INHOUDSOPGAVE
1. Inleiding .................................................................................................................................................... 4
1.1. Inleiding tot ontwikkelingsbiologie ...................................................................................................................4
1.2. Basisconcepten van embryonale ontwikkeling .................................................................................................5
2. Algemene werkconcepten in de ontwikkeling .............................................................................................. 6
2.1. Ontwikkeling impliceert celdeling, ontstaan patroon, verandering vorm, celdifferentiatie en groei .......................6
2.2. Celgedrag vormt verbintenis tussen genactiviteit en ontwikkelingsproces ..........................................................6
2.3. Genen controleren gedrag van cellen door eiwitproductie te sturen ...................................................................6
2.4. Differentiële genactiviteit controleert de ontwikkeling .......................................................................................7
2.5. Graduele ontwikkeling en vastleggen bestemming van cellen op verschillende tijdstippen .................................7
2.6. Inductieve interacties maken cellen verschillend van elkaar .............................................................................8
2.7. Specifiek antwoord op inducerende signalen afhankelijk van status van responderende cel ...............................8
2.8. Patronen en positionele informatie ..................................................................................................................8
2.9. Laterale inhibitie kan ruimtelijke patronen genereren ........................................................................................9
2.10. Localisatie van cytoplasmatische determinanten En asymmetrische deling ...................................................9
2.11. Het embryo bevat een eerder genererend dan beschrijvend programma ........................................................9
3. Genen en ontwikkeling ............................................................................................................................... 9
3.1. Algemene methoden voor bestudering van gen-functie ................................................................................... 10
3.2. Technologische evoluties in gene editing........................................................................................................ 10
4. De cellulaire basis van morfogenese......................................................................................................... 11
4.1. Differentiële celaffiniteit ................................................................................................................................ 11
4.2. Thermodynamisch model celinteracties (differentiële adhesie hypothese) ...................................................... 12
4.3. Epitheliale-mesenchymale transitie (EMT)...................................................................................................... 13
4.4. Zelforganiserende morfogenetische activiteit van embryonale weefsels .......................................................... 13
5. Cel-cel communicatie .............................................................................................................................. 14
5.1. Inductie en competentie ............................................................................................................................... 14
5.2. Reciproke inductie ........................................................................................................................................ 14
5.3. Epitheliale-mesenchymale interacties ........................................................................................................... 15
5.4. Paracriene factoren ...................................................................................................................................... 15
5.5. Signaaltransductie routes ............................................................................................................................. 16
5.6. Celdood reactiewegen .................................................................................................................................. 18
5.7. Juxtacriene signalering: Notch ....................................................................................................................... 18
8a. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen in amfibieën ................................................. 19
8.1. Inleiding ........................................................................................................................................................ 19
8.2. Vorming van de lichaamsassen bij Xenopus Laevis .......................................................................................... 19
8.3. Spemann & Mangold organizer ....................................................................................................................... 20
1
, 8.4. Functies van de organisator ............................................................................................................................ 21
8B. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen in vissen ....................................................... 24
8.1. Basis van de zebravisontwikkeling .................................................................................................................. 24
8.2. Organizer: embryonaal schild ......................................................................................................................... 25
9. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen: kip ............................................................. 25
9.1. Klievingsdelingen .......................................................................................................................................... 25
9.2. Gastrulatie ................................................................................................................................................... 26
9.3. Bepaling van de embryonale assen ................................................................................................................ 27
9.4. Neurulatie bij de kip ...................................................................................................................................... 28
9.5. A-P- en L-R-asvorming .................................................................................................................................. 28
10. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen: zoogdieren ................................................ 29
10.1. Klievingen bij zoogdieren............................................................................................................................ 29
10.2. Implantatie ............................................................................................................................................... 30
