Universitaire biologie — jaar 2 · Bachelor Year 2

10Embryonale ontwikkeling van gewervelden

Een kikkerei is een bolletje van twee millimeter doorsnede, donker aan de bovenkant en licht aan de onderkant. Binnen een dag heeft het zich in duizenden cellen gedeeld; binnen twee dagen is een laag van die cellen via een groef naar binnen gerold om een darm te maken en een staaf langs de rug aan te leggen; binnen drie dagen heeft de laag boven die staaf zich opgevouwen tot een buis die de hersenen en het ruggenmerg zal worden. Er is niets toegevoegd behalve water. De informatie die van één cel een zwemmend kikkervisje maakt, zat in het ei en zijn genoom, en de manier waarop ze zich ontvouwt — klieving, gastrulatie, neurulatie, de inductie van elk deel door zijn buren — is herkenbaar dezelfde bij een vis, een kuiken en een muis. Dit hoofdstuk volgt een embryo van een gewervelde door die stappen en beschrijft de experimenten die lieten zien hoe elk deel ervan te horen krijgt wat het moet worden.

10.1 Van ei tot blastula

Definitie 10.1 (Het ei en zijn assen)

Een ei van een gewervelde is al vóór de bevruchting gepolariseerd: de animale pool bevat de kern en het meeste cytoplasma, de vegetatieve pool de dooier, de voorraad eiwit en lipide waarvan het embryo zal leven tot het zich voedt. De hoeveelheid dooier bepaalt het patroon van alles wat volgt: een ei van een zee-egel of een zoogdier heeft er vrijwel geen en klieft volledig in gelijke cellen; een kikkerei heeft een matige hoeveelheid en klieft volledig maar ongelijk (kleine cellen boven, grote dooierrijke cellen onder); een ei van een vis of een vogel bestaat bijna helemaal uit dooier en klieft alleen in een schijfje cytoplasma daarbovenop. Bij de kikker legt het punt waar de zaadcel binnenkomt de tweede as vast: de cortex draait dertig graden van dat punt weg en legt tegenover het binnenkomstpunt een grijze halvemaan bloot, en die kant wordt de rug. Klieving is een reeks snelle mitosen zonder groei — de cellen halveren bij elke deling in grootte —, aangedreven door maternale mRNA’s en eiwitten die in het ei zijn opgeslagen, terwijl de eigen genen van het embryo stil blijven tot de midblastulatransitie, zo’n twaalf delingen verder.

De ontwikkeling van een kikker vanaf het bevruchte ei: klieving tot een blastula, gastrulatie, de neurula met haar neurale plooien, en het kikkervisje — alles in enkele dagen, zonder groei.

Stelling 10.2 (De rekenkunde van de klieving)

Na $k$ synchrone klievingen bestaat een ei met volume $V_0$ uit $2^{k}$ cellen met gemiddeld volume $V_0/2^{k}$ en straal $r_0/2^{k/3}$ , en is het totale oppervlak met $2^{k/3}$ gegroeid; de verhouding van kern- tot cytoplasmavolume, die in een kikkerei rond $10^{-4}$ begint, stijgt met $2^{k}$ en bereikt na ongeveer tien delingen die van een gewone cel ( $\sim 0.1$ ). Het is deze stijgende verhouding — de titratie van een vaste maternale voorraad van een of andere remmer door een exponentieel groeiende hoeveelheid DNA — die de midblastulatransitie in gang zet: de delingen vertragen, worden asynchroon, en het zygotische genoom schakelt aan.

Bewijs. Het volume blijft bij klieving behouden, dus heeft elk van de $2^{k}$ cellen $V_0 2^{-k}$ en, als bol, een straal $r_0 2^{-k/3}$ ; hun totale oppervlak is $2^{k}\cdot 4\pi r_0^{2}\, 2^{-2k/3} = 4\pi r_0^{2}\, 2^{k/3}$ . Elke cel behoudt één kern van vaste grootte, zodat de verhouding schaalt als $2^{k}$ vanaf $10^{-4}$ : $2^{10} = 1024$ brengt haar op $0.1$ . De transitie van de kikker valt bij de twaalfde deling, in overeenstemming met een drempel die iets later wordt bereikt. ∎

Bewijsmateriaal. Newport en Kirschner (1982) voegden extra DNA toe aan kikkereieren en vonden dat de transitie zoveel delingen eerder kwam als het DNA in overmaat was; cytoplasma verwijderen had hetzelfde effect. De klok is geen tijd of een telling van delingen, maar een verhouding. ∎

