Ontwikkelingsbiologie Hoofdstuk 8
Cel differentiatie: het geleidelijk verschijnen van cel types die een duidelijke identiteit hebben in het
volwassen organisme. Een centrale eigenschap van cel differentiatie is een progressieve verandering
in gene die tot expressie komen in de cel. Genen die tot expressie komen in een bepaald type
weefsel of op een bepaald punt in de ontwikkeling worden gedetecteerd middels DNA-microarray of
RNAseq.
Terminally differentiated: cellen die volledig gedifferentieerd zijn en een stabiele cel fate hebben
waardoor ze niet meer kunnen veranderen in andere celtypes. Een volledig gedifferentieerde cel
heeft sterke structurele veranderingen ondergaan.
De eerste stap naar differentiatie is de determinatie in het worden van een bepaalde cel type. Deze
precurser cellen hebben vaak nog geen duidelijk structureel verschil maar hebben wel al een verschil
in genexpressie. Deze determinatie voor een bepaald celtype wordt doorgegeven aan alle
dochtercellen.
Als een bepaalde cel fate bepaald wordt door een of enkele genen is er sprake van een master
regulatory gene. Deze master genes coderen vaak voor een transcriptiefactor.
- Het myoD codeert voor een transcriptiefactor die essentieel is voor spier differentiatie.
Als er vier transcirptiefactoren worden geïntroduceerd in een fibroblast worden deze cellen weer
pluripotent; ze verliezen al hun gespecialiseerde structuren en kunnen vervolgens geïnduceerd
worden om heel andere differentiaties aan te nemen.
De differentiatie van cellen staat onder sterke controle van extracellulaire signalen geproduceerd
door andere cellen (zoals cel-oppervlakte eiwitten of groeifactoren). Of de signalen waargenomen
worden door de cel hangt af van de interne staat (en daarmee de ontwikkelings geschiedenis) van de
cel.
Voor cellen om volledig gedifferentieerd te worden is het essentieel dat ze minder delen of helemaal
stoppen met delen.
Het menselijke genoom bestaat uit 20.000 genen, echter zijn er meer functioneel verschillende
cel(types) dan genen. Een bepaald celtype wordt dus gecreëerd door een combinatie van genen. De
transcriptie regulatie ligt sterker ten gronde van cel differentiatie dan translatie regulatie.
Veel genen die van belang zijn in ontwikkeling moeten eerst geactiveerd worden door de binding van
activators aan de cis-regulerende gebieden van het DNA rond het gen. De gebieden waar specifieke
transcriptiefactoren aan binden liggen geclusterd in zogenaamd enhancer regio’s. Voor de binding
van DNA poymerase II zijn enkele general transciption factors (nodig voor alle genen die
getranscribeert worden door DNA polymerase II). Het transcriptie initiatie complex wordt gevormd
door het polymerase bij de promotor en deze transcriptiefactoren. Voor de transcriptie van sterk
gereguleerde eiwitten moeten ook de activators binden in de enhancer regio’s om specifieke
regulerende eiwitten aan te trekken. Daarnaast kunnen ook enkele regulerende gebieden gebonden
zijn door repressors waardoor transcriptie niet mogelijk is.
Voor elk gen geldt dat waar en wanneer het tot expressie komt afhankelijk is van de combinatie
gebonden regulerende eiwitten in de controle gebieden. Gemiddeld werken 5 transcriptiefactoren
samen voor de regulatie van een gen. Daarnaast kan een transcriptiefactor ook meer dan één gen
reguleren (door onderdrukking of activatie).
Het transcriptie initiatie complex wordt gevormd als eiwitten die binden op ver gelegen locaties
(activatoren aan enhancers) contact maken met de mediator eiwitten en zo een loop vormen.
, Co-activatoren en co-repressoren binden zelf geen DNA, beta-catanine is een co-activator.
De transcriptie regulerende eiwitten vallen in twee groupen; transcriptiefactoren die nodig zijn voor
de transcriptie van veel algemene genen en transcriptiefactoren die weefsel-specifiek zijn.
