2.1: Eine Einführung in die Entwicklungsgenetik

Die Entwicklung eines jeden Organismus wird von der genetischen Information gesteuert, die in seiner DNA kodiert ist. Indem sie untersuchen, wie Gene Entwicklungsprozesse wie Zellmigration und -differenzierung steuern, versuchen Wissenschaftler auf dem Gebiet der Entwicklungsgenetik besser zu verstehen, wie die komplexen Strukturen mehrzelliger Organismen entstehen.

In diesem Video werden einige der wichtigsten Entdeckungen auf diesem Gebiet vorgestellt, eine Reihe grundlegender Fragen, die von Entwicklungsgenetikern gestellt werden, wichtige Werkzeuge, die Wissenschaftler zur Beantwortung dieser Fragen verwenden, und schließlich spezifische Studien, die heute zur Entwicklungsgenetik durchgeführt werden.

Beginnen wir mit einem Überblick über einige der wichtigen Entdeckungen, die das Gebiet der Entwicklungsgenetik geprägt haben.

Im Jahr 1865 führte der österreichische Mönch Gregor Mendel Züchtungsversuche mit Erbsen durch. Er beobachtete, dass die sichtbaren Merkmale oder "Phänotypen" der Erbsen, wie z. B. die Samenfarbe, nach einheitlichen Regeln vererbt wurden. Indem er vorschlug, dass diese Phänotypen tatsächlich durch einige unsichtbare, diskrete Vererbungsfaktoren gesteuert werden, legte Mendel den Grundstein für das Feld der Genetik.

Diese Vererbungsfaktoren wurden 1909 von dem dänischen Botaniker Wilhelm Johannsen als "Gene" bezeichnet. Im Jahr 1910 entdeckten Thomas Hunt Morgan und seine Studenten dann anhand der Fruchtfliege Drosophila als Modellorganismus, dass Gene auf physikalischen Strukturen im Zellkern zu finden sind, die Chromosomen genannt werden.

1938 zeigte Salome Glücksohn-Waelsch, dass für die Entwicklung einer embryonalen Struktur, der sogenannten Chord, ein spezifisches Gen benötigt wird. Dies war einer der frühesten Beweise dafür, dass Gene frühe Entwicklungsprozesse steuern.

Im Jahr 1940 schlug Conrad Hal Waddington vor, dass sich Zellen in einem Embryo entlang von Wegen oder "Schicksalen" differenzieren, die von Genen gesteuert werden. Er formulierte eine Metapher für diesen Prozess, der in den nächsten 17 Jahren verfeinert wurde, die "epigenetische Landschaft", in der eine Zelle als eine Murmel gesehen wird, die einen Hügel hinunter zu verschiedenen Zellschicksalen rollt. Die Wege der Zelle folgen den Kämmen und Tälern in der Landschaft, die wiederum von den Genen und ihren Expressionsmustern gesteuert werden.

Im Jahr 1952 bestätigte Wolfgang Beermann, dass zwar verschiedene Zellen in einem Organismus den gleichen genetischen Gehalt haben, aber verschiedene Regionen der Chromosomen aktiv sind und diese unterschiedliche Genexpression die Zellidentität definiert.

Nachdem festgestellt wurde, dass die Genexpression die Entwicklung beeinflusst, war die nächste Frage, welche Gene? Um diese Frage zu beantworten, verwendeten Edward B. Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard und Eric Weischaus in den 1970er Jahren Chemikalien, um Gene in Fruchtfliegen zufällig zu mutieren. Durch diese Mutations-Screenings identifizierten die Wissenschaftler eine große Anzahl von Genen, die jeden Schritt des Entwicklungsprozesses steuern.

Im Jahr 2007 begann ein internationales Konsortium von Wissenschaftlern mit der Erstellung einer Sammlung von Mäusen, in der jedes einzelne Gen, eines in jeder Maus, gelöscht oder "ausgeschaltet" wird. Der Phänotyp jeder dieser Mäuse wird derzeit charakterisiert und wird uns den ersten Katalog der Funktion aller Gene in einem Säugetier liefern.

Nachdem wir nun die Wurzeln des Feldes überprüft haben, schauen wir uns einige Schlüsselfragen an, die Entwicklungsgenetiker zu beantworten versuchen.

Einige Forscher konzentrieren sich auf die frühen Ereignisse während der Umwandlung von befruchteten Eizellen oder Zygoten in mehrzellige Embryonen. Diese Ereignisse hängen von RNAs und Proteinen ab, die von der Mutter in der Eizelle abgelagert werden, ein Phänomen, das als "mütterlicher Beitrag" oder "mütterlicher Effekt" bekannt ist. Wissenschaftler interessieren sich dafür, wie der Genotyp einer Mutter den Phänotyp eines Embryos beeinflusst.

Eine weitere zentrale Frage in der Entwicklungsgenetik lautet: Wie nehmen genetisch identische Zellen unterschiedliche Zellschicksale an? Wissenschaftler identifizieren die vielen Faktoren, die die unterschiedliche Genexpression zwischen verschiedenen Zellen steuern, einschließlich der Signalwege, die der Zelle sagen, welche Gene während der Entwicklung exprimiert werden sollen und wann sie exprimiert werden sollen.

