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Developmental Biology

Eine Einführung in die Entwicklungsgenetik

An Introduction to Developmental Genetics

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JoVE Science Education Developmental Biology

An Introduction to Developmental Genetics

2.2: Gene Silencing with Morpholinos

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09:06 min

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April 30, 2023

Overview

Entwicklung ist der komplexe Prozess durch den ein einzelnen-celled Embryos in einem mehrzelligen Organismus verwandelt. Entwicklungsprozesse sind geleitet von Informationen in einer Organism\ DNA kodiert, und Genetiker versuchen zu verstehen, wie diese Informationen zu einem voll ausgebildeten Organismus führt.

Dieses Video-Rezension bahnbrechenden Forschungen auf dem Gebiet der Entwicklungsbiologie, einschließlich der Identifizierung bestimmter Gene, die verschiedene embryonale Prozesse zu steuern. Eine Einführung in die wichtigsten Fragen Entwicklungsstörungen Genetiker und die prominenten Methoden verwendet, um sie zu beantworten ist ebenfalls vorhanden. Schließlich werden mehrere Anwendungen dieser prominenten Methoden diskutiert, um zu zeigen, bestimmte Experimente, die derzeit in diesem Bereich durchgeführt.

Procedure

Die Entwicklung eines jeden Organismus orientiert sich an der Erbinformation in der DNA kodiert. Durch das Studium, wie Gene steuern Entwicklungsprozesse wie Zellwanderung und Differenzierung, versuchen Wissenschaftler auf dem Gebiet der Entwicklungsbiologie, besser zu verstehen, wie die komplexen Strukturen der vielzelligen Organismen gebildet werden.

Dieses Video präsentieren einige der großen Entdeckungen in diesem Bereich eine Reihe von grundlegenden Fragen von Entwicklungsstörungen Genetiker, wichtige Tools, mit denen Wissenschaftler diese Fragen zu beantworten und zu guter Letzt spezifische Studien heute auf Entwicklungsgenetik durchgeführt werden.

Lassen Sie uns zunächst einige der wichtigen Entdeckungen, die den Bereich der Entwicklungsgenetik geprägt haben.

1865 führte ein österreichischer Mönch Gregor Mendel, Zucht Experimente mit Erbsen. Er beobachtete, dass der Erbsen sichtbare Merkmale oder “Phänotypen”, wie z. B. Samen Farbe nach einheitlichen Regeln vererbt würden. Durch den Vorschlag, dass diese Phänotypen tatsächlich durch einige unsichtbare, diskrete Vererbung Faktoren gesteuert werden, Saat Mendel die des Felds der Genetik.

Diese Vererbung Faktoren hießen “Gene” vom dänischen Botaniker Wilhelm Johannsen 1909. Dann im Jahre 1910, Thomas Hunt Morgan und seine Schüler der Fruchtfliege Drosophila als Modellorganismus verwendet um zu entdecken, dass Gene auf physische Strukturen im Zellkern, die Chromosomen genannt zu finden sind.

Im Jahre 1938 zeigte Salome Gluecksohn-Waelsch, dass ein bestimmtes Gen für die Entwicklung einer embryonalen Struktur bekannt als die Chorda benötigt wurde. Dies war unter die frühesten Belege, dass Gene frühe Entwicklungsprozesse steuern.

1940 schlug Conrad Hal Waddington, dass Zellen in einem Embryo unterscheiden entlang Pfaden oder “Schicksale”, die durch Gene gesteuert werden. Er formulierte eine Metapher für diesen Prozess, in den nächsten 17 Jahren verfeinert, genannt die “epigenetische Landschaft”, wo eine Zelle als eine Murmel ins Rollen auf einem Hügel in Richtung andere Zelle Schicksale zu sehen ist. Die Wege durch die Zelle folgen die Grate und Täler in die Landschaft, die wiederum durch Gene und deren Expressionsmuster gesteuert werden.

1952 bestätigt Wolfgang Beermann, während verschiedene Zellen in einem Organismus den gleichen genetischen Inhalt haben, verschiedene Regionen der Chromosomen aktiv sind und diese differentielle Genexpression Zelle Identität definiert.

