De som van al het delen

Openbare les
De som van al het delen
uitgesproken bij de aanvaarding van het ambt van hoogleraar
in de Ontwikkelingsbiologie aan de Universiteit Utrecht
op 9 november 2006
Sander J.L. van den Heuvel
De som van al het delen
3
De som van al het delen
Inhoudsopgave
3.
5.
6.
8.
10.
17.
22.
22.
26.
De som van al het delen
De vroege geschiedenis
Over genen en eiwitten
Modelsystemen en genetica
Het begin van ons celdelingonderzoek
De toekomst en relevantie van ons onderzoek
Samengevat
Onderwijs en onderzoek in Nederland
Dankwoord
colofon
Uitgave: © Sander van den Heuvel, november 2006
Lay-out: Pieter van den Heuvel
Mijnheer de Rector Magnificus,
Dames en Heren,
Terwijl ik spreek, de komende drie kwartier, gaat
er iets ongelooflijks gebeuren. En dit blijft doorgaan tijdens de receptie, de rest van de avond en uw
verdere leven. Het is bijna te algemeen om bij stil
te staan, maar miljoenen van uw bouwsteentjes, uw
cellen, zijn zich binnen uw lichaam op dit moment
in tweeën aan het delen. Daarbij ontvangt elke nieuw
gevormde cel een volledige kopie van uw persoonsgegevens, uw erfelijke materiaal.
We zijn hier voornamelijk met volwassenen die niet
meer groeien, althans niet in de lengte, en al het
delen van uw cellen is nodig om cellen te vervangen
die zijn verloren, bijvoorbeeld in uw huid, darm of
bloedbaan. Nog veel belangrijker is het dat cellen delen tijdens de ontwikkeling, vanaf de vroege
ontwikkeling totdat de groei voltooid is. Onze zoon
Alex bijvoorbeeld, is zes jaar en hard aan het groeien
en wij als ouders hopen toch wel op zo’n 20 biljoen
geslaagde celdelingen dit jaar. En zijn jongere broertje Martin van 22 maanden mag hem daarin best
overtreffen.
5
Al die celdelingen zijn nodig omdat we ontstaan uit
één enkele cel, een bevruchte eicel, die door delen
en groeien de ongeveer honderd biljoen cellen van
een volwassen mens oplevert. Honderd biljoen is
onvoorstelbaar veel, een 10 met 14 nullen. Om u een
idee te geven: stel dat onze cellen zo groot zouden
zijn als suikerkorreltjes, dan zouden wij zo groot
zijn als de Domtoren. U kunt zich misschien net zo
min voorstellen hoeveel suikerkorreltjes er gaan in
de Domtoren. Om u wat te helpen heb ik wat korreltjes suiker naast de toren neergelegd. Kijkt u maar
eens goed als u straks buiten komt.
Nu gaat het in de ontwikkeling niet alleen om de
juiste aantallen, het geheel is veel groter dan de
som van al het delen. Daarvoor moet de celdeling
perfect worden afgestemd op de andere ontwikkelingsprocessen zoals de vorming van weefsels en
organen, en het specialiseren van cellen in uiteenlopende richtingen, waarbij de een zenuwcel wordt,
de ander spiercel, of één van de andere, meer dan
200 verschillende soorten cellen van ons lichaam.
Wanneer de 100den biljoenen celdelingen foutloos
worden uitgevoerd, en in de juiste balans met deze
andere processen, dan is de som van al het delen een
complete mens. Als je beschouwt wat daar allemaal
bij komt kijken is het inderdaad “ongelooflijk” dat
het meestal goed gaat.
zorgen dat cellen delen in de juiste aantallen, op de
juiste plaats en in de juiste richting tijdens de ontwikkeling van mens en dier. In de tweede plaats willen we onze inzichten vertalen in het beter begrijpen
van de fouten die kunnen optreden in de delingsprocessen waardoor ziekten of ontwikkelingsstoornissen ontstaan.
In de komende 40 minuten wil ik u graag uitleggen
hoe we tot ons onderzoek zijn gekomen, hoe we het
willen voortzetten en hoe het aansluit bij actuele
vragen uit de maatschappij en kliniek. Tenslotte wil
ik kort kijken naar het universitaire onderwijs en
onderzoek in Nederland.
De vroege geschiedenis
Helaas gaat het niet altijd goed. Wanneer cellen die
eigenlijk moeten stoppen met delen blijven doorgaan
kan er kanker ontstaan. En wanneer delingsprocessen misgaan in de vroege ontwikkeling kunnen
geboorteafwijkingen optreden.
Ons onderzoek is natuurlijk gebaseerd op de bevindingen van voorgangers. Ik geef u even een historische canon van feiten die u moet kennen. Onze voorgangers komen uit twee verschillende richtingen:
het celdelingonderzoek, een vrij jong veld, en de
ontwikkelingsbiologie, die zo oud is als de weg naar
Rome. Of eigenlijk, de weg naar Athene, want de
Griekse filosoof Aristoteles wordt algemeen gezien
als de eerste ontwikkelingsbioloog. Zijn werken van
ongeveer 350 voor Christus beschrijven een groot
aantal opmerkelijke observaties en speculaties, waar
de westerse wereld zo’n 2000 jaar lang weinig aan
toe te voegen had. Dat veranderde in de 17de eeuw
door de ontwikkeling van de microscoop, onder
andere door onze landgenoot Antoni van Leeuwenhoek. Daarmee werden voor het eerst cellen gezien,
zelfs de zeer kleine zaadcellen waarin sommigen een
piepklein mensje meenden te ontdekken.
Daarmee heb ik eigenlijk de vraagstelling van ons
onderzoek aangegeven. In de eerste plaats willen we
beter begrijpen welke regulatiemechanismen ervoor
Een doorbraak was de ontwikkeling van de “cel
theorie”, toegeschreven aan de Duitsers Schwann
en Schleiden. Zij zagen als eerste in dat de cel de
De som van al het delen
4
7
bouwsteen is van alle levende wezens en in zekere
mate een eenheidje op zichzelf. Volgens de anekdote
kwam deze doorbraak voort uit een gesprek tijdens
de koffie na de maaltijd, tussen twee onderzoekers
waarvan de één planten- en de ander dierlijke cellen
bestudeerde. Dus aan mijn collega Scheres zeg ik:
“we moeten eens wat vaker koffie drinken”. Schleiden en Schwann geloofden nog dat cellen spontaan
werden gevormd, als een soort kristallen. Dat beeld
veranderde in de daarop volgende decennia, zoals
weergegeven in 1855 door Virchow als: “Omnis cellula e cellula”: Alle cellen komen van cellen. Oftewel:
cellen ontstaan niet spontaan maar worden gevormd
uit bestaande cellen. Daarmee was de bestudering
van celvermenigvuldiging door deling begonnen.
