Mechanische spanningen in vliegembryo's: een sleutel tot evolutie?

Mechanische spanningen in vliegembryo's: een sleutel tot evolutie?

Onderzoeksteams van de Universiteit van Hohenheim en het RIKEN Center in Japan hebben een uitgebreid onderzoek uitgevoerd naar mechanische stress bij vliegenembryo's. Deze spanningen ontstaan ​​tijdens de embryonale ontwikkeling wanneer cellen en weefsels botsen. Ze kunnen ernstige gevolgen hebben voor de ontwikkeling van dieren. In deze studie werden twee verschillende strategieën waargenomen voor het beheersen van deze spanningen die bij verschillende vliegsoorten ontstaan.

Een centrale focus van het onderzoek is gastrulatie, een cruciale ontwikkelingsfase waarin complexe weefsels worden gevormd uit eenvoudige cellagen. Mechanische belasting kan fatale vervormingen en misvormingen veroorzaken die de morfogenese in gevaar brengen. Vooral bij fruitvliegjes (Drosophila melanogaster) is gebleken dat een tijdelijke kopvoor fungeert als mechanisch verzamelbekken. Als de vorming van deze structuur onjuist is, treden ernstige misvormingen in het hoofd en het zenuwstelsel op.

Verschillende strategieën om met spanning om te gaan

Andere soorten vliegen, zoals Chironomus riparius, hebben daarentegen een andere strategie ontwikkeld: hun cellen delen zich schuin of verticaal, waardoor de druk op de weefselstructuur wordt verminderd. Experimentele veranderingen in de oriëntatie van celdelingen kunnen een normale embryonale ontwikkeling garanderen. Deze resultaten werden onafhankelijk bevestigd door een werkgroep van het Max Planck Instituut in Dresden en laten zien dat de evolutie verschillende oplossingen heeft opgeleverd voor het probleem van mechanische spanning.

Het belang van mechanische spanningen kan verstrekkend zijn. Ze kunnen een sleutelrol spelen bij het ontstaan ​​van nieuwe lichaamsplannen tijdens de evolutie. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Nature en bieden diepgaande inzichten in de biofysische mechanismen die aan het werk zijn in de embryonale ontwikkeling.

Gastrulatie en morfogenese

Gastrulatie, een morfogenetisch proces, zorgt voor de ruimtelijke organisatie van blastomeren in de drie kiemlagen (ectoderm, mesoderm, endoderm). Dit proces wordt gekenmerkt door de interne herstructurering van bepaalde cellen uit de buitenste laag, die wordt bereikt door veranderingen in de celvorm, met name apicale contractie. Bij Drosophila vindt invaginatie van mesoderm en endoderm plaats als collectieve weefseleenheden, niet als individuele cellen.

Een sleutel tot het begrijpen van deze processen is de rol van specifieke signaalcomponenten zoals het morfogeen Spätzle, dat een gradiënt in transcriptionele activiteit tot stand brengt. Dit leidt tot de expressie van gevouwen gastrulatie en T48. Deze factoren zijn cruciaal voor de apicale vormveranderingen die nodig zijn voor gastrulatie. Actines en myosine 2 zijn de belangrijkste eiwitten die de contractiele eigenschappen van cellen controleren, waardoor de weefselsculpterende functie wordt bevorderd.

Een andere interessante ontdekking is dat mechanische feedback de celvorm en het gedrag tijdens gastrulatie beïnvloedt. Dit gebeurt doordat spanning de organisatie en contractiele kracht van myosine 2 controleert. Een dergelijke dynamiek is cruciaal voor het behouden van de weefselintegriteit en het bevorderen van gecoördineerde morfogenetische bewegingen.