Volgens wetenschappers van Stanford Medicine kan een klein zeedier met een vreemde levensstijl waardevolle inzichten verschaffen in menselijke neurodegeneratieve aandoeningen, zoals de ziekte van Alzheimer.

Botryllus schlosseri, ook wel een stermanteldier genoemd, is de dichtste evolutionaire verwant van de mens onder ongewervelde dieren in de zee. Gehecht aan rotsen langs de kust, lijkt het een klein bloemvormig organisme. Stermanteldieren beginnen hun leven als kleine kikkervisjesachtige wezens met twee hersenen, die in de oceaan zwemmen. Maar uiteindelijk drijven ze van het oppervlak naar beneden, vestigen zich in een stationair leven op een rots en voegen zich bij een kolonie andere manteldieren.

Naarmate de manteldier, ook bekend als zeeschede, zich aanpast aan zijn nieuwe bank-aardappel-levensstijl, verliest hij hersenkracht:een van de twee hersenen, het gebruik ervan voor zeevaart nu achterhaald, begint op te lossen. De manier waarop de hersenen van ongewervelden degenereren en verdwijnen, heeft belangrijke parallellen met de manier waarop de hersenen degenereren bij menselijke neurale aandoeningen, zei Irving Weissman, MD, directeur van het Institute for Stem Cell Biology and Regenerative Medicine.

In een paper gepubliceerd op 11 juli in de Proceedings of the National Academy of Sciences , Weissman en zijn collega's toonden aan dat veel van de genen die geassocieerd zijn met neurodegeneratie in Botryllus analogen hebben met de genen die geassocieerd zijn met neurodegeneratie bij mensen. Bovendien, zeiden de onderzoekers, beïnvloeden genetische veranderingen die zich gedurende tientallen jaren in de Botryllus-kolonies hebben opgebouwd, neurodegeneratie op veel van dezelfde manieren als leeftijdsgerelateerde genetische veranderingen neurodegeneratie bij oudere mensen beïnvloeden.

Weissman en andere wetenschappers denken dat Botryllus de hedendaagse vertegenwoordiger is van het begin van de gewervelde tak van de levensboom. Elk dier met een ruggengraat, denken ze, is als eerste geëvolueerd uit deze kleine zeemanchet.

"Hoewel het pad dat naar de mens leidde, zich ver terug in de tijd splitste, kunnen de essentiële dingen hetzelfde blijven", zei Weissman, de Virginia en D.K. Ludwig Professor in Clinical Investigation in Cancer Research, en is de co-senior auteur van het artikel met wetenschapper Ayelet Voskoboynik, Ph.D., die studies leidt over dit mariene organisme op Stanford's Hopkins Marine Station in Pacific Grove. Postdoctoraal wetenschapper Chiara Anselmi, Ph.D., is de eerste auteur van het artikel.

Parallellen trekken

De levenscyclus van Botryllus biedt veel voordelen als modelorganisme voor onderzoek naar neurodegeneratie:elke week reproduceert elk Botryllus-organismen in een kolonie zich ongeslachtelijk en produceert twee tot vier knoppen die nieuwe organismen worden. Elke knop voltooit zijn ontwikkeling binnen twee weken, leeft een week als volwassene en verslechtert en sterft op de laatste dag van de derde week.

De onderzoekers dachten oorspronkelijk dat het aantal Botryllus-neuronen gedurende het grootste deel van de laatste week van het volwassen stadium stabiel zou blijven, zei Anselmi. Maar dat is niet wat ze zagen. "Er is een specifiek patroon van neurale degeneratie," zei ze. "Van de ongeveer 1.000 genen die betrokken zijn bij neurale degeneratie, ontdekten we dat 428 genen zijn die worden gedeeld door mensen en Botryllus."

Naast hun snelle levenscyclus biedt Botryllus nog een ander voordeel als onderzoeksmodel:het lijkt net als mensen mutaties in zijn genen te accumuleren. De Botryllus-kolonies in dit onderzoek bestaan ​​al meer dan 20 jaar. Omdat de organismen in de kolonie zich ongeslachtelijk voortplanten via een stamcelgemedieerd proces, zijn hun stamcellen de enige cellen in de kolonies die door de jaren heen in stand worden gehouden, en hoogstwaarschijnlijk accumuleren ze in de loop van de tijd defecten op dezelfde manier als menselijke genen.

Oudere stamcellen, kleinere hersenen

Oudere mensen ontwikkelen vaker een neurodegeneratieve ziekte dan jongeren, en menselijke neurale stamcellen zijn minder actief als ze ouder zijn dan wanneer ze jong zijn. Een soortgelijk patroon wordt gezien in oude Botryllus-kolonies.

"Er gebeurt onderweg iets met de stamcellen in de kolonie en na 20 jaar kunnen ze niet regenereren zoals ze deden toen ze jong waren," zei Voskoboynik. "Er is een vermindering van neuronen van bijna 30% in individuele hersenen in de oude kolonie en, zelfs op het hoogtepunt van neurale ontwikkeling, kunnen de oudere kolonies de neurale generatie van jonge kolonies niet evenaren. Het is verbazingwekkend dat je in een ongewervelde dezelfde veranderingen in genen van jong tot oud kunt zien die je ziet bij ouder wordende mensen."

Bovendien delen de manteldieren in de ouder wordende kolonies een moleculaire gelijkenis met mensen die de ziekte van Alzheimer hebben, de neurodegeneratieve ziekte die gewoonlijk in de laatste decennia van het leven toeslaat, zei Voskoboynik. Een van de kenmerken van de ziekte van Alzheimer is een opeenhoping van amyloïde plaques, die ontstaan ​​wanneer amyloïde voorlopereiwitten (APP) samenklonteren. "Wanneer individuen in de bejaarde kolonies die aseksuele cyclus doorlopen, maken ze niet alleen veel minder neuronen, maar hebben die neuronen ook veel APP," zei Weissman.

Omdat niemand de oorzaak van de ziekte van Alzheimer of de betekenis van amyloïde plaques in de neuronen kent, hopen de onderzoekers dat Botryllus een krachtig platform kan zijn voor het bestuderen van de ziekte.

"We kunnen gemakkelijk elke week 250 nakomelingen creëren en verschillende aspecten van hun neurale ontwikkeling en degeneratie bestuderen. We kunnen bijvoorbeeld specifieke paden blokkeren die kunnen leiden tot amyloïde-accumulatie of andere aspecten van de neurodegeneratie van Alzheimer," zei Weissman.