Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Convergentie van de zandloper

Een recent onderzoek naar de embryologie van planten wijst uit dat ook planten, net als dieren, een fenomeen presenteren dat erop lijkt te wijzen dat de evolutie van het embryo een bepaalde wet volgt. Er is in dit onderzoek gekeken naar welke genen er afgeschreven worden gedurende de verschillende stadia van het embryo van de zandraket (Arabidopsis Thaliana), het laboratoriumplantje bij uitstek. Het blijkt dat er ook gedurende de ontwikkeling van de plant een zogenaamde zandloper te ontdekken valt.

Zandloper voor het rijk der dieren

Zandraket

In een eerder blogbericht werd de embryologie van verschillende dieren bekeken voor wat betreft de verschillende stadia. Men weet al langer dat de embryo’s van heel uiteenlopende dieren veel en zeker meer op elkaar lijken dan de volwassen vormen. Je zou verwachten dat de embryo’s in hun eerste stadia veel op elkaar lijken, maar dat is niet het geval. Voor wat betreft de morfologie blijkt er een soort zandloper te bestaan: de embryo’s lijken halverwege hun ontwikkeling het meest op elkaar. Daarvoor en daarna presenteren ze verschillen. Men heeft vervolgens kunnen aantonen dat deze verschillen en overeenkomsten zich ook laten zien in het transscriptoom, ofwel in het totaal aan afgelezen genen. Het bleek dat gedurende de stadia waarin de dieren morfologisch het meest verschillen, dus op het niveau van de ‘schouders’ van de zandloper, de afgelezen genen de meest ‘jonge’ genen waren op de evolutieschaal. Op niveau van het ‘middel’ werden de oudste genen afgelezen. Dus op niveau van het ‘middel’ lijken de embryo’s van de verschillende dieren niet alleen meer op elkaar, ook voor wat betreft de expressie van de genen komen ze overeen want de oudste genen lijken per definitie ook het meest op elkaar. Kortom , de zandloper in de embryologie wordt ook op moleculair niveau bevestigd.

Het is wel heel bijzonder dat hetzelfde lijkt te gebeuren in planten. Hoewel er geen vergelijking gemaakt kan worden voor wat betreft de morfologie blijkt door vergelijking van het transscriptoom van verwanten van de zandraket dat er ook hier sprake is van een zandloper. Het moet wel of deze zandloper is onafhankelijk van de dierenwereld geëvolueerd. De twee rijken zijn immers al van elkaar gesplitst voordat meercellige organismen zich begonnen te ontwikkelen. De auteurs benadrukken dat gedurende de ontwikkeling van het embryo de oude genen voortdurend actief zijn. Het zijn de jongere genen die aan het begin en het eind van de ontwikkeling actief worden. Misschien heeft het feit dat gedurende de eerste fase van het embryo jongere genen uitdrukt worden te maken met het feit dat zowel planten als dieren van het water naar het land zijn verhuisd en daar vaak verdere ontwikkelingen hebben ondergaan zoals het verschil in sporen en zaden of in visseneitjes, vogeleieren of interne eitjes. Ze moesten als het ware flexibel zijn en ontwikkelden nieuwe genen die het mogelijk maakten nieuwe omgevingen te exploreren.

Uit: Nature

 

13 Reacties op “Convergentie van de zandloper

  1. Rob van der Vlugt oktober 23, 2012 om 15:13

    Marleen,

    Begrijp ik goed dat het uitgesloten is dat het smalle deel in de zandlopers van planten en dieren toch niet een overblijfsel is uit de ééncelligentijd ? Een stadium dat geconserveerd is in ál het leven op aarde misschien ?

  2. Marleen oktober 23, 2012 om 15:24

    Rob,
    De auteurs van het artikel houden het op convergentie van de zandloper tussen planten en dieren. Het is moeilijk voor te stellen hoe een dergelijke opeenvolging van fasen heeft kunnen evolueren toen de cel nog eencellig was. Eerst zullen de planten en dieren multicellulair geworden moeten zijn om uberhaupt van embryogenesis te kunnen spreken.

  3. harry pinxteren november 3, 2012 om 13:02

    marleen

    je zou verwachten dat je met bouwen begint met de oudste genen en niet pas halverwege.

    zo hebben we bijvoorbeel heel erg oude genen voor de bouw en koppeling van neuronen. Beginnen die niet meteen? Omdat ze misschien toch laat nog iets zijn gemuteerd? zoiets…?