Intussen was er ook een serieuze vorm van “vergelijkende embryologie” ontwikkeld. De eicel van
zoogdieren werd gezien en dat bevestigde dat ook de
ontwikkeling van zoogdieren, waaronder de mens,
begint met een bevrucht eitje!
Tegen het einde van de 19de eeuw begonnen ontwikkelingsbiologen ook veranderingen te induceren
om te begrijpen “hoe” de ontwikkeling tot stand
komt. Maar de achterliggende mechanismen bleven
onbekend. Daarvoor moest eerst de genetica worden
ontwikkeld, en dat begon met de erfelijkheidstheorie
van Gregor Mendel, rond 1900 herontdekt door onze
landgenoot Hugo de Vries.
Over genen en eiwitten
Ik kan nu beter eerst wat achtergrond geven voordat mijn betoog te ingewikkeld wordt. Dus familie,
graag even opletten. Ons erfelijke materiaal is ons
DNA. Dat is aanwezig in vrijwel iedere lichaamscel,
verdeeld in 46 porties die we chromosomen noemen. U weet wel: 23 chromosomen van vader en 23
van moeder. Ieder chromosoom kan gezien worden
als een buitengewoon lange cassetteband, zo’n
ouderwetse CD. Wanneer deze DNA cassetteband
wordt afgespeeld krijgen we geen muziekstukken
maar eiwitten. Ieder stukje van een normale cassetteband met de code voor een sonate, bluesnummer
of rapsong, is te vergelijken met een stukje DNA met
de informatie voor één eiwit, of een serie soortgelijke eiwitten. Zo’n stukje DNA wordt een “gen”
genoemd. Bij een normale cassette is het al mooi als
je 20 muziekgenen hebt, maar ons DNA bevat zo’n
25.000 verschillende genen. Dat is de informatie
voor de aanmaak van enorm veel eiwitten die ons
vorm en stevigheid geven en onze levensprocessen
uitvoeren. Sommige van die eiwitten kunnen iets
opbouwen, afbreken of veranderen, en dan noemen
we ze enzymen.
Sinds we dit allemaal weten kunnen we de vraag stellen: welke genen zorgen ervoor dat ontwikkelingsprocessen goed verlopen? Omdat de genen alleen
informatie bevatten en processen niet zelf uitvoeren
is de vervolgvraag onmiddellijk: wat zijn dan de
eiwitten die door deze genen worden aangemaakt en
hoe werken die eiwitten allemaal samen om levensprocessen goed te laten verlopen? In vergelijking
met dit soort puzzels is het zoeken naar een speld in
een hooiberg echt kinderspel. Vergelijkt u het liever
met een legpuzzel van 25.000 verschillende stukjes. Ieder stukje kan één keer maar ook duizenden
keren voorkomen en u moet de puzzel oplossen in
het donker met losse handen. En eigenlijk is dat nog
steeds simpel in vergelijking tot de vraag: wat voor
samenspel van eiwitten regelt de celdeling tijdens de
ontwikkeling van mens en dier?
Om dit soort vragen te beantwoorden moeten
onderzoekers allerlei trucs uit de kast halen. Twee
De som van al het delen
6
9
daarvan wil ik vandaag benadrukken: het gebruik
van modelsystemen en het genetisch ontrafelen. Ik
zal nu verdergaan met de meer recente geschiedenis,
om deze methoden uit te leggen.
Modelsystemen en Genetica
Sinds het einde van de 19de eeuw is het mogelijk
chromosomen in dierlijke cellen te zien. Althans,
ze zijn tijdelijk zichtbaar in een gedeelte van de
celdelingscyclus dat M-fase heet. Tijdens de M fase
worden de chromosomen uit elkaar getrokken door
een netwerk van eiwitkabels en vervolgens splitst
de cel zich in tweeën. Van de rest van de celdeling is
niets te zien. Echter, die fase tussen de celsplitsingen is net zo belangrijk, want daarin moet een cel
beslissen óf ze wil gaan delen, voldoende groeien en
het hele DNA verdubbelen, zodat in de uiteindelijke
deling beide dochtercellen weer een volledige set van
46 chromosomen krijgen.
Hoe dit allemaal wordt gereguleerd en uitgevoerd
is nog steeds niet bekend, maar sinds een jaar of
30 beginnen we stukjes van de puzzel in te vullen.
In een heel spannende tijd kwamen resultaten van
onderzoek uit volledig verschillende modelsystemen
plotseling bij elkaar.
Eén van die modelsystemen is de gist waarmee al
sinds tijden brood en bier wordt bereid. Dit eencellige wezentje lijkt in veel opzichten op onze
lichaamscellen. En zoals de koks en bierbrouwers
onder u weten, die gistcellen gaan onder de juiste
omstandigheden heel snel groeien en delen. Welke
genen daar voor nodig zijn kun je vinden door willekeurig veranderingen aan te brengen in hun erfelijke
materiaal. Je kunt ze bijvoorbeeld bestralen, of een
smerig stofje erbij gooien dat hun DNA beschadigt.
Gistcellen die stoppen in een specifieke stap van het
delingsproces hebben een verandering opgelopen
in een gen dat nodig is om de deling voort te zetten.
Door die verandering op te sporen, kun je dat celdelingsgen vinden. Dit is het principe van genetisch
onderzoek, een methode die uitstekend geschikt is
om de functies van genen te ontdekken. Lee Hartwell
paste deze methode systematisch toe op bakkersgist
en vond 32 genen die in allerlei verschillende stappen van het celdelingproces nodig zijn1. Paul Nurse
deed soortgelijke experimenten in een andere gist2,
en inmiddels zijn in beide gisten honderden celdelingsgenen bekend. De meeste aandacht ging naar
een gen dat bepalend is voor meerdere overgangen
in het delingsproces. Daar kom ik zo dadelijk op
terug.
