Home

De fruitvlieg en het geheim van ons bouwplan

Heb je jezelf ooit wel eens afgevraagd hoe het mogelijk is dat uit een bevruchte eicel een compleet organisme kan ontstaan, met alle organen en weefsels op de juiste plaats? Die vraag is beantwoord dankzij onderzoek aan de fruitvlieg. Bij dit kleine insect is goed te zien hoe zogenaamde Hox-genen een bevruchte eicel laten uitgroeien tot een perfect gebouwde vliegmachine, met de vleugels, ogen, antennes, poten en andere essentiële onderdelen precies op de juiste plaats. Vrijwel alle organismen hebben zo'n set genen die ervoor zorgt dat de ontwikkeling exact volgens het beoogde bouwplan verloopt.


Klein maar fijn

De fruitvlieg (Drosophila melanogaster) is drie tot vier millimeter groot en wordt al sinds het begin van de vorige eeuw op grote schaal gebruikt als modelorganisme. De Amerikaanse onderzoeker Thomas Hunt Morgan was geïnteresseerd in de principes van erfelijkheid en gebruikte fruitvliegen om daar onderzoek naar te doen. In eerste instantie koos hij fruitvliegen omdat ze eenvoudig en goedkoop te houden zijn in het laboratorium, zich snel voortplanten en veel eieren leggen.

Fruitvliegjes

Fruitvliegjes. Links een mannetje, rechts een vrouwtje. Figuur: E.M. Wallace, Carnegie Institution of Science. Gebruikt met toestemming.

Later werd ontdekt dat fruitvliegen een aantal eigenschappen hebben waardoor ze zich goed voor onderzoek naar de genen en erfelijkheid lenen. Zo hebben ze maar vier paar chromosomen (de erfelijke informatiedragers in de celkern). De mens heeft bijvoorbeeld 23 paar chromosomen. Verder zitten in de cellen van de speekselklieren van de fruitvlieglarven een soort superchromosomen, die ontstaan wanneer het DNA zich een aantal opeenvolgende keren verdubbelt, zonder dat de cel zich deelt. Die superchromosomen kun je goed zien door een microscoop. Dankzij deze twee eigenschappen is het vrij gemakkelijk om het erfelijk materiaal van de fruitvlieg te bestuderen. Verder hebben fruitvliegen bepaalde uiterlijke kenmerken, zoals kleine haartjes, ogen die uit kleinere onderdelen bestaan, en aderen in hun vleugels. Die kenmerken kan de onderzoeker veranderen door aan het DNA te sleutelen. Vervolgens kan hij eenvoudig de veranderde vlieg bekijken door een microscoop.

Superchromosoom

Een superchromosoom van een fruitvlieglarve. Figuur: University of California. Gebruikt met toestemming.

Bizar
Thomas Hunt Morgan begon meer dan een eeuw geleden onderzoek te doen aan fruitvliegen. Hij kweekte de piepkleine insecten in een speciale kamer in zijn laboratorium. Ze 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. Morgan vroeg zijn studenten mee te helpen met zijn onderzoek. 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 erfelijk materiaal) te veroorzaken bij de fruitvliegen. Samen met Bridges voerde Morgan experimenten met gemuteerde fruitvliegen. 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. 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. Na de Tweede Wereldoorlog deed hij uitvoerig onderzoek naar 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. Dat onderzoekers de functie van een gen pas ontdekken wanneer ze een gemuteerde variant van dat gen bestuderen komt vaak voor.

Antennapedia

Bithorax

 

 

 

 

 

Twee fruitvliegjes met mutaties in hun Hox-genen. Links een fruitvlieg met twee poten op zijn hoofd in plaats van antennes. Rechts een fruitvlieg met twee extra vleugels op zijn rug. Figuur links: Matthew Scott. Gebruikt met toestemming.

Het bouwplan zit in de genen
Dankzij de fruitvlieg zijn we er achter gekomen hoe het komt dat de ontwikkeling altijd volgens een bepaald bouwplan verloopt. De set genen die Lewis in 1978 voor het eerst beschreef, worden Hox-genen genoemd. 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.

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.

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.

Verder lezen
Erfelijkheid en fruitvliegen
Vliegen met overgewicht
Fruitvlieg met afstandsbediening
Fruitvliegmodel voor diabetes
Fruitvlieg valt op zijdevlinder
FlyMove
Hox-genen nog geen verklaring voor missing links

Discussiepunt voor in de klas

Het is nogal wat: vliegen met poten op hun hoofd en vliegen met vier vleugels in plaats van twee. Dat zal zon vliegje vast niet leuk vinden. Het is misschien maar een insect, maar het is wel een levend beestje. Moeten we wel sleutelen aan de basisprincipes van ons bouwplan? Komen we daarmee niet aan de essentie van het leven?

 

Tom Arends
Masterstudent Biomedical Sciences
Universiteit Leiden