Een berin met twee jongen. Bij beren is het standaard dat het een tijd duurt voor de embryo's zich nestelen in de baarmoederwand.
Ingo Gerlach / Barcroft Media

Hoe zetten sommige zoogdieren hun zwangerschap op pauze?

Bij meer dan 130 soorten zoogdieren en sommige buideldieren kan het gebeuren dat de embryo's zich niet meteen in de baarmoederwand nestelen en zich beginnen te ontwikkelen, maar dat ze een tijd 'wachten' tot de omstandigheden voor het op de wereld zetten van nageslacht gunstiger zijn. Een nieuwe studie heeft dit reproductieve raadsel onderzocht en het blijkt dat epigenetica er mee te maken heeft en bepaalde aminozuren en enzymen. Het onderzoek kan belang hebben voor in vitro fertilisatie en de behandeling van kanker, aangezien ook tumorcellen een 'slaapfase' kennen die lijkt op die van de embryo's.

In een toestand waarin de zwangerschap opgeschort wordt die de embryonische diapauze genoemd wordt, plant een pas ontstaan embryo zich niet meteen in in de baarmoeder van de moeder, waar het zou gevoed kunnen worden en uitgroeien tot een baby. In de plaats daarvan blijft het embryo in een 'slapende' toestand zoals een zaadje, tot bepaalde moleculaire regulatoren het aanzetten om te omkiemen. 

Diapauze, of uitgestelde inplanting, is een biologische strategie om te wachten tot ongunstige omstandigheden voor het onderhouden van pasgeborenen voorbij zijn, omstandigheden zoals een gebrek aan voedsel, onvoldoende vetreserves bij de moeder of oudere broers of zussen die nog niet gespeend zijn. 

Beren, gordeldieren, robben en sommige otters, dassen en andere marterachtigen kennen een jaarlijkse diapauze, die een vast onderdeel is van hun reproductieve cyclus. 

Veel soorten beren bijvoorbeeld, paren op het einde van de lente of het begin van de zomer. Vervolgens zoekt het vrouwtje verwoed naar eten en enkel als de berin voldoende lichaamsvet en gewicht heeft, zullen een of meerdere  embryo's zich maanden later inplanten, nadat de berin zich teruggetrokken heeft in haar hol. De jongen worden dan geboren op het einde van de winter. 

Bij andere soorten is het geen vast onderdeel van de reproductieve cyclus maar zullen de embryo's van sommige dieren de inplanting uitstellen tot hun moeder genoeg energie en voedingsstoffen in haar lichaam heeft om hen te kunnen onderhouden. Honger of andere vormen van stress lokken op een of andere manier een pauze uit bij de embryo's, in een poging om hun overleven veilig te stellen. 

Een zeeolifantkoe en haar jong. De zeehonden of robben behoren tot de zoogdieren waarvan de embryo's  in diapauze kunnen gaan om gunstiger omstandigheden af te wachten.

Muismodellen

Om te weten te komen wat er op biochemische wijze de ontwikkeling van een embryo op pauze kan zetten en daarna weer vrijgeven, veroorzaakte een team van het labo van professor Hannele Ruohola-Baker van de University of Washington diapauze in een vrouwelijk muismodel door het verlagen van de niveaus van het hormoon oestrogeen. Vervolgens vergeleken ze de embryo's in diapauze met embryo's voor en na de inplanting in de baarmoeder. 

Ze veroorzaakten ook diapauze in embryonische stamcellen van muizen door de cellen uit te hongeren, en vergeleken die met actief groeiende embryonische stamcellen. 

Vervolgens bestudeerden ze uitgebreid hoe metabolische en signaalroutes zowel de 'slapende' als de actieve stadia van muizenembryo's en van embryonische stamcellen controleren.

Het metabolisme of de stofwisseling zijn de levensnoodzakelijke chemische activiteiten die de cellen uitvoeren om bepaalde substanties om te zetten in energie, om weefsels te bouwen en afvalstoffen te verwijderen. Door de eindproducten van deze reacties - die metabolieten genoemd worden - te analyseren, konden de wetenschappers zich een beeld beginnen vormen van wat er gebeurt om de diapauze te veroorzaken, en hoe cellen ook weer uit de greep ervan vrijkomen. 

