Genome-engineered C. elegans strains with sex-transformed neurons and gut

In het dierenrijk wordt het verschil tussen mannelijk en vrouwelijk vaak weggeschreven in de cellen die het lichaam opbouwen. Bij veel complexe dieren wordt dit onderscheid beheerd door hormonen die vanuit de voortplantingsorganen worden uitgescheiden, die via de bloedbaan reizen om verre weefsels te instrueren hoe ze zich moeten gedragen. De kleine ronde worm Caenorhabditis elegans hanteert echter een andere aanpak. In dit wezen beslist elke individuele cel zelf over zijn seksuele identiteit op basis van de chromosomen die het draagt, onafhankelijk van zijn buren. Dit cel-per-cel besluitvormingsproces stelt wetenschappers in staat om een fascinerende vraag te stellen: als je de seksuele identiteit van slechts één specifieke groep cellen zou kunnen veranderen, zoals de zenuwen of de darm, zou de rest van het dier zich dan aanpassen, of zou dat weefsel simpelweg een mannelijk of vrouwelijk eiland worden binnen een lichaam van het tegenovergestelde geslacht?

Decennialang hebben onderzoekers geprobeerd dit te beantwoorden door genetische hulpmiddelen te gebruiken om specifieke cellen te dwingen zich als het tegenovergestelde geslacht te gedragen. Ze hebben dit gedaan door extra kopieën van genen die de seksuele ontwikkeling aansturen in het DNA van de worm te plaatsen. Hoewel deze methode heeft gewerkt, was het slordig. Het extra genetische materiaal bevond zich vaak op instabiele locaties, kon door de cel worden uitgeschakeld, of werd per ongeluk op de verkeerde plaatsen geactiveerd, wat het moeilijk maakte om precies te weten wat er gebeurde. Om dit op te lossen, heeft een team onderzoekers aan Columbia University een veel schonere manier ontwikkeld om de genetische code van de worm te herschrijven. In plaats van instabiele extra kopieën toe te voegen, gebruikten ze een nauwkeurig moleculair bewerkingsinstrument om de instructies voor het veranderen van het geslacht direct in de eigen natuurlijke genen van de worm te plaatsen. Ze richtten zich op twee specifieke locaties: één die alleen actief is in het zenuwstelsel en een andere die alleen actief is in de darm. Door dit te doen, creëerden ze wormen waarbij de hersenen of de darm naar een mannelijke of vrouwelijke identiteit konden worden geschakeld zonder de rest van het lichaam te verstoren.

De onderzoekers concentreerden zich op twee hoofdschakelaars die de seksuele ontwikkeling in de worm aansturen. Eén schakelaar, genaamd TRA-1, bevordert vrouwelijke kenmerken, terwijl een andere, genaamd FEM-3, mannelijke kenmerken bevordert. In een normale vrouwelijke worm staat de TRA-1-schakelaar aan, wat het lichaam vrouwelijk houdt. In een mannetje staat deze uit. Het team heeft vier nieuwe stammen van wormen ontwikkeld. In twee stammen hebben ze het mannelijke bevorderende gen in de darm en het zenuwstelsel van vrouwelijke wormen geplaatst, waardoor deze specifieke weefsels mannelijk werden. In de andere twee stammen hebben ze het vrouwelijke bevorderende gen in de darm en het zenuwstelsel van mannetjes geplaatst, waardoor die weefsels vrouwelijk werden. Omdat deze wijzigingen rechtstreeks in het eigen genetische blauwdruk van de worm waren aangebracht, waren de nieuwe eigenschappen stabiel en verschenen ze precies waar de onderzoekers de bedoeling hadden, zonder de ruis of fouten van eerdere methoden.

