schoofsPP

Hele tekst

(1)Hoe sterk gelijken we op wormen en insecten? Een (r)evolutionaire blik in de hersenen. Liliane Schoofs.

(2) VERTEBRATA VERTEBRATA. CHORDATA CHORDATA. ECDYSOZOA ECDYSOZOA. VOOROUDER VOOROUDER LOPHOTROCHOZOA LOPHOTROCHOZOA. PROTOSTOMIA PROTOSTOMIA. EUMETAZOA EUMETAZOA DEUTEROSTOMIA DEUTEROSTOMIA. BILATERIA BILATERIA. 700.000.000 jaar geleden. 1 miljard jaar geleden. MAMMALIA MAMMALIA zoogdieren zoogdieren. andere gewervelden gewervelden andere vissen, vogels vogels ... ... vissen,. ACRANIA ACRANIA schedellozen schedellozen. ECHINODERMATA ECHINODERMATA stekelhuidigen stekelhuidigen. ANNELIDA ANNELIDA ringwormen ringwormen. MOLLUSCA MOLLUSCA weekdieren weekdieren. PLATYHELMINTHES PLATYHELMINTHES platwormen platwormen. ARTHROPODA ARTHROPODA geleedpotigen geleedpotigen. NEMATODA NEMATODA rondwormen rondwormen. CNIDARIA CNIDARIA neteldieren neteldieren. PORIFERA PORIFERA sponsen sponsen.

(3) Homo sapiens. . Complex dier. . 10 biljoen cellen. . Complex leven en gedrag. . Geslachtsrijp in 11-12 jaar. . Genoom bepaald. . Experimenteel (genetisch) niet manipuleerbaar.

(4) Wat is het genoom? Een mens bestaat uit zo’n 10 biljoen cellen met elk een eigen taak..

(5) Wat is het genoom? Het belangrijkste onderdeel in de cel is de celkern..

(6) Wat is het genoom? Deze kern bevat 46 hele dunne draadjes: chromosomen..

(7) Wat is het genoom?.

(8) Wat is het genoom? Een genoom is volledige set van genetische informatie van een organisme: al zijn genen + het overige DNA.. GENOOM.

(9) Genexpressie In onze genen ligt erfelijke informatie opgeslagen. Genen bevatten de code om eiwitten te maken. Eiwitten zijn het constructiemateriaal van ons lichaam, we zijn eruit opgebouwd. Onze genen en de eiwitten bepalen hoe we in elkaar zitten.. DNA Transcriptie. = RNA. mRNA Translatie. Protein.

(10) Informatie in een gen • Een specifiek gen bevat de informatie voor de aminozuurvolgorde in een specifiek eiwit - aminozuurvolgorde bepaalt de opvouwing van het eiwit - opvouwing van het eiwit bepaalt de functie * specifieke binding van andere moleculen * katalyse van specifieke chemische reactie (als eiwit een enzym is). • Dus: een gen codeert voor een functie in de cel.

(11) Genetische informatie een simpele lineaire code. Genen coderen voor eiwitten - Genetische code is taal met slechts 4 letters A, T, G, C.

(12) Woordenboek van de genetische code: •Groepje van drie nucleotiden afgelezen en vertaald in één aminozuur.

(13)

(14) Genexpressie UIT. Niet elk gen in ons DNA wordt altijd gebruikt. Een gen wordt pas gebruikt wanneer dat nodig is. Wij noemen dit genexpressie.. AAN.

(15) Genomics . DNA sequencing: het bepalen van de vierlettertaal waaruit het DNA bestaat. Ontdekt in 1977 door Frederick Sanger. Geautomatiseerd in midden jaren 90, waardoor genoomsequencing van organismen mogelijk werd.. Bij genomics onderzoek wordt gebruik gemaakt van nieuwe technologische ontwikkelingen, waaronder computers en robots. Hierdoor is het onderzoek in een stroomversnelling terecht gekomen. Honderden, zelfs duizenden kunnen genen tegelijk onderzocht worden!.

(16) Humaan genoomproject • Nucleotiden-volgorde van volledige humane genoom bepaald - 3 miljard nucleotiden. • Samenwerking groot aantal onderzoeksgroepen - Wereldwijd - Ten dele commercieel - Klaar in 2001. • Genoomprojecten van vele andere organismen.