10.3. Gastrulatie ................................................................................................................................................ 30
10.4. Vorming van de AP-as ................................................................................................................................ 31
10.5. Vorming van de dV-as ................................................................................................................................ 32
10.6. Vorming van de LR-as ................................................................................................................................ 32
11. Centraal zenuwstelsel en epidermis ......................................................................................................... 35
11.1. Primaire en secundaire neurulatie, neurale buissluiting ............................................................................... 35
11.2. Differentiatie van de neurale buis ............................................................................................................... 36
11.3. De weefselarchitectuur van het centraal zenuwstelsel ................................................................................ 37
11.4. De neuronale celtypes ............................................................................................................................... 38
11.5. Ontwikkeling van de retina ......................................................................................................................... 38
11.6. Vorming van de epidermis en ectodermale plakodes................................................................................... 39
13. Neurale kamcellen en axonale specificiteit ............................................................................................... 40
13.1. De neurale kam ......................................................................................................................................... 40
13.2. Neuronale specificatie en axonale specificiteit ........................................................................................... 41
14. Paraxiaal en intermediair mesoderm ........................................................................................................ 43
14.1. Paraxiaal mesoerm: de somieten en afgeleiden .......................................................................................... 43
14.2. Myogenese: ontwikkeling van de spieren .................................................................................................... 45
14.3. Intermediair mesoderm ............................................................................................................................. 45
15. Laterale plaat mesoderm en endoderm..................................................................................................... 46
15.1. Het hart .................................................................................................................................................... 46
15.2. Vorming van de bloedvaten ........................................................................................................................ 47
15.3. Endoderm ................................................................................................................................................. 47
16. Vorming van de ledematen ....................................................................................................................... 49
2
,17. Geslachtsdeterminatie ............................................................................................................................ 51
17.1. Ontwikkeling van de gonaden..................................................................................................................... 53
18. Embryonale en adulte stamcellen............................................................................................................. 54
18.1. Embryonale stamcellen ............................................................................................................................. 55
18.2. iPSCs (induced pluripotent stem cells) ....................................................................................................... 56
18.3. Organoïden ............................................................................................................................................... 56
3
,MOLECULAIRE ONTWIKKELINGSBIOLOGIE
1. INLEIDING
1.1. INLEIDING TOT ONTWIKKELINGSBIOLOGIE
Embryologie = van zygote tot geboorte
Ontwikkelingsbiologie = vraag naar…
- Differentiatie van cellen (hoe kan 1 genenset verschillende celtypes vormen?)
- Morfogenese van ledematen, weefsels en organen (hoe vormen cellen geordende structuren?)
- Groei, behoud van een welbepaalde grootte (hoe regulatie van celdeling vb. even lange armen?)
- Reproductie: vorming gameten en voortplanting (hoe verschillen zaad- en eicel van andere somatische cellen?)
- Regeneratie
- Omgevingsinvloeden (hoe ontwikkeling geïntegreerd in habitat?)
- Evolutie (hoe creëren veranderingen in ontwikkeling nieuwe lichaamsvormen, wat is toegestaan?)
Toepassing 1: sonic hedgehog signaalweg
- Ontdekt in drosophila door mutanten met te veel stekels: ‘hedgehog’
- Gevolgen van mutaties:
o Patched (Ptc) KO muis ® medulloblastoma
o Sonic hedgehog (Shh) speelt een rol in:
§ Ledemaatontwikkeling
§ Patroonvorming
§ Proliferatie van neurale voorlopercellen
o Mutatie Ptch1 ® polydactylie (extra vingers)
Toepassing 2: stamceldifferentiatie en organoïden
- In vitro differentiatie stamcellen via groeifactoren toedienen in volgorde zoals bij embryonale ontwikkeling
- Specifieke groeifactoren voor specifieke celtypes
- iPSC: induced pluripotent stemcells gebaseerd op Yamanakafactoren (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)
o Biopt van volwassen cellen
o Reprogramming tot iPSCs
o Differentiatie tot celtypes of organoïden via groeifactoren
o Toepassingen:
§ Ziektemodellen
§ Geneesmiddelenscreening
§ Gentherapie/ transplantatie
Toepassing 3: interpretatie congenitale defecten
- Symptomen herleiden naar fouten in embryonale processen (begincellen)
- Voorbeeld: C-KIT mutaties
o Verstoorde migratie van neurale kamcellen
o Fenotypes: ventraal albinisme, gehoorafwijking, hartklepafwijking
- Voorbeeld: Ptch1 mutatie (shh)
o Duimpositie verstoord ® extra vingers
Toepassing 4: evo-devo
- Vergelijking tussen muis en vleermuis:
o Muis: apoptose tussen vingers waardoor gescheiden vingers
o Vleermuis: apoptose onderdrukt waardoor webbing tussen ‘vingers’ ® vleugel
4
, - Evo-devo: veranderingen in embryonale ontwikkeling leiden tot veranderingen in evolutie
Anatomische benadering embryologie:
- Vergelijkende embryologie => veranderingen met elkaar vergelijken tussen organismen
o Vb. beschrijving holoblastische tov meroblastische klieving (holo = alle cellen klieven, mero = enkel
voorbestemd deel van cellen klieft in ei)
o Theorie: preformatie of epigenese? (alles in embryo op voorhand gevormd of progressief ontstaan?)
