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Developmental Biology

Introducción a la genética del desarrollo

An Introduction to Developmental Genetics

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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

El desarrollo es el complejo proceso mediante el cual un embrión unicelular se transforma en un organismo multicelular. Procesos de desarrollo están guiados por la información codificada en el ADN de un organism\, y los genetistas están tratando de entender cómo esta información lleva a un organismo completamente formado.

Este video repasa investigación seminal en el campo de la biología del desarrollo, incluyendo la identificación de genes específicos que controlan diversos procesos embrionarios. También se proporciona una introducción a las principales preguntas por genetistas del desarrollo y los prominentes métodos utilizados para responder a ellos. Finalmente, se discuten varias aplicaciones de estos métodos destacados, para mostrar experimentos específicos que actualmente se está realizando en este campo.

Procedure

El desarrollo de cada organismo se guía por la información genética codificada en su ADN. Mediante el estudio de cómo los genes controlan procesos de desarrollo, como la migración celular y diferenciación, los científicos en el campo de la genética del desarrollo intentan entender mejor cómo se forman las estructuras complejas de los organismos multicelulares.

Este video presenta algunos de los principales descubrimientos en este campo, una serie de preguntas fundamentales formuladas por genetistas del desarrollo, principales herramientas que los científicos usan para responder a estas preguntas, y finalmente, específicas de estudios realizadas hoy en la genética del desarrollo.

Empecemos por revisar algunos de los descubrimientos importantes que han dado forma al campo de la genética del desarrollo.

En 1865, un monje austríaco, Gregor Mendel, realizó experimentos de cría con guisantes. Observó que los guisantes rasgos visibles o “fenotipos”, como el color de la semilla, fueron heredados según reglas constantes. Al proponer que estos fenotipos están realmente controlados por algunos factores de la herencia invisible, discreta, Mendel plantó las semillas del campo de la genética.

Estos factores de la herencia fueron nombrados “genes” por el botánico danés Wilhelm Johannsen en 1909. Luego, en 1910, Thomas Hunt Morgan y sus estudiantes utilizan la mosca de la fruta Drosophila como un organismo modelo para descubrir que los genes se encuentran en estructuras físicas en el núcleo de la célula llamados cromosomas.

En 1938, Salome Gluecksohn-Waelsch demostró que un gen específico era necesario para el desarrollo de una estructura embrionaria conocida como el notocordio. Esto era entre la evidencia más temprana que los genes controlan los procesos de desarrollo tempranos.

En 1940, Conrad Hal Waddington propuso que las células de un embrión se diferencian a lo largo de caminos o “destinos”, que están controlados por genes. Él formuló una metáfora para este proceso, refinado durante los próximos 17 años, llamado el “paisaje epigenético”, donde una célula se considera como una canica rodando por una ladera hacia destinos diferentes de la célula. Los caminos tomados por la célula siga las crestas y valles en el paisaje, que a su vez están controlados por genes y sus patrones de expresión.

En 1952, Wolfgang Beermann confirmó que diferentes células en un organismo tienen el mismo contenido genético, diferentes regiones de los cromosomas son activas, y esta expresión génica diferencial define la identidad de la célula.

¿Una vez que se determinó que la expresión del gen influye en desarrollo, la siguiente pregunta fue, que los genes? Para responder esto, en la década de 1970, Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard y Eric Weischaus utilizan productos químicos para aleatoriamente mutan genes en moscas de la fruta. A través de estas pantallas de mutación, los científicos identificaron un gran número de genes que controlan cada paso del proceso de desarrollo.

En 2007, un consorcio internacional de científicos comenzó a trabajar en la creación de una colección de ratones en los que cada gen individual, uno en cada ratón, se borra o “noqueado”. El fenotipo de cada uno de estos ratones se caracteriza actualmente y nos dará el primer catálogo de la función de los genes en un mamífero.

Ahora que hemos revisado las raíces del campo, echemos un vistazo a algunas preguntas claves que los genetistas del desarrollo están tratando de responder.

Algunos investigadores se centran en los acontecimientos tempranos durante la transformación de huevos fertilizados, o cigotos, en embriones multicelulares. Estos eventos dependen de RNAs y proteínas que se depositan en el huevo por la madre, en un fenómeno conocido como “contribución materna” o “efecto maternal”. Los científicos están interesados en aprender cómo genotipo de la madre influye en el fenotipo de un embrión.