Een andere manier van genexpressie regulatie is modificatie van chromatine. Genen die permanent
uitgeschakeld kunnen worden wordt in een compacte structuur gedraaid, het heterochromatine. De
veranderingen in het chromatine wat de genen permanent uitschakelen zijn epigenetisch. De
epigenetische veranderingen worden doorgegeven aan de dochtercellen maar zijn ook omkeerbaar
onder de juiste omstandigheden.
Een andere belangrijke epigenetische modificiatie is DNA methylatie, waarbij C-G basenparen op
bepaalde stukken in het DNA door DNA methylase worden gemethyleerd. De DNA methylatie treedt
vooral op in promotoren en enhancers en is gecorreleerd aan een lage genexpressie. Dit speelt een
grote rol bij het uitschakelen van een van de twee X-chromosomen bij zoogdieren. Het overerven van
histon modificatie is vaak minder secuur dan het overerven van DNA methylatie. Zo worden de
inactieve X chromosomen weer actief voor de formatie van de eicellen.
De gedetermineerde of gedifferentieerde staat van een cel wordt doorgegeven aan de dochtercellen.
De dochtercellen erven dus een bepaald patroon van genexpressie. Dit wordt gerealiseerd op de
volgende manieren:
- Het genproduct is een positieve regulatie voor hetzelfde gen. Er hoeft nu alleen een eerste
gen activatie plaats te vinden waarna de activiteit hoog blijft door positieve feedback. Dit zie
je bijvoorbeeld bij myoD in spiercellen en engrailed bij de fruitvlieg.
- Het onderhouden van de chromatine structuur, middels DNA methylatie of histon
modificaties. DNA methylase herkent het methylatie patroon op de ouderlijke stand en
kopiëert dit op de dochter strands. Als de histonen over de dochtercellen worden verdeeld
kunnen ze op hun originele positie chromatine-modificerende enzymen aanroepen om de
juiste chromatine structuur te herstellen.
Myoblasten: cellen die spiercellen zullen worden maar nog niet gedifferentieerd zijn. De myoblasten
zullen in de aanwezigheid van groeifactoren blijven prolifereren. Pas als de groeifactoren worden
weggehaald zal determinatie plaatsvinden. Nu verandert de genexpressie naar spier specifieke
eiwitten en fuseren de myoblasten om myotubes te vormen. 20 uur nadat groeifactoren verwijderd
zijn zijn de typische muscle fibers te zien. MyoD is een kern transcriptiefactor in de expressie van
spier specifieke genen, door myoD in cellen te injecteren kan spier fate geïnduceerd worden. Als
deze genen eenmaal aangezet zijn onderhouden ze hun eigen expressie middels een positieve
feedback loop. Als myoD wordt uitgeschakeled in knock-out muizen worden er echter wel normale
spiercellen geproduceerd, er is dus sprake van redundancy. Voor differentiatie is het dus essentieel
dat de myoblasen niet meer door de celcyclys komen, dit wordt gerealiseerd door onder het
veranderen van de activiteit van de eiwitten betrokken bij de celcyclus.
- TFIID is het promotor herkennings complex van genen betrokken bij progressie door de
celcyclus en celdeling. Als de myoblasten terminaal gedifferentieerd zijn wordt TFIID
vervangen door andere eiwitcomplexen (TRF3, TAF3) die de expressie van gedifferentieerde
genen reguleren.
Ondanks de differentiatie van de spiercellen zijn dit wel cellen die hun differentiatie kunnen vergeten
(‘’dedifferentiatie’’: verlies van gedifferentieerde kenmerken) en opnieuw in de cel-cyclus kunnen
komen om andere celtypes te vormen (‘’transdifferentiatie’’). Als de spiercellen eenmaal gevormd
zijn kunne ze wel groeien maar niet meer delen, beschadigde cellen kunnen wel vervangen worden.
Hematopoiesis: bloed formatie. Bij hematopoiesis is er sprake van een deling van multipotente
stamcellen: deze stamcellen kunnen alle celtypes vormen die te vinden zijn in bloed.