Definitie 10.3 (Blastula)

De klieving eindigt in een blastula: een holle bol (kikker, zee-egel) of een schijf (vis, vogel) van enkele duizenden cellen rond een holte, het blastocoel. Zijn cellen zien er nog ongespecialiseerd uit, maar ze zijn niet gelijkwaardig: een lotkaart, gemaakt door plekjes van het oppervlak met kleurstoffen te merken en ze te volgen, laat zien dat het animale kapje huid en zenuwstelsel zal geven (ectoderm), de equatoriale gordel spieren, skelet, nieren en bloed (mesoderm), en de vegetatieve massa de darm en zijn organen (endoderm). Deze drie kiembladen zijn bij elke gewervelde dezelfde, en de volgende stap is ze op hun plaats te brengen: het mesoderm en het endoderm liggen buiten en moeten naar binnen.

10.2 Gastrulatie en neurulatie

Propositie 10.4 (Gastrulatie)

Gastrulatie is het geheel van celbewegingen dat de eenlagige blastula omvormt tot een drielagige gastrula. Bij de kikker begint ze onder de grijze halvemaan: de cellen daar veranderen van vorm, trekken hun buitenste uiteinden samen tot flessen, en het oppervlak plooit in tot een groef, de blastoporus. Daardoor stromen mesoderm en endoderm naar binnen (involutie), rollen over de lip en bewegen naar voren langs het dak van de holte; het animale kapje spreidt zich naar beneden uit om de buitenkant te bedekken (epibolie); de blastoporus sluit zich tot een ring rond de laatste dooierrijke cellen. Binnenin is een nieuwe holte, bekleed met endoderm, de oerdarm, de toekomstige darm, en het mesoderm dat als eerste naar binnen rolde, langs de middellijn, is een stijve staaf geworden, de chorda, de as van elk embryo van een gewervelde en de structuur die de stam haar naam geeft. Bij vogels en zoogdieren gebeuren dezelfde bewegingen door een spleet, de primitiefstreep, in een platte schijf; bij vissen spreidt de schijf zich over de dooier uit. De choreografie verschilt met de dooier; het resultaat — ectoderm buiten, endoderm langs de darm, mesoderm ertussen, chorda in de middellijn — is hetzelfde.

Gastrulatie bij de kikker, in doorsnede. Cellen rollen over de lip van de blastoporus naar binnen; het endoderm bekleedt een nieuwe darmholte, en het eerste mesoderm dat binnenkomt, wordt de chorda langs de middellijn.

Propositie 10.5 (Neurulatie en het bouwplan)

Het ectoderm boven de chorda verdikt zich tot een neurale plaat, waarvan de randen als plooien omhoogkomen en in de middellijn samenkomen tot de neurale buis, de toekomstige hersenen en het ruggenmerg, die onder de huid wegzakt; cellen van de kam van de plooien, de neurale lijst, migreren weg en maken de perifere zenuwen, de pigmentcellen, het bijniermerg en een groot deel van het gezicht. Aan weerszijden van de chorda segmenteert het mesoderm in blokken, de somieten, het ene paar na het andere van kop tot staart, die de wervels, de rompspieren en de lederhuid geven; het laterale mesoderm splitst zich in de lagen die de lichaamsholte bekleden en het hart en de ledematen maken; de endodermbuis laat de longen, de lever en de alvleesklier uitknoppen. Aan het eind van de neurulatie heeft het embryo het bouwplan van een gewervelde — een dorsale zenuwstreng boven een chorda, een ventrale darm, gesegmenteerde spieren, een kop — bij een lengte van enkele millimeters, en de rest van de ontwikkeling is de uitwerking van organen vanuit dit plan (Hoofdstuk 11).

Neurulatie in dwarsdoorsnede: het ectoderm boven de chorda (rood) verdikt, plooit en sluit zich tot de neurale buis (blauw), terwijl het mesoderm naast de chorda in somieten (oranje) segmenteert en cellen van de neurale lijst de sluitende plooien verlaten.

Links: een zebravisembryo van één dag oud in zijn chorion, opgekruld rond zijn dooier, met oog, hersenen en een rij somieten. Rechts: een kuikenembryo van drie dagen op zijn dooier, met een hart dat al klopt en bloedvaten die zich over de dooier uitspreiden om het te voeden.

