Wanneer een meercellig organisme zich ontwikkelt, elke cel moet zijn plaats weten ten opzichte van alle andere cellen. Dit betekent dat cellen onderling moeten communiceren om de patronen te creëren waaruit verschillende weefsel- en celtypen ontstaan. In het geval van dieren, we weten wat de signalen en mechanismen zijn die deze patroonvormingsprocessen aansturen.

Bij planten is dat anders, omdat meercellige planten onafhankelijk van meercellige dieren zijn geëvolueerd. Professor Marja Timmermans van het Centre for Plant Molecular Biology in Tübingen heeft met collega's van Cold Spring Harbor Laboratories in New York ontdekt dat celcommunicatie tijdens het patroonvorming in planten wordt uitgevoerd via een uniek en ingewikkeld mechanisme. Planten gebruiken "kleine RNA's" als mobiele signalen. Kleine RNA's stonden voorheen bekend om hun rol in afweermechanismen tegen herbivoren of ziekteverwekkers, maar zoals de nieuwe studie aantoont, ligt er ook aan ten grondslag dat cellen in het blad de juiste identiteit aannemen in ruimte en tijd. De resultaten van dit onderzoek zijn gepubliceerd in het laatste nummer van Ontwikkelingscel .

"Onderzoek naar patroonvorming in organismen heeft een rijke geschiedenis in Tübingen, ’ merkt Marja Timmermans op. Begin jaren zeventig Hoogleraren Hans Meinhardt en Alfred Gierer, vervolgens bij het Max Planck Instituut voor Virusonderzoek, basisprincipes uitgewerkt voor hoe patroon kan ontstaan ​​in een populatie van cellen, en professor Christiane Nüsslein-Volhard, Directeur bij het Max Planck Instituut voor Ontwikkelingsbiologie, kreeg in 1995 de Nobelprijs voor haar werk aan de genetische controle van patronen in het ei van de fruitvlieg Drosophila.

Communicatie en patronen bij meercellige dieren vinden vaak plaats via mobiele signalen, die gebruik maken van concentratiegradiënten. Afhankelijk van de concentratie, en vaak op een drempelwaarde, cellen zijn gespecialiseerd in verschillende taken. Dit mechanisme blijkt nu ook bij planten te gebeuren, hoewel ze andere signaalchemicaliën gebruiken. In tegenstelling tot dierlijke cellen, plantencellen kunnen worden verbonden via plasmabruggen, waardoor regulerende factoren door het hele systeem kunnen bewegen en bijdragen aan patronen.

Marja Timmermans en haar collega's volgden aanwijzingen op die erop wezen dat kleine RNA's betrokken zouden kunnen zijn bij het vormen van plantencellen. Kleine RNA's zijn korte molecuulketens die perfect overeenkomen met bepaalde regelgevende secties van genetische informatie in DNA of RNA. Ze kunnen zich daar hechten, waardoor wordt voorkomen dat die specifieke genen worden gelezen. Kleine RNA's maken een fijnafgestemde regulering van de eiwitproductie mogelijk en daarmee ook van ontwikkelingsprocessen in de cellen.

Krachtig mechanisme voor het doorgeven van positioneringsinformatie

Met behulp van een modelplant voor genetica, Arabidopsis of rotskers, de onderzoekers onderzochten welke rol de kleine RNA's speelden bij de positionering en ontwikkeling van het nieuwe blad. Door kunstmatige kleine RNA's te introduceren, ze veranderden de concentratie van deze coördinerende elementen en observeerden hoe de cellen in het groeiende blad reageerden. "Het verrassende was dat de kleine RNA's stabiele patronen konden produceren, ", zegt Timmermans. Net als bij de mobiele signaalchemicaliën bij dieren, de kleine RNA's vormen een concentratiegradiënt. "In tegenstelling tot de conventionele ontwikkelingssignalen, kleine RNA's werken op een zeer specifieke manier, en ze kunnen direct ingrijpen in genactiviteit."

Kleine RNA's zouden daarom de activiteit van bepaalde genen kunnen reguleren, afhankelijk van hun locatie - zonder feedback van andere componenten in het proces. "Mobiele kleine RNA's bieden een krachtig mechanisme voor het doorgeven van positioneringsinformatie. Ze kunnen nauwkeurige ontwikkelingspatronen ontwikkelen, ’ vat Timmermans samen.