Ontwikkelingsbiologie en Genetica – Hoorcolleges deel 1
Hoorcollege 1: 3 februari 2020
Ontwikkelingsbiologie: hoe kan een enkele bevruchte eicel zich ontwikkelen tot een heel organisme
met gespecialiseerde celtypes?
Voor een organisme om te vormen uit een enkele eicel moeten er veel processen plaatsvinden: cel
proliferatie, differentiatie, migratie, morfogenese, groei, celdood, homeostase.
Je begint als totipotent (cellen kunnen alles worden) en je eindigt met hooggespecialiseerde en
gedifferentieerde cellen.
Elke cel heeft dezelfde genetische informatie, en toch krijg je allemaal verschillende celtypes.
Een van de eerste processen is dat het embryo embryonale stamcellen gaat vormen. Hieruit komen
cellen die zich restricten tot een bepaald lineage. Progenitor cells zullen uiteindelijk de celcyclus
verlaten om zo in en volledig gedifferentieerde staat te komen.
Bij klassieke genetica begin je met een fenotype en kijk je dan door welk gen dit veroorzaakt wordt.
Bij reverse genetica breng je een knockout aan in een gen naar keuze en kijk je dan wat het fenotype
is wat daarbij hoort.
Genetic epistasis: je ordert in welke volgorde genen functioneren (welk gen licht upstream en welk
gen licht downstream).
Voornaamste rollen van ontwikkelingsbiologie en genetica
1. Ontdekken welke genen een biologisch proces reguleren
2. Definiëren welke en hoe genen samenwerken in een netwerk. Dit doe je aan de hand van
dubbele mutanten.
Een kip is geen goed model voor genetica (omdat er veel genen zijn en mutagenese moeilijk is). Er
zijn een paar diermodellen die de keuze zijn voor ontwikkelingsbiologie. Dit zijn de c. elegans, d.
melanogaster, zebravis en muis. Voor deze organismen zijn er zo veel genetische tools ontwikkeld
dat deze het beste bruikbaar zijn.
- Fruitvlieg is vooral een model geworden omdat hier veel tools in bekend zijn en ze makkelijk
te houden zijn.
- C. elegans is bewust gekozen voor het bestuderen van het zenuwstelsel omdat dit een
efficiënt genetisch systeem is.
- Zebravis wordt vooral gebruikt voor orgaan ontwikkelen: het is een vertebraat en is daarom
handig om te kijken naar minder fundamentele processen.
- Bij muizen kun je bijna geen forward mutagenese doen. Dit is wel heel duur, sloom en heeft
ethische bezwaren. De muis is wel goed bruikbaar voor reverse genetics: het is veel meer
vergelijkbaar aan de mens.
Wat maakt en stamcel een stamcel? 1. Het kan zelf vernieuwen, 2. Het kan differentieren in veel
verschillende celtypes.
Embryonale stamcellen worden vroeg in de embryogenese gevormd (in de blastocyst). Cellen van de
morula zijn totipotent en kunnen nog alles worden. De inner cell mass zijn niet meer totipotent
omdat ze niet de extra-embryonale weefsels kunnen vormen. Al vroeg in de ontwikkeling is er een
,beperking in wat de cellen kunnen worden (totipotent -> pluripotent -> multipotent). Alleen de
zygote is dus totipotent.
Totipotent: bevruchte eicel en de zygote na de eerste celdelingen
Plutipotent: cellen van de inner cell mass van het embryo (mammalian embryonic stem cells)
Multipotent: (unipotent) stamcellen vormen cellen van een bepaald celtype
Stam cellen worden onderhouden door asymmetrische celdeling (je krijgt een nieuwe stamcel en een
dochtercel die zich gaat specialiseren).
Cellen met hetzelfde DNA krijgen dus verschillende eigenschappen. Elke cel gebruikt dus maar een
deel van het DNA, welk deel gebruikt wordt bepaalt de identiteit van de cel. Hoe controleert de cel
welke delen er wel of niet gebruikt worden?