De onderzoekers keken ook naar de uitdrukking van genen - het actief worden van genen - bij hun vergelijking van de stadia van de stamcellen. Ze wilden vaststellen welke factoren een invloed hadden op hoe de DNA-code geïnterpreteerd werd en welke cruciale eiwitten geproduceerd werden en in welke hoeveelheden in het slapende en actieve stadium. 

Twee jonge dassen. Dassen en ook andere marterachtigen hebben een periode van uitgestelde zwangerschap in hun reproductieve cyclus.
Copyright 2013 Mark Bowen

Epigenetica, aminozuren en enzymen

Epigenetische verschillen bij het interpreteren van dezelfde DNA-code, eerder dan veranderingen aan het DNA zelf, zijn waarschijnlijk de sleutel tot het begrijpen van hoe embryo's in diapauze gaan en er weer uit komen, zo zei professor biochemie Hannele Ruohola-Baker. Ruohola-Baker staat aan het hoofd van het labo in het Institute for Stem Cell and Regenerative Medecine van de University of Washington waar de studie is uitgevoerd en is gespecialiseerd in embryonische stamcellen. De studie stond onder leiding van postdoctoraal onderzoeker Abdiasis Hussein. 

Epigenetica is het tot uitdrukking brengen van genen of het onderdrukken ervan door factoren die los staan van het DNA, het eigenlijke genetische materiaal, en zonder dat er veranderingen aangebracht worden in het DNA. 

Verder onderzoek wees naar een aantal eiwitten die van cruciaal belang zijn voor het overleven van embryonische cellen. De activiteit van de genen die verband houden met deze proteïnen, en ook de niveaus van bepaalde aminozuren, lagen erg hoog in de embryo's in diapauze.

De onderzoekers vonden nog andere gegevens die erop wijzen dat deze metabolische factoren een invloed hebben op een katalytisch enzyme, mTOR, en dat het onderdrukken van mTOR leidt tot het duidelijk herkenbare profiel dat kenmerkend is voor de diapauze. Ze ontdekten ook dat het onderdrukken van mTOR omkeerbaar is.

Van mTOR is geweten dat het veel processen in de cel regelt, onder meer de proliferatie en de groei en de synthese van eiwitten. mTOR is ook betrokken bij het 'aanvoelen' van voedingsstoffen en de voorraad aan energie in de cel en het regelt bepaalde aspecten van de ontwikkeling en de groei van embryo's. Daarnaast is ook bekend dat het een centrale rol speelt bij het regelen van het metabolisme en de fysiologie bij het ouder worden van zoogdieren en bij kanker. En nu is dus gebleken dat als het onderdrukt wordt, dat leidt tot diapauze. 

Postdoctoraal student Abdiasis Hussein in het laboratorium van professor Ruohola-Baker.
Thatcher Heldring

In vitro fertilisatie en kankeronderzoek

Als we de mechanismen achter de diapauze begrijpen, kan dat ons vooruithelpen in de geneeskunde en in de biologie van dieren, zo stellen de onderzoekers. Carol Ware, een professor vergelijkende geneeskunde aan de University of Washington, wees erop dat de diapauze voor sommige soorten een essentieel middel is om te overleven, en bij andere soorten voorkomt als reactie op omgevingsstress. 

Volgens de wetenschappers is onderzoek naar het mechanisme van diapauze bij dieren een belangrijke stap om na te gaan of deze cellulaire reactie gebruikt kan worden voor klinische therapieën, zoals betere procedures voor in vitro fertilisatie - kunstmatige bevruchting - om mensen aan kinderen te helpen. 

Hussein denkt dat dergelijk onderzoek ook belang kan hebben voor toekomstig onderzoek naar kanker. Kankercellen kunnen immers ook in een 'slapende' toestand gaan die gelijkenissen vertoont met die van embryo's in diapauze. Ze doen dat om chemotherapie te kunnen doorstaan, en komen daarna opnieuw tot leven. Misschien kan er ooit een therapie ontwikkeld worden, zo zei hij, die de cellen kan wakker maken op het ogenblik dat middelen tegen kanker toegediend worden. 

De studie van het onderzoeksteam van de University of Washington en enkele collega's van de  University of California, Davis is gepubliceerd in Developmental Cell. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van de University of Washington.

Meest gelezen