MOLECULAIRE ONTWIKKELINGSBIOLOGIE
I GRONDBEGINSELEN ONTWIKKELINGSBIOLOGIE ..................................................................2
H1: Inleiding tot dierlijke ontwikkeling ...................................................................................2
H2: algemene werkconcepten in de ontwikkeling ..................................................................6
H3: genen en ontwikkeling .................................................................................................. 10
H4: De cellulaire basis van de morfogenese ........................................................................ 13
H5: cel-cel communicatie tijdens de ontwikkeling............................................................... 17
II: VROEGE EMBRYONALE ONTWIKKELING............................................................................. 24
= vorming van vertebraten lichaamsplan en assen .................................................................. 24
III: LATE EMBRYONALE ONTWIKKELING EN DE ORGANOGENESE (11-18) ................................ 45
H11: centraal zenuwstelsel en epidermis in vertebraten ...................................................... 45
H13: neurale kamcellen en axonale specificiteit.................................................................. 50
H14: paraxiaal en intermediair mesoderm........................................................................... 56
H15: laterale plaat mesoderm en endoderm ....................................................................... 60
H16: ontwikkeling van ledematen in vertebraten ................................................................. 65
H17: geslachtsdeterminatie ............................................................................................... 70
H18: embryonale en adulte stamcellen .............................................................................. 75
1
,I GRONDBEGINSELEN ONTWIKKELINGSBIOLOGIE
H1: Inleiding tot dierlijke ontwikkeling
− Ontwikkeling multicellulaire organisme: zygote ➔ volwassen individu
• Studie van dierlijke ontwikkeling = embryologie
! ontwikkeling stopt niet na geboorte
Studie van embryologische en andere processen = ontwikkelingsbiologie
o Naamgeving van genen: gebaseerd op fenotype
Bv. fruitvliegen met meer patches stekels op buikzijde i.v.m. WT
➔ sonic Hedgehog gen: afwijkingen in het medulloblastoom-gen Patched
o Toepassingen
- Stamceldifferentiatie
- Congenitale defecten
Bv. C-KIT: defect tijdens migratie neurale kamcellen
= doofheid – afwijkingen op hart – pigmentatie - …
Bv. Patched: polydactylie
- Evo-devo: evolutieve veranderingen terugbrengen naar embryo’s
! zandlopergelijkenis tussen soorten: convergentie ➔ divergentie
1.1 Belangrijke vragen in de ontwikkelingsbiologie
− Functies ontwikkeling
• Genereren van cellulaire diversiteit en orde in één generatie
= Hoe geeft een bevruchte eicel aanleiding tot een volwassen lichaam?
• Verzekeren van continuïteit van het leven van één generatie naar de volgende
= Hoe produceert dit volwassen lichaam een ander lichaam?
− Vragen in detail
• Vraag van differentiatie
= Hoe gaat men van totipotente zygote naar gedifferentieerd celtype?
• Vraag van morfogenese van ledematen – weefsels en organen
= Hoe worden contacten/scheidingen tussen cellen gegenereerd?
• Vraag van groei – behoud van welbepaalde grootte
= Hoe weten cellen wanneer te stoppen met groeien?
• Vraag van reproductie
= Hoe worden cellen afzonderlijk geplaatst van somatische cellen?
• Vraag van evolutie
= Hoe creëren veranderingen in ontwikkeling nieuwe lichaamsvormen?
• Vraag naar integratie in omgeving
= Hoe is de ontwikkeling geïntegreerd in grotere context van habitat?