Schließlich fragen sich die Wissenschaftler auch, wie sich der frühe Embryo, eine amorphe Masse von Zellen, in einen komplexen Organismus mit unterschiedlichen, funktionalen Teilen verwandelt. Die Bildung dieses Körperbaus wird als Morphogenese bezeichnet, und Wissenschaftler versuchen, die Gene und Wege zu identifizieren, die diesen Prozess steuern.

Nun, da Sie einige der Fragen kennen, die Entwicklungsgenetiker stellen, lassen Sie uns die Techniken überprüfen, die sie verwenden, um diese Fragen zu beantworten.

Wissenschaftler können die Rolle bestimmter Gene bei der Entwicklung untersuchen, indem sie ihre Expression stören. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, das Gen in der DNA des Organismus durch das Einbringen von Mutationen "auszuschalten" oder es durch nicht funktionsfähige DNA zu ersetzen. Alternativ kann die Genexpression durch die Einführung von Oligonukleotiden "heruntergefahren" werden, die an die Ziel-mRNA-Sequenzen binden und die Produktion funktioneller Proteine verhindern.

Um herauszufinden, welche Gene für bestimmte Phänotypen verantwortlich sind, können Wissenschaftler genetische Screenings durchführen. Bei einem vorwärtsgerichteten genetischen Screening werden Mutationen in Organismen nach dem Zufallsprinzip entweder durch Strahlung oder durch Chemikalien, die als Mutagene bekannt sind, erzeugt. Wenn festgestellt wird, dass eine Mutante einen interessanten Phänotyp aufweist, kann das unbekannte Gen, das mutiert wurde, identifiziert werden. Der umgekehrte Ansatz ist ein reverses genetisches Screening, bei dem die Wissenschaftler zunächst eine große Anzahl spezifischer Kandidatengene für die Störung ins Visier nehmen und sich dann die daraus resultierenden Phänotypen der Mutanten ansehen.

Schließlich interessieren sich Biologen auch für die Bestimmung der Genexpression in verschiedenen Entwicklungsstadien. Ein Werkzeug zur Messung der Genexpression ist der Microarray, ein Chip, der mit Oligonukleotiden übersät ist, die Sequenzen der zu testenden Gene enthalten. In einem typischen Experiment wird RNA, die aus Organismen in zwei verschiedenen Entwicklungsstadien extrahiert wurde, verwendet, um zwei verschiedene Sätze fluoreszenzmarkierter Sonden zu erzeugen, die dann mit dem Microarray hybridisiert werden. Veränderungen in der Genexpression können dann anhand des Fluoreszenzsignals an jedem Punkt auf dem Array interpretiert werden.

Werfen wir mit diesen experimentellen Techniken im Hinterkopf einen Blick darauf, wie Forscher sie anwenden, um die Entwicklungsgenetik zu untersuchen.

Wissenschaftler führen groß angelegte genetische Screenings in Modellorganismen wie C. elegans durch, um nach Genen zu suchen, die die Entwicklung beeinflussen. Dies geschieht in der Regel durch RNA-Interferenz (RNAi), ein Prozess, bei dem Gene mit kleinen RNA-Molekülen zum Schweigen gebracht werden. Hier fütterten Wissenschaftler Würmer mit Bakterien, die eine RNAi-Bibliothek enthielten, die gegen eine große Anzahl von Wurmgenen entwickelt wurde, und analysierten die Auswirkungen des Gen-Knockdowns auf die Entwicklung der Tiere.

Andere Forscher führen genetische Vorwärts-Screenings mit zufälliger Mutagenese durch, um Entwicklungsphänotypen zu identifizieren. In diesem Experiment verwendeten die Forscher die Genfallentechnik, um Zebrafischembryonen zu mutagenisieren, wobei ein Reporterkonstrukt zufällig auf Introns von Genen ausgerichtet ist und sie funktionsunfähig macht. Die Tiere, bei denen das Gen erfolgreich gestört ist, können die Wissenschaftler dann leicht identifizieren, indem sie nach dem Reportersignal suchen, und bei denen, die einen Entwicklungsdefekt aufweisen, kann das verantwortliche Gen identifiziert werden.

Schließlich kann die Genexpression verschiedener Zelltypen in einem sich entwickelnden Organismus durch Microarrays profiliert werden, um zu identifizieren, welche Gene während der Zelldifferenzierung und -spezialisierung ein- oder ausgeschaltet werden. In dieser Studie wurden einzelne neuronale Zellen verschiedener Zelltypen aus der sich entwickelnden Netzhaut isoliert. Aus diesen Zellen wurde dann RNA für die Microarray-Analyse extrahiert, um Gene zu identifizieren, die bei der Entwicklung jedes spezifischen Zelltyps eine Rolle spielen.

Sie haben gerade die Einführung von JoVE in die Entwicklungsgenetik gesehen. Dieses Video gibt einen Überblick über einige historische Höhepunkte dieses Gebiets, die großen Fragen, die von Entwicklungsgenetikern gestellt werden, einige der prominenten Methoden, die derzeit in Labors verwendet werden, und spezifische Anwendungen dieser Ansätze zur Erforschung der Entwicklungsbiologie. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!