(17)

(18) Genomics. Het woord genomics is afgeleid van genoom. Genomics is een nieuwe discipline in de biologie, die de functies van al de genen in het genoom wil achterhalen en dit door het erfelijk materiaal (DNA) van verschillende organismen te bestuderen en te vergelijken..

(19) Drosophila melanogaster. Ontwikkeling.

(20) Caenorhabditis elegans Klein en eenvoudig diertje: 1 mm lang 959 lichaamscellen, 302 zenuwcellen genoom bepaald complex leven en gedrag geslachtsrijp in 3 dagen genetisch makkelijk manipuleerbaar.

(21) Vergelijken van genomen . Vaststellingen: . nieuwe genen tot nu onbekend voor wetenschappers. D. melanogaster. . humaan genoom bevat veel minder genen dan verwacht..

(22) Geen simpele relatie complexiteit organisme Neuronen. Genoom (nucleotiden). Genen. Muis. 3,300,000,000. 25.000. 40,000,000. mens. 3,300,000,000. 25.000. ~70,000,000,000. en b eb s h 4,200,000 4,300 ten 0 men E. coli n de a l p in n 0 13,000,000 n e 6,100 Gist A N ë tD e i e ib f h m an 302 80,000,000 18,200 Worm (nematode) a v e g d i u m o v m l 0 25.000 Arabidopsis (plant) So vee130,000,000 en e 250,000 140,000,000 21.000 Fruitvlieg.

(23)

(24) Hier staat het: het stukje DNA dat mensen (homo sapiens) en bonobo’s (pan paniscus) wel hebben, maar chimpansees (pan troglodytes) niet. De letters G, T, A en C staan voor de basen die de bouwstenen van het DNA vormen (bron afbeelding: Hammock & Young (2005). Microsatellite instability generates diversity in brain and sociobehavioral traits. Science)..

(25) “It is not just apes, flies and worms are our cousins too” Genen fruitvlieg en worm lijken op die van de mens • deel van chromosoom 2 van fruitvlieg • gemarkeerde genen ook bij de mens gevonden.

(26) “It is not just apes, flies and worms are our cousins too”.

(27) Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.. De Hox genen Volwassen vlieg. Fruitvlieg chromosoom. Antennapedia complex bithorax complex. lab. Embryo (10 uur). pb. Dfd Scr Antp. Ubx abd-A Abd-B.

(28)

(29) Muis chromosomen. Hox-2 Hox-1 Hox-3 Hox-4. vlieg chromosoom. muis embryo. muis. fruitvlieg embryo. fruitvlieg Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display..

(30) Voorbeeld: Pax6 mutanten Humane erfelijke aandoeningen. Drosophila mutant Punzo et al,2001. Glaser et al. Nat Genet 7: 463-471 (1994). Muis mutant.

(31) Genetische informatie volledig uitwisselbaar. • Veel genen bijna hetzelfde in verschillende organismen. • Gen uit ene organisme functioneert prima in andere.

(32) Gelijkaardige genen zijn al vroeg in de evolutie ontstaan. 600 miljoen jaar geleden.

(33) Niet enkele gelijkenissen in architectuur lichaamsbouw, Ook in het functioneren van de hersenen.

(34) De hersenen. maken neuropeptiden-hormonen, de belangrijkste regulatoren van fysiologische processen •Spijsvertering •Vetmetabolisme •Voortplanting •Homeostase •Gedrag.

(35) Voorbeeld 1: Voortplantingshormonen.

(36) De hypothalamus hypofyse gonaden - as Hypothalamus (–). Inhibitie. (–). GnRH. Inhibitie. (+) (–). (–). Inhibitie. Inhibitie. oestrogenen. LH. FSH (+). (+). progesterone. eierstok. secondaire geslachtskenmerken. (+). eierstok. (+). Oögenese.

(37) Genoom annotatie / Gen voorspelling.

(38) “The clickable genome”: speuren in genoom naar geconserveerde sequenties Bioinformatische zoekprogramma’s.

(39) Conservering van GnRH. Protostomia. Deuterostomia.