  4. Marleen november 3, 2012 om 13:57

    Harry, je hebt volkomen gelijk ! Het is niet zo dat de oude genen alleen aangaan tijdens de taille van de zandloper, nee, ze staan voortdurend aan. Het zijn een eerste groep nieuwere genen die aan het begin aanstaan en een tweede groep nieuwere die aan het einde aanstaan.

    (Het stond ook aan het eind van het bericht, laaste paragraaf).

  5. Arno Wouters november 18, 2012 om 00:46

    Bedankt voor dit stukje over deze fascinerende ontdekking. Een late reactie maar ik vind die zandloper zo interessant dat ik er graag iets meer over hoor.

    Ik snap niet hoe de genetische zandloper de morfologische zandloper zou verklaren. Bij een muziek stuk kan ik me dat wel voorstellen. Je hebt twee stukken met eenzelfde baspartij, maar de overige stemmen verschillen. Op het moment dat alle stemmen behalve de bas uitvallen klinken beide stuk hetzelfde. Maar zo werkt het niet als je aan het kleien bent. Stel ik ben samen met Jan aan het kleien aan het ene kunstwerk en samen met Piet aan het andere. Ik doe in beide kunstwerken hetzelfde maar Jan en Piet niet. Het is dan zeer onwaarschijnlijk dat op het moment dat Jan en Piet ophouden beide kunstwerken er precies hetzelfde uitzien. De embryonale ontwikkeling heeft volgens mij meer weg van kleien dan van muziek maken. Conclusie: Jan en Piet (de genen die aan het begin van de ontwikkeling actief zijn) doen hun best om vanuit een verschillend uitgangspunt tot eenzelfde middenstadium te komen. Dat is toch wel heel bijzonder!

    Mijn vragen: klopt mijn conclusie? zo ja, wat is de verklaring? Betekent dit dat er maar een heel beperkt aantal bouwplannen (phylotypic stages) verdere ontwikkeling mogelijk maakt? En hoe ging dat in de evolutie? Is de phyloptypic stage van een bepaald fylum een aantal malen onafhankelijk ontstaan? En hebben dan (ik noem maar wat) beenvissen en reptielen geen gemeenschappelijke voorouder binnen het fylum Chordata (geen gemeenschappelijke voorouder die tevens voorouder is van bijvoorbeeld insekten of zelfs planten?)

    • Arno Wouters november 18, 2012 om 01:37

      Bij nader inzien: de genen aan het begin van de ontwikkeling zijn jong, dat lijkt er op te wijzen dat het niet zo is dat het fylotypic stadium binnen een fylum in de loop van de evolutie een aantal malen ontstaan is. hm. Dat maakt het raadsel nog groter. Want er zijn na de gemeenschappelijke voorouder van het fylum dus kennelijk genen ontstaan die de ervoor zorgen dat de embryo’s van verschillende klassen binnen het fylum een verschillend beginpunt hebben en vervolgens weer naar elkaar toegroeien (aangenomen dat de genen kleien). Ik bedoel: Iedereen lijkt het vanzelfsprekend te vinden dat als de jonge genen stoppen de embryo’s op elkaar lijken (waarom zie je de zandloper in de genactiviteit anders als een bevestiging van de embryonale zandloper?) maar ik zie de vanzelfsprekendheid daarvan niet. Wat mis ik dat voor anderen duidelijk is?

  6. Marleen november 18, 2012 om 10:48

    Arno, dank voor je reactie.

    Gedurende de studie van fylogenie, door het vergelijken van het genoom van uiteenlopende organismen, kijkt men zo ver mogelijk terug in de tijd om te kunnen vaststellen welke de gemeenschappelijke voorouder was. De vergelijking maakt het mogelijk langs de takken van de afstammingsboom te dalen en deze gemeenschappelijke voorouder te vinden. Het verschil laat daarentegen zien hoever organismen uit elkaar staan. In deze studie is het mijns inziens niet anders. Daar waar de expressie (!) van de genen het meest overeenkomt, bevindt zich ook morfologisch gezien de meest gemeenschappelijke embryonale vorm. Dit voor wat betreft het bovenste gedeelte van de zandloper.

    Het onderste gedeelte is wat lastiger, maar is in principe hetzelfde. Des te jonger zijn de genen die uitgedrukt worden, des te verder staat de morfologie van de embryo’s uit elkaar. Hoe dit mogelijk is is inderdaad een raadsel. Maar het is mogelijk te denken dat de oude genen zich vooral bezighouden met basale ontwikkelingsfuncties zoals de celdeling, terwijl de jongere genen zich wellicht bezighouden met de differentiële productie van groeifactoren. Ik noem maar wat.

