CONCEPTS OF DEVELOPMENTAL BIOLOGY
DEEL 1: HISTORY AND BASIC CONCEPTS
INTRODUCTION
Ei van vrouw + zaadcel van man => bevrucht ei
→ ontwikkelt zich tot een organisme
→ organen ontwikkelen zich op gecontroleerde wijze via paden.
Hoe communiceren cellen met elkaar, wat bepaalt welke cel ze worden? Communicatie is erg belangrijk.
Het embryo moet functioneren vanaf het moment dat het bevrucht is (al functioneel ook al is het nog niet
volledig ontwikkeld).
Verschil met een robot: moet alleen functioneren wanneer volledig geassembleerd.
De mechanismen die ten grondslag liggen aan ontwikkeling kunnen alleen worden bestudeerd door het
normale ontwikkelingsproces op specifieke manieren te verstoren en te observeren wat er gebeurt.
→ We kunnen de ontwikkeling bestuderen door gebruik te maken van modelorganismen, explantaten,
organoïden, etc.
→ Verschillende experimenten zijn mogelijk in de ontwikkelingsbiologie:
Show-it/find-it experimenten: correlatieve bewijsvoering: basis om een hypothese te formuleren.
Test een hypothese door verstoring:
- Move-it (gain-of-function of GOF) experimenten behandelen de voldoende voorwaarde (sufficiency)
> Eiwit geïsoleerd uit bot en geïnjecteerd in spieren en als deze spier bot wordt, heeft het eiwit
het vermogen om bot te ontwikkelen en het lot van de spier te veranderen.
> We injecteren iets op een andere plaats om te zien of iets voldoende is om botvorming te
veroorzaken.
> Wordt er bot gevormd?
o Zo ja, dan is het eiwit voldoende om bot te vormen.
o Zo nee, dan is het eiwit niet voldoende om bot te vormen.
- Block-it/lose-it (loss-of-function of LOF) experimenten behandelen de noodzakelijkheid (necessity)
> We schakelen een eiwit uit en zien of het bot nog steeds bot wordt.
> Observeren wat er in de loop van de tijd gebeurt.
> Wordt het in de loop van de tijd gevormd?
o Zo ja, dan is het eiwit niet noodzakelijk.
o Zo nee, dan is het eiwit noodzakelijk.
Pagina 1 van 143
,HOOFDSTUK 1. FATE AND POTENCY
Hoe organiseer je de ontwikkeling van een "eenvoudig" ei tot een uiterst
geordend multicellulair lichaam?
o Lot: wat zal het weefsel worden, wat is zijn bestemming?
o Potentie: wat zijn de opties van de cel, tot welke soorten kan het
worden?
Stadia van ontwikkeling
- Bevruchte eicel
- De eerste stadia zijn splijtingsstadia (cleavage) van ontwikkeling, dus het embryo splitst zich en er
worden steeds meer cellen gevormd.
o Je kunt nog geen hoofd of staart onderscheiden, je ziet alleen maar cellen.
o Pre implantatie stadia = embryo zweeft vrij in oviduct
- Het embryo wordt in de baarmoeder geïmplanteerd, nog steeds geen hoofd of staart.
- Daarna kun je een hoofdgebied en een staartgebied zien.
o Het embryo heeft al het grootste deel van zijn organen gevormd.
- Dan wordt het embryo geboren, en zien we een worp (litter)
Ontwikkeling
= een mix van verschillende processen die vaak tegelijkertijd plaatsvinden.
1. Celverdeling
2. Celdifferentiatie
3. Groei
4. Migratie
5. Patroonvorming
6. Morfogenese
7. Apoptose.
gastrulatie = proces waarbij het ectoderm, endoderm en mesoderm worden
neurula: neuro-systeem wordt gevormd
1.1. CEL DELING
Cell cycle: G1, S (interphase, DNA synthesises), G2, M (mitosis) phases.
EMBRYONALE CELDELING VS SOMATISCHE CELDELING
In somatische cellen duurt de celcyclus 16 uur. Het is een langzaam proces.
In embryo:
- De celdelingscyclus duurt slechts 30 minuten:
- Gapsfases (G1 en G2) worden overgeslagen: het embryo investeert niet in de productie van eiwitten of
organellen
- Alleen synthese (S) en mitose (M) vinden plaats.
→ In de vroege celdelingsstadia vindt een exponentiële toename van het aantal cellen plaats,
maar er is geen groei in omvang (cellen worden kleiner).