Cel differentiatie: het geleidelijk verschijnen van cel types die een duidelijke identiteit hebben in het
volwassen organisme. Een centrale eigenschap van cel differentiatie is een progressieve verandering
in gene die tot expressie komen in de cel. Genen die tot expressie komen in een bepaald type
weefsel of op een bepaald punt in de ontwikkeling worden gedetecteerd middels DNA-microarray of
RNAseq.
Terminally differentiated: cellen die volledig gedifferentieerd zijn en een stabiele cel fate hebben
waardoor ze niet meer kunnen veranderen in andere celtypes. Een volledig gedifferentieerde cel
heeft sterke structurele veranderingen ondergaan.
De eerste stap naar differentiatie is de determinatie in het worden van een bepaalde cel type. Deze
precurser cellen hebben vaak nog geen duidelijk structureel verschil maar hebben wel al een verschil
in genexpressie. Deze determinatie voor een bepaald celtype wordt doorgegeven aan alle
dochtercellen.
Als een bepaalde cel fate bepaald wordt door een of enkele genen is er sprake van een master
regulatory gene. Deze master genes coderen vaak voor een transcriptiefactor.
- Het myoD codeert voor een transcriptiefactor die essentieel is voor spier differentiatie.
Als er vier transcirptiefactoren worden geïntroduceerd in een fibroblast worden deze cellen weer
pluripotent; ze verliezen al hun gespecialiseerde structuren en kunnen vervolgens geïnduceerd
worden om heel andere differentiaties aan te nemen.
De differentiatie van cellen staat onder sterke controle van extracellulaire signalen geproduceerd
door andere cellen (zoals cel-oppervlakte eiwitten of groeifactoren). Of de signalen waargenomen
worden door de cel hangt af van de interne staat (en daarmee de ontwikkelings geschiedenis) van de
cel.
Voor cellen om volledig gedifferentieerd te worden is het essentieel dat ze minder delen of helemaal
stoppen met delen.
Het menselijke genoom bestaat uit 20.000 genen, echter zijn er meer functioneel verschillende
cel(types) dan genen. Een bepaald celtype wordt dus gecreëerd door een combinatie van genen. De
transcriptie regulatie ligt sterker ten gronde van cel differentiatie dan translatie regulatie.
Veel genen die van belang zijn in ontwikkeling moeten eerst geactiveerd worden door de binding van
activators aan de cis-regulerende gebieden van het DNA rond het gen. De gebieden waar specifieke
transcriptiefactoren aan binden liggen geclusterd in zogenaamd enhancer regio’s. Voor de binding
van DNA poymerase II zijn enkele general transciption factors (nodig voor alle genen die
getranscribeert worden door DNA polymerase II). Het transcriptie initiatie complex wordt gevormd
door het polymerase bij de promotor en deze transcriptiefactoren. Voor de transcriptie van sterk
gereguleerde eiwitten moeten ook de activators binden in de enhancer regio’s om specifieke
regulerende eiwitten aan te trekken. Daarnaast kunnen ook enkele regulerende gebieden gebonden
zijn door repressors waardoor transcriptie niet mogelijk is.
Voor elk gen geldt dat waar en wanneer het tot expressie komt afhankelijk is van de combinatie
gebonden regulerende eiwitten in de controle gebieden. Gemiddeld werken 5 transcriptiefactoren
samen voor de regulatie van een gen. Daarnaast kan een transcriptiefactor ook meer dan één gen
reguleren (door onderdrukking of activatie).
Het transcriptie initiatie complex wordt gevormd als eiwitten die binden op ver gelegen locaties
(activatoren aan enhancers) contact maken met de mediator eiwitten en zo een loop vormen.
, Co-activatoren en co-repressoren binden zelf geen DNA, beta-catanine is een co-activator.
De transcriptie regulerende eiwitten vallen in twee groupen; transcriptiefactoren die nodig zijn voor
de transcriptie van veel algemene genen en transcriptiefactoren die weefsel-specifiek zijn.
