbeeld (zie
ook pag. 63 e.V.).
Hoewel het model een mechanisme beschrijft door middel waarvan
genetische informatie in de ontwikkeling gebruikt kan worden, is het
niettemin duidelijk dat het de vele problemen verband houdende met
ruimte en tijd, kortom, de geordende aard van de ontwikkeling, onopgelost laat. We moeten ons daarom nu afvragen of er speciale effectoren zijn, die zodanig in ruimte en tijd verdeeld zouden kunnen zijn
dat zij tot normale ontwikkeling leiden, de ontwikkeling die zo fraai
beschreven is door de descriptieve embryologen.
Vroege ontwikkeling
Mozaïek-ontwikkeling Eén duidelijke conclusie uit een activatiemodel van de genwerking is dat het ei niet homogeen kan zijn- zelfs
al lijkt onze bestudering van zijn microscopische structuur hierop te
duiden - omdat er anders geen mogelijkheid zou zijn om verschillen
111
tussen cellen teweeg te brengen. Hieruit volgt dat eieren qua structuur
heterogeen moeten zijn (of dit na de bevruchting moeten worden; zie
over eicellen van planten pag. 37) en dat deze heterogeniteit met elke
celdeling moet toenemen, zo niet kwantitatief dan toch kwalitatief.
Dat wil zeggen, er moet een verdeling van activatoren (indien vanaf
het begin aanwezig) over de dochtercellen plaatsvinden, of er moeten
mettertijd nieuwe activatoren verschijnen, of allebei. (Een andere
theoretische mogelijkheid wordt genoemd op pag. 67.) Het is dus de
moeite waard nog eens enkele van de bekende voorbeelden te bestuderen waar men een duidelijke heterogeniteit in het ei heeft vastgesteld, namelijk bij zogenaamde mozaïek-eieren.
Het mozaïek-karakter van sommige eieren werd al meer dan een
eeuw geleden onderkend. Men veronderstelde daarbij (zoals in het
citaat aan het begin van dit hoofdstuk) dat cytoplasmatische elementen (determinanten) die tijdens de celdelingen opgedeeld werden,
rechtstreeks de aard van de ontstaande cellen bepaalden (d.w.z. de
weefseldifferentiatie werd bepaald door het cytoplasma, niet door de
kern). Eén van de gevolgtrekkingen uit deze in wezen preformationistische theorie (ziehet hoofdstuk van Wessels) was dat de blastomeren
een mozaïek vormden van (zoals we nu zouden zeggen) gedetermineerde cellen. Derhalve zouden geïsoleerde blastomeren (mitszij zich
kunnen ontwikkelen) ieder slechts enkele, maar niet alle structuren
van het organisme moeten vormen, al naar gelang van hun cytoplasmatische oorsprong. Indien afzonderlijke blastomeren daarentegen
volledige (hoewel kleinere) organismen konden vormen, dan zou de
ontwikkeling niet van tevoren gedetermineerd kunnen zijn, maar moeten berusten op cel-interacties die het mogelijk maken dat een deel
van het organisme 'reguleert' zodat het een geheel vormt. De eenvoudige experimenten kwamen dus neer op het isoleren van afzonderlijke blastomeren of op het vernietigen van sommige blastomeren
uit een groep, en het identificeren van wat dientengevolge zich ontwikkelde of ontbrak. Deze onderzoekingen zijn onlangs zorgvuldig
samengevat (Davidson, 1968; Cather, 1971) zodat we ons kunnen
beperken tot een paar illustratieve voorbeelden.
In 1904 beschreef Wilson de isolatie van de blastomeren van de
schaalhoornslak Patella coerulea door blootstelling aan zeewater
met een laag calcium-gehalte. De opvallendste daarvan, de trochoblasten, vormen normaliter op het larvale 'ctenofoor'-stadium structuren met trilharen en kunnen dus gemakkelijk geïdentificeerd
112
worden. Als ze uit het 16-cellig stadium van het embryo geïsoleerd
worden, zetten zij hun delingen normaal voort (fig. 3) en krijgen trilharen, net zoals in het intacte embryo gebeurd zou zijn. En hetzelfde
werd gevonden voor embryonale macromeren (16-cellig stadium) die
zich tot darm-aanleggingen ontwikkelden, en evenzo voor andere
blastomeren, wat alles bij elkaar duidelijk wijst ophet mozaïek-karakter van het ei. Zoals Wilson schreef: ' . . . deze cellen leveren het onbetwistbaar bewijs dat zij alle factoren bevatten die de vorm en het
ritme van de klieving bepalen, alsmedede karakteristieke en complexe
differentiatie die zij ondergaan, geheel onafhankelijk van hun betrekking tot de rest van het embryo.' We zullen later op deze uitspraak
terugkomen.
Het omgekeerde experiment, namelijk het beschadigen van bepaalde blastomeren, werd uitgevoerd door Conklin (1905), deze keer met
de eieren van de tunicaat Styela partita. Embryo's van het viercellig
stadium werden met kracht uit een pipet gedreven, zodat sommige
blastomeren beschadigd werden en zich niet verder konden ontwik-
Fig.3. De normaleontwikkeling vanPatella coerulea: (a)16-cellig stadium, gezienvan opzij;primaire trochoblasten gestippeld; (b) ctenofoorstadium(10 uur) gezienvanaf de bovenste pool; trochoblasten mettrilharen zichtbaar. De ontwikkeling vaneenprimaire trochoblast, geïsoleerd
in calciumvrij zeewater, gedurende 24 uur;(c)geïsoleerde trochoblast en
opeenvolgende delingen (d en e),leidend tot vrijzwemmende, trilhaar-dragende producten (f).(Naar Wilson, 1928.)
113
Fig. 4. Gedeeltelijke embryo's van de tunicaat Styela partita: (a)een halve
larve ontstaan uit 2 van de 4 blastomeren; overblijfselen van de gele halve
maan (ghm) in de beschadigde cellen; ontwikkeling van chorda (ch) en
spiercellen (se);(b) embryo's ontstaan uit het 'links-voor'- en'rechts-achter'kwadrant; ontwikkeling van de neurale plaat (np), spiercellen (se) en ventraalentoderm (ve). (Naar Conklin, 1905.)
kelen. De resultaten van deze tamelijk willekeurige procedure waren
zoals we nu zouden kunnen verwachten: binnen een paar uur waren
uit de overlevende cellen die delen van het embryo ontstaan die zij
ook normaliter gevormd zouden hebben, in de juiste onderlinge ligging en met het juiste aantal cellen (fig. 4). Zij lieten geen compensatie voor de ontbrekende blastomeren zien en volgden hun eigen
ontwikkelingsprogramma en niets meer, althans in het begin. Hieruit
zou dus moeten volgen dat vroege cytoplasmatische ingrepen moeten
resulteren in ontwikkelingsabnormaliteiten of -defecten, en dat dit
inderdaad het geval is weten we ook reeds sinds het begin van deze
eeuw.
Het eerste experiment werd uitgevoerd door Crampton (1896) met
de slak Ilyanassaen uitgewerkt door Wilson (1904), die het Scaphopode-weekdier Dentalium gebruikte. In beide gevallen wordt er tijdens
de eerste klieving, die tot de AB- en CD-blastomeren leidt (fig. 5),
tijdelijk een 'poollap' met vegetatief pool-plasma uit de grotere CDblastomeer uitgestulpt. Hierdoor ontstaat een 'klaverblad'-stadium.
De poollap trekt zich na voltooiing van de klieving weer terug. Operatieve verwijdering van deze poollap heeft tot gevolg dat de afstammelingen van de D-blastomeer in gebreke blijven de voornaamste
114
©
©
<D
Fig. 5. De normale ontwikkeling van de mollusk Dentalium.' (a) klaverblad-stadium met poollap (P), (b) 4-cellig stadium, en (c) de larve van
72 uur met een zich ontwikkelende voet (v) en schelp (s); (d) klaverbladstadium met verwijderde poollap, waaruit viergelijke blastomeren ontstaan
(e) en later een onvolledige larve van 72 uur. (Naar Wilson, 1928;zie ook
figuur 6.)
coeloom-banden te vormen; de belangrijkste structuren die zich uit
het mesoderm ontwikkelen (mond, schelpklier, voet, enz.) ontbreken,
net alsof het embryo zich ontwikkeld had uit een AB-blastomeer. De
poollap moet dus mesodermale determinanten bevatten. Dit verhaal is
aanzienlijk uitgewerkt door Clement (1968) en door Verdonk (1968a).
Deze onderzoekers hebben aangetoond dat deze determinerende substantie wordt overgedragen op de afstammelingen van de D-blastomeer op een zodanige wijze, dat de invloed van dit kwadrant op verschillende plaatsen en tijdstippen gedurende de klievingsstadia tot
uitdrukking komt; d.w.z., er iscytoplasmatische segregatie.
Het is van belang erop te wijzen dat Verdonk (1968b) gecentrifugeerde eieren gebruikte, waarin de cytoplasmatische bestanddelen op
verschillende manieren herverdeeld in de poollap terecht kwamen
(zoals in eerdere dergelijke experimenten, samengevat door Wilson,
115
1928). Deze behandelingen hadden geen uitwerking op de ontwikkeling, hetzij met of zonder poollap, wat erop wijst dat de morfogenetische factoren beperkt zijn hetzij tot de cortex van het ei, hetzij tot
cytoplasmatische componenten die door centrifugatie niet beïnvloed
worden. Inderdaad was de morfogenetische betekenis van het cytoplasma reeds overtuigend aangetoond door Lillie (1906),die bij eieren
van de ringworm Chaetopterusdifferentiatie zonder klieving teweegbracht door ze bloot te stellen aan zoutoplossingen. In dit geval ontwikkelden zich zonder kerndeling trilhaar-dragende 'embryo's', die op
de normale prototrooch van de trochofoor-larve leken:het cytoplasma
bewoog en differentieerde zich op eigen kracht en vormde zo een
eencellige 'larve', uiteraard onvolledig maar toch herkenbaar.
Regulatieve eieren Hoewel de betekenis van cytoplasmatische determinanten bij mozaïek-eieren buiten kijf is, moeten we niet vergeten
dat andere eieren hun vroege ontwikkeling kunnen reguleren. De afzonderlijke blastomeren van de zeeëgel kunnen bijvoorbeeld elk een
volledig individu vormen, zelfs wanneer ze geïsoleerd worden uit het
viercellig stadium (Driesch, 1891), zoals algemeen bekend is. In feite
toonde debestudering van de totipotentie van geïsoleerde blastomeren
aan dat deze eigenschap in sommige gevallen reeds na één deling, in
andere gevallen pas na vijf delingen verloren ging. Wilson (1928)
vond de verklaring voor deze schijnbare onregelmatigheid in het feit
dat zij afhing van de aard van het klievingspatroon (fig. 6). Dat wil
zeggen, zodra de klieving resulteert in een ongelijke verdeling van
cytoplasmatische substanties gaat de totipotentie verloren. En omgekeerd, zolang elke blastomeer haar (kwalitatief) aandeel aan determinanten bevat kan zij het gehele organisme vormen. Zelfs regulatieve
eieren blijken dus, althans wat de vroege ontwikkelingsstadia betreft,
de stelling te ondersteunen dat de loop van de ontwikkeling afhangt
van de aard van het cytoplasma. Hieruit volgt dat 'organenkaarten'
van de normale ontwikkeling ('fate maps', die de uiteindelijke structuren van het organisme in verband brengen met gebieden in het ei
zelf) ontworpen kunnen worden zowel voor regulatieve eieren als
voor het meer voor de hand liggende geval van mozaïek-eieren, zoals
His (1874) een eeuw geleden opmerkte met betrekking tot het zich
ontwikkelende kuiken.
We zouden de titel van dit hoofdstuk te letterlijk opvatten, als we
het wat de regulatieve eieren betreft hierbij lieten. Bij de amfibieën
116
Fig. 6. De primaire gelaagdheid van verschillende typen eieren: de bovenste, heldere zone is de ectoblastische, de middelste, gestippelde zone de
entoblaslische en de onderste, gearceerde zone de mesoblastische. De verdeling van deze zones bepaalt het karakter van de blastomeren. A-C is
kenmerkend voor zeeëgels, anneliden of gastropoden, waar ongelijkheid
van de blastomeren pas na de derde (horizontale) deling ontstaat. D-F is
kenmerkend voor Ilyanassa of Tubifex, zoals beschreven in de tekst, waar
de mesodermale substanties in de CD- en vervolgens in de D-blastomeer
terechtkomen, waardoor vanaf het begin ongelijkheid van blastomeren bestaat. G-l toont de primaire gelaagdheid bij ascidien, waar het mesoblastische materiaal verdeeld wordt over de A- en D-kwadranten, terwijl J-L
de gelaagdheid toont bij hydro-medusen, waar de mesoblastische component ontbreekt. Celdeling leidt hier tot gelijke blastomeren tot het moment
waarop afsplitsing van de entoblastische zone plaatsvindt (L). Kwalitatieve
verschillen tussen blastomeren berusten dus op het verdelingspatroon van
cytoplasmatische componenten (cyloplasmatische segregatie).(Naar Wilson,
1928.)
117
ontdekte men al vroeg dat een bepaald deel van het cytoplasma, het
zichtbare gebied van de zogenaamde 'grijze halve maan', die direkt na
de bevruchting in het corticale cytoplasma verschijnt, over specifieke
vermogens beschikt die de ontwikkeling van het chorda-mesoderm
bepalen. De oorspronkelijke experimenten kwamen eenvoudig neer op
het insnoeren van het ei met een haar, en wel zodanig dat de grijze
halve maan óf over beide helften verdeeld werd óf uitsluitend in één
helft terechtkwam. In het eerste geval ontstonden er dubbele embryo's, terwijl in het tweede geval uit de ei-helft zonder grijze halve
maan een abnormaal 'buikstuk' zonder normale organisatie ontstond
en de andere helft zich normaal ontwikkelde (Spemann, 1938). Curtis
(1962) voerde het voor de hand liggende maar moeilijke experiment
uit van het wegsnijden van de cortex van de grijze halve maan (waardoor de morfogenese stopgezet werd) en zelfs de transplantatie naar
een ander ei, dat dan een dubbel embryo vormde (fig. 7). Kennelijk
hebben we zelfs bij deze hogere vertebraat te maken met een cytoplasmatische (waarschijnlijk corticale) lokalisatie van ontwikkelingsdeterminanten; en er is geen duidelijke reden om te denken dat deze
geen universele verbreiding zouden hebben.
©
©
Fig. 7. Het uitsnijden van de cortex van de grijze halve maan (a) verhindert de morfogenese, hoewel de celdelingen doorgaan en een bol van cellen ontstaat (c). Transplantatie van de grijze halve maan uit een achtcellig
embryo (d) naar een ongekliejd ei induceert een secundaire embryonale
as (f) en leidt tot de vorming van een dubbel embryo. (Naar Curtis, 1962.)
118
Het experiment van Curtis brengt ook een ander probleem onder
onze aandacht. We zouden misschien niet een dergelijke opvallende
gelijkenis verwacht hebben tussen embryo's die zich aan tegenovergestelde zijden van eenzelfde ei ontwikkelen. Curtis gelooft dat dit
het gevolg is van de verspreiding naar de zich delende cellen van
morfogenetisch belangrijke substanties, in de vorm van een gradiënt
(zie ook het hoofdstuk van Ouweneel) uitgaande van het oorspronkelijke getransplanteerde gebied. Het is moeilijk zeker te weten of dit
juist is, dan wel of het ene celtype veranderingen induceert door
metabolieten over te dragen aan het andere. Hoe dit ook zij, voor
ons doel is het essentiële punt in beide typen experiment dat er een
duidelijk afgebakend gebied met hoge morfogenetische potentie in de
eicortex ligt.
'
Celkweek en zelf-differentiatie
We hebben reeds opgemerkt dat afzonderlijke, geïsoleerde blastomeren zich kunnen ontwikkelen in de richting van hun normale uiteindelijke vorm; dat wil zeggen dat de cellen zich mitotisch delen en de
nakomelingen van deze delingen zich differentiëren alsof zij tevoren
geprogrammeerd waren. Ten dele zou deze georganiseerde ontwikkeling een gevolg kunnen zijn van de betrekkingen tussen cellen terwijl
zij zich in het gedeeltelijke embryo vermenigvuldigen. Het is dus van
belang te kijken naar het gedrag van geïsoleerde cellen die in vitro
gekweekt worden. Misschien wordt het beste voorbeeld dat tegenwoordig bekend is geleverd door cellen die geïsoleerd zijn uit het late
blastula-(pre-gastrula-)stadium van de vlieg Drosophila. Zoals alle
dipteren-eieren is dit een mozaïek-ei. De cellen van de late blastula
kunnen door voorzichtige homogenisatie van elkaar gescheiden worden en tot ontwikkeling gebracht worden in een voedingsmedium.
Zoals bleek uit onderzoek van Shields, Dübendorfer en Sang (Shields
et al., 1974), kunnen deze cellen zich vermenigvuldigen en differentiëren tot de uiteindelijke vormen die in de larve gevonden worden,
ondanks het feit dat ze van elkaar geïsoleerd zijn. Tot dusver zijn
zenuwcellen, spiercellen, vetlichaamcellen, chitine-afscheidende cellen
en macrofaag-achtige cellen (hemocyten?) geïdentificeerd binnen de
ook in het embryo normale tijd van 24 kweekuren (fig. 8). Later
(binnen 2-3 weken) verschijnen tracheecellen, imaginaalschijfcellen
en niet nader geïdentificeerde fibroblasten en epitheelcellen (fig. 8).
119
Kortom, hoewel de cellen zichin verschillende tijdsspannen aanpassen
aan het (vermoedelijk nog onvolkomen) kweekmedium, vertonen zij
alle een tevoren geprogrammeerde ontwikkeling; het vermogen tot
zelf-differentiatie in betrekkelijke isolatiebevestigt het mozaïek-karakter van het ei op dit stadium. (Cellen van vroegere stadia zijn helaas
te kwetsbaar om te kweken.)
Twee celtypen verdienen een meer gedetailleerde beschouwing: de
tracheecellen en de zenuwcellen. Tracheeën ontstaan uit gepaarde
ectodermale inzinkingen in het embryo en groeien door mitotische
delingen op zeer regelmatige wijze uit tot de gepaarde hoofd-tracheestammen van de larve. Zij worden gevoed door fijne, sterk vertakte
tracheeën en kleinere tracheolen die alle delen van het organisme van
lucht voorzien. Zij zijn zeer regelmatig van vorm; hun chitineuze inwendige bekleding wordt afgescheiden door de tracheocyten, die op
dit stadium afgeplat zijn en dicht tegen elkaar aanliggen. Het is ons
niet gelukt de kubusvormige tracheoblasten in vitro te herkennen,
maar na een dag of veertien verschijnen er afgeplatte tracheocyten,
die zich vermeerderen tot homogene celplaten (fig. 8c). Aan de rand
van deze vlakke platen vindt proliferatie plaats, gewoonlijk op vertakte wijze zodat celrijen ontstaan, waarin de tussengelegen cellen
zich iets strekken. Deze cellen vormen dan spontaan buisjes en scheiden onder optimale kweekomstandigheden chitine af. Zo ontstaat een
vertakt netwerk van tracheeën, net als in het zich ontwikkelende
embryo.Het vertoont geen duidelijke oriëntatie ten opzichte van hetzij
de geometrie van de kweekdruppel, hetzij andere cellen in de kweek.
Tracheoblasten bevatten dus hun eigen ontwikkelingsprogramma, niet
alleen voor hun uiteindelijke cytologische vorm, maar ook voor het
organiseren van hun onderlinge betrekkingen, ondanks de afwezigheid
van ontwikkelingssignalen uit andere weefsels.
Het tweede celtype is de neuroblast, die kort nadat de kweek is
opgezet reeds te herkennen is. Deze cel deelt zich ongelijk, zodat de
'stam-neuroblast' blijft voortbestaan en er daarnaast een reeks van
preganglion-cellen met kleinere kernen ontstaat, diezich ophun beurt
delen en ganglion-cellen vormen, welke zich tot zenuwcellen differentiëren. Tijdens het kweken voegen de axonen van deze afzonderlijke
zenuwcellen zich dikwijls samen en schijnen soms contact te maken
met spiercellen. Een in ditverband interessant experiment werd uitgevoerd door Carlson (1952), die de delingsspoel bestudeerde in neuroblasten van de sprinkhaan Chortophaga viridifasciata door er een
120
Fig. 8. Fasecontrast-foto's van levend embryonaal materiaal van Drosophila gekweekt in vitro: (a)spiercellen, (b) zenuwcellen, en (c)tracheocyten
die een vertakt stelsel van buisjes vormen. Zie tekst voor bijzonderheden.
fijne naald in te duwen die het periplasma uitrekte, zodat de door
periplasma omgeven naald de spoel kon binnendringen zonder de cel
kapot te maken. Door de spoel van een neuroblast in de vroege anafase 155° rond te draaien was hij in staat de voor de neuroblast bedoelde chromosomen in de preganglion-dochtercel te manoeuvreren
(fig. 9), en vice versa. Op grond van de resultaten komt hij tot de
conclusie dat 'de polariteit van de neuroblast bepaald wordt door
andere factoren dan de chromosomen en de spoel, en dat de grootte
en structuur van de gevormde kern afhangt van de aard of de hoeveelheid van het omringende cytoplasma of van de grootte van de cel'
(Carlson, 1952). Hoewel de bijzonderheden verre van duidelijk zijp,
is het moeilijk de conclusie uit de weg te gaan dat deze tevoren geprogrammeerde ontwikkeling cytoplasmatisch gedetermineerd is.
Hoewel de meeste larvale celtypen van Drosophilain vitro tot differentiatie kwamen, kan het van belang zijn er op te wijzen dat sommige niet geïdentificeerd konden worden, zoals gonade-structuren,
®
©
Fig.9. Sprinkhaan-neuroblasten in een hangende-druppelkultuur delen
ongelijk(a-c), zodat de stamcelblijft bestaan en een reeks kleine preganglion- (en navoortgezette deling ganglion-) cellen ontstaan, diezich vervolgens differentiëren (zie fig.8).Door meteenfijne naald (zie zwarte stip)
de delingsspoel 155" te draaien kon men de toekomstige neuroblast-kern
in het preganglion-gebied terechtlaten komen, en omgekeerd(d-f). Er
werden kennelijk normale ganglion- enneuroblast-cellen gevormd, wat aantoontdat het celtype doorhet cytoplasma bepaald wordt. (Opnieuw getekendnaar Carlson, 1952.)
121
klieren, spiracula, Malpighische buisjes, enz. Misschien is voor de
differentiatie van deze celtypen wél de intacte staat van het embryo
nodig, zoals dikwijls het geval is met zich laat ontwikkelende structuren in andere organismen.
Oogenese en maternale ejfecten
Als er organiserende substanties in het ei zijn, dan moeten zij zich
ophopen en rangschikken tijdens de Oogenese. De Oogenese is daardoor bij de meeste organismen een complex proces (voor overzichten
in verband met de ontwikkeling zie Raven, 1961 en Davidson, 1968).
Hoewel er voorlopige aanwijzingen zijn dat een aanzienlijk deel van
het genoom in dat stadium gebruikt wordt, is er helaas weinig goed
gefundeerde informatie over wat er gebeurt. Bij galmuggen (zoals
Mayétioladestructor, bestudeerd door Bantock, 1970), die overigens
waarschijnlijk een bijzonder geval vertegenwoordigen, vinden de eerste delingen van de zygote-kern in het midden van het ei plaats,
waarna de kernen zich min of meer regelmatig verspreiden binnen
een perifeer gelegen, niet-cellulair syncytium. De vierde deling is
merkwaardig omdat de meeste kernen 70% van hun chromosomen
verliezen; in het hoofdstuk van Berendes wordt ook al over deze
'chromosoom-eliminatie' gesproken (pag. 43). Alleen kernen aan de
achterste pool van het ei maken deze deling niet door en behouden
dus hun volledige aantal chromosomen. De cellen die hiervan afstammen worden de geslachtscellen van het volwassen dier. Het poolgebied
bij deze en andere insekten is opmerkelijk omdat het de zogenaamde
poolgranula bevat, die door u.v.-bestraling beschadigd of door centrifugatie verplaatst kunnen worden (Mahowald, 1972). Als dit gedaan
wordt ontstaan er geen geslachtscellen, hoewel het volwassen dier
verder normaal is. Dat wil zeggen dat in dit geval vermoedelijk voor
de kiemcellen (en mogelijk voor de begeleidende structuren) een groter deel van het genoom nodig is dan voor de overigens volledige
larve en adult. Het omgekeerde experiment, namelijk het transplanteren van poolgranula, is uitgevoerd bij Drosophila-eierendie deze
organellen misten,enheeft aangetoond dat indat gevalnormaal kiemcellen gevormd worden (Okada et al., 1974; zie ook pag. 142-143).
Er zijn dus cytoplasmatische structuren die een bepaalde ontwikkelingsrichting determineren. Van de vele andere substanties in het ei
(zoals mRNA, DNA en eiwitten) is nog geen enkele met zekerheid
122
in verband gebracht met bepaalde ontwikkelingsgebeurtenissen, maar
dit isbeslist slechts een kwestievan tijd.
De eigenschappen van het ei zijn afhankelijk van het genotype van
demoeder en nietvan dezygotezelf.Wezouden dus maternale effecten moeten kunnen vinden die bewerkstelligen dat de kenmerken van
een organisme niet corresponderen met zijn eigen genotype. Dit is
een algemeen bekend verschijnsel sinds Sturtevant (1923) een verklaring gaf voor de (recessieve) linksdraaiendheid van schelpen bij
heterozygote slakken die genetisch (dominant) rechtsdraaiend waren,
maar afstamden van linksdraaiende moeders. De bijzonderheden van
dit geval hebben de groep van Prof. Chr. P. Raven vele jaren beziggehouden en zouden een afzonderlijk hoofdstuk verdienen. Ik zal
mijn respect ervoor betuigen door geen poging tot een ontoereikende
samenvatting te wagen (zie echter Cather, 1971). Helaas is van de
genetica van de meeste bij embryologen geliefde organismen weinig
bekend, en we zullen dus naar voorbeelden moeten zoeken bij het
genetisch eerbiedwaardiger proefdier Drosophila melanogaster.
De ontwikkeling van Drosophila
Het is mijn bedoeling aan te tonen dat sommige mutaties maternale
effecten hebben die het normale ontwikkelingspatroon veranderen;
maar juist om die reden zullen zij gewoonlijk letaal en als stam moeilijk in stand te houden zijn. Helaasis het meest interessante voorbeeld
bij Drosophila, de recessieve mutatie bicaudal(Buil, 1966), door die
oorzaak verloren gegaan. Haar fenotypisch effect was devorming van
twee gedeeltelijke abdomina in spiegelbeeldige symmetrie, in plaats
van de opeenvolging van kop, thorax en abdomen in het normale
embryo en de larve. De mutatie kwam alleen tot expressie indien zij
van de moeder was geërfd. Niet alle individuen vertoonden het 'volmaakte' mutante fenotype; vele vertoonden tussenliggende graden in
het ontbreken van voorste delen, en een paar waren bijna normaal.
Verrassend genoeg zijn fenokopieën van precies dezelfde ontwikkelingsstoring beschreven bijde mugSmittiaparthenogenetica(Kalthoff,
1971). Eieren die vóór de vorming van het blastoderm gecentrifugeerd werden of waarvan het voorste of achterste achtste deel met
u.v.-licht bestraald werd, ontwikkelden zich tot dubbele abdomina of
tot dubbele koppen. We moeten dus wel aannemen dat er in het
onbevruchte ei determinatiefactoren voor voorste en achterste delen
123
neergelegd worden, die door u.v.-licht worden beschadigd; bovendien
is het interessant dat deze beschadiging met zichtbaar licht weer ongedaan gemaakt kan worden, wat erop wijst dat er nucleïnezuren bij
betrokken zijn. Maar de situatie is gecompliceerd: u.v.-bestraling
heeft bij Drosophila(Bownes &Kalthoff, 1974) niet dezelfde uitwerking als bij Smittia. Het veroorzaakt de uitval van voorste structuren
wanneer het voorste deel van het Drosophila-ei beschadigd wordt, of
van achterste structuren bij beschadiging van het poolgebied, maar er
treedt geen vervanging van het ene deel door het andere op. Het is
bijna zeker dat deze u.v.-effecten beperkt zijn tot substanties in de
eicortex, waarvan de aard ons ophet ogenblik ontgaat.
Er zijn andere mutanten met maternale effecten bekend bijDrosophila (King, 1970), maar het is werkelijk verbazend hoe weinig er
geïsoleerd zijn. Sommige mutanten die vroege morfogenetische effecten vertonen, worden gecorrigeerd door het wild-type gen dat met het
Spermium binnenkomt, wat wijst op een werking van het genoom
tijdens de vroege ontwikkeling (gewoonlijk na het gastrula-stadium).
De recessieve, op het X-chromosoom gelegen mutatie almondex
(Shannon, 1972) is van dit type. Van de dochters die voor deze mutatie heterozygoot zijn overleven er een paar, maar die zijn meestal
abnormaal. De beschadiging betreft ectodermale derivaten waaruit
structuren van de thorax en het abdomen ontstaan, en komt tot uiting
in gebogen en onvolledige vleugels, poten, e.d. De 'hulpactie' door
het wild-type gen leidt dus tot gedeeltelijk herstel, maar biedt geen
volledige compensatie voor de oorspronkelijke defecten aanwezig in
het amx-ei. Er zijn andere voorbeelden van dit soort (zie Gehring,
1973) die aantonen dat zelfs de vroege ontwikkeling berust op interacties tussen de ei-bestanddelen en dezygote-kern.
De voor de hand liggende experimenten waarbij het cytoplasma in
bepaalde gebieden van het nog niet in cellen verdeeldeDrosophila-si
wordt beschadigd of verwijderd, werden een generatie geleden uitgevoerd en zijn onlangs herhaald (Bownes & Sang, 1974). Zoals verwacht leidt deze beschadiging van bepaalde gebieden tot verlies van
volwassen structuren (zoals het ontbreken van één der vleugels), maar
niet in zulke hoge frequenties als verwacht kon worden. Er zijn twee
verklaringen mogelijk: óf nabijgelegen cellen nemen de taak van de
beschadigde of ontbrekende cellen over, óf de enkele overlevende
cellen in zo'n gebied regenereren het geheel. Deze eenvoudige experimenten zijn dus wat minder nauwkeurig in hun conclusies dan we
124
hadden kunnen verwachten. Natuurlijk beïnvloedt dit soort beschadiging ook de ontwikkeling van de larvale structuren in het embryo.
Ook hier zijn de resultaten niet zo regelmatig doordat eenzelfde beschadiging een scala van ontwikkelingsstoornissen bewerkstelligt. Dit
is ook kenmerkend voor embryonale letale mutaties, wat erop wijst
dat dit verschijnsel ten dele de aard van het systeem weerspiegelt. In
het algemeen verstoort beschadiging aan de voorzijde de ontwikkeling
van kop en thorax, terwijl beschadiging aan de achterzijde die van
het abdomen verstoort. Maar binnen deze generalisatie is er een grote
mate van ontwikkelingsautonomie. Monddelen kunnen normaal gevormd worden in een overigens volledig gedesorganiseerd kopgebied,
Malpighische buisjes kunnen hun gewone buisstructuur ontwikkelen
in een achterste deel dat vrijwel zonder cellen is, enzovoort. We worden daardoor herinnerd aan het vermogen van de cellen tot zelfdifferentiatie in vitro, en moeten concluderen dat verwijdering van
eidelen dit proces niet noodzakelijkerwijs verstoort; dat wil zeggen
dat veel cellen zich autonoom gedragen en voor hun determinatie en
differentiatie niet afhankelijk zijn van interacties met andere cellen.
De determinatie schijnt bij Drosophilaplaats te vinden vanaf het
moment waarop het blastoderm cellulair wordt (na ongeveer 3 uur
ontwikkeling) (zie ook pag. 141). Uiteraard zal het moeilijk zijn dit
proces als proces te analyseren.Voor het ogenblik lijkt het waarschijnlijk dat genetische en moleculair-biologische technieken, gebruikt voor
de analyse van de eicortex, ons wel meer zullen vertellen, vooral over
de aard van de determinatie, bijvoorbeeld waarom die in het ene gebied een andere vorm aanneemt dan in het andere en wat de 'determinanten' zijn. Het is moeilijk in te zien hoe deze kwesties aangepakt
kunnen worden met behulp van andere soorten waar niet met het
genotype gemanipuleerd kan worden. Want het probleem is,het reeds
in het ovarium vastgelegde ontwikkelingsprogramma (zoals hiervoor
door Wilson benadrukt, zie pag. 113) in verband te brengen met het
genetischemodel, en hun onderlinge betrekkingen vast te stellen.
125
Het ontstaan van ruimtelijke ordening tijdens de ontwikkeling
van insekten
W . J. OUWENEEL
Alle genetische informatie die nodig is voor de ontwikkeling van het
organisme bevindt zich in de zygote. Deze informatie wordt in principe aan alle dochtercellen doorgegeven door middel van het verdubbelingsproces dat bij de celdeling (de mitose) optreedt. Uiteindelijk
bevinden alle genen die in de zygote waren, zich in principe dus ook
in alle lichaamscellen van het volwassen organisme. (Ik zeg in principe, omdat het hoofdstuk van Berendes laat zien dat er veel uitzonderingen op dezeregel zijn: er kan zowel genverlies als genversterking
optreden.) Maar hiermee raken wij de twee meest fundamentele problemen in de ontwikkelingsbiologie: het probleem van de celdifferentiatie en het probleem van de patroonvorming (zie ook pag. 10 en
figuur 2 op pag. 11). Hoe komt het dat cellen die, globaal gesproken,
dezelfde genetische informatie bevatten, toch gedurende de ontwikkeling van het organisme in de tijd en in de ruimte geleidelijk gaan
verschillen? Er ontstaan in de ontwikkeling ruimtelijke patronen in
het meercellige organisme; hoe kunnen de lichaamscellen zulke patronen vormen terwijl ze allemaal over dezelfde informatie beschikken?
Neem een concreet voorbeeld. Wemogen veilig aannemen dat alonze
lichaamscellen de genen bevatten die tijdens onze embryonale ontwikkeling nodig waren voor de vorming van onze lever. Hoe komt
het dan dat niet al onze lichaamscellen levercellen zijn? Hoe komt het
dat alleen bepaalde cellen hun 'lever-informatie' in de genen 'gebruiken' en zich tot levercellen ontwikkelen? Dat is het probleem van de
celdifferentiatie. En ten tweede: hoe komt het dat zo'n ontwikkeling
alleen op een zéér bepaalde plaats in het lichaam gebeurt, namelijk
rechts bovenin de buikholte? Dat is het probleem van de patroonvorming.
Het is duidelijk dat het zich ontwikkelende organisme aan genen
alleen niet genoeg heeft. Het heeft tijdens de ontwikkeling 'epigenetische' mechanismen nodig (zoals Waddington die noemde), die be126
palen welke cellen op welke plaats in het organisme en op welk tijdstip in de ontwikkeling zich tot welk celtype zullen differentiëren,
zoals in het hoofdstuk van Wessels kort wordt aangeduid. Of anders
gezegd: de cel heeft niet alleen genetische informatie nodig, zij moet
ook kunnen beschikken over 'positionele informatie'. Dat is dus informatie over de vraag welke positie een bepaalde cel of celgroep in
het organisme inneemt. De cel moet deze 'positionele informatie' dan
vervolgens op het juiste tijdstip 'interpreteren'. Om het antropomorf
uit te drukken- we kunnen nog moeilijk anders-: de cel moet uit de
informatie over haar positie aflezen welke uiteindelijke ontwikkeling
er van haar verwacht wordt. Nóg antropomorfer: cellen moeted kunnen klokkijken (hun differentiatie is van stap tot stap 'getimed') en
ze moeten kunnen kaartlezen (hun differentiatie is van stap tot stap
afhankelijk van hun 'coördinaten' in deruimte).
Differentiële gen-activatie
De algemene opvatting is nu, dat deze mechanismen erop neerkomen
dat alle cellen in principe wel dezelfde genetische informatie hebben,
maar dat in eenbepaalde cel op eenbepaald stadium de meeste genen
niet werkzaam zijn. Ze zijn uitgeschakeld of geblokkeerd. Alleen bepaalde genen (welke genen is afhankelijk van ruimte en tijd, dus van
de 'positionele informatie' en van het klokmechanisme) zijn geactiveerd, ingeschakeld, gedeblokkeerd, gedereprimeerd, tot expressie gebracht, of wat voor termen daarvoor ook gebruikt worden. En het
zijn déze geactiveerde genen die de uiteindelijke differentiatie van de
cel sturen. In andere hoofdstukken wordt hier uitvoerig op ingegaan
(zie vooral pag. 109 e.V.). Deze opvatting is zo fundamenteel, dat we
die spelenderwijs het 'centrale dogma' van de ontwikkelingsbiologie
zouden kunnen noemen, naar analogie van het 'centrale dogma' in de
moleculaire biologie. We kunnen dat dogma bijvoorbeeld als volgt
formuleren: Het ontstaan van gedifferentieerde cellen en van ruimtelijke ordening in het zich ontwikkelende organisme berust op differentiële (of selectieve) gen-activatie (fig. 1).