10.3 Inductie: hoe cellen leren waar ze zijn

Definitie 10.6 (Inductie en competentie)

Inductie is het proces waarbij een groep cellen met een signaal het lot van een naburige groep verandert; de reagerende cellen moeten competent zijn — in staat te antwoorden, wat ze slechts een beperkte tijd zijn. De ontwikkeling is een keten van inducties: de vegetatieve cellen induceren mesoderm in de cellen erboven; het dorsale mesoderm — de organisator aan de lip van de blastoporus — induceert de neurale plaat in het ectoderm erboven en geeft het mesoderm aan weerszijden een patroon; de chorda induceert de bodem van de neurale buis; het oogblaasje, een uitstulping van de hersenen, induceert een lens in de huid die het raakt; de lens induceert het hoornvlies. Elk geïnduceerd weefsel wordt een inductor van het volgende. De signalen behoren tot een handvol families van uitgescheiden eiwitten die steeds opnieuw worden gebruikt — dezelfde die een ledemaat een patroon geven (Hoofdstuk 11) en die bij de volwassene de signalering van Hoofdstuk 19 verzorgen.

Bewijsmateriaal. Spemann en Mangold (1924) sneden de dorsale lip van de blastoporus uit een vroege gastrula van één soort watersalamander en transplanteerden die naar de ventrale kant van een andere soort, met een andere pigmentatie, zodat cellen van gastheer en transplantaat van elkaar te onderscheiden waren. Het transplantaat werd niet eenvoudig wat het ter plaatse zou zijn geworden: het rolde naar binnen, vormde chorda, en induceerde het eigen ventrale ectoderm van de gastheer tot het maken van een tweede neurale buis en, daarnaast, somieten van de gastheer — een volledig tweede embryo, grotendeels uit cellen van de gastheer, buik aan buik met het eerste verbonden. Geen enkel ander stuk van de gastrula kon dit. Ze noemden de lip de organisator; zijn signalen (eiwitten die de ventraliserende factor BMP blokkeren) werden zeventig jaar later geïdentificeerd. ∎

Het organisatorexperiment. Een dorsale lip die op de buik van een andere gastrula wordt getransplanteerd, induceert de cellen van de gastheer tot het vormen van een tweede embryonale as.

Stelling 10.7 (Een morfogeengradiënt)

Veel inducties werken met een morfogeen: een signaal dat door een bron wordt uitgescheiden, zich door het weefsel verspreidt en door cellen wordt afgelezen volgens de plaatselijke concentratie — boven de ene drempel het ene lot, boven een hogere een ander. Een morfogeen dat door een vlakke bron wordt gemaakt met een snelheid $j$ per oppervlakte-eenheid, dat diffundeert met coëfficiënt $D$ en wordt afgebroken met snelheid $k$ , heeft in de stationaire toestand het exponentiële profiel

c(x) = c_0\,e^{-x/\lambda}, \qquad \lambda = \sqrt{D/k}, \qquad c_0 = \frac{j}{\sqrt{Dk}},

zodat de afstand waarop de concentratie onder een drempel $T$ zakt, gelijk is aan $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : een weefsel kan met vaste drempels in banden van vaste breedte worden ingedeeld. Met $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ (een eiwit dat door binding wordt afgeremd terwijl het door het weefsel beweegt) en $k = 1 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ (een halveringstijd van ongeveer twaalf minuten) is $\lambda = \sqrt{10^{-9}}\,\mathrm{m} \approx 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ : enkele celdiameters, de schaal waarop embryonale velden een patroon krijgen. Verdubbeling van de bron verdubbelt $c_0$ en schuift elke grens naar buiten op met $\lambda \ln 2$ .

Bewijs. In de stationaire toestand houdt diffusie de afbraak in evenwicht: $D\,c'' = k\,c$ , met als afnemende oplossing $c = c_0 e^{-x/\lambda}$ met $\lambda^2 = D/k$ . De flux die de bron verlaat, is $-Dc'(0) = Dc_0/\lambda = j$ , wat $c_0 = j\lambda/D = j/\sqrt{Dk}$ geeft. Stelt men $c(x_T) = T$ , dan volgt $x_T$ ; $c_0$ vervangen door $2c_0$ telt er $\lambda\ln 2$ bij op. ∎

Een morfogeengradiënt met = 32\, µ m. Twee drempels verdelen het weefsel in drie banden van cellot, waarvan de breedte wordt bepaald door en door de verhoudingen van de drempels tot de bronconcentratie. — Een morfogeengradiënt met $\lambda = 32\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Twee drempels verdelen het weefsel in drie banden van cellot, waarvan de breedte wordt bepaald door $\lambda$ en door de verhoudingen van de drempels tot de bronconcentratie.

