Tijdens de metamorfose van een eikelworm blijven veel larvale cellen behouden, terwijl hun genactiviteit sterk verandert. Dat wijst erop dat ze een andere cellulaire identiteit kunnen aannemen.
Bij de metamorfose van de eikelworm Schizocardium californicum lijken veel larvale cellen niet simpelweg te verdwijnen en plaats te maken voor nieuwe, volwassen cellen. Een deel blijft aanwezig, terwijl hun genactiviteit zo sterk verandert dat ze een andere cellulaire identiteit lijken aan te nemen. Dat schrijven Amerikaanse onderzoekers 8 september in Nature Communications.
S. californicum begint zijn leven als vrijzwemmende larve met trilhaarbanden voor voortbeweging en voedselopname. Tijdens de metamorfose verandert hij in een langgerekte bodembewoner met een gespierde slurf, kraag en romp. Hoe zo’n sterk afwijkend volwassen lichaamsplan op celniveau uit een larve ontstaat, is nog relatief slecht bekend.
Opgeruimd en vervangen?
Larvale cellen kunnen grotendeels worden opgeruimd en vervangen door nieuw gevormde volwassen cellen. Maar ze kunnen ook behouden blijven en tijdens de metamorfose een ander genetisch programma gaan draaien. Om dat uit te zoeken, brachten de onderzoekers met single-cell-rna-sequencing de genactiviteit van 87.021 afzonderlijke cellen in kaart, van vroege larve tot laat juveniel.
Uit die genactiviteit onderscheidden de onderzoekers twaalf brede celgroepen, waaronder zenuw-, darm-, spier- en afweercellen. Daaruit bleek dat bij veel cellen het levensstadium bepalender voor hun genactiviteit dan het celtype. Zo leken larvale zenuwcellen in hun genactiviteit meer op larvale darmcellen dan op zenuwcellen uit juvenielen. Vooral cellen uit de buitenste en binnenste kiemlaag, zoals zenuw- en darmcellen, vertoonden zulke grote verschuivingen. Spiercellen en andere cellen uit de middelste kiemlaag bleven juist relatief vergelijkbaar.
Vervolgens labelden de biologen delende cellen in larven met EdU, een stof die tijdens dna-replicatie wordt ingebouwd. Na 26 tot 43 dagen vonden ze gelabelde cellen terug in juvenielen, onder meer in hun slurf, kraag en zenuwweefsel. Grootschalige vervanging van alle larvale cellen lijkt daardoor onwaarschijnlijk.
Gedetailleerd
‘Dit principe is niet volledig nieuw’, zegt ontwikkelingsbioloog Ben Nelemans van de Universiteit Utrecht, niet betrokken bij het onderzoek. Ook bij andere dieren, waaronder insecten, is bekend dat metamorfose niet betekent dat alle larvale cellen vervangen hoeven te worden. ‘Bijzonder is vooral de schaal waarop ze het hier bekijken, met zoveel cellen, én dat het om een hemichordaat gaat, een diergroep die evolutionair dichter bij de gewervelden staat dan insecten. Het feit dat we het zo gedetailleerd kunnen observeren, geeft veel meer inzicht in hoe dat gebeurt.’
Nelemans ziet hierin aanwijzingen voor transdifferentiatie: gespecialiseerde cellen schakelen daarbij over naar een andere celtoestand zonder eerst volledig terug te keren naar een stamcelstadium. ‘Maar wat er nou daadwerkelijk tijdens die overgang gebeurt, zou nog veel gedetailleerder onderzocht moeten worden. Nu heb je meer een soort screenshot voor en na.’ De onderzoekers volgen dus niet continu hoe één specifieke cel verandert.
Vervolgonderzoek moet volgens hem uitwijzen wat die omschakeling precies aanstuurt en of deze cellulaire plasticiteit een bijzonder trucje van deze eikelworm is, of een algemener kenmerk van dieren met een complexe metamorfose.