Wetenschap
Hoe een dirigent chaos in vroege muizenembryo’s begrijpt
De vroege embryonale ontwikkeling is tumultueus. Het gaat om een snelle opeenvolging van gebeurtenissen, waaronder celdeling, differentiatie en veel compartimenten die binnen elke cel bewegen. Net als bij een orkestoptreden waarbij elk lid van de band op precies het juiste moment en in perfecte harmonie moet beginnen met spelen, moeten deze processen precies worden getimed en gecoördineerd om ervoor te zorgen dat het embryo zich normaal ontwikkelt.
Hoe cellen deze chaos aan het begin van de ontwikkeling van een embryo betekenis geven, is een open vraag. Het eiwit NKX1-2 speelt een cruciale rol, blijkt uit een nieuwe studie gepubliceerd in Stem Cell Reports door ICREA Research Professor Pia Cosma van het Center for Genomic Regulation (CRG) in Barcelona en professor Andrea Califano, voorzitter van de Chan Zuckerberg Biohub New York en professor aan Columbia University.
NKX1-2 gedraagt zich als de dirigent van een orkest en zorgt er vakkundig voor dat de genetische instructies voor de ontwikkeling van het embryo correct en op de juiste momenten worden uitgevoerd. Het eiwit helpt bij het beheren van de productie en organisatie van de machinerie van de cel voor het maken van eiwitten (zoals ribosomen) en is ook cruciaal voor het georganiseerd en goed verdeeld houden van chromosomen wanneer cellen delen.
Toen de onderzoekers experimenteel de functie van NKX1-2 bij muizen remden, ontdekten ze dat de nucleolus (een deel van de kern dat ribosomen assembleert) ernstig veranderd was, waardoor het vermogen van het embryo om ribosomen correct te produceren werd verstoord. Ze ontdekten ook dat de 2- tot 4-cellige embryo's de chromosomen niet correct konden verdelen tijdens de celdeling, en stopten met groeien in deze zeer vroege ontwikkelingsstadia.
“NKX1-2 behoort tot een eiwitfamilie waarvan bekend is dat ze een cruciale rol speelt in de vroege ontwikkeling en orgaanvorming. Hoewel we wisten dat leden van deze familie belangrijk waren in de algemene ontwikkeling, was de specifieke rol van NKX1-2, vooral in de vroege embryonale stadia, 'Ik begrijp het niet goed', legt Cosma uit.
"Het is intrigerend dat dergelijke mechanistische determinanten van de embryogenese kunnen worden geïdentificeerd door het samenstellen en ondervragen van een regulerend netwerk van embryonale stamcellen van muizen, met behulp van methodologieën die oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor kankeronderzoek", voegt Dr. Califano toe.
Gezien de overeenkomsten in vroege ontwikkelingsprocessen tussen muizen en mensen, bieden de bevindingen nieuwe aanwijzingen voor onverklaarde oorzaken van ontwikkelingsproblemen, waaronder miskramen. Miskramen zijn vaak het gevolg van chromosomale afwijkingen, die kunnen voortkomen uit problemen zoals die uit het onderzoek:onjuiste chromosoomsegregatie en fouten in de celdeling.
Verder onderzoek zou kunnen onderzoeken of er een menselijke tegenhanger bestaat die deze fundamentele processen beïnvloedt, zoals bij muizen, en wat er gebeurt als dit mislukt.
Ondanks het belang van NKX1-2 in de vroege embryo-ontwikkeling vermoeden de onderzoekers dat er nog meer 'geleiders' ontdekt moeten worden. "NKX1-2 wordt op zeer lage niveaus tot expressie gebracht, waardoor het uiterst moeilijk te detecteren is. Het is alsof je een speld in een hooiberg probeert te vinden met behulp van traditionele methoden in de biologie. Het herhalen van onze methoden kan helpen bij het vinden van andere zeldzame en kritische elementen die historisch gezien zijn over het hoofd gezien”, zegt dr. Cosma.