De embryonale ontwikkeling

Mensen en dieren zijn opgebouwd uit verschillende weefsels en organen zoals huid, spieren, vet, lever, darmen, hart en longen. De kleinste functionele eenheden van weefsels en organen worden cellen genoemd, je kunt ze vergelijken met individuele werkplekken in een groot kantoorpand. In principe is een cel een met vloeistof gevuld membraan, maar nader bekeken is een cel een ongelofelijk complex geheel. In de celvloeistof, cytoplasma genaamd, bevinden zich structuren, celorganellen, die nodig zijn voor het functioneren van de cel. Voorbeelden van celorganellen zijn mitochondria, nodig voor de energievoorziening van cellen, het endoplasmatisch reticulum dat zorgt voor de vorming en transport van eiwitten en, zoals we hierna zullen zien, de kern. Afhankelijk van de functie van de cel zijn er meer of minder van deze celorganellen, sommige cellen bevatten wel duizenden mitochondria bijvoorbeeld.

In de cel bevindt zich een kern, de celkern ook wel nucleus genaamd. Vrijwel iedere cel, uitzonderingen daargelaten, heeft één celkern en in deze kern bevindt zich de erfelijke informatie van het organisme in de vorm van DNA, een afkorting van het Engelse woord deoxyribonucleic acid (deoxyribonucleïnezuur). Dit DNA is een lange streng van aan elkaar gekoppelde nucleotiden, waarbij ieder nucleotide bestaat uit een deoxyribose-molecuul met daaraan gekoppeld een base. Er zijn vier verschillende basen: adenine (A), guanine (G), thymine (T) en cytosine ©. Het DNA is in de cel aanwezig als een dubbele complementaire streng in de vorm van een helix (een soort spiraal). De basis van de complementariteit is dat tegenover een A in de ene streng altijd een T in de andere streng staat, en tegenover een G altijd een C. Het DNA in de kern bevat de genetische informatie van het gehele individu en het is de volgorde van de basen, de sequentie, die deze informatie herbergt als een soort code.

In totaal bestaat het menselijke DNA, ofwel het genoom, in iedere cel uit ongeveer 3 miljard baseparen. Deze baseparen zijn niet als één DNA-structuur in de kern aanwezig, maar zijn verdeeld over structuren die we chromosomen noemen. Een menselijke cel heeft 23 gepaarde chromosomen, 46 in totaal. Van ieder paar is één chromosoom afkomstig van de vader en één chromosoom afkomstig van de moeder.

Groei van weefsel gaat meestal gepaard met een vermeerdering van het aantal cellen door celdeling. Uit één cel ontstaan dan twee identieke cellen. Het unieke hierbij is dat de genetische informatie eerst volledig wordt gekopieerd zodat bij de celdeling het DNA in de dochtercellen precies gelijk is aan het DNA in de moedercel. Er gaat dus geen informatie verloren. Zo bevindt zich in iedere cel alle informatie om het complete individu te vormen.

Een bevruchte eicel is nog totipotent

Ieder individu ontstaat uit een enkele cel, de bevruchte eicel. Deze cel, zygote genaamd, heeft als erfelijk materiaal een deel van de moeder via de eicel en een deel van de vader via de spermacel verkregen. Als gevolg daarvan is het genoom van iedere zygote, en dus van ieder individu, uniek, vergelijkbaar met een vingerafdruk. Een uitzondering hiervan is zichtbaar bij eeneiige tweelingen: zij zijn genetisch identiek en zijn elkaars kloon. Frappant is wel dat hoewel het genoom gelijk is, de vingerafdrukken van een eeneiige tweeling verschillend zijn.

Een bevruchte eicel bevat niet alleen alle genetische informatie om het complete en unieke dier of mens te vormen, maar ook de zogenaamde extra-embryonale structuren zoals een deel van de placenta (moederkoek) en dooierzak (vruchtvlies). Een bevruchte eicel wordt daarom totipotent genoemd.

