1. Inleiding embryogenese: een samenspel tussen cellen en eiwitten
Auteur: Dr. Madeleine Brouns
Hoe kan het dat uit een bevruchte eicel een zelfstandig organisme kan groeien met een grote diversiteit aan cellen, weefsels en functies? Dit is de centrale vraag in het vak van de embryologie. Als we begrijpen hoe een embryo zich ontwikkelt, dan kunnen we ook beter begrijpen hoe de ontwikkeling van een embryo spaak kan lopen en hoe dit mogelijk voorkomen kan worden middels diagnostiek, therapie of preventie.
Er zijn twee verschillende perspectieven van waaruit de embryogenese (genese: ontstaan) beschouwd kan worden: het morfologische en het moleculaire perspectief. Het eerste perspectief duidt op de vormveranderingen die plaatsvinden (morfo: vorm). Door celdeling ontstaan meerdere cellen die vervolgens differentiëren in verscheidene celtypen en die zich vormen tot verschillende structuren en/of organen. Met het moleculaire perspectief worden de moleculen, met name eiwitten, bedoeld die de vormveranderingen aansturen, controleren en mogelijk maken. Eiwitten worden aangemaakt op basis van de genetische code in het deoxyribonucleïnezuur (DNA) en verzorgen ofwel functies binnen die cel, of beïnvloeden juist het gedrag van een andere cel wanneer een eiwit afgegeven wordt. De twee perspectieven waarmee de embryogenese beschouwd kan worden, zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden.
De volgende onderwerpen komen in dit hoofdstuk aan bod:
- Differentiële genexpressie ligt ten grondslag aan celdifferentiatie
- Inductie en paracriene factoren: van celsignalering naar differentiatie
- Concentratiegradiënt
- Vier grote families van paracriene factoren
1.1 Differentiële genexpressie ligt ten grondslag aan celdifferentiatie
Alle informatie die nodig is om de embryogenese goed te laten verlopen, ligt opgeslagen in de bevruchte eicel. De kern van deze cel bevat erfelijk materiaal, het DNA. Dit DNA is georganiseerd in chromosomen en bevat genen die coderen voor eiwitten met verschillende biologische functies. Gedurende de embryonale ontwikkeling, en feitelijk het hele leven, is er sprake van differentiële genexpressie. Dit betekent dat verschillende celtypen, verschillende sets van genen tot expressie (uiting) brengen. Dit betekent ook, dat niet alle aanwezige genen in de celkern actief zijn. Welke genen actief zijn, wordt bepaald door (combinaties van) specifieke transcriptiefactoren (eiwitten die de mate van transcriptie van DNA naar RNA, ribonucleïnezuur, beïnvloeden). Bij de eerste klievingsdelingen na de bevruchting is de genexpressie in de gevormde cellen (blastomeren) niet noemenswaardig verschillend. Gaandeweg echter, gaan cellen aan de rand van de morula (het stadium waarin de vrucht uit zestien of meer identieke cellen bestaat), het toekomstige trofectoderm (= trofoblast), andere genen tot expressie brengen dan de cellen in het binnenste deel, de toekomstige binnenste celmassa. Kenmerkende verschillen zijn de expressie van de specifieke transcriptiefactoren Cdx2 aan de buitenzijde en Oct3/4 aan de binnenzijde van het embryo. Hiermee is de meest prille differentiatie van het embryo in gang gezet. De aan- of afwezigheid van deze specifieke transcriptiefactoren leidt tot verschillen in de expressie van genen in de binnenste, dan wel buitenste cellen. Daardoor veranderen de celeigenschappen ten opzichte van elkaar. Het trofectoderm ontwikkelt tot de voedende (troof betekent voedend) placenta. De binnenste celmassa ontwikkelt zich tot het ‘embryo proper’, het echte embryo.