Een andere manier van genexpressie regulatie is modificatie van chromatine. Genen die permanent
uitgeschakeld kunnen worden wordt in een compacte structuur gedraaid, het heterochromatine. De
veranderingen in het chromatine wat de genen permanent uitschakelen zijn epigenetisch. De
epigenetische veranderingen worden doorgegeven aan de dochtercellen maar zijn ook omkeerbaar
onder de juiste omstandigheden.
Een andere belangrijke epigenetische modificiatie is DNA methylatie, waarbij C-G basenparen op
bepaalde stukken in het DNA door DNA methylase worden gemethyleerd. De DNA methylatie treedt
vooral op in promotoren en enhancers en is gecorreleerd aan een lage genexpressie. Dit speelt een
grote rol bij het uitschakelen van een van de twee X-chromosomen bij zoogdieren. Het overerven van
histon modificatie is vaak minder secuur dan het overerven van DNA methylatie. Zo worden de
inactieve X chromosomen weer actief voor de formatie van de eicellen.
De gedetermineerde of gedifferentieerde staat van een cel wordt doorgegeven aan de dochtercellen.
De dochtercellen erven dus een bepaald patroon van genexpressie. Dit wordt gerealiseerd op de
volgende manieren:
- Het genproduct is een positieve regulatie voor hetzelfde gen. Er hoeft nu alleen een eerste
gen activatie plaats te vinden waarna de activiteit hoog blijft door positieve feedback. Dit zie
je bijvoorbeeld bij myoD in spiercellen en engrailed bij de fruitvlieg.
- Het onderhouden van de chromatine structuur, middels DNA methylatie of histon
modificaties. DNA methylase herkent het methylatie patroon op de ouderlijke stand en
kopiëert dit op de dochter strands. Als de histonen over de dochtercellen worden verdeeld
kunnen ze op hun originele positie chromatine-modificerende enzymen aanroepen om de
juiste chromatine structuur te herstellen.
Myoblasten: cellen die spiercellen zullen worden maar nog niet gedifferentieerd zijn. De myoblasten
zullen in de aanwezigheid van groeifactoren blijven prolifereren. Pas als de groeifactoren worden
weggehaald zal determinatie plaatsvinden. Nu verandert de genexpressie naar spier specifieke
eiwitten en fuseren de myoblasten om myotubes te vormen. 20 uur nadat groeifactoren verwijderd
zijn zijn de typische muscle fibers te zien. MyoD is een kern transcriptiefactor in de expressie van
spier specifieke genen, door myoD in cellen te injecteren kan spier fate geïnduceerd worden. Als
deze genen eenmaal aangezet zijn onderhouden ze hun eigen expressie middels een positieve
feedback loop. Als myoD wordt uitgeschakeled in knock-out muizen worden er echter wel normale
spiercellen geproduceerd, er is dus sprake van redundancy. Voor differentiatie is het dus essentieel
dat de myoblasen niet meer door de celcyclys komen, dit wordt gerealiseerd door onder het
veranderen van de activiteit van de eiwitten betrokken bij de celcyclus.
- TFIID is het promotor herkennings complex van genen betrokken bij progressie door de
celcyclus en celdeling. Als de myoblasten terminaal gedifferentieerd zijn wordt TFIID
vervangen door andere eiwitcomplexen (TRF3, TAF3) die de expressie van gedifferentieerde
genen reguleren.
Ondanks de differentiatie van de spiercellen zijn dit wel cellen die hun differentiatie kunnen vergeten
(‘’dedifferentiatie’’: verlies van gedifferentieerde kenmerken) en opnieuw in de cel-cyclus kunnen
komen om andere celtypes te vormen (‘’transdifferentiatie’’). Als de spiercellen eenmaal gevormd
zijn kunne ze wel groeien maar niet meer delen, beschadigde cellen kunnen wel vervangen worden.
Hematopoiesis: bloed formatie. Bij hematopoiesis is er sprake van een deling van multipotente
stamcellen: deze stamcellen kunnen alle celtypes vormen die te vinden zijn in bloed.
