Mitochondriën zijn kleine organellen die elke cel in ons lichaam voorzien van levensnoodzakelijke ‘brandstof’. Ze zijn dus van cruciaal belang, zeker voor onze hersenen, die enorm veel energie verslinden. In het prestigieuze vakblad Science staat deze week te lezen hoe een Belgisch team van onderzoekers onder leiding van professor Pierre Vanderhaeghen (VIB-KU Leuven, ULB) een sleutelrol voor mitochondriën bij onze hersenontwikkeling blootlegt. Mitochondriën beïnvloeden de omschakeling van stamcellen naar zenuwcellen, en ze doen dit tijdens een heel specifieke periode die bij mensen twee keer zo lang is als bij muizen. De baanbrekende bevindingen kunnen niet alleen helpen verklaren hoe de mens als soort doorheen de evolutie een groter stel hersenen ontwikkelde, maar ook hoe defecte mitochondriën kunnen leiden tot tal van hersenziekten.

Onze hersenen bestaan uit miljarden zenuwcellen die onderling erg verschillen. Zenuwcellen ontstaan wanneer stamcellen in plaats van te vermenigvuldigen, gaan differentiëren tot een bepaald type zenuwcel. Dankzij de strikte regulatie van dit proces, dat wetenschappers ‘neurogenese’ noemen, komt de enorme complexe structuur van onze hersenen tot stand. Kleine verschillen in de manier waarop stamcellen zenuwcellen worden kunnen verregaande gevolgen hebben, en hebben er wellicht mee voor gezorgd dat de hersenen van de mens steeds groter en complexer werden doorheen de evolutie.

Om inzicht te krijgen in dit proces bestudeerde prof. Pierre Vanderhaeghen (VIB-KU Leuven, ULB), een specialist in stamcel- en ontwikkelingsneurobiologie, hoe mitochondriën (kleine organellen die energie leveren in elke cel in het lichaam) zich gedragen tijdens de ontwikkeling van onze hersenen.

“Er zijn heel wat ziekten die veroorzaakt worden door defecte mitochondriën, en die gaan dikwijls gepaard met ontwikkelingsproblemen, onder andere van de hersenen,” legt Vanderhaeghen uit. “We dachten dat dit lag aan de cruciale rol van mitochondriën bij de energievoorziening van cellen, maar dit blijkt slechts een deel van het verhaal te zijn: recent stamcelonderzoek wijst uit dat mitochondriën ook een directe invloed hebben op de ontwikkeling van organen. Wij wilden nagaan of dit ook in de hersenen het geval was.”

Pierre Vanderhaeghen

Menselijke voorlopercellen met de DNA-bevattende kern rood gekleurd na celdeling en de mitochondriën groen gelabeld. Menselijke cellen met gefragmenteerde mitochondriën (boven) werden neuronen (boven), terwijl die met tubulaire mitochondriën (onder) voorlopers bleven. Voorlopercellen hebben hun DNA-bevattende kern gemarkeerd met blauw, terwijl ‘pasgeboren’ neuronen wit zijn gemarkeerd.

 

 

 

Splitsen en samensmelten

Het team van Vanderhaeghen onderzocht het verband tussen de vorm van de mitochondriën en de omschakeling van stamcel tot zenuwcel. “Mitochondriën zijn zeer dynamische organellen, die voortdurend samensmelten of opsplitsen, en we weten dat deze dynamiek verband houdt met de uiteindelijke lotsbestemming van stamcellen,” zegt Vanderhaeghen.

Ryohei Iwata, een postdoctoraal onderzoeker in het labo van Vanderhaeghen, ontwikkelde een nieuwe methode om mitochondriën heel gedetailleerd in beeld te brengen net op het moment dat stamcellen zich omzetten in zenuwcellen. “We ontdekten dat kort nadat stamcellen zich delen, de dochtercellen die verder zullen blijven delen mitochondriën hebben die samensmelten, terwijl de dochtercellen die zenuwcellen zullen worden mitochondriën hebben die in grote mate opgesplitst zijn,” zegt Iwata.

Dit bleek geen toeval: de onderzoekers toonden aan dat gesplitste mitochondriën de omzetting tot zenuwcellen stimuleren, terwijl mitochondriën die samensmelten na de celdeling er voor zorgen dat de cel zich verder blijft vermenigvuldigen.

Meer tijd

De dynamiek van het netwerk van mitochondriën is dus belangrijk bij de ontwikkeling van zenuwcellen, maar daar stopten de ontdekkingen niet.

“We stelden vast dat de invloed van die dynamiek op het verdere lot van de cel tot uiting kwam in een heel specifiek tijdsbestek, onmiddellijk na de celdeling,” zegt Pierre Casimir, doctoraatsstudent in het labo van Vanderhaeghen. "Wat het zo interessant maakt is dat die periode bij mensen twee keer zo lang is als bij muizen.”

Eerder onderzoek keek voornamelijk naar hoe verschillende factoren het lot van stamcellen beïnvloeden vooraleer ze gaan delen, maar de nieuwe resultaten tonen aan dat dit proces zich nog veel langer voortzet, zelfs tot na de celdeling. Volgens Vanderhaeghen heeft dit mogelijk interessante implicaties: “Denk maar aan celherprogrammering. Wetenschappers proberen om andere cellen rechtstreeks te herprogrammeren tot zenuwcellen, bijvoorbeeld voor therapeutische doeleinden.”

“Omdat deze periode van plasticiteit in menselijke cellen veel langer is dan in muizencellen, vermoeden we dat dit proces een rol speelt bij de ontwikkeling van de unieke hersenomvang en cognitieve vaardigheden van de mens. Het is fascinerend om te denken dat mitochondriën, kleine organellen die meer dan een miljard jaar geleden in cellen zijn geëvolueerd, mogelijk hebben bijgedragen aan de recente evolutie van het menselijk brein.”

Mitochondrial dynamics in postmitotic cells regulate neurogenesis

Iwata, Casimir & Vanderhaeghen, Science 2020

Financiering

Dit werk werd gefinancierd door subsidies van de Europese Onderzoeksraad (GENDEVOCORTEX), het Belgische FWO en FRS / FNRS, het AXA Onderzoeksfonds, de Belgische Koningin Elizabeth Stichting en de Fondation ULB (aan P.V.). R.I. werd ondersteund door een postdoctoraal mandaat van de FRS / FNRS, en P.C. heeft een doctoraatsmandaat van het FWO (dossiernummer 51989).

 

14/08/2020

Share this story

Research