- Evolutionaire embryologie => zoeken hoe veranderingen in evolutie veroorzaakt worden
- Teratologie => studie van geboorteafwijkingen
- Mathematische modeling => ontwikkelingsfenomenen beschrijven in mathematische vergelijkingen
1.2. BASISCONCEPTEN VAN EMBRYONALE ONTWIKKELING
De drie kiemlagen ® ontstaan tijdens gastrulatie
- Ectoderm: epidermis, centraal zenuwstelsel, neurale lijst
- Mesoderm: notochord (dorsaal), somieten (paraxiaal), nieren (intermediair), hart en bloedcellen (laterale plaat)
- Endoderm: darm, longen, pancreas, lever, thyroid
⇒ Kiemlagen genereren alle somatische celtypes (geslachtscellen uit aparte set van cellen (niet uit 3 kiemlagen))
Stadia van dierlijke ontwikkeling:
1. Bevruchting ® zygote
2. Klieving: snelle mitotische delingen ® blastomeren ® blastula
3. Gastrulatie: blastocoel ® drie kiemlagen
4. Organogenese: neurale buis (midden-dorsaal ectoderm), celmigraties
® bloedcellen naar lever, melanocyten naar huid, kiemcellen naar gonaden
® cellulaire interacties leiden tot herschikking van cellen in primitieve organen
5. Larvaal stadium: tot hier geen voeding nodig, want ei, nu voedsel opnemen (vaak niet seksueel matuur)
6. Gametogenese: kiemcellen migreren naar gonaden en differentiëren tot gameten (fysieke maturiteit)
Bestemmingskaarten: fate mapping = voorspellen waar cellen terechtkomen in het embryo
Methoden:
- Fotoactiveerbare fluorescente kleurstoffen
- Moderne technieken: scRNA-seq + CRISPR lineage barcoding ® barcode (exogeen DNA) in zebraviscel
inbrengen, Cas9 induceren en effecten van KO observeren
Bestemmingskaarten altijd per stadium zien (vb. tijdens gastrulatie, adult)
Overeenkomsten tussen bestemmingskaarten bekijken van adulten:
- Cellen die notochord vormen = centraal-dorsale positie
- Precursoren neurale cellen = anterieur van notochord
- Neurale ectoderm omgeven door toekomstige epidermis
Inductie: groep cellen beïnvloedt het lot van een andere groep cellen (chemische communicatie)
® experiment Spemann & Mangold
- Transplantatie dorsale blastoporus lip van ene salamander naar ventrale zijde andere salamander
- Resultaat: tweede lichaamsas ® siamese tweeling
- Nieuw embryo siamese tweeling bestaat grotendeels uit gastheercellen, niet donor ® donor stuurt enkel signalen
die gastheercellen van identiteit deden veranderen
- Cellen zijn niet volledig voorgeprogrammeerd, maar hun lot kan veranderen door signalen van andere cellen
- Spemann organisator = kleine regio uit dorsale blastoporuslip die vorming van het embryo controleert
5
, 2. ALGEMENE WERKCONCEPTEN IN DE ONTWIKKELING
2.1. ONTWIKKELING IMPLICEERT CELDELING, ONTSTAAN PATROON, VERANDERING VORM,
CELDIFFERENTIATIE EN GROEI
Ontwikkeling = toenemende organisatie vanuit een groepje cellen
- Patroonvorming na klievingsdelingen:
o Spatiale en temporele organisatie van celactiviteit door cellulaire en moleculaire mechanismen
o Lichaamsassen definiëren
§ AP (anterieur-posterieur) = hoofd-staart as
§ DV (dorsaal-ventraal) = rug-buik as
§ LR (links-rechts)
o Cellen toekennen tot 3 kiemlagen
o Morfogenese: verandering van vorm (gastrulatie, neurulatie en migratie)
o Celdifferentiatie:
§ Stek verweven met patroonvorming
§ 250 structureel en functioneel verschillende celtypes
o Groei: vermenigvuldiging cellen, toename volume, afzetting van extracellulair materiaal zoals vocht ®
door celdeling en secretie van ECM
2.2. CELGEDRAG VORMT VERBINTENIS TUSSEN GENACTIVITEIT EN ONTWIKKELINGSPROCES
Genexpressiestatus van een cel bepaalt zijn gedrag ® bepaalt aanwezigheid van eiwitten die tot effecten leiden
Gedrag van cellen ® bepaalt embryonale ontwikkeling
- Intercellulaire signalisatie
- Verandering in adhesie, vorm en motiliteit
- Celproliferatie
- Celdood
Vb. Spemann-Mangold organisator, gastrulatie start, afsnoering neurale buis, migratie neurale kam, celdood bij vingers
Voorbeeld 1: gecoördineerde apicale contractie van actomyosinering leidt tot groeve in cellaag
Experiment:
- Overexpressie apicale contractie in apicale pool Xenopus: ontstaan groeve (GOF)
- Onderdrukking apicale contractie in apicale pool Xenopus: vertraagde vorming blasoporus (LOF)
Voorbeeld 2: afzondering van neurale buis door switch van N- naar E-cadherine (adhesiemoleculen), waardoor minder
sterke adhesie en inzakkende neurale buis die zich kan losmaken van het epidermis
Voorbeeld 3: celdood induceren om webbing tussen vingers weg te halen door BMP-signalisatie (ectopische inhibitor van
Noggin nodig, voor minder BMP signalisatie => geen celdood tussen vingers)
2.3. GENEN CONTROLEREN GEDRAG VAN CELLEN DOOR EIWITPRODUCTIE TE STUREN
Genen controleren het gedrag van cellen door te controleren welke eiwitten door een welbepaalde cel worden
aangemaakt
- Huishoudeiwitten en weefselspecifieke eiwitten gecontroleerd en gereguleerd
- Stabilisatie en differentiële splicing van mRNA’s , PTM’s ® kunnen eiwit ander gedrag doen vertonen
- Transcriptiefactoren (TF) ® algemeen en specifiek (sturen de ontwikkeling)
- Ontwikkelingsgenen: mutagenesescreens nodig om deze te achterhalen
o Drosophila: 60 genen ® patroonvorming tot segmentatie
o Zoogdieren: 100 genen ® vorming lidmaat
6
1. Inleiding .................................................................................................................................................... 4
1.1. Inleiding tot ontwikkelingsbiologie ...................................................................................................................4
1.2. Basisconcepten van embryonale ontwikkeling .................................................................................................5
2. Algemene werkconcepten in de ontwikkeling .............................................................................................. 6
