Hoe sterk gelijken we op wormen en insecten? Een (r)evolutionaire blik in de hersenen. Liliane Schoofs

Transcriptie

1 Hoe sterk gelijken we op wormen en insecten? Een (r)evolutionaire blik in de hersenen Liliane Schoofs

2 VERTEBRATA CHORDATA ECDYSOZOA LOPHOTROCHOZOA PROTOSTOMIA DEUTEROSTOMIA VOOROUDER EUMETAZOA BILATERIA PORIFERA sponsen CNIDARIA neteldieren NEMATODA rondwormen ARTHROPODA geleedpotigen PLATYHELMINTHES platwormen MOLLUSCA weekdieren ANNELIDA ringwormen ECHINODERMATA stekelhuidigen ACRANIA schedellozen andere gewervelden vissen, vogels... MAMMALIA zoogdieren jaar geleden 1 miljard jaar geleden

3 Homo sapiens Complex dier 10 biljoen cellen Complex leven en gedrag Geslachtsrijp in jaar Genoom bepaald Experimenteel (genetisch) niet manipuleerbaar

4 Wat is het genoom? Een mens bestaat uit zo n 10 biljoen cellen met elk een eigen taak.

5 Wat is het genoom? Het belangrijkste onderdeel in de cel is de celkern.

6 Wat is het genoom? Deze kern bevat 46 hele dunne draadjes: chromosomen.

7 Wat is het genoom?

8 Wat is het genoom? Een genoom is volledige set van genetische informatie van een organisme: al zijn genen + het overige DNA. GENOOM

9 Genexpressie In onze genen ligt erfelijke informatie opgeslagen. Genen bevatten de code om eiwitten te maken. Eiwitten zijn het constructiemateriaal van ons lichaam, we zijn eruit opgebouwd. Onze genen en de eiwitten bepalen hoe we in elkaar zitten. DNA RNA Protein mrna Transcriptie = Translatie

10 Informatie in een gen Een specifiek gen bevat de informatie voor de aminozuurvolgorde in een specifiek eiwit - aminozuurvolgorde bepaalt de opvouwing van het eiwit - opvouwing van het eiwit bepaalt de functie * specifieke binding van andere moleculen * katalyse van specifieke chemische reactie (als eiwit een enzym is) Dus: een gen codeert voor een functie in de cel

11 Genetische informatie een simpele lineaire code Genen coderen voor eiwitten - Genetische code is taal met slechts 4 letters A, T, G, C

12 Woordenboek van de genetische code: Groepje van drie nucleotiden afgelezen en vertaald in één aminozuur

13

14 Genexpressie UIT Niet elk gen in ons DNA wordt altijd gebruikt. Een gen wordt pas gebruikt wanneer dat nodig is. Wij noemen dit genexpressie. AAN

15 Genomics DNA sequencing: het bepalen van de vierlettertaal waaruit het DNA bestaat. Ontdekt in 1977 door Frederick Sanger. Geautomatiseerd in midden jaren 90, waardoor genoomsequencing van organismen mogelijk werd. Bij genomics onderzoek wordt gebruik gemaakt van nieuwe technologische ontwikkelingen, waaronder computers en robots. Hierdoor is het onderzoek in een stroomversnelling terecht gekomen. Honderden, zelfs duizenden kunnen genen tegelijk onderzocht worden!

16 Humaan genoomproject Nucleotiden-volgorde van volledige humane genoom bepaald - 3 miljard nucleotiden Samenwerking groot aantal onderzoeksgroepen -Wereldwijd - Ten dele commercieel - Klaar in 2001 Genoomprojecten van vele andere organismen

17

18 Genomics Het woord genomics is afgeleid van genoom. Genomics is een nieuwe discipline in de biologie, die de functies van al de genen in het genoom wil achterhalen en dit door het erfelijk materiaal (DNA) van verschillende organismen te bestuderen en te vergelijken.

19 Drosophila melanogaster Ontwikkeling

20 Caenorhabditis elegans Klein en eenvoudig diertje: 1 mm lang 959 lichaamscellen, 302 zenuwcellen genoom bepaald complex leven en gedrag geslachtsrijp in 3 dagen genetisch makkelijk manipuleerbaar

21 Vergelijken van genomen Vaststellingen: D. melanogaster nieuwe genen tot nu onbekend voor wetenschappers humaan genoom bevat veel minder genen dan verwacht.

22 Geen simpele relatie complexiteit organisme E. coli Gist Worm (nematode) Arabidopsis (plant) Fruitvlieg Genoom (nucleotiden) 4,200,000 13,000,000 80,000, ,000, ,000,000 Genen 4,300 6,100 18, Neuronen Sommige amfibieën en planten hebben een veelvoud van het DNA in de mens 0 250,000 Muis 3,300,000, ,000,000 mens 3,300,000, ~70,000,000,000

23

24 Hier staat het: het stukje DNA dat mensen (homo sapiens) en bonobo s (pan paniscus) wel hebben, maar chimpansees (pan troglodytes) niet. De letters G, T, A en C staan voor de basen die de bouwstenen van het DNA vormen (bron afbeelding: Hammock & Young (2005). Microsatellite instability generates diversity in brain and sociobehavioral traits. Science).

