Leven we binnenkort lang én gelukkig met de hulp van een Afrikaans visje?
Hoewel we het ieder jaar weer uit volle borst zingen, heeft niet iedereen het geluk om lang te leven in de gloria. Steeds meer mensen bereiken een hoge leeftijd, maar worden daardoor ook vaker geconfronteerd met ouderdomsgerelateerde ziekten die bijvoorbeeld het zenuwstelsel aantasten. In tegenstelling tot mensen, hebben beenvissen de opmerkelijke eigenschap om afgestorven zenuwcellen in de hersenen weer te laten aangroeien. In dit thesisproject hebben we de locatie van stamcellen in de hersenen van de Afrikaanse turquoise killivis beter in kaart gebracht. Onderzoeken hoe deze vissen in staat zijn om zenuwcellen te herstellen kan ons helpen om te begrijpen waarom wij, als mens, dit niet kunnen. Het stimuleren van onze eigen zenuwcellen om zichzelf te herstellen na beschadiging, zou een enorme sprong voorwaarts zijn in de ontwikkeling van therapieën tegen ziekten die de hersenen beschadigen.
We worden steeds ouder
Over heel de wereld worden mensen ouder dan ooit. Dit is vooral te danken aan betere gezondheidszorg, maar ook aan goede hygiëne en meer aandacht voor een gezonde levensstijl. Helaas gaat een lang leven niet altijd gepaard met een goed fysiek en mentaal welzijn. Een veelvoorkomend probleem zijn ouderdomsgerelateerde ziekten, zoals Alzheimer en Parkinson. Deze ziekten worden gekenmerkt door het beschadigen en uiteindelijk afsterven van zenuwcellen in de hersenen. En wanneer zenuwcellen afsterven bij de mens, kunnen ze helaas niet meer aangroeien. Het gevolg hiervan is een verminderd vermogen van de hersenen om normaal te functioneren, en dit voor de rest van het leven. Patiënten met Alzheimer zullen zich bijvoorbeeld niet meer herinneren wat ze voor het laatst gegeten hebben, terwijl patiënten met Parkinson vooral problemen hebben met het bewegen van hun spieren. In België krijgt bijna 10% van de 65-plussers te kampen met een vorm van dementie, en bij 80-plussers is dit zelfs 25%, wat nogmaals het belang aantoont van onderzoek naar potentiële behandelingen.
Waarom dit uitzonderlijke visje?
De wetenschap achter het afsterven en opnieuw aangroeien van zenuwcellen is al decennialang een hot-topic in de onderzoekswereld. De voorbije jaren is er dan ook heel wat vooruitgang geboekt door onderzoeken uit te voeren op wormen, fruitvliegen, zebravissen en muizen. Hoewel wormen en fruitvliegen enorm handig zijn voor het bestuderen van basismechanismen, blijven het ongewervelden die ook heel wat verschillend zijn van de mens. Aan de andere kant zijn vissen en muizen wél gewervelden, met typische kenmerken van het menselijk lichaam zoals een ruggengraat, bloed en een adaptief immuunsysteem. Daarbovenop kunnen beenvissen, zoals de zebravis en Afrikaanse turquoise killivis, afgestorven zenuwcellen in de hersenen zonder problemen weer laten aangroeien.
Maar als we al deze diermodellen hebben, waarom blijft het dan zo moeilijk om therapieën te ontwikkelen die zenuwcellen laten aangroeien bij de mens? Eén van de factoren die weinig in rekening wordt gebracht, is het feit dat ouderdomsgerelateerde ziekten voorkomen bij – jawel – oude mensen. En als zenuwcellen afsterven bij oude mensen, heeft dit andere gevolgen dan bij de jongere generatie. Om dit proces te onderzoeken op muizen of zebravissen, moet je zo’n drie tot vijf jaar wachten alvorens ze een oude leeftijd bereikt hebben. Dit maakt het lastig om snel en efficiënt onderzoek te doen. Gelukkig ontdekten wetenschappers in 2003 een beenvis met een uitzonderlijk korte levensduur: de Afrikaanse turquoise killivis. Dit kleine visje leeft in tijdelijke poelen in Afrika, die slechts tijdens een korte periode (gemiddeld 75 dagen) in het jaar gevuld zijn met water. Hierdoor heeft het visje zich moeten aanpassen om in een zeer korte tijdspanne uit het ei te komen, helemaal te volgroeien en zelf eitjes te leggen voordat de poel weer opdroogt. Het is daarom een uitermate geschikt model voor ouderdomsonderzoek: na slechts 12 weken zien we de eerste ouderdomskenmerken die gelijkaardig zijn aan de mens, zoals het verlies van pigmentatie, een kromme rug, verminderde mobiliteit en een trager leerproces.
