مقدمة في علم الوراثة التنموي

يسترشد تطور كل كائن حي بالمعلومات الجينية المشفرة في الحمض النووي الخاص به. من خلال دراسة كيفية تحكم الجينات في العمليات التنموية ، مثل هجرة الخلايا والتمايز ، يحاول العلماء في مجال علم الوراثة التنموية فهم كيفية تكوين الهياكل المعقدة للكائنات متعددة الخلايا بشكل أفضل.

سيقدم هذا الفيديو بعض الاكتشافات الرئيسية في هذا المجال ، وعدد من الأسئلة الأساسية التي يطرحها علماء الوراثة التنموية ، والأدوات الرئيسية التي يستخدمها العلماء للإجابة على هذه الأسئلة ، وأخيرا ، دراسات محددة يتم إجراؤها حول علم الوراثة التنموي اليوم.

لنبدأ بمراجعة بعض الاكتشافات المهمة التي شكلت مجال علم الوراثة التنموي.

في عام 1865 ، أجرى راهب نمساوي ، جريجور مندل ، تجارب تربية مع البازلاء. ولاحظ أن السمات المرئية للبازلاء أو "الأنماط الظاهرية" ، مثل لون البذور ، موروثة وفقا لقواعد متسقة. من خلال اقتراح أن هذه الأنماط الظاهرية يتم التحكم فيها بالفعل من خلال بعض العوامل الوراثية غير المرئية والمنفصلة ، زرع مندل بذور مجال علم الوراثة.

تم تسمية عوامل الوراثة هذه ب "الجينات" من قبل عالم النبات الدنماركي فيلهلم يوهانسن في عام 1909. ثم ، في عام 1910 ، استخدم توماس هانت مورغان وطلابه ذبابة الفاكهة ككائن حي نموذجي لاكتشاف أن الجينات موجودة في الهياكل الفيزيائية في نواة الخلية التي تسمى الكروموسومات.

في عام 1938 ، أظهر سالومي جلوكسون ويلش أن هناك حاجة إلى جين معين لتطوير بنية جنينية تعرف باسم الحبل الظهري. كان هذا من بين أقدم الأدلة على أن الجينات تتحكم في عمليات النمو المبكرة.

في عام 1940 ، اقترح كونراد هال وادينجتون أن الخلايا الموجودة في الجنين تتمايز على طول المسارات ، أو "الأقدار" التي تتحكم فيها الجينات. صاغ استعارة لهذه العملية ، تم صقلها على مدى السنوات ال 17 التالية ، تسمى "المشهد اللاجيني" ، حيث ينظر إلى الخلية على أنها رخام يتدحرج على منحدر تل نحو مصير الخلايا المختلفة. تتبع المسارات التي تسلكها الخلية التلال والوديان في المناظر الطبيعية ، والتي بدورها تتحكم فيها الجينات وأنماط التعبير الخاصة بها.

في عام 1952 ، أكد وولفغانغ بيرمان أنه في حين أن الخلايا المختلفة في الكائن الحي لها نفس المحتوى الجيني ، فإن مناطق مختلفة من الكروموسومات نشطة ، وهذا التعبير الجيني التفاضلي يحدد هوية الخلية.

بمجرد تحديد أن التعبير الجيني يؤثر على التطور ، كان السؤال التالي ، ما هي الجينات؟ للإجابة على هذا السؤال ، في السبعينيات ، استخدم إدوارد ب. لويس وكريستيان نوسلين فولهارد وإريك ويشاوس مواد كيميائية لتحور الجينات بشكل عشوائي في ذباب الفاكهة. من خلال شاشات الطفرات هذه ، حدد العلماء عددا كبيرا من الجينات التي تتحكم في كل خطوة من خطوات عملية التطوير.

في عام 2007 ، بدأ اتحاد دولي من العلماء العمل على إنشاء مجموعة من الفئران يتم فيها حذف كل جين ، واحد في كل فأر ، أو "إخراجه". يتم حاليا تمييز النمط الظاهري لكل من هذه الفئران ، وسيعطينا أول كتالوج لوظيفة جميع الجينات في الثدييات.

الآن بعد أن راجعنا جذور هذا المجال ، دعونا نلقي نظرة على بعض الأسئلة الرئيسية التي يحاول علماء الوراثة التنموية الإجابة عليها.

يركز بعض الباحثين على الأحداث المبكرة أثناء تحويل البويضات المخصبة ، أو البيضة الملقحة ، إلى أجنة متعددة الخلايا. تعتمد هذه الأحداث على الحمض النووي الريبي والبروتينات التي ترسبها الأم في البويضة ، في ظاهرة تعرف باسم "مساهمة الأم" أو "تأثير الأم". يهتم العلماء بمعرفة كيفية تأثير النمط الجيني للأم على النمط الظاهري للجنين.

سؤال مركزي آخر في علم الوراثة التنموي هو: كيف تتبنى الخلايا المتطابقة وراثيا مصائر خلايا مختلفة؟ يحدد العلماء العديد من العوامل التي تتحكم في التعبير الجيني التفاضلي بين الخلايا المختلفة ، بما في ذلك مسارات الإشارات التي تخبر الخلية بالجينات التي يجب التعبير عنها ومتى تعبر عنها أثناء التطور.

