Genetisch netwerk embryo-ontwikkeling nagebootst
Sander Voormolen
NRC 15 juli 2000
Het is een voorproefje van hoe het straks verder zal moeten als alle genen
van een organisme bekend zijn, maar nog altijd onduidelijk is hoe het
samenspel van al
die genen kan leiden tot het ontstaan van een compleet organisme.
Een groep Amerikaanse mathematisch biologen simuleerden in de computer de
interactie tussen vijf genen die betrokken zijn bij de de patroonvorming in
de embryonale ontwikkeling van het fruitvliegje (Nature, 13 juli).
Het genetisch mechanisme van de embryonale ontwikkeling van het fruitvliegje
is inmiddels redelijk in kaart gebracht, maar het bleek een hele opgave
dit in silico
(in de computer) na te bootsen. Van de vijf fruitvlieggenen,
met namen wingless, hedgehog, engrailed, cubitus interruptus
en patched,
is nauwkeurig bekend welke eiwitten zij produceren en hoe die elkaar activeren
en remmen. Het samenspel van deze vijf genen leidt tot een ordelijke
ontwikkeling van het embryo. Er ontstaat een aaneenschakeling van segmenten
met een moleculair gedefineerde voor- en achterkant.
Het probleem is dat
moleculair biologen wel de een op een relatie tussen twee eiwitten of tussen
een eiwit en een gen experimenteel kunnen vaststellen, maar hoe het complete
samenspel van deze genen en eiwitten tot de segmentatie leidt, was tot nu
onbekend. De modellering bleek voorwaar geen simpele taak. ``Naarmate onze
kennis toeneemt, beginnen tekeningen van genregulatienetwerken steeds meer te
lijken op explosies in een spaghetti-fabriek'', aldus het bijbehorende
commentaar in Nature.
Voor het relatief simpele model van het fruitvlieg
genen-netwerk moesten de mathematisch biologen 136 vergelijkingen in de
computer programmeren. Het werd zo complex omdat het maar liefst 48
`vrije parameters' bevatte: biologische eigenschappen van de betrokken genen
en eiwitten die nog niet bekend zijn en dus geschat moesten worden. Het ging
daarbij ondermeer om de halfwaardetijd van boodschapper-RNA's en eiwitten en
bindingssnelheden.
Bij een eerste poging slaagden de wetenschappers er niet in om met
het model een stabiel patroon op te wekken dat het ontstaan van segmenten zou
kunnen verklaren. Na enig gepuzzel en gegraaf in de moleculair biologische
literatuur vonden de onderzoekers een oplossing. Het model werd aangevuld met
twee terugkoppelingsmechanismen, waarvan het bestaan door biologen wel
vermoed werd, maar nooit onomstotelijk is bewezen. Uit 240.000 willekeurig
gekozen parametersets kwamen 1192 stabiele `oplossingen' naar voren. Gezien
de grote onzekerheden die in het model verwerkt zijn, is dit aantal goede
oplossingen verassend groot. De gen-gestuurde ontwikkeling blijkt een zeer
robuust netwerk: uiteenlopende parameterwaarden en uitgangcondities bleven
leiden tot segmentvorming. Dat kan verklaren waarom de segmentatie in de
embryonale ontwikkeling van gewervelde dieren zo sterk lijkt op die van de
fruitvlieg, toch een heel ander diertje.
Contact informatie:
Kees
Vuik
Terug naar de wi1149
pagina of de
home page
van Kees Vuik
Laatst aangepast op 29-03-2001 door Kees Vuik
Deze pagina is getyped door Thea Vuik