De som van al het delen
8
1.
Hartwell, L. H., Culotti, J.,
Pringle, J. R. & Reid, B. J. Genetic
control of the cell division cycle
in yeast. Science 183, 46-51
(1974).
2.
Een heel ander soort onderzoek bestudeerde de
rijping van eicellen van de kikker en de eerste
delingen na de bevruchting. In die kikkereitjes was
een mysterieuze factor aangetroffen die celdeling
kan induceren, en die steeds weer actief en inactief
werd3. Dus de grote vraag was: wat is deze “Maturation Promoting Factor” (MPF)? Intussen ontdekte
Tim Hunt dat in vroege embryo’s van de zee-egel
een eiwit steeds heel sterk wordt aangemaakt en dan
snel weer afgebroken. Voordat cellen gaan delen
hoopt het op, en als de deling bijna klaar is verdwijnt
het weer. Vanwege dit cyclische gedrag werd het
“Cycline” genoemd4. Cyclines bleken niet alleen in
de zee-egel voor te komen maar ook in kikkereitjes,
samen met een klein enzympje dat Cycline-afhankelijke kinase wordt genoemd. In het Engels: CyclinDependent Kinase, CDK. Al gauw bleek toen dat die
MPF waarnaar zo hard werd gezocht een twee-eenheid is van Cycline samen met de cycline-afhankelijke kinase. En ook de meest belangrijke regelgenen
van de celdeling in gist bleken Cycline-afhankelijke
enzymen te maken.
Nurse, P., Thuriaux, P. & Nasmyth, K. Genetic control of the
cell division cycle in the fission
yeast Schizosaccharomyces pombe.
Mol Gen Genet 146, 167-78
(1976).
3.
Masui, Y. & Markert, C. L. Cytoplasmic control of nuclear behavior during meiotic maturation
of frog oocytes. J Exp Zool 177,
129-45 (1971).
4.
Evans, T., Rosenthal, E. T.,
Youngblom, J., Distel, D. & Hunt,
T. Cyclin: a protein specified by
maternal mRNA in sea urchin
eggs that is destroyed at each
cleavage division. Cell 33, 389-96
(1983).
11
De som van al het delen
10
Paul Nurse vond ook in de mens een Cycline-afhankelijk kinase, en zijn groep liet zien dat het menselijke eiwit in staat is gistcellen die hun CDK missen
weer aan het delen te krijgen5. Eenzelfde enzym kan
dus celdeling op gang brengen in gist, zee-egels,
kikkers en onze eigen lichaamscellen. Voor deze
geweldige ontdekkingen hebben Lee Hartwell, Paul
Nurse en Tim Hunt in 2001 buitengewoon verdiend
een Nobelprijs gekregen.
Als u nog geen aantekeningen heeft gemaakt,
schrijft u dan vooral de twee conclusies op. Met
behulp van genetica in modelorganismen kunnen we
levensprocessen ontcijferen. En, omdat basale processen zoals celdeling, zozeer hetzelfde verlopen van
gist tot mens, is het verstandig om zulke processen
maar eerst in een goed modelsysteem te bestuderen.
Het begin van ons celdelingonderzoek
Na de klassieke oudheid, de verlichting en de geschiedenis van de vorige twee eeuwen, kom ik nu
bij een stukje persoonlijk verleden en het begin van
ons eigen onderzoek. Als beginnend “postdoctoral
fellow” in het laboratorium van Ed Harlow, Professor aan Harvard Medical School, zocht ik naar een
grote vraag en een eigen “niche”. De samenhang
tussen dierontwikkeling en celdeling leek me een
terrein dat nog ontgonnen moest worden. Een terrein dat bovendien nieuwe inzichten kon geven in
het ontstaan van kanker, ook geen onbelangrijke
overweging.
5.
Lee, M. G. & Nurse, P. Complementation used to clone a
human homologue of the fission
yeast cell cycle control gene cdc2.
Nature 327, 31-5 (1987).
De gebruikelijke modellen waren niet geschikt om
genetisch te ontrafelen hoe celdeling en ontwikkeling samen gaan. Geïnspireerd door het onderzoek
van Nurse en Hartwell wilde ik vooral genetica
kunnen gebruiken, maar je kunt geen ontwikkeling
bestuderen in een eencellige gist. Wel in muizen en
Caenorhabditis elegans
zebravisjes, maar die waren als modeldiertjes voor
celdeling te ingewikkeld en als genetisch systeem te
langzaam. Al heel snel werd ik aangetrokken tot een
modeldiertje dat simpel genoeg is voor het bestuderen van ingewikkelde processen: Caenorhabditis
elegans, een wormpje dat nauwelijks zichtbaar is met
het blote oog. Sinds de 70er jaren wordt dit wormpje
in het laboratorium gebruikt, als resultaat van een
zoektocht van Sidney Brenner naar een modeldiertje
waarin we zelfs de werking van het zenuwstelsel
genetisch kunnen ontcijferen6.
De voordelen van het wormpje zijn inderdaad buitengewoon groot. In maar drie dagen ontwikkelt een
bevruchte C. elegans eicel zich tot een volwassen
beestje dat tot 1000 nakomelingen kan geven. En dat
hele gezelschap past in een schaaltje met een doorsnede van maar vijf cm. Alle verschillende weefsels
en organen worden gevormd uit minder dan duizend lichaamscellen, waarvan er bijvoorbeeld 302
zenuwcellen zijn en 115 spiercellen. Omdat C. elegans
doorzichtig is, kunnen alle celdelingen tijdens de
hele ontwikkeling worden gevolgd in levende beest-
6.
Brenner, S. The genetics of
Caenorhabditis elegans.
Genetics 77, 71-94 (1974).
13
7.
Sulston, J. E. & Horvitz, H. R.
Post-embryonic cell lineages of
the nematode, Caenorhabditis elegans. Dev Biol 56, 110-56 (1977).
8.
Sulston, J. E., Schierenberg, E.,
White, J. G. & Thomson, J. N.