Voorbeeld 10.8 (De gradiënt aflezen)

In de gastrula van de kikker worden cellen van de marginale zone die aan gegradeerde hoeveelheden van een signaal uit de activinefamilie worden blootgesteld, van hoge naar lage dosis, chorda, spier, nier en bloed; gedissocieerde cellen van het animale kapje die in een schaaltje een drempeldosis krijgen, wisselen van lot binnen een factor twee in concentratie. In de neurale buis verspreidt een signaal uit de chorda en de bodemplaat zich naar boven en specificeert het, vanaf de onderkant, motorneuronen en daarna opeenvolgende klassen interneuronen bij drempels die enkele celdiameters uit elkaar liggen. De coördinaten van het organisme zijn in concentraties geschreven.

10.4 Lot, vastlegging en het tijdstip van beslissingen

Propositie 10.9 (Wanneer het lot van een cel vastligt)

Het lot van een cel is wat ze normaal zal worden; haar potentie is wat ze kan worden als ze wordt verplaatst; ze is gedetermineerd wanneer haar lot niet meer met haar omgeving verandert. Vroege embryo’s reguleren: elk van de eerste twee blastomeren van een kikker maakt, afgezonderd, een volledig klein kikkervisje, en de eerste cellen van een zoogdierembryo zijn alle totipotent — zo ontstaan eeneiige tweelingen. Determinatie komt geleidelijk en op verschillende tijdstippen voor verschillende weefsels: een stuk ectoderm van een vroege gastrula dat naar de buik wordt getransplanteerd, wordt buikhuid, hetzelfde stuk uit een late gastrula maakt een neurale plaat waar het ook wordt geplaatst; tegen het staartknopstadium maakt een ledemaatveld dat naar de flank wordt getransplanteerd, daar een ledemaat. Bij de meeste ongewervelden daarentegen wordt het lot vroeg vastgelegd door het cytoplasma dat elke cel erft (mozaïekontwikkeling), en maakt een afgezonderde blastomeer alleen zijn eigen deel. De strategie van de gewervelden — cellen flexibel houden en ze door inductie vertellen wat ze moeten doen — maakt tweelingvorming, regeneratie en het organisatorexperiment mogelijk.

Bewijsmateriaal. Spemann (1901) bond in het tweecellige stadium een haarlus rond een ei van een watersalamander: lag de lus in het vlak van de grijze halvemaan, zodat elke helft er een deel van kreeg, dan ontstonden twee volledige embryo’s; lag ze er loodrecht op, zodat één helft de hele halvemaan had, dan maakte die helft een embryo en de andere een bol buikweefsel. De halvemaan — de toekomstige organisator — was het enige deel dat niet kon worden gedeeld. ∎

Voorbeeld 10.10 (Het tijdschema van een kikker)

Bij $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : bevruchting; eerste klieving na $1.5\,\mathrm{h}$ , daarna om het halfuur; blastula van $4000$ cellen na $7\,\mathrm{h}$ ; midblastulatransitie na $8\,\mathrm{h}$ ; gastrulatie van $10\,\mathrm{h}$ tot $20\,\mathrm{h}$ ; de neurale plooien sluiten na $30\,\mathrm{h}$ ; het hart klopt na $2.5\,\mathrm{d}$ ; uitkomen en voeden na $4\,\mathrm{d}$ , als kikkervisje van $6\,\mathrm{mm}$ . Een zebravis doet hetzelfde in één dag, een kuiken in drie, een muis in negen; een menselijk embryo gastruleert in de derde week en sluit zijn neurale buis tegen de vierde — voordat de meeste vrouwen weten dat ze zwanger zijn, en daarom wordt foliumzuur, nodig voor het sluiten van de neurale buis, al vóór de conceptie voorgeschreven.

10.5 Opgaven

Oefening 10.1 ★

Definieer klieving, blastula, gastrulatie en neurulatie, en noem de structuur die elk stadium oplevert.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.1.

Klieving: snelle mitosen zonder groei, die de blastula opleveren. Blastula: een holle bol of schijf van kleine cellen rond het blastocoel. Gastrulatie: de celbewegingen die mesoderm en endoderm naar binnen brengen en de drielagige gastrula met een darmholte en een chorda opleveren. Neurulatie: het opvouwen van het dorsale ectoderm tot de neurale buis, samen met de segmentatie van de somieten, wat de neurula met het bouwplan van een gewervelde oplevert.

Oefening 10.2 ★

Geef de drie kiembladen en noem voor elk vier volwassen weefsels die eruit voortkomen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.2.