− Basis = 3 kiemlagen: genereren alle somatische celtypes
2
,1.2 De anatomische traditie van de ontwikkelingsbiologie
− Verschillende benaderingen
• Anatomische benadering
o Vergelijkende embryologie
= studie van anatomische veranderingen tijdens ontwikkeling van individu
o Evolutionaire embryologie
= studie van evolutionaire veranderingen en beperkingen op ontwikkeling
o Teratologie
= studie van geboorteafwijkingen: mutante genen of substanties in omgeving
! achterhalen hoe normale ontwikkeling gebeurt
o Mathematische modeling
= beschrijven van ontwikkeling in termen van mathematische vergelijkingen
• Experimentele benadering
• Genetische benadering
Geschiedenis van de vergelijkende embryologie
− Aristoteles
• Holo- en meroblastisch klievingspatroon
• Functie van placenta en navelstreng
• Morfogenese
o Preformatie: structuren reeds aanwezig op voorhand
! ontkracht door …
- Staining technieken
- Verbeterde microscopen
- Institutionele hervormingen aan universiteiten
o Epigenese: progressief ontstaan van nieuwe structuren
! kip embryo studies: de novo vorming bloedvaten
− Pander
• Triploblastische organismen: ectoderm – mesoderm – endoderm
! diploblastische organismen bestaan ook
• Inductie: interacties van verschillende types weefsel vormen afhankelijk van elkaar
= één weefsel stuurt de ontwikkeling van een ander, naburig weefsel
− Spemann en Mangold
• Enting van dorsale blastoporuslip (start gastrulatie) van embryo salamandersoort 1
op salamandersoort 2 – vormde een siamese tweeling
Spemann organisator = regio die vorming van embryo controleert
! donor induceert slechts nieuw embryo – acceptor verzorgt aanvoer cellen
− Vier principes van Karl Ernst von Baer
• Algemene eigenschappen van een grote groep van dieren verschijnen vroeger in het
embryo dan de gespecialiseerde eigenschappen
• Minder algemene eigenschappen worden ontwikkeld van de meer algemene, tot
wanneer de meest gespecialiseerde verschijnen
• Het embryo van een gegeven species – in plaats van volwassen stadia van lagere
dieren te doorlopen – verwijdert zich verder van deze lagere dieren
• Vroeg embryo van een hoger dier is nooit gelijk aan een lager dier
3
, Stadia in dierlijke ontwikkeling
− Bevruchting: fusie van genetisch materiaal van twee gameten
− Embryogenese
• Klievingsdelingen: snelle mitotische delingen = blastomeren ➔ blastula
• Gastrulatie: wijziging van relatieve posities van blastomeren t.o.v. elkaar ➔ gastrula
! embryo bevat blastocoel ➔ 3 kiemlagen
• Organogenese: herschikkingen
o Vorming neurale buis uit dorsale ectoderm ➔ hersenen en ruggenmerg
o Verre migraties van plaats van oorsprong naar eindbestemming
Bv. bloedcellen naar lever, melanocyte naar huid, kiemcellen naar gonaden…
• Gametogenese
o Kiemcellen = gameten en hun precursoren ➔ gonaden
o Somatische cellen = lichaamscellen
= 1 van de eerste differentiatiestappen gedurende ontwikkeling
• Larvaal stadium: verschillend van volwassen stadium
! nood aan opname van voedsel of verspreiding (want geen dooiermateriaal meer)
zoogdieren: inplanting in baarmoeder en voeden via placenta
− Ontwikkeling van de kikker
• Bevruchting: grote cel (vegetatieve- ) + gepigmenteerde bovenste laag (animale pool)
• Gastrulatie: blastula met blastocoel ➔ kiemlagen
• Organogenese: vorming notochord + somieten + neurulatie
• Gametogenese
• Larvaal stadium
Bestemmingskaarten van de blastula
− Traceren van lijnen van cellen: bestemming van elke cel binnen embryo weergegeven
! in vele organismen is resolutie tot individuele cellen niet mogelijk: gebieden wel
! sterke overeenkomsten tussen species
• Cellen die notochord vormen: centraal-dorsale positie
• Precursoren van neurale cellen: onmiddellijk anterieur van notochord
• Neurale ectoderm: omgeven door toekomstige epidermis
− Methoden
