Een muis is een kikker; Dieren ontwikkelen zich via universeel bouwplan

Het bouwplan van een kikker lijkt sprekend op dat van een muis en een mens. De genen die de embryonale ontwikkeling sturen zijn gedurende miljoenen jaren evolutie bijzonder goed bewaard gebleven. Zo goed, dat genen uit de mens ook in de vlieg werken.

Van een koploze kikker naar een mens zonder hoofd. Hoe groot is die sprong? Technisch gezien niet zo groot, beweerde de Britse ontwikkelingsbioloog prof.dr. J. Slack twee weken geleden in The Sunday Times. De kikker is een gewerveld dier, de mens ook. Hun bouwplannen lijken als twee druppels water op elkaar. Als je kopvorming bij een kikker weet te verhinderen, dan kun je dat bij een mens ook. Dus moest het volgens Slack technisch mogelijk zijn om hoofdloze mensen te kweken waarvan de organen gebruikt zouden kunnen worden voor transplantatie. “Wat Slack zegt is voor een deel waar”, aldus prof.dr. Anthony Durston van het Hubrechtlaboratorium (het Nederlands Instituut voor Ontwikkelingsbiologie) in Utrecht. Durston bestudeert de vroege embryonale ontwikkeling van kikkers. “Of je nou naar de kikker, de muis, de kip of de mens kijkt, hun bouwplan is stuk voor stuk voor stuk hetzelfde. Ze gebruiken dezelfde genetische bouwstenen. Die bouwstenen vind je zelfs terug bij wormen en vliegen. Maar waarschijnlijk zullen we nooit weten of Slack gelijk krijgt. Niemand zal het hoop ik ooit in zijn hoofd halen om menselijke embryo's zonder hoofd te kweken. Trouwens, op het moment zijn de technische problemen nog onoverkomelijk. Hoe komt zo'n wezen bijvoorbeeld aan zijn voeding?”

Maar, als kikker en mens op genetisch niveau gelijk zijn, wat maakt een kikker dan uiteindelijk een kikker en een mens een mens? “Dat is nog steeds een raadsel”, zegt Durston. “We kunnen dat op genetisch niveau niet verklaren. Het meeste onderzoek richt zich op de vroege embryogenese, op het ontvouwen van het basale bouwplan. We proberen te achterhalen welke genen betrokken zijn bij de vorming van voor-, achter-, boven- en onderkant, bij het ontstaan van de lichaams-as en de vorming van kop en romp. En dat bouwplan blijkt universeel. Soorten maken vaak gebruik van precies dezelfde genen, soms zijn ze zelfs uitwisselbaar. De evolutie is wat dat betreft weinig vernieuwend geweest. De latere embryogenese is genetisch nog lang niet in kaart gebracht, behalve de aanleg van bijvoorbeeld oog, hart en ledematen. Ook hier zie je trouwens een sterke conservering van de genen.”

Een treffend voorbeeld is het Pax6-gen van de mens. Een mutatie in het gen heeft vèrstrekkende gevolgen voor de ontwikkeling van de ogen. De iris wordt niet aangelegd, soms ontbreken de ogen zelfs helemaal. In muizen, ratten en fruitvliegen zijn genen gevonden die als twee druppels water op Pax6 lijken. Het zijn zogenoemde homologen van Pax6. Bij muizen en ratten heet het gen small eyes, bij de fruitvlieg eyeless. Hoewel de ogen van een vlieg in de verste verte niet lijken op die van een rat, gebruiken ze hetzelfde gen voor de aanleg daarvan. Het Pax6-gen is blijkbaar zo belangrijk dat het bijzonder goed bewaard is gebleven tijdens de evolutie. Hoe goed, bleek na een vervangsexperiment. Genetici zetten het small eyes-gen van een muis in een bevruchte eicel van de fruitvlieg. Het muizengen kwam terecht tussen de genen die verantwoordelijk zijn voor de aanleg van de poten en werkte daar als een eyeless-gen. De poten van de volwassen fruitvlieg waren bezaaid met vliegenogen.

Een extreem voorbeeld van conservering leveren de Hox-genen (zie kader). Ze zijn begin jaren tachtig ontdekt in fruitvliegen, maar er zijn inmiddels homologen gevonden in een zoetwaterpoliep, in een platworm, in geleedpotigen, in kikkers, muizen, kippen en mensen. De Amerikaan Edward Lewis kreeg twee jaar geleden de Nobelprijs voor zijn onderzoek aan Hox-genen bij de fruitvlieg (hij deelde de prijs met Christiane Nüsslein-Volhard en Eric Wieschaus die de vroegste embryonale ontwikkeling van de fruitvlieg op genetisch niveau in kaart brachten). “De Hox-genen zijn al geroemd als een van de belangrijkste biologische ontdekkingen van het laatste decennium”, zegt dr. Jacqueline Deschamps, net als Durston verbonden aan het Hubrechtlaboratorium. Deschamps onderzoekt de functie van Hox-genen tijdens de embryonale ontwikkeling van de muis. “Eerst worden de genen actief die het lichaam in segmenten verdelen. Daarna werken de Hox-genen. Ze geven de segmenten hun identiteit. Cellen in de kop ontwikkelen zich ook als zodanig.”