2.1. Ontwikkeling impliceert celdeling, ontstaan patroon, verandering vorm, celdifferentiatie en groei .......................6
2.2. Celgedrag vormt verbintenis tussen genactiviteit en ontwikkelingsproces ..........................................................6
2.3. Genen controleren gedrag van cellen door eiwitproductie te sturen ...................................................................6
2.4. Differentiële genactiviteit controleert de ontwikkeling .......................................................................................7
2.5. Graduele ontwikkeling en vastleggen bestemming van cellen op verschillende tijdstippen .................................7
2.6. Inductieve interacties maken cellen verschillend van elkaar .............................................................................8
2.7. Specifiek antwoord op inducerende signalen afhankelijk van status van responderende cel ...............................8
2.8. Patronen en positionele informatie ..................................................................................................................8
2.9. Laterale inhibitie kan ruimtelijke patronen genereren ........................................................................................9
2.10. Localisatie van cytoplasmatische determinanten En asymmetrische deling ...................................................9
2.11. Het embryo bevat een eerder genererend dan beschrijvend programma ........................................................9
3. Genen en ontwikkeling ............................................................................................................................... 9
3.1. Algemene methoden voor bestudering van gen-functie ................................................................................... 10
3.2. Technologische evoluties in gene editing........................................................................................................ 10
4. De cellulaire basis van morfogenese......................................................................................................... 11
4.1. Differentiële celaffiniteit ................................................................................................................................ 11
4.2. Thermodynamisch model celinteracties (differentiële adhesie hypothese) ...................................................... 12
4.3. Epitheliale-mesenchymale transitie (EMT)...................................................................................................... 13
4.4. Zelforganiserende morfogenetische activiteit van embryonale weefsels .......................................................... 13
5. Cel-cel communicatie .............................................................................................................................. 14
5.1. Inductie en competentie ............................................................................................................................... 14
5.2. Reciproke inductie ........................................................................................................................................ 14
5.3. Epitheliale-mesenchymale interacties ........................................................................................................... 15
5.4. Paracriene factoren ...................................................................................................................................... 15
5.5. Signaaltransductie routes ............................................................................................................................. 16
5.6. Celdood reactiewegen .................................................................................................................................. 18
5.7. Juxtacriene signalering: Notch ....................................................................................................................... 18
8a. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen in amfibieën ................................................. 19
8.1. Inleiding ........................................................................................................................................................ 19
8.2. Vorming van de lichaamsassen bij Xenopus Laevis .......................................................................................... 19
8.3. Spemann & Mangold organizer ....................................................................................................................... 20
1
, 8.4. Functies van de organisator ............................................................................................................................ 21
8B. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen in vissen ....................................................... 24
8.1. Basis van de zebravisontwikkeling .................................................................................................................. 24
8.2. Organizer: embryonaal schild ......................................................................................................................... 25
9. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen: kip ............................................................. 25
9.1. Klievingsdelingen .......................................................................................................................................... 25
9.2. Gastrulatie ................................................................................................................................................... 26
9.3. Bepaling van de embryonale assen ................................................................................................................ 27