De moleculair-biologen zullen onmiddellijk tegenwerpen dat we
hier helemaal niet van een centraal dogma mogen spreken, zolang we
er niet precies bij vertellen wat dan wel de moleculaire mechanismen
zijn waardoor verschillende genen op verschillende tijdstippen en op
verschillende plaatsen worden geactiveerd. Nu weten we wel het een
127
genetisch
>-corticaal
[DIFgEREHTIËLE OEK-ACTIYATIE|
nilolc"
„kaart"
celdifferentiatie
patroonvorming
Fig.1. De informatiedie een organisme tijdenszijn ontwikkeling verwerkt,isin de eerste plaats,genetische informatie, vastgelegd in het chromosomale DNA. Deze informatie pleegtinteractie met informatie inde
eicortex (diezelf ook ondercontrole vanhetgenoomstaat, hetzijvande
moeder, hetzijvande zygote). De epigenetische mechanismen dieuit deze
interactie voortvloeien, moetengedurende de verdere ontwikkeling deafzonderlijke cellen informatie verschaffen overhunpositie in het systeem;
maarvanditsoort'informatie' (ookalmoeten wijhet bestaan ervan aannemen)hebbenwij geen concrete voorstelling wat betreftaardenoverdracht. De basis van de mechanismen die al deze typen informatie verschaffen en verwerken, moetgelegen zijnineen differentiële (ofselectieve)
activatie vande genen: differentieel in de tijd,waardoor celdifferentiatie
mogelijk is,endifferentieel inderuimte, waardoor patronen gevormd kunnen worden.
en ander over de mechanismen waardoor in een bepaalde cel een gen
geblokkeerd en gedeblokkeerd wordt (zie het hoofdstuk van Berendes), maar we weten inderdaad heel weinig over de mechanismen die
bepalen in welke cellen bepaalde genen geactiveerd worden. En we
weten nog veel minder over de aard van de 'positionele informatie'.
Ja, sterker nog: we weten er in feite niet veel méér van dan dertig
jaar geleden!
Nu moeten de moleculair-biologen ons dat niet kwalijk nemen,
want gedeeltelijk komt dat doordat de studie van de patroonvorming
jarenlang in de schaduw gesteld werd door de opkomst, de populariteit en de sensationele resultaten juist van de moleculaire biologie.
Maar even duidelijk is het, dat deze resultaten van de moleculaire
biologie (tot dusver althans) volslagen onvoldoende zijn om het ontstaan van ruimtelijke patronen in het organisme te begrijpen. We
128
kunnen een vergelijking met de bouwwereld maken: een grondige
kennis van de bouwstenen laat ons niettemin totaal onkundig ten aanzien van de structuur van een kathedraal; en we zullen die structuur
ook nooit leren begrijpen door alleen onze kennis van de bouwstenen
nog verder te vervolmaken. Zoals in de inleiding van Faber (pag. 9)
al ongeveer wordt gezegd: Bij de overgang van een lager niveau naar
het daarop volgende hogere niveau in de ontwikkeling ontstaan nieuwe relaties, nieuwe structuren, die niet altijd te herleiden zijn tot die
van het lagere niveau.
Natuurlijk heeft de studie van depatroonvorming in dertig jaar bepaald niet stilgestaan. We weten nu (zoals we later zullen zien) enorm
veel méér over het ontstaan en de eigenschappen van ruimtelijke patronen dan dertig jaar geleden, evengoed als we enorm veel méér
weten over de regulatie van de gen-activiteit in de cellen. Maar daartussen gaapt een kloof: wat zijn de biologische mechanismen die bepalen welke genen in welke cellen geactiveerd worden en die zo van
stap tot stap tot differentiatie in ruimte en tijd leiden? De overbrugging van die kloof ligt niet in het bedrijven óf van moleculaire óf van
morfologische ontwikkelingsbiologie alléén, maar in de samenwerking
van deze en andere vakgebieden. De besteresultaten zijn bereikt daar
waar zij hand in hand gingen. Men kan kritiek hebben op het feit,
dat we bijvoorbeeld over Vastlegging en interpretatie van positionele
informatie' spreken zonder dat we de flauwste notie hebben wat deze
begrippen op moleculair niveau inhouden. Toch gebruiken we deze
termen omdat ze waarschijnlijk wel degelijk inhoud hebben, ook al
kennen we die inhoud nog niet. Evenzo sprak men in de genetica
tientallen jaren met veel vrucht over genen en koppelingsgroepen,
toen nog abstracte, metafysische termen, van de moleculaire inhoud
waarvan men niet het flauwste benul had. Dat verhinderde echter niet
de grote bloei van de genetica, waarbij te rechter tijd ook de sensationele ontdekking werd gedaan dat de koppelingsgroepen overeenkomen met de chromosomen, en later dat genen uit DNA bestaan.
Misschien zullen we zulke sensationele 'sprong-ontdekkingen' in de
ontwikkelingsbiologie nodig hebben, misschien ook zal de kloof gewoon stukje bij beetje worden overbrugd.
129
Imaginaalschijven
De organismen die het beste illustreren hoe genetische en positionele
informatie samenwerken in devorming van ruimtelijke patronen ('van
informatie tot formatie') zijn ongetwijfeld de insekten, en wel heel in
het bijzonder Drosophilamelanogaster, de bananenvlieg of dauwvlieg
(zie de overzichtsartikelen van Nöthiger, 1972; Garcia-Bellido, 1972;
Gehring & Nöthiger, 1973; Bryant, 1974; Postlethwait & Schneiderman, 1974). De oorzaak hiervan is dat Drosophila sedert het begin
van deze eeuw veruit het belangrijkste proefdier in de genetica is geweest. Toen men niet alleen meer geïnteresseerd was in de genen en
in de fenen, maar ook in de daartussen gelegen ontwikkelingsweg,
lag het voor de hand dat Drosophila als eerste in aanmerking kwam,
omdat men zoveel van de genen van dit dier afwist. Achteraf bezien
had men voor de lastige operaties en transplantaties die op dit dier
zijn uitgevoerd eigenlijk beter een grotere vlieg kunnen gebruiken,
zoals de huisvlieg of de bromvlieg; maar van hun genetica weet men
vrij weinig, terwijl zeook veel lastiger tekweken zijn.
Het voor ons doel zo interessante aan een bananenvlieg is, dat hij
een volledige gedaanteverwisseling vertoont. Dat wil zeggen: het larvale stadium en het volwassen ('imaginale') stadium zijn totaal verschillend en zijn van elkaar gescheiden door een vrij lange tussenfase:
het popstadium. Men zou haast kunnen zeggen dat de vlieg in zijn
genen de blauwdrukken bevat voor twee geheel verschillende dieren:
de larve en de imago (het volwassen dier). Beide dieren zijn geheel
compleet en geheel zelfstandig; alleen kan de larve zich uiteraard niet
vermenigvuldigen. Hoe onderscheiden deze stadia wel niet zijn, blijkt
zowel uit hun ontwikkeling als uit hun erfelijke aanleg; hierop zal in
debeidevolgende alinea's nader worden ingegaan.
Tijdens het popstadium veranderen de larvale organen niet in imaginale organen, maar de larvale weefsels gaan voor het grootste deel
te gronde; ze lossen eenvoudig op in de pop. De imaginale weefsels
daarentegen worden tijdens het popstadium opgebouwd uit een heel
bijzonder soort cellen die de larve met zich heeft meegedragen maar
die tijdens het hele larvestadium embryonaal zijn gebleven, m.a.w.
zich niet gedifferentieerd hebben. Die differentiatie treedt pas in het
popstadium op en voert dan tot de imaginale structuren. Deze bijzondere cellen treffen we in de verpoppingsrijpe larven aan in drie verbanden: (a) in kleine klompjes van slechts enkele cellen, genaamd
130
histoblasten; (b) in korte segmenten van bepaalde kanalen (vooral het
darmkanaal), genaamd imaginaalringen, en vooral (c) gerangschikt in
platte zakjes bestaande uit duizenden epitheelcellen, imaginaalschijven
genaamd. Deze laatste zijn de belangrijkste, want hieruit worden de
kop, de thorax (het borststuk) en de genitaliën gevormd (fig. 2); het
abdomen (buikstuk) ontstaat uit histoblasten. Er zijn drie paar imaginaalschijven die de kop vormen; daarvan zijn de 'oog-antenneschijven'het belangrijkste. Er zijn zespaar schijven die de thorax met haar
extremiteiten vormen. Daarvan vormen de drie paar ventrale 'pootschijven' de zes poten met de bijbehorende thoraxgedeelten. Van de
drie paar dorsale schijven vormt het middelste paar de vleugels; uit
deze 'vleugelschijven' ontstaat ook het grootste deel van de thorax.
Het derde dorsale schijvenpaar vormt naast een klein thoraxgedeelte
ook de balanceerkolfjes of halteren. Tenslotte ontstaan uit de (onge-
UBIUM
CLYPEO-LABRUM
HUMERUS
OOG -ANTENNE
VLEUGEL- THORAXEERSTE POOTTWEEDE POOT
DERDE POOT
HALTER
•ABDOMEN
GENITAALAPPARAAT
Fig. 2. Schema van de bouw van de larve en de ligging van de verschillende imaginaalschijven, die met de bijbehorende volwassen structuren door
lijnen verbonden zijn en steeds dezelfde arcering of stippeling vertonen.
(Naar Wildermuth, 1970.)
131
paarde) 'genitaalschijf' de uitwendige genitaliën en de einddarm. De
imaginaalschijven ontstaan al op een heel vroeg stadium in het ei,
zoals we zullen zien. Sommige cellen in het embryo differentiëren
zich direct tot larvale structuren, terwijl andere, die de imaginaalschijven vormen, gereserveerd blijven voor het popstadium en dus
embryonaal blijven. Hun enige activiteit is dat zij tijdens het larvestadium een achttal delingen ondergaan. Al heel vroeg maken de cellen dus de onherroepelijke keus tussen een larvale of een (voorlopig
uitgestelde) imaginale ontwikkeling.
Hoe onafhankelijk deze twee ontwikkelingswegen wel van elkaar
zijn, blijkt ook uit genetische experimenten. Onlangs hebben Shearn
& Garen (1974) een groot aantal letale mutaties geïsoleerd, dat zijn
mutaties die de vroegtijdige dood van het organisme veroorzaken. In
dit geval kozen ze mutaties die het dier doodden op het moment van
de popvorming, dus op het moment dat de imaginaalschijven zich
gaan differentiëren. Kennelijk was er in deze mutanten iets met de
schijven aan de hand, en inderdaad bleken één of meer, vaak zelfs
alle imaginaalschijven óf te ontbreken, óf klein en misvormd en derhalve in hun ontwikkeling geblokkeerd te zijn, óf een abnormale differentiatie te vertonen. De onderzoekers merkten aan deze mutanten
veel interessante punten op, maar wat ik nu wil noemen is, dat in al
deze gevallen de larvale ontwikkeling als zodanig volkomen normaal
was gebleven. Die is dus kennelijk geheel onafhankelijk van een normale schijvenontwikkeling. Shearn en Garen berekenden bovendien
dat ongeveer duizend genen (dat is ongeveer een vijfde van het geschatte totale aantal genen) specifiek zijn voor de ontwikkeling van
de imaginaalschijven.
I
Determinatie
Eén van de eigenschappen van imaginaalschijven die voor de ontwikkelingsbioloog zo plezierig zijn, is dat de schijven geruime tijd vóór
hun differentiatie al 'gedetermineerd' blijken te zijn. In het hoofdstuk
van Sang wordt uiteengezet wat een lastig begrip dit eigenlijk is,
maar we kunnen het met betrekking tot dit voorbeeld als volgt omschrijven. Imaginaalschijven in de laatste fase van de larvale periode
zijn gedetermineerd, m.a.w. geprogrammeerd om een bepaalde ontwikkelingsgang te volgen met uitsluiting van andere ontwikkelingswegen waarvoor de schijven voordien ook competent waren. Deze
132
determinatie gaat dus aan de differentiatie vooraf, als we onder differentiatie verstaan de ontwikkeling van een specifieke structuur en
functie in de betrokken cellen.
Op het moment dat de schijven al wel gedetermineerd, maar nog
niet gedifferentieerd zijn, is er dus nog niets aan de schijven te zien.
Op welke gronden durven we dan van determinatie te spreken? Dit
doet men vooral op grond van transplantatieproeven. Het is mogelijk
uit een verpoppingsrijpe larve de imaginaalschijven vrij te prepareren.
Eén zo'n schijf kan men dan opzuigen in een heel fijne micropipet,
die een insnoering bevat om het weefsel tegen te houden maar de
vloeistof (een fysiologische zoutoplossing) door te laten, en die een
schuine punt heeft om het injiceren te vergemakkelijken. Men kan de
opgezogen schijf vervolgens in een andere verpoppingsrijpe larve injiceren die, als men technisch vaardig genoeg is,in leven blijft en kort
daarop zal verpoppen (fig. 3). Onder invloed van het verpoppingshormoon ecdysonzullen de eigen imaginaalschijven van het dier maar
ook de getransplanteerde schijf zich gaan differentiëren. Als de imago
dan uit het puparium (deharde hulsrond depop) tevoorschijn kruipt,
kan men, drijvend in de buikholte daarvan, het gedifferentieerde
weefsel terugvinden. Sinds kort kan men deze metamorfose ook in
vitro laten plaatsvinden door toevoeging van ecdyson aan het kweekmedium (Mandaron, 1971).
Het blijkt nu dat alle schijven zich 'autonoom' ontwikkelen, d.w.z.
zij vormen tijdens deze kweek dezelfde structuren als die zij in situ
gevormd zouden hebben. (Wat schijven in situ vormen, kan men bijvoorbeeld nagaan door bepaalde schijven uit de larve weg te snijden:
de structuren die dan in de imago ontbreken zijn kennelijk de structuren die de verwijderde schijf gevormd zou hebben. Dit experiment
werd het eerst gedaan door Zalokar in 1943.) Dat deze specifieke
differentiatie van de schijven niet afhankelijk is van het inwendig
milieu van de pop is duidelijk, omdat dit milieu voor alle getransplanteerde schijven hetzelfde is. Bovendien, als men voor donor- en
gastheerlarve verschillende genotypen gebruikt, dan blijkt de getransplanteerde schijf zich bijna altijd autonoom, dus volgens zijn eigen
genotype, te ontwikkelen. Dit blijkt het duidelijkst wanneer men als
genetische 'markers' zogenaamde homoeotische mutaties gebruikt, dat
zijn mutaties die de determinatie zodanig veranderen dat een schijf
structuren vormt die normaal alleen door een andere schijf gevormd
worden. Ik heb dit zelf gedaan met mutante oogschijven die naast
133
» TRANSPLANTATIE
o
•
GEKWEEKT BLASTEEM
GEMETAMORFOSEERDE
STRUCTUREN
PROLIFERATIE
METAMORFOSE
PROLIFERATIE
>-<c£r»-—
METAMORFOSE
TEST-IMPLANTATEN
PROLIFERATIE
STAMLIJN
STAMLIJN
Fig. 3. Methode voor het kweken van imaginaalschijven in vivo. Een
fragment van een imaginaalschijf kan in het abdomen van een vlieg of van
een larvegekweekt worden. In het eerstegeval ondergaathet alleen (sterke)
proliferatie, in het tweede geval ondergaat het mét de gastheer de metamorfose. In een vlieg gekweekt weefsel kan opnieuw verdeeld worden in
fragmenten, die in andere vliegen verder gekweekt of als test-implantaten
in larven getransplanteerd kunnen worden. (Naar Hadorn, 1963.)
oog- ook vleugelweefsel vormden; ik haalde ze uit pas uitgekomen
larven, kweekte ze op in de buikholte van volwassen, wild-type gastheren en transplanteerde ze daarna terug in rijpe, wild-type larven
(fig. 3). En ziedaar: de schijven metamorfoseerden autonoom, dus
mét vleugelweefsel, ook al hadden ze sinds het embryonale stadium
nauwelijks een larvaal milieu en helemaal geen mutant milieu meegemaakt (Ouweneel, 1970).
De determinatie is dus een autonoom, intrinsiek proces, d.w.z. dat
het zich kennelijk geheel binnen de schijf zelf voltrekt. En niet alleen
134
'beslist' dit proces of een bepaalde schijf een stuk kop of een poot of
een vleugel zal vormen, maar het 'beslist' bovendien welke delen van
bijvoorbeeld een pootschijf welke delen van de poot zullen vormen.
Ook hier is men door transplantaties achter gekomen. Men kan een
vrijgeprepareerde imaginaalschijf met fijngeslepen wolfraam-naalden
in fragmenten verdelen en dan die fragmenten afzonderlijk in rijpe
MS
^pleurale richel III
^TTTTV^iVepimeron til
Fig.4. Links:imaginale derivaten (niet gearceerd) vandehaltereschijf in
situ(linkerzijde):haltere, haltere-scleriet ennotumIII. Rechts: organenkaart
vanderechter haltereschijf. Bijdemetamorfose zaldeschijfin opwaartse
richtinguitstulpen. C: capitellum; P: pedicel; S: scabellum; CS, PS,SS:
zintuigorgaantjes (d:dorsaal; v: ventraal); MP,MB, MS:resp. metathoracale papillen,borstelgroep, spiraculum; AB: adventieveborstels. (Naar
Ouweneel &VanderMeer, 1973.)
135
gastheerlarven transplanteren. (Men krijgt er een idee van wat een
priegelwerk dit is, door te bedenken dat zo'n schijf hoogstens enkele
tiende millimeters lang en breed is!) Het blijkt dan dat elk schijffragmentje nauwkeurig zijn eigen aandeel levert aan de totale inventaris van structuren die door een hele schijf gevormd worden. We
zullen zien dat in het allerlaatste stadium zelfs afzonderlijke cellen
tot specifieke celtypen gedetermineerd zijn. Door dit soort experimenten kan men hele imaginaalschijven precies 'in kaart brengen'. Zo'n
bestemmingsplan of organenkaart geeft dus precies aan welke delen
van de schijf welke structuren zullen vormen. Van praktisch alle imaginaalschijven van de bananenvlieg isnu zo'n organenkaart opgesteld.
Zelf heb ik die van de oogschijf uitgewerkt (1970) en samen met Drs.
J. M. van der Meer (1973) die van de haltereschijf opgesteld (fig. 4).
Pas is daar nog een belangwekkende ontdekking aan toegevoegd
(Spreij & Oldenhave, 1974). Ik heb al verteld dat een imaginaalschijf
een plat zakje van cellen is, d.w.z. uit twee lagen cellen bestaat die
een holte omgeven. De ene, naar de buitenkant van het dier gekeerde
laag bestaat uit heel dunne, platte cellen en wordt de 'peripodiale
membraan' genoemd. De andere (sterk geplooide) laag bestaat uit cylindrische cellen en werd lange tijd als de eigenlijke schijf beschouwd
(fig. 5).Maar dezeLeidse onderzoekers ontdekten dat deze dikke laag
voorpop-stadium
vleugelzak
peripodialemembraan
luchtptjptakje
lUIUUIUii epitheel
I//////I promyoblasten
peripodiale holte
V.' pycnotische kernen
^ * nieuw luchtpijptakje
Fig.5. Halfschematische voorstelling van de prepupale vleugelschijf bij
de bromvlieg Calliphora. Uitde vleugelzak ontstaat de vleugel, terwijl uit
het overige dikke epitheelen uit de platte (maarcellulaire) peripodiale
membraan deaangrenzende thoracale structuren ontstaan. Uitde promyoblasten ontwikkelt zich hetvleugelspierweefsel. (Naar Spreij, 1970.)
136
wel een extremiteit (poot, haltere, vleugel) of een oog vormt (zoals
al bekend was), maar dat uit de rand van deze laag én de peripodiale
membraan dethoracale structuren rondom debasis van de extremiteit
resp. de kopstructuren rondom het oog ontstaan. Tijdens de metamorfose stulpt de extremiteit, waarvan de proximo-distale segmenten
als concentrische ringen in de schijf zijn aangelegd, als een telescoop
naar buiten uit, dwars door de peripodiale membraan heen, die niet
verdwijnt zoals men vroeger dacht, maar volgens Spreij en Oldenhave
vlak uitgespreid wordt en mede de lichaamswand van de imago gaat
vormen.
/
Er zijn nog enkele andere criteria op grond waarvan men aanneemt
dat rijpe imaginaalschijven gedetermineerd zijn. Ten eerste isgebleken
dat een bepaalde 'determinatietoestand' gewoonlijk nauwkeurig wordt
doorgegeven aan de dochtercellen gedurende vele cel-generaties. Dit
kan men nagaan door fragmenten van een rijpe schijf in de buikholte
van gastheervliegen te transplanteren en daar te kweken. In dat milieu
ontbreekt het verpoppingshormoon, zodat de fragmenten niet metamorfoseren, maar hun celdelingen gewoon voortzetten. Na een bepaalde kweekperiode kan men de gegroeide fragmenten terugtransplanteren in een rijpe gastheerlarve, waarna zij metamorfoseren (fig.
3). Ik kom op deze methode nog meermalen terug. Ten tweede is
gebleken dat met bepaalde determinatietoestanden specifieke cel-affiniteiten overeenkomen, zoals onderzocht is in reaggregaten van gedissocieerde, gekweekte cellen. De cellen in zulke reaggregaten behouden kennelijk hun oorspronkelijke determinatietoestand, zodat die
niet gebonden blijkt te zijn aan het oorspronkelijke celverband. Ook
hierop kom ik terug.
Positionele informatie in de vroege ontwikkeling
We moeten nu eerst nagaan hoe dit patroon van gedetermineerde
imaginaalschijven tot stand komt. Zoals bij de meeste insekten begint
de ontwikkeling van het Dwsophila-embryo alseen syncytium (fig. 6).
Na de bevruchting vinden ongeveer acht synchrone kerndelingen in
het eiplasma plaats, die niet met celmembraan-vorming gepaard gaan.
De ontstane 'klievingskernen' migreren vervolgens naar de ei-cortex
(de buitenste taaie laag van het cytoplasma), waar nóg drie kerndelingen plaatsvinden voordat de kernen van elkaar gescheiden worden door celmembranen. De cellaag die zo ontstaat ishet blastoderm;
137
Fig. 6. Vroege embryogenese vanDrosophila; (1)bevrucht ei, (2) klieving,
(3) vorming van de poolcellen, (4)syncytieel preblastoderm, (5) blastoderm.
M: micropyle; P: plasmamembraan; V: vitelline (— dooier-) membraan;
MV en VV: mannelijke en vrouwelijke voorkern; KK: klievingskern; PC:
poolcel; BC: blastodermcel.(Naar Gehring, 1973.)
het embryo is nu pas 21/2 uur oud (bij 25°C). De laatste jaren is
men tot de algemene overtuiging gekomen dat het tijdstip waarop
bepaalde embryonale cellen tot imaginaalcellen gedetermineerd worden, al rond de vorming van het blastoderm ligt. Dat is dus al vóór
de gastrulatie en de verdere embryogenese, en wel ongeveer 10 tot
20 uur vóórdat de schijven histologisch herkenbaar worden en ongeveer 22 uur vóórdat de larve uitkomt (allesbij 25°C). Deze interessante conclusie is gebaseerd op vijf typen van experimenten die ik
hier kort de revue laat passeren, voorzien van enkele kanttekeningen.
1. Verschillende onderzoekers hebben op verschillende ontwikkelingsstadia defecten in het embryo aangebracht, bijvoorbeeld door
cytoplasma (al of niet met kernen) te verwijderen (Howland & Sonnenblick, 1936), door lokale u.v.-bestraling (Geigy, 1931;Nöthiger &
Strub, 1972) of door bepaalde delen met een hete naald te doden
(Bownes & Sang, 1974; zie ook pag. 124). Het bleek nu dat als de
defecten aangebracht worden tijdens of na het blastoderm-stadium,
de posities van de resulterende imaginale afwijkingen tamelijk nauwkeurig overeenkomen met de posities van de aangebrachte defecten.
Vóór dit stadium echter is zo'n correlatie nauwelijks of niet aan te
tonen.
2. Hitteschokken (Henke &Maas, 1946) of etherdamp-behandeling
(Gloor, 1947) toegediend aan jonge embryo's kunnen eveneens leiden
tot defecten, maar ook tot een ontwikkelingsverandering die resulteert
138
in een fenotypische kopie (fenokopie) van een bepaalde bekende homoeotische mutant, namelijk bithorax (waarin de voorste halteredelen veranderd zijn in voorste vleugeldelen; zie ook pag. 144 e.V.).
Gloor vond dat de maximale gevoeligheid voor ether rond 3 uur lag,
dus ongeveer tijdens de blastoderm-vorming; behandeling rond dat
tijdstip leverde 30% èfrAora*-fenokopieën op. Dit doet vermoeden
dat de behandeling bepaalde determinatieve gebeurtenissen tijdens de
blastoderm-vorming beïnvloedt; een interessant gegeven waar ik straks
op terugkom.
3. Heel belangrijk is de toepassing van genetische technieken geweest, en wel vooral het gebruik van gynanders:dieren die mozaïeken
van mannelijk en vrouwelijk weefsel zijn. Men kan deze verschillende
weefsels 'merken' door toepassing van mutanten die de kleur en/of
vorm van de borstelharen veranderen. (Dergelijke mozaïeken kan
men ook maken m.b.v. door röntgenstralen geïnduceerde 'somatische
crossing-over', genetische recombinatie tijdens deling van lichaamscellen; zie pag. 146.) Gynanders ontstaan gewoonlijk door het verlies
van één van de beide X-chromosomen in één cellijn voortkomend uit
een vrouwelijke (dus XX-) zygote. In bepaalde stammen gebeurt dit
met hoge frequentie, zodat het verlies van het X-chromosoom vaak
al tijdens de eerste kerndeling optreedt. De resulterende imago zal
dan half mannelijk, half vrouwelijk zijn. Treedt het verlies in één van
dekernen tijdens dederde deling op, dan zal ééndeel op2 3 = 8 delen
mannelijk zijn. Hetzelfde geldt binnen één bepaalde imaginaalschijf.
In de eerste plaats bleek dat chromosoomverlies vóór het blastodermstadium nooit tot mozaïeken binnen de derivaten van één schijf leidt:
een nieuwe aanwijzing dat de determinatie van de 'primitieve imaginaalcellen' tijdens de blastoderm-vorming plaatsvindt - hoewel geen
bewijs, omdat apartstelling ('allokatie'; McLaren) van cellen geen determinatie hoeft tebetekenen. In de tweede plaatskon nog iets anders
worden vastgesteld, namelijk het aantal 'primitieve cellen' per schijf,
d.w.z. het aantal cellen dat in het blastoderm gedetermineerd wordt
om een bepaalde schijf te vormen. Aangenomen dat deze cellen ongeveer dezelfde delingssnelheid vertonen, mag men veronderstellen dat
alsongeveer 50% van de schijfderivaten mannelijk zijn, de schijf ontstaan is uit twee 'primitieve cellen' waarvan één chromosoomverlies
heeft ondergaan. Waren er drie (of bijvoorbeeld vier) 'primitieve cellen', dan zou V3 of 2 /s (resp. V-t, xh of SA) van de schijfderivaten
mannelijk zijn, enzovoort. Met deze methode wéten we nu van ver139
scheidene imaginaalschijven ongeveer het aantal 'primitieve cellen':
het varieert van ongeveer 2 tot ongeveer 40 (zie Nöthiger, 1972). In
de derde plaats is de methode ook gebruikt om de relatieve afstanden
tussen de 'primitieve cellen' in het blastoderm te bepalen, en wel uitgaande van de redenering dat de frequentie waarmee de mozaïekgrenslijn tussen twee punten in de imago ligt, een functie is van de
afstand tussen die punten in het blastoderm. Als deze frequentie 1%
is, dan spreekt men van een afstand van 1 'sturt', een symbool afgeleid van de naam van de bioloog Sturtevant, die de methode ontwierp
(1929). De methode werd grondig uitgewerkt door Garcia-Bellido &
Merriam (1969), die erin slaagden een uitvoerige organenkaart van
het blastoderm te ontwerpen. Later hebben Hotta & Benzer (1972)
met behulp van verschillende gedragsmutanten ook bepaalde delen
van het zenuwstelsel in de organenkaart weten te lokaliseren (fig. 7).
4. Een meer directe methode om de determinatie van de imaginaalschijven te onderzoeken is het toepassen van weefseltransplantaties.
Delen van embryo's kunnen in gastheervliegen gekweekt worden,
SLURP
HUMERUS
THORAX
VLEUGEL
HERSENEN
VENTRALE
ZENUWSTELSEL
ABDOMEN
POOT
MESODERM
Fig. 7. Schemavan eert Drosophilst-blastodermstadium, waarin verscheideneimaginale structuren ingetekend zijnop deplaats waar zij aangelegd
worden. Aanleggingen aande rechterzijde vanhet embryo zijn gestippeld.
Ook de aanleggingen vanhet zenuwstelsel en het mesoderm (waaruit de
spieren ontstaan) zijn aangeduid.
140
waar zij merkwaardigerwijs in staat blijken zowel hun larvale als hun
imaginaalschijven-ontwikkeling te voltooien (Hadorn et al., 1968).
Schubiger et al. (1969) gebruikten deze techniek om genetisch gemerkte voorste en achterste delen van embryo's te dissociëren, de cellen te vermengen en deze daarna op te kweken. Zij deden dat met
10 uur oude embryo's, maar Chan & Gehring (1971) wisten een
soortgelijk experiment zelfs met embryo's van het blastoderm-stadium
uit te voeren. In beide gevallen bleek dat voorste embryo-helften uitsluitend kopstructuren vormen en achterste helften uitsluitend buikstructuren. Dit is het meest directe bewijs dat de 'primitieve cellen'
tijdens het blastoderm-stadium gedetermineerd worden: hoewel zij na
dit stadium aan hun normale omgeving werden onttrokken, voerden
zijtoch een specifiek ontwikkelingsprogramma uit (fig. 8).
5. De voorzichtige conclusie die we uit dit alleskunnen trekken, is
dat de klievingskernen zelf totipotent blijken te zijn en dat hun ontwikkelingskoers pas gedetermineerd wordt wanneer zij de eicortex
binnentreden. Deze conclusie wordt ondersteund door de boeiende en
informatieve kerntransplantaties die in delaatstejaren zijn uitgevoerd.
Illmensee (1972) transplanteerde genetisch gemerkte kernen van verschillende stadia (klievings- en preblastodermkernen) en verschillende
plaatsen (pool- of laterale kernen) naar onbevruchte, ontkernde eie-
mvihe
„f 36a
O O 'O
/
f*.mwbe
\ J""~blastoderm-cellen
poolcellen
voorste helft
achterste helft
^micropyle
y»f 36a
mwh e
Fig.8. Analysevandedeterminatietoestand vanblastoderm-cellen. Genetisch gemerkte blastoderm-embryo's worden in tweehelftengesneden, die
afzonderlijk met intacte embryo's vaneenander genotype vermengd worden.Daarna worden de embryo's inafzonderlijke cellen gedissocieerd, gereaggregeerdeninvivo gekweekt. (Naar Chan & Gehring, 1971.)
141
ren, waar zij in een aantal gevallen gaan klieven en de ontwikkeling
op gang brengen. Als gevolg van tekortkomingen in de techniek stopt
deze ontwikkeling tamelijk gauw, maar men kan delen van het ontstane embryo verder in vivo (d.w.z. in een larve of imago) opkweken.
Daarbij is gebleken dat alle gebruikte kernen in staat zijn elke.imaginale structuur te produceren (herkenbaar aan het genotype van de
gebruikte kernen), en dus totipotent zijn. Okada et al. (1974b) toonden aan dat kernen afkomstig van het voorste deelvan een 256-kernig
embryo in staat zijn structuren behorende tot het achterste deel te
produceren wanneer zij achterin een 32-kernig embryo getransplanteerd worden. Illmensee (1973) bewees bovendien dat zelfs kernen uit
verschillende delen van het vroege gastrula-stadium, getransplanteerd
in onbevruchte eieren van een verschillend genotype, in staat zijn de
ontwikkeling op gang te brengen, soms zelfs tot het popstadium aan
toe. Hij slaagde er zelfs in fertiele afstammelingen van deze donorkernen te kweken, en wel op twee manieren: (1) hij transplanteerde
poolcellen (speciale cellen, ontstaan buiten het blastoderm aan de
achterste pool, die de oergeslachtscellen vormen) uit gekweekteblastoderm-embryo's naar het poolcelgebied in blastoderm-embryo's van
wéér een ander genotype (vergelijk fig. 6); (2) hij transplanteerde
gonaden uit gekweekte larven naar gastheerlarven. In beide gevallen
ontwikkelden zich gameten van het genotype van de oorspronkelijke
donorkernen. Hoewel afkomstig uit een gastrula zijn deze kernen
klaarblijkelijk nog steeds totiponent. (Vergelijk voor dergelijke experimenten bij amfibieën pag. 41.)
Positionele informatie in de eicortex
Als de kernen zelfs op het vroege gastrula-stadium nog totiponent
zijn, terwijl anderzijds het blastoderm duidelijk gedetermineerd is, dan
is er maar één conclusie mogelijk: het corticale cytoplasma moet de
positionele informatie verstrekken aan de blastodermcellen. Dit suggereert dat er in de cortex ongelijk verspreide determinatie-factoren
aanwezig zijn die daar al tijdens de Oogenese gevormd zijn. Hiervan
isbij Drosophilanog weinigbekend; in het hoofdstuk van Sang wordt
samengevat wat we vooral ook bij andere organismen hierover weten
(over Drosophila o.a. pag. 123 e.V.). Het laatste jaar zijn er bij Drosophila echter een paar interessante gegevens voor de dag gekomen.
De zojuist genoemde 'poolcellen' ontstaan al vóór het blastoderm142
Stadium en bevatten het zogenaamde 'poolplasma', dat gekenmerkt
wordt door typische 'poolgranula' die rijk aan RNA zijn, vermoedelijk mRNA (Mahowald, 1971). Het was al eerder bekend dat beschadiging van dit poolplasma door u.v.-bestraling de vorming van kiemcellen verhindert en dus tot steriliteit van de resulterende imago leidt.
(Graziosi & Micali (1974) opperen op grond van soortgelijke resultaten dat een deel van de translatie van de vermoedelijke mRNA's
betrokken bij de poolcel-determinatie op een leeftijd van 55 minuten
beëindigd is.) Thans weten we ook dat de door bestraling geïnduceerde steriliteit kan worden verhinderd door de injectie van poolplasma
uit onbestraalde, bevruchte eieren, maar niet door de injectie van
cytoplasma uit andere delen van het ei (Okada et al., 1974a). Bovendien hebben Illmensee & Mahowald (1974) prachtig aangetoond, dat
poolplasma getransplanteerd naar de voorste pool in gastheereieren
daar de vorming van poolcellen induceert, die zich, als ze getransplanteerd worden naar het poolcelgebied in een tweede serie van
gastheer-embryo's (fig. 9),kunnen ontwikkelen tot fertiele kiemcellen.
DONOR
RECIPIËNT
vroegeklieving vroegeklieving
wild-type
mwh e
GASTHEER
blastoderm
y w sn3
Fig. 9. Transplantatie van het achteraan gelegen poolplasma (vierkernig
stadium) naar de voorste pool in even oude, genetisch verschillend gemerkte embryo's. De aldus geïnduceerde poolcellen worden vervolgens getransplanteerd naar blastoderm-embryo's van weer een ander genotype, waar zij
zich ontwikkelen tot geslachtscellen van het recipiënte genotype. (Naar
Illmensee & Mahowald, 1974.)
143
De conclusie dat het de eicortex is die de positionele informatie bevat, wellicht in de vorm van bepaalde biochemische factoren, wordt
ook gesteund door het onderzoek aan mutanten met zogenaamde
'maternale effecten' (ziepag. 122e.v.)-Het ziet ernaar uit, dat dehele
cortex functioneert als een 'morfogenetisch veld' waarbinnen de aard
van de primitieve imaginaalcellen gespecificeerd wordt door positionele informatie. De referentiepunten ten opzichte waarvan deze specificatie plaatsvindt (zie Wolpert, 1971) moeten vóór het blastodermstadium, mogelijk al tijdens de Oogenese, bepaald zijn (Ouweneel,
1972).
Deze gedachtengang is heel interessant met het oog op de werking
van bepaalde homoeotische ('orgaanvervangende') mutanten. Ik heb al
gesproken (pag. 139) over de mutatie bithorax,die de voorste halteredelen door de corresponderende vleugeldelen vervangt. Deze mutatie
maakt deel uit van een complex gen dat minstens zeven zogenaamde
pseudo-allelen omvat. Het merkwaardige is dat driehiervan dominant
zijn en naar achter gerichte transformaties bewerkstelligen: Contrabithorax (Cbx)verandert mesothorax plus vleugel in metathorax plus
haltere, Contrabithoraxoid (Cbxd) verandert de metathorax in een
eerste abdominaal segment (ABl) en intraabdominal (Uab)verandert
het eerste in een tweede abdominaal segment (AB2). Daarnaast zijn
drie andere van de pseudo-allelen recessief en bewerkstelligen naar
voren gerichte transformaties: bithoraxoid (bxd) verandert o.a. het
eerste abdominale segment in een metathorax plus haltere, postbithorax (pbx) verandert de achterste metathorax- (AMT) plus halteredelen in achterste mesothorax- (AMS) plus vleugeldelen, en bithorax
(bx) doet hetzelfde met de corresponderende voorste delen (VMT en
VMS).