أخيرا ، يتساءل العلماء أيضا كيف يتحول الجنين المبكر ، وهو كتلة غير متبلورة من الخلايا ، إلى كائن حي معقد بأجزاء وظيفية متميزة. يسمى تكوين خطة الجسم هذه التشكل ، ويحاول العلماء تحديد الجينات والمسارات التي تحكم هذه العملية.

الآن بعد أن عرفت بعض الأسئلة التي يطرحها علماء الوراثة التنموية ، دعنا نراجع التقنيات التي يستخدمونها للإجابة على هذه الأسئلة.

يمكن للعلماء دراسة دور جينات معينة في التطور عن طريق تعطيل تعبيرها. تتمثل إحدى طرق القيام بذلك في "إخراج" الجين الموجود في الحمض النووي للكائن الحي عن طريق إدخال طفرات ، أو استبداله بالحمض النووي غير الوظيفي. بدلا من ذلك ، يمكن "هدم" التعبير الجيني عن طريق إدخال قليل النوكليوتيدات التي سترتبط بتسلسلات الرنا المرسال المستهدفة وتمنع إنتاج البروتينات الوظيفية.

لتحديد الجينات المسؤولة عن أنماط ظاهرية معينة ، يمكن للعلماء إجراء فحوصات جينية. في الشاشة الجينية الأمامية ، يتم إنشاء الطفرات بشكل عشوائي في الكائنات الحية إما عن طريق الإشعاع أو المواد الكيميائية المعروفة باسم الطفر. عندما يتم العثور على طفرة لعرض نمط ظاهري مثير للاهتمام ، يمكن بعد ذلك تحديد الجين غير المعروف الذي تم تحوره. النهج المعاكس هو شاشة جينية عكسية ، حيث يستهدف العلماء أولا عددا كبيرا من الجينات المرشحة المحددة للاضطراب ، ثم ينظرون إلى الأنماط الظاهرية الناتجة عن الطفر.

أخيرا ، يهتم علماء الأحياء أيضا بتحديد التعبير الجيني في مراحل النمو المختلفة. إحدى أدوات قياس التعبير الجيني هي المصفوفة الدقيقة ، وهي عبارة عن شريحة منقطة بقليل النوكليوتيدات تحتوي على تسلسل من الجينات المراد اختبارها. في تجربة نموذجية ، يتم استخدام الحمض النووي الريبي المستخرج من الكائنات الحية في مرحلتين مختلفتين من النمو لتوليد مجموعتين مختلفتين من المجسات المسماة بالفلورسنت ، والتي يتم تهجينها بعد ذلك إلى المصفوفة الدقيقة. يمكن بعد ذلك تفسير التغييرات في التعبير الجيني من إشارة الفلورسنت في كل نقطة على المصفوفة.

مع وضع هذه التقنيات التجريبية في الاعتبار ، دعنا نلقي نظرة على كيفية تطبيقها للباحثين لدراسة علم الوراثة التنموي.

يقوم العلماء بإجراء فحوصات جينية واسعة النطاق في الكائنات الحية النموذجية ، مثل C. ايليجانس ، للبحث عن الجينات التي تؤثر على النمو. يتم ذلك عادة من خلال تداخل الحمض النووي الريبي ، أو RNAi ، وهي عملية يتم من خلالها إسكات الجينات باستخدام جزيئات الحمض النووي الريبي الصغيرة. هنا ، قام العلماء بإطعام الديدان بالبكتيريا التي تحتوي على مكتبة RNAi المصممة ضد عدد كبير من جينات الدودة ، وقاموا بتحليل تأثير الضربة القاضية للجينات على نمو.

يقوم باحثون آخرون بإجراء فحوصات جينية أمامية باستخدام الطفرات العشوائية لتحديد الأنماط الظاهرية التنموية. في هذه التجربة ، استخدم الباحثون تقنية مصيدة الجينات لتحفر أجنة الزرد ، حيث يتم استهداف بنية المراسل بشكل عشوائي إلى إنترونات الجينات وجعلها غير وظيفية. يمكن للعلماء بعد ذلك التعرف بسهولة على التي يتعطل فيها الجين بنجاح من خلال البحث عن إشارة المراسل ، ويمكن لتلك التي تظهر عيبا في النمو تحديد الجين المسؤول.

أخيرا ، يمكن تحديد التعبير الجيني لأنواع الخلايا المختلفة في الكائن الحي النامي بواسطة المصفوفات الدقيقة لتحديد الجينات التي يتم تشغيلها أو إيقاف تشغيلها أثناء تمايز الخلايا وتخصصها. في هذه الدراسة ، تم عزل الخلايا العصبية المفردة من أنواع مختلفة من شبكية العين النامية. ثم تم استخراج الحمض النووي الريبي من هذه الخلايا لتحليل المصفوفات الدقيقة لتحديد الجينات التي تلعب دورا في تطوير كل نوع محدد من أنواع الخلايا.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لعلم الوراثة التنموي. استعرض هذا الفيديو بعض النقاط البارزة التاريخية لهذا المجال ، والأسئلة الكبيرة التي طرحها علماء الوراثة التنموية ، وعدد قليل من الأساليب البارزة المستخدمة حاليا في المختبرات ، والتطبيقات المحددة لهذه الأساليب لدراسة علم الأحياء التنموي. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!