Ectoderm: opperhuid, hersenen en ruggenmerg, perifere zenuwen (neurale lijst), lens en pigmentcellen. Mesoderm: chorda, spieren, bot en kraakbeen, nieren, hart en bloed, lederhuid. Endoderm: de darmwand, lever, alvleesklier, longen, schildklier.

Oefening 10.3 ★

Hoe verandert de hoeveelheid dooier het patroon van de klieving en van de gastrulatie? Vergelijk een kikker en een kuiken.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.3.

Weinig dooier: volledige, bijna gelijke klieving en gastrulatie door involutie via een ronde blastoporus in een holle bol (kikker: volledig maar ongelijk, met grote en trage dooierrijke vegetatieve cellen). Veel dooier (kuiken): klieving beperkt tot een schijf bovenop de dooier, en gastrulatie door een spleet, de primitiefstreep, in de platte schijf, waarbij de lagen zich over de dooier uitspreiden in plaats van een holte te omsluiten.

Oefening 10.4 ★

Wat is inductie? Geef drie inducties in de volgorde waarin ze in een kikkerembryo optreden, met de inductor en het reagerende weefsel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.4.

Inductie is de verandering van het lot van een competent weefsel door een signaal uit een naburig weefsel. Vegetatieve cellen induceren mesoderm in de bovenliggende marginale zone; de organisator (mesoderm van de dorsale lip) induceert de neurale plaat in het dorsale ectoderm; het oogblaasje induceert de lens in het ectoderm van de kop.

Oefening 10.5 ★★

Een kikkerei met straal $1\,\mathrm{mm}$ klieft twaalf keer. Bereken het aantal cellen, hun gemiddelde straal en de factor waarmee het totale celoppervlak is gegroeid. Waarom heeft het embryo het extra oppervlak nodig?

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.5.

$2^{12} = 4096$ cellen met straal $1/2^{4} = 62.5\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; oppervlak vermenigvuldigd met $2^{4} = 16$ . Het extra oppervlak is het membraan van de epithelen die de gastrulatie tot huid en darm zal plooien, en het oppervlak waarlangs de blastula met haar omgeving uitwisselt.

Oefening 10.6 ★★

De verhouding van kern tot cytoplasma begint bij $10^{-4}$ en de midblastulatransitie treedt op wanneer ze $0.4$ bereikt. Na hoeveel delingen? Als in het ei driemaal zijn eigen hoeveelheid DNA wordt geïnjecteerd, bij welke deling komt de transitie dan?

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.6.

$10^{-4}\times 2^{k} = 0.4$ : $2^{k} = 4000$ , $k = 12$ . Met vier keer zoveel DNA begint de verhouding bij $4\times 10^{-4}$ en bereikt ze $0.4$ bij $2^{k} = 1000$ : de tiende deling, twee eerder.

Oefening 10.7 ★★

Een morfogeen heeft $D = 2 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ en een halveringstijd van $10\,\mathrm{min}$ . Bereken $k$ en $\lambda$ . Twee drempels liggen bij $50\,\%$ en $10\,\%$ van de bronconcentratie: geef de breedte van de drie lotbanden.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.7.

$k = \ln 2/600 = 1.16 \times 10^{-3}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{2\times 10^{-12}/1.16\times 10^{-3}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . Drempels bij $x = \lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ en $\lambda\ln 10 = 96\,\text{µ}\mathrm{m}$ : banden van 29, 67 en de rest.

Oefening 10.8 ★★

In de gradiënt van de vorige opgave wordt de bron door een mutatie verdubbeld. Hoeveel verschuift elke grens? En als in plaats daarvan de afbraaksnelheid wordt verdubbeld?

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.8.

Verdubbeling van de bron verschuift beide grenzen naar buiten met $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ : de eerste band verdubbelt, de tweede behoudt haar breedte. Verdubbeling van $k$ deelt $\lambda$ door $\sqrt 2$ ( $29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ) en, omdat $c_0 = j/\sqrt{Dk}$ , deelt ook $c_0$ door $\sqrt 2$ : de grenzen gaan naar $\lambda'\ln(c_0'/T) = 29\times(0.69 - 0.35) = 10\,\text{µ}\mathrm{m}$ en $29\times(2.30 - 0.35) = 57\,\text{µ}\mathrm{m}$ — beide banden krimpen.

Oefening 10.9 ★★

Beschrijf het experiment van Spemann en Mangold, zeg waarom de twee soorten in pigmentatie moesten verschillen, en geef aan wat het resultaat uitsloot.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.9.