Sobald festgestellt wurde, dass die Genexpression Entwicklung beeinflusst, die nächste Frage war, welche Gene? Beantwortung dieser, in den 1970er Jahren, Lewis, Christiane Nüsslein-Volhard und Eric Weischaus eingesetzten Chemikalien nach dem Zufallsprinzip Gene bei Fruchtfliegen mutieren. Durch diese Mutation Bildschirme identifizierten die Wissenschaftler eine große Anzahl von Genen kontrolliert jeden Schritt des Entwicklungsprozesses.

Im Jahr 2007 begann ein internationales Konsortium von Wissenschaftlern arbeiten zur Erstellung einer Sammlung von Mäusen, in denen jedes einzelnes Gen, einer in jedem Mausklick gelöscht oder “knocked out.” Der Phänotyp eines jeden dieser Mäuse ist derzeit geprägt und geben uns den ersten Katalog der Funktion aller Gene in einem Säugetier.

Nun, da wir die Wurzeln des Feldes überprüft haben, schauen Sie sich bitte an ein paar wichtige Fragen, die Entwicklungsstörungen Genetiker versuchen zu beantworten.

Einige Forscher konzentrieren sich auf die frühen Ereignisse während der Umwandlung von befruchteten Eiern oder Zygoten, in vielzelligen Embryonen. Diese Ereignisse hängen RNAs und Proteine, die in das Ei abgelegt werden, von der Mutter in ein Phänomen bekannt als “mütterliche Beitrag” oder “mütterlicher Effekt.” Wissenschaftler sind interessiert, wie eine Mutter Genotyp des Embryos Phänotyp beeinflusst.

Eine weitere zentrale Frage im Entwicklungsgenetik ist: wie machen andere Zelle Schicksale zu genetisch identische Zellen eigen? Wissenschaftler sind die vielen Faktoren identifizieren, die differenzielle Genexpression zwischen verschiedenen Zellen, einschließlich der Signalwege, die der Zelle, welche Gene sagen zu bekunden, und wann man formulieren, während der Entwicklung zu steuern.

Schließlich Wissenschaftler fordern außerdem, wie den frühen Embryo, eine amorphe Masse von Zellen ist, verwandeln sich in ein komplexer Organismus mit deutlichen, funktionale Teile. Die Bildung dieser Körper Plan heißt Morphogenese, und Wissenschaftler versuchen, die Gene und die Wege, die diesen Prozess steuern zu identifizieren.

Dass Sie jetzt einige der Fragen, die Entwicklungsstörungen Genetiker gefragt sind, betrachten wir die Techniken, die sie verwenden, um diese Fragen zu beantworten.

Wissenschaftler können Untersuchung der Rolle von spezifischen Genen in der Entwicklung durch Unterbrechung ihren Ausdruck. Eine Möglichkeit, dies zu tun ist durch “ausschlagen” das Gen in die DNA der Organismus durch Einführung von Mutationen oder nicht funktionsfähige DNA ersetzen. Alternativ kann Genexpression “abgerissen werden” durch die Einführung von Oligonukleotiden, die zum Ziel mRNA-Sequenzen und verhindern, dass die Herstellung von funktionalen Proteine binden werden.

Um zu erkennen welche Gene für bestimmte Phänotypen verantwortlich sind, können Wissenschaftler genetische Bildschirme durchführen. In einem vorwärts genetischen Bildschirm sind Mutationen in Organismen durch Strahlung oder Chemikalien bekannt als mutagene zufallsgeneriert. Wenn eine Mutante gefunden wird, um einen Phänotyp des Interesses anzuzeigen, kann unbekannte Gens mutiert war dann identifiziert werden. Der umgekehrte Weg ist ein reverse genetische Bildschirm, wo Wissenschaftler zunächst gezielt eine große Anzahl von spezifischen Kandidatengene für Störungen, und betrachten Sie dann die daraus resultierenden Phänotypen der Mutanten.

Biologen interessieren sich schließlich auch bei der Bestimmung der Genexpression in unterschiedlichen Entwicklungsstadien. Ein Tool zur Messung der Genexpression ist der Microarray, die ein Chip übersät mit Oligonukleotiden mit Sequenzen der Gene getestet werden. In ein typisches Experiment wird RNA extrahiert von Organismen in zwei unterschiedlichen Entwicklungsstadien verwendet, um zwei unterschiedliche Fluoreszent markierten Sonden zu erzeugen, die dann zu den Microarray hybridisiert sind. Änderungen in der Genexpression können dann aus das Fluoreszenzsignal an jeder Punkt auf dem Array interpretiert werden.