Kiger (1973) heeft een speculatief model voor de werking van deze
mutanten opgesteld, dat verwant is aan het model van Britten &
Davidson (1969), dat in het hoofdstuk van Sang wordt behandeld
(pag. 109e.v.). Kiger ging uit van deveronderstelling dat bijvoorbeeld
de metathorax gevormd wordt onder invloed van een subsysteem van
vele produktor-genen, die gewoonlijk niet naast elkaar liggen in het
genoom en daarom vermoedelijk elk onder controle staan van
een ernaast gelegen expressor-gen. Alle expressor-genen van één subsysteem moeten dan identieke 'expressoren' produceren, die de produktor-genen activeren en zelf onder controle staan van het homoeotische 'sleutel-gen'. Kiger postuleert nu vier klassen van expressoren,
144
die respectievelijk de VMT-, de AMT-, de ABl- en de AB2-genen
activeren en zelf geactiveerd worden door een allosterisch eiwit P,
geproduceerd door het èx-gencomplex. Dit houdt in dat P vier functionele toestanden moet hebben, zodat het selectief de vier klassen
van expressoren kan activeren. Deze vier toestanden zouden bepaald
kunnen worden door de binding van bepaalde inductor-molekulen (I)
aan drie bindingsplaatsen op P, die respectievelijk de associatieconstanten Ki, K.2 en K3 zouden hebben, zodat de functionele toestand
van P afhangt van de concentratie van I.
De clou van Kigers model is nu dat hij de aanwezigheid postuleert
van een corticale 'gradiënt' (een toenemende concentratie) van dé inductor-substantie I door het hele ei heen van voor naar achter, waarvan de waarde in een bepaald punt dus de postionele informatie in
dat punt zou vormen. We kunnen dan aannemen dat de drie dominante pseudo-allelen Cbx, Cbxd en Uab respectievelijk de bindingsplaatsen 1, 2 en 3 zodanig beïnvloeden dat hun associatieconstanten
verhoogd worden. Dit houdt in dat minder inductor-substantie nodig
is om elke bindingsplaats te binden, zodat deze plaatsen verder naar
voren in het ei al gebonden worden, wat naar achter gerichte transformaties tot gevolg zou hebben. Het is te verwachten dat binding
inderdaad dominant zou zijn over niet-binding. Op een dergelijke
wijze verklaart Kiger ook de gecompliceerde effecten van de recessievepseudo-allelen bxd, pbx en bx. Het hele model is ingenieus maar
geheel speculatief. Het enige aanknopingspunt is dat, zoals gezegd,
etherbehandeling ophet blastoderm-stadium fenokopieën vanbithorax
produceert. De etherdamp grijpt kennelijk aan op een fysiologisch
mechanisme, bijvoorbeeld een mechanisme als dat van Kigers model,
en produceert daardoor soortgelijke veranderingen als bepaalde genmutaties doen.
Positionele informatie in zich ontwikkelende schijven
Tijdens de embryonale periode groeien de imaginaalschijven in spe
niet. Pas na het uitkomen uit het ei beginnen de 'primitieve' imaginaalcellen te delen. De deling van de abdominale histoblasten komt
zelfs pas in het popstadium op gang. De groei van de imaginaalschijven tijdens de larvale ontwikkeling is continu en exponentieel,
hoewel niet gelijkmatig. Er treden plaatselijke verschillen in mitotische
activiteit op, die een belangrijke rol spelen in de morfogenese van de
145
schijf. Andere dergelijke factoren zijn: oriëntatie van de celdelingsrichting, regionale verschillen in celgrootte en celvorm, en lokale,
geprogrammeerde celdood (zie Nöthiger, 1972). Een vermoedelijk
samenspel van deze factoren leidt totdeuiteindelijke vorm en grootte
van de schijf. In het late embryo wordt de schijf histologisch zichtbaar door instulping van het toekomstige schijf-epitheel. Gedurende
de verdere groei neemt de schijf een zeer specifiek plooiingspatroon
aan (fig. 5), vooral als gevolg van lokale, geprogrammeerde celdood
en verschillen in mitotische activiteit (zievoor Calliphora Vijverberg,
1974). Tijdens de metamorfose stulpt de schijf uit, in een richting
tegengesteld aan dievanhet oorspronkelijke invaginatieproces, vooral
als gevolg van celvormveranderingen (Poodry&Schneiderman, 1971).
De belangrijkste resultaten aangaande de morfogenese van de
schijf, enook aangaande devoortschrijdende determinatie inde schijf,
worden momenteel bereikt m.b.v. de al genoemde techniek van de
somatische crossing-over (SCO) (zie Bryant & Schneiderman, 1969).
Door de keuze van geschikte genotypen en het induceren vanSCO
op ieder gewenst tijdstip in deontwikkeling (door middel vanröntgenbestraling) kan men genetische mozaïeken produceren. Afhankelijk
van de gebruikte genotypen kan de moedercel waarin SCO geïnduceerd is twee dochtercellen opleveren waarvan één of zelfs elk van
beide een kloon zal vormen diegenetisch verschilt van de moedercel
(fig. 10). Uitdeverschillende vorm engrootte van gemetamorfoseerde
klonen die waren geïnduceerd op verschillende plaatsen in de schijf
en op verschillende tijdstippen in de ontwikkeling, kan men bepaalde
conclusies trekken over de groeidynamiek en de morfogenese vande
schijf, maar ook over de determinatie van het imaginale patroon binnen deschijf (ziefig. 10en12).
Daarmee raken wijeenmoeilijk probleem. Hetisduidelijk datdeze
determinatie een andere is dan die in het blastoderm, die bepaalde
cellen voor een bepaalde imaginale eindbestemming programmeert.
Zo worden de ongeveer 12 'primitieve' vleugelcellen gedetermineerd
om vleugelweefsel te vormen, zonder nadere specificatie. (DeSCOproeven hebben aangetoond dat bijvoorbeeld elk van de 'primitieve'
vleugelcellen nog elk type vleugelweefsel kan vormen.) Daarentegen
vindt deverdere determinatie binnen deschijf plaats enbepaalt welke
schijfdelen welke structuren zullen vormen. De vraag is nu: is de
determinatie binnen de schijf een voortzetting van het determinatieproces in het blastoderm, inhoudende een geleidelijke en ruimtelijk
146
w/w e '
w/w
w cey w eo
Fig. 10. Röntgen-geïnduceerde genetische recombinatie ('somaticcrossingover') in het X-chromosoom in somatische, zich delende cellen kan bij gebruik van verschillende white-allelen leiden tot 'twin spots' in het oog. Let
op de vorm en oriëntatie van de klonen (die ons informeren over de oriëntatie van de celdelingen in de oogschijf) en op de verschillende grootte van
de klonen (die ons informeert over de verschillende delingssnelheden in de
schijf), w: white (witte oogkleur); w°o; white-coral (koraalkleurig); w/wo;
de heterozygoot vertoont een oogkleur die tussen wit en koraalkleurig inligt. (Naar Gehring &Nöthiger, 1973.)
differentiële, nadere inperking van de ontwikkelingspotenties? Of zijn
deze twee typen determinatie van totaal verschillende aard, zodat zij
niet één continu proces, maar twee discontinue gebeurtenissen vertegenwoordigen?
Verschillende onderzoekers prefereren het eerste alternatief, maar
Schneiderman (1969), Postlethwait &Schneiderman (1974) en Bryant
(1974) kiezen beslist voor het tweede. Schneiderman onderscheidt
'firm biases' en 'transitory biases', wat zo iets betekent als 'standvastige' en 'kortstondige (ontwikkelings-)tendenties'. Het eerste is dan
wat gewoonlijk 'determinatie' wordt genoemd, en wordt gekenmerkt
door 'cel-erfelijkheid': de determinatietoestand wordt doorgegeven
aan de dochtercellen. Zulk een determinatie isde programmering van
de primitieve imaginaalcellen op het blastoderm-stadium. Maar, redeneert Sang's en Schneiderman's leerling Bryant, wat we in de cellen
van de rijpe imaginaalschijf aantreffen is kennelijk helemaal niet een
147
stabiele, overerfbare, differentiële determinatietoestand, maar een
transitory bias: een gespecificeerde positionele informatie, die niet
cel-erfelijk is, maar bij elke celdeling opnieuw gespecificeerd wordt
met betrekking tot de op dat ogenblik heersende ruimtelijke coördinaten. Dezehoogst interessante redenering van Bryant is vooral gegrond
op de resultaten van kweekexperimenten met schijffragmenten. Wat
ons dus nu te doen staat, is na te gaan enerzijds welke gegevens tóch
wijzen op een stapsgewijs voortschrijdende determinatie binnen de
schijf en anderzijds welke gegevens wijzen ophet labiele, reguleerbare
karakter van de positionele informatie in de schijfcellen. En dat alles
zonder ons in het kader van dit hoofdstuk teveel te verliezen in een
theoretische discussie over de wezenlijkheid van de verschillen tussen
blastoderm-determinatie en schijf-determinatie.
Keren we eerst terug tot de genoemde SCO-techniek. Genetisch
gemerkte klonen kunnen, zoals gezegd, op elk tijdstip tot aan de metamorfose geïnduceerd worden. Uit de bestudering van zulke klonen
bleek dat de ontwikkelingspotenties van schijfcellen steeds verder ingeperkt worden. Als de nakomelingschap van een bepaalde cel deelneemt aan deontwikkeling van tweeverschillende structuren, dan kan
men concluderen dat de moedercel niet gedetermineerd was voor één
van die structuren. Het bleek nu dat naarmate SCO op latere tijdstippen geïnduceerd wordt, de gevormde klonen steeds kleinere aantallen
verschillende structuren overlappen en dus steeds meer tot één bepaalde structuur beperkt blijven (zie de in de vorige alinea genoemde
overzichtsartikelen). Bijvoorbeeld: vroeg geïnduceerde klonen in de
vleugelschijf blijken na de metamorfose zowel het boven- als het onderblad van de vleugel alsmede de mesothorax te overlappen, terwijl
later geïnduceerde klonen elk strikt beperkt zijn tot één van deze drie
gebieden. Dit lijkt op een differentiële determinatie tot drie verschillende celpopulaties te wijzen (en wel rond het begin van het tweede
larvale stadium), al kan men de mogelijkheid niet uitsluiten dat de
resultaten bijvoorbeeld het gevolg zijn van een lokaal, geprogrammeerd 'celdood-patroon' in de grenszones tussen de drie genoemde
gebieden.
De SCO-techniek kan ons over latere stadia weinig leren omdat het
aantal delingen tot aan de metamorfose dan zogeringisdat deklonen
veel te klein worden. Voor deze stadia staat ons een andere methode
ter beschikking, namelijk het mechanisch of chemisch dissociëren (in
kleine celklompjes en losse cellen uiteen laten vallen) en reaggregeren
148
van genetisch gemerkte schijven en schijffragmenten (zie GarciaBellido, 1972). In een groot aantal experimenten is gebleken dat de
cellen in zulke gemengde reaggregaten zich tot op zekere hoogte
'autonoom' differentiëren, d.w.z. volgens de determinatietoestand van
een bepaald 'orgaandistrict' in de schijf waartoe zij behoorden vóór
het vermenigvuldigingsproces. Het is mogelijk dat cellen van éénzelfde orgaandistrict in een reaggregaat elkaar opzoeken door actieve
celmigratie, maar bepaalde argumenten pleiten daartegen (zie Poodry
et al., 1971).Het interessante is nu, dat groepen cellen in een reaggredie tot eenzelfde orgaandistrict behoren, zich differentiëren tot
Fig. 11. Schema van een vermengingsexperiment. Het centrale deel van
een verpoppingsrijpe yéllow-pootschijf wordt met het perifere deel van een
ebony multiple-wing-hairs-Jc/îi// vermengd. Na de metamorfose blijken
alleen cellen uit het snijgebied (d.w.z. de aanleg van de tarsus:T) mozdiekorganen te hebben kunnen vormen, terwijl voor de klauw (K) en de coxa
(C) geen mozaïek-patronen gevonden worden.
149
volkomen normale structuren, behalve dan dat zij een mozaïek-patroon van genetisch verschillend gemerkte cellen vertonen (fig. 11).
Gezien het feit dat de cellen in deze celgroepen zeer waarschijnlijk
niet migreren en dus grotendeels door elkaar liggen, moet men concluderen dat, hoewel cellen van verschillende districten in rijpe schijven essentieel in hun positionele informatie blijken te verschillen, cellen van eenzelfde district in dit opzicht kennelijk nog geen (of geen
blijvend) verschil vertonen.
Dit heeft belangrijke implicaties. Het schijnt dat op het moment
van reaggregatie een determinatie van afzonderlijke orgaandistricten
heeft plaatsgevonden (zoals ook uit de kloonanalyse bleek). Cellen
kunnen althans alleen nog normale structuren leveren in samenwerking met cellen van hetzelfde orgaandistrict. Anderzijds is de positionele informatie binnen een district kennelijk nog niet (althans niet
O.imm
Fig.12. Mozaïeken in de mannelijkebasitarsus (5e pootsegment) van
Drosophila (ventraal aanzicht) met zwarte(gestippelde) en yellow (open)
geslachtskammeljes-tanden enzwarte engeleborstels (waarvan de plaatsen
d.m.v.dichterespectievelijk opencirkels zijn aangeduid). De korte lijntjes
aande cirkels geven de schubbetjes ('bracts') weer (diebijde tanden zijn
weggelaten). De yellow-Wonen overlappen een deelvande geslachtskammetjes alsmede eendeel van deomgeving, waterop wijst dat de determinatie vanhetgeslachtskammetje in eenaantal cellen tegelijk plaatsvindt (en
wel,in ditgeval, nade mitotische recombinatie). (Naar Tokunaga, 1962.)
150
stabiel) gespecificeerd. Cellen van eenzelfde district kunnen zich althans tot normale structuren differentiëren, ook al liggen ze helemaal
door elkaar. Kennelijk wordt binnen zo'n gemengde celgroep de positionele informatie (al of niet opnieuw) gespecificeerd volgens de
nieuw ontstane coördinaten.
Hoe vindt de determinatie tot een bepaald orgaandistrict plaats?
Men zou zich kunnen voorstellen dat zij al in jonge schijven plaatsvindt in één enkele moedercel, waaruit door celdeling het orgaandistrict zou ontstaan. Er zijn echter sterke aanwijzingen dat de determinatie in een aantal cellen tegelijk plaatsvindt, en ook hier komen de
belangrijkste resultaten weer van de SCO-techniek (fig. 12).Als'SCO
geïnduceerd wordt nadat een bepaald district gedetermineerd is, dan
zal de genetisch gemerkte kloon uiteraard beperkt blijven tot dit district. Wordt SCO echter vóór de determinatie geïnduceerd, dan hangt
het resultaat af van de vraag of de determinatie plaatsvond in één
enkele cel of in een groep van cellen. In het eerste geval zou het
district geheel uit gemerkte óf uit niet-gemerkte cellen bestaan, terwijl
in het tweede geval een district zowel gemerkte als niet-gemerkte cellen kan bevatten; in beide gevallen kan de kloon zich overigens ook
uitstrekken over aangrenzende districten. Uit alle gepubliceerde onderzoekingen blijkt nu zonneklaar dat de tweede veronderstelling de
juiste is, zodat de determinatie kennelijk in een aantal cellen tegelijk
optreedt. Dit resultaat is een interessant voorbeeld van het feit dat
wij gedwongen zijn supracellulaire mechanismen in de patroonvorming aan te nemen, ook al kennen wij de moleculaire aard van die
mechanismen nog niet.
Positionele informatie in rijpe schijven
Mijn laatste opmerking brengt mij tot een aantal genetische experimenten die enig licht geworpen hebben op het zojuist genoemde
supracellulaire mechanisme in de patroonvorming. Zij ondersteunen
de gedachte dat dit mechanisme als zodanig niet (of weinig) schijf- of
district-specifiek is en de cel alleen positionele informatie als zodanig
verleent, welke informatie de cel dan specifiek interpreteert volgens
zijn eigen cel-erfelijke determinatietoestand en zijn genetische competenties.
De eerste illustratie van deze gedachte ontlenen we aan de studie
van homoeotische mozaïeken, dat zijn mozaïeken waarin plekken van
151
normaal weefsel (eigen aan de betreffende imaginaalschijf) en homoeotisch weefsel (vreemd aan de schijf) door elkaar liggen. Vroeger
onderzoek van zulke mozaïeken die door de SCO- en de gynandertechniek verkregen waren in verschillende imaginaalschijven, had al
aangetoond dat (genetisch gemerkte) homoeotische plekken zich tegen
een wild-type achtergrond geheel autonoom gedragen, tenzij zij zó
laat geïnduceerd worden dat de cellen al definitief gedetermineerd
zijn voor een normale ontwikkeling (zie voor een overzicht hiervan
Ouweneel, 1975a). Maar Postlethwait & Schneiderman (1971) deden
nog een andere ontdekking. Zij bestudeerden fenotypische homoeotische mozaïeken, dus mozaïeken die niet gemaakt zijn m.b.v. de
SCO-of de gynander-techniek, maar het gevolgzijn van de wisselende
expressie van de homoeotische mutant zelf. Zij werkten met de mutatie Antennapedid (Antp), die de antenne in zeer zwakke tot zeer
sterke mate vervangt door een poot. Nauwkeurige waarnemingen aan
zulke antennen toonden aan dat specifieke antenne-delen vervangen
waren door specifieke pootdelen. Zelfs kleine groepen van pootzintuigjes kwamen uitsluitend op zeer bepaalde plaatsen op de antenne
voor. De beide onderzoekers opperden dat in de antenneschijf en de
pootschijf eenzelfde mechanisme voor de specificatie van postionele
informatie werkzaam is, zodat in een /4n?p-antenneschijf de normale
antenne-cellen en de homoeotische pootcellen beide reageren op hetzelfde patroon van positionele informatie. Elke cel zal dus precies
vormen wat overeenkomstig haar positie van haar 'verwacht' wordt,
alleen... zij zal dat doen volgens haar genetisch bepaalde determinatietoestand en dus meewerken aan de vorming óf van antennestructuren óf van pootstructuren; dit noemen we dan de interpretatie van
de positionele informatie.
Soortgelijke resultaten heb ik zelf behaald met homoeotische halteremutanten (Ouweneel, 1975b). Het gebruiken van bithorax (bx)en
postbithorax (pbx) heeft het voordeel dat slechts een deel (namelijk
het voorste of het achterste deel) van de haltere getransformeerd
wordt, zodat op elk proximo-distaal niveau naast elkaar gelegen haltere- en vleugelstructuren met elkaar vergeleken kunnen worden, terwijl de grenslijn ertussen van voor naar achter kan variëren. Nauwkeurige bestudering van bx- en pè*-halteren maakte het mogelijk
precieze homologieën vast te stellen tussen bepaalde haltere- en vleugelstructuren (zelfs kleine groepjes van zintuigjes) (fig. 13). Door de
vervangingspatronen toe te passen op de reeds bekende organenkaart
152
pedicel
cdpiteilum
scabellum
/ ^^^y
HALTERE
Fig. 13. De homologie tussen haltere- (boven) en vleugelstructuren (onder), bepaald volgens plaats-specifieke transformaties in homoeotische
halteren van bithorax en postbithorax. De segmentsgewijze bouw van de
haltere is nog vrij duidelijk in de vleugel terug te vinden. De groepen
sensillen (zintuigorgaantjes) komen nauwkeurig overeen.
van de haltereschijf kan men zelfs een eenvoudige, speculatieve organenkaart van de vleugelschijf maken.
Homoeotische mutanten zijn 'patroonmutanten' omdat zij specifieke
structuren substitueren voor specifieke delen van een totaal-patroon.
Andere patroonmutanten leiden tot eliminatie van bepaalde delen van,
of tot toevoeging van nieuwe elementen aan een overigens ongewijzigd patroon. Vooral Stern en zijn medewerkers hebben zich beziggehouden met genetische mozaïeken van dit soort patroonmutanten,
met name die welke het borstelpatroon op kop en thorax en de geslachtskammetjes op mannelijke voorpoten beïnvloeden (zie Stern,
1968; Garcia-Bellido, 1972). Deze onderzoekers vonden dat in verreweg de meeste gevallen de cellen in zulke mozaïeken zich praktisch
geheel autonoom ontwikkelen, dus volgens hun eigen genotype, maar
wel onderworpen zijn aan een gemeenschappelijk patroon van positionele informatie-waarden (wat Stern een 'prepattern', een 'voor153
patroon' noemde). Een voorbeeld: de mutant achaete (ac)elimineert
één borstelpaar dat op een vast omschreven plaats opdethorax voorkomt. In mozaïek-vliegen waren ac-klonen geïnduceerd die tevens
met de mutatie yellow (y) gemerkt waren, waardoor zij een gele in
plaats van de gewone donkere lichaamskleur en borstelkleur hadden.
In bijna alle gevallen bleek de bedoelde borstel aanwezig te zijn als
het weefsel dat zijn plek besloeg ac* was, en afwezig als die plek y ac
was, totaal onafhankelijk van de vraag hoeveel ac-of ac+-weefsel die
plek omringde (fig. 14). Dit wijst er sterk op dat ac niet het cuticulaire patroon als zodanig, dus ook niet de positionele informatie verandert, maar alleen het weefsel de competentie ontneemt om de
positioneleinformatie dieopdebewusteplek borstelvorming 'gebiedt',
dienovereenkomstig te 'gehoorzamen'. De mutant vertoont echter een
boeiende uitzondering. Als de eigenlijke borstelplek bedekt is door
(niet-borstelvormend) öc-weefsel maar direct grenst aan ac+-weefsel,
dan kan een naburige ae+-cel een borstel maken. Dit wijst erop dat
borstelvormende factoren zich uitbreiden over verscheidene cellen,
zodat als de cel in de juiste positie genetisch incompetent is om de
vereiste respons te geven, een dichtbijgelegen competente cel de borstel kan vormen. Kennelijk is het zo, dat in de wild-type thorax de
aanwezigheid van eenzich ontwikkelende borstel een andere, dichtbijgelegen en overigens competente cel verhindert óók een borstel te
maken. We kunnen dus veronderstellen dat we hier te maken hebben
zowel met factoren die deborstelvorming induceren alsmet diewelke
haar remmen.
Iets dergelijks treffen we aan bij een mutant van het omgekeerde
type, één die nieuwe elementen aan het patroon toevoegt, en wel de
dominante mutant Hairy-wing, die op bepaalde delen van de thorax
extra borstels produceert. Ook deze mutant is niet voor 100% autonoom. In genetische mozaïeken kan een (gemerkte) Hw+-plék in een
ATw-omgevingsoms een extra borstel produceren in de buurt van het
#vi>weefsel. Kennelijk produceert het flw-weefsel borstelvormende
factoren die ook in de wild-type cellen terechtkomen en door deze
'geïnterpreteerd' kunnen worden, maar het is ook mogelijk dat het
effekt van Hw bestaat in de blokkering van het remmechanisme dat
we zojuist in het geval van achaetehebben aangenomen. Er zijn meer
van dat soort 'korte afstands-inducties' bekend. Er komen bijvoorbeeld op bepaalde delen van depoten borstels voor die vergezeld worden door een 'schubbetje' ('bract') aan de basis, dat geproduceerd
154
™^
b
+
A!\f*
d
Pig. 14. Mozaïek-patronen, tijdens de ontwikkeling geïnduceerd: (a) gynander-mozaïek van achaete (ac/ac, zwarte) en normale (ac/ac1", witte)
gebieden, die de autonome aanwezigheid (+) of afwezigheid (-) bepalen
van een specifieke borstel op de thorax. Niet het genotype van het omringende weefsel, maar uitsluitend het genotype van de cellen op de toekomstige plaats van de borstel bepaalt de aan- of afwezigheid daarvan op die
plaats. (Naar Stern, 1954.) (b-d) SCO-mozaieken van ey D /+ (zwart) en
ytllow-structuren (waarschijnlijk niet-eyD) (wit); de laatste wijzen door de
vorming van extra geslachtskammetjes op non-autonomie van eyD, die vermoedelijk te wijten is aan een verstoring in de specificatie van de positionele informatie, mogelijk veroorzaakt door de defecte intersegmentale
membraan (zie * in d) en door vergroting van de basitarsus. (Naar Stern
& Tokunaga, 1967.)
wordt door een andere cel die niet cel-erfelijk verwant hoeft te zijn
aan de cellen waaruit de borstel ontstaat. Uit de studie van reaggregaten en genetische mozaïeken is nu gebleken dat de vorming van de
155
borstel autonoom geschiedt, maar dat de vorming van de schub volkomen niet-autonoom is maar plaatsvindt onder invloed van een
naastgelegen borstel. Kennelijk induceert een borstel een naastgelegen
epidermale cel (die er niet mee verwant is, ja van een heel andere
plaats kan komen) tot de vorming van een schub. Uit dit soort resultaten blijkt dat de 'celsgewijze' specificatie van positionele informatie
niet van een zodanige aard is dat er geen interacties tussen naast
elkaar liggende cellen zouden optreden, hoewel deze interacties beperkter in omvang zijn dan de inductieverschijnselen in vele andere
organismen. (Hierop wordt in dit boek niet verder ingegaan.)
Mutatie van de positionele informatie
De zojuist beschreven patroonmutanten veranderden kennelijk niet het
mechanisme van de positionele informatie zelf, maar alleen de competentie van de cellen om op dit mechanisme adekwaat te reageren.
Er zijn echter ook patroonmutanten die op de specificatie van de
positionele informatie schijnen aan te grijpen. Zouden zij dit op zeer
drastische wijze doen, dan zouden zij waarschijnlijk letaal en dus
moeilijk op te sporen zijn; maar kleine en/of late veranderingen van
de specificatie zouden de levensvatbaarheid van de vlieg niet hoeven
te benadelen. Een voorbeeld hiervan lijkt demutanteyeless-Dominant
te zijn (eyD, een dominant allel van het gen eyeless,ey). Deze mutant
veroorzaakt naast een effect op de ogen een vergroting van de basitarsus (het meest proximale en grootste tarsale pootsegment) en onderbrekingen van de intersegmentale membraan. De basitarsus is
daardoor deels versmolten met het (verkorte) tweede tarsale segment
en heeft bovendien aan zijn distale einde (bij het mannetje) niet één
geslachtskammetje (een rij van stevige borstels of 'tanden') maar verscheidene. In genetische mozaïeken blijken ey+-plekken (gemerkt met
yellow) in een eyD y+-omgeving onder invloed van de nabij gelegen
eyD-cellen ook extra 'geslachtskammetjestanden' te produceren (fig.
14) (zie Stern, 1968;Garcia-Bellido, 1972).Door ingenieuze controleexperimenten bleek dat de kennelijke non-autonomie van de ey+-plékken niet veroorzaakt werd door de produktie van een borstelvormende factor elders in het lichaam en ook niet door SCO tussen y* en
eyD. De enige conclusie die overblijft, is dat de positionele informatie
in de hele basitarsus door eyD gewijzigd is,waardoor een kleine,wildtype plek in een gebied dat normaal geen geslachtskammetje produ156
ceert, gedetermineerd wordt tot de vorming van 'tanden'. Ik heb
eerder een dergelijke verandering van de positionele informatie in
verband gebracht met de veranderde ruimtelijke ordening in de basitarsus (Ouweneel, 1972); plaatselijke vergroting van dit segment zou
leiden tot veranderde coördinaten en dus tot andere informatie over
debetrekkingen van de cellen tot die coördinaten.
Zeer recentelijk zijn er heel nieuwe, boeiende gegevens over eyD
bekend geworden, alsook over de mutant shibere (shi), die allebei
openingen in dezelfde intersegmentale membraan vertonen (Poodry &
Schneiderman, 1974;zie ook Bryant, 1974;Postlethwait & Schneiderman, 1974). Op de poot van een normale vlieg wijzen de borstels^en
haren allemaal in distale richting, terwijl de borstels aan hun proximalebasis een schubnaast zich hebben (zoalsreeds gezegd). Vanwege
de gerichte stand van de borstel en de specifieke plaats van de schub
zeggen we dat de borstel polariteit vertoont. Het blijkt nu dat veel
borstels en haren in de buurt van de genoemde membraan-openingen
een abnormale of zelfs omgekeerde polariteit vertonen (vergelijk fig.
15A). Soortgelijke omkering van de polariteit gekoppeld aan openingen in de intersegmentale membraan vond Postlethwait onlangs eveneens in vliegen die ontstaan waren uit larven die jong met röntgenstraling behandeld waren. Dergelijke polariteitsveranderingen doen
ons onmiddellijk denken aan de resultaten van (1) epidermis-transplantaties in buiksegmenten van motten en wantsen (fig. 15A) en (2)
complete poottransplantaties bij kakkerlakken (zie Lawrence, 1970).
Al deze verschillende resultaten hebben tot dezelfde opmerkelijk goed
gefundeerde hypothese gevoerd. Men neemt aan dat de polariteit in
de poot- en lichaamssegmenten gecontroleerd wordt door een patroon
van positionele informatie-waarden in de vorm van een 'gradiënt' van
een of andere onbekende morfogenetische factor, welke gradiënt dan
in elk segment herhaald zou worden (fig. 15B). De intersegmentale
membraan zou dan dienen alsscheidingswand tussen dehoogste waarde van één zo'n gradiënt en de laagste waarde van de aangrenzende
gradiënt. Men kan zich voorstellen dat als deze membraan doorbroken wordt, er een 'afvloeiing' van de morfogenetische factor plaatsvindt (men noemt dat 'flow') van het hoge gradiënt-stuk in het ene
segment naar het lage gradiënt-stuk in het andere. Denkt men zich in
dat de polariteit van de borstels bepaald wordt door de hellingsrichting van de gradiënt, dan kan men ook inzien dat in het gebied van
de flow (dus in en rond de membraan-opening) de hellingsrichting en
157
Fig. 15. Storingen in de polariteit van de haren als gevolg van onderbrekingen in de intersegmentale membraan (i.m.), hier getoond bij twee
buiksegmenten vandewants Oncopeltus fasciatus (A)maar nuook ontdekt
bij ty£>-pootsegmenten van Drosophila. Deze polariteitsveranderingen;alsmede de geslachtskammetjes-verdubbeling bij eyD, kunnen goed worden
weergegevendoor eenmodel vaneen zich persegment herhalende gradiënt
(B), waarin de hoogte vanelk punt een bepaald differentiatie-type, ende
richting vandegradiënt depolariteit aanduidt. Onderbrekingen vandei.m.
leiden tot 'vervloeiing' ('flow') vandegradiënt (onderbroken lijn), waardoor
plaatselijk de polariteit wordt omgekeerd en bepaalde gradiëntwaarden
verdubbeld worden. (Naar Lawrence, 1966.)
daarmee de polariteit isomgekeerd. Bovendien moet flow ertoe leiden
dat het hoogste deel van de gradiënt ontbreekt, terwijl lagere delen
gedupliceerd worden; dit zou prachtig verklaren hoe de verdubbeling
van het geslachtskammetje in de basitarsus van deze mutanten ont158
T
staat (hoewel het niet de enige verklaring kan zijn omdat er ook verdubbelingen in de dwarsrichting voorkomen, zie fig. 14;deze kunnen
misschien in verband gebracht worden met de vergroting van de
basitarsus zelf).
Alsik mij niet zostrikt had voorgenomen nagenoeguitsluitend over
Drosophilate schrijven (omdat dit hoofdstuk anders veel te lang zou
worden), dan zou ik de verleiding niet hebben kunnen weerstaan uitvoeriger over de vergelijkbare resultaten bij de lagere insekten te
schrijven. Laat ik echter alleen de hoofdresultaten noemen, zoals die
zojuist bij Drosophilabevestigd bleken te zijn. Door tientallen elegante experimenten is zeer aannemelijk gemaakt dat er in de abdominale
segmenten van insekten zoiets moet zijn als een zich van segment tot
segment herhalende morfogenetische gradiënt. Men stelt zichvoor dat
deze gradiënt in elk topografisch punt (zeg maar: in elke segmentcel)
minstens twee gegevens verstrekt: (1) de absolute waarde van de gradiënt verschaft de positionele informatie en bepaalt daarmee het te
differentiëren celtype, en (2) de hellingsrichting van de gradiënt bepaalt de polariteit van de cel. Voorts blijkt dat de gradiënt ook regulatieve eigenschappen bezit: als er een discontinuïteit (een 'jump')
ontstaat (zoals door de genoemde membraan-openingen of door transplantaties), dan wordt die overbrugd door flow. Deze vindt echter
slechts op beperkte schaal plaats, zodat er een 'tegenkracht' moet zijn
die neigt tot handhaving van de gradiënt-waarden in de cellen. Uit
alles blijkt trouwens dat alle betrokken cellen aan de vorming en
handhaving van de gradiënt meewerken, en er geen sprake is van een
simpele diffusie-gradiënt met slechts een aanmaakpunt ('source') en
een afvoerpunt ('sink') van de betrokken morfogenetische factor aan
het begin en het eind van de gradiënt. Uitgaande van dit model heeft
men onlangs een uitstekende computersimulatie van detransplantatieresultaten bij de wants Rhodnius verricht (Lawrence et al., 1972). In
dit model worden de cellen als homeostatische eenheden in de gradiënt beschouwd, die na verstoring van de gradiënt streven naar een
evenwichtstoestand tussen de oude en de nieuwe positie. De gedachte
leeft momenteel sterk dat de cellen tijdens een bepaalde fase in elke
nieuwe celdeling opnieuw hun gradiënt-waarde, en dus hun positionele waarde bepalen; een gedachte die ik al eerder verwoord heb
toen ik sprak over het vermoedelijk niet cel-erfelijk zijn van bepaalde
vormen van positionele informatie (pag. 147e.V.).
We hebben zojuist gezien dat flow van de gradiënt in eyD en shi
159
leidt tot verdubbeling van bepaalde gradiënt-waarden en daarmee van
bepaalde structuren. Er zijn meer van zulke duplicatie-mutanten bekend, die soms niet slechts één bepaald segment maar de hele imaginaalschijf betreffen (zie Ouweneel, 1975a). Een recent voorbeeld is
de mutant Costal. Daarin ontbreekt in de vleugel de voorste zone,
die (in het extreme geval) vervangen is door een spiegelbeeldig duplicaat van de rest van de vleugel (Whittle, 1973); hetzelfde blijkt het
geval te zijn met de haltere (zoals bleek uit eigen, ongepubliceerd
onderzoek). Men kan zich de werking van zo'n mutant op twee verschillende manieren indenken. De mutant zou een gedeelte van de
gradiënt kunnen elimineren door secundaire lokale celdood in de
imaginaalschijf, gevolgd door het uitgroeien van aangrenzend weefsel
dat daardoor een duplicaat kan vormen van de structuur waarvoor
het gespecificeerd is. Maar ook zou de mutant een gedeelte van de
gradiënt kunnen vervangen door een duplicaat (met omgekeerde hellingsrichting) van een ander, aangrenzend gedeelte van de gradiënt.
De eerste mogelijkheid kan men testen met kleuringstechnieken; een
voorbeeld daarvan is lethal(l)726ts, die in het ooggebied celdood veroorzaakt diegecompenseerd wordt door antenneverdubbeling (Russell,
1974). De tweede mogelijkheid kan men testen met de SCO-techniek;
een voorbeeld daarvan isde al genoemde mutant eyD (pag. 156).
Naast de duplicatie-mutanten zijn er nog wel andere mutanten die
kennelijk de positionele informatie in de schijf als geheel beïnvloeden,
bijvoorbeeld die welke het segmentatie-patroon wijzigen; maar ik zal
daar in ditverband niet verder over uitweiden.
Regulatie van de positionele informatie
Wat genetische mutaties kunnen, kan de onderzoeker vaak ook. Hij
kan omstandigheden creëren waardoor verschijnselen in imaginaalschijven kunnen worden opgewekt diewij in normale omstandigheden
al kenden als gevolg van mutaties. Niet dat de onderzoeker daarvoor
hoeft in te grijpen in het genoom zelf, maar kennelijk beïnvloedt hij
de epigenetische controle-mechanismen die het genoom reguleren.
Dit kan hij bijvoorbeeld eenvoudig doen door al rijpe schijven nog
verder op te kweken in volwassen gastheer-vliegen, want daardoor
kan hij de hele positionele informatie danig verstoren. De imaginaalschijf bereikt tegen het eind van de larvale fase ook het eind van haar
groeiprogramma. De delingen nemen af en kort na de verpopping
160
stopt de groei geheel. De schijf is helemaal klaar om te metamorfoseren. Stel nu dat we zo'n schijf uit een rijpe larve halen en in een
volwassen vlieg transplanteren; dan is er geen metamorfose, want in
de vlieg ontbreekt het daartoe benodigde verpoppingshormoon. Bovendien is er geen verdere groei omdat het groeiprogramma al voltooid was. Kortom, de schijf blijft in leven maar er gebeurt verder
niets mee.