1.2 Inductie en paracriene factoren: van celsignalering naar
differentiatie
De eerste embryonale ontwikkelingen en veel opvolgende vormveranderingen worden aangestuurd door eiwitten. Deze eiwitten worden afgegeven door een bepaalde groep cellen en worden vervolgens ontvangen door een andere groep van cellen. Deze manier van signaaloverdracht wordt inductie genoemd. Het eerste type cellen wordt de inducer (veroorzaker) genoemd, het tweede type cellen de competente responder (beantwoorder). Een voorbeeld van inductie is de vorming van de ooglens. De ooglens ontstaat doordat de onderliggende oogbeker, de toekomstige retina (netvlies), signalen afgeeft.
In het algemeen geeft de inducercel specifieke eiwitten af die vervolgens binden aan een receptor (ontvanger) op het celoppervlak van de competente responder (figuur 1.1). Deze receptor steekt door het celmembraan heen en is dus de verbinding tussen het extra- en het intracellulaire domein (extra: buiten, intra: binnen, cellulair: van de cel). De transmembraanreceptor kan op deze manier het signaal van de eiwitten die door de inducer cel zijn afgegeven, omzetten binnen de respondercel. Wanneer het eiwit bindt aan de receptor (stap 1) en als het eiwit de receptor activeert (stap 2), treden er allerlei vormen van intracellulaire signaaloverdracht (stap 3) op, aangegeven met sterren in figuur 1.1. Een belangrijke vorm van signaaloverdracht binnen de cel vindt plaats door middel van het binden van één of meerdere fosfaatgroepen. De geactiveerde receptor bindt deze fosfaatgroep(en) aan andere specifieke eiwitten. Door deze modificatie, fosforylering genoemd, verandert de activiteit van de eiwitten. Hierdoor worden ze op hun beurt weer in staat gesteld een volgend eiwit te beïnvloeden. De inducercel kan op deze manier het gedrag van de respondercel beïnvloeden. Dit gebeurt in de brede zin van het woord. Het veranderde gedrag kan zich uiten in een veranderde celdeling, in veranderde genexpressie of bijvoorbeeld in veranderde celmotiliteit (beweging) van de responder cel (stap 4).
Figuur 1.1 Signaaloverdracht door middel van paracriene factoren. Zie tekst voor de toelichting van de vier stappen.
1.3 Paracriene factoren
De inducercel geeft signaaleiwitten af die meestal paracriene factoren, maar soms ook wel ‘groei- en differentiatiefactoren’, worden genoemd. Ook de termen ‘ligand’ of ‘morfogen’ (vorm veroorzaker) worden hiervoor gebruikt. Doorgaans wordt echter de term paracriene factoren gehanteerd. Paracrien wil zeggen dat de factoren die de inducercel produceert en afgeeft, inwerken op een naburige respondercel (para: naast). Andere soorten signaaleiwitten gebruiken een vergelijkbare naamgeving. Autocrien: de factoren werken in op dezelfde cel die ze uitscheidt (auto: zelf); juxtacrien: de factor zit vast aan het celmembraan van de inducercel en bindt aan de receptor van een aangrenzende cel (juxta: heel nabij); endocrien: de factoren (hormonen) worden getransporteerd door het bloed naar hun doelcellen (endo: binnen in, inwendig) (figuur 1.2).
Figuur 1.2 Varianten van cellulaire signalering met betrekking tot de afstand tussen de inducercel en de competente respondercel. Bij de vierde variant, autocriene signalering, is de cel tegelijkertijd inducer en responder. Zwarte bolletjes zijn een schematische weergave van signaaleiwitten.
