Sonnen: Signaaldynamiek Terug naar onderzoeksgroep De Sonnen-groep onderzoekt hoe signalerings pathways informatie doorgeven om de ontwikkeling en homeostase van multicellulaire systemen te regelen. Figuur 1: Overdracht van biologische informatie met signaleringsdynamiek. Informatie kan worden gecodeerd in de dynamiek van een signaleringsroute, bijvoorbeeld in oscillaties. Het signaal kan worden gedecodeerd door het signaal uit te lezen in een statische (bijvoorbeeld absoluut niveau op het tijdpunt gemarkeerd met een stippellijn) of op een dynamische manier. Signalerings pathways coördineren meercellige systemen en bepalen beslissingen over het lot van cellen. Op deze manier zijn ze absoluut essentieel voor het begeleiden van embryonale processen zoals ontwikkeling, homeostase bij volwassenen, regeneratie of de immuunrespons. Als er mutaties in signaalwegcomponenten optreden, kan dit bijvoorbeeld leiden tot ontwikkelingsmisvormingen en ziekte-ontwikkeling zoals kanker. Daarom is een van de lang bestaande vragen op het gebied van meercellige biologie hoe signaleringsroutes functioneren. Eerder is aangetoond dat biologische informatie kan worden gecodeerd in de dynamiek (d.w.z. de tijdelijke verandering) van een signaal. Het grootste deel van onze kennis tot nu toe is echter afkomstig van onderzoeken met single cellen (Sonnen en Aulehla 2014). Met nieuwe technologische vooruitgang zijn we nu in het stadium om te bestuderen hoe signaaldynamiek de ontwikkeling en de weefselhomeostase op multicellulair niveau regelt (Sonnen et al. Cell 2018, Sonnen en Merten, Dev Cell 2019). Ons werk is gericht op het begrijpen van de functie en het mechanisme van dynamische signaalcodering in multicellulaire systemen, zowel tijdens de embryonale ontwikkeling als weefselhomeostase bij volwassenen. Zie ook onze Sonnen Lab website voor meer informatie. Studie van signaleringsdynamiek We gebruiken een multidisciplinaire, kwantitatieve benadering waarbij we ontwikkelingsbiologie, biochemie en celbiologie combineren met kwantitatieve hulpmiddelen (zoals real-time imaging van dynamische signaleringsreporters en spatiotemporele verstoringen van signaleringsroutes met microfluidica) om de functie van dynamische signalering en het mechanisme van dynamische signaalcodering te onderzoeken op weefselniveau en op cellulaire en moleculaire niveaus. We behandelen twee hoofdvragen: Hoe regelen signaaldynamiek de groei en patronen tijdens de embryonale ontwikkeling? Hoe beïnvloeden signaaldynamiek de cellulaire turnover en differentiatie tijdens homeostase van volwassen weefsels? Om dit aan te pakken, gebruiken we twee modelsystemen: (1) Somitogenese is het belangrijkste modelsysteem voor de studie van dynamische signaalcodering op weefselniveau. Het beschrijft de sequentiële segmentatie van vertebrate embryo’s, die wordt bestuurd door signaleringsgradiënten en oscillaties. (2) Homeostase van de dunne darm wordt gecontroleerd door dezelfde signaalwegen die somitogenese regelen. We bestuderen hoe dynamische signaalwegen bijdragen aan homeostase van de dunne darm. We zullen de functie van dynamische signaalcodering in deze twee modelsystemen vergelijken. Figuur 3: Microfluïdisch systeem maakt manipulatie van dynamische signalering in primaire weefselculturen mogelijk. Een microfluidische opstelling bestaat uit een zelfgemaakte PDMS-chip, die wordt geperfuseerd met microfluïdische pompen waardoor primaire weefselkweek op de chip en simultane real-time beeldvorming mogelijk zijn. (Figuur aangepast van Sonnen et al. 2018.) Functioneel onderzoek naar signaleringsdynamiek met