Maar stel nu dat we de schijf zouden halveren (dat doen we met
fijne wolfraam-naalden) en de schijfhelften afzonderlijk in vliegen
zouden transplanteren. We hebben dan in beide fragmenten een
wondvlak gecreëerd, en de ervaring leert dat dit het schijffragment
aanzet om aan dat wondvlak te gaan uitgroeien. Nauwkeurig onderzoek heeft aangetoond dat in een smalle zone langs het wondvlak de
cellen gaan delen en zo een celmassa vomen, die we een blasteem
noemen. Het aardige is zelfs, dat als die groei eenmaal op gang gekomen is, zij niet meer te stuiten is. In een maand tijds (ongeveer de
levensduur van de gastheer-vlieg) kan al een vrij groot blasteem ontstaan. Men kan dit geheel (fragment plus blasteem) in enkele stukken
verdelen en elk stuk weer in een nieuwe vlieg transplanteren, waar
het weer intensief verder gaat groeien. Vervolgens kan men de stukken wéér in nieuwe gastheren overbrengen, en dit kan men over een
groot aantal 'transfer-generaties' voortzetten (zie fig. 3). In het laboratorium van Prof. Hadorn in Zürich houdt men dit al twaalf jaar
vol!
Het spreekt vanzelf dat we heel nieuwsgierig zijn naar de determinatietoestand van de nieuw gevormde cellen. Wat hebben ze van hun
moedercellen meegekregen? Welke structuren zullen ze vormen? Dit
is gemakkelijk na te gaan. Op elk moment in de kweekperiode kunnen we de celmassa uit de vlieghalen en geheel of gedeeltelijk in een
rijpe larve transplanteren. Dit implantaat zal dan mét de larve de
metamorfose ondergaan, waarna wekunnen onderzoeken welkestructuren het implantaat geproduceerd heeft. Welnu, op deze wijze is gebleken dat de resultaten in drie categorieën uiteenvallen:
1. Duplicatie. Sommige fragmenten blijken Diastemen te vormen
die zich differentiëren tot duplicaten van die fragmenten (of delen
daarvan). Het oorspronkelijke fragment en zijn duplicaat zijn eikaars
spiegelbeeld. Dit verschijnsel van de duplicatie is dus een experimentele imitatie van wat duplicatie-mutanten op genetische wijze bewerkstelligen. Het lijkt erop dat duplicerende fragmenten uitsluitend dat
161
type structuren kunnen vormen waarvoor zijzelf gedetermineerd zijn
(Bryant, 1975). Er zijn echter aanwijzingen (Van der Meer & Ouweneel, 1974) dat als een blasteem groter is dan nodig is om alle in het
fragment aanwezige aanleggingen te dupliceren, er tussen de twee
spiegelbeeldige helften aangrenzende structuren geregenereerd kunnen
worden, dieinhet oorspronkelijke fragment niet aangelegd waren.
2. Regeneratie. Andere schijffragmenten blijken in staat te zijn de
ontbrekende aanleggingen (die gelegen waren in het weggesneden
fragment) te regenereren. Dat wil dus zeggen dat als bijvoorbeeld
een pootschijffragment de tijd krijgt een blasteem te vormen dat net
zo groot is als het weggesneden fragment, wij daarmee eigenlijk een
complete pootschijf terug hebben, die dan ook tijdens de metamorfose
een complete poot zal produceren. Dit verschijnsel vindt natuurlijk
niet zijn tegenhanger in (denkbeeldige) regeneratie-mutanten. Immers,
we zouden zulke mutanten nooit kunnen opsporen omdat zij volkomen normale organen produceren. Het is echter heel goed denkbaar
dat duplicatie-mutanten waarvan de werking berust op celdood gevolgd door een compenserende groeifase, evenzeer regeneratieverschijnselen teweegbrengen. De gevolgen daarvan zouden ons in tegenstelling tot die van duplicatieverschijnselen echter ontgaan.
3. Transdeterminalie.Sommigeschijffragmenten vormen blastemen
die, vooral na voortgezette en snelle groei, zich differentiëren tot
structuren die normaliter door andere schijven gevormd worden. Dit
verschijnsel, dat kennelijk berust op een omslag in de determinatietoestand van de blasteemcellen (vandaar: 'transdeterminatie'), vindt
zijn tegenhanger in de homoeotische mutanten. De veranderingen in
homoeotische schijven komen treffend overeen met die in getransdetermineerde schijven (zie Ouweneel, 1975a; zie ook pag. 144). De
transdeterminatie-verschijnselen zijn uitvoerig onderzocht en hebben
een aantal opmerkelijke eigenschappen (zie Postlethwait &Schneiderman, 1974). Sommige transdeterminatie-stappen zijn omkeerbaar,
maar andere slechts in een gering aantal gevallen of helemaal niet
(bijvoorbeeld: een haltereschijf kan wel getransdetermineerd worden
tot vleugelschijf, maar niet andersom). Daar er tevens specifieke frequenties voor bepaalde transdeterminatie-stappen blijken te bestaan,
blijkt transdeterminatie te verlopen in een voorspelbare volgorde. Genitaalschijf wordt getransdetermineerd tot poot of antenne; pootschijf
tot antenne of vleugel; antenneschijf tot poot of vleugel; oog- en
haltereschijf tot vleugel; en vleugelschijf voornamelijk tot mesothorax
162
poten
^ y
genitaliën N .
I
x.
antennen
ogen
mesothorax
halteren
Fig. 16. Opeenvolgende transdeterminatie-stappen tussen verschillende
imaginaalschijven (aangeduid door de corresponderende adulte structuren).
Wel zijn sommige transdeterminaties (in verschillende mate) omkeerbaar,
maar over het geheel is er toch een duidelijke progressie van genitaliën
naarmesothorax. (Naar Hadorn, 1968.)
(fig. 16). Het proces verloopt dus in de volgorde van genitaliën via
antenne en poot naar vleugel en tenslotte naar de mesothorax, die
nimmer getransdetermineerd schijnt te worden. Een andere eigenschap van transdeterminatie is, dat zij in een groot aantal delende
cellen tegelijk plaatsvindt, zoals we dat ook voor de specificatie van
positionele informatie zagen (pag. 151). Verder is transdeterminatie
altijd een 'sprongeffect'; het gaat altijd om alternatieve celtypen, nooit
worden intermediaire typen geproduceerd. Bij een transdeterminatie
van bijvoorbeeld poot naar antenne vindt kennelijk een omschakeling
plaats waarbij de hele 'batterij' van 'poot-genen' ineens wordt uitgeschakeld en die van 'antenne-genen' wordt ingeschakeld. (Zie ook
pag. I l l over geïntegreerde genenbatterijen.)
Tussen de drie genoemde verschijnselen (duplicatie, regeneratie en
transdeterminatie) bestaan heel belangrijke relaties. Ten eerste blijkt
dat duplicatie en regeneratie 'polaire' fenomenen zijn: als men een
schijf op willekeurige wijze in twee fragmenten verdeelt, dan zal ge163
woonlijk het ene fragment zichzelf dupliceren, terwijl het andere fragment de ontbrekende delen zal regenereren. Dit is bewezen voor de
genitaalschijf, de antenneschijf, de pootschijf, en recentelijk voor de
haltereschijf (Van der Meer & Ouweneel, 1974) en de vleugelschijf
(Bryant, 1975). Het nauwkeurigst is dit uitgezocht voor de laatstgenoemde schijf. Bryant slaagde er zelfs in een oriëntatiepunt ongeveer
in het midden van de vleugelschijf te lokaliseren, met als eigenschap
dat bij elke willekeurige snede het fragment dat dit oriëntatiepunt bevat regenereert, terwijl het complementaire fragment altijd dupliceert
(fig. 17). Spreij (ongepubliceerd) wist onlangs een overeenkomstig
oriëntatiepunt te bepalen in de vleugelschijf van Calliphoraen ontdekte dat juist deze plek een sterke activiteit van het enzym 5'-nucIeotidase vertoont (al hebben we er nog geen idee van of en wat voor
Fig. 17. Organenkaart van de vleugelschijf bij Drosophila:kruis-arcering:
de vleugelaanlegging (getrokken lijn: toekomstige vleugelrand); horizontale
arcering: toekomstige pleurale structuren; schuine arcering: toekomstige
dorsale thoraxdelen; verticale arcering: toekomstig scutellum. De pijlen
(willekeurig in aantal) bieden een model voor de regeneratie-en duplicatieverschijnselen in deze schijf: zij duiden elk een gradiënt van ontwikkelingscapaciteit aan die in de aangegeven richting afloopt en zich gedraagt zoals
weergegeven in figuur 18. (Naar Bryant, 1975.)
164
causaal verband hier moge liggen). Van der Meer en Ouweneel vermoeden dat in de haltereschijf dit punt meer in het voorste schijfgedeelte, dus in de metathorax-aanleg ligt.
Ook hier kan men de resultaten weer op elegante wijze met elkaar
in verband brengen door middel van een gradiënt-model. Zo'n model
geeft nog nauwelijks een 'verklaring' maar levert eerder een 'coherente beschrijving' van de verschijnselen. Anderzijds kan men zich moeilijk voorstellen dat een model dat heel veel verschijnselen op verrassende manier correleert, niet zou corresponderen met een bepaald
fysisch-chemisch mechanisme. Naarmate meer eigenschappen van het
model bekend worden, kan men zelfs bepaalde mechanismen als mogelijkheid uitsluiten. In het onderhavige geval denken de onderzoekers
aan een gradiënt van een of andere factor in de schijf, zodanig dat
hogere delen van de gradiënt wel lagere delen kunnen regenereren,
maar lagere delen zichzelf alleen kunnen dupliceren (fig. 18). In
het geval van de vleugelschijf zou het genoemde 'oriëntatiepunt' (fig.
17) dus het hoogste punt van de gradiënt zijn, die radiair naar de
schijfrand zou afnemen.
Het is interessant dat Postlethwait (1974) onlangs op een heel andere manier eveneens de top van de gradiënt in het midden van de
vleugelschijf heeft gelokaliseerd. Hij bestraalde pas uitgekomen larven
met gamma-stralen, waarna hij in de volwassen geworden dieren zowel wegvallen als verdubbeling van vleugelstructuren aantrof. Gedupliceerde patronen bevatten zelden structuren gevormd door het
centrale schijfgedeelte, terwijl deficiënte patronen juist altijd deze
'centrale' structuren bevatten. Bij de haltereschijf moet de top van de
gradiënt meer vóórin de schijf liggen. Niet alleen bevestigt dit prachtig de resultaten van Bryant respectievelijk van Van der Meer en
Ouweneel, maar bovendien toont het aan dat er al in 24 uur oude
schijven regionale determinatieverschillen moeten bestaan.
Tenslotte is ook gebleken dat er duidelijke relaties zijn tussen duplicatie en regeneratie enerzijds en transdeterminatie anderzijds. In de
eerste plaats heeft Schubiger (1971) voor de pootschijf aangetoond,
dat schijfdelen die de hogere delen van degradiënt vertegenwoordigen
tijdens kweekproeven op grote schaal transdeterminatie ondergaan,
terwijl schijfdelen die corresponderen met de laagste delen van de
gradiënt helemaal niet transdetermineren. Misschien is transdeterminatie daarom in feite een zeer bijzonder soort regeneratie, waarbij
niet alleen ontbrekende schijfdelen, maar na voortgezette groei ook
165
POSITIE
TWEEDELING
REGENERATIE
DUPLICATIE
Fig. 18. De hypothetische gradiënt vanontwikkelingscapaciteit in imaginaalschijven; na tweedeling zullende hogere delen doorgroei het ontbrekenderegenereren, terwijl de lagere delenalleen zichzelfkunnen dupliceren.(Naar Bryant, 1971.)
andere schijven 'geregenereerd' kunnen worden. Nu begrijpen we ook
wat de zogenaamde 'regionaal-specifieke transdeterminatie' is. Men
verstaat hieronder een transdeterminatie-proces waarbij een bepaald
schijfgedeelte een orgaan vormt dat normaliter door een ander gedeelte van dezelfde (niet van een andere) schijf wordt gevormd; in
werkelijkheid hebben we hier waarschijnlijk gewoon met duplicatie te
maken. Ook is dit waarschijnlijk de verklaring van het genoemde feit
dat 'vleugel'wel tot 'mesothorax'transdetermineert, maar 'mesothorax'
zelf nooit transdetermineert. De vleugel-aanleg in de vleugelschijf
(kruis-arcering in fig. 17) kan namelijk wel de mesothorax-aanleg in
die schijf regenereren, maar deze laatste komt zelf overeen met de
laagste gradiënt-delen in de schijf (enkelvoudige arcering) en kan dus
166
alleen dupliceren - wat zij in 'monocultuur' dan ook eindeloos blijft
doen.
Samenvatting
De ruimtelijke ordening van verschillende celtypen gedurende de ontwikkeling (de 'patroonvorming') vormt een centraal probleem in de
ontwikkelingsbiologie. Ik heb dit probleem toegelicht aan de hand
vanéén der best onderzochte systemen, namelijk de imaginaalschijven
van Drosophila.Deze aanleggingen van de imaginale organen zijn al
tijdens de larvale fase 'gedetermineerd', d.w.z. geprogrammeerd voor
een specifieke ontwikkelingsrichting. Dit is met name gebleken uit
transplantatie- en kweekproeven in gastheerlarven en -vliegen. Het
blijkt zelfs dat de 'primitieve' imaginaalcellen al in het jonge embryo
(namelijk op het blastoderm-stadium) gedetermineerd worden. In de
ruimtelijke ordening en de determinatie van deze imaginaalcellen is
meer inzicht verkregen door de studie van embryonale defecten en
van fenokopieën, en door weefsel- en kerntransplantaties. Vermoedelijk is de vroegst verstrekte 'positionele informatie' gebonden aan bepaalde eigenschappen van de eicortex; de studie van het zogenaamde
poolplasma, van maternale effecten en van bepaalde homoeotische
mutanten wijst daar althans op.
Tijdens de verdere groei en ontwikkeling van de imaginaalschijven
gedurende de larvale fase moet ook binnen de schijven een ruimtelijke
ordening vastgesteld worden. Deze verdere specificatie van de positionele informatie binnen de schijven is echter vermoedelijk niet, zoals
die van de schijven als geheel, cel-erfelijk, maar geschiedt tijdens elke
celdeling opnieuw, met betrekking tot de dan aanwezige ruimtelijke
coördinaten. Over het niveau en het karakter van deze differentiële
positionele informatie zijn we meer te weten gekomen door de belangrijke methode der kloon-analyse (m.b.v. röntgen-geïnduceerde somatische crossing-over) en door dissociatie- en reaggregatie-proeven.
Het blijkt onder andere dat de specificatie niet in afzonderlijke moedercellen, maar in grote aantallen cellen tegelijk plaatsvindt. De resultaten van deze specificatie in rijpe schijven worden op fraaie wijze
duidelijk door onderzoek aan homoeotische mozaïeken, mozaïeken in
borstel- en haarpatronen en inductieve interacties tussen cellen.
Het is heel belangwekkend dat er nu ook genetische mutanten bekend zijn die rechtstreeks de specificatie van de positionele informatie
167
beïnvloeden. Hun effecten blijken gemakkelijker te begrijpen te zijn
als men zich de verschillende waarden van de positionele informatie
indenkt in de vorm van een gradiënt. In elk punt van zo'n gradiënt
zou de absolute waarde ervan de determinatietoestand specificeren,
terwijl de richting van de gradiënt in dat punt de polariteit zou bepalen. Verstoring van de gradiënt blijkt te leiden tot een correctie in
de specificatie waarbij de waarden zich instellen ergens tussen het
oude en het nieuwe niveau. Deze gedachtengang helpt de werking van
bepaalde duplicatie-mutanten verklaren. Bovendien is gebleken dat
langdurig kweken in vivo op soortgelijke specifieke wijze de positionele waarden in de schijven beïnvloed. Complementaire schijffragmenten blijken tijdens een groeifase zichzelf te dupliceren dan wel
het ontbrekende te regenereren, en wel volgens een specifiek patroon
dat met het gradiënt-model ook weer gemakkelijk voor te stellen is.
Langdurige groei kan zelfs leiden tot 'regeneratie' van structuren die
normaliter door andere schijven gevormd worden; men zegt dan dat
het weefsel 'transdeterminatie' heeft ondergaan.
Hoeveel feitenkennis we over de patroonvorming bij insekten ook
hebben, het onderzoek is nog steeds sterk in beweging en zal pas zijn
doel naderen wanneer meer bekend wordt over de moleculaire aard
van de specificatie en interpretatie van de positionele informatie.
Maar dat doel lijkt vandaag nog veraf te liggen.
168
De genetische regulatie van de celdifferentiatie, toegelicht aan
dehand van de Spermiogenese van Drosophila hydei1
O. HESS
In de cellen van de mannelijke kiembaan vinden wij na deméiose een
differentiatie-fase waarin zich dramatische morfologische veranderingen voltrekken: tijdens de periode die Spermiogenese genoemd wordt,
worden de relatief ongedifferentieerde spermatiden omgevormd tot
Spermatozoon van zeer gecompliceerde structuur. Daar hierbij talrijke
grote cel-organellen van het begin af opgebouwd worden, kan men
aan dit systeem bijzonder goed celdifferentiatie-processen bestuderen.
Daar komt dan nog het voordeel bij dat het hele proces van de Spermiogenese verloopt zonder door celdelingen te worden onderbroken.
De bijzondere eigenschappen van het Y-chromosoom
Dat bij de regulatie van de differentiatie-processen in de spermatiden
genetische factoren betrokken zijn, weten wij reeds sinds de inmiddels
klassiek geworden experimenten van Bridges (1916). Hij ontdekte dat
mannelijke vliegen van Drosophilamelanogasterdie geen Y-chromosoom hebben steriel zijn, hoewel ze overigens fenotypisch volkomen
normaal zijn. De processen van de Spermiogenese zijn dus zonder
Y-chromosoom blijkbaar zo sterk verstoord dat geen functioneel normale Spermien meer kunnen ontstaan. Deze eerste ontdekking werd
in de daaropvolgende jaren meermalen bevestigd, het eerst door Stern
(1927, 1929), die vond dat vliegen-mannetjes ook steriel zijn wanneer
niet het hele Y-chromosoom maar slechts een deel ervan ontbreekt,
zoals de lange arm, of ook wel de korte arm. Later kon Brosseau
(1960) d.m.v. speciale kruisingscombinaties vaststellen dat in de lange
arm van het Y-chromosoom van D. melanogasterminstens vijf en in
de korte arm minstens twee afzonderlijke fertiliteitsfactoren liggen.
1. Vertaald door J. Faber. De figuren bevinden zich tussen pag. 176 en
177.
169
Jk
Deze moeten alle zonder uitzondering aanwezig zijn om de Spermiogenese normaal te laten verlopen.
De Spermiogenese is ook daarom zo geschikt voor de bestudering
van de genetische regulatie van celdifferentiatie-processen, omdat het
Y-chromosoom van Drosophilauitzonderlijke eigenschappen bezit die
bijzondere voordelen voor experimenteel onderzoek met zich meebrengen. De proeven van Bridges hebben al laten zien dat dit chromosoom blijkbaar geen voor het leven van het dier onmisbaar genetisch materiaal bevat (mannetjes zonder Y-chromosoom, zogenaamde
XO-mannetjes, waren immers inderdaad levensvatbaar en zagen er
zelfs van buiten geheel normaal uit). Ook vliegen met één of zelfs
verscheidene overtollige Y-chromosomen (mannetjes of wijfjes) zijn
geheel normaal. Dit staat in duidelijke tegenstelling tot de situatie bij
alle andere chromosomen van praktisch alle eukaryoten, waar dergelijke aneuploïde genoom-mutaties altijd tot drastische beschadigingen
leiden en niet zelden geheel letaal worden. Het is dan ook geen verrassing dat duplicaties en deficiënties van delen van het Y-chromosoom evenmin nadelig zijn voor de dragers, terwijl dergelijke chromosoom-mutaties in andere chromosomen vrijwel altijd de genen-balans
in het chromosomen-garnituur zodanig verstoren dat aanzienlijke beschadigingen worden veroorzaakt.
Hoewel op het Y-chromosoom van Drosophila geen genen liggen
die zich in kruisingsproeven fenotypisch manifesteren, kan men niettemin door bepaalde maatregelen bereiken dat de overerving van een
Y-chromosoom of van een Y-fragment toch uitwendig kan worden
gevolgd. Verscheidene methoden staan de onderzoeker ter beschikking. Op ons laboratorium wordt bijvoorbeeld voor een hele reeks
experimenten een translokatie-techniek gebruikt, waarbij een Y-fragment van bekende grootte uit een bepaald gebied van het Y-chromosoom vastgehecht wordt aan een X-chromosoom dat fenotypisch makkelijk te herkennen markerings-mutaties draagt. Bij kruisingen kan
men dan niet alleen de overerving van het gemerkte X-chromosoom
volgen, maar daarmee natuurlijk ook gelijktijdig die van het aangehechte Y-fragment.
Het Y-chromosoom van Drosophila onderscheidt zich dus daarin
van alle andere bekende eukaryoten-chromosomen dat het geen voor
het leven noodzakelijk genetisch materiaal bevat. Men kan er daarom
binnen ruime grenzen genetisch mee manipuleren zonder dat daardoor de proefdieren in hun levensvatbaarheid benadeeld worden.
170
Toch is het genetisch niet inert, maar is het de drager van de reeds
vermelde fertiliteitsfactoren. Weliswaar kunnen deze voor het leven
van de individuele vlieg geheel gemist worden, maar voor de voortplanting, en daarmee voor het behoud van de soort, zijn zij absoluut
noodzakelijk. Behalve deze fertiliteitsfactoren bevat het Y-chromosoom, voorzover wij thans weten, alleen nog een plaats waar de nucleolus gevormd wordt, maar verder geen genetisch materiaal dat
zichdirect fenotypisch manifesteert. Met andere woorden, we hebben
hier temaken met een chromosoom dat slechts eenbetrekkelijk gering
aantal factoren bevat, die bovendien alle nodig zijn voor de regulatie
van de differentiatieprocessen van slechts één enkel celtype, de cellen
van de mannelijke kiembaan.
Men kan overigens de zeer uitzonderlijke eigenschappen van het
Y-chromosoom niet alleen uit genetische kruisings-experimenten afleiden, maar ook uit cytologische gegevens, en kort geleden heeft men
ze ook rechtstreeks met moleculair-biologische methoden kunnen aantonen. Het cytologische bewijs voor de uitzonderingspositie van het
Y-chromosoom berust op het feit dat het zich in alle somatische cellen als heterochromatisch voordoet. Nu weet men echter reeds lang
dat heterochromatine óf werkelijk genenloos is, óf slechts schijnbaar
geen genen bevat. Grote delen van het zogenaamde 'constitutieve'
heterochromatine zijn werkelijk genenloos. In deze delen van het
genoom zijn geen voor eiwit coderende cistrons aan te tonen. Schijnbaar genenloos is daarentegen het zogenaamde 'facultatieve' heterochromatine, dat door heterochromatisering uit euchromatine ontstaat
(hieronder valt het Y-chromosoom). De genen die in deze chromosoom-delen liggen zijn volledig in hun transcriptie geblokkeerd, zodat
zij zich niet fenotypisch kunnen manifesteren. Heterochromatische
chromosomen of delen van chromosomen zijn daarom in een kruisingstest niet aan te tonen, en kwantitatieve afwijkingen van het heterochromatine in het genoom blijven zonder invloed op de levensvatbaarheid van de drager.
Moderne moleculair-biologische experimenten hebben het tot dusver verkregen beeld van de bijzondere eigenschappen van het Y-chromosoom aangevuld. Zoals men weet, betekent genetische activiteit de
synthese van specifieke RNA-molekulen. Nu heeft men inderdaad in
de mannelijke kiembaancellen van Drosophila RNA-soorten kunnen
aantonen die in geen enkel ander weefseltype te vinden zijn. En dit
voor de kiembaan specifieke RNA wordt gecodeerd door genen die
171
op het Y-chromosoom liggen. Er moeten dus op het Y-chromosoom
genen aanwezig zijn die uitsluitend in mannelijke kiembaancellen actief zijn (Hennig, 1968).
De 'lampbrush'-fase van het Y-chromosoom
De activatie van genen gaat dikwijls gepaard met veranderingen van
de chromosoom-structuur op het locus van het geactiveerde gen. Een
bekend voorbeeld van dergelijke 'functionele chromosoomstructuren'
is de vorming van 'puffs' in polytene chromosomen (zie pag. 53).
Ook de lussen van de zogenaamde 'lampbrush'-chromosomen zijn
structuren die ter plaatse van geactiveerde genen gevormd worden
(Hess, 1971). Deze worden hier verder als LB-chromosomen aangeduid. Men vindt ze bijvoorbeeld in kernen van oöcyten van zeer vele
diersoorten, waar de as van het chromosoom zich zeer sterk in de
lengte strekt, terwijl tegelijkertijd vanuit de chromomeren vrij grote
gepaarde zijdelingse lussen worden ontplooid (fig. la). Daardoor zien
de chromosomen eruit als flessenborstels, wat de verklaring is voor
de merkwaardige naam. We weten thans dat tijdens de LB-fase in elk
chromomeer (dat ongeveer overeenkomt met een dwarsband van het
polytene chromosoom) vanuit elk van de beide chromatide-helften
zijdelings een dubbele DNA-helix wordt ontplooid. Zoals ook bij de
'puffs' het geval is, gaat dit plaatselijk losser worden van de pakking
van het DNA in de chromomeren gepaard met de activatie van het
genetische materiaal. De lussen van de LB-chromosomen geven dus
de plaatsen op de chromosomen aan waar actieve RNA-synthese
plaatsvindt. Na de ontplooiing wordt op de spil van de lus matrixmateriaal afgezet dat bestaat uit RNA en eiwit, en zo ontstaan uiteindelijk de structuren die in het microscoop als LB-lussen zichtbaar
zijn (fig. 2).
Nu is gebleken dat de chromosomen in de kernen van de primaire
spermatocyten van Drosophila-soorten zich tijdens de groeifase eveneens in een LB-stadium bevinden. Daarbij worden bijzonder grote
lussen gevormd op bepaalde plaatsen op het Y-chromosoom, terwijl
de lussen aan het X-chromosoom en de autosomen veel en veel kleiner zijn. Daardoor komt bij de tot nu toe opgesomde experimentele
voordelen van de Spermiogenese nog een ander en zeer belangrijk
voordeel: de LB-fase maakt het mogelijk de functionele toestand van
de fertiliteitsfactoren op het Y-chromosoom rechtstreeks onder de
172
lichtmicroscoop te volgen.
De morfologie van de LB-lussen vertoont bij de verschillende Drosophila-soort&n grote verschillen. Het Y-chromosoom van D. hydei
vormt bijzonder grote en ook morfologisch goed te onderscheiden
lussen (fig. le), reden waarom ons onderzoek zich op deze soort heeft
gespecialiseerd.
De plaatsen op het Y-chromosoom van D. hydei waar de individuele, morfologisch te onderscheiden LB-lussen worden gevormd, zijn
in een reeks cytogenetische onderzoekingen gelokaliseerd (fig. 3)
(Hess & Meyer, 1968). Zoals alle LB-lussen hebben ook die van het
Y-chromosoom een spil bestaande uit DNA en een matrix van RNA
en eiwit. Evenals de lussen van andere LB-chromosomen ontstaan
ook deze op plaatsen van actieve RNA-synthese en kan men ze reversibel doen verdwijnen door de RNA-synthese experimenteel te blokkeren (bijvoorbeeld met actinomycine of door röntgenbestraling).
Daar, zoals wij reeds zagen, chromosoom-mutaties van het Y-chromosoom geen beschadigend effect hebben, is het mogelijk de morfologische betekenis van de lussen d.m.v. Y-deficiënties te analyseren
(fig. 4). Deficiënties van het Y-chromosoom die vormingsplaatsen
voor willekeurig welke LB-lussen omvatten leiden altijd tot steriliteit,
terwijl deficiënties van andere delen van het Y-chromosoom, waarin
geen lusvormingsplaatsen gelokaliseerd zijn, dit effect niet hebben.
Maar ook de blokkering van de ontplooiing van afzonderlijke LBlussen in het spermatocytenstadium leidt tot steriliteit. Daar dus voor
het normale verloop van de Spermiogenese alle lussen-paren van het
Y-chromosoom normaal ontplooid moeten zijn, bestaat er weinig twijfel over dat de LB-lussen van het Y-chromosoom die wij tijdens de
groeifase van de primaire spermatocyten onder de lichtmicroscoop
waarnemen, geïnterpreteerd moeten worden als defenotypische manifestatie van de stadium- en cel-specifieke activiteit van de reeds lang
bekende mannelijke fertiliteitsfactoren ophet Y-chromosoom.
Elke fertiliteitsfactor moet in de spermatiden een specifieke functie
vervullen: enerzijds leidt het ontbreken van elke afzonderlijke lus
altijd tot defecten in de Spermatogenese, die nooit door een overmaat
van materiaal uit andere lussen kan worden gecompenseerd; anderzijds heeft het ontbreken van een bepaalde lus steeds ook een reproduceerbaar, specifiek defect in de Spermiogenese ten gevolge, dat
morfologisch van de defecten van andere deficiënties of lus-blokkeringen te onderscheiden is. Afhankelijk van welke lus of groep van
173
lussen ontbreekt, vindt men beschadigingen in vroege, midden- of late
stadia van de Spermiogenese. Men kan zich derhalve voorstellen dat
het genetische materiaal, gelegen op deplaatsen waar de verschillende
LB-lussen van het Y-chromosoom gevormd worden, in tijdelijke opeenvolging in de differentiatieprocessen ingrijpt (Meyer, 1968).
Het werkingsmechanisme van de jertiliteitsjactoren op het Y-chromosoom
Over het werkingsmechanisme van de fertiliteitsfactoren zelf zijn ook
reeds enige gegevens voorhanden. Het zou natuurlijk voor de hand
liggen teveronderstellen dat zij genen bevatten voor bepaalde eiwitten
die nodig zijn voor de opbouw van de gecompliceerde organellen van
het Spermium. Tegen de verwachting in, worden echter alle uit de
elektronenmicroscopische analyse bekende spermiën-organellen zonder uitzondering ook gevormd in Y-deficiënte dieren behorende tot
de meest uiteenlopende klassen. Nooit gaat het ontbreken van een lus
gepaard met het uitvallen van de differentiatie van een organel. De
functie van de fertiliteitsfactoren kan dus niet zijn het verschaffen van
de genetische informatie voor eiwitten ten behoeve van de opbouw
van spermiën-organellen. Daarentegen vindt men bij Y-deficiënte dieren wel storingen in de groei en in de patroonvorming. Wat met dit
laatste bedoeld wordt zullen wij aan het voorbeeld van de spermiënflagel uitleggen.
Dit organel bestaat bij Drosophila, net zo goed als bij praktisch
alle andere organismen, in wezen uit negen perifere en twee centrale
fibrillen, waarbij dan nog een aantal andere componenten komen. In
alle Y-deficiënte dieren, ook wanneer het Y-chromosoom geheel ontbreekt, kunnen al deze elementen niettemin toch gevormd worden,
zij het meestal niet in alle maar slechts in enkele cellen. Hun rangschikking is echter in de Y-deficiënte dieren altijd in sterke mate
verstoord. De flagel kan bijvoorbeeld in enkele spermatiden slechts
één of helemaal geen centrale fibril meer hebben. Daarnaast vindt
men misschien een andere spermatide waarin van het normale aantal
van negen perifere fibrillen een deel ontbreekt, of weer een andere
cel waarin zichmeer dan negen fibrillen hebben ontwikkeld. Ook kan
het voorkomen dat de fibrillen niet zoals normaal in een kring, maar
in een rechte lijn, in een halve cirkel of in een zeer onregelmatige
figuur gerangschikt zijn. Zulke verstoringen van het normale patroon
174
ziet men in Y-deficiënte dieren heel dikwijls, en niet alleen bij de
flagel maar ook bij alle andere organellen van de spermatozoën.
Ook de groei van de spermatiden staat onder controle van de LBlussen van het Y-chromosoom. Over het geheel genomen zijn de soorten van het geslacht Drosophilagekenmerkt door buitengewoon lange
en dunne Spermien. Er bestaat een rechte evenredigheid tussen enerzijds het soort-specifieke aantal en de grootte van de LB-lussen aan
het Y-chromosoom in de kernen der spermatocyten, en anderzijds de
lengte van de Spermien. Bij D. hydei vormt het Y-chromosoom niet
alleen de grootste ons bekende LB-lussen, maar ook de langste sper-^
miën (gemiddeld 6,5 mm, bij een lichaamslengte van het mannetje
van slechts 2-3 mm; ter vergelijking: bij D. melanogaster is de lengte
van de Spermien ongeveer 1,8 mm). De niet-functionele en niet volledig uitgedifferentieerde Spermien van Y-deficiënte, steriele dieren
zijn altijd veel korter. In deze gevallen is dus niet alleen de patroonvorming in de organellen verstoord, maar ook de lengtegroei van de
spermatide. Het verbazingwekkende is echter dat de Spermien van
mannetjes die twee Y-chromosomen hebben, en die overigens fertiel
zijn, inderdaad ook praktisch tweemaal zo lang zijn als die van normale mannetjes, namelijk bij D. hydei 12-13 mm en bij D. melanogaster3-5 mm.
Soortverschillen, mutaties en interacties met andere chromosomen
Wij moeten uit deze bevindingen concluderen dat de fertiliteitsfactoren niet eenvoudigweg genen zijn die coderen voor eiwitten nodig
voor de opbouw van organellen van het Spermium, maar dat zij een
ons nog onbekende regulerende functie bij de celdifferentiatie en de
celgroei uitoefenen. Deze interpretatie wordt ondersteund door resultaten van experimenten met soorthybriden. Ik heb er reeds eerder op
gewezen dat de morfologie van de LB-lussen van soort tot soort sterk
verschilt. Er bestaat bijvoorbeeld een aan D. hydei nauw verwante
soort D. neohydei, die morfologisch duidelijk te onderscheiden LBlussen heeft (fig. 5). De twee soorten kunnen met succes reciprook
(in beide richtingen) gekruist worden. De soorthybriden zijn fertiel,
en kunnen derhalve ook verder gekruist en teruggekruist worden. De
LB-lussen van de hybriden zijn nooit morfologische mengvormen,
maar tonen altijd het zuivere type van één van de beide oudersoorten;
hierbij bepaalt uitsluitend de afstamming van het Y-chromosoom
175
welke lussen-morfologie in de kernen van de spermatocyten tot uiting
komt. Daaruit blijkt dat de factoren voor de specifieke vorm van de
lussen op het Y-chromosoom zelf gelokaliseerd moeten zijn. Op het
chromosoom zelf kan de ligging van deze structuur-bepalende factoren nog nauwkeuriger worden aangegeven. Daar zeer kleine Y-fragmenten, zolang ze nog maar één plaats bevatten die een lus kan vormen, eveneens in staat zijn lussen van volkomen normale morfologie
te ontplooien, moeten de vormbepalende factoren zeer dicht bij de
plaatsen van lusvorming liggen, voor zover zij alniet- wat zeer waarschijnlijk is- opdieplaatsen zelf gelokaliseerd zijn.
Andere experimenten hebben deze relaties nog duidelijker kunnen
maken. Er zijn ook mutaties bekend die de vorm van een bepaalde
LB-lus van het Y-chromosoom veranderen (fig. 6). In de loop der
jaren zijn voor alle LB-lussen van het Y-chromosoom dergelijke lusmutaties gevonden. Voor sommige lussen zijn zelfs verscheidene, onafhankelijk van elkaar ontstane en morfologisch te onderscheiden
mutanten geïsoleerd. Voor zover zulke mutaties de ontplooiing van
de lussen niet verstoren, hebben zij geen effect op de fertiliteit. In
kruisingsexperimenten kunnen al deze mutaties eveneens op de plaatsen van lusvorming zelf of in hun onmiddellijke omgeving worden
gelokaliseerd.
De vormbepalende factoren en hun mutaties functioneren volkomen autonoom. Wanneer twee verschillende 'allelen' van hetzelfde
type lus gelijktijdig in één dier aanwezig zijn, worden in dezelfde celkern tweehomologe paren lussen van verschillende structuur gevormd
(fig. 6f). Om dezelfde reden vindt men LB-lussen van het zuivere
neohydei-type zelfs nog in terugkruisings-hybriden waarvan zeker is
dat zij hun X-chromosoom en al hun autosomen van D. hydei geërfd
hebben, en waarbij alleen het Y-chromosoom nog van D. neohydei
afstamt. Niettegenstaande de normale morfologie van de lussen in de
spermatocytenkernen, zijn soorthybriden van deze genetische constitutie echter altijd volledig steriel. De reden daarvan is nog niet bekend. Het kan echter zonder moeite verklaard worden door aan te
nemen dat er een wisselwerking of samenwerking bestaat tussen factoren op de autosomen en op het Y-chromosoom, die dan niet meer
kan functioneren wanneer de twee groepen factoren van verschillende
soorten afstammen. Inderdaad kent men bij D. melanogaster een
groot aantal steriliteitsmutaties die op autosomen liggen (Lindsley &
Lifschytz, 1972). Daaruit volgt dat er dus blijkbaar zowel autosomale
176
ji-.iii»-
• • :
.
Fig. 1. Chromosomen in verschillende activiteits-toestanden. (a) Paar
'lampbrush'-chromosomen uit een oöcytekern van Triturus cristatus - fasecontrast-opname van een levend preparaat, ca. 400 x, opname J. G. Gall,
New Haven, (b) Mitotische configuratie van het chromosomen-garnituur
van Drosophila hydei uit een larvale neuroblast - kneus-('squash'^preparaat gekleurd met orceïne-melkzuur, ca. 1100 x. (c) 'Lampbrush'-fase van
het Y-chromosoom van Drosophila hydei - fasecontrast-opname van een
levende kern van een primaire spermatocyt, ca. 1100 X.