1.4 Concentratiegradiënt
Kenmerkend voor paracriene factoren is dat deze eiwitten een concentratiegradiënt vormen. Dichtbij de inducercel is de concentratie van de factoren hoog, verder weg neemt deze af. Dit resulteert ook in een variatie in de reactie van de respondercellen. De reactie is afhankelijk van de concentratie van de factoren. Een hoge concentratie van de factor leidt bijvoorbeeld tot het stimuleren van de expressie van gen A, een lage concentratie juist van gen B of induceert geen genexpressie. In een ontwikkelend embryo is niet slechts één paracriene factor aanwezig, maar er zijn veel paracriene factoren tegelijkertijd aanwezig. De inducers zijn echter niet allemaal op dezelfde locatie aanwezig wat leidt tot overlappende en tegengestelde concentratiegradiënten van de verschillende paracriene factoren. Een hypothetische respondercel op een bepaalde locatie in het embryo ontvangt bijvoorbeeld een hoge concentratie van de ene paracriene factor en juist een lage concentratie van een andere. De combinatie van deze twee signalen bepaalt wat de identiteit van de cel zal worden (figuur 1.3). In andere woorden, cellocatie wordt vertaald naar celspecificatie onder invloed van de concentratie van paracriene factoren.
Figuur 1.3 Overlappende en/of tegengestelde concentratiegradiënten van paracriene factoren bepalen de identiteit van een cel op een specifieke locatie. In deze schematische weergave van een humaan embryo in de tweede week van de ontwikkeling ontvangt cel A een hoge concentratie van de ‘groene factor’ en een lage concentratie van de ‘rode factor’. Voor cel C geldt precies het tegenover gestelde. Cel B ontvangt van beide factoren ongeveer evenveel. Deze informatie wordt verwerkt door de verschillende cellen waarbij hun respectievelijke locatie zorgt voor de juiste celspecificatie. Zie appendix voor toelichting van de termen.
1.5 Vier grote families van paracriene factoren
Paracriene factoren zijn sterk evolutionair geconserveerd. Dat betekent dat deze factoren sterk overeenkomen tussen soorten, relatief lange tijd onveranderd zijn gebleven en daarmee zijn behouden tijdens de evolutie. De factoren die aanwezig zijn bij bijvoorbeeld Drosophila melanogaster, het fruitvliegje, zijn ook aanwezig bij de mens. Een groot deel van onze huidige kennis van deze factoren en hun signalering stamt dan ook uit onderzoek in dit modelorganisme. De meeste paracriene factoren kunnen worden gegroepeerd in vier grote families op basis van hun structuur. Deze families zijn: de fibroblast growth factor (FGF) familie, de Hedgehog (HH) familie, de Wingless-int (WNT) familie en de transforming growth factor beta (TGF-β) superfamilie. Elk van deze families bevat vele structureel gerelateerde eiwitten met een veelzijdigheid aan biologische functies, zowel tijdens de embryonale ontwikkeling als in de stadia van het leven daarna. De eiwitten binnen een familie kunnen ofwel specifieke, ofwel overlappende functies hebben. Een aantal voorbeelden van functies is weergegeven in tabel 1.1. Verschillende leden uit de families van paracriene factoren zullen aan bod komen bij het bespreken van onderdelen van de morfologische embryonale ontwikkeling.
Tabel 1.1 Voorbeelden van biologische functies van de 4 hoofdfamilies van paracriene factoren tijdens de embryonale ontwikkeling.
| Fibroblast groei factoren (FGF) |
Hedgehog eiwitten (HH) |
Wingless eiwitten (WNT) |
Transforming groei factoren (TGF-β) |
| Angiogenese |
Inductie en patroonvorming in de neurale buis |
Ontwikkeling van de middenhersenen |
Botvorming |
| Axon uitgroei |
Links-rechts asymmetrie |
Differentiatie van de somieten |
Links-rechts asymmetrie |
| Mesoderm differentiatie |
Darm regionalisatie |
Differentiatie van het urogenitaalsysteem |
Afbraak 'eileiders' in man |
Literatuur
- Cockburn & Rossant, J. Making the blastocyst: lessons from the mouse. J Clin Invest 120, 995-1003 (2010).
- Wolpert, L. Positional information and patterning revisited. J Theor Biol 269, 359-365 (2011).
- Sadler TW. Langman’s Medical Embryology, Elfde druk. Philadelphia PA, Lippincott Williams & Wilkins (2010).