De Hox-genen van kikker, muis of mens lijken niet alleen sprekend op die van de vlieg, ze kunnen ook elkaars taak overnemen. Deschamps: “In 1992 werd een vlieg gemaakt die het derde Hox-gen miste. De onderzoekers vervingen het ontbrekende gen door zijn menselijke homoloog. Het werkte perfect, alsof het ingebrachte gen van de vlieg zelf was. De fruitvlieg ontwikkelde zich volkomen normaal.”

ZANDLOPER

Genen waren in de vorige eeuw nog niet ontdekt. Gregor Mendel had het bijvoorbeeld altijd over Formbildungselemente. De oplossing van 's werelds grootste raadsel - de ontwikkeling van een organisme als de mens uit een enkele bevruchte eicel - was in nevelen gehuld. Toch wisten biologen al hoe zeer dieren in het embryonale stadium op elkaar lijken. Het bracht de embryoloog Karl Ernst von Baer in grote verwarring. In 1828 schreef hij: “Ik heb twee kleine embryo's gepreserveerd in alcohol, maar ik ben ze vergeten te labelen. En nu kan ik het genus waartoe ze behoren niet determineren. Het kunnen hagedissen, kleine vogels, of zelfs zoogdieren zijn.” Von Baer schreef daarop zijn theorieën, die tot op de dag van vandaag gelden. Vlak na de gastrulatie, de fase waarin het bouwplan zich ontvouwt, lijken gewervelden nog vreselijk veel op elkaar. Pas in een later stadium ontwikkelen zich kenmerken als poten, vleugels, armen, schubben, haren, nagels of klauwen.

Von Baer had, zonder het te weten, de hals ontdekt van een fenomeen dat later bekend werd als de fylotypische zandloper. Een bevruchte eicel begint zijn ontwikkeling boven in die spreekwoordelijke zandloper. De cel deelt zich een aantal keren tot een klontje cellen. Aan dat proces valt nog te sleutelen. Bij vissen verloopt het anders dan bij vogels. Maar langzaam vernauwt de zandloper, de ontwikkeling kent steeds minder speling. Het embryo komt in de cruciale fase waarin het bouwplan zich ontvouwt, de gastrulatie. De cellen gaan 'wandelen', het embryo wordt ingrijpend gereorganiseerd. De embryonale assen ontstaan. De buis krijgt boven-, onder-, voor- en achterkant. Bijna tegelijkertijd vormen zich de drie kiemlagen, het ecto-, meso- en endoderm. Het ectoderm spreidt zich uit over de buitenkant en ontwikkelt zich later tot huid en zenuwstelsel. Daaronder ontstaat het mesoderm. Die laag vormt uiteindelijk het bindweefsel, de bloedcellen, het hart, het urogenitaalstelsel en delen van de meeste inwendige organen. Uit de binnenste laag, het endoderm, ontstaan ademhalings- en spijsverteringskanaal. Kop en romp beginnen zich te ontwikkelen. Dit hele proces voltrekt zich bij gewervelde dieren op dezelfde manier. Gedurende honderden miljoenen jaren van evolutie is er amper iets veranderd aan dit archetypische bouwplan waarin de Hox-genen een cruciale rol spelen. Na de gastrulatie is er weer meer speling mogelijk. Het ene dier krijgt poten, het andere vleugels of vinnen. Hetzelfde geldt voor schubben, veren, haren, nagels of klauwen.

OPENGEWERKTE KREEFT

Geoffrey Saint-Hilaire was al voor Von Baer een stap verder gegaan. De Franse naturalist beweerde in 1822 dat niet alleen gewervelden, maar alle dieren georganiseerd waren volgens hetzelfde principe. Saint-Hilaire haalde zich de kritiek van Georges Cuvier op de hals die het idee van zijn landgenoot afdeed als pure nonsens. Een insect was anatomisch en embryologisch niet te vergelijken met een weekdier of een gewerveld dier. Saint-Hilaire hield voet bij stuk. Zeker nadat hij bij toeval een opengewerkte kreeft met zijn rug op de tafel legde en hij de ordening van een gewerveld dier zag: het centraal zenuwstelsel boven het spijsverteringsstelsel dat op zijn beurt weer boven het hart lag. Toen wist de Fransman het zeker: ik zie een zelfde bouwplan.

