Radboud Universiteit Nijmegen


* Meerstappenplan ontrafeld voor activere ...

Meerstappenplan ontrafeld voor activeren genen in embryo

Datum bericht: 23 september 2009

Â

Beknopte samenvatting Tijdens de embryonale ontwikkeling ontstaat een organisme uit één bevruchte eicel. Al snel na de bevruchting ontstaan er drie groepen van stamcellen, waar vervolgens alle andere celtypen uit ontstaan. Â

Nijmeegse onderzoekers hebben nu voor het eerst bij een gewerveld dier, namelijk een klauwpad, laten zien hoe het vroegste aanschakelen van het DNA in een embryo gebeurt. Dat gaat wezenlijk anders dan uit onderzoek met losse stamcellen bleek: er is sprake van een hiërarchie van activatie en repressie. In de meeste gevallen komt activatie eerst, gevolgd door inperking van genen die heel lokaal binnen het embryo tot expressie komen. Het lijkt erop dat dit proces al lang standhoudt in de evolutie.

De resultaten van moleculair biologen van de Radboud Universiteit Nijmegen zijn goed voor een publicatie in het hooggewaardeerde tijdschrift Developmental Cell.Â

Alle
cellenH4 en daaromheen DNA. De eiwitstaarten steken uit het 'klosjeâ¤]Â

inen H4 en daaromheen DNA. De eiwitstaarten steken uit het 'klosje' ons
lichaam zijn afkomstig van een enkele bevruchte eicel en hebben hetzelfde DNA, maar het is duidelijk dat niet elke cel hetzelfde doet. Hoe dat komt, is het onderzoeksgebied van de 'epigenetica', het aflezen van het genoom. Als een cel eenmaal gespecialiseerd is tot bijvoorbeeld een levercel, zijn de cellen die daar uit voortkomen ook weer levercellen.

Dat komt doordat chemische aanpassingen op de histonen -- dat zijn eiwitten die een soort garenklosjes vormen waar de dunne, twee meter lange sliert DNA in de cel omheen wordt gewikkeld -- doorgegeven worden bij de celdeling. Deze epigenetische informatie bepaalt bijvoorbeeld of een stukje genoom afgelezen moet worden of per se niet. De histonen bestaan uit eiwitten die stevig tegen elkaar liggen, alleen de eiwitstaarten steken uit. Juist op deze eiwitstaarten zijn chemische veranderingen mogelijk die aan- dan wel uitzetten van het aflezen regelen. De ene verandering zegt: lees dit gen af, de andere zegt: lees dit gen niet. Kortom: DNA alleen is niet het enige wat bepaalt hoe we zijn.

Maar hoe begint deze specialisatie? Tijdens de embryonale ontwikkeling ontstaat het hele organisme uit één bevruchte eicel. Al snel na de bevruchting ontstaan er drie groepen van stamcellen, waar vervolgens alle andere celtypen uit ontstaan. Â

Losse stamcellen, echte embryo's Tot nu toe was de kennis hierover gebaseerd op onderzoek met 'losse' embryonale stamcellen. Hierin zijn zowel activerende als onderdrukkende histonveranderingen aanwezig op genen die aangeschakeld moeten worden: lees dit, lees dit niet. Deze tegengestelde epigenetische markering is nogal raadselachtig, maar de gedachte was dat dit te maken heeft met de snelle activatie van deze genen: één voet op het gaspedaal en één voet op de rem; laat de rem los en je schiet vooruit.

