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Developmental Biology

Une introduction à la génétique du développement

An Introduction to Developmental Genetics

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Developmental Biology

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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

Le développement est le processus complexe par lequel un embryon unicellulaire se transforme en un organisme multicellulaire. Processus de développement sont guidés par l’information codée dans l’ADN d’un organism\, et généticiens essaient de comprendre comment cette information mène à un organisme entièrement formé.

Cette vidéo clients séminale recherche dans le domaine de la biologie du développement, y compris l’identification de gènes spécifiques qui contrôlent les différents processus embryonnaires. Une introduction aux principales questions posées par les généticiens du développement, ainsi que les méthodes éminents utilisés pour y répondre, est également fournie. Enfin, plusieurs applications de ces méthodes éminents sont discutées, afin de montrer les expériences spécifiques actuellement réalisées dans ce domaine.

Procedure

Le développement de chaque organisme est guidé par l’information génétique codée dans l’ADN. En étudiant comment les gènes contrôlent le processus de développement, tels que la migration cellulaire et la différenciation, scientifiques dans le domaine de la génétique du développement cherchent à mieux comprendre comment sont forment les structures complexes des organismes pluricellulaires.

Cette vidéo présente quelques-unes des principales découvertes dans ce domaine, un certain nombre de questions fondamentales posées par les généticiens du développement, des principaux outils que les scientifiques utilisent pour répondre à ces questions, et enfin, spécifique des études en cours sur la génétique du développement aujourd’hui.

Commençons par examiner quelques-unes des découvertes importantes qui ont marqué le domaine de la génétique du développement.

En 1865, un moine autrichien Gregor Mendel, effectué des expériences de reproduction aux petits pois. Il a fait observer que des pois traits visibles ou « phénotypes, » telles que la couleur de semences, ont été hérités selon des règles cohérentes. En proposant que ces phénotypes sont en fait contrôlées par des facteurs d’hérédité invisible, discret, Mendel a planté les graines du champ de la génétique.

Ces facteurs de l’hérédité ont été nommés « gènes » par le botaniste danois Wilhelm Johannsen en 1909. Puis, en 1910, Thomas Hunt Morgan et ses étudiants utilisé la drosophile Drosophila comme un organisme modèle pour découvrir que les gènes sont retrouvent sur des structures physiques du noyau cellulaire appelé chromosomes.

En 1938, Salome Gluecksohn-Waelsch a montré qu’un gène spécifique était nécessaire pour le développement d’une structure embryonnaire appelée la notochorde. Ce fut parmi les premières preuves que les gènes contrôlent le processus de développement précoces.

En 1940, Conrad Hal Waddington a proposé que les cellules dans un embryon se différencient le long des chemins, ou « destin », qui est contrôlés par les gènes. Il a formulé une métaphore de ce processus, affinée au cours des 17 prochaines années, appelé le « paysage épigénétique », où une cellule est considérée comme un marbre coulaient sur une colline vers des destins cellulaires différentes. Les chemins pris par le suivi de la cellule, les crêtes et les vallées dans le paysage, qui à leur tour sont contrôlées par les gènes et leurs profils d’expression.

En 1952, Wolfgang Beermann confirme que, tandis que les différentes cellules dans l’organisme ont le même contenu génétique, différentes régions des chromosomes sont actifs, et cette expression différentielle des gènes définit identité cellulaire.

Lorsqu’il a été déterminé que l’expression des gènes influence de développement, la question suivante était, quels gènes ? Pour répondre à cela, dans les années 1970, Edward, Christiane Nusslein-Volhard et Eric Weischaus ont utilisé des produits chimiques à muter au hasard des gènes chez la drosophile. Dans ces écrans de mutation, les scientifiques ont identifié un grand nombre de gènes qui contrôlent toutes les étapes du processus de développement.

En 2007, un consortium international de scientifiques a commencé à travailler sur la création d’une collection de souris dans lequel chaque gène unique, un dans chaque souris, supprimé ou « assommé ». Le phénotype de chacune de ces souris se caractérise actuellement et nous donnera le premier catalogue de la fonction des gènes chez un mammifère.

Maintenant que nous avons passé en revue les racines du champ, nous allons étudier quelques questions clé qui développement généticiens tentent de répondre.

Certains chercheurs se concentrent sur les événements précoces au cours de la transformation des œufs fécondés ou zygotes, en embryons multicellulaires. Ces événements dépendent d’ARN et de protéines qui sont déposés dans le œuf par la mère, dans un phénomène appelé « contribution maternelle » ou « effet maternel. » Les scientifiques sont intéressés à apprendre comment le génotype de la mère influence phénotype d’un embryon.