behulp van microfluidics Voor de functionele ontleding van dynamische signaalcodering moeten we de dynamica subtiel moduleren zonder de algehele signaleringsactiviteit te veranderen en het effect van een dergelijke verstoring te bestuderen. Om dit op multicellulair niveau mogelijk te maken, hebben we een microfluïdisch systeem opgezet, waarmee signaleringsdynamiek kan worden bestuurd met behulp van externe pathway-modulators met een hoge tijdelijke nauwkeurigheid. Deze opstelling maakt het bijvoorbeeld mogelijk de periode van signaleringsoscillaties te manipuleren en de faserelatie tussen meerdere oscillerende signaleringsroutes te regelen (figuur 3) (Sonnen et al. 2018). We passen dit systeem ook aan om verstoringen met hoge ruimtelijke en temporele precisie uit te voeren. Daarnaast maken we gebruik van optogenetics voor het moduleren van signaalpaden met hoge ruimtelijke en temporele precisie. Figuur 4: Somitogenese van de muis is de periodieke segmentatie van een groeiend weefsel. Hoewel de invloed van signaleringsroutes op segmentatie en patroonvorming al decennia wordt bestudeerd, wordt de controle van celproliferatie binnen het segmenteren van presomitisch mesoderm niet in detail begrepen. Signaaldynamiek tijdens ontwikkeling We gebruiken muis-somitogenese als modelsysteem voor de studie van signaleringsdynamiek tijdens de ontwikkeling. Somitogenese is de periodieke vorming van segmenten of somieten waaruit bijvoorbeeld wervels en axiale spieren groeien. Sequentiële segmentatie van het presomitische mesoderm (PSM) wordt geregeld door zowel signaleringsgradiënten als oscillaties. Oscillatory Notch, Wnt en FGF signalering vormen de zogenaamde “segmentatie klok” en bepalen de timing van de periodieke segmentatie (zie video hieronder). We hebben eerder aangetoond dat kritieke informatie voor periodieke segmentatie van de PSM gecodeerd is in de relatieve timing van Wnt en Notch signaleringsoscillaties (Sonnen et al. 2018). We willen het moleculaire mechanisme begrijpen van hoe Wnt, Notch en FGF-signaleringsroutes zijn gekoppeld en de periodieke segmentatie van de PSM regelen. We gaan ook in op de interactie van oscillaties van de signaleringspathway met andere oscillerende systemen, d.w.z. de celcyclusmachinerie (figuur 4). Dit bevordert ons begrip van de coördinatie van groei en patronen tijdens de ontwikkeling (figuur 2). Figuur 5: Visualisatie van Wnt-signaleringsactiviteit in organoïden van de dunne darm van de muis. Paneth-cellen (aangeduid met asterisken) verschaffen Wnt-eiwit om Wnt-signalering in naburige cellen te induceren, wat kan worden gevisualiseerd met behulp van een dynamische Wnt-signaleringsreporter. Signaaldynamiek tijdens homeostase bij volwassen weefsel Dynamische signalering wordt gezien bij eencellige culturen, maar ook in multicellulaire systemen. Van signaalroutes is bekend dat ze de cellulaire turnover en differentiatie tijdens weefselhomeostase regelen om de meeste volwassen weefsels constant te vernieuwen. De functie van dynamische signaalcodering in deze processen is echter nog grotendeels onbekend. Het kweken van organoïden heeft de ex vivo-kweek van volwassen weefsels mogelijk gemaakt. We combineren organoïdenkweek met dynamische signaleringsreporters (figuur 5), real-time imaging en dynamische manipulatie met behulp van microfluidica om signaalroutes te onderzoeken die celvernieuwing en differentiatie op een dynamisch en kwantitatief niveau regelen. Dit project geeft inzicht in de manier waarop universele dynamische signaalcodering voorkomt in de homeostase van volwassen weefsels en weefsels (figuur 2).