25 It is not just apes, flies and worms are our cousins too Genen fruitvlieg en worm lijken op die van de mens deel van chromosoom 2 van fruitvlieg gemarkeerde genen ook bij de mens gevonden

26 It is not just apes, flies and worms are our cousins too

27 De Hox genen Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Volwassen vlieg Fruitvlieg chromosoom Antennapedia complex bithorax complex lab pb Dfd Scr Antp Ubx abd-a Abd-B Embryo (10 uur)

28

29 Muis chromosomen Hox-2 Hox-1 Hox-3 Hox-4 vlieg chromosoom muis embryo fruitvlieg embryo muis fruitvlieg Copyright The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

30 Voorbeeld: Pax6 mutanten Humane erfelijke aandoeningen Drosophila mutant Punzo et al,2001 Glaser et al. Nat Genet 7: (1994) Muis mutant

31 Genetische informatie volledig uitwisselbaar Veel genen bijna hetzelfde in verschillende organismen Gen uit ene organisme functioneert prima in andere

32 Gelijkaardige genen zijn al vroeg in de evolutie ontstaan 600 miljoen jaar geleden

33 Niet enkele gelijkenissen in architectuur lichaamsbouw, Ook in het functioneren van de hersenen

34 De hersenen maken neuropeptiden-hormonen, de belangrijkste regulatoren van fysiologische processen Spijsvertering Vetmetabolisme Voortplanting Homeostase Gedrag

35 Voorbeeld 1: Voortplantingshormonen

36 De hypothalamus hypofyse gonaden - as Inhibitie Hypothalamus ( ) ( ) GnRH Inhibitie ( + ) Inhibitie ( ) ( ) Inhibitie oestrogenen LH ( + ) eierstok FSH ( + ) progesterone secondaire geslachtskenmerken ( + ) ( + ) eierstok Oögenese

37 Genoom annotatie / Gen voorspelling

38 The clickable genome : speuren in genoom naar geconserveerde sequenties Bioinformatische zoekprogramma s

39 Conservering van GnRH Protostomia Deuterostomia

42 Vergelijking GnRH sequenties lengte: 9 12 aa geamideerd (\ nematoden) 1st aa: pyroglutamaat Protostomia Protostomia en Echinodermata: F(S/T)-motief Chordata: WS-motief Deuterostomia

43 Vergelijking GnRH sequenties lengte: 9 12 aa geamideerd (\ nematoden) 1st aa: pyroglutamate Protostomia Protostomia en Echinodermata: F(S/T)-motief Chordata: WS-motief Protostomia en oude Deuterostomia: W vanaf Amphibia: W verloren Deuterostomia GnRH bij alle dieren: gemeenschappelijke voorouder

44 Ce-GnRH expression Ce-GnRH: enkel in neuronen van L4 stadium (laatste stadium voor volwassen worm)

45 GnRH beïnvloedt eileg bij C. elegans Uitstel van eileg Ce-GnRHR Ce-AKH Ce-GnRHR + Ce-AKH control Algemene daling van aantal eitjes *P < 0,05 **P < 0,005 ***P < 0,0005

46 GnRH beïnvloedt eileg bij C. elegans Uitstel van eileg Algemene daling van aantal eitjes ~ uitstel van eicelrijping en uitstel van puberteit bij de mens. mutatie in humane GnRHreceptor hypogonadism belang van HPO as

47 2. Eetgedrag en metabolisme - Hart en vaataandoeningen -Diabetes - Hoge bloeddruk - Galblaas dysfunctie - Ademhalingsproblemen -Sommigevormen van kanker 1.6 miljard met overgewicht 400 miljoen obese 1/3 in US 1/7 in België Onderzoekers hopen met de toepassing van genomicstechnieken de sleutelprocessen in kaart te brengen die leiden tot een verstoorde stofwisseling.

48 Cholecystokinine, functie in spijsvertering, vetmetabolisme en verzadiging 265 neuropeptiden in C. elegans, waaronder CCK Kan C. elegans gebruikt worden om metabolische fysiologie te bestuderen?

