De meesten van ons hebben op school geleerd dat er drie soorten levende zoogdieren zijn – eutheriërs, buideldieren en monotremen – en dat de meest in het oog springende verschillen tussen deze drie soorten zijn hoe zij zich voortplanten. De eutherische of “placentale” zoogdieren, zoals de mens, vormen de overgrote meerderheid van de huidige diversiteit van zoogdieren. Eutheriërs hebben allemaal een chorioallantoïsche placenta, een opmerkelijk orgaan dat zich na de bevruchting vormt op de plaats waar het embryo contact maakt met de bekleding van de baarmoeder van de moeder (Langer, 2008).
Buideldieren en monotremen gaan anders om met zwangerschap (Abbot en Rokas, 2017; Renfree, 2010). Eierleggende monotremen, zoals het eendenbek- vogelbekdier, hebben kleine ‘puggles’ die uitkomen uit leerachtige schalen. Buideldieren – kangoeroes, koala’s, bandicoots, opossums, enzovoort – hebben levende geboorten, maar hun zwangerschappen zijn kort en hun kleine joeys zijn nog niet volgroeid en lijken weinig behoefte te hebben aan een placenta. Na de geboorte ontwikkelen de joeys zich verder buiten het lichaam van hun moeder, dikwijls in plooien en buidels op de buik van hun moeder.
Bij buideldieren is de melk die de moeder na de geboorte geeft van centraal belang voor de ontwikkeling van het nageslacht en, anders dan bij eutherische zoogdieren, verandert de samenstelling van deze melk drastisch naarmate de jonge joeys groeien. In wezen vervullen de melkklieren van buideldieren veel van de functies van de eutherische placenta (Renfree, 2010; Sharp et al., 2017; figuur 1). En om wat je misschien in de biologieles hebt geleerd nog verder omver te werpen: buideldieren hebben toch een placenta, maar die ontwikkelt zich laat in de zwangerschap en uit andere weefsels in vergelijking met eutheriërs. Het verschil tussen eutherische zoogdieren en buideldieren is dus niet de aan- of afwezigheid van een placenta, maar veeleer de relatieve nadruk die wordt gelegd op placentatie en lactatie om het nageslacht in de ontwikkeling te voeden.
De verschillende voortplantingsstrategieën van eutherische zoogdieren en buidelzoogdieren.
Bij eutheriërs wordt door de moeder ongeveer evenveel energie geïnvesteerd in de opvoeding van de jongen vóór de geboorte (via placentatie) als na de geboorte (via lactatie). Bij buideldieren is de draagtijd kort, vormt de placenta zich laat in de zwangerschap en wordt de lactatie verlengd. Guernsey et al. tonen aan dat genetische kenmerken die de ontwikkeling via de placenta bij eutherians regelen, gedeeld worden met de kortlevende placenta van buideldieren (rode pijlen). Zij laten ook zien dat sommige genen die ten grondslag liggen aan placentafuncties bij eutherians tot expressie komen tijdens lactatie bij buideldieren (blauwe pijlen), waaronder verschillende geconserveerde componenten van lactatie zelf (zwarte pijl; Lefèvre et al., 2010). Opmerking: de tijdschalen zijn niet absoluut.
Nu, in eLife, rapporteren Julie Baker van Stanford University School of Medicine, Marilyn Renfree van de Universiteit van Melbourne en medewerkers – waaronder Michael Guernsey van Stanford als eerste auteur, Edward Chuong van de Universiteit van Utah en Guillaume Cornelis (Stanford) – nieuwe details van de moleculaire mechanismen die ten grondslag liggen aan placentatie en lactatie in eutherians en buideldieren (Guernsey et al, 2017). De resultaten werden verkregen door gebruik te maken van een aangepaste versie van een techniek genaamd RNA-seq om te meten hoe het transcriptoom (de complete set van RNA-transcripten in een cel of set van cellen) varieerde tussen verschillende celtypen tijdens de ontwikkeling (Rokas en Abbot, 2009).