Lokalisatie van stamcellen in de hersenen
Vorig onderzoek op de Afrikaanse turquoise killivis heeft reeds aangetoond dat oude vissen een trager en incompleet genezingsproces hebben na hersenbeschadiging. Net als bij mensen wordt er littekenweefsel gevormd in de hersenen, en kunnen de zenuwcellen niet compleet aangroeien. Anderzijds slagen de jonge killivissen er wél in om beschadigde hersenen weer volledig te herstellen. Maar hoe komt het dat de eigenschap om zenuwcellen te herstellen afneemt met ouder worden? Dat was de vraag die ons bezig hield tijdens dit onderzoek. Meer specifiek wilden we te weten komen of het verschil in herstel te maken had met een verandering in de ruimtelijke organisatie van meerdere types stamcellen. Aangezien elk stamceltype andere eiwitten bevat, en daardoor ook verschillen in het aanwezige mRNA, konden we de celtypes lokaliseren met behulp van moleculaire kleuringstechnieken. 
Elk stamceltype heeft een eigen niche
Interessant genoeg vonden we dat de stamceltypes telkens in een aparte niche of regio voorkwamen. Zo lag het stamceltype genaamd RG1 steeds aan het buitenste oppervlak van de hersenen, terwijl celtype RG4 enkel voorkwam in een dun vliesje dat de hersenen omhult. Het feit dat deze stamceltypes in aparte niches voorkomen, kan erop wijzen dat ze ook andere functies in de hersenen uitoefenen. Dit kan betekenen dat elk type anders reageert op bijvoorbeeld veroudering, ziektes of andere vormen van hersenbeschadiging. Om te onderzoeken of de organisatie van de stamcellen verandert met ouder worden, vergeleken we de hersenen van jonge en oude vissen. En hoewel jonge vissen duidelijk meer cellen konden vernieuwen in hun hersenen dan oude vissen, vonden we geen verschil in de locatie van stamcellen tussen jong en oud.
Toekomst?
De Afrikaanse turquoise killivis maakt het dus mogelijk om de effecten van ouderdom op het herstel van zenuwcellen in de hersenen te onderzoeken. Verder onderzoek naar de exacte functies van elk stamceltype is nodig om dit hele proces van zenuwherstel beter te begrijpen. Hopelijk kan dit visje ooit de weg vrijmaken voor een toekomst waarin iedereen, in alle heerlijkheid en glorie, oud mag worden.
Bibliografie
Armstrong, M. J., & Okun, M. S. (2020). Diagnosis and Treatment of Parkinson Disease: A Review. JAMA - Journal of the American Medical Association, 323(6), 548–560.
Ayana, R., Houcke, J. Van, Zandecki, C., Mariën, V., Seuntjens, E., & Arckens, L. (2021). Single-cell sequencing of the adult killifish (N. furzeri) brain identifies an atypical progenitor, glial and neuronal heterogeneity. BioRxiv, 2021.07.04.450918.
Baumgart, E. V., Barbosa, J. S., Bally-cuif, L., Götz, M., & Ninkovic, J. (2012). Stab wound injury of the zebrafish telencephalon: A model for comparative analysis of reactive gliosis. Glia, 60(3), 343–357.
Blažek, R., Polačik, M., & Reichard, M. (2013). Rapid growth, early maturation and short generation time in African annual fishes. EvoDevo, 4(1).