Regulatie van genexpressie (en dus celtype):
1. Regulatie van transcriptie (staan genen aan of uit?)
a. Chromatine regulatie
b. Transcriptie factoren
c. RNA polymerases
2. RNA level
a. Processing
b. Degradation/stabilization
c. Small RNAs (inhibitie translatie, lokalisatie naar p-bodies)
3. Protein level
a. Translatie
b. Processing
c. Lokalisatie
d. Modificatie
e. Degradatie/stabilisatie
C. elegans is een simpel organisme. Het heeft maar 959 somatische cellen, hier komt de kiemlijn nog
bovenop. De kiemlijn is een soort rolband die eindigt met volldige oocyten. De embryogenese begint
dus al in de moeder. Omdat de dieren transparant zijn kun je ze echt goed bestuderen.
De c. elegans wordt in 3 dagen van ei tot
volwassene. Omdat de hele lineage bekend is kun
je heel specifiek naar mutanten kijken.
Omdat een hermafrodiet zichzelf kan bevruchten
hoef je geen kruizingen op te zetten. Het is handig
dat ze ook te kruizen zijn omdat je dan gentische
variatie kan geven. Bij een man hermafrodiet
kruizing kun je 1000 nakomelingen krijgen (bij
hermafrodiet alleen 400).
De kiemlijn is een bijzonder weefsel want het
houdt de totipotente staat (of genereert cellen die
een nieuwe generatie kunnen maken). Daarnaast
heb je alleen hier meiose, en moeten cellen dus
overgaan van mitose naar meiose. Kiemlijnen
,produceren weer kiemlijnen (een DNA kan zo worden doorgegeven). In de kiemlijn is er extra
bescherming tegen DNA-instabiliteit.
Vroeg in de ontwikkeling wordt er een kiemlijn voorloper cel gevormd, en deze wordt aan de kant
gezet. Dit is P4. Bij de gastrulatie bewegen deze precurser cellen het dier in. Bij de L1 heb je een
kleine voorloper van de gonade (van 4 cellen: 2 worden de kiemlijn (Z2 en Z3), 2 worden de
somatische gonaden (Z1 en Z4)).
Bij de L2 begint de proliferatie van de somatische gonaden en de kiemlijn. De kiemlijn migreert
vanuit het midden van het dier naar de twee uiteindes. Dan draaien ze naar de dorsale zijde en
bewegen ze terug. Zo krijg je dus een U-vormige tube.
Bij het volwassen dier vindt er alleen proliferatie van de kiemlijn plaats om oocyten te vormen.
In de kiemlijn moeten cellen overgaan van mitose naar meiose.
Binnen de kiemlijn zijn er dus meerdere interessante switches. Omdat het een buis is delen de
kernen een cytoplasma.
Bij meiose kan het enorm lang duren voor de profase voltooid is. Tijdens de profase liggen de
homologen bij elkaar. Bij de pachytene (of synapsis) worden de homologe chromosomen over de
hele lengt aan elkaar gekoppeld. Je hebt dus vier zusterchromatiden op dit punt.
, De distale tip cell is een soort kapje op de mitotische zone. Het heeft lange uitlopers over de
mitotische cellen. Als de distale tip cel uitgeschakeld wordt, krijg je een lege kiemlijn. Je hebt nu maar
een paar kernen (4-8), deze kunnen wel gameten vormen, en in dit geval dus sperma. De distale cap
cell is dus nodig om het mitotische compartiment te onderhouden.
De DTC is nodig om cellen in mitose te onderhouden. Je zoekt dus een worm met het fenotype
zonder mitotisch compartiment. Na veel screenen zijn er 3 genen gevonden: glp-1, lag-2 en lag-1. Bij
dieren met loss of function van deze genen zie je een verlies aan mitotische cellen. Als je de genen
hebt, moet je de pathway nog vinden (je wilt ze orderen).
Dit doe je aan de hand van dubbel mutanten. Je neemt aan dat de 3 genen in dezelfde pathway
liggen. Door de mutanten te combinereren kun je kijken of het fenotype verder aangedaan wordt.
Om ze te orderen heb je een omgekeerd fenotype nodig, vervolgens kun je kijken welke fenotype er
door komt. Om genen ten opzichte van elkaar te orderen maak je gebruik van mutanten die bij
voorkeur omgekeerd zijn (beste indicatie dat ze in hetzelfde proces werken). Het beste zou zijn als ze
beide een loss of function zouden zijn.