Guernsey et al. vergeleken veranderingen in genexpressie in twee celtypen in de placenta van een tammar wallaby, een klein Australisch buideldier, tijdens de ontwikkeling. Zij ontdekten dat de genexpressie verschilde tussen de twee weefsels en bovendien dat deze dynamisch veranderde in de tijd, vergelijkbaar met wat gebeurt bij eutherians. Bovendien vonden zij onder de transcripten veel transcripten die kritische functies hadden in eutherische placenta’s, waaronder leden van de Ig7-signaalroutes en GCM1, een transcriptiefactor die belangrijk is bij de vorming en ontwikkeling van de placenta. En het waren niet alleen de genen die werden geconserveerd, de patronen van genexpressie in de wallaby placenta leken op die in de muis placenta in de vroege stadia van de zwangerschap. Dit is precies wat we zouden verwachten als de placenta bij de wallaby vroege ontwikkelingsfuncties vervult, waarbij latere functies pas na de geboorte worden vervuld. Dit suggereert dat een essentieel verschil tussen buideldieren en eutherians niet in de vroege functies van de placenta ligt, maar eerder in hoe de placentafuncties zijn gecompartimenteerd in de loop van de evolutie van de eutherian zwangerschap.
Ten slotte karakteriseerden Guernsey et al. de patronen van genexpressie in de borstklieren van de tammar en verschillende zoogdieren. Zowel de muis als de wallaby deelden vergelijkbare patronen van genexpressie, hetgeen het thema van functionele compartimentering en behoud in beide groepen onderstreept. Maar het meest opmerkelijk was dat zij een aantal genen identificeerden die tot expressie komen in de borstklieren van de tammar en waarvan bekend is dat zij functioneel belangrijk zijn in de placenta van eutherians (figuur 1). Deze genen omvatten genen die betrokken zijn bij het transport van voedingsstoffen en verschillende waarvan bekend is dat ze nodig zijn voor de placenta bij eutherians (waaronder GCM1). Deze instandhouding van genexpressie stelt dat bij buideldieren de placenta de vroege foetale ontwikkeling regelt en de lactatie de late foetale ontwikkeling, gebruik makend van een aantal van dezelfde genen en moleculaire paden als de eutherian placenta.
Diegenen die buideldieren bestuderen hebben lang betoogd dat we onze tekstboeken moeten corrigeren om marsupisal placenta’s en hun onderscheidend complexe lactatie te erkennen (Renfree, 1983). Guernsey et al. versterken de zaak door aan te tonen dat zowel eutherians als buideldieren een geconserveerde gereedschapskist van genen tot expressie brengen die gelokaliseerd kunnen zijn in verschillende weefsels en organen, maar gemeenschappelijke doelen dienen in de foetale ontwikkeling. Deze verrassende conservering onderstreept het belang van het identificeren van de genen die ten grondslag liggen aan functionele veranderingen tijdens de evolutie (Rausher en Delph, 2015).
Vooruitkijkend is het vermeldenswaard dat buideldieren enorm variëren in reproductieve kenmerken (Tyndale-Briscoe, 2005), en dat het karakteriseren van meer soorten op de manier die Guernsey et al. hebben gedaan voor de tammar wallaby een rijker begrip zal opleveren van de evolutie en diversiteit van de buideldierzwangerschap zelf. Er is echter meer werk nodig om geschikte statistische methoden te ontwikkelen voor het kwantificeren van het behoud van transcriptoomprofielen tussen soorten. En als we verder kijken dan zoogdieren, worden vormen van placentatie gevonden bij alles van hagedissen, tot zeepaardjes, tot insecten, en voorlopige studies geven aan dat veel van de betrokken genen of eigenschappen worden gedeeld (Ostrovsky et al., 2016; Whittington et al., 2015). Het zal fascinerend zijn om te leren hoe diep we de oorsprong van de zwangerschapstoolkit kunnen traceren.