(42) Vergelijking GnRH sequenties lengte: 9 – 12 aa geamideerd (\ nematoden) 1st aa: pyroglutamaat. Protostomia. Protostomia en Echinodermata: F(S/T)-motief Chordata: WS-motief. Deuterostomia.

(43) Vergelijking GnRH sequenties lengte: 9 – 12 aa geamideerd (\ nematoden) 1st aa: pyroglutamate. Protostomia. Protostomia en Echinodermata: F(S/T)-motief Chordata: WS-motief Protostomia en oude Deuterostomia: W vanaf Amphibia: W verloren. Deuterostomia. Æ GnRH bij alle dieren: gemeenschappelijke voorouder.

(44) Ce-GnRH expression. Ce-GnRH: enkel in neuronen van L4 stadium (laatste stadium voor volwassen worm).

(45) GnRH beïnvloedt eileg bij C. elegans Uitstel van eileg Algemene daling van aantal eitjes Ce-GnRHR Ce-AKH Ce-GnRHR + Ce-AKH control. *P < 0,05. **P < 0,005. ***P < 0,0005.

(46) GnRH beïnvloedt eileg bij C. elegans Uitstel van eileg Algemene daling van aantal eitjes . . . ~ uitstel van eicelrijping en uitstel van puberteit bij de mens. mutatie in humane GnRHreceptor hypogonadism Æ belang van HPO as.

(47) 2. Eetgedrag en metabolisme. - Hart en vaataandoeningen - Diabetes - Hoge bloeddruk - Galblaas dysfunctie - Ademhalingsproblemen - Sommige vormen van kanker. 1.6 miljard met overgewicht 400 miljoen obese 1/3 in US 1/7 in België. Onderzoekers hopen met de toepassing van genomicstechnieken de sleutelprocessen in kaart te brengen die leiden tot een verstoorde stofwisseling..

(48) Cholecystokinine, functie in spijsvertering, vetmetabolisme en verzadiging. . . 265 neuropeptiden in C. elegans, waaronder CCK Kan C. elegans gebruikt worden om metabolische fysiologie te bestuderen?.

(49) CCK sequentie is gelijkend bij wormen, mensen en vliegen. Janssen et al., Endocrinology 2008.

(50) Wat is de functie van het homologe CCK in de worm? Omgekeerde genetica. 1) In welke cellen komt CCK gen tot expressie? GFP-fusie construct in transgene dieren.

(51) Wat is de functie van het homologe CCK in de worm? Omgekeerde genetica 1) In welke cellen komt gen x tot expressie? 2) Wat is het effect van uitschakelen van gen x?. 3) Wat is het effect van overexpressie van gen x? Extra kopieën van gen in transgene dieren.

(52) 4) Gedrag karakteriseren Vergelijking mutant- wildtype. 5) Welke cellen zijn hierbij betrokken? Cellen inactiveren Cellen activeren Genen terugbrengen in bepaalde cellen.

(53) Gedragsanalyse van CCK mutanten: functionele gelijkenissen. WT. WT. WT. WT. Janssen et al., Endocrinology 2008.

(54) Een ander peptide, Neuropeptide Y, stimuleert het hongergevoel bij mensen en bij vliegen. • overexpressie van neuropeptide Y gen bij vliegen: stimulatie van voedselopname •→ grotere en dikkere fruitvliegen (Lee et al., 2004).

(55) Voorbeeld 3: De biologisch klok.

(56) Na een weekend lekker lang uitslapen is het op maandag vaak moeilijk opstaan. Blijkbaar is onze biologische klok snel gewend aan de dag die later begint. En hoe komt het dat je op dinsdagochtend alweer makkelijker opstaat? . Earth’s rotation. I don’t like mondays. 24 h dag/nacht ritme Slaap/waak ritme, lichaamstemperatuur, bloeddruk, hormoonspiegels, eetgedrag.

(57) Be ruled by time, the wisest counselor of all! (Perikles). Verstoord circadiaan ritme Æjet lag, migraine, slaapstoornissen, Delayed Sleep Phase syndrome, gastrointestinale stoornissen, depressie, cardio-vasculaire problemen, kanker, overgewicht, diabetes,. symptoom van neurogeneratieve aandoeningen (Alzheimer) en andere ouderdomsziekten.