Hoorcollege 1: 3 februari 2020
Ontwikkelingsbiologie: hoe kan een enkele bevruchte eicel zich ontwikkelen tot een heel organisme
met gespecialiseerde celtypes?
Voor een organisme om te vormen uit een enkele eicel moeten er veel processen plaatsvinden: cel
proliferatie, differentiatie, migratie, morfogenese, groei, celdood, homeostase.
Je begint als totipotent (cellen kunnen alles worden) en je eindigt met hooggespecialiseerde en
gedifferentieerde cellen.
Elke cel heeft dezelfde genetische informatie, en toch krijg je allemaal verschillende celtypes.
Een van de eerste processen is dat het embryo embryonale stamcellen gaat vormen. Hieruit komen
cellen die zich restricten tot een bepaald lineage. Progenitor cells zullen uiteindelijk de celcyclus
verlaten om zo in en volledig gedifferentieerde staat te komen.
Bij klassieke genetica begin je met een fenotype en kijk je dan door welk gen dit veroorzaakt wordt.
Bij reverse genetica breng je een knockout aan in een gen naar keuze en kijk je dan wat het fenotype
is wat daarbij hoort.
Genetic epistasis: je ordert in welke volgorde genen functioneren (welk gen licht upstream en welk
gen licht downstream).
Voornaamste rollen van ontwikkelingsbiologie en genetica
1. Ontdekken welke genen een biologisch proces reguleren
2. Definiëren welke en hoe genen samenwerken in een netwerk. Dit doe je aan de hand van
dubbele mutanten.
Een kip is geen goed model voor genetica (omdat er veel genen zijn en mutagenese moeilijk is). Er
zijn een paar diermodellen die de keuze zijn voor ontwikkelingsbiologie. Dit zijn de c. elegans, d.
melanogaster, zebravis en muis. Voor deze organismen zijn er zo veel genetische tools ontwikkeld
dat deze het beste bruikbaar zijn.
- Fruitvlieg is vooral een model geworden omdat hier veel tools in bekend zijn en ze makkelijk
te houden zijn.
- C. elegans is bewust gekozen voor het bestuderen van het zenuwstelsel omdat dit een
efficiënt genetisch systeem is.
- Zebravis wordt vooral gebruikt voor orgaan ontwikkelen: het is een vertebraat en is daarom
handig om te kijken naar minder fundamentele processen.
- Bij muizen kun je bijna geen forward mutagenese doen. Dit is wel heel duur, sloom en heeft
ethische bezwaren. De muis is wel goed bruikbaar voor reverse genetics: het is veel meer
vergelijkbaar aan de mens.
Wat maakt en stamcel een stamcel? 1. Het kan zelf vernieuwen, 2. Het kan differentieren in veel
verschillende celtypes.
Embryonale stamcellen worden vroeg in de embryogenese gevormd (in de blastocyst). Cellen van de
morula zijn totipotent en kunnen nog alles worden. De inner cell mass zijn niet meer totipotent
omdat ze niet de extra-embryonale weefsels kunnen vormen. Al vroeg in de ontwikkeling is er een
,beperking in wat de cellen kunnen worden (totipotent -> pluripotent -> multipotent). Alleen de
zygote is dus totipotent.
Totipotent: bevruchte eicel en de zygote na de eerste celdelingen
Plutipotent: cellen van de inner cell mass van het embryo (mammalian embryonic stem cells)
Multipotent: (unipotent) stamcellen vormen cellen van een bepaald celtype
Stam cellen worden onderhouden door asymmetrische celdeling (je krijgt een nieuwe stamcel en een
dochtercel die zich gaat specialiseren).
Cellen met hetzelfde DNA krijgen dus verschillende eigenschappen. Elke cel gebruikt dus maar een
deel van het DNA, welk deel gebruikt wordt bepaalt de identiteit van de cel. Hoe controleert de cel
welke delen er wel of niet gebruikt worden?