Mit diesen experimentellen Techniken im Auge werfen wir einen Blick auf wie die Forscher um Entwicklungsgenetik studieren anwenden.

Wissenschaftler sind umfangreiche genetische Bildschirme in Modellorganismen wie C. Elegans, Durchführung, um Gene zu suchen, die Entwicklung beeinflussen. Dies geschieht in der Regel durch RNA-Interferenz oder RNAi, ein Prozess bei dem Gene zum Schweigen gebracht werden mit kleinen RNA-Molekülen. Hier Wissenschaftler Würmer mit Bakterien, eine RNAi-Bibliothek entwickelt, gegen eine große Anzahl von Wurm Gene enthält, und analysiert die Auswirkungen der gen-Knockdown auf die Tiere gefüttert.

Andere Forscher führen vorwärts genetischer Bildschirme mit zufälligen Mutagenese, um Entwicklungsstörungen Phänotypen zu identifizieren. In diesem Experiment verwendeten die Forscher die gen-Trap-Technik, mutagenize Zebrafisch-Embryonen, wo ein Reporter Konstrukt richtet sich nach dem Zufallsprinzip an Introns Gene und nicht funktionsfähig zu machen. Wissenschaftler können dann leicht erkennen, die Tiere in denen das Gen erfolgreich durch auf der Suche nach dem Reporter-Signal gestört ist, und diejenigen, die einen entwicklungspolitischen Defekt aufweisen können das verantwortliche Gen identifiziert haben.

Schließlich kann die Genexpression verschiedener Zelltypen in einem sich entwickelnden Organismus profiliert werden von Microarrays identifizieren, welche Gene bei der Zell-Differenzierung und Spezialisierung aktiviert oder deaktiviert werden. In dieser Studie wurden einzelne neuronale Zellen verschiedener Zelltypen isoliert von der entwickelnden Netzhaut. RNA wurde dann aus diesen Zellen für Microarray-Analyse, Gene zu identifizieren, die eine bei der Entwicklung von jeder bestimmten Zelltyp Rolle extrahiert.

Sie habe nur Jupiters Einführung in Entwicklungsgenetik beobachtet. Dieses Video überprüft einige historische Highlights dieses Feldes den großen Fragen von Entwicklungsstörungen Genetiker, ein paar von den prominenten Methoden derzeit in Labors und spezifische Anwendungen dieser Ansätze zum Studium Entwicklungsbiologie eingesetzt. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

Transcript

The development of every organism is guided by the genetic information encoded in its DNA. By studying how genes control developmental processes, such as cell migration and differentiation, scientists in the field of developmental genetics are trying to better understand how the complex structures of multicellular organisms are formed.

This video will present some of the major discoveries in this field, a number of fundamental questions asked by developmental geneticists, major tools that scientists use to answer these questions, and finally, specific studies being conducted on developmental genetics today.

Let’s begin by reviewing some of the important discoveries that have shaped the field of developmental genetics.

In 1865, an Austrian monk, Gregor Mendel, performed breeding experiments with peas. He observed that the peas’ visible traits or “phenotypes,” such as seed color, were inherited according to consistent rules. By proposing that these phenotypes are actually controlled by some invisible, discrete heredity factors, Mendel planted the seeds of the field of genetics.

These heredity factors were named “genes” by Danish botanist Wilhelm Johannsen in 1909. Then, in 1910, Thomas Hunt Morgan and his students used the fruit fly Drosophila as a model organism to discover that genes are found on physical structures in the cell nucleus called chromosomes.

In 1938, Salome Gluecksohn-Waelsch showed that a specific gene was needed for the development of an embryonic structure known as the notochord. This was among the earliest evidence that genes control early developmental processes.

In 1940, Conrad Hal Waddington proposed that cells in an embryo differentiate along paths, or “fates,” that are controlled by genes. He formulated a metaphor for this process, refined over the next 17 years, called the “epigenetic landscape,” where a cell is seen as a marble rolling down a hillside towards different cell fates. The paths taken by the cell follow the ridges and valleys in the landscape, which in turn are controlled by genes and their expression patterns.