The embryonic cell lineage of the
nematode Caenorhabditis elegans.
jes. Deze diertjes ontwikkelen zich ook nog volgens
een vast patroon. Dat heeft John Sulston in staat
gesteld tot een krachtsinspanning waarin hij dit hele
patroon van delingen heeft vastgelegd in een soort
landkaart waarop elke celdeling op elk moment van
de ontwikkeling te vinden is7, 8. En als allerbelangrijkste, C. elegans is zeer geschikt voor genetisch
onderzoek. Het is makkelijk om veranderingen aan
te brengen in het DNA en mutanten op te pikken
waarin specifieke processen misgaan. Inmiddels is
het ook nog mogelijk geworden genen uit te zetten
via een volledig nieuwe methode, RNA interferentie9.
Twee collega C. elegans onderzoekers, Andy Fire en
Craig Mello, hebben net een paar weken geleden een
Nobelprijs in de medicijnen gekregen voor het ontdekken van deze methode. Drie van de grondleggers
van het C. elegans onderzoek, Sidney Brenner, John
Sulston en Bob Horvitz waren vier jaar eerder al met
eenzelfde Nobelprijs geëerd.
Dev Biol 100, 64-119 (1983).
9.
Fire, A. et al. Potent and specific
genetic interference by doublestranded RNA in Caenorhabditis
elegans. Nature 391, 806-811
(1998).
10.
Meyerson, M. et al. A family of
human cdc2-related protein kinases. Embo J 11, 2909-17 (1992).
11.
Een geweldig model dus, C. elegans. Maar intussen
was ik begonnen aan een postdoctoraal onderzoek
in een laboratorium waar geen C. elegans en ook geen
genetica werd gebruikt. Mijn labgenoten hadden net
een belangrijke ontdekking gedaan: de mens heeft
niet één maar een hele serie van die CDK celdelingenzymen10. Ik wilde de functies van die CDKs
bestuderen in de mens, en daarnaast in mijn vrije
tijd in de worm. Voor het eerste project koos ik een
soort pseudo-genetica: ik bracht dominant-negatieve
mutanten van de CDKs in weefselkweekcellen tot
expressie en bestudeerde welk effect dat gaf op de
celdeling. Dit onderzoek trok veel aandacht en werd
gepubliceerd in het tijdschrift Science11.
van den Heuvel, S. & Harlow, E.
Distinct roles for cyclin-dependent kinases in cell cycle control.
Science 262, 2050-4 (1993).
Intussen vond ik ook in de worm een familie van
CDK genen. In 1992 koste zo’n ontdekking nog een
redelijke inspanning; sinds de ontcijfering van de
De som van al het delen
12
volledige C. elegans DNA code in 1998 vind je die informatie binnen een paar seconden op het internet12.
Maar CDK genen vinden was niet genoeg, ik moest
ze ook kunnen uitzetten. Dit soort “omgekeerde
genetica” begon net mogelijk te worden, door een
methode ontwikkeld in het laboratorium van Ronald
Plasterk, op dat moment nog verbonden aan het
Nederlands Kanker Instituut in Amsterdam13. Een
gastverblijf van een maand in het Plasterk lab was
voldoende om wormstammen te vinden met een
mobiel DNA element in drie van de vier worm CDK
genen. Terug in Boston bleek het vervolg echter niet
zo simpel en werd het duidelijk tijd te verhuizen naar
een C. elegans omgeving.
12.
The C. elegans Sequencing Consortium. Genome sequence of
the nematode C. elegans: a platform for investigating biology.
Science 282, 2012-8 (1998).
13.
Zwaal, R. R., Broeks, A., van
Meurs, J., Groenen, J. T. &
Plasterk, R. H. Target-selected
gene inactivation in Caenorhabditis elegans by using a frozen
transposon insertion mutant
bank. Proc Natl Acad Sci U S A
Een gelukkige ontwikkeling maakte dit mogelijk.
Misschien dat het kwam door mijn publicatie in
de “International Worm Breeders Gazette”, een
tijdschriftje waarmee wij worm-fokkers elkaar op de
hoogte hielden14. Hoe dan ook, ik werd uitgenodigd
een eigen groep te beginnen met een aanstelling als
assistant professor aan Harvard Medical School. Het
90, 7431-5 (1993).
14.
van den Heuvel, S.J.L., Tsai,
L-H. & Harlow, E. The cdc2 gene
family in C. elegans. Worm
Breeder’s Gazette 12:85 (1993)
15
De som van al het delen
14
mooiste daarvan was dat men bereid was een soort
“vroege sabbatical” in te lassen, waarin ik de kneepjes van het C. elegans vak kon leren in het laboratorium van Bob Horvitz, Professor aan MIT.
lin-5
15.
Horvitz, H. R. & Sulston, J. E.
Isolation and genetic characterization of cell-lineage mutants
of the nematode Caenorhabditis
Bob Horvitz bestudeerde ongeveer alle aspecten van
de biologie, behalve regulatie van celdeling. In een
ver verleden had hij mutanten geïsoleerd waarin iets
fout gaat in het celdelingpatroon, en die daarom
“lineage abnormal” oftewel “lin” mutanten werden
genoemd15. Ik koos twee van die mutanten, lin-5
en lin-6, die problemen toonden in een essentieel
onderdeel van het celdelingsproces, respectievelijk de chromosoom scheiding en DNA replicatie.
Tegelijkertijd misten ze, net als kankercellen, ook
een zogenaamd “checkpoint” dat deze processen
afhankelijk van elkaar moet maken.
Ik vond meer van dit soort mutaties en bestudeerde
de lin-5 en lin-6 genen. Vooral lin-5 was buitengewoon interessant: het bleek een tot dan toe onbekend eiwit te maken dat nodig is om de tubulinekabels die de chromosomen uit elkaar trekken hun
werk te laten doen16. Maar onverwachts vonden we
nog een functie: het LIN-5 eiwit is ook nodig om cellen in twee ongelijke dochtercellen te laten splitsen.
elegans. Genetics 96, 435-454
(1980).
16.
Lorson, M. A., Horvitz, H. R.
& van den Heuvel, S. LIN-5 is a
novel component of the spindle
apparatus required for chromosome segregation and cleavage
plane specification in Caenorhabditis elegans. J Cell Biol 148,
73-86 (2000).