Otra cuestión central en la genética del desarrollo es: ¿Cómo células genéticamente idénticas adoptan destinos celulares diferentes? Los científicos están identificando los muchos factores que controlan la expresión génica diferencial entre diversas células, incluyendo las vías de señalización que decirle a la célula qué genes a expresar, y cuando para su expresión, durante el desarrollo.

Finalmente, los científicos preguntan también cómo el embrión, una masa amorfa de células, transforma en un organismo complejo con partes distintas, funcionales. La formación de este plan del cuerpo se llama morfogénesis, y los científicos están tratando de identificar los genes y vías que rigen este proceso.

Ahora que conoces algunas de las preguntas que piden a los genetistas del desarrollo, vamos a repasar las técnicas que se utilizan para responder a estas preguntas.

Los científicos pueden estudiar el papel de genes específicos en el desarrollo interrumpiendo su expresión. Una forma de hacerlo es por la “anulación” el gen en el ADN del organismo por la introducción de mutaciones, o reemplazarlo con el ADN no funcional. Como alternativa, expresión génica puede ser “derribada” mediante la introducción de oligonucleótidos que se unen en el destino del ARNm de las secuencias y evitar la producción de proteínas funcionales.

Para identificar qué genes son responsables de los fenotipos particulares, los científicos pueden realizar pantallas genéticas. En una pantalla delante de genética, las mutaciones son generadas aleatoriamente en organismos ya sea por radiación o productos químicos conocidos como mutágenos. Cuando un mutante para mostrar un fenotipo de interés, puede entonces identificarse el gen desconocido que era transformado. El enfoque opuesto es una pantalla genética reversa, donde científicos primero atacar un gran número de genes candidato específico de interrupción y luego miran los fenotipos resultantes de los mutantes.

Finalmente, los biólogos también están interesados en determinar la expresión génica en diferentes etapas de desarrollo. Una herramienta para medir la expresión génica es el microarray, que es un chip con oligonucleótidos que contienen secuencias de los genes para ser probado. En un experimento típico, ARN extraído de organismos en dos diferentes etapas de desarrollo se utiliza para generar dos conjuntos diferentes de sondas fluorescente etiquetadas, que se cruzó por hibridación de los microarrays. Cambios en la expresión génica pueden interpretarse después de la señal fluorescente en cada punto en la matriz.

Con estas técnicas experimentales en mente, echemos un vistazo a cómo los investigadores están aplicando para estudiar la genética del desarrollo.

Los científicos están realizando pantallas genéticas a gran escala en organismos modelo, como C. elegans, para buscar genes que afectan al desarrollo. Esto se hace generalmente mediante ARN de interferencia o ARNi, un proceso por el que genes están silenciados usando pequeñas moléculas de ARN. Aquí, los científicos hartos gusanos de bacterias que contiene una biblioteca de ARNi diseñada contra un gran número de genes del gusano y analizado el efecto de caída de gen en el desarrollo de los animales.

Otros investigadores están realizando pantallas genéticas adelantados mediante mutagénesis al azar para identificar los fenotipos del desarrollo. En este experimento, investigadores utilizaron la técnica de gene-trampa para mutagenize embriones de pez cebra, donde una construcción de reportero es dirigida aleatoriamente a intrones de genes y hacerlas no funcional. Los científicos entonces pueden identificar fácilmente los animales en los que el gen se interrumpe con éxito buscando la señal del reportero, y aquellas que presentan un defecto de desarrollo pueden tener el gen responsable identificado.

Por último, la expresión génica de diferentes tipos de células en un organismo en desarrollo puede ser perfilada por microarrays para identificar qué genes son activados o desactivados durante la especialización y diferenciación celular. En este estudio, las células neuronales de diferentes tipos de células fueron aisladas de la retina en desarrollo. RNA se extrajo entonces de estas células para el análisis de microarrays identificar los genes que desempeñan un papel en el desarrollo de cada tipo de célula específica.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la genética del desarrollo. Este video repasa algunos aspectos históricos destacados de este campo, las grandes preguntas formuladas por especialistas en genética del desarrollo, algunos de los métodos destacados actualmente se utiliza en los laboratorios y aplicaciones específicas de estos enfoques al estudio de la biología del desarrollo. ¡Como siempre, gracias por ver!

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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