In 1952, Wolfgang Beermann confirmed that while different cells in an organism have the same genetic content, different regions of the chromosomes are active, and this differential gene expression defines cell identity.

Once it was determined that gene expression influences development, the next question was, which genes? To answer this, in the 1970s, Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard and Eric Weischaus used chemicals to randomly mutate genes in fruit flies. Through these mutation screens, the scientists identified a large number of genes controlling every step of the development process.

In 2007, an international consortium of scientists began work on creating a collection of mice in which every single gene, one in each mouse, is deleted or “knocked out.” The phenotype of each of these mice is currently being characterized, and will give us the first catalogue of the function of all genes in a mammal.

Now that we’ve reviewed the roots of the field, let’s look at a few key questions that developmental geneticists are trying to answer.

Some researchers are focusing on the early events during the transformation of fertilized eggs, or zygotes, into multicellular embryos. These events depend on RNAs and proteins that are deposited in the egg by the mother, in a phenomenon known as “maternal contribution” or “maternal effect.” Scientists are interested in learning how a mother’s genotype influences an embryo’s phenotype.

Another central question in developmental genetics is: how do genetically identical cells adopt different cell fates? Scientists are identifying the many factors that control differential gene expression among different cells, including the signaling pathways that tell the cell what genes to express, and when to express them, during development.

Finally, scientists are also asking how does the early embryo, an amorphous mass of cells, transform into a complex organism with distinct, functional parts. The formation of this body plan is called morphogenesis, and scientists are trying to identify the genes and pathways that govern this process.

Now that you know some of the questions that developmental geneticists are asking, let’s review the techniques they are using to answer these questions.

Scientists can study the role of specific genes in development by disrupting their expression. One way to do this is by “knocking out” the gene in the organism’s DNA by introducing mutations, or replacing it with nonfunctional DNA. Alternatively, gene expression can be “knocked down” by introducing oligonucleotides that will bind to the target mRNA sequences and prevent the production of functional proteins.

To identify which genes are responsible for particular phenotypes, scientists can carry out genetic screens. In a forward genetic screen, mutations are randomly generated in organisms by either radiation or chemicals known as mutagens. When a mutant is found to display a phenotype of interest, the unknown gene that was mutated can then be identified. The opposite approach is a reverse genetic screen, where scientists first target a large number of specific candidate genes for disruption, and then look at the resultant phenotypes of the mutants.

Finally, biologists are also interested in determining gene expression at different developmental stages. One tool for measuring gene expression is the microarray, which is a chip dotted with oligonucleotides containing sequences of the genes to be tested. In a typical experiment, RNA extracted from organisms at two different developmental stages is used to generate two different sets of fluorescently labeled probes, which are then hybridized to the microarray. Changes in gene expression can then be interpreted from the fluorescent signal at each dot on the array.

With these experimental techniques in mind, let’s take a look at how researchers are applying them to study developmental genetics.

Scientists are performing large-scale genetic screens in model organisms, such as C. elegans, to look for genes that affect development. This is usually done through RNA interference, or RNAi, a process whereby genes are silenced using small RNA molecules. Here, scientists fed worms with bacteria containing an RNAi library designed against a large number of worm genes, and analyzed the effect of gene knockdown on the animals’ development.

Other researchers are performing forward genetic screens using random mutagenesis to identify developmental phenotypes. In this experiment, researchers used the gene-trap technique to mutagenize zebrafish embryos, where a reporter construct is randomly targeted to introns of genes and render them nonfunctional. Scientists can then easily identify the animals in which the gene is successfully disrupted by looking for the reporter signal, and those that exhibit a developmental defect can have the responsible gene identified.

Finally, the gene expression of different cell types in a developing organism can be profiled by microarrays to identify which genes are turned on or off during cell differentiation and specialization. In this study, single neuronal cells of different cell types were isolated from the developing retina. RNA was then extracted from these cells for microarray analysis to identify genes that play a role in the development of each specific cell type.

You’ve just watched JoVE’s introduction to developmental genetics. This video reviewed some historical highlights of this field, the big questions asked by developmental geneticists, a few of the prominent methods currently being used in labs, and specific applications of these approaches to studying developmental biology. As always, thanks for watching!

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