Hiermee kom ik bij een heel belangrijk aspect van
celdeling tijdens de ontwikkeling. Ik heb u verteld
dat tijdens de ontwikkeling één enkele cel een groot
aantal verschillende celtypes gaat vormen. Dit gebeurt onder andere door “asymmetrische celdeling”:
daarbij deelt een cel zich in twee dochtercellen die
verschillen van elkaar. Ze hebben precies hetzelfde
DNA, maar kunnen verschillen in grootte en in elk
geval in samenstelling. Tijdens de deling worden
bijvoorbeeld oranje eiwitten aan de ene dochtercel
meegegeven en blauwe aan de andere. Het resultaat
LIN-5 GPR-1/2 DNA
is dat de twee nieuwgeboren cellen iets anders worden in het leven.
Het grote belang van asymmetrische deling wordt
pas sinds kort algemeen begrepen en ik kom daar
dadelijk op terug. In C. elegans is zelfs de allereerste
deling van het embryo een ongelijke deling. Deze deling is prachtig te volgen en te veranderen en dus een
prima model voor asymmetrische deling.
Daarmee werd de functie van LIN-5 in chromosoom
scheiding en asymmetrische celdeling een belangrijke onderwerp van mijn groep. Monique Lorson en
Ridgely Fisk pakten die vraagstelling aan, gevolgd
door Dayalan Srinivasan. We combineerden genetica met celbiologie, het “yeast two-hybrid” systeem
en biochemie, en wisten als een van de eersten in
het C. elegans veld een doorbraak te bereiken door
eiwitcomplexen op te zuiveren uit embryo’s en hun
samenstelling te bepalen met behulp van massa
spectrometrie17. Daarbij ontdekten we dat LIN-5
samenwerkt met belangrijke schakelaars in de cel,
de G eiwitten, en een nieuwe klasse van partners van
17.
Srinivasan, D. G., Fisk, R. M.,
Xu, H. & van den Heuvel,
S. A complex of LIN-5 and
GPR proteins regulates G protein
signaling and spindle function in
C elegans. Genes Dev 17,
1225-39 (2003).
17
De som van al het delen
16
deze G-eiwitten. Onze resultaten sloten aan op die
van andere systemen en identificeerden een volledig
nieuwe rol van G eiwitten die onafhankelijk is van
signalen tussen cellen. Die functie bleek essentieel
te zijn voor de trekkracht van de tubuline-kabels en
daardoor voor chromosoomscheiding en de regulatie van het celdelingsvlak.
18.
Boxem, M., Srinivasan, D. G. &
van den Heuvel, S. The Caenorhabditis elegans gene ncc-1 encodes a
cdc2-related kinase required for
M phase in meiotic and mitotic
cell divisions, but not for
S phase. Development 126,
2227-39 (1999).
Symmetrisch
ymmetrisch
Asymmetrisch
19.
Boxem, M. & van den Heuvel,
S. lin-35 Rb and cki-1 Cip/Kip
cooperate in developmental
regulation of G1 progression
in C. elegans. Development 128,
4349-59 (2001).
20.
Boxem, M. & van den Heuvel,
S. C. elegans class B synthetic
multivulva genes act in G(1)
regulation. Curr Biol 12,
906-11 (2002).
21.
Asymmetrische celdeling was een spannend nieuw
onderzoeksveld. Maar onze oorspronkelijke vraag
was: “hoe beslissen cellen wanneer ze beginnen met
delen, of juist stoppen met delen, tijdens de ontwikkeling”. Een promovendus uit Nederland, Mike
Boxem, pakte die vraag op doortastende wijze aan.
Hij identificeerde verschillende celdelingmutanten
en bracht de startmotor van de worm celdelingcyclus
in kaart18-20. Net als in de mens, bleek deze te bestaan
uit kanker-gerelateerde eiwitten: specifieke CDKs
en cyclines en eiwitten die deze CDKs juist remmen21. We vonden ook nieuwe regelgenen, waarvan
de meest interessante op dit moment verder wordt
bestudeerd door Inge The in onze huidige groep.
Koreth, J. & van den Heuvel,
S. Cell-cycle control in Caenorhabditis elegans: how the worm
moves from G1 to S.
Oncogene 24, 2756-64 (2005).
De vervolgvraag was: wat is de sleutel die de startmotor aanzet op de juiste tijd en de juiste plaats. En
hoe wordt die motor ook op tijd weer afgezet? Hierin
kreeg Mako Saito inzicht. Hij vond onder anderen
een fosfatase en twee transcriptiefactoren die de
CDK remmer Kip1 stimuleren22. Een signaaloverdracht route die deze transcriptiefactoren reguleert
was al bekend, en daarmee begrijpen we nu precies
hoe een specifiek signaal van buiten de cel kan leiden tot celdeling.
De toekomst en relevantie van ons onderzoek.
De verhuizing naar Utrecht betekende een nieuw
begin voor de groep. Daarbij is een deel van ons eerdere onderzoek voortgezet en zijn nieuwe projecten
gestart. Aan de hand van een aantal voorbeelden,
wil ik aangeven hoe belangrijk correct gereguleerde
celdeling is voor onze ontwikkeling en gezondheid,
en hoe ons onderzoek hierop aansluit.
Laten we vooraan beginnen. Ons leven begint met de
versmelting van een eicel en zaadcel, twee soorten
cellen die worden gevormd via een bijzonder delingsproces: de “reductiedeling”. In de vrouw beginnen deze delingen heel vroeg in het leven, maar ze
worden dan gestopt en vanaf de pubertijd wordt er
per maand ééntje afgerond. Hoe langer een onrijpe
eicel in de reductiedeling blijft hangen, hoe meer
22.
Saito, R. M., Perreault, A.,
Peach, B., Satterlee, J. S. &
van den Heuvel, S. The CDC-14
phosphatase controls developmental cell-cycle arrest in
C. elegans. Nat Cell Biol 6,
777-83 (2004).
19
kans dat er iets fout gaat, bijvoorbeeld in de verdeling van de chromosomen.