→ Tot aan het blastulastadium vertraagt de toename van het aantal cellen. Nu investeert het
embryo in celmigratie en groei; het zal transformeren in een sauciaanachtig embryo
Pagina 2 van 143
,Voorbeelden:
o Kikker: 1-37,000 cellen (43 h)
o fruitvlieg: 1-50,000 cellen (12 h)
o … muis en mens: 1-4 cellen (~ 48 h)
→ Kikker moet snel ontwikkelen omdat ze snel onafhankelijke moeten worden door aanwezigheid van
vijanden => moeten kunnen vluchten
→ Zoogdieren hoeven niet onafhankelijk te zijn omdat ze beschermd worden in de baarmoeder van de
vrouw, en dus ontwikkelen ze zich veel langzamer.
Er zijn ook verschillen in de richting van celdeling en symmetrische en asymmetrische delingen.
PATRONEN VAN EMRBYONALE CELDELING
Holoblastisch: de celdelingen (cleavages) gebeuren volledig => eindigen met afzonderlijke cellen
Meroblastisch: incomplete klieving (eieren die veel dooier bevatten)
Holoblastisch
Meroblastisch
• Zoogdieren: Ze hebben embryo's die geen dooier hebben (of slechts een klein beetje) => celdelingen
kunnen worden voltooid zodat het hele embryo verdeeld wordt. Na de eerste celdeling kan de tweede
celdeling in hetzelfde vlak plaatsvinden of in een andere oriëntatie.
• Vissen: embryo's hebben veel dooier => celdelingen kunnen niet worden voltooid, dus de deling zal
alleen aan één kant bovenop de dooier plaatsvinden. De volgende celdeling zal loodrecht op de eerste
plaatsvinden. Je wordt een embryonale schijf boven op de dooier.
• Fruitvlieg: In het begin bevindt het zich in syncytium, dus één grote cel met veel kernen, het
celmembraan deelt niet.
→ De hoeveelheid en verdeling van dooiereiwit in het cytoplasma bepaalt het patroon van celdeling.
→ Factoren in het eicelcytoplasma beïnvloeden de hoek van de mitotische spoel en het tijdstip van zijn
vorming.
Pagina 3 van 143
,ACTIVATTIE VAN HET ZYGOTISCH GENOOM
Maternale mRNA's worden neergelegd in de eicel tijdens de oögenese. Na de bevruchting worden nieuwe
eiwitten gesynthetiseerd uit het maternale mRNA.
Wanneer begint de transcriptie van de genen van het embryo (het zygotische genoom)?
o Muis: bij de 2-celfase
o Mens: bij de 8-16-celfase
o Kikker: vanaf 12 celdelingen (midden-blastulatransitie, MBT, 4096 cellen)
▪ Bij kikkers is er een repressor aanwezig die bij elke celdeling verdund wordt, dus op een
gegeven moment zal er niet genoeg repressor meer zijn en wordt het genoom geactiveerd.
➔ Verschil omdat de druk op de embryo's anders is. Kikkereieren bevinden zich buiten in de omgeving,
dus ze moeten snel ontwikkelen en deze genomen activeren vanwege de gevaren.
1.2. DIFFERENTIATIE
Cellen hebben zeer uiteenlopende functies; ze worden gespecialiseerd en krijgen verschillende functies. Dit
zorgt ervoor dat de cel er anders uitziet en zeer verschillende soorten genen en eiwitten tot expressie brengt.
RESTRICTION VS POTENCY
Wetenschappers hadden twee tegenstrijdige theorieën over hoe cellen gedifferentieerd raakten:
o De cellen verloren alle genen behalve die relevant waren voor hun taak.
o Ze behielden het volledige genoom en schakelden selectief genen "aan" of "uit".
→ Beperking versus potentie (restriction vs potency)
HANS SPEMANN
Experiment van Hans Spemann: uitgevoerd voor er kennis was over DNA:
- Hij gebruikte een haar om een ligatie te maken in salamander embryos
- Doel: bekijken tot welk stadium ze totipotent zijn
- Conclusie:
o 1 nucleus heeft het vermogen om een hele salamander te worden
o Aantal cellen is niet belangrijk
o Cellen behouden hun potentie voor een aantal celdelingen
o Toenemend aantal nuclei => potentie daalt
Pagina 4 van 143
,WADDINGTON’S LANDSCHAP
- Boven aan de heuvel: pluripotente ongedifferentieerde stamcel/progenitor
o Hier bevindt zich de zygote aan het begin.
o Afhankelijk van de celdelingen zullen cellen aan potentie verliezen en bewegen ze zich in verschillende
richtingen.
o Het idee was dat cellen potentie verliezen als ze het pad volgen, maar we weten dat cellen kunnen
worden geherprogrammeerd om stamcellen te worden, waardoor de cellen naar een hoger niveau
worden verplaatst en omhoog gaan en weer in verschillende richtingen kunnen differentiëren.