    Niemand schijnt het onderste gedeelte van de zandloper te kunnen verklaren, tenminste ik heb daar niets over kunnen vinden. Het is wel duidelijk dat er reeds in het begin veel variatie in expressie moet zijn tussen de organismen als men vogels of zoogdieren vergelijkt, zoals de groei van het embryo bovenop de eierdooier in vogels. Dit heeft dan misschien te maken met de overgang van water- naar landdieren ??

    Tussen de twee voorbeelden die je noemt van muziek en kleien, vind ik de muziek eigenlijk het beste voorbeeld, want gedurende het kleien zou jij, in tegenstelling tot Jan en Piet, heel ‘behoudend’ moeten kleien. En zou je na een bepaalde tijd (gedurende de fylotypic stage) de overhand moeten krijgen. Alleen dan gaat het voorbeeld op.

    Hier is misschien nog meer te vinden:

    http://pandasthumb.org/archives/2010/12/its-just-a-stag.html
    http://pandasthumb.org/archives/2010/12/its-just-a-stag-1.html

  7. Arno Wouters november 19, 2012 om 23:14

    Bedankt, Marleen, voor je uitleg! Ik heb inmiddels ook de drie artikelen in Nature waar je naar verwijst te pakken en doorgelezen. Ik vond ook nog een artikel van Irie & Kuratani “Comparative transcriptome analysis reveals vertebrate phylotypic period during organogenesis” in Nature Communications van 22 maart 2011.

    Om te beginnen de vraag die ik in mijn vorig commentaar stelde: Wat is de relatie tussen genexpressie en morfologische overeenkomst?

    Als de vorm op een bepaald moment bepaald wordt door de genen die op dat moment tot expressie komen (zoals wat je in de concertzaal hoort bepaald wordt door de instrumenten die op dat moment spelen) is dat duidelijk.

    Het lijkt mij echter dat de vorm van een zich ontwikkelend meercellig organisme op een bepaald moment niet alleen bepaald wordt door de genen die op dat moment actief zijn, maar ook door wat er eerder in de embryologische ontwikkeling gebeurt is. Als 2 embryo’s niet op elkaar lijken en je zet een gen dat in beide embryo’s aanwezig is en uit stond aan, dan betekent dit toch niet noodzakelijk dat die embryo’s meer op elkaar gaan lijken? Stel het ene embryo heeft twee met vocht gevulde zakjes, het andere een. Nu zet je in beide embryo’s het gen voor het vergroten van dergelijke blazen aan, dan heeft het ene embryo nog steeds twee blazen en het andere een.

    Zou het daarom niet veel eerder zo zijn dat de overeenkomst in de fylotypische periode een gevolg is van *verschillen* in genexpressie voor die periode dan van overeenkomst in genexpressie tijdens die periode? Vergelijk bijvoorbeeld de gastrula’s van een reptiel en een zoogdier. Deze verschillen morfologisch en qua gen-expressie veel meer van elkaar dan overeenkomstige embryo’s in de fylotypische periode. Het moet haast wel dat die verschillen in gen-expressie er voor zorgen dat de verschillen tussen de embryo’s verdwijnen.

    Marleen schrijft:
    [quote]Het is niet zo dat de oude genen alleen aangaan tijdens de taille van de zandloper, nee, ze staan voortdurend aan. Het zijn een eerste groep nieuwere genen die aan het begin aanstaan en een tweede groep nieuwere die aan het einde aanstaan.[/quote]

    Als ik de artikelen in Nature goed begrepen heb, klopt dit niet: ik heb begrepen dat er een groep oude genen is die gedurende de hele ontwikkeling aan staan, maar dat de fylotypische periode juist gekenmerkt doordat er een hele batterij oude genen aan gaat die na die periode niet meer actief is. Het zijn die ‘fylotypisch-typische’ genen die in hoge mate lijken overeen te komen.

    Uitgaande van mijn veronderstelling dat de vorm van een embryo in een zekere periode van ontwikkeling eerder bepaald zal worden door de genactiviteit voorafgaand aan die periode dan door de genactiviteit in die periode is dit op het eerste gezicht vreemd, vandaar het onbegrip dat ik de vorige keer uitte. Op het tweede gezicht is dit echter volstrekt logisch: kleine verschillen in genactiviteit van de ‘fylotypisch-typische’ genen zouden wel eens tot grote verschillen in de post-fylotypische genen kunnen leiden.