49 CCK sequentie is gelijkend bij wormen, mensen en vliegen Janssen et al., Endocrinology 2008

50 Wat is de functie van het homologe CCK in de worm? Omgekeerde genetica 1) In welke cellen komt CCK gen tot expressie? GFP-fusie construct in transgene dieren

51 Wat is de functie van het homologe CCK in de worm? Omgekeerde genetica 1) In welke cellen komt gen x tot expressie? 2) Wat is het effect van uitschakelen van gen x? 3) Wat is het effect van overexpressie van gen x? Extra kopieën van gen in transgene dieren

52 4) Gedrag karakteriseren Vergelijking mutant- wildtype 5) Welke cellen zijn hierbij betrokken? Cellen inactiveren Cellen activeren Genen terugbrengen in bepaalde cellen

53 Gedragsanalyse van CCK mutanten: functionele gelijkenissen WT WT WT WT Janssen et al., Endocrinology 2008

54 Een ander peptide, Neuropeptide Y, stimuleert het hongergevoel bij mensen en bij vliegen overexpressie van neuropeptide Y gen bij vliegen: stimulatie van voedselopname grotere en dikkere fruitvliegen (Lee et al., 2004)

55 Voorbeeld 3: De biologisch klok

56 Na een weekend lekker lang uitslapen is het op maandag vaak moeilijk opstaan. Blijkbaar is onze biologische klok snel gewend aan de dag die later begint. En hoe komt het dat je op dinsdagochtend alweer makkelijker opstaat? I don t like mondays Earth s rotation 24 h dag/nacht ritme Slaap/waak ritme, lichaamstemperatuur, bloeddruk, hormoonspiegels, eetgedrag

57 Be ruled by time, the wisest counselor of all! (Perikles) Verstoord circadiaan ritme jet lag, migraine, slaapstoornissen, Delayed Sleep Phase syndrome, gastrointestinale stoornissen, depressie, cardio-vasculaire problemen, kanker, overgewicht, diabetes, symptoom van neurogeneratieve aandoeningen (Alzheimer) en andere ouderdomsziekten

58 Het ritme van de aan-uit relatie tussen period en timeless bepaalt het ritme van de circadiane activiteit

59 Neuropeptide dat gedrag bepaalt CYC CYC E-Box E-Box CLOCK CLOCK Output genes (PDF) per/tim Light CRY TIM PER P P TIM PER P TIM PER Dimerization and stabilization DBT DBT

60

61 Drosophila neuropeptide Pigment dispersing factor (PDF) = output signaal dat het ritme gedicteerd door de hersenen dicteert aan het gedrag. Species Crustacean PDH Uca pugilator (1) Cancer magister (2) Callinectes sapidus (3) Orconectus limosus (4) Penaeus vannamei (5) Pandalus borealis (6) Insect PDF Gryllus bimaculatus (7) Acheta domesticus (8) Romalea microptera (9) Meimuna opalifera (10) Drosophila melanogaster (11) Phormiaregina(12) Musca domestica (12) Bombyx mori (13) Nematode PDF Caenorhabditis elegans (14) Caenorhabditis elegans Caenorhabditis briggsae Caenorhabditis briggsae Peptide sequentie NSELINSILGLP-KVMNDAamide NSELINSILGLP-KVMNDAamide NSELINSILGLP-KVMNDAamide NSELINSILGLP-KVMNEAamide NSELINSLLGIP-KVMNDAamide NSGMINSILGIP-RVMTEAamide NSEIINSLLGLP-KVLNDAamide NSEIINSLLGLP-KVLNDAamide NSEIINSLLGLP-KLLNDAamide NSEIINSLLGLP-KVLNDAamide NSELINSLLSLP-KNMNDAamide NSELINSLLSLP-KNMNDAamide NSELINSLLSLP-KSMNDAamide NADLINSLLALP-KDMNDAamide SNAELINGLIGMDLGKLSAVamide SNAELINGLLSMNLNKLSGAamide SNAELINGLIGMDLGKLSAVamide SNAELINGLLSMNLNKLSGAamide

62 PDF is ook een klokgen bij C. elegans N2 Reversal frequency pdf-1 mutant 12 *** Reversal frequency (# min -1 ) WT pdf-1(tm1996) pdf-1 rescue pdf-1 + *** pdf-2 + * pdf receptor + overexpression pdf-2 overexpressin n > 12 * P < 0,1 ** P < 0,01 *** P < 0,001 Saigusa et al. 2002

63 Time-lapse film (60 ) : acceleration = 75 X WT pdf-1 mutant

64 Voorbeeld 4: regulatie van slaap Bijna alle dieren slapen = een soort aan/uit-mechanisme Zodra neurotransmitters vrijkomen, treedt behoefte aan slaap op. Dit mechanisme is gelukkig zeer flexibel. Als het nodig is kan het uitgesteld worden

65 Slapen 6-12 u per nacht Gevoelig voor cafeïne Onderhevig aan klokgenen Verminderde alertheid na slaaptekort Welke genen zijn betrokken bij slaap? Voorwaartse genetica Selecteer mutanten met slaap-assay Identificeer gemuteerd gen mutageen

