[Column] Hoe vinnen ledematen werden

[Wouter_Masselink]

De formatie van ledematen was essentieel voor onze verre voorouders om tijdens de evolutie het water in te wisselen voor een bestaan op het land. Dit is ruim 400 miljoen jaar geleden gebeurd. Fossielen uit deze periode laten duidelijk een transitie zien waarbij het vinblad kleiner en kleiner wordt en de spieren en botten groter en sterker worden.

 

Een vin en een ledemaat vormen in beginsel op eenzelfde manier. Beiden bestaan uit een group cellen (het mesenchyme), waar een dune laag ectoderm (Apical Ectodermal Ridge; AER) overheen ligt. De formative van een ledemaat is afhankelijk van het bestaan van een AER. Het AER geeft signalen af aan het mesenchyme om te groeien en indirect de bovenarm, onderarm en hand te vormen. In vissen ligt het net iets anders. Ook hier vormt een mesenchyme met daar overheen een AER. Het grote verschil is echter dat het AER zich dubbel vouwt. Hiermee schakelen de groei signalen van het AER uit en stopt het mesenchyme met groeien. Het dubbel gevouwen AER veranderd hiermee in de Apical Fold (AF), wat uiteindelijk een vinblad zal doen vormen. Begin jaren

’90 heeft Thorogood het klok-model geintroduceerd. In dit model verklaart hij de vin naar ledemaat transitie door een vertraging in het dubbelvouwen van het AER. Uiteindelijk is dit dubbelvouwen helemaal verdwenen bij de formative van ledematen.

 

Hoewel dit een mooie en elegante verklaring is voor het ontstaan van ledematen, is het mechanisme wat het dubbelvouwen van het AER reguleerd onbekend. Recentelijk heb ik samen met de onschatbare hulp van vele collega’s een nieuw celtype beschreven wat deze vouwing controleert. Deze cellen komen niet voor in dieren met ledematen en zijn in vissen met lob-achtige vinnen (evolutionair tussen vinnen en ledematen in) sterk in aantallen afgenomen.

 

De ontdekking van deze nieuwe cellen was, zoals zo veel dingen in de wetenschap, totaal toevallig. Tijdens microscopie op zebravis embryos zag ik een aantal cellen waarvan ik dacht dat ze spieren zouden vormen in het mesenchyme, in het AER terecht komen en hier geen spieren vormen. Dit was op zich al een verbazingwekkende observatie. Tijdens de embryonale ontwikkeling vormen zich al heel vroeg drie kiembladen (ectoderm, mesoderm, endoderm). Elk kiemblad vormt een specifieke groep weefsels die niet met elkaar zouden moeten mengen. Dit is ook het geval in de ontwikkeling van ledematen. Het mesenchyme, wat de spieren en botten vormt, heeft zijn oorsprong in het mesoderm, terwijl het AER uit het ectoderm voortkomt. Het feit dat mesoderm afkomstige cellen zich in een weefsel begeeft wat van het ectoderm afkomstig is, ging dan ook tegen elke verwachting in en was verder onderzoek waard.

 

Ik merkte op dat de infiltratie van deze nieuwe cellen in het AER vooraf gaat aan de formatie van het AF. Verdere moleculaire analyse gaf aan dat deze cellen een specifiek type collageen afscheiden, wat nodig is voor vinformatie. Om uiteindelijk aan te tonen dat deze cellen niet alleen een causaal verband maar ook een functionele rol hebben in de formatie van een vin heb ik twee manieren ontwikkeld om deze cellen te vernietigen. Een van deze methodes maakt gebruik van een laserstraal om selectief deze cellen te vernietigen onder de miscroscoop, terwijl een tweede methode gebruik maakt van een chemicalie om specifiek deze cellen te vernietigen. In beiden gevallen zagen we een vergelijkbaar effect; de vouwing van het AER gebeurde niet en het mesenchyme werd groter. De groei-factoren in het AER namen toe, wat resulteerde in een toename in celdelingen in het mesenchyme. Deze cellen noemen we dan ook Apical Fold Inducing Cells (AFICs).

 

Hoewel dit het mechanisme in zebravissen vrij duidelijk maakt was het nog maar zeer de vraag of dit inderdaad een mechanisme is wat verantwoordelijk was voor de ledemaat formatie in evolutie. Om dit te testen hebben we embryos van verschillende vissen verzameld die het hele evolutionare spectrum bestrijken, van haaien (Epaulethaai) tot straal-vinnigen (Amerikaanse lepelsteur) en lob-vinnigen (Australische longvis). We zagen dat veel AFICs zich al in een vroeg stadium in het AER van de Epaulethaai bevinden. Dit gebeurd pas op een later stadium en met minder cellen in de Amerikaanse lepelsteur. In de Australische longvis zien we uiteindelijk maar een heel klein aantal AFICs in het AER, welke op een later tijdstip –in tegenstelling tot de andere vissen- weer verdwijnen.

 

Al met al bewijst dit dat AFICs een nieuw celtype zijn wat essentieel is voor de vouwing het het AER om een vinblad te vormen. Verder zien we ook dat deze cellen tijdens de evolutie verdwenen zijn met de formatie van ledematen. Dit past perfect in het klok model van Thorogood, en beantwoord een vraag die mensen voor de laatste 25 jaar bezig heeft gehouden.

 

Lees meer over deze publicatie in het originele artikel: http://www.nature.co...ature18953.html

De blogpost op The Node: http://thenode.biolo...-land/research/

En het artikel op Scientias: https://www.scientia...maat-verklaren/