9.4. Neurulatie bij de kip ...................................................................................................................................... 28
9.5. A-P- en L-R-asvorming .................................................................................................................................. 28
10. Vorming van het vertebraten lichaamsplan en lichaamsassen: zoogdieren ................................................ 29
10.1. Klievingen bij zoogdieren............................................................................................................................ 29
10.2. Implantatie ............................................................................................................................................... 30
10.3. Gastrulatie ................................................................................................................................................ 30
10.4. Vorming van de AP-as ................................................................................................................................ 31
10.5. Vorming van de dV-as ................................................................................................................................ 32
10.6. Vorming van de LR-as ................................................................................................................................ 32
11. Centraal zenuwstelsel en epidermis ......................................................................................................... 35
11.1. Primaire en secundaire neurulatie, neurale buissluiting ............................................................................... 35
11.2. Differentiatie van de neurale buis ............................................................................................................... 36
11.3. De weefselarchitectuur van het centraal zenuwstelsel ................................................................................ 37
11.4. De neuronale celtypes ............................................................................................................................... 38
11.5. Ontwikkeling van de retina ......................................................................................................................... 38
11.6. Vorming van de epidermis en ectodermale plakodes................................................................................... 39
13. Neurale kamcellen en axonale specificiteit ............................................................................................... 40
13.1. De neurale kam ......................................................................................................................................... 40
13.2. Neuronale specificatie en axonale specificiteit ........................................................................................... 41
14. Paraxiaal en intermediair mesoderm ........................................................................................................ 43
14.1. Paraxiaal mesoerm: de somieten en afgeleiden .......................................................................................... 43
14.2. Myogenese: ontwikkeling van de spieren .................................................................................................... 45
14.3. Intermediair mesoderm ............................................................................................................................. 45
15. Laterale plaat mesoderm en endoderm..................................................................................................... 46
15.1. Het hart .................................................................................................................................................... 46
15.2. Vorming van de bloedvaten ........................................................................................................................ 47
15.3. Endoderm ................................................................................................................................................. 47
16. Vorming van de ledematen ....................................................................................................................... 49
2
,17. Geslachtsdeterminatie ............................................................................................................................ 51
17.1. Ontwikkeling van de gonaden..................................................................................................................... 53
18. Embryonale en adulte stamcellen............................................................................................................. 54
18.1. Embryonale stamcellen ............................................................................................................................. 55
18.2. iPSCs (induced pluripotent stem cells) ....................................................................................................... 56
18.3. Organoïden ............................................................................................................................................... 56
3
,MOLECULAIRE ONTWIKKELINGSBIOLOGIE
1. INLEIDING
1.1. INLEIDING TOT ONTWIKKELINGSBIOLOGIE
Embryologie = van zygote tot geboorte
Ontwikkelingsbiologie = vraag naar…
- Differentiatie van cellen (hoe kan 1 genenset verschillende celtypes vormen?)
- Morfogenese van ledematen, weefsels en organen (hoe vormen cellen geordende structuren?)
- Groei, behoud van een welbepaalde grootte (hoe regulatie van celdeling vb. even lange armen?)
- Reproductie: vorming gameten en voortplanting (hoe verschillen zaad- en eicel van andere somatische cellen?)