Afkortingen: N, nucleolus; X, Y, X- en Y-chromosoom; F, K, P, S, T,
verschillende, morfologisch te onderscheiden paren 'lampbrush'-lussen van
het Y-chromosoom (vergelijk fig. 3).
I
Fig. 2. Schematische voorstelling van de vorming van LB-lussen. (a) Twee
naburige compacte chromomeren, die zich (b) tot twee paar lussen van
verschillendestructuur ontplooien. (Naar Hess, 1971, veranderd.)
ddF
Fig. 3. Y-chromosoom van Drosophila hydei tijdens de LB-fase. (a)Situatie in de kern van een primaire spermatocyt. (b) Genenkaart met de loei
waar lussen gevormd worden.
Afkortingen: YL, YS, lange en korte arm van het Y-chromosoom; F, K, P,
S, T, Z, verschillende paren LB-lussen die morfologisch te onderscheiden
zijn. (Naar Hess &Meyer, 1968, veranderd.)
Fig. 4. Drosophila hydei, spermatocyte-kernen van mannetjes met verschillende Y-fragmenten, (a) XO-mannetje. (b) Fragment uit de korte
Y-arm, met slechts twee paar lussen (S). (c)Klein distaalfragment vanYL,
dat twee paar lussen draagt (F en P). (d) Fragment bestaande uit de korte
Y-arm met een proximaal gedeelte van YL, te zamen met drie paar lussen
(S, K en T) - Fasecontrast-opnamen van levende spermatocyte-kernen,
ca. 900 x.
Fig- 5. Drosophila neohydei, spermatocyte-kern met LB-lussen van
het Y-chromosoom - fasecontrastopname van een levend preparaat
ca. 900 X.
•••' _ ' ' i f
* -\
«.*.
y
factoren als factoren op het Y-chromosoom bij de Spermiogenese betrokken zijn. Volgens de tot nu toe bereikte resultaten zou het zo
kunnen zijn dat de 'structurele' genen voor de organellen van het
Spermium op de autosomen gelokaliseerd zijn, maar dat hun expressie
onder controle staat van 'regulerende' genen op het Y-chromosoom,
waarbij echter het werkingsmechanisme van deze laatste nog onbekend is. (Zie ook pag. 101-102 voor een vergelijkbare hypothese met
betrekking tot de geslachtsdifferentiatie bij zoogdieren.)
De fysiologische betekenis van de 'lampbrush'-fase
Een interessante problematiek komt voort uit het feit dat de actieve
fase van de fertiliteitsfactoren tot het spermatocyten-stadium beperkt
is, terwijl de door deze factoren gereguleerde celdifferentiatie-processen pas op een aanzienlijk later stadium plaatsvinden, namelijk pas
na de beide meiotische delingen, wanneer de fertiliteitsfactoren zelf al
weer geruime tijd inactief zijn. Deze bijzonderheid laat zich gemakkelijk verklaren uit de speciale situatie tijdens de haploïde fase, waar
immers na de segregatie van de chromosomen tijdens de méiose nog
maar de helft van de spermatiden een Y-chromosoom bevat. Niettemin kunnen natuurlijk zowel de spermatiden met een X-chromosoom
alsdiemet een Y-chromosoom zichverder differentiëren tot normale,
functionele Spermien. Alleen daarom reeds ligt het voor de hand dat
de genen die in de spermatiden zelf voorhanden zijn onmogelijk hun
differentiatie kunnen reguleren. En inderdaad is ook al enige tijd
bekend (zieLindsley & Grell, 1968) dat bij Drosophilain de spermatiden praktisch elk willekeurig chromosoom, ja zelfs elke willekeurige
combinatie van chromosomen kan ontbreken zonder nadelig effect
voor het verdere verloop van deSpermiogenese.
Ook op fysiologisch niveau zijn er bevindingen die in dezelfde zin
moeten worden geïnterpreteerd: daar in het post-meiotische stadium
in cellen van de kiembaan geen RNA-synthese meer kan worden aan-
Afkortingen: N, nucleolus; K, P, T, S, verschillende LB-lussen; F, draadvormig paar lussen met proximaal-compacte (pkF) en distaal-diffuse (ddF)
gedeelten (beide 'wild-type'-vorm), resp. met gemuteerde proximaal-buisvormige (psF) of distaal-buisvormige (dsF) gedeelten (mutante gedeelten
telkens met pijlen aangegeven) - (c)-(f) fasecontrast-opnamen van levende
spermatocyte-kernen, ca. 900 x.
177
getoond, moeten we concluderen dat de kernen van de spermatiden
inactief zijn. Aan de andere kant is experimenteel aangetoond dat de
genetische gesteldheid van het organisme als geheel niet van belang is
voor het verloop van deSpermiogenese: zo isbijvoorbeeld deSpermiogenese in de testis van een genetisch steriel dier ook dan abnormaal
wanneer de larvale testis-aanleg tevoren naar een fertiele gastheer
was getransplanteerd; omgekeerd verkrijgt men functionele Spermien
na transplantatie van een testis-aanleg van een genetisch fertiele donor
naar een steriele gastheer (Stern &Hadorn, 1938).
Uit deze resultaten moeten we concluderen dat de Spermiogenese
wordt gereguleerd door genprodukten die niet in de spermatide zelf
worden gesynthetiseerd, maar die reeds op een vroeger ontwikkelingsstadium van de cellen van de mannelijke kiembaan zijn aangemaakt.
En dit maakt het op zijn beurt noodzakelijk aan te nemen dat er in
de cellen van de mannelijke kiembaan mechanismen aanwezig zijn die
dergelijke genprodukten niet alleen kunnen ophopen en stabiliseren,
maar ook kunnen programmeren: pas daardoor wordt een latere harmonischeregulering van de differentiatieprocessen tijdens deSpermiogenese mogelijk.
Iets dergelijks schijnt zich ook voor te doen bij de embryonale ontwikkeling van vele diersoorten, want er zijn aanwijzingen dat daar
de vroege ontwikkelingsprocessen eveneens worden gereguleerd door
genprodukten die reeds veel vroeger, namelijk tijdens de Oogenese,
zijn aangemaakt (zie pag. 62). Genetisch komt dat tot uiting in de
zogenaamde 'predeterminatie' (de Duitse term 'Prädetermination' is
equivalent aan deEngelse term 'maternal effect'; ziepag. 123). Hierbij
hangt de fenotypische manifestatie van een eigenschap niet af van
het genotype van het betrokken individu maar van dat van zijn moeder. De 'gepredetermineerde' kenmerken komen dus steeds met één
generatie vertraging tot expressie. Uit de vroege perioden van de
dierlijke embryonale ontwikkeling zijn een hele reeks van zulke predeterminatie-verschijnselen bekend.
Men vindt LB-stadia van de chromosomen uitsluitend in oöcyten
en spermatocyten, en wel juist bij die soorten waar een vroege aanmaak van genprodukten aangetoond is dan wel op grond van beschikbare experimentele gegevens noodzakelijk moet worden geacht. In
deze situatie ligt het natuurlijk voor de hand te veronderstellen dat
dit geen toevallige samenloop van omstandigheden is, maar dat de
vorming van een zo gecompliceerd apparaat van structuren als de
178
LB-lussen iets te maken heeft met de vervulling van de zojuist genoemde taken: het ophopen, stabiliseren en programmeren van genprodukten. Deze produkten worden pas geruime tijd na hun synthese
in de cel ingezet, maar moeten dan in staat zijn zeer gecompliceerde
differentiatieprocessen op georganiseerde wijze te reguleren.
179
Deovergangvandevegetatievenaar degeneratieve fase
H. F.LlNSKENS
Gedurende de ontwikkeling van de plant treden er twee fase-overgangen op,dievan beslissendebetekenis zijn voor het organisme.
De eersteis de overgang van rust naar activiteit, ook wel kieming
genaamd. Deze verandering in de activiteitstoestand heeft de laatste
50 jaar sterk de aandacht getrokken van de ontwikkelingsfysiologen.
Naast tal van uitwendige factoren, die als beslissend beschouwd worden voor de remming van het kiemingsproces, zijn ook celfysiologische veranderingen onderzocht die optreden bij de overgang van de
metabolisch inactieve naar de metabolisch actieve toestand. De belangrijkste ontdekking is dié geweest van de aanwezigheid van endonome ritmische verschijnselen: endogene jaar-, maand-, en dagritmen
regelen voor een belangrijk deel deze ontwikkelings-fysiologische basisprocessen, dieoptreden in ruststadia dieonsin devorm van knollen
en bollen, sporen en pollenkorrels op alle niveaus van het plantenrijk
bekend zijn.
Een tweede belangrijke stap gedurende de ontwikkeling van een
organisme is de overgang van de vegetatieve naar de generatieve fase,
kortweg ook welhet verschijnsel van de sexualiteit genoemd.
Voortplanting en sexualiteit
De overgang van de vegetatieve naar de generatieve fase heeft te
maken met de voortplanting, een begrip dat de genetische continuïteit
van levende organismen in de tijd en de verspreiding van nakomelingen in de ruimte omschrijft. Als een individu nakomelingen voortbrengt zonder dat daar kiemcellen aan tepas komen, spreekt men van
vegetatieve vermeerdering of ongeslachtelijke voortplanting. Daarentegen betekent geslachtelijke of generatieve voortplanting steeds de
versmelting van twee celkernen in een gespecialiseerd plasmatisch
milieu en de vorming van eenbevruchte eicel,dezygote (zieLinskens,
180
1969; Hauenschild & Linskens, 1975).
Voortplanting is in principe een cellulair proces, waarbij de vegetatieve vermeerdering gekenmerkt wordt door een directe kerndeling,
mitose genaamd, terwijl bij generatieve voortplanting kiemcellen of
gameten worden aangemaakt. Deze aanmaak wordt voorafgegaan
door een indirecte deling of reductiedeling van de kern, ook wel
méiose genaamd.
De overgang van de vegetatieve naar de generatieve fase brengt
voor de planten een aantal problemen met zich mee waarvan we de
volgende zullen bespreken:
Aanmaak van generatieve cellen De sexuele voortplanting bestaat
uit de versmelting van twee kiemcellen. De méiose dient om te voorkomen dat het genoom in iedere volgende generatie zal verdubbelen.
Zij wordt gekarakteriseerd door een aantal afwijkende en speciale
eigenschappen (zie de tabel). De halvering van het chromosomencomplement geschiedt vóór de vorming van de gameten, zodat deze
slechts de helft van het genetisch materiaal van de vegetatieve cellen
bezitten. Wanneer de twee gameten zich verenigen, heeft de op die
wijze ontstane zygote weer het volledige genetische informatiepakket.
In verband met de overgang van de vegetatieve naar de generatieve
fase speelt de generatiewisseling een grote rol. Deze is bij de planten
in belangrijke mate afwijkend van die bij de dieren, hetgeen uit de
cyclus van figuur 1 af te lezen is. De diploïde plant vormt bij de
méiosemeiosporen en niet rechtstreeks gameten. Daarom spreekt men
in dit geval van een sporofyten-generatie. Uit de sporen ontstaat tenslotte weer een gametenvormende generatie (zie ook pag. 21-23 en
de figuur op pag. 22). Omdat de meiosporen reeds haploïd waren,
zijn ook de gametofyten en gameten haploïd. Deze voortplantingscyclus verbindt twee generaties met elkaar, een haploïde en een
diploïde. Dit schema geldt niet alleen voor alle hogere planten, maar
ook voor velewieren en schimmels.
De méiosevindt dus plaats in de sporofyten-generatie en niet, zoals
bij dieren, kort voor de gametenvorming. Dit is een bijzonderheid van
de planten. Waarschijnlijk is het een aanpassing, die de verspreiding
ten goede komt.
Een andere bijzonderheid van planten ishet feit dat aan de diploïde
sporofyt speciale organen gevormd worden waarin later de méiose
afloopt. Deze organen (sporofyllen bij de varens, bloemen en bloei181
Verschillen tussen méiose en mitose.
Meiose
Waar?
alleen in speciaal weefsel
(sporogeen of gametogeen)
Wat?
1. paring van homologe chromosomen in profase I
2. uitwisseling van chromatidenstukken door 'crossing-over'
(recombinatie)
3. géén deling van centromeer
gedurende meta- en anafase I
Verdeling in anafase worden niet de chrogenetisch matiden, maar de homologe chromateriaal mosomen van elkaar gescheiden
Ploïdiegraad
Resultaat
eerste stap: 2 haploïde cellen,
tweede stap (mitotisch): vier
haploïde cellen (tétrade)
gonen (gameten, zoösporen)1
Mitose
in ieder groeiend en zich
delend weefsel
1. géén paring van chromosomen
2. noch 'crossing-over',
noch stukuitwisseling2
3. centromeren delen aan
het einde van de metafase
in anafase worden de
Chromatiden van de chromosomen opgesplitst en
van elkaar gescheiden
de ploïdiegraad blijft ongewijzigd; uit één moedercel
ontstaan 2 dochtercellen
weefselcellen, gonidiën
1. De terminologie rond het begrip 'spore' is onduidelijk. Het wordt ook
gebruikt voor rustende cellen met een dikke persisterende wand (cysten),
die tot ontkieming in staat zijn. Dergelijke cysten komen bij vele schimmels
en bacteriën voor.
Het overkoepelende begrip gonen of gonosporen omvat zowel gameten
als agameten ('sporen'), die het produkt van een méiose zijn. Het is beter
'sporen', die niet uit een méiose zijn voortgekomen, en dus een fase herhalen, als gonidiën te beschrijven.
Het prefix 'zoö-' (zoösporen) duidt alleen maar aan, dat de betrokken
cellen d.m.v. flagellen bewegelijk zijn.
2. Uitzondering: mitotische recombinatie.
wijzen bij de bloemplanten) kunnen echter ook ontstaan zonder dat
het daarin uiteindelijk tot de vorming van sexuele cellen komt. Het
blijkt dus, dat beide ontwikkelingsprocessen van elkaar onafhankelijk
zijn en door aparte genen geregeld worden.
Attractiemechanismen Gezien het feit, dat bij planten de produkten
van sexueel gedifferentieerde generaties elkaar moeten ontmoeten om
182
zygote
méiose
e
//W
meiosporen
/
\
bevruchting
//
gameten
Fig. 1. De algemene levenscyclus van planten. De dikke lijn geeft de diploïde toestand van de sporofyt en de dunne lijnen de haploïde (mannelijke
en vrouwelijke) gametofyten weer. Op de gametofyt ontstaan de gameten,
welke na versmelting (bevruchting) de diploïde zygote vormen, waaruit
weer een nieuwe sporofyt ontstaat. Door meiotische (reductie-)deling ontstaanop de sporofyt de meiosporen.
een bevruchting tot stand te brengen, moesten er speciale attractiemechanismen ontwikkeld worden. Deze zijn tot nu toe nog maar
zeer gedeeltelijk opgehelderd. Zij zijn vergelijkbaar met de feromonen
of met het paringsgedrag bij dieren en garanderen dat de vaak ruimtelijk gescheiden gameten of gametofyten in staat zijn de geslachtsprodukten samen te brengen voor een succesvolle bevruchting.
Bevruchtingsbarrières Door de hoge specificiteit van de attractiemechanismen, dievooralophet soortsniveau werkzaam zijn, moet binnen
de soort verhinderd worden dat een ongewenste inteelt de overhand
neemt. Bij planten zijn op veel grotere schaal bevruchtingsbarrières
ingebouwd dan bij dieren.
Deze bevruchtingsbarrières dienen ongewenste bevruchtingen te
verhinderen. Ze zijn vooral noodzakelijk omdat tal van planten eenhuizig zijn, d.w.z. dat mannelijke en vrouwelijke organen (micro- en
macrosporofyten) en gameten in één individu voorkomen en meestal
ook nog tegelijkertijd geslachtsrijp worden. Als er geen bevruchtingsbarrières ingebouwd zouden zijn, zou inteelt snel de overhand nemen.
183
Bij de bevruchtingsbarrières speelt de incompatibiliteit een belangrijke
rol. Deze is wijd verbreid in het plantenrijk en zal uitvoeriger worden
besproken.
Aanmaak van generatieve cellen
Algemene omstandigheden De omstandigheden waaronder de overgang van de vegetatieve naar de generatieve fase plaatsvindt werden
reeds 50 jaar geleden door de zogenaamde regel van Klebs samengevat, die de grote schat aan ervaring als het ware op één noemer
terugbracht. Zij luidt als volgt:
Alle factoren die de hoeveelheid assimilaten verhogen (zoals debelichting) of die de toevoer van water en mineralen remmen (zoals
droge,voedselarme bodem en terugsnoeien van de wortel),en zodoende de verhouding van de assimilaten ten opzichte van de mineralen
ten gunste van de eerstgenoemde verschuiven, bevorderen de generatieve voortplanting. Tegenovergestelde maatregelen bevorderen de
vegetatieve groei.
Men is deze hypothese op grote schaal en vooral vanuit de landbouwhoek gaan toetsen, bijvoorbeeld door bemestingsproeven. Daarbij
bleek, dat niet alle voedingselementen de vegetatieve groei bevorderen. De groei wordt vooral begunstigd door stikstofverbindingen, terwijl fosfor maar ook kalium, evenals organische voeding, de bloemvorming bij hogere planten, dus de overgang naar de generatieve fase
bevordert.
Het isverder gebleken dat de regel van Klebs geen causaal verband
legt tussen de twee fasen van de plantengroei, maar wel een statistische relatie aantoont. Dit betekent dat ophoping van assimilaten
niet per se tot sexuele voortplanting, in casu bloemvorming, behoeft
te leiden, maar dat de overgang van de ene fase in de andere wel in
positieve correlatie staat tot de voedselverzorging. Zodoende is de
regel van Klebs een vuistregel voor de onderzoeker, maar tevens voor
hen die in de praktische landbouw werkzaam zijn. De overgang blijkt
echter veel ingewikkelder te zijn. De laatste jaren is de daglengte, de
fotoperiodiciteit, alsmede de evenwichtstoestand tussen verschillende
hormonale stoffen van grote betekenis gebleken. Dit neemt echter niet
weg, dat men Klebs de vader van de botanische ontwikkelingsfysiologie moet noemen.
184
Inductievan de meiotîsche deling De beslissende stap voor de overgangnaar de generatievefase ishet intreden vandemeiotische deling.
Vanuit de gezichtshoek van de ontwikkelingsfysiologie kan het probleem van de inductie van de typisch meiotische deling op twee manieren worden aangepakt:
1. Lukt het in het experiment om op het tijdstip, waarop in normale
planten (controle) in het archespoorweefsel de méiose begint, de
archespoorcellen ertoe te brengen om, i.p.v. met méiose te beginnen,
met mitotische delingen door te gaan, dan kent men de condities die
verantwoordelijk zijn voor het ontbreken van de meiotische deling.
In zeker opzicht kan men dan een conclusie trekken aangaande de
factoren die de méiose induceren. Op deze wijze redeneerde Gregory
reeds 35 jaar geleden. Hij verwijderde op verschillende tijdstippen de
meeldraden uit de knoppen van lelies en constateerde, dat pollenmoedercellen die de meiotische profase doorlopen hadden, ook nâ
isolatie uit de bloem met hun ontwikkeling doorgingen en tot rijpe
pollenkorrels werden. Werden daarentegen de meeldraden vóór het
intreden in de méiosevan de bloem losgemaakt, dan kwam de reductiedeling niet op gang.Integendeel: de mitosen bleven doorgaan.
2. Een betere oplossing van de vraagstelling zou zijn, dat men in zich
vegetatief (mitotisch) delende cellen zodanige condities zou kunnen
verwezenlijken dat men meiotische delingen zou kunnen induceren.
Voor het eerst zijn door Huskins in de veertiger jaren in deze richting proeven gedaan. Hij kon door toediening van RNA aan wortelmeristemen meiose-achtige kerndelingen tot stand brengen. Maar dit
meiose-achtige gedrag beperkte zich tot paringsachtige figuren, zodat
er van een echte méiose helaas geen sprake was (zie Croes & Linskens, 1966).
In de ontwikkelingsfysiologie, althans in het geval van planten, was
het lange tijd gebruikelijk om voor een bepaald proces een specifieke
stof als 'trigger' ('losmaker') te beschouwen. Omdat een ent of een
implantaat onder invloed van de onderstam of de waardplant een ontwikkelingsproces doormaakt dat door de gastheer bepaald of althans
sterk door de onderstam beïnvloed blijkt te worden, werden zulke
stoffen meestal gepostuleerd. Voor zulke inductiefenomenen ontbreekt
in de meeste gevallen een rechtstreekse aanwijzing voor de aard van
de specifieke inducerende stof.
185
Ook voor de méiose is een tijd lang een specifieke inductor, 'meiosine' genaamd, verondersteld. Deze mogelijkheid heeft men d.m.v.
een beslissende proefopstelling (fig. 2) kunnen onderzoeken en wel
door gebruik te maken van een eencellig organisme, het zonnediertje
Actinophrys sol.Laat men cellen van het zonnediertje zonder voedsel,
dan gaan deze zeer snel over in een onbewegelijke toestand, hechten
zich vast aan de bodem van het cultuurvat en maken de progame
deling door, waarop de méiose volgt. In dichte cultures lijkt het erop,
alsof er volgens afspraak een min of meer gelijktijdige overgang tot
degeneratieve fase bereikt wordt (Straub, 1951).
In deze proefopstelling kon men duidelijk aantonen dat een specifieke inductor niet bestaat: brengt men in een cultuur, waarin zich
cellen in méiose bevinden, andere, goed gevoede cellen, dan gaat er
van de cellen in .méiose géén invloed uit op de goed van voedsel
(Goniumpectorale) voorziene cellen. Ook bij controles met een zuiver
cultuurmedium, celextracten of cultuurfiltraat kon men geen aanwijzing vinden voor het feit, dat een specifiek meiosine verantwoordelijk
zou zijn voor het tot stand komen van deméiose.
Het geschetste experiment geeft duidelijk uitsluitsel over de overcellenmet voedselblijvenvegetatief
I
i
cellen zonder voedsel (hangercellen)
gaan over tot méiose
Fig.2. Meiosine bestaat niet!Op de bodem vaneenBoverischaaltje bevindt zicheenvrij groot aantal reeds onbewegelijke cellen van Actynophrys
sol, die de progamedelingen doorgemaakt hebbenen nu overgaan tot
méiose. De daartoe benodigde tijdis20 uur.In het tweede vaatje, datin
deBoverischaal hangt, endatindebodemvoorzien isvaneen doorlatend
membraan (celafilter F) bevinden zich bewegelijke vegetatieve cellen, die
rijkelijk voorzienworden van voedsel(Gonium pectorale, een eencellig
groenwier}. Zij blijven in de vegetatieve toestand met mitotische delingen,
ondanks de uitwisseling met hetcultuurmedium vangrote aantallen meiotisch actieve cellen. (Naar Straub, 1951.)
186
gang van de vegetatieve groei naar de generatieve voortplanting. Het
bevestigt namelijk ook de regel van Klebs. Uit deze proeven moet
men dan ook concluderen dat men bij het onderzoek naar de inductie
van de méiose reeds op een eerder stadium van de celregulatie moet
zoeken, en nietpas ophet niveau van bekende groeistoffen. Het bleek
dat voor het zoeken van de oplossing van dit probleem meeldraden de
meest geschikte onderzoekobjecten zijn. Om deze reden is het meeste
onderzoek vandelaatstejaren dan ook met antheren gebeurd.
Zoals gezegd, is het tot nu toe nog niet gelukt de normale ontwikkeling van de pollenmoedercellen tot meiosporen en pollenkorrels te
laten plaatsvinden in antheren die vóór het begin van de méiose uit
de bloem geïsoleerd zijn. Daarentegen kunnen bij gebruik van geschikte voedingsmedia zeer goede resultaten worden verkregen indien
de verwijdering tijdens leptoteen of zygoteen geschiedt. In dit geval
ontwikkelt het overgrote deel van de sporenmoedercellen zich tot
microsporen. Deze laatste ontwikkeling wordt sterk gestimuleerd door
verschillende verbindingen zoals hormonen en nucleïnezuren, die aan
het basismedium van de orgaancultuur worden toegevoegd.
Opvallend is dat de méiose in vele gevallen in de antheren synchroon verloopt. Dit wordt waarschijnlijk mogelijk gemaakt door de
plasmatische bruggen tussen de cellen die tot méiose overgaan. Gaat
men van zulke cellen protoplasten isoleren en laten versmelten (zoals
door Ito en Maeda is gedaan), dan doorlopen de kernen in deze syncytiën deméiosetot in demetafase I, en welperfect gesynchroniseerd.
In vele meeldraden is de synchronisatie niet perfect, maar vindt
men uitgaande van de aanhechtingsplaats van de helmdraad aan de
helmknop golven van synchroniteit. Ook hier kan de conclusie getrokken worden dat het inducerend principe van buiten af, d.w.z.
vanuit de vegetatieve plant naar de meeldraad, wordt toegevoerd. Gezien deze situatie beloven eencellige organismen waarin zich een
méiose afspeelt, meer geschikte proefobjecten te zijn dan organen
waar interacties met allerlei omgevende weefsels plaatsvinden. Zo
blijken gistcellen bijzonder geschikt te zijn voor de studie van de inductie van de méiose; men heeft onder andere mutanten gevonden
waarbij deméioseopverschillende tijdstippen geblokkeerd wordt.
Biochemisch mechanisme De eerste gebeurtenis die specifiek isvoor
de méiose is de premeiotische DNA-synthese, die dan ook in de zo187
juistgenoemde mutanten geheel of gedeeltelijk verstoord is. In deze
cellen lopen mitotische delingen daarentegen helemaal normaal af.
Dit houdt in dat de DNA-synthese verschillend moet zijn in mitotisch
en meiotisch delende cellen. Kortgeleden zijn een groot aantal mutanten van gisten beschreven die zowel in de mitotische, alsook in de
meiotische DNA-synthese gestoord zijn.
Gaat men gistcellen die in de premeiotische S-fase verkeren in een
medium brengen dat de méiose stopzet, dan voltooien deze cellen
weliswaar de DNA-replicatie, maar gaan dan onmiddellijk over tot
mitose, waarvoor dus blijkbaar geen nieuwe ronde van DNA-replicatie noodzakelijk is. Het omgekeerde experiment, waarbij gesynchroniseerde mitotische cellen in de S- of G2-fase verkeren, is eveneensuitgevoerd, zijhet zonder duidelijk resultaat.
De belangrijkste vinding van de laatste jaren, en wel bij leliemeeldraden, is dat er in de verschillende meiose-stadia verschillen in de
histonpatronen bestaan, en dat er ook gedurende de méiose (pachyteen) kleine hoeveelheden DNA aangemaakt worden, die blijkbaar
iets te maken hebben met de reparatiemechanismen van het recombinatieproces. Of het zogenaamde 'meiose-histon' iets te maken heeft
met de regulatie van de transcriptie is twijfelachtig, omdat er ook verschillen in de niet-histonen optreden.
Het blijkt mogelijk te zijn bij diploïde gistcellen méiose te induceren door het voedingsmedium te veranderen. Deze experimenten gaan
uit van de waarneming, dat bij uitputting van het medium de gistcellen tot méiose overgaan. Ook in overeenstemming met andere waarnemingen kan men nu concluderen dat de méiose niet gepaard gaat
met een belangrijke opname van voedingsstoffen uit het medium.
De inductie speelt zich in de cel af, en wel op metabolisch vlak.
Voorzover bekend, bestaat er een treffende overeenkomst tussen deze
veranderingen en de omschakeling van de stofwisseling tijdens het
sporulatieproces bij bacteriën. Dit gaat namelijk ook gepaard met inductie van nieuwe enzymen en afbraak van andere. Een hiermee corresponderende omzetting van RNA en proteïnen is aangetoond. Bij
gist wordt de omschakeling van de ene reeks van gebeurtenissen op
de andere voorafgegaan door andere stappen: omschakeling van de
cel naar acetaatmetabolisme, sterke 'turnover' van RNA en proteïne
(zie Croes, 1974).
188
Samenvattend kan men op dit moment dus zeggen, dat de méiose een
zeer functioneel differentiatieproces is, dat op het kruispunt van de
overgang van de vegetatieve groei naar de generatieve fase staat. Het
is gebleken dat voor de normale afloop ervan een grote hoeveelheid
erfelijke informatie vereist is. Een aantal specifieke genen regelt het
meioseproces. Via het RNA bewerkstelligen zij op bepaalde tijdstippen de synthese van specifieke enzymen, die juist dan aanwezig moeten zijn om het ordelijke verloop van de verschillende fasen te garanderen.
Attt•actiemechanismen
Het tweede probleem bij de overgang van de vegetatieve fase naar de
sexuele voortplanting is het elkaar vinden van beide geslachtspartners.
Bij verschillende plantensoorten zijn een aantal chemische attractiemechanismen nader geanalyseerd. Deze garanderen de voortzetting
van de normale ontwikkeling. De oögonium-moedercellen van het
groenwier Oedogonium scheiden een substantie af, die tot de stoffen
behoort die men de doordenkertjesnaam 'sirenine'1 gegeven heeft.
Deze stoffen zorgen ervoor, dat de mannelijke gameten, in dit geval
androsporen genaamd, zich rond het vrouwelijke orgaan verzamelen
en zich daaraan ook vasthechten (fig. 3). Het gaat bij Oedogonium
om een stof die men terecht een hormoon kan noemen, omdat hij in
een bepaald ontwikkelingsstadium door een bepaald type cellen afgegeven wordt en in andere cellen bepaalde processen induceert. Men
kan deze stof ook uit het cultuurmedium, waarin de oögonium-moedercellen een tijd aanwezig geweest zijn, in een capillair opnemen en
deze dan in een medium houden waarin androsporen eenzaam rondzwemmen (fig. 4). En inderdaad: zij laten zich voor de gek houden;
zij zwemmen naar de punt van het capillair en dringen hier zelfs naar
binnen (zieMachlis & Rawitscher-Kunkel, 1967).
Intussen ishet ook gelukt de chemische structuur vast te stellen van
het sirenine dat bij verschillende soorten van het schimmelgeslacht
Allomyces werkzaam is (fig. 5). Dit sirenine werkt in verdunningen
van omstreeks 2 x 10"8 g/l nog op een afstand van 1-2 mm op Spermien.
1. Sirenen zijn vrouwelijke gestalten uit de oude Griekse mythologie, die
zeeliedendoor hun zang opdeklippenwistentelokken.
189
Fig.3. Het oogonium meteen rijp eivan Oedogonium.Hetd.m.v. flagellenbewegelijke Spermium wordt aangetrokken doorhetei, vooral door de
poriën daarvan.
spermatozoën
kapillaire buis
Fig.4. Typisch voorbeeld vandeaggregatie van spermacellen aan detop
van een kapillair buisje, dat aanlokkingssubstantie bevat.Het voorbeeld
toont een wolk vanSpermien vanFucus, die aangetrokken worden door
cultuurvloeistof vaneieren vandezelfde soort.
Onder het begrip hormonale attractiestoffen vallen alle substanties
die beweeglijke cellen in hun bewegingsrichting dirigeren. Meestal
volgt er dan een verdere ontwikkeling, doordat de 'aangetrokken'
mannelijke partner te zijner tijd ook een hormoon gaat produceren.
Dit is noodzakelijk om de verdere ontwikkeling, in casu de inequale
delingen, in de oögonium-moedercel te induceren. Wij hebben hier te
maken met een complex spel van wederzijdse hormonale controlegedurende een ontwikkelingsproces, dat met de aanlokking is begonnen.
Bij vele andere planten zijn zulke geslachtshormonen aangetoond
190
Ectocarpus-gamon
O
CH,0H
Trispoor-zuur
Sirenine
Fig. 5. De chemische structuur van verschillende bij de ontwikkeling van
generatieve structuren betrokken gamonen.
en gedeeltelijk ook geïsoleerd: bij het groenwier Ectocarpus speelt
ectocarpine een rol bij de totstandkoming van de generatieve voortplanting. Bij de schimmel Achlya is eenheel systeem van aantrekkende en inducerende stoffen gevonden (fig. 6) en het samenspel is
enigszins overzichtelijk. Deze stoffen behoren tot de groep van de
antheridiolen en zijn chemisch gesproken isoprenoïdlipiden. Bij de
gisten zijn eveneens sterolen verantwoordelijk voor de totstandkoming
van de paringsreactie.
Door verschillende dioecische soorten van de schimmels die tot de
orde Mucoralesbehoren (zoals Phycomyces blakesleeanus en Mucor
mucedó) worden trispoorzuren gevormd die verantwoordelijk zijn
voor de inductie van sexuele structuren, de zygoforen (fig. 7). Zij
remmen tevens de vorming van de vegetatieve voortplantingsorganen,
de sporangioforen. Deze stoffen worden gevormd doordat beide sexuele typen, plus en min, 'precursors' afscheiden die slechts door de
191
Cf
vegetatieve plant
9
vegetatieve plant
Fig. 6. Het sexualiteitsproces bij de schimmel Achlya ambisexualis. Het
gamon A is het antheridiol. Het hormoon B is misschien een mengsel van
verschillende aminozuren. Naar men vermoedt is hormoon C identiek aan
hormoon D. (Naar J. R. Raper, gewijzigd.)
sexuele partner worden omgezet tot trispoorzuren. Plus en min zijn
dus complementair ten opzichte van elkaar inzake de biosynthese van
trispoorzuren. Dit is de reden waarom deze stoffen slechts geproduceerd worden wanneer plus:- en /ran-mycelia bij elkaar in de buurt
192
(+)mycelium
(-] mycelium
lvormt
(+) progamon
vormt I
(-) progamon
„erVtJ
{+)mycelium
(-) mycelium
deze vormen
(-)gamon
i
{+)gamon
iff*
(+)mycelium
(-) mycelium
II
deze vormen
(+) zygoforen
(-) zygoforen
II
II
zygotropische
hormoon(+)
zygotropische
hormoon (-)
(+) zygoforen
(-) zygoforen
I
hierop volgt
zygotropische
reaktie
I
zygotropische
reaktie
^""•^—versmelting-
I
vorming
van de zygote
Fig, 7. Schema van de ontwikkelingsprocessen welke tot de zygotevorming
bij de schimmel Mucor leiden. (Naar Plempel.)
zijn. Slechts dan heeft ook de vorming van zygoforen zin (zie Van
den Ende & Stegwee, 1971).
Plus- en mm-zygoforen buigen zich naar elkaar toe (zygotropische
reactie) onder invloed van gasvormige verbindingen waarvan de aard
tot nu toe onbekend is, en produceren na fusie de zygote. Het blijkt
dus, dat de stoffen die bij de attractie bemiddelen eveneens voor morfogenetische processen verantwoordelijk zijn.
Voor de progame fase zijn ook bij hogere planten in bepaalde gevallen tropische attractiemechanismen aannemelijk gemaakt (fig. 8).
Zo veronderstelt men dat een hygrotropische gradiënt verantwoordelijk is voor het binnendringen van de pollenbuis in of tussen de
stempelpapillen. De verdere groei is waarschijnlijk een galvanotropisch gerichte groei, bestuurd door electrische polarisatie van de
193
kieming
A - A . •"hygrotropische
reactie
pollenbuisgroei
opsporen en
ledigen van
poltenbuis
inhoud in
eicel
ft
galvanotropische
reactie
[potentiaal-verschil
Is*120 mV
chemotropische
reactie
Fig. 8, Tropische oriëntatiemechanismen gedurende de progame fase bij
bloemplanten (schema). Een vochtigheidsgradiënt (hygrotropische reactie)
zorgt ervoor dat de kiemende pollenbuis binnendringt in hetstempelweefsel. De groeiende pollenbuis in het geleidingsweefsel van de stijl wordt
door een elektrisch potentiaalverschil tot basaal georiënteerde groei gedwongen (galvanotropische reactie). Het opsporen van de eicel in het
vruchtbeginsel wordt mogelijk gemaakt door een chemische gradiënt, die
door de twee Synergiden, die aan beide zijden van de eicel gelegen zijn,
wordt opgebouwd.
stempel; hiervoor zijn in enkele gevallen duidelijke aanwijzingen. Bij
narcissen groeien de pollenbuizen in kunstmatige elektrische velden
in derichting van de kathode enworden geremd bij groei inde tegenovergestelde richting. Ook zijn er gevallen bekend waar binnen de
stijl eenpH-gradiënt aanwezig is (fig. 9).
Voor de laatste en beslissende fase, het opsporen van het ei-apparaat, blijken daarentegen chemotropische gradiënten er verantwoordelijk voor tezijn dat depollenbuistoppreciestussen de tweeSynergiden
binnendringt en zijn inhoud in een van de Synergiden ledigt (fig. 10;
zie ook fig. 8).Bij narcissen en de teunisbloem zijn de chemotropisch
werkzame stoffen geanalyseerd: zij bestaan uit een specifiek mengsel
194
'r
i XiViviä' tëfî
.
Si"*
.':
'. ;.;•;• •..
*• *. • •
"">':•-*•;
'••
:
; : vV: :'ßv
,•
Fig. 9. De pH-gradiënt in de stijl. De intensiteit van
het zwart iseenmaat voor de hoogte vande zuurgraad
in het stijlweefsel. In het kiemingsstadium (a) heeft de
pollenbuis een hogere pH-waarde danhetstempelweefsel.In destijl neemt depH vanboven naar benedentoe
van 5,5 naar 7,0.Na het binnendringen in de stijl verandert ook hetplasma indepollenbuis meer inde zure
richting (b). (Naar Britikov.)