Cellerino, A., Valenzano, D. R., & Reichard, M. (2016). From the bush to the bench: The annual Nothobranchius fishes as a new model system in biology. Biological Reviews, 91(2), 511–533.
Chen, J., Poskanzer, K. E., Freeman, M. R., & Monk, K. R. (2020). Live-imaging of astrocyte morphogenesis and function in zebrafish neural circuits. Nature Neuroscience, 23(10), 1297–1306.
Coolen, M., Labusch, M., Mannioui, A., & Bally-Cuif, L. (2020). Mosaic Heterochrony in Neural Progenitors Sustains Accelerated Brain Growth and Neurogenesis in the Juvenile Killifish N. furzeri. Current Biology, 30(4), 736-745.e4.
Cosacak, M. I., Bhattarai, P., Reinhardt, S., Petzold, A., Dahl, A., Zhang, Y., & Kizil, C. (2019). Single-Cell Transcriptomics Analyses of Neural Stem Cell Heterogeneity and Contextual Plasticity in a Zebrafish Brain Model of Amyloid Toxicity. Cell Reports, 27(4), 1307-1318.e3.
Curtis, M. A., Penney, E. B., Pearson, J., Dragunow, M., Connor, B., & Faull, R. L. M. (2005). The distribution of progenitor cells in the subependymal layer of the lateral ventricle in the normal and Huntington’s disease human brain. Neuroscience, 132(3), 777–788.
D’Angelo, L. (2013). Brain atlas of an emerging teleostean model: Nothobranchius furzeri. Anatomical Record, 296(4), 681–691.
Di Cicco, E., Tozzini, E. T., Rossi, G., & Cellerino, A. (2011). The short-lived annual fish Nothobranchius furzeri shows a typical teleost aging process reinforced by high incidence of age-dependent neoplasias. Experimental Gerontology, 46(4), 249–256.
Diotel, N., Lübke, L., Strähle, U., & Rastegar, S. (2020). Common and Distinct Features of Adult Neurogenesis and Regeneration in the Telencephalon of Zebrafish and Mammals. Frontiers in Neuroscience, 14(September), 1–22.
Dirian, L., Galant, S., Coolen, M., Chen, W., Bedu, S., Houart, C., Bally-Cuif, L., & Foucher, I. (2014). Spatial Regionalization and Heterochrony in the Formation of Adult Pallial Neural Stem Cells. Developmental Cell, 30(2), 123–136.
Division, U. N. D. of E. and S. A. P. (2019). World population prospects 2019. In Department of Economic and Social Affairs. World Population Prospects 2019.
Duggan, M., Torkzaban, B., Ahooyi, T. M., Khalili, K., & Gordon, J. (2020). Age-related neurodegenerative diseases. Journal of Cellular Physiology, 235(4), 3131–3141.
Duque, A., Arellano, J. I., & Rakic, P. (2021). An assessment of the existence of adult neurogenesis in humans and value of its rodent models for neuropsychiatric diseases. Molecular Psychiatry, July.
Ernst, A., & Frisén, J. (2015). Adult Neurogenesis in Humans- Common and Unique Traits in Mammals. PLoS Biology, 13(1), 1–12.
Furness, A. I. (2016). The evolution of an annual life cycle in killifish: adaptation to ephemeral aquatic environments through embryonic diapause. Biological Reviews of the Cambridge Philosophical Society, 91(3), 796–812.
Ganz, J., & Brand, M. (2016). Adult neurogenesis in fish. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology, 8(7), 1–21.
Genade, T., Benedetti, M., Terzibasi, E., Roncaglia, P., Valenzano, D. R., Cattaneo, A., & Cellerino, A. (2005). Annual fishes of the genus Nothobarnchius as a model system for aging research. Aging Cell, 4(5), 223–233.
Grandel, H., Kaslin, J., Ganz, J., Wenzel, I., & Brand, M. (2006). Neural stem cells and neurogenesis in the adult zebrafish brain: Origin, proliferation dynamics, migration and cell fate. Developmental Biology, 295(1), 263–277.
Gross, C. G. (2000). Neurogenesis in the adult brain: Death of a dogma. Nature Reviews Neuroscience, 1(1), 67–73.