• Tunicaten: cellen opvolgen door pigmentering
Bv. Voorloper van spiercellen = gelig gepigmenteerd cytoplasma
• Vitale kleurstof staining met agarschilfertjes
4
I GRONDBEGINSELEN ONTWIKKELINGSBIOLOGIE ..................................................................2
H1: Inleiding tot dierlijke ontwikkeling ...................................................................................2
H2: algemene werkconcepten in de ontwikkeling ..................................................................6
H3: genen en ontwikkeling .................................................................................................. 10
H4: De cellulaire basis van de morfogenese ........................................................................ 13
H5: cel-cel communicatie tijdens de ontwikkeling............................................................... 17
II: VROEGE EMBRYONALE ONTWIKKELING............................................................................. 24
= vorming van vertebraten lichaamsplan en assen .................................................................. 24
III: LATE EMBRYONALE ONTWIKKELING EN DE ORGANOGENESE (11-18) ................................ 45
H11: centraal zenuwstelsel en epidermis in vertebraten ...................................................... 45
H13: neurale kamcellen en axonale specificiteit.................................................................. 50
H14: paraxiaal en intermediair mesoderm........................................................................... 56
H15: laterale plaat mesoderm en endoderm ....................................................................... 60
H16: ontwikkeling van ledematen in vertebraten ................................................................. 65
H17: geslachtsdeterminatie ............................................................................................... 70
H18: embryonale en adulte stamcellen .............................................................................. 75
1
,I GRONDBEGINSELEN ONTWIKKELINGSBIOLOGIE
H1: Inleiding tot dierlijke ontwikkeling
− Ontwikkeling multicellulaire organisme: zygote ➔ volwassen individu
• Studie van dierlijke ontwikkeling = embryologie
! ontwikkeling stopt niet na geboorte
Studie van embryologische en andere processen = ontwikkelingsbiologie
o Naamgeving van genen: gebaseerd op fenotype
Bv. fruitvliegen met meer patches stekels op buikzijde i.v.m. WT
➔ sonic Hedgehog gen: afwijkingen in het medulloblastoom-gen Patched
o Toepassingen
- Stamceldifferentiatie
- Congenitale defecten
Bv. C-KIT: defect tijdens migratie neurale kamcellen
= doofheid – afwijkingen op hart – pigmentatie - …
Bv. Patched: polydactylie
- Evo-devo: evolutieve veranderingen terugbrengen naar embryo’s
! zandlopergelijkenis tussen soorten: convergentie ➔ divergentie
1.1 Belangrijke vragen in de ontwikkelingsbiologie
− Functies ontwikkeling
• Genereren van cellulaire diversiteit en orde in één generatie
= Hoe geeft een bevruchte eicel aanleiding tot een volwassen lichaam?
• Verzekeren van continuïteit van het leven van één generatie naar de volgende
= Hoe produceert dit volwassen lichaam een ander lichaam?
− Vragen in detail
• Vraag van differentiatie
= Hoe gaat men van totipotente zygote naar gedifferentieerd celtype?
• Vraag van morfogenese van ledematen – weefsels en organen
= Hoe worden contacten/scheidingen tussen cellen gegenereerd?
• Vraag van groei – behoud van welbepaalde grootte
= Hoe weten cellen wanneer te stoppen met groeien?
• Vraag van reproductie
= Hoe worden cellen afzonderlijk geplaatst van somatische cellen?
• Vraag van evolutie
= Hoe creëren veranderingen in ontwikkeling nieuwe lichaamsvormen?
• Vraag naar integratie in omgeving
= Hoe is de ontwikkeling geïntegreerd in grotere context van habitat?