Onze studies in C. elegans hebben eiwitten geïdentificeerd die nodig zijn voor verschillende aspecten van
de reductiedeling. We bestuderen deze eiwitten als
onderdeel van ons vroege-embryo project, ik kom
daar zo op terug. Ik ben enthousiast om ook betrokken te zijn in het project met Ellen van Binsbergen,
die het effect van veroudering van eicellen in
C. elegans bestudeert, onder begeleiding van Professor Pearson en Professor Lindhout, van de Medische
Genetica van het UMC.
Met de bevruchting begint de ontwikkeling. Als
eerste met celdelingen zonder groei die “klievingen”
worden genoemd. Daarbij wordt een klein balletje
van cellen gevormd, waarvan de cellen aan de binnenkant alle verschillende weefsels en organen gaan
vormen. Deze cellen zijn de embryonale stamcellen
die erg in de publiciteit staan. Omdat ze zich nog in
alle richtingen kunnen ontwikkelen, worden deze
stamcellen gezien als de “holy grail” in de strijd
tegen uitval of verlies van cellen bij ziekte.
Inderdaad liggen hier geweldige mogelijkheden,
maar ook enorme uitdagingen. Hoe krijgen we die
embryonale stamcellen zover dat ze zich precies in
de juiste richting specialiseren? En dat ze op tijd
stoppen met delen? De relatie tussen specialiseren
en delen is een belangrijke nieuw aspect van ons
onderzoek.
Cellen die zich volledig wijden aan een specifieke
functie, we noemen dit “terminaal differentiëren”,
zijn meestal niet langer in staat zich te vermenigvuldigen. Waarom is dit zo? Kunnen we deze rem
opheffen? Of een cel terug laten gaan, de-differenti-
De som van al het delen
18
eren, in de richting van een stamcel? Dit zijn vragen
waar Jerome Korzelius zich op richt, samen met
Vincent Portegijs en hoofdvak student Teije Middelkoop. Als model bestuderen ze gedifferentieerde
spiercellen, waarin we heel gericht celdelingsgenen
aan kunnen zetten in combinatie met willekeurige
mutaties. Dit is spannend maar ook risicodragend
onderzoek waarin we de kracht van genetica in
C. elegans maximaal gebruiken om een algemeen proces, de koppeling tussen differentiatie en deling, te
begrijpen. Uiteindelijk hopen we dat onze resultaten
bij zullen dragen aan therapeutische toepassingen
waarmee celdeling kan worden gestimuleerd of juist
afgeschakeld.
Vrij recent is gebleken dat ook in volgroeide weefsels
stamcellen aanwezig zijn. Deze “volwassen stamcellen” hebben als taak: cellen vervangen die verloren
zijn gegaan. Helaas zijn er maar heel weinig en we
weten nauwelijks iets van deze cellen. Ook zijn er
inmiddels kankerstamcellen gevonden, die een bron
kunnen zijn van waaruit een tumor na behandeling
teruggroeit. Tenminste een deel van dit soort laaggedifferentieerde stamcellen lijkt aanwezig te blijven
door een uniek delingspatroon. De stamcel deelt
daarbij asymmetrisch zodat een nieuwe stamcel
wordt gevormd en tegelijkertijd een meer gespecialiseerde cel. En dit kan steeds worden herhaald. Hoe
kan een cel asymmetrisch delen?
U heeft natuurlijk goed opgelet, en weet dat ik dit
proces net heb beschreven. De allereerste deling
tijdens de ontwikkeling van ons proefdiertje is ongelijk en vormt een prachtig model voor asymmetrische deling. Daarom gaan de AIOs van het “embryo
team”, Monique van der Voet, Christian Berends en
binnenkort ook Matilde Galli op volle kracht verder
dit delingsproces te karakteriseren. We gebruiken
Spiercellen
21
daarbij een groot aantal geavanceerde technieken,
wat mogelijk is dankzij samenwerkingen met verschillende specialisten: Dr. Edwin Cuppen van het
Hubrecht laboratorium, in het vinden van nieuwe
lin-5 mutaties met behulp van high throughput sequencing, Professor Albert Heck in het zoeken naar
nieuwe geassocieerde eiwitten en eiwit-modificaties
met behulp van massa spectrometrie, en Marc Vidal
en Mike Boxem van het Dana Farber Cancer Institute
in Boston met high throughput yeast two-hybrid
analyse.
PAR-3 DNA P granules
Het vroege embryo mist één aspect van asymmetrische deling. Binnen weefsels geven cellen elkaar
veel signalen door die bij de allereerste delingen nog
ontbreken. Marjolein Wildwater heeft daarom een
tweede C. elegans modelsysteem opgezet, waarin ze
het delingspatroon bestudeert van een soort stamcel
in de huid tijdens de latere ontwikkeling. Ze heeft
De som van al het delen
20
hierover een prachtig project ingediend, waarvan
we hopen dat het wordt ondersteund met een Veni
beurs.
We hebben recent een nieuw eiwit gevonden dat
samenwerkt met LIN-5. Het vergelijkbare eiwit in
menselijke cellen heet ASPM, Abnormal Spindle and
Primary Microcephalie-related. Het Aspm gen is vaak
veranderd binnen families waarin primaire microcefalie voorkomt, een ernstige storing in de groei van
de hersenen tijdens de ontwikkeling23. Hierbij gaat
het waarschijnlijk ook weer om een soort stamcellen in de embryonale hersenen die asymmetrisch
moeten delen om de juiste hoeveelheden neuronen te
vormen. Ik ben buitengewoon blij met de samenwerking met Professor Dick Lindhout, en Dr. Jacques
Giltay die ons in contact hebben gebracht met
Nederlandse patiënten. We bestuderen nu de functie
van het ASPM eiwit gelijktijdig in C. elegans, in menselijke cellen, en, in samenwerking met Professor Li
Huei Tsai van MIT, in muizen modellen.
Er is intussen zoveel bekend over C. elegans en andere
systemen dat het eigenlijk niet meer mogelijk is om
alle feiten te kennen en alle kennis te combineren.
Daarom is het in toenemende mate nodig computers
te gebruiken in het verwerken van gegevens en testen
van hypothesen. Het is buitengewoon aantrekkelijk
om modelering toe te voegen aan onze studies, in
samenwerking met de leerstoelgroep Theoretische
Biologie van Professor Paulien Hogeweg. Ontwikkelingsbiologie en Theoretische Biologie zijn recent
verenigd, samen met de groepen van de hoogleraren
Ben Scheres, Arie Verkleij en Johannes Boonstra,
in het instituut Biocomplexiteit en Bioinformatica.