Harel, I., Benayoun, B. A., Machado, B., Singh, P. P., Hu, C. K., Pech, M. F., Valenzano, D. R., Zhang, E., Sharp, S. C., Artandi, S. E., & Brunet, A. (2015). A platform for rapid exploration of aging and diseases in a naturally short-lived vertebrate. Cell, 160(5), 1013–1026.
Hou, Yujun; Dan, Xiuli; Babbar, Mansi; Wei, Yong; Hasselbalch, Steen G.; Croteau, Deborah L.; Bohr, V. A. (2019). Ageing as a risk factor for neurodegenerative disease. Nature Reviews Neurology.
Ito, Y., Tanaka, H., Okamoto, H., & Ohshima, T. (2010). Characterization of neural stem cells and their progeny in the adult zebrafish optic tectum. Developmental Biology, 342(1), 26–38.
Jack, C. R., Bennett, D. A., Blennow, K., Carrillo, M. C., Dunn, B., Haeberlein, S. B., Holtzman, D. M., Jagust, W., Jessen, F., Karlawish, J., Liu, E., Molinuevo, J. L., Montine, T., Phelps, C., Rankin, K. P., Rowe, C. C., Scheltens, P., Siemers, E., Snyder, H. M., … Silverberg, N. (2018). NIA-AA Research Framework: Toward a biological definition of Alzheimer’s disease. Alzheimer’s and Dementia, 14(4), 535–562.
Johnson, I. P. (2015). Age-related neurodegenerative disease research needs aging models. Frontiers in Aging Neuroscience.
Kaslin, J., Ganz, J., & Brand, M. (2008). Proliferation, neurogenesis and regeneration in the non-mammalian vertebrate brain. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences, 363(1489), 101–122.
Kaslin, J., Ganz, J., Geffarth, M., Grandel, H., Hans, S., & Brand, M. (2009). Stem cells in the adult zebrafish cerebellum: Initiation and maintenance of a novel stem cell niche. Journal of Neuroscience, 29(19), 6142–6153.
Kim, Y., Nam, H. G., & Valenzano, D. R. (2016). The short-lived African turquoise killifish: An emerging experimental model for ageing. DMM Disease Models and Mechanisms, 9(2), 115–129.
Kirschner, J., Weber, D., Neuschl, C., Franke, A., Böttger, M., Zielke, L., Powalsky, E., Groth, M., Shagin, D., Petzold, A., Hartmann, N., Englert, C., Brockmann, G. A., Platzer, M., Cellerino, A., & Reichwald, K. (2012). Mapping of quantitative trait loci controlling lifespan in the short-lived fish Nothobranchius furzeri- a new vertebrate model for age research. Aging Cell, 11(2), 252–261.
Kornack, D. R., & Rakic, P. (2001). The generation, migration, and differentiation of olfactory neurons in the adult primate brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 98(8), 4752–4757.
Kuroyanagi, Y., Okuyama, T., Suehiro, Y., Imada, H., Shimada, A., Naruse, K., Takeda, H., Kubo, T., & Takeuchi, H. (2010). Proliferation zones in adult medaka (Oryzias latipes) brain. Brain Research, 1323, 33–40.
Liu, C., Wang, X., Feng, W., Li, G., Su, F., & Zhang, S. (2012). Differential expression of aging biomarkers at different life stages of the annual fish Nothobranchius guentheri. Biogerontology, 13(5), 501–510.
Lois, C., & Alvarez-Buylla, A. (1994). Long-distance neuronal migration in the adult mammalian brain. Science, 264(5162), 1145–1148.
López-Otín, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M., & Kroemer, G. (2013). Review The Hallmarks of Aging. Figure 1.
Low, V. F., Faull, R. L. M., Bennet, L., Gunn, A. J., & Curtis, M. A. (2013). Neurogenesis and progenitor cell distribution in the subgranular zone and subventricular zone of the adult sheep brain. Neuroscience, 244, 173–187.
Lucas-Sánchez, A., Almaida-Pagán, P. F., Madrid, J. A., de Costa, J., & Mendiola, P. (2011). Age-related changes in fatty acid profile and locomotor activity rhythms in Nothobranchius korthausae. Experimental Gerontology, 46(12), 970–978.