− Basis = 3 kiemlagen: genereren alle somatische celtypes
2
,1.2 De anatomische traditie van de ontwikkelingsbiologie
− Verschillende benaderingen
• Anatomische benadering
o Vergelijkende embryologie
= studie van anatomische veranderingen tijdens ontwikkeling van individu
o Evolutionaire embryologie
= studie van evolutionaire veranderingen en beperkingen op ontwikkeling
o Teratologie
= studie van geboorteafwijkingen: mutante genen of substanties in omgeving
! achterhalen hoe normale ontwikkeling gebeurt
o Mathematische modeling
= beschrijven van ontwikkeling in termen van mathematische vergelijkingen
• Experimentele benadering
• Genetische benadering
Geschiedenis van de vergelijkende embryologie
− Aristoteles
• Holo- en meroblastisch klievingspatroon
• Functie van placenta en navelstreng
• Morfogenese
o Preformatie: structuren reeds aanwezig op voorhand
! ontkracht door …
- Staining technieken
- Verbeterde microscopen
- Institutionele hervormingen aan universiteiten
o Epigenese: progressief ontstaan van nieuwe structuren
! kip embryo studies: de novo vorming bloedvaten
− Pander
• Triploblastische organismen: ectoderm – mesoderm – endoderm
! diploblastische organismen bestaan ook
• Inductie: interacties van verschillende types weefsel vormen afhankelijk van elkaar
= één weefsel stuurt de ontwikkeling van een ander, naburig weefsel
− Spemann en Mangold
• Enting van dorsale blastoporuslip (start gastrulatie) van embryo salamandersoort 1
op salamandersoort 2 – vormde een siamese tweeling
Spemann organisator = regio die vorming van embryo controleert
! donor induceert slechts nieuw embryo – acceptor verzorgt aanvoer cellen
− Vier principes van Karl Ernst von Baer
• Algemene eigenschappen van een grote groep van dieren verschijnen vroeger in het
embryo dan de gespecialiseerde eigenschappen
• Minder algemene eigenschappen worden ontwikkeld van de meer algemene, tot
wanneer de meest gespecialiseerde verschijnen
• Het embryo van een gegeven species – in plaats van volwassen stadia van lagere
dieren te doorlopen – verwijdert zich verder van deze lagere dieren
• Vroeg embryo van een hoger dier is nooit gelijk aan een lager dier
3
, Stadia in dierlijke ontwikkeling
− Bevruchting: fusie van genetisch materiaal van twee gameten
− Embryogenese
• Klievingsdelingen: snelle mitotische delingen = blastomeren ➔ blastula
• Gastrulatie: wijziging van relatieve posities van blastomeren t.o.v. elkaar ➔ gastrula
! embryo bevat blastocoel ➔ 3 kiemlagen
• Organogenese: herschikkingen
o Vorming neurale buis uit dorsale ectoderm ➔ hersenen en ruggenmerg
o Verre migraties van plaats van oorsprong naar eindbestemming
Bv. bloedcellen naar lever, melanocyte naar huid, kiemcellen naar gonaden…
• Gametogenese
o Kiemcellen = gameten en hun precursoren ➔ gonaden
o Somatische cellen = lichaamscellen
= 1 van de eerste differentiatiestappen gedurende ontwikkeling
• Larvaal stadium: verschillend van volwassen stadium
! nood aan opname van voedsel of verspreiding (want geen dooiermateriaal meer)
zoogdieren: inplanting in baarmoeder en voeden via placenta
− Ontwikkeling van de kikker
• Bevruchting: grote cel (vegetatieve- ) + gepigmenteerde bovenste laag (animale pool)
• Gastrulatie: blastula met blastocoel ➔ kiemlagen
• Organogenese: vorming notochord + somieten + neurulatie
• Gametogenese
• Larvaal stadium
Bestemmingskaarten van de blastula
− Traceren van lijnen van cellen: bestemming van elke cel binnen embryo weergegeven
! in vele organismen is resolutie tot individuele cellen niet mogelijk: gebieden wel
! sterke overeenkomsten tussen species
• Cellen die notochord vormen: centraal-dorsale positie
• Precursoren van neurale cellen: onmiddellijk anterieur van notochord
• Neurale ectoderm: omgeven door toekomstige epidermis
− Methoden
• Tunicaten: cellen opvolgen door pigmentering
Bv. Voorloper van spiercellen = gelig gepigmenteerd cytoplasma
• Vitale kleurstof staining met agarschilfertjes
4
