Stichting FOM
17 december 2009, 2009/47
Diffusie kan genexpressiepatronen minder diffuus maken
De ontwikkeling van een embryo wordt gestuurd door ruimtelijke
patronen van genregulerende eiwitten die het lot bepalen van elke cel
in het embryo. Recente experimenten hebben laten zien dat deze
patronen zeer precies zijn, ondanks dat de synthese van de
genregulerende eiwitten stochastisch van aard is. Onderzoekers van het
FOM Instituut AMOLF en het John Innes Centre in Engeland hebben nu een
wiskundig model ontwikkeld dat deze paradox kan verklaren. Hun model
laat zien dat diffusie van de genregulerende eiwitten een cruciale rol
speelt: diffusie kan, verrassend, de ruimtelijke patronen scherper
maken. De onderzoekers publiceren hun resultaten op 17 december in het
toonaangevende tijdschrift Physical Review Letters.
Figuur 1. Biciod-Hunchback systeem in de fruitvlieg Drosophila
vergroten Figuur 1. Biciod-Hunchback systeem in de fruitvlieg
Drosophila
Figuur: (A) Embryonale cel van de fruitvlieg Drosophila. Bicoid is
rood gekleurd en Hunchback groen. (B) Gemiddelde concentratieprofiel
van Bicoid en enkele instantane concentratieprofielen van Huncbback.
De twee stompe pijlen geven de breedte van de grens van het Hunchback
expressiedomein aan.
Alle cellen in ons lichaam bevatten het zelfde DNA, en toch is niet
elke cel hetzelfde: een hartcel verschilt bijvoorbeeld sterk van een
levercel. Deze verschillen ontstaan doordat tijdens de embryonale
ontwikkeling in de cellen verschillende genen worden aangezet. Dit
proces van celdifferentiatie moet ruimtelijk gecoördineerd worden,
opdat cellen weefsels en organen kunnen vormen die een duidelijke
ruimtelijke structuur hebben. Deze aansturing vindt plaats via
ruimtelijke patronen van genregulerende eiwitten. Zij zorgen ervoor
dat de juiste genen in cellen op de juiste plaats worden aangezet.
Dit proces is wellicht het best begrepen voor het zogenaamde
Biciod-Hunchback systeem in de fruitvlieg Drosophila. Bicoid is een
genregulerend eiwit dat een exponentiële concentratiegradiënt vormt in
de lengterichting van het embryo. Eén van de genen dat Bicoid moet
activeren is hunchback. Dit gen wordt tot expressie gebracht
(`aangezet') wanneer de concentratie van Bicoid boven een bepaalde
drempelwaarde ligt, met als gevolg dat de concentratie van Hunchback
hoog is in de voorste helft van het embryo en laag in de achterste
helft. Recente experimenten hebben nu laten zien dat fluctuaties in de
positie waar de concentratie van Hunchback zijn half-maximale waarde
bereikt minimaal zijn, namelijk minder dan één cel. Dit betekent dat
de twee helften van het embryo heel nauwkeurig bepaald zijn. Wát deze
grens nu zo scherp maakt was echter niet begrepen: omdat de synthese
van Hunchback een stochastisch proces is, was de verwachting dat de
grens van het expressiedomein diffuus zou zijn.
De onderzoekers van het AMOLF en het John Innes Centre hebben een
wiskundig model opgesteld dat de experimentele waarnemingen
kwantitatief kan beschrijven. Bovendien laat hun model zien dat
diffusie van Hunchback essentieel is voor het vormen van een scherpe
grens tussen het voorste en het achterste deel van het embryo.
Diffusie leidt er namelijk toe dat de Hunchback moleculen die door een
sterke fluctuatie in korte tijd in een cel geproduceerd worden, snel
verspreid worden over naburige cellen, met als gevolg dat de ruis in
de concentratie van Hunchback naar beneden gaat. Diffusie kan
genexpressiepatronen dus scherper maken door fluctuaties in de
synthese van eiwitmoleculen uit te smeren over meerdere cellen. De
onderzoekers denken dat dit mechanisme, waarbij diffusie het effect
van biochemische ruis onderdrukt, ook een rol kan spelen in andere
systemen.