Groene stamcellen

Stamcellen in de plant werken volgens dezelfde principes als dierlijke stamcellen, alleen met iets andere moleculen. Utrechtse ontwikkelingsbiologen proberen via de plant te komen tot een universeel concept van stamcellen.

`DE IDEEËN over hoe stamcellen gevormd worden komen van oudsher uit de petrischaal en meer recent van fruitvliegen en muizen'', zegt Ben Scheres, hoogleraar moleculaire genetica in Utrecht. Dat levert in zijn ogen slechts een beperkt beeld. Volgens Scheres biedt onderzoek aan planten de mogelijkheid om `het wezen van de stamcel' te achterhalen.In twee recente publicaties van zijn laboratorium (Cell, 1 oktober 2004 en Nature, 6 januari) ontrafelen Scheres en zijn medewerkers de moleculaire regelmechanismen uiteen die in een kiemplantje tot de ontwikkeling van stamcellen in het wortelpuntje leiden. ``Mogelijk weten we nu beter hoe een stamcel geprogrammeerd wordt dan onze collega's in de animale wereld'', zegt Scheres.

Stamcellen zijn erg in de mode omdat uit deze ongedifferentieerde cellen alle denkbare celtypen van een organisme kunnen groeien. Ze zijn een haast oneindige bron van nieuw weefsel. De hoop is dan ook dat stamcellen op een dag diabetespatiënten van nieuwe insuline-producerende alvleeskliercellen kunnen voorzien of Alzheimerpatiënten van nieuwe dopamine-producerende neuronen. Maar welke moleculen de differentiatie van stamcellen precies aansturen en hoe stamcellen in het lichaam functioneren is nog slechts mondjesmaat bekend.

Stamcellen moeten omringd zijn door zogeheten `organiserende cellen'. Deze zijn bijvoorbeeld gevonden bij eicelproducerende stamcellen van het fruitvliegje. Voor stamcellen in de huid, hersenen en darmen moeten zulk soort essentiële begeleidende cellen ook bestaan. Het is echter erg moeilijk om dit soort stamcellen in hun natuurlijke context te bestuderen.

patroon

Neem dan de plant. ``Onder de microscoop kun je de stamcellen in het wortelpuntje gewoon zien zitten'', zegt Scheres. ``Het patroon van cellen is altijd hetzelfde. De stamcellen zijn gegroepeerd rond welgeteld vier zogeheten quiescent cells, de organiserende cellen die de stamcellen in stand houden. Met verschillende fluorescente kleurstoffen kunnen we in de levende plant precies bestuderen wat zich daar op moleculair niveau afspeelt. We zijn al bezig om dat in een filmpje te volgen.''

Scheres' groep bestudeert `groene stamcellen' in de zandraket Arabidopsis thaliana, een veel gebruikt modelplantje in het laboratorium. Sinds 2001 is de volledige sequentie van het DNA van dit plantje bekend en dat maakt het genetische onderzoek een stuk makkelijker. ``Tegenwoordig kun je vrijwel iedere mutant en elk gewenst stuk DNA gewoon bestellen via internet.''

De vier quiescent cells in de wortelpuntjes zijn cruciale begeleiders van de omringende stamcellen. Scheres: ``Daarover hebben we al in 1997 in Nature gepubliceerd. We lieten zien dat stamcellen zich zonder deze begeleidende cellen gaan differentiëren en dus verdwijnen. Met een laser hadden we de quiescent cells verwijderd.'' Overigens komt het woord `stamcel' in die publicatie nog niet voor. De frappante overeenkomsten tusdsen de organisatie van plantaardige en dierlijke stamcellen werd pas later duidelijk.

Waar stamcellen zich bevinden in het organisme en of zij in stand blijven, blijkt volledig afhankelijk van zogeheten transcriptiefactoren. Het is de werking van deze moleculaire schakelaars die het lab van Scheres nu tot in detail in kaart heeft gebracht.

groeitopjes

Al langer is bekend dat het plantenhormoon auxine, oftewel indol-azijnzuur, een centrale organiserende rol heeft voor plantencellen. De stof werd al in de jaren twintig van de vorige eeuw ontdekt door de Utrechtse plantenonderzoeker Frits Went. Het hormoon, dat de plant zelf produceert in de groeitopjes, bevordert de celdeling en de celstrekking. In de wortelpunt is de concentratie auxine hoog en op die plek vormen zich stamcellen. ``Generaties plantenfysiologen hebben met auxine op planten geëxperimenteerd, maar ondertussen wist men niet wat dat op moleculair niveau betekende. Het was onbegrijpelijk dat één stof zoveel verschillende effecten kon hebben. Nu snappen we eindelijk iets van de moleculaire cascade die de plaats van die effecten in de plant regelt.''