Een dorsale lip uit een ongepigmenteerde gastrula van een watersalamander werd naar de ventrale kant van een gepigmenteerde getransplanteerd; hij rolde naar binnen en de gastheer vormde een tweede embryo — neurale buis, somieten, darm — vast aan het eerste. Het verschil in pigment liet zien dat de tweede as uit cellen van de gastheer bestond, zodat het transplantaat ze had geïnduceerd in plaats van de as zelf te bouwen. Het sloot zelfdifferentiatie van het transplantaat als verklaring uit, en toonde aan dat een klein gebied het signaal draagt dat de hele as organiseert.

Oefening 10.10 ★★★

Voorspel de uitkomst van: (a) een stuk prospectieve neurale plaat uit een vroege gastrula, naar de buik getransplanteerd; (b) hetzelfde stuk uit een late gastrula; (c) een stuk buikectoderm dat in een late gastrula boven een chorda wordt geplaatst; (d) het verwijderen van de hele organisator uit een vroege gastrula. Verklaar elk geval met de begrippen competentie en determinatie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.10.

(a) Buikhuid: het vroege ectoderm is competent maar nog niet geïnduceerd, en volgt dus zijn nieuwe omgeving. (b) Zenuwweefsel: in de late gastrula is het geïnduceerd en gedetermineerd. (c) Neurale plaat: buikectoderm van een late gastrula is nog competent, en de chorda induceert het. (d) Geen dorsale structuren: een bol buikweefsel, omdat niets het mesoderm tot dorsale lotbestemmingen of het ectoderm tot neurale induceert.

Oefening 10.11 ★★★

De eerste klieving van een kikker duurt bij $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ $90\,\mathrm{min}$ en de volgende elf elk $30\,\mathrm{min}$ ; bij $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ is elke stap 2.5 keer trager. Op welk tijdstip wordt de midblastulatransitie bij elke temperatuur bereikt? Leg uit waarom de transitie bij beide temperaturen bij hetzelfde aantal cellen komt, en wat dat over de klok zegt.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.11.

Bij $18\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $90 + 11\times 30 = 420\,\mathrm{min}$ , 7 uur. Bij $10\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : $17.5\,\mathrm{h}$ . De transitie valt in beide gevallen bij de twaalfde deling, omdat wat haar in gang zet de verhouding van DNA tot cytoplasma is, die afhangt van het aantal delingen en niet van hoe lang ze duurden: de klok telt verdubbelingen, geen uren.

Oefening 10.12 ★★★

“Een embryo van een gewervelde wordt gebouwd door een gesprek, een embryo van een ongewervelde door erfenis.” Bespreek het contrast tussen regulatieve en mozaïekontwikkeling, de gevolgen ervan voor tweelingvorming en regeneratie, en waarom het een gradueel verschil is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 10.12.

Bij regulatieve ontwikkeling krijgen cellen hun lot door inductie vanuit hun buren, zodat het embryo zich na verlies kan herstellen (tweelingen uit een gesplitst ei, regeneratie van een getransplanteerd gebied); bij mozaïekontwikkeling wordt het lot met plaatselijke cytoplasmatische determinanten geërfd, zodat elke blastomeer alleen zijn eigen deel maakt en een gesplitst embryo twee halve larven maakt. Het verschil is gradueel: de grijze halvemaan van de kikker is een determinant, en mozaïekembryo’s gebruiken later inducties; elk embryo mengt erfenis en gesprek, en gewervelden steunen langer op het gesprek.

10.6 Vraagstuk: een kikkerembryo in tijd en patroon

Probleem 10.1

Weekendvraagstuk — een kikkerembryo gevolgd door de klieving, de midblastulatransitie, de gastrulatie en de inductie, met de morfogeengradiënt berekend en de klassieke transplantaties voorspeld, met als besluit het aantal cellen en het tijdstip van de transitie en de breedte van de lotbanden

Een kikkerei heeft een straal van $0.7\,\mathrm{mm}$ en een kern met straal $0.03\,\mathrm{mm}$ waarvan de DNA-inhoud $c$ is; elke klieving duurt $30\,\mathrm{min}$ na een eerste van $75\,\mathrm{min}$ . De midblastulatransitie treedt op wanneer het totale DNA $4000\,c$ bereikt. Morfogeen: $D = 1 \times 10^{-12}\,\mathrm{m}^{2}/\mathrm{s}$ , halveringstijd $20\,\mathrm{min}$ , bronconcentratie $c_0$ , drempels bij $0.4\,c_0$ en $0.08\,c_0$ .

