Wetenschap
Onthul de mysteries van celdeling in embryo's met timelapse-fotografie
Het begin van het leven is gehuld in mysterie. Hoewel de ingewikkelde dynamiek van mitose goed bestudeerd is in de zogenaamde somatische cellen – de cellen die een gespecialiseerde functie hebben, zoals huid- en spiercellen – blijven ze ongrijpbaar in de eerste cellen van ons lichaam, de embryonale cellen. Embryonale mitose is notoir moeilijk te bestuderen bij gewervelde dieren, omdat live functionele analyses en beeldvorming van experimentele embryo's technisch beperkt zijn, wat het moeilijk maakt om cellen tijdens de embryogenese te volgen.
Onderzoekers van de Cell Division Dynamics Unit van het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) hebben echter een artikel gepubliceerd in Nature Communications , samen met professoren Toshiya Nishimura van de Universiteit van Hokkaido (voorheen aan de Universiteit van Nagoya), Minoru Tanaka van de Universiteit van Nagoya, Satoshi Ansai van de Universiteit van Tohoku (momenteel aan de Universiteit van Kyoto) en Masato T. Kanemaki van het National Institute of Genetics.
De studie zet de eerste grote stappen in de richting van het beantwoorden van vragen over embryonale mitose, dankzij een combinatie van nieuwe beeldvormingstechnieken, CRISPR/Cas9-technologie voor genoombewerking, een modern eiwit-knockdown-systeem en medaka, of Japanse rijstvis (Oryzias latipes).
De timelapses die ze hebben geproduceerd, helpen bij het beantwoorden van fundamentele vragen over het ingewikkelde proces van het gelijkmatig verdelen van chromosomen tijdens embryonale mitose, en brengen tegelijkertijd de volgende grens van wetenschappelijk onderzoek in kaart. Professor Tomomi Kiyomitsu, hoofdauteur van het onderzoek, beschrijft de timelapses als volgt:"Ze zijn prachtig, zowel op zichzelf als omdat ze een nieuwe basis leggen voor het ophelderen van embryonale mitose."
Centraal in het mysterie van embryonale mitose staat de cruciale stap wanneer de chromosomen, die alle genetische informatie van de cel bevatten, op één lijn worden gebracht en gelijkmatig worden gescheiden in dochtercellen. Een belangrijke speler in dit proces is de mitotische spil, die is gemaakt van microtubuli – lange eiwitvezels die worden gebruikt voor de intracellulaire structuur en transport – die uitstraalt vanuit tegenovergestelde polen van de spil en zich hecht aan de chromosomen in het midden. De spil vangt de gedupliceerde chromosomen op de juiste manier op en verdeelt ze tijdens de deling gelijkmatig over de dochtercellen.
Er zijn veel factoren die de vorming van de spindel bepalen, en een daarvan is het eiwit Ran-GTP, dat een essentiële rol speelt bij de celdeling van vrouwelijke voortplantingscellen, die geen centrosomen hebben – celorganellen die verantwoordelijk zijn voor de assemblage van microtubuli – maar niet in kleine somatische cellen. die wel centrosomen hebben. Het is echter lange tijd onduidelijk geweest of Ran-GTP nodig is voor de assemblage van spindels in vroege embryo's van gewervelde dieren, die centrosomen bevatten maar unieke kenmerken hebben, zoals een grotere celgrootte.
In tegenstelling tot vroege embryo's van zoogdieren zijn embryonale cellen in vissen transparant en ontwikkelen ze zich synchroon in een uniform, eencellig laagvel, waardoor ze aanzienlijk gemakkelijker te volgen zijn. De Medaka bleek bijzonder geschikt voor de onderzoekers, omdat deze vissen een breed temperatuurbereik verdragen, dagelijks eieren produceren en een relatief klein genoom hebben.
Omdat ze temperatuurtolerant zijn, kunnen de medaka-embryocellen bij kamertemperatuur overleven, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor lange, live timelapse-fotografie.
Het feit dat medaka vaak eieren produceren en een relatief kleine genoomgrootte hebben, maakt ze goede kandidaten voor CRISPR/Cas9-gemedieerde genoombewerking. Met deze technologie hebben de onderzoekers genetisch gemodificeerde of transgene medaka gecreëerd waarvan de embryonale cellen letterlijk de dynamiek benadrukken van bepaalde eiwitten die betrokken zijn bij mitose.
Bij het bestuderen van de tijdsverloop van de zich ontwikkelende mitotische spindel in levende, transgene medaka-embryo's ontdekten de onderzoekers dat grote vroege embryo's unieke spindels samenstellen die verschillen van somatische spindels. Bovendien speelt Ran-GTP een beslissende rol bij de vorming van spoeltjes in vroege embryonale delingen, maar het belang neemt af in embryo's in een later stadium. Dit komt mogelijk doordat de spilstructuur opnieuw wordt gemodelleerd naarmate de cellen kleiner worden tijdens de ontwikkeling, hoewel de exacte reden een onderwerp is voor toekomstig onderzoek.
De onderzoekers ontdekten ook dat de vroege embryonale cellen geen speciaal controlepunt voor de assemblage van de spindels hebben, wat kenmerkend is voor de meeste somatische cellen en dat ervoor zorgt dat de chromosomen goed uitgelijnd zijn vóór de segregatie.
Zoals professor Kiyomitsu zegt:"Het controlepunt is niet actief en toch zijn de chromosoomsegregaties nog steeds zeer nauwkeurig. Dit kan worden verklaard door het feit dat embryonale cellen zich zeer snel moeten delen, maar het is iets dat we verder willen bestuderen."
Hoewel het genetisch modificeren van de Medaka-vis en het bestuderen van de vroege embryo's tot nieuwe belangrijke inzichten in de embryonale mitose hebben geleid, is dit nog maar het begin voor professor Kiyomitsu en het team.
Naast vragen met betrekking tot de afnemende rol van Ran-GTP in latere stadia en het ontbrekende controlepunt voor de spindelassemblage, wijst hij op de bevredigende symmetrie van celdelingen in de timelapses. "De spilformatie wordt gekenmerkt door een hoge mate van symmetrie, omdat de cellen zich lijken te delen in de grootte en gedefinieerde richtingen, en de spil zich consistent in het midden van de cellen bevindt. Hoe kan de spil zichzelf zo regelmatig over de cellen oriënteren , en hoe kan het elke keer het centrum vinden?"
Naast de timelapse hoopt het team deze nieuwe basis verder te verstevigen met extra medaka-genlijnen die kunnen dienen als modellen voor onderzoek in embryonale cellen, en tegelijkertijd het genoombewerkingsproces kunnen optimaliseren.
Uiteindelijk wil het team de generaliseerbaarheid van hun bevindingen testen door embryonale mitose in andere organismen te bestuderen, en in een later stadium willen ze de evolutie van de spilassemblage en embryonale delingen onderzoeken, wat ook zou bijdragen aan een beter begrip van de menselijke embryogenese. en aan de ontwikkeling van de diagnose en behandeling van menselijke onvruchtbaarheid.
‘Met dit artikel hebben we een solide basis gelegd’, zegt professor Kiyomitsu, ‘maar we hebben ook een nieuwe grens geopend. Embryonale mitose is mooi, mysterieus en uitdagend om te bestuderen, en we hopen dat we met ons werk uiteindelijk kom een beetje dichter bij het begrijpen van de ingewikkelde processen aan het begin van het leven."