Fig. 10. Binnendringen van de pollenbuistop (vanboven) tussen de twee druppelvormige Synergiden (helpsters), die aan het
contactvlak wandverdikkingen (gestippeld)
hebben. De Synergiden werken mee aande
opbouw vandechemotropische gradiënt (zie
ook fig.8).Depijlen duiden de weg aanvan
de spermacellen door de rechter synergide
heen naar de openingen in de wand, en zo
naarde eicelende endospermkern.
van aminozuren, peptiden en suikers. Deze chemische gradiënt veroorzaakt een verdeling van de spermacellen bij de voor angiospermen
karakteristieke dubbele bevruchting.
Het blijkt, dat in het plantenrijk een groot aantal deelprocessen van
de generatieve ontwikkeling hormonaal gereguleerd zijn. Zonder deze
integrerende mechanismen zou het risico van de geslachtelijke voort195
planting zo groot zijn, dat deze in vergelijking met de zo veel eenvoudigere en veiligere vegetatieve voortplanting geen kans meer zou
maken.
Het incompatibiliteitsverschijnsel
Voordat de overgang van de vegetatieve naar de generatieve fase met
succes kan worden voltooid, moet bij vele planten eerst de bevruchtingsbarrière worden genomen. Onder deze, ook wel incompatibiliteit
(onverdraagzaamheid) genoemde, drempel verstaat men iedererem op
de versmelting van gameten binnen een voortplantingssysteem, die
niet op defecten van de gameten terug te voeren is en die de zelfbevruchting voorkomt. Deze zelf-incompatibiliteit wordt genetisch bepaald door een heel'systeem van zogenaamde 5-genen, dat ook nog
door multiple allelie gecompliceerd wordt (homogenetische incompatibiliteit) (zieBredemeijer &Van Gastel, 1974).
De genetische grondslag is verschillend voor de gametofytische en
sporofytische incompatibiliteit.
Gametofytische incompatibiliteit Dit typewordt vooral gevonden bij
tal van cultuurgewassen, zoals aardappelen, tomaten, klaver, fruitbomen en vele sierplanten zoals lelies en petunia's. Het al dan niet
werkzaam worden van de bevruchtingsbarrière hangt af van de combinatie van de in pollen en stijlen aanwezige genotypen (fig. 11).Bezitten pollen en stijlen identieke specificiteits-cistrons (S-allelen), dan
wordt debevruchting meestalvoorkómen door een afweermechanisme
dat zich uit in een remming van de pollenbuis gedurende de groei
door de stijl op weg naar de eicel. Zygotevorming wordt aldus onmogelijk. Dit type heet gametofytisch omdat de reactie afhankelijk isvan
het .S-genotype van de haploïde pollenkorrel (mannelijke gametofyt)
en het genotypevan het diploïde stijlweefsel.
Sporofytische incompatibiliteit Dit type komt voor bij composieten
(bijvoorbeeld Pyrethrum) en bij vele kruisbloemigen, bijvoorbeeld
koolsoorten. Het essentiële verschil met het vorige type is dat de
reactie bepaald wordt door het 5-genotype van de diploïde mannelijke
sporofyten waarin het pollen zich ontwikkelt, in samenwerking met
het i'-genotype van het stempelweefsel.
Er is veel gespeculeerd over het ontstaan van deze incompatibili196
Fig. 11. Schema van de genetische achtergrond van de homogenetische
incompatibiliteit bij bloemplanten. De pijlen geven de weg aan die de bestuiving volgt. De S-allelen zijn genummerd. De voortplantingscellen hebben als gevolg van de meiotische deling steeds maar één S-allel, terwijl de
weefselcellen van de stijl steeds een dubbel stel S-allelen bezitten. Treffen
identieke allelen elkaar (bijvoorbeeld SI en S1S1J, dan treedt er een remming van de pollenbuisgroei op, die zich uit in een blijven steken in de
stijl en opzwelling van de pollenbuistop. Treffen verschillende S-allelen
elkaar (bijvoorbeeld SI en S2S2], dan gaat de pollenbuisgroei ongehinderd
door in de richting van de eicel.
teitstypen. Hun ontstaan zou afhankelijk kunnen zijn van de periode
waarin het S-locus werkt ten opzichte van het tijdstip waarop tijdens
de méiose de celwanden worden gevormd. Indien de S-loci van de
sporofyt actief worden vóórdat de scheidingswanden opgebouwd zijn,
zullen alle pollenkorrels identieke incompatibiliteitsstoffen bevatten,
waardoor zij op dezelfde wijze reageren. Dit is kenmerkend voor
sporofytische incompatibiliteits-systemen. Als het 5-locus pas in de
meioseprodukten (microsporen) actief wordt, nadat de celwanden gevormd zijn, zullen de pollenkorrels verschillende soorten informatie
bevatten, hetgeen kenmerkend isvoor een gametofytisch systeem.
Van het bestaan van een incompatibiliteits-barrière wordt al sinds
geruime tijd op grote schaal gebruik gemaakt in de plantenveredeling,
vooral bij het creëren van inteeltlijnen van hybride rassen met een
bepaalde verzameling gewenste eigenschappen. Niettemin is er pas de
laatste 20 jaar meer helderheid gekomen in het fysiologische mecha197
nisme van de incompatibiliteit. De resultaten kan men het beste duidelijk maken, als men van een normale, ongehinderde bevruchting
uitgaat. Deze bestaat uit de bestuiving (de overdracht van mannelijk
stuifmeel op het stempeloppervlak van het vrouwelijke perceptieorgaan), de progame fase, waarin na een activering van de mannelijke
gametofyt (de pollenkorrel) de spermacellen door middel van een
buissysteem (de pollenbuis) door het vrouwelijke weefsel heen getransporteerd worden (sifonogamie) en in het ei-apparaat worden gebracht, en tenslotte de Syngamie (versmelting). Reeds in de progame
fase komt een zeer intensieve interactie tussen de stofwisseling van
stijl en pollenbuis tot stand, waarbij kwalitatieve en kwantitatieve veranderingen in de 'metabolietenpool', de groeistoffen en de RNA- ea
eiwitsynthese optreden (Linskens, 1974, 1975).
Aan dit wisselwerkingsmechanisme nemen beide partners deel,
waarbij men twee stappen kan onderscheiden: (a) de herkenningsreactie ('recognition') en (b) de afwijzingsreactie ('rejection'), Beide
kunnen zich op verschillende plaatsen van de stijl gedurende de progame fase afspelen (fig. 12): op het stempeloppervlak (bij sporofytische incompatibiliteit), in de stijl (bij gametofytische incompatibiliteit),
of zelfs in het vruchtbeginsel tijdens of gedurende de versmelting van
Memremming
#ïÖ2j
groeiremming
fusie-
storing
198
Fig. 12. Schematisch overzicht van de mogelijke
lokalisatie van incompatibiliteitsreacties bij verschillende planten: kiemremming op het stempeloppervlak (koolsoorten, pinksterbloemen, rogge),
remming tijdens pollenbuisgroei in de stijl (Petunia, klaver, kers), fusiestoring in het vruchtbeginsel {leeuwebekje, narcis, cacao).
degameten. Deze fusie van de spermacellen met de eicel (resp.endospermkern) isdereeds genoemde Syngamie.
Het biochemisch mechanisme Is er sprake van een incompatibiliteitsreactie op het stempeloppervlak, dan geschiedt de herkenning op
de contactplaats van de pollenkorrel met de waslaag aan de oppervlakte van de stempelpapillen. De sporofytische eiwitten bevinden
zich aan de buitenkant van de pollenkorrel. De ondoordringbare laag
vandestempel verdwijnt alleen inhet gevalvan negatieve herkenning,
d.w.z.alsde allelen in pollen en stempel verschillend zijn.
Bij gametofytische incompatibiliteit kiemt het pollen normaal (zie
Linskens &Kroh, 1970). Maar nadat de pollenbuizen de stijl binnengedrongen zijn spelen zich dramatische veranderingen af in de pollenbuis en op het raakvlak van buiswand en geleidingsweefsel. Dit is
o.a. zichtbaar aan de afbraak van de binnenste laag van de buiswand
in incompatibel geremde buizen, waarbij de fibrillaire laag dikker
wordt en tevens nog niet nader geïdentificeerde partikels ontstaan.
Ook is gebleken dat een differentiële genactiviteit (zie ook pag. 53
e.v.) ontstaat, waardoor bij compatibele en incompatibele pollenbuisgroeiverschillende RNA's en proteïnen, in casu enzymen aangemaakt
worden.
Men kan daarom, misschien terecht, op het gehele incompatibiliteitsproces het 'operon-model' van Jacob en Monod toepassen (fig.
13):
De informatie voor de vorming van structurele eiwitten ligt in
structurele genen (S),die alleen mRNA vormen alsde erbij behorende
operator (O) niet geblokkeerd is door een van de zogenaamde regulator-genen (R) afkomstige repressor. Tijdens de pollenbuisgroei door
de stijl zijn de incompatibiliteitsgenen (SI en S2) actief, omdat de
repressor van dit systeem geblokkeerd is en zich daarom niet kan
binden aan de operator. Dit betekent dat er incompatibiliteitseiwitten
(waarschijnlijk glycoproteïd-monomeren) gevormd worden. Het bestaan van deze specifieke eiwitten werd aangetoond met o.a. immunologische technieken. In het geval van zelfbestoven stijlen zijn de
structurele incompatibiliteitsgenen (S2) en dus ook de glycoproteïdmonomeren in pollen en stijl gelijk. Deze identieke monomeren vormen een complex, een dimeer, dat als inductor werkt voor een
groeiremsysteem in de pollenbuizen. Het gevormde complex zou bijvoorbeeld de repressor (RR) van een remsysteem binden of inactive199
'D-
rem ftructuurgenSR
operon
t o p e r a t o r 'OR
regulator RR
S
inductor
Simonomeer
S I rstructjurgen Si
°Peronioperator bsj
regulator RSi
to- Q
_ inactieve
repressor
-ü-f
S2monomeer
S2-OS2-
I«
ö-M
dfmeer
inactieverepressor
ï ^2
-RS2-
POOENBUIS(n)
POLLENBUISXn)
STULCEL(2n)
kruisbestuiving S2S2 xSißi
zelfbestuivingS^ xS2S2
Fig. 13. Model ter verklaring van de gametofytische incompatibiliteit. De
bekende feiten zijn hier in de terminologie van een repressiemechanisme
ingepast. Links: een geval van kruisbestuiving met ongehinderde pollenbuisgroei in de stijl. Rechts: een geval van zelfbestuiving met geremde pollenbuisgroei in de stijl; hier is ten gevolge van het ontstaan van een glycoproteïd-dimeer de inductie van een synthese-remmend principe mogelijk
gemaakt. (Naar Bredemeijer & van Gastel, 1974.)
ren, waardoor dit in werking treedt. De eiwitten die dan door de
structurele genen (SR) gesynthetiseerd worden, zijn enzymen die
rechtstreeks of indirect de groei van de pollenbuizen remmen. In
kruisbestoven stijlen daarentegen zijn de monomeren, die in stijl en
pollenbuis gevormd worden, verschillend omdat de structuurgenen
(SI en S2) verschillend zijn. Er kan geen dimeer gevormd worden.
Dit houdt dan in dat het groeiremsysteem geblokkeerd blijft.
Het is gebleken dat de eigenlijke herkenningsreactie na de bestuiving zeer snel afloopt. De daaropvolgende afwijzingsreactie, het remproces, kan echter vele uren nodig hebben, zodat de pollenbuisgroei
eerst vertraagd wordt en pas na uren tot stilstand komt. Zo wordt
een fusie van de spermacellen, die zich in de pollenbuizen bevinden,
met de eicel verhinderd.
200
Het incompatibiliteitssysteem is een bijzonder geschikt systeem om
genactivering en genregulatie bij de ontwikkeling te onderzoeken. Er
bestaat een duidelijk eindeffect van de reactie, er is een hoge specificiteit aanwezig en de plaats van de reactie is toegankelijk voor biochemische analyse.
Correlatie tussen vegetatieve en generatieve voortplanting
Bij een groot aantal planten vinden vegetatieve en sexuele voortplanting naast elkaar plaats. Zo vindt men bij het harig wilgeroosje (Epilobiumhirsutum, fig. 14)aan debasisvan dewortelstok steeds vlezige
uitlopers in de vorm van dikke, van reservevoedsel voorziene winterspruiten, maar tegelijkertijd ontstaan in de vruchten aan de stengel
grote aantallen zaden, die door middel van haren aan de zaadhuid
door de wind verspreid worden. Vegetatieve vermeerdering geschiedt
hier dus door ondergrondse uitlopers, generatieve voortplanting door
verspreiding van zaden (zieLinskens, 1969).
Andere planten hebben een alternatieve regulatie voor beide fasen:
een fraai voorbeeld is wel de kleine zonnedauw {Droserapygmaea,
fig. 15): bij rijkelijke stikstofvoorziening (d.w.z. als de insektenvangst
goed functioneert) worden in de oksels van de bladeren nabij het
vegetatiepunt bulbillen, bolletjes, vegetatieve voortplantingsorganen
gevormd. Is de stikstofvoeding echter slecht, dan gaat de plant over
tot bloem- en zaadvorming, dus tot generatieve voortplanting. Door
deze insektivore plant onafgebroken met eiwit te voeden kan men de
generatieve voortplanting geheel onderdrukken.
Bij het mos Funariahygrometrica komt naast de vegetatieve voortplanting geregeld sexualiteit met sporogoon- en sporenvorming voor.
Van dit mos bestaan echter ook door röntgenstralen opgewekte mutanten die alléén vegetatieve voortplanting vertonen: reeds de protonemata vallen tot vegetatieve voortplantingslichamen uiteen. Dit duidt
er op, dat er voor de beide vootplantingswijzen een verschillende genetische basis moet bestaan.
Dat dit regelmechanisme ook voor lagere planten geldt kan bij
Cladophoraaangetoond worden (fig. 16): dit groenwier vermeerdert
zich bij lage temperaturen en bij een hoog zuurstofgehalte van het
water alleen vegetatief; bij ongunstige levensomstandigheden, zoals
stilstaand water met laag zuurstofgehalte, gedeeltelijke uitdroging en
hogere temperatuur, worden echter gameten geïnduceerd, die dan een
201
Fig. 14. Harig wilgeroosje (Epilobium hirsutumj. Deze tot de familie van de Teunisbloemachtigen behorende plant heeft tegelijk
purperkleurige bloemen (pijl) als geslachtelijke voortplantingsorganen, en een wortelstok met vlezige,ondergrondseuitlopers(pijl)
als vegetatief vermeerderingsorgaan.
202
Fig.15. Plant van dedwergzonnedauw (Droserapygmaea).In het midden
liggen talrijke groene schilfertjes: ditzijn de broedknoppen. De schildvormige bladeren zijngedurende derustperiode ingerold enafgestorven. (Naar
K. Goebel.)
sexuele cyclus op gang brengen die tot de vorming van ruststadia
leidt.
Samengevat: alle condities, zowel inwendige als uitwendige, die
voor de vegetatieve groei gunstig zijn, bevorderen tegelijkertijd de
vegetatieve voortplanting. Alle condities die de vegetatieve groei remmen, bevorderen deovergangtot sexuele voortplanting.
Besluit
Men kan zich tenslotte afvragen wat de voor- en nadelen van de
twee verschillende fasen van reproduktie voor het organisme zijn.
Biologisch gezien blijkt dat de sexuele of generatieve voortplanting
een verhoogde variabiliteit van de nakomelingen tot gevolg heeft,
203
gametofyt
zygote
Fig. 16. De afwisseling tussen vegetatieve en generatieve voortplanting
(generatiewisseling) bijhet draadvormige groenwier Cladophora.
welke tot stand komt door de uitwisseling van genoom-materiaal van
twee verschillende organismen en de vereniging van genomen gedurende de zygotevorming. Op deze manier ontstaat een nieuw organisme, dat weliswaar op zijn ouders lijkt, maar er niet precies identiek
mee is. De variabiliteit van de nakomelingen is van grote betekenis
voor de evolutie, daar zij zich op deze wijze steeds door selectie van
kleine afwijkingen kan aanpassen aan nieuwe externe omstandigheden. Leve het kleine verschil!
Bij snelle veranderingen van het milieu, bijvoorbeeld binnen enkele
generaties, heeft de genetische variabiliteit binnen een soort nog een
groot voordeel: zij geeft de populatie de nodige plasticiteit. Daartegenover staat een zeker nadeel van de generatieve voortplanting,
namelijk dat er steeds twee ouderorganismen nodig zijn om nakomelingen voort te brengen. Daaruit is dan ook het soms ingewikkelde
paringsgedrag bij dieren, of de ingewikkelde attractiemechanismen
204
voordegameten bij planten te verklaren.
De vegetatieve voortplanting heeft daartegenover het grote voordeel, dat onder geschikte omstandigheden een groot aantal identieke
nakomelingen geproduceerd wordt, die snel een opengekomen 'niche'
kunnen bevolken.
Alle soorten die in staat zijn om naar behoefte van de ene fase op
de andere over te schakelen en zich door regulatiemechanismen gedurendehun ontwikkeling aan te passen, zijn sterker in de evolutie en
zullen zich beter handhaven.
205
Glossarium
Deze lijst bevat een aantal belangrijke of niet algemeen bekende begrippen en afkortingen die opverschillende plaatsen voorkomen.Voor
een aantal begrippen die in de tekst uitvoerig worden besproken is
volstaan met een pagina-verwijzing. Begrippen die slechts een enkele
maal in de tekst voorkomen en ter plaatse worden verklaard zijn niet
opgenomen; hiervoor raadplege men het register. Woorden aangeduid
met een asterisk worden eldersin dit glossarium besproken.
Acrocentrisch Met het *centromeer dicht bij één uiteinde gelegen.
Actinomycine D Een antibioticum dat de *transcriptie van het DNA
verhindert.
Allel Eén van twee of meer alternatieve vormen van een gen,die op
hetzelfde *locus gelegen zijn, en dus op homologe chromosomen op
corresponderende plaatsen liggen. Als er meer dan twee op één locus
liggen spreekt men van multiple allelen. Allelen ontstaan door mutatie.
Allosterisch(eiwit) Een eiwit dat door binding op éénplaats aan een
*effector een conformatie-verandering ondergaat, waardoor zijn binding op een andere plaats aan een derde molekuul ('substraat') wordt
beïnvloed.
Aneuplóid Gezegd van organismen of cellen die één of enkelechromosomen meer of minder hebben dan het normale aantal. Zie ook
monosoom en trisoom.
Apogamie Zie p.21.
206
Archespore Cel waaruit door méiosegameten ontstaan.
ATP
Adenosine-trifosfaat.
Autonomie (genetisch) Zie cel-autonomie.
Autoradiografie Methode waarbij de lokalisatie van radioactieve
stoffen in weefsels wordt bepaald door een coupe in het donker met
een fotografische emulsie te bedekken en deze na enige tijd te ontwikkelen.
Autosoom Een chromosoom dat geen geslachtschromosoom is.
Bacteriofaag Virus dat leeft opbacteriën als gastheer.
Blastocoel Inwendige holte van de blastula.
Blastoderm Vroeg ontwikkelingsstadium waarin het toekomstige embryo nog slechts uit een (soms schijfvormige) oppervlakkige laag van
cellen bestaat. Komt voor bij soorten met zeer dooierrijke eieren,
zoals insekten en vogels.
Blastomeer Elk der grote cellen ontstaan uit het ei tijdens de eerste
klievingsdelingen. Naar gelang van de grootte onderscheidt men micro-, macro- en soms mesomeren.
Cel-affiniteit De eigenschap van sommige cellen zich selectief aan
andere cellen te hechten. Deze eigenschap kan worden beschouwd als
een differentiatie van het celoppervlak.
Cel-autonomie (genetisch) Het verschijnsel dat het fenotype van een
cel (bijvoorbeeld in cel-mozaïeken) uitsluitend bepaald wordt door het
genotype van die cel en niet beïnvloed wordt door naburige cellen
met een ander genotype.
Celcyclus De levenscyclus van de individuele cel. Bestaat bij delende *somatische cellen uit vier fasen: de mitotische fase (M) en drie
interfase-stadia - Gl (vóór de replicatie van het DNA), S (DNAsynthese enreplicatie) en G2 (nâdeDNA-replicatie).De M-fase volgt
op de G2-fase. (G = 'gap').
207
Celfusie Somatische hybridisatie, ziep. 18; 36.
Celkloon Zie kloon.
Celvrij systeem Een kunstmatig systeem waarbij alle komponenten
die voor *transcriptie en/of *translatie nodig zijn bij elkaar worden
gebracht onder de juiste condities, zodat deze processen in vitrokunnen aflopen.
Centromeer De struktureel herkenbare plaats op een chromosoom
waar de draden van de delingsspoelzich vasthechten. Ligt het centromeer vlak bij één uiteinde, dan spreekt men van een *acrocentrisch
chromosoom, ligt het ongeveer in het midden dan is het chromosoom
*metacentrisch.
Chemotaxis De aantrekking van min of meer vrij beweeglijke cellen
door chemische stoffen. Zie ook p.31.
Chimère Een organisme bestaande uit delen van verschillende taxonomische herkomst of genetische constitutie.
Chromatide Overlangse helft van een tijdens de interfase verdubbeld
chromosoom. De helften worden gescheiden tijdens de anafase (van
demitose of méiose)en heten daarna dochter-chromosomen.
Chromomeer Eén van de condensaties van het chromatine die in de
lengterichting van het profase-chromosoom te onderscheiden zijn als
'kralen aan een snoer'.
Cistron Een gen gezien als functionele eenheid: dat stuk van het
DNA-molekuul dat codeert voor de aminozuurvolgorde in één bepaalde polypeptide-keten.
Competentie Het vermogen om te reageren op een inductief signaal
(zie inductie) of, meer in het algemeen, op een signaal dat tot *determinatie leidt. Dit vermogen is een intrinsieke eigenschap van een cel
of weefsel en is gebonden aan bepaalde grenzen in detijd. Het omvat
meer dan één mogelijke toekomstige differentiatie-richting.
208
Cortex De buitenste laag van het cytoplasma (in het bijzonder van
een eicel), inclusief de celmembraan. Deze laag heeft andere eigenschappen dan het inwendige cytoplasma.
CTP Cytosine-trifosfaat.
Cytoplasmatische segregatie Zie p. 75; 115.
Dedifferentiatie Het verlies van de gedifferentieerde vorm en andere
gedifferentieerde kenmerken door een cel. Dit kan gepaard gaan met
het opnieuw verkrijgen van eerst verloren gegane ontwikkelingspotenties (zie potentie).
Deficiëntie (genetisch) Het verloren gaan van een (strikt genomen
terminaal) segment van een chromosoom met de daarin gelegen genetische informatie.
Determinatie Zie p. 11; 105 e.v.
Determinant Zie p. 112.
Differentiatie Zie p. 10.
DNA-helix Zie p. 45.
Duplicatie (embryologisch) Zie register: spiegelbeeldige verdubbeling.
Duplicatie (genetisch) Het dubbel aanwezig zijn van een kleiner of
groter segment van een chromosoom metde daarin gelegen genetische
informatie. (Duplicatie kan ook betrekking hebben op het totale
genoom, dus niet op één enkel chromosoom).
Effector Ziep. 27; 110;zieook operon-model.
Electroforese Beweging van geladen molekulen in oplossing in een
elektrisch veld; wordt toegepast om (bijvoorbeeld) eiwitmolekulen in
een extract te scheiden op grond van hun verschillende beweeglijkheid
in een bepaald medium (bijvoorbeeld een gelvan Polyacrylamide).
209
Endoplasmatisch reticulum (ER) Samenstel in het cytoplasma van
veelal parallel verlopende platte cisternen welke door membranen
worden begrensd en onderling tot een netwerk zijn verbonden. Het
ER is schaars in ongedifferentieerde cellen die nog niet functioneel
aktief zijn.
Endoreduplicatie Verdubbeling van chromosomen in afwezigheid
van celdeling. De *chromatiden worden niet van elkaar gescheiden,
waardoor z.g. endopolyploïde cellen ontstaan.
Epigenese Zie p. 14.
Euchromatisch De 'normale', niet-compacte toestand van het chromatine in de chromosomen, in tegenstelling tot de *heterochromatische toestand.
Eukaryoten Organismen die echte celkernen bezitten met chromosomen en een kernmembraan.
Explantatie Het in leven houden van een orgaan of weefsel buiten
het organisme, in een geschiktezoutoplossing of voedingsmedium.
Fagocytose Het opnemen door een levende cel van andere levende
of dode cellen, partikels etc.
Feen Een fenotypisch kenmerk dat onder genetische controle staat:
dezichtbare of althans aantoonbare expressie van een gen.
Fenokopie Een niet-erfelijke fenotypische verandering (veroorzaakt
door omgevingsfaktoren) die zeer veel lijkt op een specifiek fenotype
veroorzaakt door een genmutatie. Fenocopieën kunnen het inzicht
vergroten in het werkingsmechanisme van bepaalde genen.
Feromoon Een hormoon dat, door één organisme afgescheiden, een
verandering veroorzaakt in een ander organisme.
Fibroblast Een ongedifferentieerd celtype dat voorbestemd is een
fibrillair extra-cellulair produkt (bijvoorbeeld collageen) te vormen.
210
r
Gametofyt Zie p. 181.
Gele halve maan Door gele of oranje kleur gekenmerkt gebied in
het bevruchte ei van bepaalde ascidië-soorten. Het correspondeert in
ligging met de latere larvale spiercellen en markeert de 'achterzijde'
van het ei.
Generatief Term voor de cellen van de *kiembaan, waaruit de geslachtscellen ontstaan, en die de kloof tussen de generaties overbruggen. Zie ook somatisch.
Gl-fase Zie celcyclus.
G2-fase Zie celcyclus.
Geslachtslijst Verdikking van dedorsalemesodermale bekleding van
de lichaamsholte bij vertebraten, waaruit later de gonade ontstaat.
Bevat aanvankelijk geen geslachtscellen; deze bereiken de geslachtslijstlater vanuit anderedelenvanhet embryo (ziekiembaan).
Gradiënt (Verschilt in het biologisch spraakgebruik van de wiskundige term!) In de biologie: het in een bepaalde richting toe- of afnemen van een (concrete of abstracte) scalaire grootheid (bijvoorbeeld
concentratie, stofwisselingsintensiteit, ontwikkelingspotentie) in het
organisme of een deel daarvan. Zie ook morfogenetisch veld.
Grijze halve maan Door pigmentatieverschil gekenmerkt gebied in
de *cortex van het bevruchte ei van amfibiën (in het bijzonder anuren). Het correspondeert in ligging met het latere dorsale mesoderm
en markeert de dorsale zijde van het ei.
GTP
Guanosine-trifosfaat.
Hemizygoot Gezegd van genen die slechts éénmaal in het genoom
voorkomen (en niet in de vorm van een allelenpaar (zie aïlel) op
homologe chromosomen). Voorbeeld: de genen van het X-chromosoombij het mannetje van Drosophila of demuis (XY).
211
Hermafrodiet Een individu dat naast elkaar zowel mannelijk als
vrouwelijk weefsel bevat en twee soorten gameten produceert (hetzij
gelijktijdig of achtereenvolgens). Zie ook intersex.
Heterochromatisch De compacte toestand die het chromatine kan
aannemen in bepaalde chromosomen of delen van chromosomen of
in bepaaldefasen van de *celcyclus. Zie ook euchromatisch.
Histon Naam voor een heterogene klasse van basische eiwitten die
complexen vormen met chromosomaal DNA.
Homeostase De eigenschap van een systeem of proces een dynamisch evenwicht te bewaren en verstoringen op te vangen door interne regulatie (vergelijk thermostaat).
Homoeose De verandering van een orgaan uit een segmentale of
homologe reeks in een ander orgaan van diezelfde reeks. Het verschijnsel kan aldan niet genetisch bepaald zijn.
Implantatie De innesteling van de blastocyste in het baarmoederslijmvlies: eerste stadium van devorming van de placenta.
Inductie (embryonale) Naam voor een zeer heterogene groep van
verschijnselen, waarbij een bepaalde celgroep in het embryo het toekomstig lot van een aangrenzende celgroep bepaalt (*determinatie,
gevolgd door specifieke celdifferentiatie, zie p. 106). De mechanismen der inductie zijn zeer onvolledigbekend. Zie ook competentie.
Innesteling Zie implantatie.
Intersex Een individu waarvan de voortplantingsorganen (en/of de
secundaire geslachtskenmerken) een mengvorm zijn van mannelijk,
vrouwelijk en overgangsweefsel. Intersexen zijn meestal steriel. Zie
ook hermafrodiet.
Isozym Eén van een groep van in moleculaire structuur en eigenschappen enigszins verschillende vormen van hetzelfde enzym. Zij
zijn aanwezig in één en hetzelfde celtype en katalyseren dezelfde reactie.
212
i
r
Karyotype Het specifieke chromosoom-garnituur van een individu
of soort, gekenmerkt door aantal en vorm der chromosomen zoals
zichtbaar in de metafase.
Kiembaan ('Keimbahn') De generatie van *generatieve cellen waaruit de geslachtscellen ontstaan, en die tijdens de vroege ontwikkeling
vanveledieren worden afgezonderd alsz.g. *oergeslachtscellen.
Kiemschijf Zie blastoderm.
Kloon Een populatie van organismen of cellen die door mitose
(d.w.z. zonder genetische recombinatie) afstammen van een gemeenschappelijke voorouder respectievelijk van één enkele moedercel. De
individuen of cellen van een kloon zijn genetisch identiek tenzij er
mutaties optreden.
Letaal Term voor mutaties die leiden tot de dood van de drager
voordat het stadium der voortplanting bereikt is (dikwijls reeds veel
eerder).Letalemutatieskunnen dominant of recessief zijn.
Locus Plaats waar een gen gelokaliseerd is op een chromosoom
(strikt genomen op de genenkaart van het chromosoom). Een 'complexlocus' bevat twee of meer *cistrons.
Macrofaag Vrij beweeglijke cel (o.a. in bindweefsel) die d.m.v. *fagocytosedode cellen, bacteriën, partikels e.d. kan opnemen.
Macromeer Zie blastomeer.
Melanoblast Een ongedifferentieerd embryonaal celtype dat voorbestemd is een pigmentcel te vormen.
Metacentrisch Zie centromeer.
Metazoën Alle echte veelcellige dieren met arbeidsverdeling tussen
de cellen: alledieren met uitzondering van de Protozoen en het kleine
Phylum der Mesozoën.
Micromeer Zie blastomeer.
213
Microtubulus Holle, draadvormige eiwitstruktuur in het cytoplasma,
waaraan een veelheid van functies wordt toegeschreven. Microtubuli
komen o.a. voor in flagellen en vormen de spoeldraden van de kerndelingsspoel.
Mitotische recombinatie Zie somatische recombinatie.
Monosoom Gezegd van een individu waarin van één (of meer) der
chromosomen slechts één in plaats van het normale tweetal aanwezig
is.De genetische constitutie is2n- 1(-1 etc).
Morfogenese Zie p. 10.
Morfogenetische potentie, De intensiteit van het ontwikkelingsvermogen van een bepaald deelvan het embryo.Een deelmet hoge morfogenetische potentie heeft de leiding in de ontwikkeling. Niet te verwarren met ontwikkelingspotentie (zie potentie).
Morfogenetisch veld Theoretisch begrip gebruikt voor de beschrijving (en eventueel eerste globale verklaring) van een in ruimte en tijd
gecoördineerd geheel van ontwikkelingsprocessen, zich afspelend in
een oorspronkelijk als homogeen gedacht uitgangsmateriaal (bijvoorbeeld het vroege *blastoderm). Vaak spreekt men ook van gradiëntveld (zie gradiënt). Een morfogenetisch veld leidt tot het ontstaan
van een ruimtelijk patroon.
Multiple allelie Zie allel.
Neuroblast Een ongedifferentieerd embryonaal celtype dat voorbestemd is een zenuwcel te vormen.
Nucleolus Kernorganel dat nauw betrokken is bij desynthese en het
transport van ribosomaal *RNA en het transport van boodschapper*RNA naar het cytoplasma.
Oergeslachtscellen De voorlopers van de latere gameten. Zij worden
tijdens de vroege ontwikkeling van vele dieren afgezonderd van het
*soma, zijn oorspronkelijk nogniet in de gonaden gelegen, en worden
vaak gekenmerkt door speciale cytoplasmatische granula. Zie ook
kiembaan.
214
Operator Zie operon-model.
Operon-model(vanJacobenMonod) (Oorspronkelijk opgesteld voor
*prokaryoten.) Een operon is een complex van genen in het DNA
die coderen voor enzymen betrokken bij één en hetzelfde stofwisselingsproces, en die als eenheid worden gereguleerd. In het operon
onderscheidt men: 1. een serie *structurele genen; 2. een operatorgen, aan het begin hiervan gelegen; dit kan geblokkeerd worden door
een repressor-molekuul;de repressor op zijn beurt kan geïnactiveerd
worden door een (klein) inductor-molékuul (ook wel effector genoemd; 3. een 'promotor region' (initiatiepunt) gelegen tussen de
operator en het eerste structurele gen. Het repressor-molekuul (een
*allosterisch eiwit) is het product van een regulator-g&n, dat niet tot
het operon behoort en elders in het genoom ligt. Het inductor-molekuul is een metaboliet. (Het operator-gen is geen *structureel gen het is de 'receptor' voor het repressor-molekuul).
Parthenogenese Ontwikkeling zonder bevruchting: het ontstaan van
een embryo uit een eicel zonder dat deze versmelt met een Spermium.
Ploïdie Algemene term voor het aantal chromosoom-garnituren per
cel.
Polyploid Gezegd van organismen of cellen die meer dan het normale aantal van twee (2n)volledige chromosoom-garnituren bevatten:
triploïd (3n), tetraploïd (4n) etc.
Polyteen Gezegd van chromosomen die bestaan uit veel meer dan
het normale aantal van twee *Chromatiden (bijvoorbeeld de reuzenchromosomen van insekten). Polytene chromosomen ontstaan door
*endoreduplicatie.
Potentie (of ontwikkelingspotentie) Het ontwikkelingsvermogen van
een cel (of celgroep): dat wat de cel onder experimentele omstandigheden kan vormen, in tegenstelling tot datgene wat hij in de normale
ontwikkeling vormt (alleen voor de bevruchte eicel geldt dit onderscheid niet).Tijdens de *determinatie worden de potenties van de cel
geleidelijk verder ingeperkt. Vóór de determinatie is de cel *totipotent.
215
Preformatie Zie p. 14.
Prokaryoten Organismen die niet in het bezit zijn van door een
membraan omgeven celkernen met echte chromosomen (bijvoorbeeld
bakteriën).
Prothallium Zie p.21.
Pseudo-allel Eén van tweeof meer *allelen die functioneel vergelijkbaar zijn (d.w.z. in hetzelfde stofwisselingsproces ingrijpen) maar op
verschillende *loci liggen.
Pseudoplasmodium Een aggregaat van cellen die geen echt *syncytium vormen (zoals het-Plasmodium der Myxomyceten) maar waarin
dekernen door celwanden gescheiden zijn.
Pseudo-zwangerschap Een toestand bij sommige vrouwelijke zoogdieren waarbij zonder bevruchting de corpora lutea in het ovarium
langer actief blijven dan in de normale cyclus. Kan o.a. worden tevoorschijn geroepen door copulatie met een gesteriliseerd mannetje
of door mechanische of electrische prikkeling van het cervicale slijmvlies.
Regulatie (embryonale) Het verschijnsel dat een embryo (of eendeel
daarvan) zich (vrijwel) normaal ontwikkelt ondanks een experimentele
ingreep waarbij delen zijn weggenomen of toegevoegd.
Regulatief gen Een dominant *structureel gen dat niet zelf codeert
voor een enzym of *structureel eiwit, maar welks genproduct (dat
weleen eiwit is)de *transcriptie van andere genen reguleert.
Regulator Zie operon-model.
Repressor Zie operon-model.
Reticulocyt Rood bloedlichaampje kort voor de uiteindelijke differentiatie.
Ribosoom Celorganel, bestaande uit RNA en eiwitten, dat betrokken isbijde *translatie van boodschapper-RNA in het cytoplasma.
216
RNA ('ribonucleic acid') Ribonucleïnezuur. Men onderscheidt o.a.
de volgende soorten: ribosomaal RNA (rRNA) - bestanddeel van het
*ribosoom; boodschapper-RNA (mRNA) - zorgt voor de overdracht
van de genetische informatie naar het cytoplasma (zie transcriptie);
transport-RNA (tRNA) - zorgt voor debinding van specifieke aminozuren aan het ribosoom-mRNA-complex tijdens de *translatie; dRNA
('DNA-like RNA') - RNA met een basensamenstelling verwant aan
dievan het DNA; heterogeen RNA (hRNA) - bestaat uit RNA-molekulen van uiteenlopende grootte, waaronder voorlopers van andere
RNA-soorten. (De beide laatste termen worden gebruikt voor RNA
dat zich nog in de celkern bevindt).
RNA-polymerase Een enzym dat tijdens de *transcriptie van het
DNA de vorming van RNA uit ribonucleotide-trifosfaten katalyseert.
RNP Ribonucleoproteïne, zie p. 52; 58.
