Microbiologie in hapklare porties

Natuur versus opvoeding: Waardevolle lessen van een kleine worm

Written by

De filosofische vraag waarom we doen wat we doen is al heel oud. Vorige eeuw probeerde de biologie een antwoord te geven door zich te richten op de genetica. Velen dachten dat wat wezens zijn en doen diep in hun genen is gecodeerd. In 1957 (1) begon de epigenetica zich echter te ontwikkelen en wetenschappers toonden aan dat genen op veel verschillende manieren worden gereguleerd. Het is zelfs bekend dat ervaringen de genetische expressie kunnen veranderen. Maar onderzoekers gingen nog verder. Zouden de ervaringen van een individu de genexpressie en het gedrag van hun nakomelingen kunnen veranderen? Om deze vraag te beantwoorden was en is het modelorganisme Caenorhabditis elegans van groot belang.

Wat achtergrondinformatie over C. elegans.

Deze kleine nematode is een doorzichtige worm die vaak wordt gebruikt bij genetisch en epigenetisch onderzoek. Hij kan in het lab worden gekweekt, is ongeveer 1 mm groot, krijgt ongeveer 200-300 nakomelingen in 2-3 weken en voedt zich met bacteriën (2). Ondanks zijn eenvoud deelt het veel essentiële biologische paden met complexere organismen, waaronder de mens. In zijn natuurlijke omgeving komt C. elegans in aanraking met verschillende bacteriën, waarvan sommige besmettelijk zijn. Inzicht in hoe deze wormen reageren op schadelijke bacteriën kan bredere kennis opleveren over fundamentele biologische processen.

*Afbeelding: Gewijzigd van Corsi et al, 2015.*

Vermijden van schadelijke bacteriën bij ouders en nakomelingen

Wetenschappers wilden weten of C. elegans een voorkeur ontwikkelde voor een voedselbron boven een andere. Ze voerden sommige wormen een traditionele, niet-giftige voedselbron, en andere verschillende voedselbronnen, met verschillende bacteriën die in het wild voorkomen, sommige die ziekte veroorzaken bij de wormen, en andere die dat niet doen. Na enige tijd gaven ze beide voedselalternatieven aan dezelfde wormen. In de meeste gevallen vertoonden de wormen geen sterke voorkeur, maar toen ze Pseudomonas vranovensis, een ziekteverwekkende bacterie, te eten kregen, vermeden ze actief om die opnieuw te consumeren. Niet alleen dat, maar hun directe nakomelingen vertoonden ook een vermijding van deze besmettelijke bacterie, zelfs als zij er nooit mee in contact kwamen, maar alleen hun ouders.

Transgenerationele overerving van gedrag

Toen we wisten dat het vermijden van deze bacterie werd doorgegeven van ouder op nageslacht, moesten we een nieuwe vraag beantwoorden. Zal het gedrag worden doorgegeven aan de kleinkinderen en zelfs aan volgende generaties? De onderzoekers voerden dezelfde test uit, waarbij ze niet-schadelijke bacteriën en P. vranovensis gaven aan de volgende generaties met grootouders die aan deze bacteriestam waren blootgesteld. Ze ontdekten dat de vermijding van P. vranovensis aanhield tot de 4e generatie. In de 5e en latere generaties vermeden de wormen de bacterie niet langer.

Hoe wordt dit gedrag gevormd en geërfd?

Het antwoord ligt in de machinerie binnen de kleine bacteriecellen die de wormen consumeren. Eerder is ontdekt dat C. elegans een breed scala aan moleculaire gereedschappen hebben om RNA te onttrekken aan de bacteriën die ze eten. Wanneer ze P. vranovensis eten, wordt een klein RNA, geproduceerd door de bacterie, geïdentificeerd en opgenomen door de wormen. Dit kleine RNA wordt gekopieerd en naar de sensorische neuronen gebracht.

In de sensorische neuronen wordt een gen tot expressie gebracht, dat een boodschapper-RNA maakt. Normaal gesproken zouden de cellen dit boodschapper-RNA gebruiken om een eiwit aan te maken. Maar het bacteriële RNA komt overeen met een klein deel van dit RNA en de wormencellen vernietigen vervolgens het boodschapper-RNA. En als gevolg daarvan wordt het eiwit niet aangemaakt. Kortom, een klein RNA van de bacterie reguleert de expressie van een gen in de neuronen van de wormen. Dit verandert het gedrag van de worm, waardoor hij de schadelijke bacteriën vermijdt.

Tot slot worden de kleine RNA’s van de bacterie ook doorgegeven aan de kiembaan, de cellen die nieuwe nakomelingen zullen vormen. Op deze manier zullen de RNA’s aanwezig zijn in de volgende generatie wormen, waar ze de genexpressie in de neuronen kunnen reguleren om het vermijden van de schadelijke voedselbron voort te zetten.

Waarom stopt overerving en bredere inzichten in genregulatie?

De verandering in genexpressie in de neuronen van de wormen zet aan tot het vermijden van de schadelijke bacteriën, maar ook van andere soorten bacteriën. Bovendien remmen andere kleine RNA’s van andere bacteriesoorten hetzelfde gen, waardoor dezelfde vermijding optreedt. Niet al deze soorten zijn daadwerkelijk schadelijk voor C. elegans, en de onderzoekers suggereren dat dit de reden zou kunnen zijn waarom de overerving niet wordt voortgezet na de 5e generatie.

Conclusies

Onderzoekers hebben ontdekt dat C. elegans de giftige bacterie P. vranovensis leert vermijden na opname.

Het vermijden gebeurt door klein RNA in de bacterie. Dit RNA wordt opgenomen door de wormen en veroorzaakt een verandering in de genexpressie in de sensorische neuronen van de worm.

Het RNA wordt ook doorgegeven aan de volgende vier generaties, wat een soortgelijke vermijding teweegbrengt, maar het wordt niet geërfd in verdere generaties.

Door te onderzoeken hoe ervaringen het gedrag van deze kleine nematode en hun nakomelingen gedurende meerdere generaties veranderen, hopen wetenschappers op een dag meer te begrijpen over hoe andere dieren en zelfs mensen worden beïnvloed door hun ervaringen op moleculair niveau.

Link to the original post: Ann K Corsi, Bruce Wightman, Martin Chalfie, A Transparent Window into Biology: A Primer on Caenorhabditis elegans, Genetics, Volume 200, Issue 2, 1 June 2015, Pages 387–407, https://doi.org/10.1534/genetics.115.176099

Featured image: C. elegans under a microscope. Photo by Coleen Murphy. https://www.flickr.com/photos/nihgov/30341767104

Vertaald door: Liang Hobma