H1: HISTORIEK, DEFINITIE EN CRITERIA
1. HISTORIEK
Voor 20ste eeuw: naturalisme => observatie en beschrijving van het dierenrijk
=> plaatsen in systematisch/ evolutieve context
Vb. Darwin (darwinvinken) , Linneaus (planten)
Midden 19e eeuw: embryologie => observatie en beschrijving vroege ontwikkeling
=> larvale stadia beschrijven
=> embryologie gebruiken in evolutieve context
Eind 19e - begin 20ste eeuw: splitsing embryologie en evolutionaire biologie
Nadruk op experimentele biologie: experimenten doen op embryo's (cellen isoleren)
Vb. Roux: eerste experimentele manipulatie kikker embryo's => weefselculturen in oplossing +
vernietiging cel met hete naald (1894)
Conklin: eerste celgenealogie in Ascidia embryo => mozaieke ontwikkeling volgens door
cellen met pigment aan te kleuren en te volgen (1905)
Spemann-Mangold: transplantatie experimenten in amfibieën => inductieve signalen die
leiden tot weefselvorming identificeren
Ook nog steeds experimenten in evolutionaire biologie en genetica: kruissingsexperimenten
Vb. Mendel: kruising plantenvariëteiten => overerving kenmerken
Morgan: kruisingen gemuteerde fruitvliegen => geslachtsgebonden overerving, crossing over
en in kaart brengen van genen op chromosomen
Hardy-Weinberg: populatiegenetica => allelfrequentie in populaties bestuderen
Midden 20ste eeuw: intrede moleculaire biologie => toepassing genetica waarin transmissie van
kenmerken tussen generaties en het functioneren van genen bestudeerd
Vb. Jacob en Monod: operon model E. Coli => regulatie genexpressie + centrale dogma
Watson en Crick: fysisiche structuur DNA => dubbele helix + genen fysische realiteit
2. DEFINITIE EN KEUZE VAN MODELORGANISMEN
Modelorganisme = optimale organisme voor een studie van bepaalde processen
=> niet één ideaal model, maar verschillende soorten met verschillende voordelen
vb. fruitvlieg een goed genetisch model, maar een slecht embryonaal model
,Grote 6 modellen:
1. Caenorhabditis Elegans
2. Drosophila Melanogaster (fruitvlieg)
3. Mus Musculus (muis)
4. Danio Rerio (zebravis)
5. Xenopus Laevis (Afrikaanse Brulkikker)
6. Gallus Gallus (kip)
Grote 6 niet mooi verspreid over het dierenrijk + ook geen ideale voorlopers van de mens
=> voornamelijk voor gebruiksgemak deze 6 blijven gebruiken
3. CRITERIA
Vereisten voor een modelorganismen:
1. Beschikbaarheid
® Embryo’s moeten in grote populatie beschikbaar zijn
2. Kostprijs
3. Toegankelijkheid
® Cellen en weefsels moeten toegankelijk zijn
® Handig voor embryologische modellen als ontwikkeling buiten lichaam plaatsvindt
4. Kleine lichaamsgrootte
® Klein, maar voldoende voor je onderzoek (vb. ledemaatontwikkeling in muis)
5. Snelheid
® Voldoende snel volgroeide organismen krijgen = snelle embryogenese
6. Manipuleerbaarheid
7. Genetica en genenkaarten
® Genomische sequenties van modelorganismen in databanken terug te vinden
® Nodig bij experimenten waarin homologe recombinatie nodig
8. Relevantie
® Overlapping tussen mens en modelorganismen in je experiment
Praktijk: niet alle modelsystemen voldoen aan deze criteria
H2: CAENORHABDITIS ELEGANS
1. HISTORIEK
Sydney Brenner => zocht modelorganismen voor kennis complexere meercelligheid uit te breiden
=> model: even makkelijk als ééncelligen, korte levenscyclus, klein, kweekbaar
Caenorhabditis Elegans (rondworm):
- Kleine en transparant
- Makkelijk te kweken: agarplaten met E. Coli als voedsel
- Snelle regeneratietijd (3 dagen van ei tot adult)
- Zelfbevruchtende hermafrodiet (XX): eenvoudig kruisingen en stabilisatie van mutaties
, - Vast en klein aantal cellen (959 in adult) met vast delingspatroon