Wanneer de zygote in de eileider komt, begint een serie van klievingsdelingen, waarbij de cellen steeds in tweeën worden gesplitst. Van een 2-cellig embryo wordt een 4-cellig embryo gevormd en zo verder. Het totale volume van het embryo neemt daarbij in eerste instantie niet toe, de gevormde cellen (blastomeren) zijn als gevolg hiervan steeds kleiner. Bij de eerste paar klievingsdelingen blijven de cellen totipotent, dat wil zeggen dat wanneer een 2-cellig embryo gesplitst wordt in twee aparte cellen iedere cel nog zal uitgroeien tot een compleet individu. Als dit bijvoorbeeld gedaan wordt bij een schapenembryo en de twee cellen worden ieder apart in een ooi geplaatst zullen er twee lammeren geboren worden. Deze lammeren zijn genetisch identiek, het zijn klonen.

Cellen beginnen te differentiëren

Normaal gesproken zal er na enkele delingen een embryo gevormd zijn bestaande uit ongeveer 32 cellen. Het embryo lijkt in dit stadium een beetje op een moerbei en wordt daarom morula genoemd, naar het Latijnse woord voor moerbei. Er zijn cellen die aan de buitenkant van het embryo liggen, en er zijn cellen aan de binnenkant die volledig omgeven worden door andere cellen. Ongeveer vanaf dit moment worden de eerste verschillen tussen de cellen waaruit het embryo is opgebouwd zichtbaar. De buitenste en binnenste cellen gaan zich verschillend gedragen, ze gaan differentiëren. Deze differentiatie is noodzakelijk om de cellen voor te bereiden op hun toekomstige taken en gaat gepaard met een verlies aan ontwikkelingscompetentie. Hoewel het genoom van de cellen niet verandert, alle informatie blijft nog steeds aanwezig om een compleet organisme te vormen, kan deze informatie niet meer volledig afgelezen worden. Afhankelijk van het gevormde celtype zijn bepaalde delen van het genoom afgeschermd.

Differentiatie van de cellen gecombineerd met celdelingen zorgt ervoor dat er een hol balletje (blastocyst) gevormd wordt. Het embryo bestaat nu uit een buitenste laag cellen die het trofectoderm vormen. Deze cellen pompen vloeistof naar binnen zodat de blastocyst opzwelt en er zich een met vloeistof gevulde ruimte vormt. Binnen in de blastocyst ligt een groep cellen dat bij elkaar de embryoblast of binnenste celmassa (inner cell mass) wordt genoemd. Het is de embryoblast die uiteindelijk de foetus zal vormen, het trofectoderm zal daarentegen alleen bijdragen aan een deel van de placenta. Omdat de cellen van de embryoblast de foetus zullen vormen maar niet meer kunnen bijdragen aan de vorming van de placenta, worden deze cellen pluripotent genoemd. Gedurende de differentiatie hebben de cellen dus een deel van hun ontwikkelingscompetentie verloren.

Innestelen en vorming van kiembladen

Het is tijdens dit ontwikkelingsstadium dat het embryo via de eileider de baarmoeder heeft bereikt en zal gaan innestelen. Cellen gaan differentiëren en verliezen ontwikkelingscompetentie. Dit wordt veroorzaakt door epigenetische modificaties van het DNA. Hierbij verandert de code van het DNA niet, maar het DNA wordt op bepaalde plekken afgeschermd waardoor het niet afgelezen kan worden, te vergelijken met het aan elkaar plakken van bladzijden van een boek. Die modificaties zijn nodig om de ontwikkeling en functie van cellen gecoördineerd te laten verlopen.

Na innesteling in de baarmoeder vormt het trofectoderm de navelstreng en placenta, de embryoblast vormt de foetus. In dit stadium bestaat de embryoblast nog uit een min of meer homogene groep van cellen. Verdere differentiatie tijdens en vlak na de innesteling zorgt ervoor dat de embryoblast zal uitgroeien tot drie lagen van verschillende celtypen. Deze drie kiembladen zijn het endoderm, waaruit bijvoorbeeld darmen en longen gevormd worden, het ectoderm, dat verder differentieert naar onder andere huid- en zenuwcellen inclusief de hersenen, en het mesoderm, de leverancier van botten, spieren, vet en bindweefsel. Door groei, celdeling en differentiatie neemt de foetus in grootte toe en zal er uiteindelijk een kind gevormd worden bestaande uit ongeveer 35 biljoen (35 × 10¹²) cellen met meer dan 200 verschillende celtypen. Deze getallen zijn slechts schattingen en afhankelijk van welke criteria gehanteerd worden.