Lust, K., & Tanaka, E. M. (2019). A Comparative Perspective on Brain Regeneration in Amphibians and Teleost Fish. Developmental Neurobiology, 79(5), 424–436.
Matsui, H., Kenmochi, N., & Namikawa, K. (2019). Age- and α-Synuclein-Dependent Degeneration of Dopamine and Noradrenaline Neurons in the Annual Killifish Nothobranchius furzeri. Cell Reports, 26(7), 1727-1733.e6.
Menn, B., Garcia-Verdugo, J. M., Yaschine, C., Gonzalez-Perez, O., Rowitch, D., & Alvarez-Buylla, A. (2006). Origin of oligodendrocytes in the subventricular zone of the adult brain. Journal of Neuroscience, 26(30), 7907–7918.
Ming, G. li, & Song, H. (2011). Adult Neurogenesis in the Mammalian Brain: Significant Answers and Significant Questions. Neuron, 70(4), 687–702.
Mueller, T., & Wullimann, M. F. (2009). An evolutionary interpretation of teleostean forebrain anatomy. Brain, Behavior and Evolution, 74(1), 30–42.
Nicaise, A. M., Willis, C. M., Crocker, S. J., & Pluchino, S. (2020). Stem Cells of the Aging Brain. Frontiers in Aging Neuroscience, 12(August), 1–24.
Nieuwenhuys, R. (2009). The forebrain of actinopterygians revisited. Brain, Behavior and Evolution, 73(4), 229–252.
Niklison-Chirou, M. V., Agostini, M., Amelio, I., & Melino, G. (2020). Regulation of adult neurogenesis in mammalian brain. International Journal of Molecular Sciences, 21(14), 1–21.
Oppenheim, R. W. (2019). Adult Hippocampal Neurogenesis in Mammals (and Humans): The Death of a Central Dogma in Neuroscience and its Replacement by a New Dogma. Developmental Neurobiology, 79(3), 268–280.
Podrabsky, J. E., & Hand, S. C. (1999). The bioenergetics of embryonic diapause in an annual killifish, Austrofundulus limnaeus. Journal of Experimental Biology, 202(19), 2567–2580.
Poeschla, M., & Valenzano, D. R. (2020). The turquoise killifish: A genetically tractable model for the study of aging. Journal of Experimental Biology, 223, 1–8.
Terzibasi, E., Lefrançois, C., Domenici, P., Hartmann, N., Graf, M., & Cellerino, A. (2009). Effects of dietary restriction on mortality and age-related phenotypes in the short-lived fish Nothobranchius furzeri. Aging Cell, 8(2), 88–99.
Terzibasi, E., Valenzano, D. R., Benedetti, M., Roncaglia, P., Cattaneo, A., Domenici, L., & Cellerino, A. (2008). Large differences in aging phenotype between strains of the short-lived annual fish Nothobranchius furzeri. PLoS ONE, 3(12).
Terzibasi Tozzini, E., & Cellerino, A. (2020). Nothobranchius annual killifishes. EvoDevo, 11(1), 1–9.
Terzibasi Tozzini, E., Dorn, A., Ng’Oma, E., Polačik, M., Blažek, R., Reichwald, K., Petzold, A., Watters, B., Reichard, M., & Cellerino, A. (2013). Parallel evolution of senescence in annual fishes in response to extrinsic mortality. BMC Evolutionary Biology, 13(1).
Than-Trong, E., & Bally-Cuif, L. (2015). Radial glia and neural progenitors in the adult zebrafish central nervous system. Glia, 63(8), 1406–1428.
Than-Trong, E., Kiani, B., Dray, N., Ortica, S., Simons, B., Rulands, S., Alunni, A., & Bally-Cuif, L. (2020). Lineage hierarchies and stochasticity ensure the long-term maintenance of adult neural stem cells. Science Advances, 6(18), 26–29.