(58) Het ritme van de aan-uit relatie tussen period en timeless bepaalt het ritme van de circadiane activiteit.

(59) Neuropeptide dat gedrag bepaalt CYC CYC. CLOCK. Output genes (PDF). Light Light. E-Box. CRY CYC CYC. CLOCK. per/tim. E-Box. P TIM. PER. TIM. P TIM. Dimerization and stabilization. PER. P DBT DBT. PER.

(60)

(61) Drosophila neuropeptide ‘Pigment dispersing factor’ (PDF) = output signaal dat het ritme gedicteerd door de hersenen dicteert aan het gedrag. Species Crustacean PDH Uca pugilator (1) Cancer magister (2) Callinectes sapidus (3) Orconectus limosus (4) Penaeus vannamei (5) Pandalus borealis (6) Insect PDF Gryllus bimaculatus (7) Acheta domesticus (8) Romalea microptera (9) Meimuna opalifera (10) Drosophila melanogaster (11) Phormia regina (12) Musca domestica (12) Bombyx mori (13) Nematode PDF Caenorhabditis elegans (14) Caenorhabditis elegans Caenorhabditis briggsae Caenorhabditis briggsae. Peptide sequentie NSELINSILGLP-KVMNDAamide NSELINSILGLP-KVMNDAamide NSELINSILGLP-KVMNDAamide NSELINSILGLP-KVMNEAamide NSELINSLLGIP-KVMNDAamide NSGMINSILGIP-RVMTEAamide NSEIINSLLGLP-KVLNDAamide NSEIINSLLGLP-KVLNDAamide NSEIINSLLGLP-KLLNDAamide NSEIINSLLGLP-KVLNDAamide NSELINSLLSLP-KNMNDAamide NSELINSLLSLP-KNMNDAamide NSELINSLLSLP-KSMNDAamide NADLINSLLALP-KDMNDAamide SNAELINGLIGMDLGKLSAVamide SNAELINGLLSMNLNKLSGAamide SNAELINGLIGMDLGKLSAVamide SNAELINGLLSMNLNKLSGAamide.

(62) PDF is ook een klokgen bij C. elegans N2. pdf-1 mutant. Reversal frequency 12. Reversal frequency (# min-1). *** 10. *** 8. 6. * 4. 2. pdf-2 overexpressin. 0. T. 6) 99 1 m. e + + df + cu -1 -2 f f p tor s d e d t r p p ep -1 -1( c f f e r pd pd W. overexpression n > 12 Saigusa et al. 2002. * P < 0,1 **. P < 0,01. *** P < 0,001.

(63) Time-lapse film (60’) : acceleration = 75. WT. X. pdf-1 mutant.

(64) Voorbeeld 4: regulatie van slaap. Bijna alle dieren slapen = een soort aan/uit-mechanisme Zodra neurotransmitters vrijkomen, treedt behoefte aan slaap op. Dit mechanisme is gelukkig zeer flexibel. Als het nodig is kan het uitgesteld worden.

(65) •Slapen 6-12 u per nacht •Gevoelig voor cafeïne •Onderhevig aan klokgenen •Verminderde alertheid na slaaptekort. Welke genen zijn betrokken bij slaap? Voorwaartse genetica Selecteer mutanten met slaap-assay . mutageen. . Identificeer gemuteerd gen.

(66) Welke genen zijn betrokken bij slaap? Voorwaartse genetica Selecteer mutanten met slaap-assay . mutageen. . Identificeer gemuteerd gen.

(67) Fruitvliegen zijn zeer geschikt om ‘slaap’ te bestuderen. Potjes manueel schudden. . . Vroeger: potje per potje Nu houdt robot de vliegen wakker: Hoge doorvoer en geautomatiseerde studie Mutanten (minisleeper): ionkananaal in hersencellen. . Mensen hebben gelijkend gen.. . Probleem: Minisleeper vliegen leven korter.

(68) Screen naar mutanten Zoek genen die opgereguleerd zijn bij slaap(deprivatie). Genetische slaapstoornis. Maak knockout. Zoek homologen.

(69) De moleculaire en cellulaire basis van gedrag.

(70) De moleculaire en cellulaire basis van gedrag.