Maar stamcellen die in een Kikkers petrischaaltje leven en (in wording) in een schaaltje worden geremd in hun differentiatie, zijn natuurlijk wel heel wat anders dan een zich ontwikkelend embryo. Dat blijkt ook wel uit het nu gepubliceerde onderzoek van een team onder leiding van Gert Jan Veenstra en Henk Stunnenberg, moleculaire biologen van het Nijmegen Centre for Molecular Life Sciences van de Radboud Universiteit Nijmegen. Als eersten ter wereld lukte het ze om de epigenetica te ontrafelen in het vroegste embryonale stadium van een gewerveld dier: de klauwpad (Xenopus Laevis), om precies te zijn naar de methylering van histoneiwit 3. Wat blijkt: bij de meeste genen wordt eerst de lees-mij modificatie verkregen. Pas daarna wordt -- en alleen in de cellen die het gen niet tot expressie moeten brengen - de lees-mij-niet markering geplaatst. In andere woorden: er is sprake van een hiërarchie van activatie en repressie, waarbij in de meeste gevallen activatie eerst komt, gevolgd door inperking van genen die heel lokaal binnen het embryo tot expressie komen. De onderzoekers konden dat vaststellen door gebruik te maken van een 'Nieuwe Generatie' genoomsequencer waarover de vakgroep beschikt. Deze analyseert het genoom in stukjes. De onderzoekers visten eerst de DNA-stukjes inclusief markering uit de genoomsoep met behulp van antilichamen. Zo ontdekten ze de verschillende markeringen in de tijd (ontwikkelingsfase) en lokaal in verschillende delen van het embryo.

In deze figuur zijn drie temporele analyses te zien van het voorkomen van de Lees-mij markering (K4-methylering in groen), de Lees-mij-niet markering (K27-methylering in rood) en RNA (Blauw Â
In deze figuur zijn drie temporele analyses te zien van het voorkomen van de Lees-mij markering (K4-methylering in groen), de Lees-mij-niet markering (K27-methylering in rood) en RNA (Blauw). Het voorkomen van RNA laat zien dat een gen inderdaad wordt afgelezen. De analyse is voor verschillende genen gedaan, die zijn genoemd in de kolom naast de blauwe balk. De cijfers in de horizontale balk verwijzen naar de ontwikkelingsstadia van het embryo:


* 9-10 laat blastula, begin gastrula

* 11-12.5 Gastrula. Tijdens de gastrulatie gaan cellen 'bewegen' en ontstaat het gewerveld 'bouwplan' van het organisme
* 13 Vroeg neurula: Cellen worden aangezet neuraal te worden, maar de neurale buis is bij lange na nog niet gesloten
* 30-34 Larvaal stadium. Aanleg van de meeste organen is al begonnen.Â

Kunstmatig koest gehouden De resultaten werpen mogelijk ook nieuw licht op de tegenstrijdige epigenetische markeringen in losse stamcellen. Die zal waarschijnlijk niet zozeer te maken hebben met snelle activatie, maar meer met de kunstmatige blokkering van differentiatie in pluripotente stamcellen. 'Je moet hard werken om te voorkomen dat die cellen zich niet toch gaan specialiseren,' zegt Gert Jan Veenstra. 'Deze geremde stamcellen houden zogezegd meerdere ijzers in het vuur, iets dat bij onmiddellijke differentiatie in het embryo niet of minder zal optreden.' Wat zegt dit resultaat nu over ons mensen? Veenstra weet het nog niet helemaal zeker, maar heeft sterke aanwijzingen dat deze eerste embryonale ontwikkeling sterk geconserveerd is. Ofwel: onveranderd doorgegeven in de evolutie. Â 'A hierarchy of H3K4me3 and H3K27me3 acquisition in spatial gene regulation in Xenopus embryos' Developmental Cell, september 2009. Robert C. Akkers, Simon J. van Heeringen, Ulrike G. Jacobi, Eva M. Janssen-Megens, Kees-Jan Françoijs, Hendrik G. Stunnenberg and Gert Jan C. Veenstra. Nijmegen Centre for Molecular Life Sciences, Radboud Universiteit Nijmegen. De afdeling Moleculaire Biologie van het NCMLS maakt deel uit van de Faculteit Natuurwetenschappen, Wiskunde en Informatica.

terug
Â

* Artikel in Developmental Cell (alleen toegankelijk voor abonnees)

Contact Gert Jan Veenstra (024) 361 05 41
g.veenstra@ncmls.ru.nlWetenschapsredactie (024) 361 60 00 media@ru.nl

(c) 2009 Radboud Universiteit Nijmegen