Nieuwe inzichten cellulaire klok dankzij onderzoek in rondwormen

Hoe meten cellen tijd? Dat is één van de grote onbeantwoorde vragen van de ontwikkelingsbiologie. Nieuw onderzoek van de Korswagen groep brengt ons een stap dichter bij het antwoord. De onderzoekers bestudeerden de timing van celmigratie tijdens de ontwikkeling van de rondworm C. elegans. In samenwerking met wiskundigen uit de Verenigde Staten voorspelden ze een mechanisme waarmee een cel heel precies kan ‘klokkijken’ en bevestigden ze in het laboratorium dat die voorspellingen klopten. De resultaten van de studie zijn op 15 mei 2023 gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift eLife.

Tijdens de ontwikkeling van een organisme is het essentieel dat cellen op het juiste moment de juiste processen uitvoeren. Individuele cellen moeten dus precies kunnen ‘klokkijken’ om te zorgen dat ze zich op het juiste tijdstip delen, specialiseren of verplaatsen, anders zal het organisme zich niet goed ontwikkelen. Hoe cellen deze processen zo precies kunnen timen, is nog grotendeels een mysterie.

Minuscule wormpjes

Om de interne klok van cellen te bestuderen, doet de Korswagen groep onderzoek met C. elegans: kleine wormpjes van ongeveer 1 mm lang. Groepsleider Rik Korswagen legt uit: “Omdat dit relatief simpele organismen zijn, zijn ze heel geschikt voor ons onderzoek. De volwassen wormen bestaan altijd uit precies 959 cellen en ontwikkelen zich allemaal op dezelfde manier. In deze studie hebben we gekeken naar de migratie van een neuroblast: een voorloper van een zenuwcel. Elke worm heeft hiervan maar één exemplaar, die zich uiteindelijk splitst en ontwikkelt tot twee zenuwcellen. Dat maakt het een stuk overzichtelijker dan in complexere organismen, waar veel meer cellen betrokken zijn die elkaar allemaal beïnvloeden.”

Aan-uitknop voor migratie

De onderzoekers bestudeerden hoe de neuroblast zich vanuit het midden van de worm naar voren verplaatst. “Eerder hebben we al achterhaald hoe de cel tijdens die migratie weet wanneer hij moet stoppen. Je zou misschien verwachten dat er op de eindbestemming een soort moleculair stopbord staat, maar we kwamen erachter dat het meer lijkt op een eierwekker. Die gaat lopen zodra de cel begint met bewegen, waarna de cel blijft bewegen totdat de wekker afgaat. Op dat moment gaat er een mechanisme in werking dat de cel afremt,” zegt Korswagen. Het afremmen van de cel wordt geregeld door een eiwit op de buitenkant van de cel, een zogenaamde Wnt-receptorEen eiwit waaraan andere eiwitten kunnen binden. De binding van een eiwit aan een receptor initieert een specifieke reactie in de cel.. Korswagen: “Vlak voordat de cel moet remmen, schiet de productie hiervan opeens omhoog. Het is echt een soort aan-uitknop voor migratie. In deze nieuwe studie hebben we verder uitgezocht hoe die aan-uitknop werkt en waarom het op die manier werkt.”

Een grafiek van een wiskundig model. — Een wiskundig model waarin de hoeveelheid van de Wnt-receptor (blauw) gereguleerd wordt door een activator (grijs), die lineair in hoeveelheid toeneemt over de tijd. Credit: Korswagen groep. Copyright: Hubrecht Institute.

Wiskundige modellen in het lab

Om deze vragen te beantwoorden, hebben de onderzoekers samengewerkt met wiskundige Andrew Mugler van de universiteit van Pittsburgh. “Deze samenwerking was mogelijk omdat we in het lab een techniek gebruiken die super kwantitatief is: smFISH. Hiermee kunnen we op het niveau van één enkele neuroblast precies tellen hoeveel kopieën van de Wnt-receptor er op verschillende tijdstippen gemaakt worden. Dat is data waar een wiskundige iets mee kan,” vertelt Korswagen. Met behulp van modellering toonden Mugler en zijn team aan dat de plotselinge toename in de hoeveelheid Wnt-receptoren een functie heeft. Het zorgt ervoor dat de timing veel preciezer is dan wanneer er een geleidelijke, lineaire toename van de receptor zou zijn. Met andere woorden: de migrerende cel weet hierdoor heel precies wanneer hij op de rem moet trappen. Korswagen vervolgt: “Ze voorspelden ook op welke manier zo’n snelle toename van de receptor aangestuurd zou kunnen worden. Namelijk door lineaire toename van een activator, een molecuul dat de productie van de receptor aanzet. Op het moment dat de hoeveelheid activator dan boven een bepaalde drempelwaarde zou komen, zou de hoeveelheid Wnt-receptoren opeens omhoogschieten en de cel stoppen met migreren. Die voorspelling namen wij mee naar het lab, om in C. elegans te testen of het inderdaad zo werkt, en dat was het geval.”

Interdisciplinaire aanpak

De kracht van deze studie zit volgens Korswagen in de samenwerking tussen verschillende disciplines. “De uitkomsten van modellen zijn niet altijd heel intuïtief, maar juist daarom levert het je nieuwe ideeën op die je anders als experimenteel bioloog misschien niet zo snel zou verzinnen. Die kun je vervolgens weer testen in het lab. Ik vond het heel mooi om te zien dat de voorspellingen uit de modellen ook echt klopten.” Aan vervolgonderzoek wordt ondertussen al hard gewerkt. “Nu we hebben aangetoond hoe een cel een heel precieze klok kan maken, zijn we bezig met een projectvoorstel om verder uit te pluizen hoe alle radertjes in die klok werken.”

Deze studie werd gefinancierd door het Human Frontier Science Program.

Publicatie

Precise temporal control of neuroblast migration through combined regulation and feedback of a Wnt receptor. Erik S. Schild, Shivam Gupta, Clément Dubois, Euclides E. Fernandes Póvoa, Marie-Anne Félix, Andrew Mugler en Hendrik C Korswagen. eLife, 2023.

Rik Korswagen is groepsleider bij het Hubrecht Institute en hoogleraar Moleculaire Ontwikkelingsgenetica bij de Universiteit Utrecht.