    Dit herinnert mij aan een andere kwestie. In een zeer lezenswaardige en amusante passage in *On Growth and Form* lacht D’Arcy Thompson Darwin hartelijk uit vanwege de ingewikkelde verklaring die de laatste geeft voor het verschijnsel dat de embryo’s van verwante dieren meer van elkaar verschillen dan de overeenkomstige volwassen dieren. Ter verklaring van dit verschijnsel postuleert Darwin twee wetten die er in moderne termen op neerkomen dat de kans dat een mutatie levensvatbaar is groter wordt naarmate deze later in de ontwikkeling optreed. Volgens D’Arcy Thompson is het allemaal veel eenvoudiger: kleine verschillen in een klein embryo leiden tot grote verschillen in een grote volwassenen.

    Diezelfde gedachte bekroop mij bij het lezen van blogbijdragen en commentaren waarin (anders dan in Marleens bijdragen) gesteld wordt dat de overeenkomst tussen de genetische zandloper en de morfologische zandloper zou aantonen dat de fylotypische periode in hoge mate geconserveerd is (geconserveerd in de zin van niet vatbaar voor evolutionaire wijziging) en het verschil tussen vogels en reptielen dus uitsluitend in de jonge genen zit. Ik zie dat niet. Waarom zou de dubbele zandloper uitsluiten dat het verschil tussen een vogel en een zoogdier op kleine verschillen in expressie tijdens de fylotypische periode berust, verschillen die later uitvergroot worden doordat er dankzij deze verschillen in de fylotypische periode in een latere periode verschillende genen geactiveerd worden?

    • Arno Wouters november 19, 2012 om 23:31

      “het verschijnsel dat de embryo’s van verwante dieren meer van elkaar verschillen dan de overeenkomstige volwassen dieren.” moet natuurlijk zijn “het verschijnsel dat de embryo’s van verwante dieren *minder* van elkaar verschillen dan de overeenkomstige volwassen dieren.”

  8. Marleen november 20, 2012 om 13:07

    Bedankt Arno voor je bijdrage en referentie die ik nog niet kende en die zeer verhelderend is.

    Allereerst voor de duidelijkheid en misschien ten overvloede: de zandlopers van planten en dieren zijn het gevolg van convergente evolutie. Ze zijn dus onafhankelijk van elkaar geevolueerd. De ‘oude’ genen die verantwoordelijk zijn voor de taille zijn dus totaal verschillend.

    http://www.nature.com/nature/journal/v490/n7418/full/nature11394.html?WT.ec_id=NATURE-20121004#/f4

    Het is waarschijnlijk juist om op theoretische basis te veronderstellen dat de morfologie van het embryo gedurende de fylotypic stage voor een belangrijk deel afhangt van de structuren die zich in de allereerste stadia ontwikkelden. Het moet daarbij wel benadrukt worden dat in werkelijkheid de verschillen in stadia als de gastrula weinig tot geen invloed hebben op de morfologie tijdens de fylotypic stage. Dit is namelijk wat men observeert. In hoeverre de observatie van de morfologische overeenkomsten accuraat is is mij niet duidelijk. Deze kan relatief oppervlakkig zijn en verwijzen naar externe structuren die na de gastrula ‘toegevoegd’ zijn en die de interne verschillen maskeren.

    Wat betreft de verschillen of overeenkomsten tussen de genen die aanstaan voor en tijdens de fylotypic stage en die verantwoordelijk zijn voor de verschillen tussen de gastrula’s en de overeenkomsten in de fylotypic stage ben ik het met je eens. Dit is overigens geheel in overeenstemming met hetgeen er in de artikelen wordt gezegd.

    We moeten wel de verschillende publicaties in Nature uit elkaar houden. De quote van mij refereert aan de situatie in de planten. Daar staan de oude genen voortdurend aan en is er een jongere groep A die voor het torpedo-stadium aanstaat en jongere groep B die daarna aanstaan.
    Kijk je daarentegen naar de andere publicaties dan heb je volkomen gelijk.

    Dat is een mooi verhaal van D’Arcy Thompson en Darwin. Ik denk overigens wel dat Darwin gelijk heeft, maar zou er aan toe willen voegen dat een mutatie makkelijker lethaal is wanneer deze gedurende de fylotypic stage voorkomt. Dat is waarom de auteurs spreken van de evolutionaire ‘constraints’ van dit stadium.

    De laatste alinea van je commentaar begrijp ik niet. Met name de zin die spreekt van ‘dubbele zandloper’.

Praat mee en laat hier uw reactie achter

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit / Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit / Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit / Bijwerken )

Google+ photo

Je reageert onder je Google+ account. Log uit / Bijwerken )

Verbinden met %s

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

Philosophy, Science, and all interesting things in between

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers op de volgende wijze: