Net zoals mensen op verschillende plaatsen op verschillende ritmes lijken te werken, geldt dat ook voor verschillende soorten. Ze verouderen in hun eigen tempo: sommigen, zoals de fruitvlieg, racen naar de volwassenheid zodat ze zich kunnen voortplanten voordat hun kortstondige voedselbron verdwijnt, terwijl wezens als mensen in de loop van tientallen jaren langzaam volwassen worden, deels omdat het bouwen van een groot, complex brein dit vereist. En helemaal aan het begin van het leven van een embryo kunnen kleine aanpassingen in de timing van wanneer en hoe verschillende weefsels zich ontwikkelen de vorm van een organisme dramatisch veranderen – een mechanisme dat de evolutie uitbuit bij het creëren van nieuwe soorten. Wat het tempo van de groei van een organisme bepaalt, is echter een mysterie gebleven.

“Onze kennis over wat de timing van de ontwikkeling bepaalt, is echt achtergebleven bij andere gebieden in de ontwikkelingsbiologie”, zegt hij Margarete Diaz Cuadros, die onderzoek leidt gericht op ontwikkelingstempo in het Massachusetts General Hospital in Boston.

Ontwikkelingsbiologen hebben enorm veel succes gehad bij het identificeren netwerken van regulerende genen die met elkaar praten – trapsgewijze systemen van feedbackloops die genen op precies het juiste moment en op de juiste plaats aan- of uitzetten om bijvoorbeeld een oog of een been te bouwen. Maar de sterk geconserveerde gelijkenis in deze genennetwerken tussen soorten staat in contrast met enorme verschillen in de timing van de ontwikkeling. Muizen en mensen gebruiken bijvoorbeeld dezelfde sets genen om neuronen te creëren en stekels te bouwen. Toch blijken de hersenen en de ruggengraat van een muis heel anders te zijn dan die van een mens, omdat het tijdstip waarop die genen actief zijn anders is, en het onduidelijk is waarom dat zo is.

“Genregulatie lijkt niet alles te verklaren over de timing van de ontwikkeling”, zegt hij Pierre Vanderhaeghen, die de evolutie en ontwikkeling van de hersenen bestudeert aan de KU Leuven in België. “Dit is een beetje provocerend omdat in de biologie in zekere zin alles verklaard zou moeten worden door genregulatie, direct of indirect.”

Nieuwe verklaringen voor wat het leven drijft komen voort uit innovaties – zoals de vooruitgang in de stamcelcultuur en de beschikbaarheid van hulpmiddelen om de stofwisseling te manipuleren, aanvankelijk ontwikkeld om kanker te bestuderen – die onderzoekers nu in staat stellen het tempo van de ontwikkeling van vroege kanker in kaart te brengen en ermee te spelen. embryo's en weefsels in meer detail. In een reeks artikelen van de afgelopen jaren, waaronder één belangrijke publicatie in juni zijn verschillende onderzoeksteams onafhankelijk van elkaar tot een intrigerend verband gekomen tussen het tempo van de ontwikkeling, het tempo van biochemische reacties en de mate van genexpressie die ten grondslag ligt aan deze biochemische reacties.

Hun bevindingen wijzen op een gemeenschappelijk metronoom: de mitochondriën, die mogelijk de tijdwaarnemer van de cel zijn en het ritme bepalen voor een verscheidenheid aan ontwikkelings- en biochemische processen die leven creëren en in stand houden.

Een neuron houdt de tijd bij

Ruim tien jaar geleden deed Vanderhaeghen een experiment dat de basis legde voor moderne studies over hoe het ontwikkelingstempo wordt aangehouden. De neurobioloog was binnen zijn Belgische laboratorium het kweken van stamcellen in petrischalen en observeren hoe lang het duurde om te rijpen van cellulaire blanco leien tot volwaardige neuronen die verbinding maken en communiceren met anderen. Hij dacht dat hij aanwijzingen zou kunnen vinden over de oorsprong en evolutie van het menselijk brein door deze muizen- en menselijke stamcellen te vergelijken die klaar zijn om neuronen te worden.