Vorig jaar leverden Eddy De Robertis en Yoshiki Sasai van het Howard Hughes Medical Institute in Los Angeles het genetisch bewijs voor Saint-Hilaire's hypothese (Nature, 7 maart). Bij de fruitvlieg zijn twee genen verantwoordelijk voor de verdeling in boven- en onderkant. Het gen sog is met name aan de onderkant actief, het gen dpp vooral aan de bovenkant. Drie jaar geleden is in de kikker de homoloog van sog gevonden, het heet chd. Dit gen is juist in de bovenkant van het embryo actief, terwijl de homoloog van dpp - Bmp4 geheten - aan de onderkant werkt. De Amerikaanse onderzoekers ontdekten dat sog en chd inwisselbaar zijn. In de kikker bepaalt chd de bovenkant, in de fruitvlieg neemt het de rol van sog over en bepaalt het juist de onderkant. Voor dpp en Bmp4 geldt hetzelfde. De Robertis en Yoshiki Sasai concluderen dat in ongewervelden en gewervelden een vergelijkbaar systeem verantwoordelijk is voor de aanleg van boven- en onderkant.

Zo zijn er meer overeenkomsten tussen de fruitvlieg en andere organismen. Aan de andere kant heeft D. melanogaster ook kenmerken die typisch voor de soort zijn. “De fruitvlieg heeft veel basisprocessen blootgelegd. Maar een voorbeeldig proefdier is het niet”, zegt Deschamps. “Drosophila is een extreem product van de evolutie. In het embryo van de fruitvlieg worden kop, romp en achterlijf tegelijkertijd aangelegd. Dat zien we bij weinig andere dieren. Bij gewervelden vormt zich eerst de kop en van daaruit ontstaan borst en staart.”

Wat het onderzoek aan de fruitvlieg in ieder geval duidelijk heeft gemaakt is het bestaan van morfogenen. Dit zijn stoffen die zich vanuit een bron over de omliggende cellen verspreiden. De concentratie daalt naarmate de afstand tot de bron toeneemt. Morfogenen dirigeren het gedrag van cellen. Sog en dpp werken bijvoorbeeld volgens dat principe. De twee genen worden afgelezen zodat er sog- en dpp-eiwitten ontstaan. Deze verspreiden zich over het vliegenembryo. De verhouding van hun concentratie verdeelt het embryo in boven- en onderkant en draagt bij aan de goede aanleg van bijvoorbeeld het zenuwstelsel en het hart. Durston heeft veel werk verricht aan retinoïdezuren (vitame A-achtige stoffen) die een rol spelen bij de aanleg van de lichaams-as en de verdeling van het embryo in voor- en achterkant. Prof.dr. Pieter Nieuwkoop, van 1953 tot 1979 directeur van het Hubrechtlaboratorium, ontdekte in embryonale salamanders een bron van waaruit zich morfogenen verspreiden. Hij onderzocht de blastula, het stadium voor de gastrulatie. Het embryo is dan een bol van 128 cellen. De onderste helft bestaat uit vegetale cellen die rijk zijn aan voedingsstoffen. Een klein groepje van die cellen scheidt factoren uit die zich over de bovenste helft verspreiden. Later kreeg dit groepje de naam Nieuwkoop-centrum.

Een van de signalen uit het Nieuwkoop-centrum zorgt voor de formatie van de zogenoemde Spemann organizer. Deze groep cellen is vernoemd naar de Duitse embryoloog Hans Spemann. Samen met Hilde Mangold voerde hij in 1924 een klassiek geworden experiment uit. Ze transplanteerden stukjes weefsel uit embryo's (in het blastula-stadium) van de egaal gekleurde salamander Triturus cristatus naar embryo's van de donker gepigmenteerde T. taeniatus. Spemann en Mangold plaatsten de transplantaten tussen cellen die zich zouden ontwikkelen tot onderdeel van de huid. De meeste stukken getransplanteerd weefsel pasten zich netjes aan hun omgeving aan. Ze ontwikkelden zich ook tot huidcellen. Maar in een enkel geval groeide het transplantaat uit tot een complete salamander. Spemann en Mangold zagen de twee met elkaar versmolten salamanders - de een gepigmenteerd en de ander egaal gekleurd - en wisten dat ze iets belangrijks hadden ontdekt. Het stuk getransplanteerd weefsel kon de omliggende cellen blijkbaar aanzetten tot de vorming van een compleet organisme. De embryologen wisten de herkomst van het weefsel terug te voeren tot een kleine groep cellen. Die kreeg de naam Spemann organizer. Inmiddels is bekend dat de organizer allerlei moleculen uitscheidt die essentieel zijn voor het begin van de gastrulatie en de ontwikkeling van het embryo.