- Regeneratie
- Omgevingsinvloeden (hoe ontwikkeling geïntegreerd in habitat?)
- Evolutie (hoe creëren veranderingen in ontwikkeling nieuwe lichaamsvormen, wat is toegestaan?)
Toepassing 1: sonic hedgehog signaalweg
- Ontdekt in drosophila door mutanten met te veel stekels: ‘hedgehog’
- Gevolgen van mutaties:
o Patched (Ptc) KO muis ® medulloblastoma
o Sonic hedgehog (Shh) speelt een rol in:
§ Ledemaatontwikkeling
§ Patroonvorming
§ Proliferatie van neurale voorlopercellen
o Mutatie Ptch1 ® polydactylie (extra vingers)
Toepassing 2: stamceldifferentiatie en organoïden
- In vitro differentiatie stamcellen via groeifactoren toedienen in volgorde zoals bij embryonale ontwikkeling
- Specifieke groeifactoren voor specifieke celtypes
- iPSC: induced pluripotent stemcells gebaseerd op Yamanakafactoren (Oct4, Sox2, Klf4, c-Myc)
o Biopt van volwassen cellen
o Reprogramming tot iPSCs
o Differentiatie tot celtypes of organoïden via groeifactoren
o Toepassingen:
§ Ziektemodellen
§ Geneesmiddelenscreening
§ Gentherapie/ transplantatie
Toepassing 3: interpretatie congenitale defecten
- Symptomen herleiden naar fouten in embryonale processen (begincellen)
- Voorbeeld: C-KIT mutaties
o Verstoorde migratie van neurale kamcellen
o Fenotypes: ventraal albinisme, gehoorafwijking, hartklepafwijking
- Voorbeeld: Ptch1 mutatie (shh)
o Duimpositie verstoord ® extra vingers
Toepassing 4: evo-devo
- Vergelijking tussen muis en vleermuis:
o Muis: apoptose tussen vingers waardoor gescheiden vingers
o Vleermuis: apoptose onderdrukt waardoor webbing tussen ‘vingers’ ® vleugel
4
, - Evo-devo: veranderingen in embryonale ontwikkeling leiden tot veranderingen in evolutie
Anatomische benadering embryologie:
- Vergelijkende embryologie => veranderingen met elkaar vergelijken tussen organismen
o Vb. beschrijving holoblastische tov meroblastische klieving (holo = alle cellen klieven, mero = enkel
voorbestemd deel van cellen klieft in ei)
o Theorie: preformatie of epigenese? (alles in embryo op voorhand gevormd of progressief ontstaan?)
- Evolutionaire embryologie => zoeken hoe veranderingen in evolutie veroorzaakt worden
- Teratologie => studie van geboorteafwijkingen
- Mathematische modeling => ontwikkelingsfenomenen beschrijven in mathematische vergelijkingen
1.2. BASISCONCEPTEN VAN EMBRYONALE ONTWIKKELING
De drie kiemlagen ® ontstaan tijdens gastrulatie
- Ectoderm: epidermis, centraal zenuwstelsel, neurale lijst
- Mesoderm: notochord (dorsaal), somieten (paraxiaal), nieren (intermediair), hart en bloedcellen (laterale plaat)
- Endoderm: darm, longen, pancreas, lever, thyroid
⇒ Kiemlagen genereren alle somatische celtypes (geslachtscellen uit aparte set van cellen (niet uit 3 kiemlagen))
Stadia van dierlijke ontwikkeling:
1. Bevruchting ® zygote
2. Klieving: snelle mitotische delingen ® blastomeren ® blastula
3. Gastrulatie: blastocoel ® drie kiemlagen
4. Organogenese: neurale buis (midden-dorsaal ectoderm), celmigraties
® bloedcellen naar lever, melanocyten naar huid, kiemcellen naar gonaden
® cellulaire interacties leiden tot herschikking van cellen in primitieve organen
5. Larvaal stadium: tot hier geen voeding nodig, want ei, nu voedsel opnemen (vaak niet seksueel matuur)
6. Gametogenese: kiemcellen migreren naar gonaden en differentiëren tot gameten (fysieke maturiteit)
Bestemmingskaarten: fate mapping = voorspellen waar cellen terechtkomen in het embryo
Methoden:
- Fotoactiveerbare fluorescente kleurstoffen
- Moderne technieken: scRNA-seq + CRISPR lineage barcoding ® barcode (exogeen DNA) in zebraviscel
inbrengen, Cas9 induceren en effecten van KO observeren
