fruitvlieg

Ongelofelijk maar waar, fruitvliegjes worden al sinds het begin van de vorige eeuw op grote schaal gebruikt als modelorganismen bij wetenschappelijk onderzoek en de laatste tien jaar ook voor onderzoek naar menselijke ziektes. Hoewel de soms irritante vliegjes fysiek gezien niet op de mens lijken, zijn er wel degelijk overeenkomsten. Hierdoor zijn ze voor wetenschappers een fantastisch proefdier.

“Fruitvliegen hebben veel meer verstand dan we denken.”

In 1900 begon Thomas Hunt Morgan, een Amerikaanse geneticus en embryoloog, met het bestuderen van mutaties in de fruitvlieg (Drosophila melanogaster). In zijn beroemde vliegenkamer aan de Columbia University kon Morgan demonstreren dat genen op chromosomen liggen en de basis zijn voor de erfelijkheid. Als resultaat van zijn werk werd de fruitvlieg een belangrijk modelorganisme. Maar wat hebben de mens en een fruitvlieg gemeen? Doordat de mens zich heeft ontwikkeld uit organismen die eerder in de evolutie opdoken, weten we dat het menselijke brein voor een belangrijk deel is opgebouwd uit genen die de fruitvlieg ook heeft. Met name de neurologische processen en het zenuwstelsel van een fruitvlieg komen voor een groot gedeelte overeen met de mens. Ongeveer 75 procent van de genen die kunnen leiden tot ziektes in de mens, komen ook voor in de fruitvlieg.

Hox-genen
In navolging van Morgan gingen wetenschappers verder op onderzoek uit. Christiane Nusslein-Volhard en Eric F. Wieschaus identificeerden de Hox-genen, die van groot belang zijn bij het bepalen van het bouwplan en de vorming van lichaamsdelen van de fruitvlieg. Hox-genen spelen een belangrijke rol in de embryonale ontwikkeling van een organisme. Tijdens de ontwikkeling van de fruitvlieg als embryo vormt het lichaam zich onder meer door een reeks segmenten die achter elkaar liggen. In het begin zijn al die segmenten hetzelfde, maar al snel gaat elk segment er anders uitzien. Bij de mens zorgen de Hox-genen er bijvoorbeeld voor dat de armen en benen op de juiste plaats zitten en dat de vingers aan de handen zitten. Onjuiste expressie van Hox-genen kan leiden tot grote veranderingen in het uiterlijk en het gedrag. Bekend is dat iedere cel dezelfde genen bevat. Zogenaamde Hox-eiwitten zorgen ervoor dat sommige genen aan staan en andere uit. Ze zetten in het hoofd genen aan die daar belangrijk zijn (zoals voor de ontwikkeling van de ogen) en zetten andere genen uit (bijvoorbeeld genen voor de ontwikkeling van uw tenen). Hox-genen werden voor het eerst gevonden in de fruitvlieg en nadien in vele andere soorten. De volgorde en eigenschappen van de Hox-genen bij de fruitvlieg en de mens komen grotendeels overeen.

Hox-genen die verantwoordelijk zijn voor de genexpressie van de fruitvlieg. Genexpressie is het proces waarbij informatie in een gen tot uiting komt. Illustratie: Wikimedia Commons.

Hox-genen die verantwoordelijk zijn voor de genexpressie van de fruitvlieg. Genexpressie is het proces waarbij informatie in een gen tot uiting komt. Illustratie: Wikimedia Commons

Onderzoek
De ontdekking van de Hox-genen laat zien dat fruitvliegen belangrijk zijn voor wetenschappelijk onderzoek. Nog steeds worden fruitvliegen, als modelorganismen, op grote schaal gebruikt bij onderzoek. “De fruitvlieg wordt gebruikt als een genetisch model voor verscheidene menselijke ziekten, waaronder neurologische aandoeningen als Parkinson, Huntington en Alzheimer,” vertelt Merel Oortveld, onderzoeker aan het Radboud UMC. De vlieg wordt ook gebruikt om de onderliggende mechanismen van veroudering, diabetes, hartziekten en kanker te bestuderen. “Fruitvliegen hebben een aantal eigenschappen waardoor ze zich goed voor onderzoek lenen en daardoor ideale proefdieren zijn. De vliegjes zijn gemakkelijk en in grote aantallen te kweken. Een generatie duurt onder gunstige omstandigheden slechts acht dagen.”

“Wij kunnen met fruitvliegjes heel snel werken en tegelijkertijd meerdere experimenten inzetten. In tegenstelling tot muizen als proefdier, hoeven we het gebruik van fruitvliegen voor experimenten niet eerst aan te vragen bij een ethische commissie en dat scheelt behoorlijk wat tijd in het onderzoeksproces. Nadeel is dat een vlieg genetisch gezien verder afstaat van de muis en de mens.” Muizen lijken overbodig, maar dat is zeker niet het geval. “Fruitvliegen hebben bijvoorbeeld geen huid en zijn daardoor niet geschikt voor onderzoek naar huidziekten. Hier worden muizen en menselijk huidcellen voor gebruikt. Daarnaast is het in de meeste gevallen belangrijk dat het resultaat van een fruitvliegonderzoek bevestigd wordt in een muizenmodel,” zegt Oortveld. Het is per ziekte en onderzoeksvraag afhankelijk welk model wordt gebruikt.