Het eerste wat hem opviel was dat stamcellen van muizen zich in ongeveer een week tijd differentieerden tot volwassen hersencellen – sneller dan menselijke stamcellen, die drie tot vier maanden nodig hadden om te groeien.

Maar zouden die cellen zich op dezelfde manier ontwikkelen in een groeiend brein in plaats van in een geïsoleerd gerecht? Om daarachter te komen, transplanteerde hij een muizenneuron in een levend muizenbrein. De cel volgde dezelfde tijdlijn als de neuronen van de gastheermuis en differentieerde zich na ongeveer een week. Toen probeerde hij hetzelfde met een menselijk neuron, door het in de hersenen van een muis te implanteren. Tot zijn verbazing hield het menselijke neuron zijn eigen tijd aan. Ondanks de knaagdieromgeving duurde het bijna een jaar om volwassen te worden.

“Dat leverde ons een eerste belangrijk antwoord op, namelijk dat wat het timingmechanisme ook is, een groot deel ervan in de neuronen zelf lijkt te zitten”, zegt Vanderhaeghen. “Zelfs als je de cellen uit de petrischaal haalt en in een ander organisme stopt, behouden ze nog steeds hun eigen tijdlijn.”

Toch was er tot een paar jaar geleden vrijwel niets bekend over het onderliggende cellulaire mechanisme.

Vanderhaeghen begon na te denken over waar de bouwstenen van een neuron vandaan komen. “Om neuronen te maken, is het alsof je een supergecompliceerd gebouw bouwt,” zei hij. “Je hebt een goede logistiek nodig.” Cellen hebben niet alleen energie nodig, maar ook een bron van grondstoffen om te groeien en zich te delen.

Hij vermoedde dat mitochondriën deze bouwstenen zouden kunnen leveren. De organellen zijn de sleutel tot de groei en het metabolisme van een cel. Ze produceren energie, waardoor ze de bijnaam ‘de krachtcentrale van de cel’ krijgen, en ze produceren ook metabolieten die essentieel zijn voor de opbouw van aminozuren en nucleotiden en voor het reguleren van genexpressie.

De klassieke opvatting over mitochondriën is dat ze gedurende de levensduur van een cel niet veranderen. “Het zijn gewoon een leuk, pittoresk worstje in de cel, en ze zorgen voor energie”, zegt Vanderhaeghen. Maar toen hij en Ryohei Iwata, een postdoctoraal onderzoeker in zijn laboratorium, de ontwikkeling van neuronen nader bekeek, zagen ze dat ook de mitochondriën tijd nodig hebben om zich te ontwikkelen.

Jonge neuronen, rapporteerden ze Wetenschap, hadden weinig mitochondriën, en degenen die ze hadden waren gefragmenteerd en genereerden weinig energie. Naarmate de neuronen volwassener werden, groeiden de mitochondriën in aantal, omvang en metabolische activiteit. Bovendien vonden de veranderingen sneller plaats bij muizen dan bij mensen. In wezen werd het systeem geschaald: de rijping van de mitochondriën bleef synchroon lopen met de rijping van neuronen bij beide soorten.

De ontdekking vond Vanderhaeghen en Iwata belangrijk. En ze vroegen zich af of de mitochondriën de stille tromgeroffel zouden kunnen zijn die de enorme verschillen in ontwikkelingstempo tussen soorten aanstuurt.

Hoe je een wervelkolom kunt laten groeien

Een van de klassieke modellen voor het bestuderen van het tempo van de embryonale ontwikkeling is de patroonvorming van de wervelkolom. Alle gewervelde dieren hebben een ruggengraat die bestaat uit een reeks wervelsegmenten, maar soorten variëren in aantal en grootte. Er rijst daarom een ​​natuurlijke vraag over de ontwikkelingsmechanismen die aanleiding geven tot dit essentiële kenmerk van gewervelde dieren en de vele variaties ervan in het dierenrijk.