S (Svedberg-eenheid) Een maat voor de snelheid waarmee een deeltje in een centrifugaalveld sedimenteert. (Centrifugatie wordt o.a. gebruikt om verschillende klassen van RNA-molekulen in een extract
te scheiden).
SCO ('somatic crossing-over') Zie somatische recombinatie.
S-fase Zie celcyclus.
Soma Alle vegetatieve cellen van een organisme, dat is het hele organisme met uitzondering van de *generatieve cellen (decellen van de
*kiembaan).
Somatisch Betrekking hebbend op de cellen van het *soma. Zie ook
*generatief.
Somatische 'crossing-over' Zie somatische recombinatie.
Somatische hybridisatie ZAQp. 18; 36.
217
Somatische recombinatie Recombinatie van *allelen door 'crossingover' (van segmenten van homologe chromosomen) die niet plaats
vindt tijdens de méiose maar tijdens de mitose, dus (meestal) in *so*
matische cellen. Na voltooiing van de mitose zijn de dochtercellen
verschillend van genetische constitutie en geven dit verschil door aan
hun nakomelingen, waardoor bij gebruik van geschikte allelen fenotypisch verschillende *celklonen ontstaan. Hoe eerder in de ontwikkeling het verschijnsel optreedt, des te groter zullen deze klonen zijn.
Spermatide Zie Spermiogenese.
Spermatocyt Zie Spermiogenese.
Spermatogenese Het proces dat zowel de méiose van de mannelijke
geslachtscellen als de *spermiogenese omvat.
Spermiogenese De differentiatie van spermatiden tot Spermien;spermatiden ontstaan door meiotische delingen uit de spermatocyten.
Sporofyt Zie p. 181.
Structureel eiwit Elk eiwit dat dient voor de opbouw van de morfologische en functionele structuur van cellen en weefsels. (Enzymen
zijn geen structurele eiwitten.)
Structureel gen Elk gen dat codeert voor een polypeptide. Zie ook
regulatief gen. (Genen voor rRNA en tRNA zijn geen structurele
genen).
Syncytium Een veelkernig plasmatisch continuum waarin de kernen
niet door celwanden gescheiden zijn.
Totipotent Zie p. 11; zie ook potentie.
Tracheoblast Een ongedifferentieerd embryonaal celtype dat voorbestemd is tracheeën te vormen.
Transcriptie Zie p. 52.
218
Transdeterminatie Zie p. 162.
Translatie Zie p. 53.
Trisoom Gezegd van een individu waarin van één (of meer) der
chromosomen drie in plaats van het normale tweetal aanwezig zijn.
De genetische constitutie is 2 n + 1(+ 1 etc).
'Turnover' De geleidelijke vervanging van een bepaalde populatie
van molekulen door gelijktijdige afbraak en synthese.
UTP Uridine-trifosfaat.
Zona pellucida Het niet-cellulaire omhulsel (eimembraan) dat de
eicelen devroege klievingsstadia van de zoogdieren omgeeft.
Zoospore Zie voetnoot bij de tabel opp. 182.
Zygote De bevruchte eicel (meer algemeen: diploid versmeltingsproduct van twee haploïde gameten).
219
Literatuur1
Inleiding
(J. Faber)
Pattee, H. H. (Ed.), 1973. Hierarchy theory, the challenge of complex
systems. George Braziller, New York.
Raven, Chr. P., 1968. Ontwikkeling als informatieverwerking. W. de
Haan, Hilversum/J. M. Meulenhoff, Amsterdam.
Weiss, P. A., 1969. The living system: determinism stratified. Studium
Generale 22: 361-400.
Genetischeenepigenetische factoren indeontwikkeling
(J. G. H. Wessels)
*Bonner, J. T., 1967.The cellular slime molds. Princeton, New Jersey.
*Brächet, J., 1968. Synthesis of macromolecules and morphogenesis in
Acetabularia. Curr. Topics devl Biol. 3: 1-36.
*Bruinsma, J. & J. G. H. Wessels, 1972. Groei en ontwikkeling. Leerboek
der plantenfysiologie 2. A. Oosthoek's Uitgeversmaatschappij, Utrecht.
*Davidson, E. H. & R. J. Britten, 1973. Organization, transcription and
replication in the animal genome. Q.Rev. Biol. 48:565-613.
Cocking, E. C , 1972. Plant cell protoplasts, isolation and development.
A. Rev. Plant Physiol. 23: 29-50.
Goodwin, B. C. & M. H. Cohen, 1969. A phase shift model for the
spatial and temporal organization of developing systems. J. iheor. Biol.
25: 49-107.
*Gross, P. R., 1967. The control of protein synthesis in embryonic development. Curr. Topics devl Biol. 2: 1-47.
*Harris, H., 1970. Cell fusion. Oxford University Press, London.
Jaffe, L. F., 1970. On the centripetal course of development, the Fucus
egg, and self-electrophoresis. Devl Biol.,Suppl. 3: 83-111.
1. De met * aangegeven referenties geven een algemeen overzicht.
220
Kauffman, S. A., 1973.Control circuits for determination and transdetermination. Science, N.Y. 181: 310-318.
Konar, R. N. & K. Natarja, 1965. Experimental studies in Ranunculus
sceleratusL. Development of embryos from the stem epidermis. Phytomorphalogy 15: 132-137.
Konijn, Th. M., 1972. Cyclic AMP as a first messenger. Adv. Cyclic
Nucleotide Res. 1: 17-30.
Lawrence, P. R., F. H. C. Crick & M. Munro, 1972. A gradient of
positional information in an insect, Rhodnius. J. Cell. Sei. 11:815-853.
*Lewin, B. M., 1970.The molecular basis of gene expression. Wiley-Interscience, London.
*L0vtrup, S., 1974. Epigenetics. A treatise on theoretical biology. John
Wiley, London.
Marcus, A., 1971.Enzyme induction in plants. A. Rev. Plant Physiol. 22:
313-336.
*Markert, C. L. & H. Ursprung, 1971. Developmental genetics. Prentice
Hall, Englewood Cliffs, N.J.
Monod, J. & F. Jacob, 1961. Teleonomic mechanisms in cellular metabolism, growth and differentiation. Cold Spring Harb. Symp. quant.
Biol. 26: 389-401.
Nitsch, J. P. & C. Nitsch, 1969. Haploid plants from pollen grains.
Science, N.Y. 163: 85-86.
Ohno, S., 1971. Simplicity of mammalian regulatory systems inferred
by single gene determination of sex phenotypes. Nature, Land. 234:
134-137.
Raper, J. R. & C. A. Raper, 1973. Incompatibility factors: regulatory
genes for sexual morphogenesis in higher fungi. Brookhaven Symp. PI.
Morphogenesis.
Soil, D. R. & D. R. Sonneborn, 1971. Zoospore germination in Blastocladiella emersonii: cell differentiation without protein synthesis? Proc.
natn. Acad. Sei. U.S.A. 68: 459-463.
Sonneborn, T. M., 1970. Gene action in development. Proc. R. Soc,
Lond., B 176: 347-366.
* Steward, F. C , 1968. Growth and organization in plants. AddisonWesley, Reading, Mass.
Sussman, M. & P. C. Newell, 1972. Quantal control. In: M. Sussman
(Ed.): Molecular genetics and developmental biology, p. 275-302.
Prentice-Hall, Englewood Cliffs, N.J.
Vasil, V. & A. C. Hildebrandt, 1965. Differentiation of tobacco plants
from single isolated cells in microculture. Science, N.Y. 150: 889-892.
*Wardlaw, C. W., 1970. Cellular differentiation and other essays. Manchester University Press.
*Watson, J. D., 1970. Molecular biology of the gene. Benjamin, New
York.
Wessels, J. G. H. & R. Marchant, 1974. Enzymic degradation of septa
in hyphal wall preparations from a monokaryon and a dikaryon of
Schizophyllum commune. J. gen. Microbiol. 83: 359-368.
221
Whittier, D. P., 1971. The value of ferns in an understanding of the
alteration of generations. BioScience 21: 225-227.
*Wolpert, L., 1969. Positional information and the spatial pattern of cellular differentiation. /. theor. Biol. 25: 1-47.
*Wright, B. E., 1973. Critical variables in differentiation. Prentice-Hall,
Englewood Cliffs, N.J.
Defunctievanhetgenoom indeontwikkeling
(H. D. Berendes)
Beermann, W., 1952. Chromomerenkonstanz und spezifische Modifikationen der Chromosomenstruktur in der Entwicklung und Organdifferenzierung von Chironomus tentons. Chromosoma 5: 139-198.
*Berendes, H. D., 1972. The control of puffing. Results Probl.Cell Differ.
4: 181-207.
Berendes, H. D. & W. Beermann, 1969. Biochemical activity of interphase chromosomes (polytene chromosomes). In: A. Lima de Faria
(Ed.): Handbook of molecular cytology. North-Holland Publishing
Company, Amsterdam.
*Britten, R. J. & E. H. Davidson, 1969. Gene regulation for higher cells:
a theory. Science, N.Y. 165: 349-357.
Britten, R. J. & D. E. Kohne, 1970. Repeated segments of DNA. Scient.
Am. 222: 24-31.
*Brown, D. D., 1973.The isolation of genes.Scient. Am. 229: 19-29.
Brown, D. D. & I. Dawid, 1969. Specific gene amplification in oocytes.
Science, N.Y. 160: 272-280.
Cold Spring Harbor symposia on quantitative biology, 1973.Cold Spring
Harbor Laboratory, New York, Vol. 38.
Darnell, J. E., W. R. Jelinek & G. R. Molloy, 1973. Biogenesis of
mRNA: Genetic regulation in mammalian cells. Science, N.Y. 181:
1215-1221.
Derksen, J., H. D. Berendes & E. Willart, 1973. Production and release
of a locus-specific RNP product in polytene nuclei of Drosophila
hydei. J. Cell Biol. 59: 661-668.
*Fast, J. D., 1972. Materie en leven. Jubileumuitgave, Natuur Techn.
* Georgiev, G. P. & O. P. Samarina, 1971.D-RNA containing ribonucleoprotein particles. Adv. Cell Biol. 2:47-110.
* Gross, P. R., 1967. The control of protein synthesis in embryonic development and differentiation. Curr. Topics devl Biol. 2: 1-47.
*Gurdon, J. B., 1974. The control of gene expression in animal development. Clarendon Press, Oxford.
Gurdon, J. B. & H. R. Woodland, 1974. Xenopus. In: R. C. King (Ed.):
Survey of genetics, vol. 3.Plenum Press, U.S.A.
222
Gurdon, J. B., C. D. Lane, H. R. Woodland & G. Marbaix, 1971. Use
of frog eggs and oocytes for the study of messenger RNA and its
translation in living cells. Nature, Lond. 233: 177-182.
Jensen, E. V. & E. R. DeSombre, 1973. Estrogen-receptor interaction.
Science, N.Y. 182: 126-134.
Leenders, H. J., H. D. Berendes,P. J. Helmsing, J. Derksen &I. F. J. G.
Koninkx, 1974. Nuclear-mitochondrial interactions in the control of
mitochondrial respiratory metabolism. Sub-Cell Biochem. 3: 119-147.
*Lengyel, P. & D. Soil, 1969. Mechanism of protein biosynthesis. Bact.
Rev. 33: 264-301.
O'Malley, B. W. & A. R. Means, 1974. Female steroid hormones and
target cell nuclei. Science, N.Y. 183: 610-619.
*Pavan, C. & A. B. DaCunha, 1969. Gene amplification in ontogeny and
phylogeny of animals. Genetics, Princeton, suppl. 61:289-304.
*Teelken, A.W. &M. Gruber, 1971.Natuur Techn. 39: 1-11.
*Watson, J. D., 1970. Molecular biology of the gene. 2e ed. W. A. Benjamin, Inc. New York. p. 398-434.
De activiteit van genen tijdens de vroege ontwikkeling en de
geslachtsdifferentiatie bij zoogdieren
(R. L. Gardner)
Ansell, J. D. & M. H. L. Snow, 1974. The development of trophoblast
in vitro from blastocysts containing varying amounts of inner cell mass.
J. Embryol. exp. Morph. In druk.
Austin, C. R., 1966. Sex chromatin in embryonic and fetal tissues. In:
K. L. Moore (Ed.):The sex chromatin, p. 241-254. Saunders, Philadelphia.
Barlow, P., D. A. J. Owen &C. F. Graham, 1972.DNA synthesis in the
preimplantation mouse embryo. J. Embryol. exp. Morph. 27: 431-445.
Beatty, R. A., 1970. Genetic basis for the determination of sex. Phil.
Trans. R. Soc, Lond., B. 259: 3-13.
Bennett, D., 1964. Abnormalities associated with a chromosome region
in the mouse. II. Embryological effects of lethal alleles in the T-region.
Science, N.Y. 144: 263-267.
Biggers, J. D. & S. Stern, 1973. Metabolism of the preimplantation
mammalian embryo. In: M. W. H. Bishop (Ed.): Advances in reproductive physiology, vol. 6,p. 1-59. Elek Science, London.
*Blackler, A. W., 1966. Embryonic sex cells in Amphibia. In: A. McLaren
(Ed.): Advances in reproductive physiology, p. 1-28. Academic Press,
New York.
Brinster, R. L., 1970. In vitro cultivation of mammalian ova. In: G.
Raspe (Ed.): Schering symposium on mechanisms involved in conception: Advances in biosciences, vol. 4, p. 199-232. Pergamon, Oxford.
223
Brinster, R. L., 1973a. Protein synthesis and enzyme constitution of the
preimplantation mammalian embryo. In: S. J. Segal, R. Crozier, P. A.
Corfman & P. G. Condliffe (Eds): The regulation of mammalian reproduction, p. 302-316. Thomas, Springfield.
Brinster, R. L., 1973b. Parental glucose phosphate isomerase activity in
three day mouse embryos. Biochem. Genet. 9: 187-191.
*Brown, D. D. & I. B. Dawid, 1969. Developmental genetics. A. Rev.
Genet. 3: 127-154.
Brown, D. D. & J. B. Gurdon, 1964. Absence of ribosomal RNA synthesis in the anucleolate mutant of Xenopus laevis. Proc. natn. Acad.
Sei. U.S.A. 51: 139-146.
Brown, S. W. & H. S. Chandra, 1973. Inactivation system of the mammalian X chromosome. Proc. natn. Acad. Sei. U.S.A. 70: 195-199.
Cattanach, B. M., 1974. Sex reversal in the mouse and other mammals.
In: M. Balls & A. Wild (Eds): A symposium on the early development
of mammals. Cambridge University Press. In druk.
Cattanach, B. M. & H. Moseley, 1973. Non disjunction and reduced fertility caused by tobacco mouse metacentric chromosomes. Cytogenet.
Cell genet. 12: 264-287.
Cattanach, B. M., C. E. Pollard & S. G. Hawkes, 1971. Sex reversed
mice: XX and XO males. Cytogenetics 10:318-337.
Chapman, V, M., J. D. Ansell & A. McLaren, 1972. Trophoblast giant
cell differentiation in the mouse: expression of glucose phosphate
isomerase (Gpi-1) electrophoretic variants in transferred and chimaeric
embryos. Devi Biol. 29: 48-54.
Cook, P. R., 1973. Hypothesis on differentiation and the inheritance of
gene superstructure. Nature, Lond. 245:23-25.
*Cook, P. R., 1974. On the inheritance of differentiated traits. Biol. Rev.
49: 51-84.
Cooper, D. W., J. L. Vandeburg, G. B. Sharman & W. E. Poole, 1971.
Phosphoglycerate kinase polymorphism in kangaroos provides further
evidence for paternal X inactivation. Nature New Biol. 230: 155.
Daentl, D. L. & C. J. Epstein, 1971.Developmental interrelationships of
uridine uptake, nucleotide formation and incorporation into RNA by
early mammalian embryos. Devi Biol. 24: 428-442.
*Dalcq, A. M., 1957. Introduction to general embryology. Oxford University Press.
Daniel, J. C. (Ed.), 1971.Methods in mammalian embryology. Freeman,
San Francisco.
Davidson, R. G., H. M. Nitowsky & B. Childs, 1963. Demonstration of
two populations of cells in the human female heterozygous for glucose6-phosphate dehydrogenase variants. Proc. natn. Acad. Sei. U.S.A. 50:
481-485.
De Mars, R., 1967. The single active X: functional differentiation at the
chromosomal level. N.C.1. monogr. 26: 327-351.
Deol, M. S. & W. K. Whitten, 1972a. Time of X chromosome inactivation in retinal melanocytes of the mouse. Nature New Biol. 238:
159-160.
224
Deol, M. S. & W. K. Whitten, 1972b. X-chromosome inactivation: does
it occur at the same time in all cells of the embryo? Nature New Biol.
240: 277-279.
Ducos, J., Y. Marty, R. Sanger & R. R. Race, 1971.Xg and X chromosome inactivation. Lancet ii: 219-220.
Eaton, G. J. & M. M. Green, 1963. Giant cell differentiation and lethality of homozygous yellow mouse embryos. Genetica 34: 155-161.
Eicher, E. M., 1970. X-autosome translocations in the mouse: total inactivation of the X chromosome versus partial inactivation of the
X chromosome. Adv. Genet. 15: 175-259.
Ellem, K. A. O. & R. B. L. Gwatkin, 1968. Patterns of nucleic acid
synthesis in the early mouseembryo. Devi Biol. 18:311-330.
Emerson, C. P. & T. Humphreys, 1971. Ribosomal RNA synthesis and
multiple atypical nucleoli in cleaving embryos. Science, N.Y. 171:
898-901.
Enders, A. C , 1971.The fine structure of the blastocyst. In: R. J. Blandau (Ed.): The biology of the blastocyst, p. 71-94. University of
Chicago Press.
Enders, A. C. &S. I. Schlafke, 1965.The fine structure of the blastocyst:
some comparative studies. In: G. E. W. Wolstenholme & M. O'Connor
(Eds): Preimplantation stages of pregnancy, p. 29-54. Churchill, London.
Epstein, C. J., 1969. Mammalian oocytes: X chromosome activity.
Science, N.Y. 163: 1078.
Epstein, C. J., 1972. Expression of the mammalian X chromosome before
and after fertilisation. Seiende, N.Y. 175: 1467-1468.
Ferguson-Smith, M. A., 1965. Karyotype-phenotype correlations in gonadal dysgenesis and their bearing on the pathogenesis of malformations. J. med. Genet. 2: 93-156.
Finn, C. A., 1971. The biology of decidual cells. In: M. W. H. Bishop
(Ed.): Advances in reproductive physiology, vol. 5, p. 1-26. Logos
Press, London.
Ford, C. E., 1972. Gross genome unbalance in mouse spermatozoa: does
it influence the capacity to fertilise? In: R. A. Beatty &S. GluecksohnWaelsch (Eds): Proceedings of the Edinburgh symposium on the genetics of the spermatozoon, p. 359-368. Published by the Organisers,
Edinburgh.
Gardner, R. L., 1968. Mouse chimaeras obtained by the injection of cells
into the blastocyst. Nature, Lond. 220: 596-597.
Gardner, R. L., 1971. Manipulations on the blastocyst. In: G. Raspe
(Ed.): Schering symposium on intrinsic and extrinsic factors in early
mammalian development: Advances in the biosciences, vol. 6, p. 279296. Pergamon, Oxford.
Gardner, R. L., 1972. An investigation of inner cell mass and trophoblast
tissue following their isolation from the mouse blastocyst. J. Embryol.
exp. Morph. 28: 279-312.
225
Gardner, R. L., 1974a. Origin and properties of trophoblast. In: R. G.
Edwards, C. W. S. Howe & M. H. Johnson (Eds): Immunobiology of
the trophoblast. Cambridge University Press. In druk.
* Gardner, R. L., 1974b. Analysis of determination and differentiation in
the early mammalian embryo using intra- and inter-specific chimaeras.
In: C. L. Markert (Ed.): The developmental biology of reproduction:.
33rd Symposium of the Society for Developmental Biology. Academic
Press, New York. In druk.
Gardner, R. L., 1974c. Microsurgical approaches to the study of early
mammalian development. In: K. S. Moghissi (Ed.): Birth defects and
fetal development; Endocrine and metabolic factors, p. 212-233.
Thomas, Springfield.
Gardner, R. L. & R. G. Edwards, 1968. Control of the sex ratio at full
term in the rabbit by transferring sexed blastocysts. Nature, Lond. 218:
346-348.
Gardner, R. L. & M. F. Lyon, 1971.X-chromosome inactivation studied
by injection of a single cell into the mouse blastocyst. Nature, Lond.
231: 385-386.
Gardner, R. L. & M.H. Johnson, 1973.Investigation of early mammalian
development using interspecific chimaeras between rat and mouse.
Nature New Biol. 246: 86-89.
Gardner, R. L. & M. H. Johnson, 1974. Investigation of cellular interaction and deployment in the early mammalian embryo using interspecific chimaeras between the rat and mouse. In: J. Rivers (Ed.): Ciba
Foundation symposium on cell patterning. Excerpta Medica, Amsterdam. In druk.
Gardner, R. L. & V. E. Papaioannou, 1974. Differentiation in the trophectoderm and inner cell mass. In: M. Balls &A. Wild (Eds): A symposium on the early development of mammals. Cambridge University
Press. In druk.
Gardner, R. L., V. E. Papaioannou & S. C. Barton, 1973. Origin of the
ectoplacental cone and secondary giant cells in mouse blastocysts reconstituted from isolated trophoblast and inner cell mass. /. Embryol.
exp. Morph. 30: 561-572.
Gartler, S. M„ S. H. Chen, P. J. Fialkow & E. R. Giblett, 1972. X-chromosome inactivation in cells from an individual heterozygous for two
X-linked genes. Nature New Biol. 236: 149-150.
Gartler, S. M., R. M. Liskay, B. K. Campbell, R. Sparkes & N. Gant,
1972. Evidence for two functional X chromosomes in human oocytes.
Cell Differentiation 1: 215-218.
Gartler, S. M., R. M. Liskay & N. Gant, 1973. Two functional X chromosomes in human foetal oocytes. Exp. Cell Res. 82: 464-466.
Gates, A. H., 1971. Maximising yield and developmental uniformity of
eggs. In: J. C. Daniel (Ed.): Methods in mammalian embryology, p.
64-75. Freeman, San Francisco.
Gearhart, J. D. & B. Mintz, 1972. Glucosephosphate isomerase subunitreassociation tests for maternal-fetal and fetal-fetal cell fusion in the
mouse placenta. Devi Biol. 29: 55-64.
226
T
Goldberg, I. H., M. Rabinowitz & E. Reich, 1962. Basis of actinomycin
action, 1. DNA binding and inhibition of RNA-polymerase synthetic
reactions by actinomycin. Proc. natn. Acad. Sei. U.S.A. 48:2094-2101.
* Graham, C. F., 1972. Genetic manipulation of mouse embryos. In: G.
Raspé (Ed.): Advances in the biosciences, vol.8,p.263-278. Pergamon,
Oxford.
Graham, C. F., 1973.Nucleic acid metabolism during early mammalian
development. In: S. J. Segal, R. Crozier, P. A. Corfman & P. G.
Condliffe (Eds): The regulation of mammalian reproduction, p. 286298. Thomas, Springfield.
*Gurdon, J. B., 1974. The control of gene expression in animal development. Oxford University Press.
Gurdon, J. B., C. D. Lane, H. R. Woodland & G. Marbaix, 1971. Use
of frog eggs and oocytes for the study of messenger RNA and its
translation in living cells. Nature, Lond. 233: 177-182.
*Harris, G. W. & R. G. Edwards, 1970. A discussion on determination of
sex.Phil. Trans. R. Soc, Lond., B. 259: 1-206.
*Harris, H., 1974.Nucleus and cytoplasm. 3e ed. Clarendon Press, Oxford.
Hillman, N., 1972. Autoradiographic studies of t12/t12 mouse embryos.
Am. J. Anat. 134: 411-424.
Hillman, N. & R. J. Tasca, 1969. Ultrastructural and autoradiographic
studies of mouse cleavage stages. Am. J. Anat. 126: 151-174.
Hillman, N. & R. J. Tasca, 1973. Synthesis of RNA in t l2 /t 12 mouse
embryos. J. Reprod. Fert. 33: 501-506.
Hillman, N., M. I. Sherman &C. F. Graham, 1972.The effect of spatial
arrangement on cell determination during mouse development. J. Embryol. exp. Morph. 28: 263-278.
Hoppe, P. C. & W. K. Whitten, 1972. Does X chromosome inactivation
occur during mitosis of first cleavage. Nature, Lond. 239: 520.
Hsu, Y. C , L. C. Stevens & J. E. Rash, 1974. Development in vitro of
mouse embryos from the 2-cell stage to the early somites stage. J. Embryol. exp. Morph. 31: 235-245.
Issa, M., C. E. Blank & G. W. Atherton, 1969.The temporal appearance
of sex chromatin and of the late-replicating X chromosome in blastocysts of the domestic rabbit. Cytogenetics 8: 219-237.
Jacobs, P. A., 1972. Chromosomal abnormalities and fertility in man.
In: R. A. Beatty & S. Gluecksohn-Waelsch (Eds): Proceedings of the
Edinburgh symposium on the genetics of the spermatozoon, p. 346358. Published by the Organisers, Edinburgh.
Jenkinson, E. J. & I. B. Wilson, 1970. In vitro support system for the
study of blastocyst differentiation in the mouse. Nature, Lond. 228:
776-778.
*Jost, A., 1974. Mechanisms of normal and abnormal sex differentiation
in the fetus. In: K. S. Moghissi (Ed.): Birth defects and fetal development: Endocrine and metabolic factors, p. 116-135. Thomas, Springfield.
227
Kaufman, M. H., 1973. Analysis of the first cleavage division to determine the sex ratio and incidence of chromosome anomalies at conception in the mouse. J. Reprod. Fert. 35: 67-72.
Kaufman, M. H. & R. L. Gardner, 1974. Diploid and haploid mouse
parthenogenetic development following in vitro activation and embryo
transfer. / . Embryol. exp. Morph. 31: 635-642.
*Kelly, S. J., 1974. Studies of the potency of the early cleavage blastomeres of the mouse. In: M. Balls & A. Wild (Eds): A symposium on
the early development of mammals. Cambridge University Press. In
druk.
Klinger, H. P., A. L. Kosseff & F. Plotnick, 1971.Sex-chromatin formation and RNA and protein synthesis during preimplantation development of the rabbit. In: G. Raspe (Ed.): Schering symposium on intrinsic and extrinsic factors in early mammalian development: Advances
in the biosciences, vol. 6, p. 207-222. Pergamon, Oxford.
Knowland, J. & C. Graham, 1972. RNA synthesis at the two-cell stage
of mouse development.J. Embryol. exp. Morph. 27: 167-176.
Kozak, L. P., G. K. McLean & E. M. Eicher, 1974. X linkage of phosphoglycerate kinase in the mouse. Biochem. Genet. 11:41-47.
Levak-Svajger, B. & A. Svajger, 1971. Differentiation of endodermal
tissues in homografts of primitive ectoderm from two-layered rat embryonic shields. Experientia 27: 683-684.
Lyon, M. F., 1961. Gene action in the X-chromosome of the mouse
(Mus musculus). Nature, Land. 190:372-373.
Lyon, M. F., 1971. Possible mechanisms of X-chromosome inactivation.
Nature New Biol. 232: 229-232.
*Lyon, M. F., 1972. X-chromosome inactivation and developmental patterns in mammals. Biol. Rev. 47: 1-35.
Lyon, M. F., 1974a. Mechanisms and evolutionary origins of variable
X-chromosome activity in mammals. Proc. R. Soc, B. In druk.
Lyon, M. F., 1974b. Evolution of X-chromosome inactivation in mammals. Nature, Lond. 250: 651-653.
Lyon, M. F. &S. G. Hawkes, 1970.X-linked gene for testicular féminisation in the mouse. Nature, Lond. 227: 1217-1219.
* McKusick, V. A., 1969.Human genetics. Prentice-Hall, New Jersey.
* McLaren, A., 1972. Germ cell differentiation in artificial chimaeras of
mice. In: R. A. Beatty & S. Gluecksohn-Waelsch (Eds): Proceedings
of the Edinburgh symposium on the genetics of the spermatozoon,
p. 313-323. Published by the Organisers, Edinburgh.
McLaren, A., 1974. Embryogenesis. In: A. Hollaender & E. Coutinho
(Eds): Physiologic and genetic aspects of reproduction; Xlllth International symposium on basic biology; Salvador, Brazil. In druk.
McLaren, A., A. C. Chandley & S. Kofman-Alfaro, 1972. A study of
meioticgerm cellsinthe gonads of foetal mouse chimaeras. J. Embryol.
exp. Morph. 27: 515-524.
Manes, C , 1969. Nucleic acid synthesis in preimplantation rabbit embryos. I. Quantitative aspects, relationship to early morphogenesis and
protein synthesis. /. exp. Zool. 172:303-310.
228
Manes, C , 1971. Nucleic acid synthesis in preimplantation rabbit embryos. II. Delayed synthesis of ribosomal RNA. ]. exp. Zool. 176:
87-95.
Manes, C. & J. C. Daniel, 1969. Quantitative and qualitative aspects of
protein synthesis in the preimplantation rabbit embryo. Exp. Cell Res.
55: 261-268.
Maraldi, N. M. & V. Monesi, 1970. Ultrastructural changes from fertilisation to blastulation in the mouse. Archs Anat. microsc. Morph,
exp. 59: 361-382.
Matthews, M. B., M. Osborn &J. G. Lingrel, 1971. Translation of globin
messenger RNA in a heterologous cell-free system. Nature New Biol.
233: 206.
Migeon, B. R., 1972. Stability of X chromosome inactivation in humarf
somatic cells. Nature, Lond. 239: 87-89.
Mintz, B., 1962. Formation of genotypically mosaic mouse embryos.
Am. Zool. 2: 310.
Mintz, B., 1964a. Synthetic processes and early development in the
mammalian egg. J. exp. Zool. 157: 85-100.
Mintz, B., 1964b. Formation of genetically mosaic mouse embryos, and
early development of 'lethal (t12/t12)-Normal' mosaics. J. exp. Zool.
157: 273-292.
Mintz, B., 1964c. Gene expression in the morula stage of mouse embryos,
as observed during development of t12/t12 lethal mutants in vitro.
J. exp. Zool. 157: 261-212.
* Mintz, B., 1965a. Experimental genetic mosaicism in the mouse. In: G.
E. W. Wolstenholme & M. O'Connor (Eds): Preimplantation stages of
pregnancy, p. 194-207. Churchill, London.
* Mintz, B., 1965b. Nucleic acid and protein synthesis in the developing
mouse embryo. In: G. E. W. Wolstenholme & M. O'Connor (Eds):
Preimplantation stages of pregnancy, p. 145-155. Churchill, London.
Mintz, B., 1969. Developmental mechanisms found in allophenic mice
with sex chromosomal and pigmentary mosaicism. In: D. Bergsma &
V. McKusick (Eds): First conference on the clinical delineation of
birth defects: Original Article Series,No. 5: 11-22.
* Mittwoch, U., 1973. Genetics of sex differentiation. Academic Press,
New York.
Monesi, V., 1971. Chromosome activities during meiosis and spermiogenesis. J.Reprod. Fert., Suppl. 13: 1-14.
Monesi, V. & V. Salfi, 1967. Macromolecular synthesis during early
development in the mouse embryo. Exp. Cell Res. 46: 632-635.
Monesi, V., M. Molinaro, E. Spalletta & C. Davoli, 1970. Effect of
metabolic inhibitors on macromolecular synthesis and early development in the mouse embryo. Exp. Cell Res. 59: 197-206.
Moore, N. W., C. E. Adams & L. E. A. Rowson, 1968. Developmental
potential of single blastomeres of the rabbit egg. J. Reprod. Fert. 17:
527-531.
Morris, T., 1968. The XO and OY chromosome constitutions in the
mouse. Genet. Res. 12: 125-137.
229
Mulnard, J. G., 1965. Studies of regulation of mouse ova in vitro. In:
G. E. W. Wolstenholme & M. O'Connor (Eds): Preimplantation stages
of pregnancy, p. 123-138. Churchill, London.
Mystkowska, E. T. & A. K. Tarkowski, 1968. Observations on CBA-p/
CBA-T6T6 mouse chimaeras. /. Embryol. exp. Morph. 20: 33-52.
Mystkowska, E. T. & A. K. Tarkowski, 1970. Behaviour of germ cells
and sexual differentiation in late embryonic and early postnatal mouse
chimaeras. J. Embryol. exp. Morph. 23: 395-405.
Neumann, F., W. Elger & H. Steinbeck, 1970. Antiandrogens and reproductive development. Phil. Trans. R. Soc, Lond., B. 259: 179-184.
*New, D. A. T., 1971. Culture of fetuses in vitro. In: G. Raspé (Ed.):
Schering symposium on intrinsic and extrinsic factors in early mammalian development: Advances in the biosciences, vol. 6, p. 367-378.
Pergamon, Oxford.
Nicholas, J. S. & B. V. Hall, 1942. Experiments on developing rats. II.
The development of isolated blastomeres and fused eggs. J. exp. Zool.
90: 441-459.
Nicolet, G., 1967. La chronologie d'invagination chez le poulet: étude à
l'aide de la thymidine tritiée. Experientia 23: 576-577.
* Ohno, S., 1967. Sex chromosomes and sex-linked genes. Springer-Verlag,
Berlin.
* Ohno, S., 1970. Evolution by gene duplication. George, Allen & Unwin,
London.
Peters,H., 1970. Migration of gonocytes into the mammalian gonad and
their differentiation. Phil. Trans. R. Soc, Lond., B. 259: 91-101.
Pikó, L., 1970. Synthesis of macromolecules in early mouse embryos
cultured in vitro: RNA, DNA and polysaccharide component. Devi
Biol. 21: 257-279.
Polani, P. E., 1969. Autosomal imbalance and its syndromes, excluding
Down's. Br. med. Bull. 25 (1): 81-93.
Polani, P. E., 1970. Hormonal aspects of hermaphroditism and the
testicular feminizing syndrome in man. Phil. Trans. R. Soc, Lond., B.
259: 187-204.
Robertson, W. R. B., 1916. Taxonomie relationship in the chromosomes
of Tettigidae and Agrididae: V-shaped chromosomes and their significance in Agrididae, Locustidae and Grylidae: Chromosomes and variation. J. Morphol. 27: 179-332.
Rossant, J., 1974a. Investigation of the determinative state of the mouse
inner cell mass. II. The fate of isolated inner cell masses transferred
to the oviduct. Submitted to /. Embryol. exp. Morph.
Rossant, J., 1974b. Investigation of the determinative state of the mouse
inner cell mass. I. Aggregation of isolated inner cell masses with
morulae. Submitted to J. Embryol. exp. Morph.
Seidel, F., 1952. Die Entwicklungs-Potenzen einer isolierten Blastomere
des Zweizellenstadiums im Säugetierei. Naturwissenschaften 39: 355356.
230
T
*Seidel, F., 1960. Die Entwicklungsfähigkeiten isolierter Furchungszellen
aus dem Ei des Kaninchens, Oryctolagus cuniculus. Wilhelm Roux
Arch. EntwMech. Org. 152: 43-110.
Sherman, M. I., A. McLaren & P. M. B. Wälder, 1972. Mechanism of
accumulation of DNA in giant cells of mouse trophoblast. Nature New
Biol. 238: 175-176.
*Short, R. V., 1972. Germ cell sex. In: R. A. Beatty & S. GluecksohnWaelsch (Eds): Proceedings of the Edinburgh symposium on the
genetics of the spermatozoon, p. 325-345. Published by the Organisers,
Edinburgh.
Silagi, S., 1963. Some aspects of the relationship of RNA metabolism to
development in normal and mutant mouse embryos cultivated in vitro.
Exp. Cell Res. 32: 149-152.
Smith, L. J., 1956. A morphological and histochemical investigation of a
preimplantation lethal (t12) in the house mouse. /. exp. Zool. 132:
51-83.
*Snell, G. D. & L. C. Stevens, 1966. Early embryology. In: E. L. Green
(Ed.): Biology of the laboratory mouse, 2e ed., p. 205-245. Mc-GrawHill, New York.
Snow, M. H. L., 1973a. The differential effect of [3H] -thymidine upon
two populations of cells in pre-implantation mouse embryos. In: M.
Balls & F. S. Billett (Eds): The cell cycle in development and differentiation: 1st Symposium of the British Society for Developmental
Biology, p. 311-324. Cambridge University Press.
Snow, M. H. L., 1973b. Abnormal development of pre-implantation
mouse embryos grown in vitro with [3H]thymidine. J. Embryol. exp.
Morph. 29: 601-615.
Snow, M. H. L., 1973c. Tetraploid mouse embryos produced by Cytochalasin D during cleavage. Nature, Lond. 244: 513-515.
Sobell, H. M., 1973. The stereochemistry of actinomycin binding to
DNA and its implications in molecular biology. In: J. N. Davidson &
W. E. Cohn (Eds): Progress in nucleic acid research and molecular
biology, p. 153-190. Academic Press, New York.
Solter, D., I. Damjanov & N. Skreb, 1973. Distribution of hydrolytic
enzymes in early rat and mouse embryos- a reappraisal. Z. Anat.
EntwGesch. 139: 119-126.
Stevens, L. C. & D. S. Varnum, 1974. Development of teratomas from
parthenogenetically activated ovarian mouse eggs. Devi Biol. 37:
369-380.