Deel I — Klieving.

Bereken het volume van het ei en van zijn kern, en de beginverhouding van kern tot cytoplasma.
Na hoeveel klievingen bereikt het DNA $4000\,c$ ? Hoeveel cellen?
Op welk tijdstip na de bevruchting?
Wat is dan de gemiddelde celstraal, en de verhouding van kern- tot celvolume als de kernen hun grootte behouden? Becommentarieer.
Met welke factor is het totale celoppervlak gegroeid?
Elke klieving vraagt een kopie van het genoom: hoeveel DNA is er in totaal gesynthetiseerd, in eenheden $c$ , en waarom hoeft het embryo daarvoor zijn genen niet te transcriberen?
Wat verandert er bij de transitie, en welk experiment laat zien dat ze door een verhouding en niet door een telling in gang wordt gezet?

Deel II — Gastrulatie.

Waar vormt de blastoporus zich ten opzichte van het binnenkomstpunt van de zaadcel, en wat heeft die positie vastgelegd?
Noem in volgorde de weefsels die door de blastoporus naar binnen rollen, en hun posities daarna.
De gastrulatie duurt $10\,\mathrm{h}$ en de involuerende laag legt $2\,\mathrm{mm}$ af. Bereken de gemiddelde celsnelheid in micrometer per minuut en vergelijk met een kruipende fibroblast ( $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ ).
Waarom is gastrulatie onmogelijk vóór de midblastulatransitie?
Leg in één zin uit waarom de chorda, en niet de neurale buis, de bepalende structuur van de chordadieren is.
Aan het begin van de gastrulatie wordt een middel toegediend dat vormverandering van cellen blokkeert. Voorspel het embryo.

Deel III — De gradiënt.

Bereken $k$ uit de halveringstijd, en $\lambda$ .
Bereken de posities van de twee drempels.
Geef de breedte van de drie lotbanden in micrometer en in cellen van $15\,\text{µ}\mathrm{m}$ .
De bron wordt gehalveerd. Bereken de twee posities opnieuw en zeg welke band het meest krimpt.
Een cel op $60\,\text{µ}\mathrm{m}$ van de bron wordt naar $10\,\text{µ}\mathrm{m}$ verplaatst voordat de gradiënt wordt afgelezen, en daarna nog eens nadat hij is afgelezen. Wat wordt de cel in elk geval, en waarom?
Leg uit waarom een exponentieel profiel grenzen geeft waarvan de positie afhangt van de logaritme van de bronsterkte, en waarom dit de patroonvorming robuust maakt.

Deel IV — Transplantaties.

Voorspel het resultaat van het transplanteren van een dorsale lip naar de ventrale kant van een vroege gastrula, en van het transplanteren van ventrale marginale zone naar de dorsale kant.
Voorspel het resultaat van het transplanteren van een dorsale lip naar de ventrale kant van een neurula, en verklaar het verschil.
Een kikkerembryo in het tweecellige stadium wordt in het vlak van de grijze halvemaan gesplitst; een ander loodrecht daarop. Voorspel beide.
Uit een blastula wordt een animaal kapje gesneden en afzonderlijk gekweekt; hetzelfde kapje wordt naast vegetatieve cellen gekweekt. Voorspel de gevormde weefsels.
Waarom vereiste het resultaat van Spemann en Mangold dat gastheer en transplantaat te onderscheiden waren, en wat zou een transplantaat van de verkeerde soort hebben aangetoond?
Formuleer het resultaat: het klievingsnummer en het tijdstip van de transitie, het aantal cellen, en de breedte van de drie banden.

Oplossing

Oplossing van Probleem 10.1.