Onze samenwerking kan het mogelijk maken een
stukje biologie van de toekomst tot werkelijkheid te
maken.
23.
Bond, J. et al. ASPM is a major
determinant of cerebral cortical
size. Nat Genet 32, 316-20
(2002).
23
Samengevat
In een multidisciplinaire aanpak en een groot aantal
samenwerkingsverbanden, bestuderen wij drie
verschillende beslissingen die delende cellen moeten
nemen tijdens de ontwikkeling:
1. Doorgaan of stoppen?
Een vraag die direct gerelateerd is aan kanker
2. Gelijk of ongelijk?
Oftewel: hoe wordt een asymmetrische “stamcel
deling” uitgevoerd?
3. Delen of specialiseren?
Oftewel: wat is de relatie tussen differentiatie
en proliferatie?
Dit zijn alle drie fundamentele vragen met duidelijk
klinische relevantie.
Onderwijs en onderzoek in Nederland
Ik ben bijna aan het einde gekomen van mijn betoog.
Door ons langdurige verblijf in Amerika kijk ik
nog steeds een beetje als buitenstaander naar het
Nederlandse onderwijs en onderzoek. Vanuit die
positie wil ik nog graag wat indrukken weergeven.
Laat ik beginnen met het meest positieve: ondanks
het gemopper over onderwijs, ben ik zeer tevreden
over de kwaliteit van onze studenten. Ik heb zelf het
geluk en genoegen gehad om binnen een paar van
de beste onderzoeksgroepen van Amerika te kunnen
werken. In die omgeving zijn in Nederland opgeleide
onderzoekers zeer gewild. Ondanks de verkorte studieduur lijken de studenten biologie en biomedische
wetenschappen nu minstens zo goed opgeleid en
meer gemotiveerd dan in mijn eigen tijd.
Dit geldt ook voor de promovendi, oftewel de AIOs.
Ik heb in Amerika zeven jaar lang deelgenomen aan
het onderwijs van de graduate studenten van Harvard
Medical School. Zij behoren tot de beste promovendi
van Amerika. Het niveau is hoog, maar niet hoger
dan wat we hier in Utrecht halen. Alle vier de AIOs
in mijn groep zouden het graduate program van
Harvard Medical School aan kunnen, en mogelijk
zelfs excelleren. Dit moeten we zo houden. Bij alle
plannen om tot een systeem te komen dat aansluit
bij het buitenland moeten we er voor waken dat
onze opleidingen ten minste op Nederlands niveau
blijven.
Ook de ambitie van de Universiteit van Utrecht
stemt me zeer positief. Met trots is deze universiteit opnieuw verkozen tot de beste universiteit van
Nederland en nummer zes van Europa. Het Departement Biologie, samen met het Departement Scheikunde, het Utrechts Medisch Centrum en Hubrecht
laboratorium, bieden een zeer sterke omgeving voor
biomedisch onderzoek.
Maar er zijn ook bedreigingen. Een eerste bedreiging
is de financiering. Zo langzamerhand is iedereen in
Nederland ervan overtuigd dat er meer geld moet
worden gestoken in onderwijs en onderzoek, dus ik
beperk me hier tot het financieringsyteem. Dat heeft
een groot voordeel ten opzichte van het Amerikaanse, aangezien de eerste geldstroom het mogelijk
maakt langere termijn projecten op te zetten en een
sterk onderwijsprogramma te combineren met onderzoek. In de juiste balans met fondsen gebaseerd
op prestatie kan dit gunstig werken. De universitaire
middelen zijn nu echter te veel gericht op groepsleiders en bieden gedreven jonge onderzoekers weinig
kans op zelfstandigheid. Dit stimuleert uitstroom
naar het buitenland. Het is net als in het voetbal, een
prima jeugdopleiding garandeert geen succes in de
eredivisie: daarvoor moet je jong talent kunnen aan-
De som van al het delen
22
25
trekken en vasthouden. De structuur en financiële
middelen moeten dit ondersteunen.
Ook de Hollandse regelneverij zie ik als negatief. Alles moet voortdurend veranderen. Zelfs wanneer het
goed werkt, zoals het “Veni, Vidi, Vici” programma. Ik
heb destijds gestudeerd aan de “Faculteit Biologie”
en een stage gelopen in de “vakgroep” Microbiologie. Inmiddels is dat volledig vernieuwd en heet
het “Departement Biologie” en “leerstoelgroep”
Microbiologie. Naast de faculteit en het departement
zijn de leerstoelgroepen inmiddels ondergebracht
in instituten, en onderzoekscholen, en masterprogramma’s, en graduate schools, en zwaartepunten
met focus en massa en het Academisch Biomedisch
Cluster. Intussen is er natuurlijk niemand die zijn
onderzoek heeft omgegooid vanwege alle nieuwe
namen en constructies. Daarmee blijft dit alles een
grootschalige academische oefening luchtkastelen
bouwen en schuiven met labels. Natúúrlijk zijn interacties buitengewoon belangrijk, maar ze vast willen
leggen in officiële structuren heeft geen enkele zin,
het creëert opnieuw starheid en is een verspilling van
tijd en geld.
Ook het onderwijs heeft te leiden onder de regeldruk
van boven; elke derdejaarscursus moet nu passen
in volledig vastgestelde blokjes van halve dagen.
Daarmee sluit ons vak Ontwikkelingsbiologie en
Genetica haarfijn aan bij het keuzevak Psychosomatiek in Italië, maar ons eigen practicum kunnen we
niet langer fatsoenlijk geven.