Takagi, N., 1974. Differentiation of X chromosomes in early female
mouse embryos. Exp. Cell Res. 86: 127-135.
Tarkowski, A. K., 1959. Experiments on the development of isolated
blastomeres of mouse eggs.Nature, Lond. 184: 1286-1287.
Tarkowski, A. K., 1961. Mouse chimaeras developed from fused eggs.
Nature, Lond. 190: 857-860.
Tarkowski, A. K. & J. Wroblewska, 1967. Development of blastomeres
of mouse eggs isolated at the four- and eight-cell stage. J. Embryol.
exp. Morph. 18: 155-180.
231
Tarkowski, A. K., A. Witkowska & J. Nowicka, 1970. Experimental
parthenogenesis in the mouse. Nature, Lond. 226: 162-165.
Tasca, R. J. & N. Hillman, 1970. Effects of actinomycin D and cycloheximide on RNA and protein synthesis in cleavage stage mouse embryos. Nature, Lond. 225: 1022-1025.
Thomson, J. L. & J. D. Biggers, 1966. Effect of inhibitors of protein
synthesis on the development of preimplantation mouse embryos. Exp.
Cell Res. 41: 411-427.
Torrey, T., 1950. Intraocular grafts of embryonic gonads of the rat.
J. exp. Zool. 115: 37-58.
Ukatoji, T., 1969. Cytological and autoradiographic study of ribonucleic
acid synthesis in preimplantation eggs of the Syrian hamster. Cytologia
34: 93-102.
Van Valen, P., 1966. Oligosyndactylism, an early embryonic lethal in the
mouse. J. Embryol. exp. Morph. 15: 119-124.
Vickers, A. D., 1967. A direct measurement of the sex ratio in the
mouse blastocyst. J. Reprod. Fert. 13: 375-376.
Wakasugi, N., 1973. Studies on fertility of DDK mice: reciprocal crosses
between DDK and C57 BL/6J strains and experimental transplantation
of the ovary. J. Reprod. Fert. 33: 283-291.
*Whitten, W. K., 1971. Nutrient requirements for the culture of preimplantation embryos in vitro. In: G. Raspe (Ed.): Schering symposium
on intrinsic and extrinsic factors in early mammalian development:
Advances in the biosciences, vol. 6, p. 129-139. Pergamon, Oxford.
Whitten, W. K. & J. D. Biggers, 1968. Complete development in vitro
of the preimplantation stages of the mouse in a simple chemicallydefined medium. J. Reprod. Fert. 17: 399-401.
Wilson, I. B., E. Bolton & R. H. Cuttler, 1972. Preimplantation differentiation in the mouse egg as revealed by microinjection of vital
markers. J. Embryol. exp. Morph. 27: 467-479.
*Witschi, E., 1967. Biochemistry of sex differentiation in vertebrate embryos. In: R. Weber (Ed.): The biochemistry of animal development,
vol. 2, p. 193-225.Academic Press, New York.
*Wolf, U. & W. Engel, 1972. Gene activation during early development
of mammals. Humangenetik 15: 99-118.
Wolff, E., 1952. Sur la différenciation sexuelle des gonades de souris
explantées in vitro. C.r. hebd.Séanc. Acad. Sei., Paris234: 1712-1714.
Woodland, H. R. & C. F. Graham, 1969. RNA synthesis during early
development of the mouse. Nature, Lond. 221: 327-332.
Determinatie tijdens devroege ontwikkeling
(J. H. Sang)
Bantock, C. R., 1970. Experiments in chromosome elimination in the gall
midge, Mayetiola destructor. J.Embryol. exp. Morph. 24: 257-286.
232
Bownes, M. & K. Kalthoff, 1974. Embryonic defects in Drosophila eggs
after partial u.V. irradiation at different wavelengths. J. Embryol. exp.
Morph. 31: 329-345.
Bownes, M. & I. H. Sang, 1974. Experimental manipulation of early
Drosophila embryos. I. Adult and embryonic defects resulting from
microcautery at nuclear multiplication and blastoderm stages. II. Adult
and embryonic defects resulting from the removal of blastoderm cells
by pricking. J. Embryol. exp. Morph. In druk.
*Britten, R. J. & E. H. Davidson, 1969. Gene regulation for higher cells:
a theory. Science, N.Y. 165: 349-357.
Bull, A. L., 1966.Bicaudal, a genetic factor which affects the polarity of
the embryo in Drosophila melanogaster.J. exp. Zool. 161:221-242.
Carlson, J. G., 1952. Microdissection studies of the dividing neuroblast of
the grasshopper, Chortophaga viridifasciata (De Geer). Chromosoma
5: 119-220.
*Cather, J. N., 1971. Cellular interactions in the regulation of development in annelids and molluscs.Adv. Morphogenesis 9:67-125.
Clement, A. C , 1968. Development of the vegetal half of the Ilyanassa
egg after removal of most of the yolk by centrifugal force, compared
with the development of animal halves of similar visible composition.
Devi Biol. 17: 165.
Conklin, E. G., 1905. The organisation and cell lineage of the ascidian
egg. J. Acad. nat. Sei. Philad.13: 1.
Crampton, H. E., 1896.Experimental studies on gasteropod development.
Arch. EntwMech. Org. 3: 1.
Curtis, A. S. G., 1962. Morphogenetic interactions before gastrulation in
the amphibian Xenopus laevis-ths cortical field. J. Embryol. exp.
Morph. 10: 410.
Darnell, J. E., W. R. Jelinek & G. R. Molloy, 1973. Biogenesis of
mRNA: genetic regulation in mammalian cells. Science, N.Y. 181:
1215-1221.
*Davidson, E. H., 1968. Gene activity in early development. Academic
Press, New York/London.
*Davidson, E. H. & R. J. Britten, 1973. Organisation, transcription and
regulation in the animal genome. Q. Rev. Biol. 48:565-613.
Driesch, H., 1891.Entwickelungsmechanische Studien I—II.Z. Wiss. Zool.
53: 160. English summary of this work in T. H. Morgan, 1927. Experimental embryology. Columbia University Press,New York.
* Gehring, W., 1973. Genetic control of determination in the Drosophila
embryo. In: Genetic mechanisms of development, p. 103-128. Academic Press, New York.
Gurdon, J. B., 1962. The developmental capacity of nuclei taken from
intestinal epithelium cells of feeding tadpoles. J. Embryol. exp. Morph.
10: 622-40.
* Gurdon, J. B., 1974. The control of gene expression in animal development. Clarendon Press, Oxford.
*Hadorn, E., 1965. Problems of determination and transdetermination.
Brookhaven Symp. 18: 148-161.
233
His, W., 1874. Unsere Körperform und das physiologische Problem ihrer
Entstehung. Vogel, Leipzig.
Jacob, F. & J. Monod, 1961. Gene regulatory mechanisms in the synthesis of proteins. /. molec. Biol. 3: 318.
Kalthoff, K., 1971.Photoreversion of UV-induction of the malformation
'double abdomen' in the egg of Smittia spec. (Diptera, Chironomidae).
Devi Biol. 25: 119-132.
*King, R. C , 1970. Ovarian development in Drosophila melanogaster.
Academic Press, New York.
Laskey, R. A. & J. B. Gurdon, 1970. Genetic content of adult somatic
cells tested by nuclear transplantation from cultured cells. Nature
Lond. 228: 1332-1334.
Lillie, F. R., 1906. Observations and experiments concerning the elementary phenomena of development in Chaetopterus. J. exp. Zool. 3: 153.
*Mahowald, A. P., 1972. Oogenesis. In: S. J. Counce &C. H. Waddington
(Eds): Developmental systems- insects,vol. I, p. 1-43. Academic Press,
London/New York.
Okada, M., I. A. Kleinman & H. A. Schneiderman, 1974. Restoration of
fertility in sterilised Drosophila eggs by transplantation of polar cytoplasm. Devi Biol. 37: 43-54.
*Raven, C. P., 1961. Oogenesis: The Storage of Developmental Information. Pergamon Press, Oxford.
Shannon, M. P., 1972. Characterisation of the female-sterile mutant
almondex of Drosophila melanogaster. Genetica 43: 244-256.
Shields, G., A. Diibendorfer & J. H. Sang, 1974. Differentiation in vitro
of larval cell types from early embryonic cells of Drosophila melanogaster.J. Embryol. exp. Morph. In druk.
*Spemann, H., 1938. Embryonic development and induction. Yale University Press, New Haven.
* Steward, F. C , 1970. From cultured cells to whole plants: the induction
and control of their growth and differentiation. Proc. R. Soc, B 175:
1-30.
Sturtevant, A. H., 1923. Inheritance of direction of coiling in Limnea.
Science, N.Y. 58: 269-270.
Verdonk, N. H., 1968a. The effect of removing the polar lobe in centrifuged eggs of Dentalium. J. Embryol. exp. Morph. 19:33-42.
Verdonk, N. H., 1968b. The relation of the two blastomeres to the polar
lobe in Dentalium. J. Embryol. exp. Morph. 20: 101-105.
*Waddington, C. H., 1947. Genes and organisers. University Press, Cambridge.
Weismann, A., 1889. Essays upon heredity and kindred biological problems. Vertaald door E. B. Poulton, S. Schönland & A. E. Shipley.
Clarendon Press, Oxford.
Wilson, E. B., 1904. Experimental studies in germinal localisation. II.
Experiments on cleavage- mosaic in Patella and Dentalium. J. exp.
Zool. 1: 197.
*Wilson, E. B., 1928. The cell in development and heredity. 3e (verbeterde) ed. Macmillan Co., New York.
234
Het ontstaan van ruimtelijke ordeningtijdens deontwikkeling
vanInsekten
(W. J. Ouweneel)
Bownes, M. & J. H. Sang, 1974. Experimental manipulation of early
Drosophila embryo's. I. Adult and embryonic defects resulting from
microcautery at nuclear multiplication and blastoderm stages. II. Adult
and embryonic defects resulting from the removal of blastoderm cells
by pricking. /. Embryol. exp. Morph. In druk.
*Britten, R. J. & E. H. Davidson, 1969. Gene regulation for higher cells:
a theory. Science, N.Y. 165: 349-357.
'
Bryant, P. J., 1974. Determination and pattern formation in the imaginai
discs of Drosophila. Curr. Topics devl Biol. 8: 41-80.
Bryant, P. J., 1975. Pattern formation in the imaginai wing disc of Drosophila melanogaster. fate map, regeneration and duplication. Devi
Biol. In druk.
Bryant, P. J. & H. A. Schneiderman, 1969. Cell lineage, growth, and
determination in the imaginai leg discs of Drosophila melanogaster.
Devi Biol. 20: 263-290.
Chan, L.-N. & W. Gehring, 1971. Determination of blastoderm cells in
Drosophila melanogaster. Proc. natn Acad. Sei. U.S.A. 68:2217-2221.
*Garcia-Bellido, A., 1972. Pattern formation in imaginai disks. Results
Probl. Cell Differ. 5: 59-91.
Garcia-Bellido, A. & J. R. Merriam, 1969. Cell lineage of the imaginai
discs in Drosophila gynandromorphs. /. exp. Zool. 170:61-76.
* Gehring, W. J. & R. Nöthiger, 1973. The imaginai discs of Drosophila.
In: S. J. Counee & C. H. Waddington (Eds): Developmental systems insects, vol. II, p. 212-290. Academic Press, London/New York.
Geigy, R., 1931. Erzeugung rein imaginaler Defekte durch ultraviolette
Eibestrahlung bei Drosophila melanogaster. Wilhelm Roux Arch.
EntwMech. Org. 125: 406-447.
Gloor, H., 1947. Phänokopie-Versuche mit Äther an Drosophila. Revue
suisse Zool. 27: 637-712.
Graziosi, G. & F. Micali, 1974. Differential responses to ultraviolet irradiation of the polar cytoplasm of Drosophila eggs. Wilhelm Roux
Arch. EntwMech. Org. 175: 1-11.
Hadorn, E., R. Hiirlimann, G. Mindek, G. Schubiger & M. Staub, 1968.
Entwicklungsleistungen embryonaler Blasteme von Drosophila nach
Kultur im Adultwirt. Revue suisseZool. 75: 557-569.
Henke, K. & H. Maas, 1946. Über sensible Perioden der allgemeinen
Körpergliederung von Drosophila. Nachr. Akad. Wiss. Göttingen
1946-1948: 3-4.
Hotta, Y. & S. Benzer, 1972. Mapping of behaviour in Drosophila
mosaics. Nature, Land. 240: 527-535.
Howland, R. B. & B. P. Sonnenblick, 1936. Experimental studies on
development in Drosophila melanogaster. II. Regulation in the early
egg. J. exp. Zool. 73: 109-125.
235
Illmensee, K., 1972. Developmental potencies of nuclei from cleavage,
preblastoderm, and syncytial blastoderm transplanted into unfertilized
eggs of Drosophila melanogaster. Wilhelm Roux Arch. EntwMech.
Org. 170: 267-298.
Illmensee, K., 1973. The potentialities of transplanted early gastrula
nuclei of Drosophila melanogaster. Production of their imago descendants by germ-line transplantation. Wilhelm Roux Arch. Entw^Mech.
Org. 171: 331-343.
Illmensèe, K. & A. P. Mahowald, 1974. Transplantation of posterior
polar plasm in Drosophila. Induction of germ cells at the anterior pole
of the egg.Proc. natn Acad. Sei. U.S.A. 71: 1016-1020.
Kiger jr., J. A., 1973.The bithorax complex- a model for cell determination in Drosophila. J. theor.Biol. 40: 455-467.
*Lawrence, P. A., 1970. Polarity and patterns in the postembryonic development of insects. Adv. Insect Physiol. 7: 197-266.
Lawrence, P. A., F. H. C. Crick & M. Munro, 1972. A gradient of
positional information in an insect, Rhodnius. J. Cell Sei. 11: 815-853.
* Mahowald, A. P., 1971. Origin and continuity of polar granules. Results
Probl. Cell Differ. 5: 158-169.
Mandaron, P., 1971. Sur le mécanisme de Invagination des disques
imaginaux chez la Drosophile. Devi Biol. 25: 581-605.
Meer, J. M. van der & W. J. Ouweneel, 1974. Differentiation capacities
of the dorsal metathoracic (haltere) disc of Drosophila melanogaster.
II. Regeneration and duplication. Wilhelm Roux Arch. EntwMech.
Org. 174: 361-373.
*Nöthiger, R., 1972. The larval development of imaginai disks. Results
Probl. Cell Differ. 5: 1-34.
Nöthiger, R. & S. Strub, 1972. Imaginai defects after UV-microbeam
irradiation of early cleavage stages of Drosophila melanogaster. Revue
suisse Zool. 79: 267-279.
Okada, M., I. A. Kleinman & H. A. Schneiderman, 1974a. Restoration
of fertility in sterilized Drosophila eggs by transplantation of polar
cytoplasm. Devi Biol. 37: 43-54.
Okada, M., I. A. Kleinman & H. A. Schneiderman, 1974b. Chimeric
Drosophila adults produced by transplantation of nuclei into specific
regions of fertilized eggs.Devi Biol. 39: 286-294.
Ouweneel, W. J., 1970. Developmental capacities of young and mature,
wild-type and opht eye imaginai discs in Drosophila melanogaster.
Wilhelm Roux Arch. EntwMech. Org. 166: 76-88.
*Ouweneel, W. J., 1972. Determination, regulation, and positional information in insect development. Acta biotheor. 21: 115-131.
*Ouweneel, W. J., 1975a. Developmental genetics of homoeosis. Adv.
Genetics 18. In druk.
Ouweneel, W. J., 1975b. Differentiation capacities of the dorsal metathoracic (haltere) disc of Drosophila melanogaster. III. Homoeotic
transformations. In voorbereiding.
236
Ouweneel, W. J. & J. M. van der Meer, 1973. Differentiation capacities
of the dorsal metathoracic (haltere) disc of Drosophila melanogaster.
I. Normal organ map. Wilhelm Roux Arch. EntwMech. Org. 172:
149—161.
Poodry, C. A. & H. A. Schneiderman, 1971.Intercellular adhesivity and
pupal morphogenesis in Drosophila melanogaster. Wilhelm Roux Arch.
EntwMech. Org. 168: 1-9.
Poodry, C. A. &H. A. Schneiderman, 1974. Pattern formation in Drosophila melanogaster. The effects of mutation on polarity and 'prepattern' in the developing leg.Devi Biol. In druk.
Poodry, C. A., P. J. Bryant & H. A. Schneiderman, 1971. The mechanism of pattern reconstruction by dissociated imaginai discs of Drosophila melanogaster. Devi Biol. 26: 464-477.
,
Postlethwait, J. H., 1974. Pattern formation in the wing and haltere
imaginai discs after irradiation of Drosophila melanogaster first instar
larvae. Devi Biol. In druk.
Postlethwait, J. H. & H. A. Schneiderman, 1971. Pattern formation and
determination in the antenna of the homoeotic mutant Antennapedia
of Drosophila melanogaster. Devi Biol. 25: 606-640.
*Postlethwait, J. H. & H. A. Schneiderman, 1974. Developmental genetics
of Drosophila imaginai discs.A. Rev. Genetics 7:381-433.
Russell, M. A., 1974. Pattern formation in the imaginai discs of a
temperature-sensitive cell-lethal mutant of Drosophila melanogaster.
Devi Biol. 40: 24-39.
*Schneiderman, H. A., 1969. Control systems in insect development. In:
S. Devons (Ed.): Biology and the physical sciences, p. 186-208. Columbia University Press.
Schubiger, G., 1971.Regeneration, duplication and transdetermination in
fragments of the leg disc of Drosophila melanogaster. Devi Biol. 26:
277-295.
Schubiger, G., M. Schubiger-Staub & E. Hadorn, 1969. Mischungsversuche mit Keimteilen von Drosophila melanogaster zur Ermittlung des
Determinationszustandes imaginaler Blasteme im Embryo. Wilhelm
Roux Arch. EntwMech. Org. 163: 33-39.
Shearn, A. & A. Garen, 1974. Genetic control of imaginai disc development in Drosophila. Broc, nain Acad. Sei. U.S.A. 71: 1393-1397.
Spreij, Th. E. & M. Oldenhave, 1974.A detailed organ map of the wing
disk of Calliphora erythrocephala. Neth. J. Zool. 24: 291-310.
*Stern, C, 1968. Genetic mosaics and other essays. Harvard University
Press.
Sturtevant, A., 1929. The claret mutant type of Drosophila simulons: a
study of chromosome elimination and of cell-lineage. Z. wiss. Zool.
135: 323-356.
Vijverberg, A. J., 1974. A cytological study of the proliferation patterns
in imaginai disks of Calliphora erythrocephala Meigen during larval
and pupal development. Neth. J. Zool. 24: 171-217.
237
Whittle, J. R. S., 1973. A mutation causing mirror-image duplication in
the wings and haltères of Drosophila melanogaster. In: Proceedings of
the XIII International Congress of Genetics. Genetics, Princeton 74:
s296.
'Wolpert, L., 1971. Positional information and pattern formation. Curr.
Topics devl Biol. 6: 183-224.
Degenetische regulatie vandeceldifferentiatie, toegelichtaan de
handvandeSpermiogenesevanDrosophilahydei
(O. Hess)
Bridges, C. B., 1916. Non-disjunction as a proof of the chromosome
theory of heredity. Genetics, Princeton 1: 1-52, 107-163.
Brosseau, G., 1960. Genetic analysis of the male fertility factors on the
Y chromosome of Drosophila melanogaster. Genetics, Princeton 45:
257-274.
Hennig, W., 1968. Ribonucleic acid synthesis of the Y chromosome of
Drosophila hydei. J. molec. Biol. 38: 227-239.
*Hess, O., 1971. Lampenbürstenchromosomen. In: Handbuch der allgemeinen Pathologie II/2, p. 215-281. Springer Verlag, Berlin.
*Hess, O. & G. F. Meyer, 1968. Genetic activities of the Y chromosome
in Drosophila during spermatogenesis. Adv. Genet. 14: 171-223.
Lindsley, D. L. & E. H. Grell, 1968. Spermiogenesis without chromosomes in Drosophila melanogaster. Genetics, Princeton 61, Suppl. 1:
69-78.
Lindsley, D. L. & E. Lifschytz, 1972. The genetic control of spermatogenesis in Drosophila. In: R. A.Beatty &S.Gluecksohn-Waelsch (Eds):
Proceedings International Symposium 'The genetics of the spermatozoon', p. 203-222. Published by the organisers, Edinburgh.
Meyer, G. F., 1968. Spermiogenese in normalen und Y-defizienten
Männchen von Drosophila melanogaster und D. hydei. Z. Zellforschg.
mikrosk. Anat. 84: 141-175.
Stern, C , 1927. Ein genetischer und cytologischer Beweis für Vererbung
im Y-Chromosom von Drosophila melanogaster. Z. indukt. Abstamm.u. VererbLehre 44: 187-231.
Stern, C , 1929. Untersuchungen über Aberrationen des Y-Chromosoms
von Drosophila melanogaster. Z. indukt. Abstamm.- u. VererbLehre
51: 253-353.
Stern, C. & E. Hadorn, 1938. The determination of sterility in Drosophila males without a complete Y chromosome. Am. Nat. 72: 42-52.
238
Deovergangvandevegetatievenaardegeneratieve fase
(H. F. Linskens)
*Bredemeijer, G. M. M. &A. J. G. van Gastel, 1974. Zelfinkompatibiliteit
in hogere planten. Vakhl. Biol. 54: 346^352.
*Croes,A. F., 1974. Physiology of meiosis. Progr.Bot. 36: 66-76.
*Croes, A. F. & H. F. Linskens, 1966. Problemen rond de fysiologie van
de méiose. Vakbl. Biol. 46: 69-77.
*Ende, H. van den. & D. Stegwee, 1971.Physiology of sex in Mucorales.
Bot. Rev. 37: 22-36.
*Hauenschild, C. & H. F. Linskens, 1975. Sexualität und Fortpflanzung.
In: G. Czihak, H. Langer & H. Ziegler (Eds): Biologie. Springer/
Berlin/Heidelberg/New York.
*Linskens, H. F., 1969. Sexuality, reproduction, alternation of generations.
In: H. F. Linskens (Ed.): Encyclopedia of plant physiology, vol. XVIII.
Springer, Berlin/Heidelberg/ New York.
*Linskens, H. F., 1974. Physiological aspects of incompatibility. Biol. J.
Linnean Soc, Lond. 6, suppl. 1. In druk.
*Linskens, H. F., 1975. Incompatibility in Petunia. Proc. R. Soc, Lond.,
B188: 299-311.
*Linskens, H. F. & M. Kroh, 1970. Regulation of pollen tube growth.
Curr. Topics devl Biol. 5: 89-114.
* Machlis, L. & E. Rawitscher-Kunkel, 1967. Mechanisms of gametic approach in plants. In: C. B. Metz & A. Monroy (Eds): Fertilization,
vol. 2, p. 117-161.
Straub, J., 1951. Über die Auslösung der Meiosis. Biol. ZU. 70: 24-30.
239
Register
Acetabularia 35 e.v.
Achlya 191
artinomycine D 33,35 e.V., 85 e.V.,
173, 206
Actinophrys 186
activatie van eicel 74
activator-eiwit 110
amfibiën 42, 117
amplificatie, zie genamplificatie
androgeen hormoon 101
aneuploïdie 170, 206
anthère 185, 187
antheridium 21
apicaal centrum 23
apogamie 17, 21
archegonium 21, 23
archespoorcel 185, 207
Ascaris 43
attractiemechanismen 182, 189 e.v.
azuur-B 82
bacteriofaag 26, 31, 207
bevruchting, zie onder incompatibiliteit
bevruchtingsbarrière 183, 196 e.v.
bioelektrisch veld 38
blasteem 161 e.v.
Blastocladiella 34
blastocyst 69 e.v.
blastoderm 207
determinatie in - 147
Drosophila- 124 e.V., 137 e.v.,
146 e.v.
kippe- 105
organenkaart in - 140
240
blastomeer-isolatie 75, 112 e.v.
Calliphora 164
cAMP 31
cel-affiniteit, zie onder imaginaalschijf
celdood 146, 148, 160
cel-erfelijkheid 147
celfusie, zie somatische hybridisatie
celkloon 93, 146 e.V., 208
Chaetopterus 116
Chemotaxis 31, 208
chemotropische gradiënt 194
chimère 77, 80, 97, 102, 208
Chortophaga 120
chromosoom-diminutie 44
chromosoom-eliminatie 44, 122
cistron 50, 171, 208
Cladophora 201
competentie 106 e.V., 208
- in imaginaalschijf 132, 151,
154, 155
computersimulatie 159
Copepoda 43
cortex, zie ook eicortex 209
cytochalasine B 89
cytoplasma 16, 36
cytoplasmatische determinanten 75,
125
cytoplasmatische lokalisatie 118
cytoplasmatische segregatie 75, 115
Dentalium 114
determinanten, zie cytoplasmatische
determinanten
determinatie, zie ook geslachtsdeterminatie, 11,20, 63 e.V.,
73 e.V., 89, 105 e.V., 132e.V.,
139 e.V., 146 e.v.
dedifferentiatie 20
Dictyostelium 31 e.v.
differentiatie, zie ook geslachtsdifferentiatie en zelf-differentiatie
10 e.v., 107 e.v.
cellulaire - 10 e.v., 17 e.v., 20,
25, 27, 30 e.V., 63, 66, 73 e.V.,
126 e.V., 133, 169 e.V., 175 e.v.
- bij de méiose 189
moleculaire - 8
dikaryon, zie onder Schizophyllum
DNA 15 e.v., 40 e.V., 172
basenvolgorde (unieke of repetitieve) 15, 27, 45 e.v., 51
complementaire basen 46
-denaturering 46
differentiële replicatie van - 97
dubbelstreng-molekuul 45 e.v.
enkelstreng-molekuul 46
genetische code in - 45, 52 e.v.
hoeveelheid - in genoom 40,
45 e.V.
informatieve inhoud van - 15,
41 e.V., 50 e.v.
receptor-plaats in - 110
-renaturering 46
-transcriptie en zijn regulatie 15,
21, 26 e.V., 32 e.V., 52 e.V., 67,
81, 85, 110
Drosera 201
Drosophila 50, 119 e.V., 130 e.V.,
169 e.v.
ontwikkeling van - 130 e.v.
DrasopMa-mutanten
achaete 154
almondex 124
Antennapedia 152
bicaudal 123
bithorax 139, 144 e.V., 152
bithoraxoid 144
Contrabithorax 144
Contrabithoraxold 144
Costal 160
eyeless-Dominant 156, 160
gedrags- 140
Hairy-wing 154
homoeotische - 133, 139, 144,
151, 162
LB-lusmutanten 176
letale - 132, 160
postbithorax 144, 152
shibere 157
steriele - 176
Ultra-abdominal 144
yellow 154
duplicatie
embryologische - zie spiegelbeeldige verdubbeling
genetische - 209
ecdyson 54, 66, 107, 133, 137
ectocarpine 191
Ectocarpus 191
effector 27, 110
eicel 8 e.v.
informatie in - 40 e.v., 67
eicortex 8, 76, 116 e.V., 124 e.V.,
137, 141 e.v.
eiwitsynthese 85 e.v.
embryogenese 9, 14
endoplasmatisch reticulum 73, 80,
210
endoreduplicatie 72, 210
epigenese 14 e.v.
epigenetische factoren 15 e.V.,
21 e.V., 38, 126, 160
Epilobium 201
evolutie 204
fagocytose 73, 210
fenokopie 123, 139, 210
fertiliteitsfactoren, zie onder
Y-chromosoom
fotoperiodiciteit 184
Fucus-ei 37
Funaria 201
fyllotaxis 23
241
fysiologisch veld 24
galvanotropische gradiënt 193
gametofyt 21, 181
gamma-bestraling 165
gen 129
expressor- 144
geslachtsbepalend - 94, 100
integrator- 110
produktor- 144
regulatief - 15, 26, 27, 30, 177,
199
sensor- 110
sleutel- 144
structureel - 15, 26, 101,
109 e.V., 177, 199
genactivatie 81, 86, 208 e.V., 171,
200
inductie van - 54
selectieve - 12, 62, 67, 127 e.V.,
199
genamplificatie 27, 44
gen-dosering 92
genenbatterij 111
genetisch model 109, 125
genetische celmarkering 76
genetische code, zie onder DNA
genetische informatie, zie onder
informatie
generatieve fase 12, 180 e.v.
generatiewisseling 21, 181,201
genexpressie 52, 87, 108
genoom 15 e.V., 45 e.V., 122
- van bacteriofaag 26, 31
eukaryotisch - 27, 31
-expressie 33
geslachtschromatine 95
geslachtschromosoom 91 e.v.
geslachtsdeterminatie 92, 101
geslachtsdifferentiatie 91 e.v.,
97 e.v.
geslachtshormoon 190
geslachtslijst 100 e.v., 211
geslachtsomkering 91, 100
gistcel 187 e.v.
glucose-fosfaat-isomerase 79, 87
242
goudhamster 84, 86
gradiënt, zie ook chemotropische -,
galvanotropische - , hygrotropische -, pH- 23 e.v., 119, 211
corticale - 145
-model 157 e.V., 165
groeicentrum 23 e.v.
grijze halve maan 118, 211
gynander-techniek 139
hemine 61
hemoglobine 40, 60 e.v.
hermafrodiet 102, 212
heterochromatine 171, 212
hétérogamie 92
heterokaryon, zie onder Schizophyllum
hiërarchie, zie onder organisatie
histoblasten 131, 145
histogenèse 10
histon 51, 188, 212
homoeose, zie ook onder Drosop/»7a-mutanten en onder mozaïek
212
homokaryon, zie onder Schizophyllum
hormoon, zie de afzonderlijke
hormonen
hormoon-receptor 63 e.v.
hygrotropische gradiënt 193
llyanassa 114
imaginaalschijf 20, 28, 130 e.v.
aanleg van - 144, 145
antenne-, zie oog-antenne van
cel-affiniteit in - 137, 207
cel-reaggregatie in - 149 e.v.
duplicatie van - 161 e.v.
genitaal- 132, 162
haltere- 131, 153, 162 e.v.
mitotische activiteit in - 145,
146
oog-antenne- 131, 152, 160,
162 e.v.
orgaandistricten in - 149 e.v.
organenkaart in - 136, 153
poot- 131, 152, 162, 165
regeneratie van - 162 e.v.
transplantatie van - 133
vleugel- 131, 148, 153, 162 e.v.
impermeabiliteit van eicel 82 e.v.
incompatibiliteit
- bij bevruchting 196 e.v.
- bij schimmels 28 e.v.
inductie 79, 212
sexuele - 191
informatie, zie ook DNA 8, 11
cytoplasmatische - 11
genetische - 8, 11 e.v., 26,
39 e.V., 111, 126 e.V., 189
positionele - 12, 25, 127 e.V.,
137 e.V., 142 e.v.
informofeer 58
insekten 44
integratie 7
intersex 102, 212
inwendige celmassa (ICM) 72 e.v.
isozym, zie ook glucose-fosfaatisomerase 212
kern-cytoplasmarelaties 33, 36 e.V.,
53
kerntransplantatie 20, 41, 55, 108,
141
kernmembraan 52, 59
kiembaan 44, 169, 171, 177, 213
kiemcel 122
kiemschijf, zie blastoderm
Klebs, regel van - 184, 187
konijn 75, 84, 86
'lampbrush'-chromosoom 172 e.v.
letale mutanten, zie onder Drosopfa'fo-mutanten
lichaampje van Barr, zie geslachtschromatine
links- en rechtsdraaiendheid 123
Lyon-hypothese, zie X-inactivatie
maternaal effect 122 e.v., 144, 178
Mayétiola 122
méiose 21, 102, 181, 185 e.v.
meiosine 186
meiospore 181, 187
melanoblast 93, 213
melanocyt 20
meristeem 23
metaplasie 20
monokaryon, zie Schizophyllum
morfogenese 10, 28 e.V., 33
sexuele - 28
morfogenetische potentie 119, 214
morfogenetisch veld 144, 214
mozaïek
genetisch - 146, 150, 151 e.v.
homoeotisch - 151 e.v.
-ontwikkeling 111 e.v.
mRNA 26, 31 e.V., 35, 48, 52, 85,
111, 171, 199
-eiwitcomplex 52
gemaskeerd - 62
gepreformeerd - 35
translatie van - 53, 60 e.V., 68,
81, 85, 110
Mucor 191
muize-mutanten
brachyurie 88
oligosyndactylie 88
sex reversed 100
ta 88
Mus 84, 86, 89, 91
ontwikkeling 70 e.v.
nucleïnezuur-hybridisatie 49 e.v.
nucleolus 40, 82, 83, 214
Oedogonium 189
oergeslachtscellen 102, 142, 214
oestrogeen 68
Ohno, wet van - 101
ontogenèse 14
ontwikkelingsprogramma 25, 27,
30 e.v., 125
moleculair - 32 e.v.
243
oöcyt 82, 172
- als testsysteem 60
Oogenese 82, 86, 93, 122, 142 e.V.,
178
oögonium-moedercel 189
operon-model 26, 109, 199, 215
orgaandistrict, zie onder imaginaalschijf
organenkaart 116, zie ook onder
blastoderm en onder imaginaalschijf
organisatie 7
hiërarchische - 8
ruimtelijke - 10
organisatieniveau's 8 e.v.
Organogenese 8 e.v.
ovarium 97, 103
parthénogenèse 36, 89, 215
Patella 112
patroonvorming 10, 126 e.v.
subcellulaire - 174
pH-gradiënt 194
Phycomyces 191
plantenveredeling 197
polariteit 37 e.V., 121, 157 e.v.
pollenbuis 193 e.v., 196 e.v.
pollenkorrel 185, 187, 197 e.v.
pollenmoedercel 185, 187
poolcel 122, 142
poolgranula 122, 143
poollap 114 e.v.
poolplasma 143
positionele informatie, zie onder
informatie
potentie, zie ook totipotentie 16,
21, 106, 147 e.V., 215
predeterminatie, ziematernaal effect
preformatie 14, 112
primordium 23 e.v.
progame fase 198
progesteron 63
prothallium 21 e.v.
pseudoplasmodium 31 e.V., 216
pseudo-zwangerschap 73, 216
puff 54, 59, 66, 172
244
reaggregatie, zie onder imaginaalschijf
receptor, zie onder DNA en zie
hormoon-receptor
reductionisme 7, 9
regeneratie
- bij Acetabulari 35
- bij amfibiën 20
- van imaginaalschijf 162 e.v.
bij - Schizophyllum 18 e.v.
regulatie
- van eiwitsynthese 26 e.v.
genetische - 25, 30, 169 e.v.,
189, 201
regulatieve ontwikkeling 115 e.v.
repetitieve basenvolgorden, zie
onder DNA
repressor, zie ook operon-model 26
reuzenchromosoom 54
Rhodnius 159
ribonuclease 82
ribosoom 83, 216
RNA, zie ook mRNA, rRNA,
tRNA 217
cytoplasmatisch - 82 e.v.
maturatie van - 56 e.v.
-polymerase 26, 217
-synthese 81 e.V., 172
-transport 27, 58
Röntgenbestraling 157, 173
rRNA 44, 49 e.V., 52, 81 e.v.
RNP 52, 58
Schizophyllum 18, 28
dikaryon 19, 28 e.v.
heterokaryon 18, 28, 36
homokaryon 30
monokaryon 18, 28
mycelium 18, 28 e.v.
SCO-techniek 146 e.v.
segmentatie
- van abdomen 159 e.v.
- van poot 156 e.v.
sensor-eiwit 110
5-genen 196 e.v.
sirenine 189
slijmschimmels, zie Dictyostelium
Smittia 123
somatische hybridisatie 18, 36
somatische recombinatie 218
spermatide 173
spermatocyt, primaire 172
Spermatogenese 93, 100 e.V., 218
Spermiogenese 169 e.V., 218
spiegelbeeldige verdubbeling 123,
161
sporangiofoor 191
sporenvorming 201
sporofyt 21 e.V., 181 e.v.
stamcel 20
steroïd-hormoon 63
sturt 140
Styela 113
syncytium 122, 137, 218
Syngamie 198
testis 97 e.V., 103
thyroxine 107
totipotentie, zie ook potentie 11,
17 e.V., 75, 108, 116, 141 e.v.
tracheeën 120
transcriptie, zie onder DNA
transdeterminatie 20, 28, 162 e.v.
translatie, zie onder mRNA
trispoorzuur 191
tRNA 52, 83
trochofoor 116
trofectoderm 72 e.v.
trofoblast, zie trofectoderm
unieke basenvolgorden, zie onder
DNA
u.v.-bestraling 138, 143
varens 23
vegetatieve fase 12, 180 e.V.
verdubbeling, zie spiegelbeeldige
verdubbeling
verpoppingshormoon, zie ecdyson
virus 26
vitalisme 14
vitamine B6 66
Xenopus 42, 50, 55 e.V., 60,81,
108
X-chromosoom 91 e.v.
X-inactivatie 93 e.v.
Y-chromosoom 91 e.V., 169 e.v.
fertiliteitsfactoren op het 169 e.V.
'lampbrush'-fase van het 172 e.v.
zeeëgels 36, 116
zelf-differentiatie 119, 125
zygofoor 191
zygotropische reactie 193
Voor begrippen die niet zijn opgenomen in het register wordt verder verwezen naar het Glossarium (pag. 206-219), waar een aantal begrippen in
het kort worden verklaard.
245