66 Welke genen zijn betrokken bij slaap? Voorwaartse genetica Selecteer mutanten met slaap-assay Identificeer gemuteerd gen mutageen

67 Fruitvliegen zijn zeer geschikt om slaap te bestuderen Potjes manueel schudden Vroeger: potje per potje Nu houdt robot de vliegen wakker: Hoge doorvoer en geautomatiseerde studie Mutanten (minisleeper): ionkananaal in hersencellen Mensen hebben gelijkend gen. Probleem: Minisleeper vliegen leven korter

68 Screen naar mutanten Zoek genen die opgereguleerd zijn bij slaap(deprivatie) Genetische slaapstoornis Maak knockout Zoek homologen

69 De moleculaire en cellulaire basis van gedrag

70 De moleculaire en cellulaire basis van gedrag

71 Voorbeeld 5: Leergedrag Gemuteerde fruitvliegen worden getest in een vluchtsimulator, waaraan geuren (aangename prikkels) al dan niet samen met electrische schokken worden toegediend.

72 Bepaalde mutanten kunnen niet leren Vliegen zonder GABA (een neurotransmitter in de hersenen) leren beter. Vliegen met te weinig slaap leren minder goed Vliegen met een goede dosis dopamine kunnen wel goed leren zonder slaap Leergedrag

73 Waar zijn de genen actief?

74 Voorbeeld 6: Drugverslaving is een sociaal en medisch probleem Weinig is geweten over onderliggende mechanismen

75 Dronken fruitvliegen Flies in the "booze-o-mat".. Our laboratory is using the fruit fly Drosophila, with its accessibility to genetic and molecular analysis, to help establish the missing links between genes and drug-induced behaviors. Ulrike Heberlein

76

77 Dronken fruitvliegen

78

79 Nicotine, cocaïne toediening genetische basis van drug-geïnduceerd gedrag. neuroanatomische locatie van drug activiteit en de relatie met specifiek gedrag. integratie van moleculaire gegevens, genetische gegevens, gedragsanalyses en neuroanatomische gegevens zal leiden tot een beter begrip van drug-geïnduceerd gedrag niet alleen bij de fruitvlieg, maar eventueel ook bij de mens

80 Homophila: speuren naar menselijke ziektegenen in het Drosophila genoom

81 Tot slot: enkele bedenkingen: We kunnen het genoomboek lezen, maar het moeilijkste werk moet nog komen: begrijpen wat we lezen! Genetische informatie wordt in grote databanken opgeslagen. Ziekten worden nu sneller direct in verband gebracht met een erfelijke afwijking. Al jaren buigen geleerden zich over de vraag of psychische gedrag(safwijkingen) ook erfelijk bepaald zijn?

82 De mens is de meest gesofisticeerde machine met slechts onderdelen die kan denken en alle bekende fysische krachten beheerst

83 De mens heeft ongeveer 5 keer meer genen dan een bacterie, doch minder genen dan b.v. rijst of een vis en ongeveer evenveel genen als een muis, een worm en een vlieg ( genen)

84 Dus het aantal genen bepaalt niet de complexiteit van een organisme en een organisme is niet meer complex omdat het meer genen heeft

85 Darwin toonde aan dat de aardse levensvormen, en dus ook de mens, het product zijn van een geestloos, doelloos en mechanisch proces van variatie en selectie.

86 Evolutie is een volstrekt blind proces. Denkt niets, wil niets en leidt nergens naartoe. Complexiteit is niet altijd een voordeel. Dikwijls is het een nadeel! Natuurlijke selectie werkt conservatief: Organismen zijn geprogrammeerd op het behoud van egoïstische moleculen, de genen

87 Het proces van de evolutie, waarbij het leven is ontstaan, valt terug te brengen op het kopiëren van genen met een langere overlevingskans (longevity), hogere reproduceerbaarheid (fecundity) en betrouwbaarheid (copying-fidelity). (Dawkins)

88 Intelligentie is niet het doel van het leven, doch eerder een bijproduct van de evolutie. Het doel is het voortbestaan van de genen. Slechts de mens is in staat een controle uit te oefenen op de dictatuur van het gen. Het gen kan worden gecontroleerd voor het welzijn van de mens. Hiervoor is een grondige kennis van ons DNA-verleden noodzakelijk.

89 Het menselijk genoom 2 x 3 miljard nucleotiden in elke cel Slechts genen - 1,5 % van DNA

90 De rest werd afgedaan als junk DNA maar blijkt het niet te zijn...

91 Er is nog nooit zoveel belangstelling geweest voor biologie -Waarom...? - begrijpen wie we zijn - een lang(er) leven - remedie tegen al onze kwalen - ons zelf verbeteren - Basis principes beginnen duidelijk te worden - zelfde voor alle(!) - levende wezens op deze aarde

92