Fruitvliegen met  en zonder werkend RNA-interferentiemechanisme. Foto: Wikimedia Commons

Fruitvliegen met en zonder werkend RNA-interferentiemechanisme. Foto: Wikimedia Commons

RNA-interferentie
Wat kunnen onderzoekers nou eigenlijk met een fruitvlieg onderzoeken en hoe werkt dat? Omdat de fruitvlieg een simpel organisme is, kunnen vliegen met defecten snel ‘gemaakt’ geworden. De techniek die hiervoor gebruikt wordt, heet RNA-interferentie. RNA-interferentie is een slimme methode waarmee genen stuk voor stuk worden uitgeschakeld. Dit kan helpen om de functie van deze genen te achterhalen. “Wij bestellen de vliegjes in Oostenrijk. Voor elk gen, dat zijn er 14.000 in een fruitvlieg, is er wel een vliegenlijn beschikbaar. Mutaties bij muizen maken, duurt vaak wel één tot twee jaar. Doordat de fruitvliegjes snel beschikbaar zijn, kunnen wij snel aan de slag,” zegt Oortveld.

Fruitvliegjes met een verstandelijke beperking
Fruitvliegen hebben veel meer verstand dan we denken. Wie wil weten welke genen verstandelijke beperkingen bij de mens veroorzaken, kan een fruitvlieg met dezelfde genetische defecten onderzoeken. Oortveld en haar collega Annette Schenck van het Radboud UMC hebben, met fruitvliegjes als proefdier, onderzoek gedaan naar de (samenwerkende) genen die verstandelijke beperkingen bij de mens veroorzaken. Het probleem bij onderzoek naar verstandelijke beperkingen is dat het onderdeel uitmaakt van vaak zeer uiteenlopende ziektebeelden. Er zijn meer dan 400 genen bekend die een verstandelijke beperking kunnen veroorzaken en misschien loopt dat aantal de komende jaren wel op tot 1000. Juist dit grote aantal genen en de enorme diversiteit aan ziektebeelden maken een goed overzicht van de onderliggende genetische en moleculaire verbanden erg moeilijk.

Onderzoekers hebben al enige tijd het idee dat de genen voor verstandelijke handicaps in een aantal groepen zijn in te delen. Voor een prima functionerend menselijk brein moeten zenuwcellen worden aangelegd door een ‘bouwgroep’. Bij de vroege ontwikkeling van het brein worden ontzettend veel zenuwcellen versleept door een ‘mobiliteitsgroep’ en er is ook een ‘communicatiegroep’ van genen die ervoor zorgen dat zenuwcellen met elkaar kunnen praten. Met deze kennis kan men een soort genetische, biochemische blauwdruk van het menselijke verstand maken. Die toont niet alleen hoe het verstand in elkaar zit, maar óók wat daarbij kan misgaan waardoor verstandelijke beperkingen ontstaan. “Onderzoek naar dergelijke groepen kun je in de mens niet zo gemakkelijk doen. In de fruitvlieg kunnen we heel goed onderzoeken hoe, waar en wanneer de genen en groepen van genen precies werken.”

WIST U DAT…

een fruitvlieg net als de mens ook nierstenen kan krijgen?

Medicijnen en therapie
Oortveld en Schenk vonden 26 functionele groepen van genen (denk aan de eerder genoemde bouw- of communicatiegroep) die een verstandelijke handicap kunnen veroorzaken. Daarnaast vonden ze zestien nieuwe genen die een rol spelen bij de communicatie tussen hersencellen onderling (neurotransmissie). En ook nog drie nieuwe genen die essentieel zijn voor de ontwikkeling van de ruimte tussen twee hersencellen (synaps). “Hoewel we lang dachten dat aan een verstandelijke beperking niets te doen is, blijkt dat soms toch mogelijk. In een klein aantal fruitvliegmodellen en muismodellen is het mogelijk de hersenfunctie van de dieren te verbeteren, nadat ze zijn opgegroeid met de genetische defecten. Als er dan een middel wordt gevonden om dat probleem aan te pakken, dan werkt dat middel mogelijk ook voor al die andere genetische foutjes die in dezelfde groep zitten. We hopen dat we zo de ontwikkeling van een therapie voor patiënten kunnen versnellen,” benadrukt Oortveld. Zo geeft de fruitvlieg ons een uniek inkijkje in ons eigen verstand. En dat is belangrijk, want met deze kennis wordt het in de toekomst wellicht mogelijk om meerdere ziektebeelden die samenhangen met een verstandelijke beperking met maar één medicijn te behandelen.