Tozzini, E. T., Baumgart, M., Battistoni, G., & Cellerino, A. (2012). Adult neurogenesis in the short-lived teleost Nothobranchius furzeri: Localization of neurogenic niches, molecular characterization and effects of aging. Aging Cell, 11(2), 241–251.
Valdesalici, S., & Cellerino, A. (2003). Extremely short lifespan in the annual fish Nothobranchius furzeri. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 270(SUPPL. 2), 189–191.
Valenzano, Dario R., Terzibasi, E., Genade, T., Cattaneo, A., Domenici, L., & Cellerino, A. (2006). Resveratrol prolongs lifespan and retards the onset of age-related markers in a short-lived vertebrate. Current Biology, 16(3), 296–300.
Valenzano, Dario Riccardo, Benayoun, B. A., Singh, P. P., Zhang, E., Etter, P. D., Hu, C. K., Clément-Ziza, M., Willemsen, D., Cui, R., Harel, I., MacHado, B. E., Yee, M. C., Sharp, S. C., Bustamante, C. D., Beyer, A., Johnson, E. A., & Brunet, A. (2015). The African Turquoise Killifish Genome Provides Insights into Evolution and Genetic Architecture of Lifespan. Cell, 163(6), 1539–1554.
Valenzano, Dario Riccardo, Sharp, S., & Brunet, A. (2011). Transposon-mediated transgenesis in the short-lived african killifish nothobranchius furzeri, a vertebrate model for aging. G3: Genes, Genomes, Genetics, 1(7), 531–538.
Van Houcke, J., De Groef, L., Dekeyster, E., & Moons, L. (2015). The zebrafish as a gerontology model in nervous system aging , disease , and repair. Ageing Research Reviews, 24, 358–368.
Van houcke, J., Mariën, V., Zandecki, C., Seuntjens, E., Ayana, R., & Arckens, L. (2021). Modeling Neuroregeneration and Neurorepair in an Aging Context: The Power of a Teleost Model. Frontiers in Cell and Developmental Biology, 9(March).
Van houcke, J., Mariën, V., Zandecki, C., Vanhunsel, S., Moons, L., Ayana, R., Seuntjens, E., & Arckens, L. (2021). Aging impairs the essential contributions of non-glial progenitors to neurorepair in the dorsal telencephalon of the Killifish Nothobranchius furzeri. Aging Cell, 20(9), 1–18.
World Health Organization. (2015). World report on ageing and health.
World Health Organization. (2017). Global action plan on the public health response to dementia 2017 - 2025. Geneva: World Health Organization, 52.
Wullimann, M. F. (2009). Secondary neurogenesis and telencephalic organization in zebrafish and mice: a brief review. Integrative Zoology, 4(1), 123–133.
Yamamoto, N. (2009). Studies on the teleost brain morphology in search of the origin of cognition. Japanese Psychological Research, 51(3), 154–167.
Yang, Y., Wang, W., Huang, T., Ruan, W., & Cao, G. (2016). Transgenesis of Tol2-mediated seamlessly constructed BAC mammary gland expression vectors in Mus musculus. Journal of Biotechnology, 218, 66–72.
Yoo, S., & Blackshaw, S. (2019). Regulation and function of neurogenesis in the adult mammalian hypothalamus. 53–66.
Yoshinari, N., Ando, K., Kudo, A., Kinoshita, M., & Kawakami, A. (2012). Colored medaka and zebrafish: Transgenics with ubiquitous and strong transgene expression driven by the medaka β-actin promoter. Development Growth and Differentiation, 54(9), 818–828.
Zupanc, G. K. H., Hinsch, K., & Gage, F. H. (2005). Proliferation, migration, neuronal differentiation, and long-term survival of new cells in the adult zebrafish brain. Journal of Comparative Neurology, 488(3), 290–319.
Zupanc, G. K. H., & Sîrbulescu, R. F. (2011). Adult neurogenesis and neuronal regeneration in the central nervous system of teleost fish. European Journal of Neuroscience, 34(6), 917–929.
Zupanc, G. K. H., & Zupanc, M. M. (2006). New neurons for the injured brain: mechanisms of neuronal regeneration in adult teleost fish. Regenerative Medicine, 1(2), 207–216.
