Van één cel naar een volledig organisme: hoe werkt dat?

Wetenschappers begrijpen vandaag vrij goed wat er gebeurt tijdens de embryonale ontwikkeling (de embryogenese), maar het blijft een mysterie hoe één cel dit proces zo nauwkeurig aanstuurt. Intuïtief lijkt het alsof de bevruchte eicel al een enorme hoeveelheid informatie moet bevatten om die ontwikkeling mogelijk te maken.

Om deze vraag beter te begrijpen, bestuderen we zakpijpen: eenvoudige zeedieren met een verrassend overzichtelijke ontwikkeling. Ze beginnen als een kleine larve en veranderen later in een vastzittend organisme dat zeewater filtert. Wat hen bijzonder maakt, is dat onderzoekers hun ontwikkeling tot in detail hebben kunnen volgen: we weten precies wanneer en waar elke cel zich deelt.

Verschillende stadia van de embryonale ontwikkeling van C. intestinalis, een soort zakpijp.

Nog opmerkelijker is dat cellen bij zakpijpen al heel vroeg “weten” wat ze zullen worden. Wanneer het embryo ongeveer 100 cellen telt, kunnen we al voorspellen welke cellen later bijvoorbeeld deel zullen uitmaken van het zenuwstelsel, de huid of het spijsverteringsstelsel. Dat maakt zakpijpen ideaal om een fundamentele vraag te onderzoeken: hoe wordt informatie in één enkele cel gebruikt om al die verschillende celtypes te bepalen?

Hoe ga je van een bevruchte eicel naar het vroege gastrulastadium, waarin de celbestemmingen (in verschillende kleuren, aangepast uit [2]) al zijn vastgelegd?

Cellen die informatie “lezen”

Zelfs in deze vereenvoudigde context blijft de vraag complex. Daarom focussen we op een van de allereerste beslissingen die cellen nemen: worden ze zenuwcellen of niet? Dit gebeurt al wanneer het embryo slechts 32 cellen telt.

Op dat moment beginnen sommige cellen een specifiek gen te activeren (Otx), wat een eerste stap is richting een neurale (zenuw-)bestemming. Dit proces wordt gestuurd door signalen tussen cellen. Je kan het zo zien: cellen “lezen” informatie uit hun omgeving en beslissen op basis daarvan wat ze zullen worden.

Maar hoe goed doen ze dat? Gebruiken cellen die informatie zo efficiënt mogelijk?

Een belangrijk element blijkt de manier waarop cellen fysiek met elkaar in contact staan. Niet alleen welke signalen ze ontvangen is belangrijk, maar ook hoe groot het contactoppervlak is tussen cellen die signalen uitzenden en cellen die ze ontvangen.

Embryo’s als communicatiesystemen

Om dit beter te begrijpen, hebben we het probleem bekeken door de bril van de informatietheorie — een vakgebied dat onderzoekt hoe informatie wordt doorgegeven.

In die context kan je het embryo zien als een communicatiesysteem:

• de signalen tussen cellen zijn de “boodschap”,

• de reactie van de cel is het “antwoord”,

• en de biochemische processen vormen het “kanaal”.

Schematische weergave van neurale inductie als een communicatiekanaal, waarbij signaalmoleculen tellen als een cel een zenucel wordt of niet.

Met behulp van een wiskundig model hebben we onderzocht of de vorm en contacten van cellen zó georganiseerd zijn dat informatie zo goed mogelijk wordt doorgegeven.

En wat blijkt? De contactoppervlakken tussen cellen in echte embryo’s liggen dicht bij de optimale waarden om informatie efficiënt over te dragen. Met andere woorden: de geometrie van het embryo lijkt niet toevallig, maar mogelijk geëvolueerd om communicatie tussen cellen zo goed mogelijk te laten verlopen.

Ons werk bouwt verder op eerder onderzoek bij fruitvliegembryo’s, waar cellen hun positie bepalen door concentratiegradiënten van moleculen te “lezen” [3]. Bij zakpijpen zien we een andere strategie: cellen onderscheiden zich door hoeveel contactoppervlak ze hebben met signaalgevende buren. In werkelijkheid gebruiken cellen waarschijnlijk beide strategieën tegelijk: ze meten hoeveel signaal er is, én hoeveel contact ze hebben met de bron van dat signaal. We onderzoeken momenteel wanneer welke strategie het meest efficiënt is — en hoe ze gecombineerd worden.

Waarom dit breder relevant is

Hoewel dit onderzoek gebeurt bij eenvoudige zeedieren, reikt de impact veel verder. De signaalroute die we bestuderen (de ERK-route) komt voor in bijna alle levende organismen, inclusief de mens. Wanneer deze communicatie verstoord raakt, kan dat leiden tot ziekten zoals kanker.

Ons werk werd recent gepubliceerd in PRX Life [5] en is het resultaat van een langdurige samenwerking met collega’s uit Frankrijk en België.

Bronnen

[1] Satoh N. Nature Reviews Genetics, 2003. https://doi.org/10.1038/nrg1042

[2] Lemaire P. Developmental Biology, 2009. https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2009.05.54

[3] Gregor T, Tank D, Wieschaus E, Bialek W. Cell, 2007. https://doi:10.1016/j.cell.2007.05.025

[4] Williaume, G., de Buyl, S., Sirour, C., Haupaix, N., Bettoni, R., Imai, K. S., Satou, Y., Dupont, G., Hudson, C., & Yasuo, H. Developmental Cell, 2021. https://doi.org/10.1016/j.devcel.2021.09.025

[5] Rossana Bettoni, Geneviève Dupont, Aleksandra Walczak*, Sophie de Buyl*. PRX Life, 2025. https://doi.org/10.1103/hskn-zdb1