Puberende worm geeft inzicht in celontwikkeling: Kanalisatie van cellen in ontwikkeling voor het eerst in kaart gebracht

Hoe embryo’s zich ontwikkelen tot complexe, volwassen organismen is een raadsel waar AMOLF-onderzoekers nu een klein stukje van hebben opgehelderd. In de rondworm C. elegans ontdekten zij hoe een groepje cellen zich ondanks aanzienlijke variaties op celniveau, altijd ontwikkelt tot hetzelfde orgaan. Met hun experimenten hebben groepsleider Jeroen van Zon en promovenda Guizela Huelsz-Prince voor het eerst het verantwoordelijke feedbackmechanisme, ook wel kanalisatie genoemd, zichtbaar gemaakt. Zij publiceerden hun resultaten op 22 februari in het tijdschrift Cell Systems.

De groep Quantitative Developmental Biology gebruikt de rondworm C. elegans als modelsysteem om ontwikkelingsprocessen beter te begrijpen. Van Zon legt uit: “De volwassen rondwormen zijn ongeveer duizend cellen groot en veel van hun basale mechanismen lijken sterk op die van complexere dieren en mensen. De wormen zijn bovendien doorzichtig, wat ze zeer geschikt maakt om onder de microscoop te bestuderen.”

Variatie
Van Zon en Huelsz-Prince bestudeerden een groepje van vijf cellen die zich in de ‘puberteit’ van de worm ontwikkelen tot het vrouwelijk geslachtsorgaan van het (meestal) tweeslachtige diertje. “De vijf cellen die zich ontwikkelen tot de vulva communiceren met een zogenoemde ankercel, zodat ze één van drie mogelijke celtypen kiezen – primair, secundair, tertiair – afhankelijk van hun afstand tot de ankercel.”, zegt Van Zon. “Anders dan we verwachtten, zagen we een grote variatie in de positie van de ankercel ten opzichte van de cellen, terwijl het eindpatroon dat ze gezamenlijk aannemen toch steeds hetzelfde was.”

Kanalisatie
Een belangrijk idee in de ontwikkelingsbiologie is dat dit komt door kanalisatie: een soort feedbackmechanisme in de cellen dat zorgt dat de ontwikkeling van organismen robuust en reproduceerbaar is. Hoe die feedback precies gebeurt, was nog een raadsel. “Wij hebben nu voor het eerst kanalisatie echt aan het werk gezien”, legt Van Zon uit. “Bij een ‘verkeerde’ positie van de ankercel hebben twee cellen in theorie bijna evenveel kans om het primaire celtype te kiezen. Wij zagen dat in zo’n geval de cellen verschoven, zodat er toch weer één cel het dichtst bij de ankercel kwam te liggen. Bovendien ‘praten’ de cellen met elkaar: de cel die onder invloed van de ankercel voor het primaire celtype kiest, stuurt signaalmoleculen naar zijn buren waardoor zij géén primair celtype kiezen. Deze communicatie tussen de cellen hebben we onder de microscoop zichtbaar gemaakt door deze moleculen fluorescent te maken. Door de experimenten en de wiskundige modellen die we erop hebben losgelaten, begrijpen we nu beter hoe de combinatie van signalen die cellen naar elkaar uitzenden én migratie naar de juiste positie, het feedbackmechanisme voor kanalisatie vormt.”

Volgende stap
Een open vraag blijft nog in welke volgorde de verschillende processen plaatsvinden. Het onderzoek voor deze publicatie deden Van Zon en Huelsz-Prince met dode wormen, die ze in verschillende stadia van de ontwikkeling bekeken. Inmiddels heeft de groep een techniek ontwikkeld waarmee ze levende wormen op een vergelijkbare manier kunnen onderzoeken, zodat de ontwikkeling van het diertje in de tijd te volgen is. Van Zon: “Hiermee zouden we nog verder kunnen kijken naar de precieze timing van de processen die voor kanalisatie zorgen. We willen deze nieuwe techniek gaan gebruiken om kanalisatie ook in andere ontwikkelingsprocessen in kaart te brengen.”

Reference
Guizela Huelsz-Prince and Jeroen Sebastiaan van Zon, Canalization of C. elegans Vulva Induction against Anatomical Variability, Cell Systems 4, 219–230 (2017) | DOI: 10.1016/j.cels.2017.01.009

Bijschrift:
(A) Een C. elegans worm met daarin de ankercel (gemarkeerd met een groen fluorescent eiwit) en de drie dichtstbijzijnde vulvacellen.
(B) De onderzoekers vonden een grote variatie in de positie van de ankercel (donkerpaars) ten opzichte van de vulvacellen in de ontwikkeling van C. elegans.
Links krijgt de middelste cel het sterkste signaal om het primaire celtype aan te nemen (roze). Daarop stuurt hij signalen naar zijn buren (het zogenoemde Notch signaal) die zorgen dat zij zich tot secundaire cellen ontwikkelen (blauw).
Rechts hebben twee cellen nagenoeg evenveel kans op het primaire celtype. De cel die net iets dichterbij is, kruipt naar de ankercel toe en stuurt een net wat sterker Notch signaal naar de cel ernaast. De combinatie van die twee effecten zorgt voor kanalisatie: ondanks de initiële variatie is het eindpatroon gelijk aan het eindpatroon in het linkerdeel van de figuur.