les4 synoptische tekst ontwikkeling

Het bouwplan ontvouwd
Hoe je van die ene bevruchte eicel tot een meercellig individu?
Donderdag 06 februari 2014 – Dr. Peter Roels
Dieren en planten maken allebei een embryonaal stadium door. Na hun geboorte moeten vele dieren
doorgaans alleen nog groeien; alle organen en lichaamsdelen zijn in de regel aangelegd. Bij planten is
dit heel anders. Het kiemplantje van een zaadplant bevat een korte stengel- en worteltop waaruit en
waarmee de hele bebladerde stengel met al zijn zijstengels en het gehele wortelstelsel nog moet
opgebouwd worden, een proces dat trouwens het hele plantenleven door voortduurt. Planten
bestaan uit opeenvolgende modules (bv. stukje stengel met blad en okselknop) die zich elk aan de
concrete omstandigheden (o.a. beschikbaarheid van licht) aanpassen. Dit verschil in respectievelijk
gesloten en open ontwikkeling tussen dieren en planten is een gevolg van de verschillende
algemene levenswijze. Omdat planten niet beweeglijk zijn, in tegenstelling tot dieren, moeten
planten zich zo goed mogelijk naar de lokale omstandigheden kunnen schikken.
Om van een bevruchte eicel aan een volgroeid organisme te komen, zijn drie essentiële processen
nodig: celdeling, celdifferentiatie en morfogenese. Door celdeling verhoogt het aantal cellen, door
differentiatie krijgen cellen een vorm en uiterlijk naargelang hun functie en de morfogenese,
tenslotte, houdt in dat alle (gedifferentieerde) cellen op de juiste plaats zitten.
Tijdens elke celdeling zal de originele cel opgedeeld worden in twee dochtercellen die elk een helft
van het gerepliceerde DNA krijgen. Beide dochtercellen zijn dus genetisch identiek aan elkaar en de
oorspronkelijke moedercel. Het moment waarop cellen delen is in een meercellig organisme strikt
gereguleerd. Mutaties in genen die dit regelmechanisme aansturen, leiden tot zogenaamde
oncogenen of kunnen ervoor zorgen dat tumorsuppressorgenen uitvallen. De combinatie van
meerdere van deze mutaties leidt tot kanker. Het is dan ook meteen duidelijk dat kanker een
meerstaproces is, waarbij ook een erfelijke aanleg aan de basis van kan liggen.
Celdifferentiatie is een geleidelijk proces waarbij een cascade ontstaat van elkaar aanschakelende
genen, gaande van regelgenen (voor transcriptiefactoren) tot de weefselspecifieke genen die die
bepaalde cel zullen maken tot wat ze is. Celdifferentiatie is dus niet het gevolg van het feit dat delen
uit het genoom verdwijnen in bepaalde cellen, maar blijkt dus eerder te maken te hebben met de
wijze waarop bepaalde genen aan/uit gezet worden naargelang de context (differentiële
genexpressie).
Eén van de belangrijke mofogenetische processen, naast celdeling en celdifferentiatie, is celmigratie.
Onder andere tijdens de embryonale fase bij dieren die we gastrulatie noemen, vindt intensieve
celmigratie plaats. Bij plantencellen met hun starre celwanden, gebeurt dit niet. Op het einde van de
gastrulatiefase hebben de meeste dieren drie zogenaamde kiemlagen, waarbij de cellen in elke laag
nog uitsluitend aanleiding kunnen geven tot bepaalde types cellen. Een ander belangrijk proces
tijdens de morfogenese is geprogrammeerde celdood (apoptose). Het meest extreme voorbeeld
hiervan vinden we bij de metamorfose van een rups tot vlinder, waarbij in de pop bijna alle cellen
worden afgebroken en uit de resulterende voedselbrij en enkele zogenaamde imaginaalschijven een
volledig nieuw individu wordt opgebouwd.
Men kan zich nu echter de vraag stellen hoe de cellen weten waar ze moeten zijn of tot wat ze
moeten differentiëren. Deze positionele informatie is vaak chemisch van aard. Bij fruitvliegen
bijvoorbeeld is duidelijk aangetoond dat bepaalde moleculen van de moeder die in het eitje zijn
opgeslagen, zogenaamde cytoplasmatische determinanten genaamd, van belang zijn tijdens de
eerste stappen van de embryonale ontwikkeling. Zo bepaalt een concentratiegradiënt van mRNA
voor het bicoïdeiwit en later het bicoïdeiwit zelf, of een cel zich meer vooraan (hogere concentratie)
of achteraan (lagere concentratie) in het lichaam bevindt. Dit zet op zijn beurt langs deze lengte-as in
het ontwikkelend lichaam nieuwe processen (genen) in gang die alsmaar lokaler werkzaam zijn en
finaal leiden tot de gedifferentieerde ontwikkeling van de 14 segmenten die in een fruitvlieg
aanwezig zijn. Bepaalde genen die hierbij een rol spelen, zijn ook aanwezig bij bv. muizen. Ook
embryonale cellen zelf, kunnen chemische boodschappermoleculen afscheiden die
ontwikkelingsprocessen bij bepaalde naburige cellen kunnen initiëren (inductie). Tenslotte spelen
ook CAM’s (celadhesiemoleculen) een rol in het aan elkaar binden van gelijkaardige cellen in een
weefsel bijvoorbeeld of tijdens celmigratie waar de interactie tussen CAM’s en (vezels in) de
extracellulaire matrix van kapitaal belang blijken te zijn. Mutaties in CAM’s liggen aan de basis van
het uitzaaien van kanker (metastase).
In het gehele ontwikkelingsproces spelen stamcellen een belangrijke rol, als (nog) nietgedifferentieerde cellen met een groot delingsvermogen. Uiteraard is dit tijdens de embryonale
ontwikkeling van het allergrootste belang, maar ook nog in een adult lichaam in het kader van
onderhoud, herstel en eventuele groei van weefsels. Naargelang de embryonale ontwikkeling
vordert, nemen het delings- en differentiatievermogen van stamcellen bij dieren af. De meeste cellen
van planten blijven daarentegen totipotent. Gezien de aard van stamcellen zouden deze van grote
waarde kunnen zijn voor medische doeleinden. De aanmaak van de benodigde patiënteigen
stamcellen zou echter het klonen van een lichaamscel vereisen en daarbij het doden van het
gecreëerde embryo. Uit ethische overwegingen, probeert men daarom om door toevoeging van
bepaalde transcriptiefactoren rechtstreeks uit lichaamscellen pluripotente stamcellen te induceren,
met succes overigens.
De toekomst zal uitwijzen of de mens via technologie in staat zal zijn, zijn eigen ontwikkeling (bij) te
sturen.