- Eenvoudig bouwplan: bevat alle essentiële weefsels (epidermis, spieren, zenuwweefsel, …)
2. ONTWIKKELING
4 laravale stadia tot volwassenheid
Embryonale ontwikkeling:
- Brenner: elke cel van worm identificeren en
herkomst bepalen = kaart van ontwikkeling
- Makkelijk mutanten op te sporen en
controlemechanismen ontrafelen met kaart
Voordelen:
- Ei ontwikkeld zich extern + is transparant
- Weinig cellen, dus haalbaar om kaart van
ontwikkeling te maken
Celgeneaologie = delingspatroon van ei tot adult = opgesteld voor C. Elegans door John Sulston
- Ontwikkeling = invariant => elke cel zal in elk organisme dezelfde oorsprong hebben
- 6 embryonale stamcell die alle weefsels genereren
o AB: neuronen, hypodermis, spier
o MS: spier, neuronen
o E: intestinaal systeem
o C: hypodermis, spieren, neuronen
o D: lichaamsspieren
o P4: kiemcellen
C. Elegenas = schoolvoorbeeld moziekontwikkeling
- Autonome asymmetrische verdeling van determinanten: cellen krijgen zelf in ontwikkeling
een signaal mee waarmee ze zelf moeten bepalen waar ze heen moeten + signalen
tussen cellen in vroege emrbyo: signalen die de differentiatiestadia sturen (inductie)
3. GENOOM
Hermafrodiet = XX, mannetje = XO
1998: volledige genetische code van C. Elegans gepubliceerd (eerste meercellig organisme)
=> ca. 19700 eiwitcoderende genen , ca. 1300 RNA-coderende genen
Geschikte genetische modellen:
- Snelle ontwikkeling: kruising slecht 3 dagen
- Zelfbevruchting: recessieve mutaties segregeren automatisch als homozygoot
, C. Elegans: F2-screening
1) hermafrodiet + mutagen => random mutatie in kiemcellen
2) bevruchting ei door gemutageniseerde spermatozoide (heterozygoot)
3) F2 door zelfbevruchting in heterozygoot => ¼ homozygoot (fenotype)
Andere organismen: F3-screening
1) mannetje + mutagen => random mutatie in kiemcellen
2) bevruchting wildtype ei door gemutageniseerde spermatozoide (heterozygoot)
3) terugkruising met wildtype => at random heterozygoten in F2
4) F2 met elkaar kruisen => ¼ van nakomelingen uit F3 homozygoot (fenotype)
- Mutante stocks kunnen ingevroren worden
- Genoom volledig gesequeneerd
- Genetisch lanipulatie makkelijk: RNAi eenvoudig, DNA-microinjectie standaard
Genetische variatie in één stam binnenbrengen: mutante stocks creëeren:
=> sperma van mannetje krijgt altijd voorrang op die van een hermafrodiet
Mannetjes curciaal: kunnen mutaties in nieuwe genetische achtergrond brengen:
- Als je mutatie in genetische achtergrond wilt brengen, heb je kruisingen nodig, want
anders blijft de mutatie vastzitten in één genetische lijn door zelfbevruchting
- Mannetjes zorgen voor recombinatie => X of O overdragen
- Homozygote mutanten vaak lethaal, dus kunnen hier geen lijn van maken, maar wel
mannetjes die heterozygoot zijn bijhouden als mutante lijn (kan je kruisen wnnr je wil)
- Nut:
o Mutaties uitwisselen tussen lijnen => mutatie uit achtergrond halen en naar ander
organisme overbrengen via overerving
o Dubbele mutanten maken => interacties tussen genen bestuderen
4. TECHNIEKEN
4D-MICROSCOPIE
Timelapse multifocale opstelling die ontwikkelende embryo’s doorheen de tijd kan volgen
=> driedimensionale film van embryonale ontwikkeling
Automatic lineage systeem: computer kan autonoom celdelingen volgen en delingspatroon
opstellen => kan dus een celgenealogie diagram opstellen
LASERABLATIE
Het uitschakelen van embryonale cellen met een UV-straal
=> signalen opsporen tussen cellen door te zien wat er mis gaat in ontwikkeling na uitschakeling
Cellen die bestraald zijn = uiterlijk van apoptotische cel
=> soms herstellen cellen hier nog van en delen ze toch verder (geen perfecte techniek)