Regulatie van genexpressie (en dus celtype):
1. Regulatie van transcriptie (staan genen aan of uit?)
a. Chromatine regulatie
b. Transcriptie factoren
c. RNA polymerases
2. RNA level
a. Processing
b. Degradation/stabilization
c. Small RNAs (inhibitie translatie, lokalisatie naar p-bodies)
3. Protein level
a. Translatie
b. Processing
c. Lokalisatie
d. Modificatie
e. Degradatie/stabilisatie
C. elegans is een simpel organisme. Het heeft maar 959 somatische cellen, hier komt de kiemlijn nog
bovenop. De kiemlijn is een soort rolband die eindigt met volldige oocyten. De embryogenese begint
dus al in de moeder. Omdat de dieren transparant zijn kun je ze echt goed bestuderen.
De c. elegans wordt in 3 dagen van ei tot
volwassene. Omdat de hele lineage bekend is kun
je heel specifiek naar mutanten kijken.
Omdat een hermafrodiet zichzelf kan bevruchten
hoef je geen kruizingen op te zetten. Het is handig
dat ze ook te kruizen zijn omdat je dan gentische
variatie kan geven. Bij een man hermafrodiet
kruizing kun je 1000 nakomelingen krijgen (bij
hermafrodiet alleen 400).
De kiemlijn is een bijzonder weefsel want het
houdt de totipotente staat (of genereert cellen die
een nieuwe generatie kunnen maken). Daarnaast
heb je alleen hier meiose, en moeten cellen dus
overgaan van mitose naar meiose. Kiemlijnen
,produceren weer kiemlijnen (een DNA kan zo worden doorgegeven). In de kiemlijn is er extra
bescherming tegen DNA-instabiliteit.
Vroeg in de ontwikkeling wordt er een kiemlijn voorloper cel gevormd, en deze wordt aan de kant
gezet. Dit is P4. Bij de gastrulatie bewegen deze precurser cellen het dier in. Bij de L1 heb je een
kleine voorloper van de gonade (van 4 cellen: 2 worden de kiemlijn (Z2 en Z3), 2 worden de
somatische gonaden (Z1 en Z4)).
Bij de L2 begint de proliferatie van de somatische gonaden en de kiemlijn. De kiemlijn migreert
vanuit het midden van het dier naar de twee uiteindes. Dan draaien ze naar de dorsale zijde en
bewegen ze terug. Zo krijg je dus een U-vormige tube.
Bij het volwassen dier vindt er alleen proliferatie van de kiemlijn plaats om oocyten te vormen.
In de kiemlijn moeten cellen overgaan van mitose naar meiose.
Binnen de kiemlijn zijn er dus meerdere interessante switches. Omdat het een buis is delen de
kernen een cytoplasma.
Bij meiose kan het enorm lang duren voor de profase voltooid is. Tijdens de profase liggen de
homologen bij elkaar. Bij de pachytene (of synapsis) worden de homologe chromosomen over de
hele lengt aan elkaar gekoppeld. Je hebt dus vier zusterchromatiden op dit punt.
, De distale tip cell is een soort kapje op de mitotische zone. Het heeft lange uitlopers over de
mitotische cellen. Als de distale tip cel uitgeschakeld wordt, krijg je een lege kiemlijn. Je hebt nu maar
een paar kernen (4-8), deze kunnen wel gameten vormen, en in dit geval dus sperma. De distale cap
cell is dus nodig om het mitotische compartiment te onderhouden.
De DTC is nodig om cellen in mitose te onderhouden. Je zoekt dus een worm met het fenotype
zonder mitotisch compartiment. Na veel screenen zijn er 3 genen gevonden: glp-1, lag-2 en lag-1. Bij
dieren met loss of function van deze genen zie je een verlies aan mitotische cellen. Als je de genen
hebt, moet je de pathway nog vinden (je wilt ze orderen).
Dit doe je aan de hand van dubbel mutanten. Je neemt aan dat de 3 genen in dezelfde pathway
liggen. Door de mutanten te combinereren kun je kijken of het fenotype verder aangedaan wordt.
Om ze te orderen heb je een omgekeerd fenotype nodig, vervolgens kun je kijken welke fenotype er
door komt. Om genen ten opzichte van elkaar te orderen maak je gebruik van mutanten die bij
voorkeur omgekeerd zijn (beste indicatie dat ze in hetzelfde proces werken). Het beste zou zijn als ze
beide een loss of function zouden zijn.