1. Ei $\tfrac43\pi(0.7)^{3} = 1.44\,\mathrm{mm}^{3}$ ; kern $\tfrac43\pi(0.03)^{3} = 1.1 \times 10^{-4}\,\mathrm{mm}^{3}$ ; verhouding $8\times 10^{-5}$ . 2. $2^{k} = 4000$ : $k = 12$ , 4096 cellen. 3. $75 + 11\times 30 = 405\,\mathrm{min}$ , ongeveer 6.75 uur. 4. Straal $0.7/2^{4} = 44\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; verhouding $8\times 10^{-5}\times 4096 = 0.32$ — die van een gewone cel: de kernen hebben het cytoplasma ingehaald. 5. $2^{4} = 16$ . 6. Ongeveer $4095\,c$ aan DNA; het ei bevat genoeg opgeslagen histonen, polymerasen en nucleotiden voor twaalf delingen, zodat er geen transcriptie nodig is. 7. Zygotische genen schakelen aan, de delingen vertragen en verliezen hun synchronie, cellen worden beweeglijk. Het injecteren van extra DNA vervroegt de transitie met zoveel delingen als het DNA in overmaat is, wat een teller van delingen of van tijd niet zou kunnen verklaren. 8. Tegenover het binnenkomstpunt van de zaadcel, bij de grijze halvemaan, vastgelegd door de rotatie van de eicortex na de bevruchting. 9. Eerst dorsaal mesoderm (prechordale plaat, dan chorda) op het dak van de oerdarm in de middellijn; lateraal mesoderm (somieten, laterale plaat) ernaast; het endoderm bekleedt de oerdarm; het ectoderm spreidt zich door epibolie over de buitenkant uit. 10. $2000\,\text{µ}\mathrm{m}/600\,\mathrm{min} = 3.3\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{min}$ : drie keer een fibroblast — een gecoördineerde laag beweegt sneller dan een losse cel. 11. De celbewegingen hebben zygotische genproducten nodig (nieuwe adhesiemoleculen, beweeglijkheid) en vertraagde cycli; vóór de transitie kunnen de cellen alleen delen. 12. Elk chordadier heeft in een of ander stadium een chorda, en gewervelden bouwen de wervelkolom eromheen; de neurale buis wordt erdoor geïnduceerd en is het gevolg, niet de oorsprong, van het plan. 13. Zonder samentrekking van de flescellen vormt zich geen blastoporus, rolt er niets naar binnen, en blijft het embryo een bol met zijn lagen op hun plaats: geen darm, geen chorda, geen as. 14. $k = \ln 2/1200 = 5.8 \times 10^{-4}\,\mathrm{s}^{-1}$ ; $\lambda = \sqrt{10^{-12}/5.8\times 10^{-4}} = 42\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 15. $x_1 = 42\ln 2.5 = 38\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 12.5 = 105\,\text{µ}\mathrm{m}$ . 16. Banden van $38\,\text{µ}\mathrm{m}$ (2.5 cellen), $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ (4.5 cellen), en de rest. 17. $x_1 = 42\ln 1.25 = 9\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; $x_2 = 42\ln 6.25 = 77\,\text{µ}\mathrm{m}$ : beide grenzen schuiven naar binnen op met $\lambda\ln 2 = 29\,\text{µ}\mathrm{m}$ ; de eerste band krimpt van 38 tot 9, de middelste band behoudt zijn breedte, de buitenste band groeit. 18. Verplaatst vóór het aflezen wordt hij lot A — hij leest de concentratie waar hij nu is; verplaatst na het aflezen behoudt hij lot B — hij was gedetermineerd. 19. $x_T = \lambda\ln(c_0/T)$ : een verandering van de bron met een factor $f$ verschuift elke grens met $\lambda\ln f$ , zodat een fout van een factor twee het patroon maar $0.7\lambda$ verschuift, een fractie van een veld dat meerdere $\lambda$ beslaat — het patroon is vrijwel ongevoelig voor de precieze hoeveelheid morfogeen. 20. Dorsale lip naar ventraal: een tweede as. Ventrale marginale zone naar dorsaal: ze wordt door haar omgeving opnieuw gespecificeerd en maakt dorsaal weefsel; niets extra. 21. In een neurula is het ectoderm niet meer competent: het transplantaat maakt chorda maar induceert geen tweede neurale buis. 22. Gesplitst in het vlak van de halvemaan: twee volledige embryo’s; loodrecht daarop: één embryo en een bol buikweefsel. 23. Alleen: een bol opperhuid. Met vegetatieve cellen: mesoderm — spier, chorda — geïnduceerd in het kapje. 24. Om te bewijzen dat de tweede as in cellen van de gastheer was geïnduceerd en niet door het transplantaat was gebouwd; was het transplantaat niet te onderscheiden geweest, dan had zelfdifferentiatie niet kunnen worden uitgesloten. Een transplantaat van een andere soort werkt (ze gebruikten twee soorten watersalamanders), en dat is precies wat de cellen te onderscheiden maakte. 25. Twaalfde klieving, 4096 cellen, na ongeveer 6.75 uur; banden van 38 en $67\,\text{µ}\mathrm{m}$ , en alles voorbij $105\,\text{µ}\mathrm{m}$ .

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 479 begrippen in de begrippenlijst