1. HISTORIEK
Voor 20ste eeuw: naturalisme => observatie en beschrijving van het dierenrijk
=> plaatsen in systematisch/ evolutieve context
Vb. Darwin (darwinvinken) , Linneaus (planten)
Midden 19e eeuw: embryologie => observatie en beschrijving vroege ontwikkeling
=> larvale stadia beschrijven
=> embryologie gebruiken in evolutieve context
Eind 19e - begin 20ste eeuw: splitsing embryologie en evolutionaire biologie
Nadruk op experimentele biologie: experimenten doen op embryo's (cellen isoleren)
Vb. Roux: eerste experimentele manipulatie kikker embryo's => weefselculturen in oplossing +
vernietiging cel met hete naald (1894)
Conklin: eerste celgenealogie in Ascidia embryo => mozaieke ontwikkeling volgens door
cellen met pigment aan te kleuren en te volgen (1905)
Spemann-Mangold: transplantatie experimenten in amfibieën => inductieve signalen die
leiden tot weefselvorming identificeren
Ook nog steeds experimenten in evolutionaire biologie en genetica: kruissingsexperimenten
Vb. Mendel: kruising plantenvariëteiten => overerving kenmerken
Morgan: kruisingen gemuteerde fruitvliegen => geslachtsgebonden overerving, crossing over
en in kaart brengen van genen op chromosomen
Hardy-Weinberg: populatiegenetica => allelfrequentie in populaties bestuderen
Midden 20ste eeuw: intrede moleculaire biologie => toepassing genetica waarin transmissie van
kenmerken tussen generaties en het functioneren van genen bestudeerd
Vb. Jacob en Monod: operon model E. Coli => regulatie genexpressie + centrale dogma
Watson en Crick: fysisiche structuur DNA => dubbele helix + genen fysische realiteit
2. DEFINITIE EN KEUZE VAN MODELORGANISMEN
Modelorganisme = optimale organisme voor een studie van bepaalde processen
=> niet één ideaal model, maar verschillende soorten met verschillende voordelen
vb. fruitvlieg een goed genetisch model, maar een slecht embryonaal model
,Grote 6 modellen:
1. Caenorhabditis Elegans
2. Drosophila Melanogaster (fruitvlieg)
3. Mus Musculus (muis)
4. Danio Rerio (zebravis)
5. Xenopus Laevis (Afrikaanse Brulkikker)
6. Gallus Gallus (kip)
Grote 6 niet mooi verspreid over het dierenrijk + ook geen ideale voorlopers van de mens
=> voornamelijk voor gebruiksgemak deze 6 blijven gebruiken
3. CRITERIA
Vereisten voor een modelorganismen:
1. Beschikbaarheid
® Embryo’s moeten in grote populatie beschikbaar zijn
2. Kostprijs
3. Toegankelijkheid
® Cellen en weefsels moeten toegankelijk zijn
® Handig voor embryologische modellen als ontwikkeling buiten lichaam plaatsvindt
4. Kleine lichaamsgrootte
® Klein, maar voldoende voor je onderzoek (vb. ledemaatontwikkeling in muis)
5. Snelheid
® Voldoende snel volgroeide organismen krijgen = snelle embryogenese
6. Manipuleerbaarheid
7. Genetica en genenkaarten
® Genomische sequenties van modelorganismen in databanken terug te vinden
® Nodig bij experimenten waarin homologe recombinatie nodig
8. Relevantie
® Overlapping tussen mens en modelorganismen in je experiment
Praktijk: niet alle modelsystemen voldoen aan deze criteria
H2: CAENORHABDITIS ELEGANS
1. HISTORIEK
Sydney Brenner => zocht modelorganismen voor kennis complexere meercelligheid uit te breiden
=> model: even makkelijk als ééncelligen, korte levenscyclus, klein, kweekbaar
Caenorhabditis Elegans (rondworm):
- Kleine en transparant
- Makkelijk te kweken: agarplaten met E. Coli als voedsel
- Snelle regeneratietijd (3 dagen van ei tot adult)
- Zelfbevruchtende hermafrodiet (XX): eenvoudig kruisingen en stabilisatie van mutaties
, - Vast en klein aantal cellen (959 in adult) met vast delingspatroon