- Onderaan de vallei: terminaal gedifferentieerde cel
o zij zullen hun lot niet veranderen, tenzij je ze gaat herprogrammeren.
→ Lot (fate) keuzes vinden plaats bij vertakkingspunten (progenitor status)
→ Cellen volgen paden - de groeven die mogelijk vooraf zijn bepaald.
KIEMLAGEN
De toename in organisatorische complexiteit van het embryo gebeurt geleidelijk.
Eerst genereert het embryo een paar onderscheidende regio's, bijvoorbeeld 3 kiemlagen. Binnen deze
kiemlagen wordt vervolgens geleidelijk het lot van de cellen vastgelegd.
o Ectoderm: epidermis, centraal zenuwstelsel, zweetklieren, alles aan de buitenkant.
o Mesoderm: cardiovasculair systeem, urogenitaal systeem, spieren, botten en kraakbeen, etc., dus alles
tussen het ectoderm en endoderm.
o Endoderm: gastro-intestinaal systeem en bijbehorende organen (alvleesklier, lever), longen, alles van
mond tot anus en wat daarmee geassocieerd is.
POTENCY
Potentie weerspiegelt wat een cel kan worden (welke capaciteit cellen nog steeds hebben).
o Totipotent: kan alles worden, inclusief de extra-embryonale weefsels. Embryo's van zoogdieren
produceren een placenta en navelstreng, en deze zijn extra-embryonaal, maar ze zijn nog steeds
essentieel.
o Pluripotent: kan nog steeds elk van de drie kiemlagen vormen.
o Multipotent: is al een kiemlaag, maar kan binnen deze kiemlaag verschillende typen vormen.
Pagina 5 van 143
, o Gedifferentieerd: verliezen hun potentie en gaan differentiëren, en kunnen bijvoorbeeld een
neuronale precursor worden. Vervolgens delen ze zich en hebben ze een terminale deling, waardoor
de cellen nu niet meer delen.
SPECIFICATIE
Het weefsel van cellen wordt gespecificeerd tot een bepaald celtype. Als je deze cellen transplanteert en ze in
een neutraal medium plaatst, ontwikkelen ze zich tot atypische epidermis, dan kunnen we zeggen dat de cellen
gespecificeerd zijn om atypische epidermis te worden.
➔ Wat cellen worden wanneer je ze uit het embryo haalt zonder enige toevoegingen, is waar ze voor
gespecificeerd zijn.
Voorbeeld dierlijke kap assay: kikkerei, de bovenkant is het dierlijke halfrond (wordt het embryo), en de
onderkant is het vegetatieve halfrond (dooierzijde).
- We nemen een deel van het dierlijke halfrond en plaatsen het
in een schaaltje, en dit zal epidermis worden.
- Als je activine toevoegt met een lage concentratie, worden
het bloedachtige cellen.
o Activine = morfogeen
o Een morfogeen is een afgescheiden molecuul dat
afhankelijk van de concentratie verschillende reacties
zal initiëren, dus het geeft andere boodschappen aan
de acceptorcellen.
- Als je de concentratie van activine verhoogt, worden de cellen
spiercellen.
- Als je de concentratie nog verder verhoogt, worden het
chorda dorsale (notochord) cellen.
- En met een zeer hoge concentratie worden het hartcellen.
Dus de cellen hebben nog steeds het vermogen om iets anders te worden. Maar het heeft signalen van de
buitenwereld nodig om iets anders te worden.
→ Weefsel is nog niet gedifferentieerd (anders zouden we geen andere celtypes kunnen
krijgen)
→ Ze zijn weg gespecifieerd om atypische epidermis te worden
→ Als we andere factoren toevoegen, differentiëren ze in andere celtypen.
→ Specificatie testen we door het weefsel te explanteren en het in een kweekmedium te
plaatsen.
DETERMINATIE
Determinatie wordt getest door transplantatie.
A) Fatemapping van normale ontwikkeling: localiseert de vermoedelijke oogregio
> Gebruik maken van een kikker embryo (bal)
> Label plaatsen in de cellen waarvan we vermoeden dat ze zullen ontwikkelen tot ogen
> Deze laten ontwikkelen, dan kunnen we zien dat het label in de ogen zal zijn.
> Dit vertelt ons dat de cellen onder het label gelokaliseerd de vermoedelijke oogregio zijn.
Pagina 6 van 143
