De buitenaardse stamcellen van Octopus vulgaris - Van bloedcel tot neuron

Meercellige dieren beschikken over diverse zenuwstelsels, die variëren van diffuse zenuwnetten in Cnidaria en zee-egels tot gecentraliseerde zenuwstelsels in ringwormen, geleedpotigen en vertebraten. Cefalopoden worden vaak vergeten in deze lijst, hoewel hun hersenen ongewoon groot, gecentraliseerd en geconnecteerd zijn in vergelijking met andere weekdieren en invertebraten. Hoe dit bekomen werd en of er een gemeenschappelijke basis is voor het bouwen van complexe zenuwstelsels, is momenteel niet geweten. Daarom kan het bestuderen van de mechanismen betrokken bij neurogenese in het dierenrijk helpen om de evolutie van complexe zenuwstelsels te ontrafelen. In de afgelopen decennia heeft onderzoek naar neurogenese zich grotendeels gericht op vertebraten (vooral muizen en vissen) en geleedpotigen (Drosophila). Onderzoek van soorten uit de derde grote groep binnen Bilateria, de Spiralia, is echter schaars en werd meestal uitgevoerd op ringwormen. Vooral uit het fylum van weekdieren ontbreken veel gegevens, hetgeen het onmogelijk maakt om de oorspronkelijke staat van het urbilaterale zenuwstelsel te reconstrueren. Daarom beoogt dit proefschrift de cellulaire en moleculaire mechanismen die aan de basis van neurogenese in de cefalopod Octopus vulgaris liggen, te achterhalen. Tot dusver heeft het meeste onderzoek naar het centraal zenuwstelsel van cefalopoden zich gericht op morfologische beschrijvingen en gedragsexperimenten. Genoom- en transcriptoom data die de laatste 5 jaar gepubliceerd zijn, maken studies op moleculair niveau eindelijk mogelijk. Dit proefschrift draagt daarom bij aan het op de kaart zetten van Octopus vulgaris als modelorganisme, met behulp van zowel traditionele als state-of-the-art technieken.

Het eerste doel in dit proefschrift was het opzetten van een gestandaardiseerd systeem dat de ontwikkeling van octopusembryo’s toelaat, op plekken zonder directe toegang tot zeewater. We verschaften ook een bijgewerkte atlas van de embryonale ontwikkeling van O. vulgaris en brachten verschillende atlassen van cefalopoden samen, waardoor embryo’s van octopussen, inktvissen en zeekatten nu gemakkelijker met elkaar vergeleken kunnen worden. Het tweede doel in dit proefschrift was om neurogenese in een ontwikkelend octopusembryo in kaart te brengen op moleculair niveau. Door de expressie van homologen die betrokken zijn bij neurogenese in het dierenrijk te bestuderen, hebben we de spatiotemporele patroonvorming in het zich ontwikkelende centrale zenuwstelsel van de octopus gekarakteriseerd. Meer specifiek hebben we in situ hybridisatie gebruikt om de expressie van de HMG-box transcriptiefactor soxB1, bHLH transcriptiefactoren ngn, ascl1 en neuroD, het RNA-bindend eiwit elav en merkers voor maturerende neuronen zfh1, t3mo en slc6A1 in kaart te brengen, tijdens organogenese en maturatie van O. vulgaris. Deze studie toonde aan dat merkers voor neurale progenitorcellen (Ov-soxB1, Ov-ngn en Ov-ascl1) tot expressie gebracht worden buiten de zich ontwikkelende cords, in de laterale lippen die de ogen omringen. Daaropvolgende celcyclusstudies (in kaart brengen van de expressie van Ov-pcna en van de fosforylatie van histone H3) onthulden de afwezigheid van delende cellen in de zich ontwikkelende cords, maar hun alomtegenwoordigheid in de laterale lippen. Deze bevindingen suggereren dat cellen met een moleculaire progenitor identiteit, ook actief delen. Daarentegen werden merkers voor differentiërende neuronen (Ov-soxB1, Ov-zfh1, Ov-neuroD en Ov-elav) opgereguleerd in de anterieure en posterieure transitie zones, die de laterale lippen verbinden met de centrale hersenen. Tot slot vonden we dat de expressie van merkers van post-mitotische neuronen (Ov-elav, Ov-slc6A1 en Ov-t3mo) het hoogst was in de zich ontwikkelende cords. Onze preliminaire lineage tracing studie toonde vervolgens aan dat de neurale progenitorcellen in de laterale lippen inderdaad cellen genereren voor het centraal zenuwstelsel (in ieder geval de optische lobben), waarbij de afstammelingen eerst door de posterieure transitie zone gaan. Dit duidt op uitgebreide neurale migratie in het octopusembryo, wat ongezien is bij andere invertebraten. We vonden ook dat neuronale differentiatie al vroeg in de embryonale ontwikkeling start, waarbij Ov-elav en Ov-t3mo respectievelijk aanwezig zijn op Stadium IX en XI. Bovendien zijn de hersenen van O. vulgaris nog niet volledig matuur wanneer zij uit het eitje komen, met hoge Ov-elav expressie in alle lobben. Samengevat levert dit proefschrift nieuwe inzichten op in het neurogenese proces in Octopus vulgaris, wat cruciaal zal zijn voor het beter begrijpen van neurogenese in octopussen, cefalopoden en bij uitbreiding de evolutie van neurogenese in Bilateria.