AANLEG VAN DE KOP

De Spemann organizer reguleert de aanleg van structuren vanaf de achterhersenen tot aan het puntje van de staart. De aanleg van het voorste deel van de kop staat onder invloed van andere stoffen die zich waarschijnlijk vanuit een andere organizer verspreiden. Twee jaar geleden kwamen William Shawlot en Richard Behringer van de University of Texas die head organizer op het spoor. Ze schakelden het Lim1-gen in muizen uit. De embryo's ontwikkelden geen kop en waren niet levensvatbaar. De onderzoekers suggereren dat het eiwitproduct van het Lim1-gen zich vanuit de head organizer verspreidt en mede bepalend is voor de aanleg van de kop (Nature, 30 maart). Deschamps: “We kennen inmiddels ook andere genen die betrokken zijn bij de kopvorming van de muis, bijvoorbeeld Otx2 en Emx2. Bij de kikker en de mens zijn ook al homologen van deze genen bekend.”

De ontwikkelingsbiologen vinden steeds meer stukken van de puzzel. Durston: “Het beeld dat we nu hebben is er een van homologieën en vergelijkbare processen. Maar we zullen uiteindelijk toch op zoek moeten naar de variaties, naar de processen die de verschillen tussen organismen bepalen. Alleen zo komen we er achter waarom een kikkerembryo zich nooit tot een hond ontwikkelt.”

Hox-genen

Wormen, vliegen, kikkers, kippen, muizen en mensen hebben ze, Hox-genen. Ze zijn essentieel voor een goed verloop van de embryonale ontwikkeling. Nadat andere genen het embryo in segmenten hebben onderverdeeld, zorgen Hox-genen ervoor dat ieder segment zijn juiste identiteit krijgt. Een kopsegment legt de structuren voor een kop aan, hetzelfde geldt voor romp en achterlijf. De Hox-genen worden ook wel de Rosetta-steen van de ontwikkelingsbiologie genoemd.

De Hox-genen zijn voor het eerst ontdekt in de fruitvlieg Drosophila melanogaster. Deze vlieg is opgebouwd uit veertien segmenten, drie voor de kop, drie voor het borststuk en acht voor het achterlijf. In iedere cel van de zich ontwikkelende fruitvlieg bevinden zich die Hox-genen. Het zijn er acht en ze liggen pal achter elkaar in een cluster. Ieder Hox-gen heeft zijn specifieke taak in een goed afgebakend deel van de vlieg. Het eerste Hox-gen in de rij is alleen actief in het voorste deel van de kop, het tweede gen iets meer naar achteren (waarbij het de actie radius van het eerste gen deels overlapt). Het laatste Hox-gen in de cluster is alleen in het achterste deel van het vliegenembryo actief.

Gedurende de evolutie is dit cluster van acht genen minstens twee keer in zijn geheel gekopieerd. Cellen van gewervelde dieren hebben namelijk 39 Hox-genen die zijn verdeeld zijn over vier clusters. Waarschijnlijk vraagt de complexere organisatie van gewervelde dieren om een fijnere regulatie waarvoor meer Hox-genen nodig zijn.

Hox-genen bevatten informatie voor transcriptie-factoren. Dat zijn eiwitten die aan DNA binden en genen aanschakelen. De Hox-eiwitten beïnvloeden soms wel 150 andere genen. Ze kenmerken zich door een zogenoemd homeodomein. Dit is opgebouwd uit 60 aminozuren die zich opvouwen tot drie -helices. Een van die helices herkent de specifieke DNA-volgorde TAAT en bindt daaraan. Voor ontwikkelingsbiologen was dit fenomeen lange tijd een raadsel. Het lijkt erop dat Hox-eiwitten allemaal eenzelfde DNA-volgorde herkennen. Waaraan ontleent zo'n eiwit dan zijn specifieke activiteit? Hoe kan het ene Hox-eiwit bijdragen aan de ontwikkeling van de kop, terwijl het andere een rol speelt bij de vorming van het borststuk? Uit onderzoek blijkt dat niet alleen de TAAT-sequentie bepalend is voor de binding. Ook omliggende DNA-letters zijn van belang. En de herkennings-helix vertoont ook kleine verschillen, zo bleek na een onderzoek aan een aantal homeodomein-eiwitten. Waar het ene eiwit in zijn herkenningshelix het aminozuur lysine heeft, zit bij het andere een glutamine-groep. Het lysine herkent alleen de DNA-lettercombinatie CG, glutamine herkent alleen AT. Via dergelijke minieme verschillen kunnen de homeodomein-eiwitten dus andere genen aan- en uitschakelen.

    • Marcel aan de Brugh