In 1997, de ontwikkelingsbioloog Olivier Pourquié, nu aan de Harvard Medical School, ontdekte voor het eerst een moleculaire oscillator, een segmentatieklok genaamd, die het mechanisme aanstuurt dat de wervelkolom van gewervelde dieren vormt. Door met kippenembryo's te werken, identificeerde zijn onderzoeksteam de belangrijkste spelers die ritmisch tot uiting komen tijdens de vorming van elk wervelsegment in embryonaal weefsel. De segmentatieklok veroorzaakt oscillaties van genexpressie, waardoor cellen fluctueren in hun reactievermogen op een golffrontsignaal dat van kop naar staart beweegt. Wanneer het golffront responsieve cellen tegenkomt, vormt zich een segment. Op deze manier regelt het klok-en-golffrontmechanisme de periodieke organisatie van de wervelkolom.

De genen die de segmentatieklok orkestreren, blijven bij alle soorten behouden. De klokperiode – de tijd tussen twee pieken in een oscillatie – is dat echter niet. Jarenlang konden ontwikkelingsgenetici dit niet verklaren: ze beschikten niet over de genetische hulpmiddelen om de klok van een groeiend embryo precies te manipuleren. Daarom begon Pourquié rond 2008 methoden te ontwikkelen om het mechanisme in het laboratorium beter te ontleden.

Destijds “klonk het als totale sciencefiction”, zei hij. Maar het idee werd in de daaropvolgende tien jaar plausibeler, toen het laboratorium van Pourquié en anderen over de hele wereld embryonale stamcellen leerden kweken en bouwen zelfs organoïden – zoals een netvlies, darm of mini-brein – in een schaaltje.

Pourquié en Diaz Cuadros, destijds zijn afgestudeerde student, vonden een manier om de klok te reproduceren in stamcellen van muizen en mensen. In vroege experimenten observeerden ze dat de klokperiode bij muizen ongeveer twee uur duurt, terwijl het bij menselijke cellen ongeveer vijf uur duurt om een ​​oscillatie te voltooien. Het was de eerste keer dat iemand de segmentatieklokperiode bij mensen had geïdentificeerd.

Andere laboratoria zagen ook het potentieel van deze vooruitgang in de stamcelbiologie om al lang bestaande vragen over de timing van de ontwikkeling aan te pakken. In 2020 zijn er twee onderzoeksgroepen – één onder leiding van Miki Ebisuya bij het European Molecular Biology Laboratory in Barcelona en de andere door James Briscoe aan het Francis Crick Institute in Londen – ontdekten onafhankelijk dat fundamentele moleculaire processen in de cel gelijke tred houden met het tempo van de ontwikkeling. Ze publiceerden onderzoeken kant by kant in Wetenschap.

Het team van Ebisuya wilde inzicht krijgen in de verschillen in de snelheid van moleculaire reacties – genexpressie en eiwitafbraak – die elke klokcyclus aansturen. Ze ontdekten dat beide processen in muizencellen twee keer zo snel werkten als in menselijke cellen.

Briscoe keek in plaats daarvan naar de vroege ontwikkeling van het ruggenmerg. Net als de segmentatieklokcyclus was het neurondifferentiatieproces – inclusief de expressie van gensequenties en de afbraak van eiwitten – bij mensen proportioneel uitgerekt vergeleken met muizen. “Het duurt twee tot drie keer langer om hetzelfde ontwikkelingsstadium te bereiken met behulp van menselijke embryonale stamcellen,” zei Briscoe.

Het was alsof er in elke cel een metronoom aan het tikken was. Met elke beweging van de slinger hielden allerlei cellulaire processen – genexpressie, eiwitafbraak, celdifferentiatie en embryonale ontwikkeling – allemaal gelijke tred en bleven ze op tijd.