Toen ze naar de resultaten keken, waren de veranderingen opvallend en precies. In de vrouwelijke wormen waar het zenuwstelsel naar mannelijk was geschakeld, verloren de cellen in de hersenen hun vrouwelijke markers en namen ze mannelijke kenmerken aan, terwijl de darm perfect vrouwelijk bleef. Op dezelfde manier, wanneer de darm van een vrouwtje naar mannelijk werd geschakeld, veranderden alleen de darmcellen, terwijl het zenuwstelsel onaangeraakt bleef. Het omgekeerde was ook waar voor de mannetjes. Wanneer hun zenuwstelsel werd gedwongen vrouwelijk te worden, namen de hersencellen vrouwelijke kenmerken aan, en wanneer hun darm werd geschakeld, werd de darm vrouwelijk. De onderzoekers bevestigden deze veranderingen door te observeren hoe specifieke genen aan- en uitgingen. Ze zagen dat de vrouwelijke hoofdschakelaar, TRA-1, verdween uit de weefsels die mannelijk waren gemaakt en verscheen in de weefsels die vrouwelijk waren gemaakt, precies zoals de genetische instructies voorspelden.

Naast het kijken naar genen, controleerde het team ook of deze interne veranderingen het gedrag van de wormen beïnvloedden. Ze wisten dat mannelijke wormen meestal sneller bewegen en hun omgeving agressiever verkennen dan vrouwtjes. Wanneer ze de wormen testten met mannelijke hersenen maar vrouwelijke lichamen, bewogen deze dieren met de snelheid en de durf van mannetjes. Omgekeerd, wanneer ze de wormen testten met vrouwelijke hersenen maar mannelijke lichamen, vertraagden ze en werden ze voorzichtiger, en gedroegen ze zich als typische vrouwtjes. Dit bewees dat de seksuele identiteit van het zenuwstelsel de primaire drijfveer is van deze bewegingsverschillen. De veranderingen in de darm hadden ook een duidelijk effect. In vrouwelijke wormen produceert de darm een nutriëntenrijk eiwit dat nodig is voor het maken van eieren. Wanneer de darm werd geschakeld naar mannelijk, stopte deze productie. Wanneer de darm van een mannetje naar vrouwelijk werd geschakeld, begon deze dit eiwit in grote hoeveelheden te produceren, soms zelfs zoveel dat het in andere delen van het lichaam lekte.

De studie onthulde ook een subtiele complexiteit in hoe deze weefsels met elkaar communiceren. In de mannelijke wormen met vrouwelijke hersenen merkten de onderzoekers op dat de vrouwelijke schakelaar in de hersenen verscheen zoals verwacht, maar dat deze ook verscheen in het voorste deel van de darm, ook al was de darm zelf niet genetisch gewijzigd. Dit suggereert dat een vrouwelijk brein een signaal kan sturen dat de darm vertelt om zijn vrouwelijke schakelaars aan te zetten, wat wijst op een niet-celautonome invloed waarbij het zenuwstelsel de identiteit van andere weefsels kan sturen. Dit signaal had echter geen effect op de rest van de darm, wat aantoont dat de invloed beperkt en specifiek is.

Deze nieuwe wormstammen bieden een krachtig en betrouwbaar instrument voor de wetenschappelijke gemeenschap. Door een manier te bieden om de geslachtsidentiteit van specifieke weefsels te veranderen zonder de bijwerkingen van oudere methoden, stellen ze onderzoekers in staat om precies te bestuderen hoe seksuele identiteit de functie van de hersenen en de darm vormgeeft. Het werk bevestigt dat seksuele identiteit niet alleen een eigenschap is van het hele dier, maar een kenmerk dat in individuele organen kan worden afgesteld, en dat deze lokale veranderingen echte, meetbare gevolgen hebben voor hoe het dier beweegt en functioneert. De bevindingen suggereren dat de seksuele identiteit van het zenuwstelsel een belangrijke controller is van gedrag, terwijl de identiteit van de darm de reproductieve fysiologie beheert, en dat deze systemen onafhankelijk van elkaar kunnen werken, maar elkaar nog steeds op specifieke manieren beïnvloeden.