- Eenvoudig bouwplan: bevat alle essentiële weefsels (epidermis, spieren, zenuwweefsel, …)
2. ONTWIKKELING
4 laravale stadia tot volwassenheid
Embryonale ontwikkeling:
- Brenner: elke cel van worm identificeren en
herkomst bepalen = kaart van ontwikkeling
- Makkelijk mutanten op te sporen en
controlemechanismen ontrafelen met kaart
Voordelen:
- Ei ontwikkeld zich extern + is transparant
- Weinig cellen, dus haalbaar om kaart van
ontwikkeling te maken
Celgeneaologie = delingspatroon van ei tot adult = opgesteld voor C. Elegans door John Sulston
- Ontwikkeling = invariant => elke cel zal in elk organisme dezelfde oorsprong hebben
- 6 embryonale stamcell die alle weefsels genereren
o AB: neuronen, hypodermis, spier
o MS: spier, neuronen
o E: intestinaal systeem
o C: hypodermis, spieren, neuronen
o D: lichaamsspieren
o P4: kiemcellen
C. Elegenas = schoolvoorbeeld moziekontwikkeling
- Autonome asymmetrische verdeling van determinanten: cellen krijgen zelf in ontwikkeling
een signaal mee waarmee ze zelf moeten bepalen waar ze heen moeten + signalen
tussen cellen in vroege emrbyo: signalen die de differentiatiestadia sturen (inductie)
3. GENOOM
Hermafrodiet = XX, mannetje = XO
1998: volledige genetische code van C. Elegans gepubliceerd (eerste meercellig organisme)
=> ca. 19700 eiwitcoderende genen , ca. 1300 RNA-coderende genen
Geschikte genetische modellen:
- Snelle ontwikkeling: kruising slecht 3 dagen
- Zelfbevruchting: recessieve mutaties segregeren automatisch als homozygoot
, C. Elegans: F2-screening
1) hermafrodiet + mutagen => random mutatie in kiemcellen
2) bevruchting ei door gemutageniseerde spermatozoide (heterozygoot)
3) F2 door zelfbevruchting in heterozygoot => ¼ homozygoot (fenotype)
Andere organismen: F3-screening
1) mannetje + mutagen => random mutatie in kiemcellen
2) bevruchting wildtype ei door gemutageniseerde spermatozoide (heterozygoot)
3) terugkruising met wildtype => at random heterozygoten in F2
4) F2 met elkaar kruisen => ¼ van nakomelingen uit F3 homozygoot (fenotype)
- Mutante stocks kunnen ingevroren worden
- Genoom volledig gesequeneerd
- Genetisch lanipulatie makkelijk: RNAi eenvoudig, DNA-microinjectie standaard
Genetische variatie in één stam binnenbrengen: mutante stocks creëeren:
=> sperma van mannetje krijgt altijd voorrang op die van een hermafrodiet
Mannetjes curciaal: kunnen mutaties in nieuwe genetische achtergrond brengen:
- Als je mutatie in genetische achtergrond wilt brengen, heb je kruisingen nodig, want
anders blijft de mutatie vastzitten in één genetische lijn door zelfbevruchting
- Mannetjes zorgen voor recombinatie => X of O overdragen
- Homozygote mutanten vaak lethaal, dus kunnen hier geen lijn van maken, maar wel
mannetjes die heterozygoot zijn bijhouden als mutante lijn (kan je kruisen wnnr je wil)
- Nut:
o Mutaties uitwisselen tussen lijnen => mutatie uit achtergrond halen en naar ander
organisme overbrengen via overerving
o Dubbele mutanten maken => interacties tussen genen bestuderen
4. TECHNIEKEN
4D-MICROSCOPIE
Timelapse multifocale opstelling die ontwikkelende embryo’s doorheen de tijd kan volgen
=> driedimensionale film van embryonale ontwikkeling
Automatic lineage systeem: computer kan autonoom celdelingen volgen en delingspatroon
opstellen => kan dus een celgenealogie diagram opstellen
LASERABLATIE
Het uitschakelen van embryonale cellen met een UV-straal
=> signalen opsporen tussen cellen door te zien wat er mis gaat in ontwikkeling na uitschakeling
Cellen die bestraald zijn = uiterlijk van apoptotische cel
=> soms herstellen cellen hier nog van en delen ze toch verder (geen perfecte techniek)