Maar was dit een algemene regel voor alle gewervelde dieren, behalve muizen en mensen? Om erachter te komen, Ebisuya's afgestudeerde student Jorge Lazaro creëerde een ‘stamceldierentuin’, de thuisbasis van cellen van een verscheidenheid aan zoogdieren: muizen, konijnen, vee, neushoorns, mensen en zijdeaapjes. Toen hij de segmentatieklok van elke soort reproduceerde, zag hij dat de snelheid van de biochemische reacties bij elke soort in het ritme bleef van de segmentatieklokperiode.

Bovendien schaalden de kloktempo's niet mee met de grootte van de dieren. Muizencellen oscilleerden sneller dan neushoorncellen, maar menselijke cellen oscilleerden langzamer dan de neushoorncellen, en cellen van marmoset hadden de langzaamste oscillaties van allemaal.

De bevindingen, gepubliceerd Celstamcel in juni suggereerde dat de snelheid van biochemische reacties een universeel mechanisme zou kunnen zijn voor het reguleren van de ontwikkelingstijd.

Ze verlegden ook de grenzen van een belangrijk maar over het hoofd gezien aspect van het centrale dogma van de moleculaire biologie. "We hebben het over transcriptie, vertaling en eiwitstabiliteit", zei Diaz-Cuadros. Iedereen had gedacht dat ze hetzelfde waren bij alle soorten zoogdieren en gewervelde dieren, “maar wat we nu zeggen is dat de snelheid van het centrale dogma soortspecifiek is, en ik denk dat dat behoorlijk fascinerend is.”

Maak of breek een eiwit

De klok moet dus voortkomen uit een mechanisme dat het tempo bepaalt van biochemische reacties tussen soorten. Teresa Rayon wilde de oorsprong ervan ontdekken toen ze zag motorneuronen differentiëren in haar laboratorium in Londen, waar ze studeerde onder Briscoe.

Ze heeft de neuronen van muizen en mensen genetisch gemanipuleerd om fluorescerend eiwit tot expressie te brengen, dat helder gloeit wanneer het wordt opgewonden door een laser op de juiste golflengte. Vervolgens keek ze naar de geïntroduceerde eiwitten terwijl ze afgebroken werden. Tot haar verbazing vielen diezelfde fluorescerende eiwitten in muizencellen sneller uit elkaar dan in menselijke cellen, waardoor ze gelijke tred hielden met de ontwikkeling van de neuronen. Dat deed haar vermoeden dat iets in de intracellulaire omgeving het tempo van de afbraak bepaalde.

“Als je aan een bioloog zou vragen: 'Hoe bepaal je de stabiliteit van een eiwit?' ze zouden je vertellen dat het aan de volgorde ligt”, zegt Rayon, die nu haar eigen laboratorium leidt aan het Babraham Institute in Cambridge, Engeland. “Maar we kwamen erachter dat dat eigenlijk niet het geval is. Wij denken dat het misschien de machinerie is die de eiwitten afbreekt, die een rol zou kunnen spelen.”

Maar zij en haar groep keken slechts in één celtype. Als celtypen in verschillende weefsels zich met verschillende snelheden ontwikkelen, zouden hun eiwitten dan ook met verschillende snelheden worden afgebroken?

Michaël Dorrity van het European Molecular Biology Laboratory in Heidelberg heeft zich op die vraag verdiept door na te denken over de manier waarop temperatuur de ontwikkeling beïnvloedt. Veel dieren, van insecten tot vissen, ontwikkelen zich sneller als ze bij hogere temperaturen worden grootgebracht. Intrigerend genoeg merkte hij op dat bij embryo's van zebravissen die in een warme omgeving waren grootgebracht, het ontwikkelingstempo van sommige celtypen sneller versnelde dan dat van andere.