Bestemmingskaarten altijd per stadium zien (vb. tijdens gastrulatie, adult)
Overeenkomsten tussen bestemmingskaarten bekijken van adulten:
- Cellen die notochord vormen = centraal-dorsale positie
- Precursoren neurale cellen = anterieur van notochord
- Neurale ectoderm omgeven door toekomstige epidermis
Inductie: groep cellen beïnvloedt het lot van een andere groep cellen (chemische communicatie)
® experiment Spemann & Mangold
- Transplantatie dorsale blastoporus lip van ene salamander naar ventrale zijde andere salamander
- Resultaat: tweede lichaamsas ® siamese tweeling
- Nieuw embryo siamese tweeling bestaat grotendeels uit gastheercellen, niet donor ® donor stuurt enkel signalen
die gastheercellen van identiteit deden veranderen
- Cellen zijn niet volledig voorgeprogrammeerd, maar hun lot kan veranderen door signalen van andere cellen
- Spemann organisator = kleine regio uit dorsale blastoporuslip die vorming van het embryo controleert
5
, 2. ALGEMENE WERKCONCEPTEN IN DE ONTWIKKELING
2.1. ONTWIKKELING IMPLICEERT CELDELING, ONTSTAAN PATROON, VERANDERING VORM,
CELDIFFERENTIATIE EN GROEI
Ontwikkeling = toenemende organisatie vanuit een groepje cellen
- Patroonvorming na klievingsdelingen:
o Spatiale en temporele organisatie van celactiviteit door cellulaire en moleculaire mechanismen
o Lichaamsassen definiëren
§ AP (anterieur-posterieur) = hoofd-staart as
§ DV (dorsaal-ventraal) = rug-buik as
§ LR (links-rechts)
o Cellen toekennen tot 3 kiemlagen
o Morfogenese: verandering van vorm (gastrulatie, neurulatie en migratie)
o Celdifferentiatie:
§ Stek verweven met patroonvorming
§ 250 structureel en functioneel verschillende celtypes
o Groei: vermenigvuldiging cellen, toename volume, afzetting van extracellulair materiaal zoals vocht ®
door celdeling en secretie van ECM
2.2. CELGEDRAG VORMT VERBINTENIS TUSSEN GENACTIVITEIT EN ONTWIKKELINGSPROCES
Genexpressiestatus van een cel bepaalt zijn gedrag ® bepaalt aanwezigheid van eiwitten die tot effecten leiden
Gedrag van cellen ® bepaalt embryonale ontwikkeling
- Intercellulaire signalisatie
- Verandering in adhesie, vorm en motiliteit
- Celproliferatie
- Celdood
Vb. Spemann-Mangold organisator, gastrulatie start, afsnoering neurale buis, migratie neurale kam, celdood bij vingers
Voorbeeld 1: gecoördineerde apicale contractie van actomyosinering leidt tot groeve in cellaag
Experiment:
- Overexpressie apicale contractie in apicale pool Xenopus: ontstaan groeve (GOF)
- Onderdrukking apicale contractie in apicale pool Xenopus: vertraagde vorming blasoporus (LOF)
Voorbeeld 2: afzondering van neurale buis door switch van N- naar E-cadherine (adhesiemoleculen), waardoor minder
sterke adhesie en inzakkende neurale buis die zich kan losmaken van het epidermis
Voorbeeld 3: celdood induceren om webbing tussen vingers weg te halen door BMP-signalisatie (ectopische inhibitor van
Noggin nodig, voor minder BMP signalisatie => geen celdood tussen vingers)
2.3. GENEN CONTROLEREN GEDRAG VAN CELLEN DOOR EIWITPRODUCTIE TE STUREN
Genen controleren het gedrag van cellen door te controleren welke eiwitten door een welbepaalde cel worden
aangemaakt
- Huishoudeiwitten en weefselspecifieke eiwitten gecontroleerd en gereguleerd
- Stabilisatie en differentiële splicing van mRNA’s , PTM’s ® kunnen eiwit ander gedrag doen vertonen
- Transcriptiefactoren (TF) ® algemeen en specifiek (sturen de ontwikkeling)
- Ontwikkelingsgenen: mutagenesescreens nodig om deze te achterhalen
o Drosophila: 60 genen ® patroonvorming tot segmentatie
o Zoogdieren: 100 genen ® vorming lidmaat
6