De groep van Scheres ontdekte dat dit onder invloed staat van genen die de zogeheten PIN-eiwitten maken. Scheres: ``Dat blijken eiwitten te zijn die fungeren als auxinepompen. Ze zitten maar aan één kant van de cel en dat heeft tot gevolg dat auxine maar in één richting wordt getransporteerd. In 1999 hadden we al aanwijzingen dat auxine-transport de positie van de stamcelen bepaalt. Maar uitschakeling van bijvoorbeeld het PIN4-gen gaf slechts een mild effect. Uiteindelijk zijn we mutaties van PIN-genen gaan combineren. Nu blijkt dat we pas als we vier PIN-genen tegelijk uitschakelen we een goed effect zien. Het transport van auxine is dan ernstig verstoord, waardoor je in het hele embryo wortelstamcellen krijgt. De kiemplantjes krijgen vervolgens overal wortels.''

Ook ontdekten de Utrechters auxine-afhankelijke moleculaire regisseurs. De zogeheten Plethora-transcriptiefactoren definiëren de stamcellen tijdens de embryo-vorming van de zandraket op heel precieze posities. Als deze genen elders de plant worden geactiveerd, ontstaan daar stamcellen. De Plethora-eiwitten worden actief in het vroege embryo onder invloed van PIN-eiwitten. Plethora-genen op hun beurt regelen de activiteit van de PIN-eiwitten, waardoor een gesloten lus ontstaat. Door deze terugkoppeling is uiteindelijk de activiteit van auxine en de Plethora-genen in de wortelpunt het grootst en wordt dat de plek van de stamcellen en hun begeleidende quiescent cells.

In radiale richting zijn het eveneens transcriptiefactoren die de plaats van de stamcellen bepalen. Cellen in de vaatbundel produceren het eiwit SHR, dat naar de periferie diffundeert. Er blijkt echter op de grens tussen vaatbundel en epidermis één laag cellen waarin deze transcriptiefactor in de celkern kan. Daar schakelt SHR het gen SCR aan. Het SCR-eiwit bepaalt de plaats van de quiescent cells en daarmee die van de stamcellen.

Scheres: ``In het hartstadium van de embryogenese, als het kiemplantje eruit ziet als een klompje cellen in de vorm van een hart, is de definitie van de cellen compleet. De belangrijkste transcriptiefactoren daarvoor hebben we nu geïdentificeerd. Nu we zien hoe de verdeling van auxine daaraan is gekoppeld, begrijpen we waarom juist de cellen in de wortelpunt zich delen.

weddenschap

``Mogelijk werkt de regulatie van stamcellen in de groeipunten van de bladeren net zo, met iets andere genen, maar volgens hetzelfde principe. In de bovengrondse groeipuntjes van de plant zijn genen actief die lijken op Plethora-genen. We hebben in het lab een weddenschap lopen dat dit de holy grail van het groeivermogen van de plant is'', aldus Scheres.

Via Arabidopis hoopt de Utrechtse bioloog beter te weten wat het `stamcel-zijn' inhoudt: ``De soorten transcriptiefactoren die bij planten een rol spelen behoren tot heel andere molecuulfamilies dan de bekende transcriptiefactoren bij dieren. Maar het principe van hoe stamcellen worden gedefinieerd door transcriptiefactoren is mogelijk universeel.''

Scheres is erg opgewonden over de jongste experimenten in zijn lab, waarbij de onderzoekers in Arabidopsis een gen uitschakelden dat lijkt op dierlijke tumorsupressorgenen. Die ingreep bleek prompt de vorming van stamcellen te stimuleren. ``Blijkbaar zijn in stamcellen genen nodig die in planten en dieren overeenkomen. Zo leren we welke factoren een stamcel definiëren. Het is heel spannend, want het zou kunnen dat we op een universeel systeem uitkomen. Het onderzoek loopt nog, dus meer details kan ik nu helaas niet geven.''

Scheres' groep hoopt op termijn homogene stamcellen van planten te kweken die hij vervolgens heel gecontroleerd laat differentiëren tot de verschillende celtypen van de plant. ``Datzelfde doet men in de animale biologie ook, omdat men stamcellen wil gebruiken om bepaalde celtypen te kweken. Zowel in de plant als in het dier moeten we echter steeds terug naar het gehele organisme, want er is een cruciale rol weggelegd voor de organiserende cellen die de stamcellen omgeven. In de plant kunnen we de stamcellen makkelijk bestuderen in hun natuurlijke context, maar in de mens gaat dat wat moeilijker. De ontwikkeling van stamceltherapie is daardoor nu vooral een kwestie van trial and error. Wie weet wat basale kennis over stamcellen in planten nog kan opleveren aan algemene concepten omtrent stamcellen en hun regulatie.''