De vleugschijf van een fruitvliegje voor (l) en na de eversie. Donkerder grijd is de vleugelschijfzak (afb: Jana Fuhrmann et al./Science)

Een belangrijke vraag in de biologie is hoe de vorm van weefsel van meercellige organismen wordt gestuurd. Onderzoeksters rond Jana Fuhrmann van het Max Planckinstituut voor moleculaire celbiologie en genetica in Dresden denken nu een mechanisme gevonden te hebben waarmee weefsels kunnen worden ‘geprogrammeerd’ om van een platte toestand over te gaan in een driedimensionale vorm. Het is dan wel de vraag of die fundamentele vraag daarmee is beantwoord voor alle meercelligen.
Om een antwoord op die fundamentele vraag te kijken bekeken de onderzoeksters de ontwikkeling van de fruitvlieg Drosophila en zijn vleugelschijfzak, die op een ontwikkelingsmoment overgaat van een ondiepe koepelvorm naar een gebogen vouw en later de vleugel van een volwassen vlieg wordt. Ze ontwikkelden een methode om driedimensionale vormveranderingen te meten en te analyseren en hoe cellen zich tijdens dit proces gedragen.

Met behulp van een fysiek model gebaseerd op vormprogrammering ontdekten ze dat de bewegingen en herschikkingen van cellen een sleutelrol spelen bij het vormen van het weefsel. Deze vormprogrammeringsmethode zou een veelgebruikte manier kunnen zijn om weefsels vorm te geven, denken/hopen ze.
Epitheel– of dekweefsels zijn lagen van nauw verbonden cellen die de basisstructuur vormen van veel organen. Om functionele organen te creëren, veranderen weefsels hun vorm in drie dimensies. Hoewel sommige mechanismen voor ruimtelijke vormen wel zijn onderzocht, hebben dergelijke onderzoeken niet voldoende kennis opgeleverd om de diversiteit aan weefselvormen te verklaren.

Zo gaat tijdens een proces in de ontwikkeling van een fruitvlieg, de vleugelschijfeversie, gaat de vleugel over van een enkele laag cellen naar een dubbele laag. Hoe de vleugelschijfzak deze vormverandering ondergaat van een radiaalsymmetrische koepel naar een gebogen vouwvorm is onbekend.
“Om dit proces te verklaren, haalden we inspiratie uit ‘vormprogrammeerbare’ levenloze materiaalvellen, zoals dunne hydrogels, die door interne spanningen kunnen transformeren in driedimensionale vormen als ze worden gestimuleerd”, legt Natalie Dye van van de universiteit van Dresden uit. “Deze materialen kunnen hun interne structuur over het vel op een gecontroleerde manier veranderen om specifieke driedimensionale vormen te creëren. Dit concept heeft ons al geholpen te begrijpen hoe planten groeien. Dierlijke weefsels zijn echter dynamischer, met cellen die van vorm, grootte en positie veranderen.”

Voorprogrammering

Om te zien of vormprogrammering een mechanisme zou kunnen zijn om de ontwikkeling van dierlijk weefsel te begrijpen, maten de onderzoeksters veranderingen in weefselvorm en celgedrag tijdens de eversie van de vleugelschijf van Drosophila, wanneer de koepelvorm transformeert in een gebogen vouwvorm.
“Met behulp van een fysiek model hebben we aangetoond dat collectief, geprogrammeerd celgedrag voldoende is om de vormveranderingen te creëren die te zien zijn in de vleugelschijfzak. Dit betekent dat externe krachten van omringende weefsels niet nodig zijn en dat celherschikkingen de belangrijkste oorzaak zijn van vormveranderingen in de zak”, zegt Jana Fuhrmann, een postdoctoraal onderzoekster in de onderzoeksgroep van Dye.

Om te bevestigen dat herschikte cellen de belangrijkste oorzaak zijn voor eversie van de zak, testten de onderzoekers dat door de celbeweging te verminderen, wat problemen veroorzaakte in het proces van weefselvorming.

Medeonderzoeker Abhijeet Krishna: “De nieuwe modellen voor vormprogrammeerbaarheid die we hebben ontwikkeld, zijn verbonden met verschillende soorten celgedragingen. Deze modellen omvatten zowel uniforme als richtingsafhankelijke effecten. Hoewel er eerdere modellen waren voor vormprogrammeerbaarheid, keken die slechts naar één type effect tegelijk. Onze modellen combineren beide typen effecten en koppelen ze rechtstreeks aan celgedragingen.”

Dye: “We ontdekten dat interne stress veroorzaakt door actief celgedrag de vorm bepaalt van de Drosophila-vleugelschijfzak tijdens eversie. Met behulp van onze nieuwe methode en een theoretisch raamwerk afgeleid van vormprogrammeerbare materialen, konden we celpatronen op elk weefseloppervlak meten. Deze hulpmiddelen helpen ons te begrijpen hoe dierlijk weefsel hun vorm en grootte in drie dimensies transformeert.”
“Over het algemeen suggereert ons werk dat vroege mechanische signalen helpen organiseren hoe cellen zich gedragen, wat later leidt tot veranderingen in de vorm van het weefsel. Ons werk illustreert principes die breder kunnen worden gebruikt om andere weefselvormende processen beter te begrijpen.”

Bron: phys.org