(71) Voorbeeld 5: Leergedrag Gemuteerde fruitvliegen worden getest in een vluchtsimulator, waaraan geuren (aangename prikkels) al dan niet samen met electrische schokken worden toegediend..

(72) Leergedrag . . . . Bepaalde mutanten kunnen niet leren Vliegen zonder GABA (een neurotransmitter in de hersenen) leren beter. Vliegen met te weinig slaap leren minder goed Vliegen met een goede dosis dopamine kunnen wel goed leren zonder slaap.

(73) Waar zijn de genen actief?.

(74) Voorbeeld 6: Drugverslaving is een sociaal en medisch probleem Weinig is geweten over onderliggende mechanismen.

(75) Dronken fruitvliegen. Flies in the "booze-o-mat".. . Our laboratory is using the fruit fly Drosophila, with its accessibility to genetic and molecular analysis, to help establish the missing links between genes and drug-induced behaviors.. Ulrike Heberlein.

(76)

(77) Dronken fruitvliegen.

(78)

(79) Nicotine, cocaïne toediening. • genetische basis van drug-geïnduceerd gedrag. • neuroanatomische locatie van drug activiteit en de relatie met specifiek gedrag. • integratie van moleculaire gegevens, genetische gegevens, gedragsanalyses en neuroanatomische gegevens zal leiden tot een beter begrip van drug-geïnduceerd gedrag niet alleen bij de fruitvlieg, maar eventueel ook bij de mens.

(80) Homophila: speuren naar menselijke ziektegenen in het Drosophila genoom.

(81) . Tot slot: enkele bedenkingen:. We kunnen het genoomboek lezen, maar het moeilijkste werk moet nog komen: begrijpen wat we lezen!. Genetische informatie wordt in grote databanken opgeslagen. Ziekten worden nu sneller direct in verband gebracht met een erfelijke afwijking. Al jaren buigen geleerden zich over de vraag of psychische gedrag(safwijkingen) ook erfelijk bepaald zijn?.

(82) De mens is de meest gesofisticeerde machine met slechts 25000 onderdelen die kan denken en alle bekende fysische krachten beheerst.

(83) De mens heeft ongeveer 5 keer meer genen dan een bacterie, doch minder genen dan b.v. rijst of een vis en ongeveer evenveel genen als een muis, een worm en een vlieg (25.000 genen).

(84) Dus het aantal genen bepaalt niet de complexiteit van een organisme en een organisme is niet meer complex omdat het meer genen heeft.

(85) Darwin toonde aan dat de aardse levensvormen, en dus ook de mens, het product zijn van een geestloos, doelloos en mechanisch proces van variatie en selectie..

(86) Evolutie is een volstrekt blind proces. Denkt niets, wil niets en leidt nergens naartoe. Complexiteit is niet altijd een voordeel. Dikwijls is het een nadeel! Natuurlijke selectie werkt conservatief: Organismen zijn geprogrammeerd op het behoud van egoïstische moleculen, de genen.

(87) Het proces van de evolutie, waarbij het leven is ontstaan, valt terug te brengen op het kopiëren van genen met een langere overlevingskans (longevity), hogere reproduceerbaarheid (fecundity) en betrouwbaarheid (copying-fidelity). (Dawkins).

(88) Intelligentie is niet het doel van het leven, doch eerder een bijproduct van de evolutie. Het doel is het voortbestaan van de genen. genen Slechts de mens is in staat een controle uit te oefenen op de dictatuur van het gen. Het gen kan worden gecontroleerd voor het welzijn van de mens. Hiervoor is een grondige kennis van ons DNA-verleden noodzakelijk..

(89) Het menselijk genoom 2 x 3 miljard nucleotiden in elke cel Slechts 25000 genen - 1,5 % van DNA.

(90) De rest werd afgedaan als “junk” DNA maar blijkt het niet te zijn....

(91) Er is nog nooit zoveel belangstelling geweest voor biologie - Waarom...? - begrijpen wie we zijn - een lang(er) leven - remedie tegen al onze kwalen - ons zelf ‘verbeteren’ - Basis principes beginnen duidelijk te worden - zelfde voor alle(!) - levende wezens op deze aarde.

(92)

(93)

No results found