Starting off bad: perspectives on early development in mammals

Datum: 30 juni 2014

Locatie: Campus Middelheim - Lokaal A.143 - Middelheimlaan 1 - 2020 Antwerpen

Tijdstip: 16 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Biologie

Promovendus: Clara ten Broek

Promotor: Prof. dr. S. Van Dongen, dr. F. Galis

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Clara ten Broek - Faculteit Wetenschappen, Departement Biologie



Abstract

Ontwikkelingsinstabiliteit is een belangrijk onderwerp in evolutionaire studies en wordt doorgaans gemeten door fluctuerende asymmetry (FA). In klinische studies wordt ontwikkelingsinstabiliteit echter gemeten aan de hand van de morfologische expressie van (aangeboren) afwijkingen, die al dan niet een effect hebben op de gezondheid. In dit proefschrift maakten we gebruik van afwijkingen in de wervelkolom en FA van de ledematen om meer inzicht the verkrijgen in de robuustheid van (vroege) ontwikkeling en welke factoren van invloed zijn op deze robuustheid. Hiervoor maakten we gebruik van twee grote datasets: één bestaande uit babygrammen en autopsierapporten van ~1400 overleden menselijke foetussen van het VU Medisch Centrum te Amsterdam en de ander bestaande uit ~ 750 zoogdieren van 90 verschillende soorten met verschillende vormen van voortbeweging (langzaam vs snel). We bepaalden de wervelformule (i.e. het aantal nek-, borst-, lendewervels en wervels van het heiligbeen) voor alle individuen. Van de foetussen bepaalden we ook de mate van asymmetrie van de botten van de ledematen. We onderzochten verbanden tussen de wervelformule, asymmetrie van de ledematen en verstoorde ontwikkeling.

Afwijkingen in de wervelkolom (of wervelkolomvariatie) komen doorgaans voor bij mensen en andere zoogdieren, maar niet alle soorten variatie komen in dezelfde mate voor. In onze ziekenhuisdataset vonden we een opvallende ruime meerderheid van individuen die een verschuiving hadden op de overgang tussen cervicale en thoracale wervels. Zulke hoge frequenties werden ook al in eerdere studies gevonden bij overleden foetussen door Galis et al. (2006), Bots et al. (2011) en Furtado et al. (2011). In normale populaties wordt bij slechts ~1% zulke verschuivingen gevonden. Verschuivingen op de thoraco-lumbale en lumbo-sacrale overgang werden echter in zelfde frequenties gevonden als in normale populaties. We vonden een sterke associatie tussen wervelkolomvariaties en (vaak letale) aangeboren afwijkingen. Ook vonden we een positieve correlatie tussen het aantal grensverschuivingen van de verschillende wervelkolomregios en het aantal aangeboren afwijkingen. Onze resultaten wijzen op een sterke selectie tegen verschuivingen op de cervico-thoracale grens en het aantal verschuivingem van grensvlakken tussen de verschillende wervelregios van de kopstaart- as.

Naast het opmerkelijke behoud van het aantal wervels in de cervicale regio bij zoogdieren (bijna alle zoogdieren hebben zeven nekwervels), wordt het totale aantal presacrale wervels ook sterk geconserveerd (Narita & Kuratani 2005; Sánchez - Villagra et al. 2007; Varela - Lasheras et al. 2011). Om het aantal presacrale wervels (de som van de hals-, borst -en lendenwervels) te veranderen, is een homeotische transformatie van een lumbale in een sacrale wervel (of andersom) vereist. Dergelijke overgangen zijn vaak asymmetrisch en de resulterende lumbo-sacrale overgangswervel is vaak onvolledig gefuseerd met het heiligbeen. Het sterke behoud van het aantal presacrale wervels bij soorten wordt verondersteld het gevolg te zijn van ontwikkelingbeperkingen (Narita & Kuratani 2005). Uit onze studies blijkt dat de lage variabiliteit van het aantal presacrale wervels niet alleen het gevolg is van de ontwikkelingsbeperkingen, maar ook die van biomechanische beperkingen die op latere leeftijd optreden. De biomechanische problemen zijn het gevolg van het niet volledig fuseren van transitionele lumbo-sacrale wervels met het heiligbeen, wat er voor zorgt dat de flexibiliteit van de lumbo-sacrale gewricht afneemt en daarmee een bedreiging voor het voortbestaan van soorten vormt die afhankelijk zijn van axiale mobiliteit voor snelheid en beweeglijkheid.