Een derde en grootste bedreiging is dat overheid en
Universiteiten in toenemende mate benadrukken dat
onderzoek toegepast moet zijn en aan moet sluiten
bij het bedrijfsleven. Daarbij gaat men ervan uit dat
gericht onderzoek zal leiden tot meer tastbare resultaten dan puur fundamenteel onderzoek. Voor het
gemak vergeet men dan dat echte doorbraken vrijwel
altijd voortkomen uit het fundamentele onderzoek
en niet te voorzien zijn. Kijk bijvoorbeeld naar de
Nobelprijs voor de medicijnen, de beste graadmeter
voor het belang van medische ontdekkingen. Van de
laatste tien prijzen zijn er acht naar puur fundamenteel onderzoek gegaan, twee keer naar onderzoek in
wormen en één naar celdeling in gist. Dit onderzoek
heeft op grote schaal geleid tot nieuwe investeringen door de industrie, maar is destijds niet opgezet
vanwege zijn directe relevantie voor de maatschappij
of medische wetenschap.
Interacties tussen universiteit en bedrijfsleven zijn
mooi en kennisutilisatie nastrevenswaardig. Maar
we moeten de zaak niet omdraaien en het bedrijfsleven het wetenschappelijk onderzoek laten bepalen.
Toponderzoek is uiteindelijk wat het bedrijfsleven
aantrekt en stimuleert, en met die lange termijn visie
moet de overheid onderwijs en onderzoek financieren.
Harvard en Stanford staan nog steeds aan de top.
Maar ze zijn daar niet gekomen door regeltjes en
structuren of onderzoekers te vertellen dat ze toegepast moeten denken. Ze zijn daar gekomen door
kansen te bieden, af te rekenen op kwaliteit en vanuit
de hele wereld talent aan te trekken. Om verschillende redenen is het onderzoeksklimaat in Amerika
op dit moment minder gunstig. In de komende jaren
kan Nederland zijn positie in de wetenschappelijke
wereld structureel verbeteren, door werkelijk te investeren in de kenniseconomie, beleid te voeren dat
het binnenhalen van talentvolle buitenlanders en terughalen van getalenteerde Nederlanders bevordert,
en jonge wetenschappers meer kansen te geven op
zelfstandigheid. Leest u er gerust de partijprogramma’s nog even op na.
De som van al het delen
24
27
Mijnheer de Rector Magnificus, Dames en Heren
Dan wil ik nu graag mijn rede afsluiten met een
woord van dank.
Ik dank het College van Bestuur voor het gestelde
vertrouwen.
Ik ben de benoemingsadviescommissie zeer dankbaar dat ze mij hebben benaderd en geselecteerd.
Daarbij wil ik met name de hoogleraren Ben Scheres,
Ronald Plasterk en Hans Bos danken voor de open
gesprekken en de inspiratie die zij toen zijn geweest
en voortdurend zijn gebleven. Ook de gesprekken
met Professor Peter Weisbeek en Professor Rens
Voesenek zijn zeer stimulerend geweest.
Wetenschappelijk Utrecht heeft ons zeer warm
ontvangen. Dat geldt in de eerste plaats voor alle medewerkers van het Departement Biologie. Daarnaast
ook voor een groot aantal groepsleiders en medewerkers van het Hubrecht laboratorium, het Utrecht
Medisch Centrum en het Departement Scheikunde.
Ik dank iedereen voor de contacten en samenwerkingen, en heb gelukkig een aantal van u kunnen noemen. Ik wil daar met name Professor René Medema
en Dr. Rik Korswagen nog aan toevoegen, met dank
voor al onze interacties.
Een aantal vroegere mentoren en begeleiders hebben
mogelijk een grotere invloed gehad dan zij beseffen.
Mijn enthousiasme voor wetenschappelijk onderzoek en liefde voor genetica gaan terug naar mijn
stage bij Professor Jan Tommassen, destijds in de
groep van Professor Wiel Hoekstra. En ook Professor Peter van der Vliet is een grote wetenschappelijke
inspiratie geweest. Van mijn promotor, Professor
Alex van der Eb, en de hoogleraren in Amerika, Ed
Harlow en Bob Horvitz heb ik veel geleerd en ik ben
zowel hen, als al mijn dagelijkse collega’s in hun
laboratoria, zeer dankbaar.
Ook alle medewerkers van mijn groep in Amerika
ben ik zeer erkentelijk voor hun bijdragen. Evenals iedereen in mijn huidige groep, waarvan ik de
universitaire hoofddocent Dr. Adri Thomas apart
wil noemen. Adri, ik heb buitengewoon veel geluk
gehad dat jij bij de groep bent gebleven. Je verzorgt
vrijwel al ons onderwijs en doet dat zo goed dat je
zelfs tot “docent van het jaar” van de hele Universiteit bent gekozen. Daarnaast kan ik altijd een beroep
op je doen, zelfs vandaag weer als ceremoniemeester. Ik dank jou en het hele team voor alle gezelligheid, en natuurlijk ook voor alle resultaten die nu in
groten getale gaan komen.
Een transatlantische verhuizing, en een leven en
laboratorium opnieuw beginnen na 13 jaar is niet
niks. Vooral niet wanneer je terugkomt met twee
kinderen waarvan de jongste vier maanden is. Ik
weet niet hoe we dit hadden kunnen doen zonder de
hulp van onze familie. Mijn schoonouders hebben
zowel onze kinderen als Inge en mij vanaf de eerste
dag opgevangen, en zijn tot op de dag van vandaag
een grote steun gebleven. Ik dank jullie daar heel
hartelijk voor.
Ook mijn moeder is een grote steun geweest en ik
dank ook haar en alle andere familieleden. Het is
heerlijk dat onze kinderen nu met familie om zich
heen opgroeien, en ook heerlijk dat ze af en toe een
paar dagen uit logeren zijn. Ik dank mijn ouders
natuurlijk ook voor alle jaren van goede zorgen, en
vind het buitengewoon jammer dat mijn vader deze
dag niet mee heeft mogen maken.
De som van al het delen
26
28
Lieve Inge, we hebben deze stap samen gewild en
samen gemaakt. Heel traditioneel heb jij er toch veel
meer voor moeten inleveren dan ik. Ik dank je voor
al je steun en liefde en hoop dat de toekomst ook
voor jou voldoende prikkels zal bevatten. En dan
bedoel ik met die prikkels niet dat je me nu zelfs in
een jurk mag bewonderen.
Lieve Alex en Martin, jullie maken elke dag tot een
feest. Af en toe word ik wel wat moe van al dat feesten, maar ik zou het voor geen geld willen missen.
Ik dank u voor uw aandacht,
Ik heb gezegd.