Une autre question centrale dans la génétique du développement est : comment les cellules génétiquement identiques adoptent des destins cellulaires différentes ? Les scientifiques identifient les nombreux facteurs qui contrôlent l’expression différentielle des gènes entre les différentes cellules, y compris les voies de signalisation qui indiquent quels gènes d’exprimer, à la cellule et le moment de les exprimer, au cours du développement.

Enfin, les scientifiques sont demandent également comment fonctionne l’embryon précoce, une masse amorphe de cellules, transformer un organisme complexe avec des pièces distinctes et fonctionnelles. La formation de ce plan de corps s’appelle morphogénèse, et les scientifiques cherchent à identifier les gènes et les voies qui régissent ce processus.

Maintenant que vous savez que certaines des questions que sont posent les généticiens du développement, passons en revue les techniques qu’ils utilisent pour répondre à ces questions.

Les scientifiques peuvent étudier le rôle de certains gènes dans le développement en perturbant leur expression. Une façon de faire ceci est par « assommant » le gène dans l’ADN de l’organisme par l’introduction de mutations, ou remplacer par l’ADN ne fonctionne pas. Par ailleurs, l’expression des gènes peut être « renversée » en introduisant des oligonucléotides qui seront liera à la cible ADN messagère séquences et empêcher la production de protéines fonctionnelles.

Pour identifier les gènes qui sont responsables de phénotypes particuliers, scientifiques peuvent réaliser des écrans génétiques. Dans un dépistage génétique vers l’avant, les mutations sont générées de façon aléatoire dans les organismes par rayonnement ou des produits chimiques reconnus comme agents mutagènes. Quand un mutant s’avère présentent un phénotype d’intérêt, le gène inconnu qui a été muté peut ensuite être identifié. La démarche inverse est un écran de génétique inverse, où scientifiques visent tout d’abord un grand nombre de gènes candidats spécifiques pour perturbation et puis regardent les phénotypes résultants des mutants.

Enfin, les biologistes sont aussi intéressés par la détermination de l’expression des gènes à différents stades de développement. Un outil de mesure de l’expression des gènes est la biopuce, qui est une puce parsemée d’oligonucléotides contenant des séquences des gènes à tester. Dans une expérience typique, ARN extrait d’organismes à deux stades différents de développement est utilisé pour générer deux ensembles différents de sondes fluorescent étiquetés, qui sont ensuite hybridés puce. Changements dans l’expression des gènes puis peuvent être interprétés que dans le signal fluorescent à chaque point sur le tableau.

Avec ces techniques expérimentales à l’esprit, nous allons jeter un regard sur comment les chercheurs appliquent eux pour étudier la génétique du développement.

Les scientifiques sont performants écrans génétiques à grande échelle dans les organismes modèles, comme c. elegans, pour étudier les gènes qui influent sur le développement. Cela se fait généralement par le biais de l’interférence ARN ou RNAi, un processus par lequel les gènes sont réduits au silence, à l’aide de petites molécules d’ARN. Ici, les scientifiques assez vers bactéries contenant une bibliothèque de RNAi conçue contre un grand nombre de gènes de ver et ont analysé l’effet du gène sur le développement des animaux.

D’autres chercheurs sont performants avancer les écrans génétiques utilisant la mutagénèse aléatoire pour identifier les phénotypes du développement. Dans cette expérience, les chercheurs a utilisé la technique de gène-piège pour mutagenize des embryons de poisson-zèbre, où un journaliste construct introns des gènes de cible au hasard et les rendre non fonctionnel. Scientifiques sont alors facile d’identifier les animaux dont le gène est correctement perturbé en recherchant le signal de journaliste, et ceux qui présentent une anomalie de développement peut avoir le gène responsable identifié.

Enfin, l’expression de gène de différents types de cellules dans un organisme en développement peut être profilée par puces à ADN pour identifier les gènes qui sont activés ou désactivés au cours de la spécialisation et la différenciation cellulaire. Dans cette étude, les cellules neuronales unique de différents types de cellules ont été isolées de la rétine en voie de développement. L’ARN a été extrait puis de ces cellules pour l’analyse de biopuces identifier les gènes qui jouent un rôle dans le développement de chaque type de cellule spécifique.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la génétique du développement. Cette vidéo a examiné certains des faits saillants historiques de ce domaine, les grandes questions posées par les généticiens du développement, quelques-uns des éminents méthodes actuellement utilisées dans des laboratoires et des applications spécifiques de ces approches à l’étude de la biologie du développement. Comme toujours, Merci pour regarder !

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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