We bestudeerden de relatie tussen FA en wervelkolomvariatie en vonden geen toename in asymmetrie met toenemende wervelkolomvariatie. Ook vonden we geen significante verschillen in FA tussen de verschillende wervelformules. Echter, FA en wervelkolomvariaties associëren beiden met andere aangeboren afwijkingen, maar omdat ze niet met elkaar een relatie vertonen lijken ze verschillende ontwikkelingsverstoringen te weerspiegelen.

FA is een algemeen geaccepteerde methode om ontwikkelingsinstabiliteit te meten, maar er is weinig bekend over de oorsprong die ten grondslag ligt aan ontwikkelinsinstabiliteit. Bovendien, relaties beschreven in de literatuur tussen gezondheid en FA zijn heterogeen en factoren van invloed op deze heterogeniteit zijn grotendeels onbekend. Verschillende factoren die van invloed zijn op de juiste bepaling van FA zijn beschreven en onderzocht, met name meetfout en directionele asymmetrie. In dit proefschrift bestudeerden we ook de invloed van mechanische druk, als gevolg van te weinig vruchtwater gedurende de ontwikkeling op FA van de ledematen. We toonden aan dat foetussen die met voldoende vruchtwater in de vruchtzak konden ontwikkelen een lagere asymmetrie hadden dan foetussen met te weinig vruchtwater. Echter, effecten op FA als gevolg van aangeboren afwijkingen (die ontwikkelingsinstabiliteit weerspiegelen), waren anderhalf keer hoger dan die voor mechanische druk van de baarmoeder.

Ook onderzochten we de relatie tussen abnormale ontwikkeling en FA van de ledematen op verschillende niveaus om een beter inzicht op de oorsprong van FA en ontwikkelingsinstabiliteit te krijgen. We onderzochten of FA kon worden toegeschreven aan afwijkingen geassocieerd met specifieke kiemlagen, ontwikkelingsprocessen en / of orgaansystemen. We bestudeerden ook de invloed van het toenemend aantal afwijkingen op FA. Geen ontwikkelingsprocessen, kiemlagen of orgaansystemen hadden in het bijzonder effect op FA, behalve cardiovasculaire, zenuwstelselafwijkingen en afwijkingen voortkomentd uit het ectoderm. Echter, onze resultaten suggereren dat over het algemeen FA alleen toeneemt wanneer meerdere orgaansystemen en kiemlagen afwijkingen hadden of wanneer meerdere ontwikkelingprocessen werden verstoord. Ernstige ontwikkelinginstabiliteit, als gevolg van de verschillende verstoringen, zal echter vrijwel zeker tot opvallende aangeboren afwijkingen leiden en daarvoor zijn nauwkeurige metingen van FA niet noodzakelijk. We vonden soortgelijke effecten van chromosomale afwijkingen op FA. We bestudeerden de relatie tussen FA, genetische afwijkingen en de ernst van geassocieerde aangeboren afwijkingen. FA was hoger voor foetussen met een aneuploïdie met een zeer korte levensverwachting (trisomie 13, trisomie 18 , monosomie X en triploïdie ), maar foetussen met trisomie 21 hadden geen hogere FA dan foetussen van referentiegroepen. Ook deze resultaten suggereren dat de FA van de ledematen alleen toeneemt wanneer de ontwikkeling ernstig verstoord is. Kennelijk is de ledemaatontwikkeling zo sterk gebufferd dat zeer veel mis moet gaan eer verhoogde asymmetrie aantoonbaar is. Wij stellen voor dat alleen wervelkolomvariatie een geschikt systeem is met medisch potentieel om ontwikkelingsinstabiliteit vroegtijdig te detecteren gedurende de vroege ontwikkeling van het individu.