Home
Dier
Proefdieren
Bouwplan-mysterie opgelost met fruitvlieg!

Bouwplan-mysterie opgelost met fruitvlieg!

Ooit wel eens afgevraagd hoe het mogelijk is dat uit 1 bevruchte eicel een compleet organisme kan ontstaan, met alle organen op de juiste plaats? Het antwoord weten we dankzij onderzoek aan de fruitvlieg: Hox-genen zorgen ervoor dat een bevruchte eicel uitgroeit tot een perfect gebouwde vliegmachine. Vrijwel alle organismen hebben zo'n set genen.

: Fruitvliegjes. Links een mannetje, rechts een vrouwtje. Illustratie: E. Wallace

Drosophila melongaster

De Amerikaanse onderzoeker Thomas Hunt Morgan begon meer dan een eeuw geleden onderzoek te doen aan de drie tot vier millimeter grote fruitvlieg (Drosophila melanogaster). Hij was geïnteresseerd in de principes van erfelijkheid. Hij koos in eerste instantie fruitvliegen voor zijn onderzoek, omdat ze eenvoudig en goedkoop te houden zijn in het laboratorium, zich snel voortplanten en veel eieren leggen.

Geniaal

: Een superchromosoom van een fruitvlieglarve

Later bleek dat fruitvliegen heel geschikt zijn voor onderzoek naar de genen en erfelijkheid door een aantal eigenschappen. Opvallend zijn superchromosomen die in de cellen van de fruitvlieglarven zitten. Deze ontstaan wanneer het DNA zich een aantal opeenvolgende keren verdubbelt zonder dat de cel zich deelt. Je kunt de superchromosomen goed door een microscoop zien. Verder hebben fruitvliegen maar vier paar chromosomen (de erfelijke informatiedragers in de celkern). Ter vergelijking: de mens heeft 23 paar chromosomen. Door beide eigenschappen is het vrij gemakkelijk om het erfelijke materiaal van de fruitvlieg te bestuderen. Ook hebben fruitvliegen bepaalde uiterlijke kenmerken, zoals kleine haartjes, facetogen en aderen in hun vleugels. Door aan het DNA te sleutelen kan een onderzoeker deze kenmerken veranderen en de veranderde vlieg met de microscoop bekijken.

In de vliegenkamer

Thomas Hunt Morgan kweekte de piepkleine insecten in een speciale kamer in zijn laboratorium. De fruitvliegen gedijden uitstekend in deze vliegenkamer. Al snel klaagde Morgan dat hij tot over zijn oren in de vliegen zat en hij besloot hulp in te schakelen van studenten. Eén van die studenten was Calvin Bridges. Samen met hem ontdekte Morgan hoe het gen dat de oogkleur bepaalt in de volgende generaties tot uitdrukking komt. Later begon Morgan samen met Bridges chemicaliën en röntgenstraling te gebruiken om met opzet mutaties (veranderingen in het erfelijke materiaal) te veroorzaken bij de fruitvliegen. Ook voerden ze samen experimenten met gemuteerde fruitvliegen uit. Soms ontstonden er door de mutaties fruitvliegen met een bizar uiterlijk, exemplaren met lichaamsdelen te veel of op de verkeerde plaats op het lichaam. Zo waren er fruitvliegen met een extra paar poten op hun kop waar normaal de antennes zitten, en fruitvliegen met een extra paar vleugels op hun rug waar normaal slechts kleine uitsteeksels zitten.

Bizar uiterlijk

De Amerikaanse onderzoeker Edward Lewis was erg geïnteresseerd in deze misvormde fruitvliegen. Hij vermoedde dat er iets vreemds was gebeurd met de genen van deze fruitvliegen. In 1978 publiceerde hij een artikel waarin hij aantoonde waardoor het bizarre uiterlijk werd veroorzaakt. Hij liet zien dat er veranderingen waren opgetreden in een tot dan toe nog onbekende set genen.

: Twee fruitvliegjes met mutaties in hun Hox-genen. Links een fruitvlieg met twee poten op zijn hoofd in plaats van antennes. Figuur: Matthew Scott.

: Rechts een fruitvlieg met twee extra vleugels op zijn rug

Het bouwplan zit in de genen

Die onbekende set genen waar Lewis over schreef zijn de Hox-genen. Deze set genen ontdekt in de fruitvlieg lost het mysterie van hoe het komt dat de ontwikkeling altijd volgens een bepaald bouwplan verloopt op.

Tijdens de ontwikkeling van de fruitvlieg in het ei vormt het lichaam zich onder andere door een reeks segmenten die achter elkaar liggen. In het begin zijn al die segmenten hetzelfde, maar al gauw gaat elk segment er anders uitzien. Daar zorgen de Hox-genen voor, die vroeg in de ontwikkeling aangezet worden.

In de fruitvlieg bestaan twee groepen Hox-genen. De ene groep zorgt ervoor dat de segmenten van de buik en borst zich verschillend ontwikkelen, terwijl de andere groep ervoor zorgt dat er een verschil ontstaat tussen het hoofd en de borst. De Hox-genen coderen voor eiwitten die andere genen aan of uit zetten. Die eiwitten werken op hun beurt weer samen met andere eiwitten die genen aan of uit zetten. Zo ontstaat een ingewikkeld mechanisme waardoor uiteindelijk elk segment er anders uit gaat zien.

Waar een vleugel of een poot?

Maar hoe weten die Hox-genen nou waar precies op de vlieg een vleugel moet komen en geen antenne? Nog voordat de Hox-genen er aan te pas komen, zijn al in alle segmenten bepaalde andere genen geactiveerd die elk segment zijn eigen karakter geven. De eiwitten waar die genen voor coderen laten zo aan de Hox-genen blijken waar ze zich in het lichaam bevinden. Het gevolg hiervan is dat bijvoorbeeld in de nek andere Hox-genen geactiveerd zijn dan in de buik. Als de Hox-genen eenmaal op een bepaalde plaats in het lichaam geactiveerd zijn, onthouden ze waar ze zich bevinden.

Vlieg versus mens

De volgorde en eigenschappen van de Hox-genen bij de fruitvlieg en de mens komen grotendeels overeen. Hieraan kan je zien dat de fruitvlieg en de mens, hoe verschillend ook van elkaar, aan elkaar verwant zijn. Bij de mens regelen de Hox-genen onder andere de aanleg van de armen en benen, bepaalde delen van de hersenstam, delen van de nek en het gezicht, en de wervelkolom. Dat zie je bij jezelf nog terug in bijvoorbeeld de ruggenwervels. Alle wervels lijken qua opbouw sterk op elkaar, maar ze zijn allemaal net een beetje anders. Daar zijn je Hox-genen verantwoordelijk voor geweest.