In een voordruk hij vorig jaar postte, ging hij in op een verklaring met betrekking tot de machinerie die eiwitten maakt en afbreekt. Sommige celtypen hebben een groter volume of complexere eiwitten nodig dan andere. Als gevolg hiervan belasten sommige celtypen chronisch “deze mechanismen voor controle van de eiwitkwaliteit”, zei hij. Wanneer de temperatuur stijgt, hebben ze niet het vermogen om aan de hogere eiwitbehoeften te voldoen, en dus slaagt hun interne klok er niet in om te versnellen en gelijke tred te houden.

In die zin onderhouden organismen niet één enkele klok, maar hebben ze veel klokken voor veel weefsels en celtypen. Evolutionair gezien is dit geen bug maar een kenmerk: wanneer weefsels zich niet synchroon met elkaar ontwikkelen, kunnen lichaamsdelen met verschillende snelheden groeien – wat kan leiden tot de evolutie van diverse organismen of zelfs nieuwe soorten.

Het was alsof ze de afstemknop van de interne metronoom van de cel hadden ontdekt, waarmee ze het tempo van de embryonale ontwikkeling konden versnellen of vertragen. "Het zijn niet de verschillen in de genregulerende architectuur die deze verschillen in timing verklaren," zei Pourquié. De bevindingen waren gepubliceerd NATUUR eerder dit jaar.

Deze metabolische afstemmingsknop was niet beperkt tot het zich ontwikkelende embryo. Iwata en Vanderhaeghen hebben ondertussen ontdekt hoe ze met medicijnen en genetica kunnen spelen met het metabolische tempo van rijpende neuronen – een proces dat, in tegenstelling tot dat van de segmentatieklok, die slechts een paar dagen loopt, vele weken of maanden in beslag neemt. Toen muizenneuronen gedwongen werden om langzamer energie te genereren, rijpten de neuronen ook langzamer. Omgekeerd zouden de onderzoekers, door menselijke neuronen farmacologisch naar een sneller pad te verschuiven, hun rijping kunnen versnellen. De bevindingen waren gepubliceerd Wetenschap in januari.

Voor Vanderhaeghen is de conclusie van hun experimenten duidelijk: “De stofwisseling bepaalt de timing van de ontwikkeling.”

Maar zelfs als het metabolisme de stroomopwaartse regulator is van alle andere cellulaire processen, moeten deze verschillen terug te voeren zijn op genetische regulatie. Het is mogelijk dat mitochondriën de timing beïnvloeden van de expressie van ontwikkelingsgenen of genen die betrokken zijn bij de machinerie voor het maken, onderhouden en recyclen van eiwitten.

Eén mogelijkheid, zo speculeerde Vanderhaeghen, is dat metabolieten uit de mitochondriën essentieel zijn voor het proces dat gevouwen DNA in genomen condenseert of uitbreidt, zodat het kan worden getranscribeerd om eiwitten te bouwen. Misschien, opperde hij, beperken die metabolieten de transcriptiesnelheid en bepalen ze wereldwijd het tempo waarin genregulerende netwerken worden in- en uitgeschakeld. Dat is echter slechts één idee dat experimenteel moet worden uitgepakt.

Er is ook de vraag wat de mitochondriën überhaupt drijft. Diaz Cuadros denkt dat het antwoord in DNA moet liggen: “Ergens in hun genoom moet er een sequentieverschil zijn tussen muis en mens dat codeert voor dat verschil in ontwikkelingssnelheid.”

‘We hebben nog steeds geen idee waar dat verschil zit’, zei ze. “Daar zijn we helaas nog heel ver van verwijderd.”

Het vinden van dat antwoord kan enige tijd vergen, en net als de mitochondriale klok verloopt de wetenschappelijke vooruitgang in een geheel eigen tempo.

Correcties, 18 september 2023
In de inleiding werd een zin herzien om te verduidelijken dat het de snelheid van genexpressie is, en niet de algehele stofwisseling, die helpt het tempo van de ontwikkeling te sturen. Het artikel is ook bijgewerkt om te corrigeren welke soorten in de stamceldierentuin de snelste en langzaamste segmentatieklokoscillaties hebben.