מבוא לגנטיקה התפתחותית

ההתפתחות של כל אורגניזם מונחית על ידי המידע הגנטי המקודד בדנ"א שלו. על ידי לימוד האופן שבו גנים שולטים בתהליכים התפתחותיים, כגון נדידת תאים ובידול, מדענים בתחום הגנטיקה ההתפתחותית מנסים להבין טוב יותר כיצד נוצרים המבנים המורכבים של אורגניזמים רב-תאיים.

וידאו זה יציג כמה מהתגליות העיקריות בתחום זה, מספר שאלות בסיסיות שנשאלו על ידי גנטיקאים התפתחותיים, כלים מרכזיים שבהם מדענים משתמשים כדי לענות על שאלות אלה, ולבסוף, מחקרים ספציפיים שנערכים על גנטיקה התפתחותית כיום.

נתחיל בסקירת כמה מהתגליות החשובות שעיצבו את תחום הגנטיקה ההתפתחותית.

בשנת 1865, נזיר אוסטרי, גרגור מנדל, ביצע ניסויי רבייה עם אפונה. הוא הבחין כי התכונות הנראות לעין של האפונה או "פנוטיפים", כגון צבע זרעים, תורשו על פי כללים עקביים. על ידי הצעת כי פנוטיפים אלה נשלטים למעשה על ידי כמה גורמי מתיש בלתי נראים, דיסקרטיים, מנדל שתל את הזרעים של תחום הגנטיקה.

גורמי התיר האלה נקראו "גנים" על ידי הבוטניקאי הדני וילהלם יוהנסן בשנת 1909. ואז, בשנת 1910, תומאס האנט מורגן ותלמידיו השתמשו בדרוזופילה של זבוב הפירות כאורגניזם לדוגמה כדי לגלות שגנים נמצאים על מבנים פיזיים בגרעין התא הנקרא כרומוזומים.

בשנת 1938, שלומית גלוקסון-וולש הראתה כי יש צורך בגן מסוים להתפתחות מבנה עוברי המכונה נוטוקורד. זו הייתה בין העדויות המוקדמות ביותר לכך שגנים שולטים בתהליכים התפתחותיים מוקדמים.

בשנת 1940, קונרד האל וודינגטון הציע שתאים בעובר יבדילו בין נתיבים, או "גורלות", הנשלטים על ידי גנים. הוא גיבש מטאפורה לתהליך זה, מעודן במשך 17 השנים הבאות, המכונה "הנוף האפיגנטי", שבו תא נתפס כשיש המתגלגל במורד צלע גבעה לעבר גורלות תאים שונים. השבילים שנלקחו על ידי התא עוקבים אחר הרכסים והעמקים בנוף, אשר בתורם נשלטים על ידי גנים ודפוסי הביטוי שלהם.

בשנת 1952, וולפגנג בירמן אישר כי בעוד תאים שונים באורגניזם יש את אותה תוכן גנטי, אזורים שונים של הכרומוזומים פעילים, וביטוי גנים דיפרנציאלי זה מגדיר את זהות התא.

לאחר שנקבע כי ביטוי הגנים משפיע על ההתפתחות, השאלה הבאה הייתה, אילו גנים? כדי לענות על כך, בשנות השבעים, אדוארד ב לואיס, כריסטיאן נוסלין-וולהארד ואריק וייאשאוס השתמשו בכימיקלים כדי לשנות באופן אקראי גנים בזבובי פירות. באמצעות מסכי מוטציה אלה, המדענים זיהו מספר רב של גנים השולטים בכל שלב בתהליך הפיתוח.

בשנת 2007, קונסורציום בינלאומי של מדענים החל לעבוד על יצירת אוסף של עכברים שבו כל גן, אחד בכל עכבר, נמחק או "בנוקאאוט". הפנוטיפ של כל אחד מהעכברים האלה מאופיין כעת, וייתן לנו את הקטלוג הראשון של הפונקציה של כל הגנים ביונק.

עכשיו כשבדקנו את שורשי התחום, בואו נסתכל על כמה שאלות מרכזיות שגנטיקאים התפתחותיים מנסים לענות עליהן.

חלק מהחוקרים מתמקדים באירועים המוקדמים במהלך הפיכתן של ביצים מופרות, או זיגוטים, לעוברים רב תאיים. אירועים אלה תלויים ב- RNAs ובחלבונים המופקדים בביצה על ידי האם, בתופעה המכונה "תרומה אימהית" או "השפעה אימהית". מדענים מעוניינים ללמוד כיצד הגנוטיפ של האם משפיע על הפנוטיפ של העובר.

שאלה מרכזית נוספת בגנטיקה ההתפתחותית היא: כיצד תאים זהים גנטית מאמצים גורלות תאים שונים? מדענים מזהים את הגורמים הרבים השולטים בביטוי הגנים הדיפרנציאליים בין תאים שונים, כולל מסלולי האיתות שאומרים לתא אילו גנים לבטא, ומתי לבטא אותם, במהלך ההתפתחות.

לבסוף, מדענים גם שואלים כיצד העובר המוקדם, מסה אמורפית של תאים, הופך לאורגניזם מורכב עם חלקים ברורים ופונקציונליים. היווצרותה של תוכנית גוף זו נקראת מורפוגנזה, ומדענים מנסים לזהות את הגנים והמסלולים השולטים בתהליך זה.

עכשיו שאתם יודעים כמה מהשאלות שהגנטיקאים ההתפתחותיים שואלים, בואו נסקור את הטכניקות בהן הם משתמשים כדי לענות על השאלות האלה.

מדענים יכולים לחקור את תפקידם של גנים ספציפיים בהתפתחות על ידי שיבוש הביטוי שלהם. אחת הדרך לעשות זאת היא על ידי "לדפוק" את הגן ב- DNA של האורגניזם על ידי החדרת מוטציות, או החלפתו בדנ"א לא מתפקד. לחלופין, ביטוי גנים יכול להיות "הפיל" על ידי החדרת אוליגונוקלאוטידים כי יהיה לאגד רצפי mRNA היעד ולמנוע את הייצור של חלבונים פונקציונליים.

כדי לזהות אילו גנים אחראים פנוטיפים מסוימים, מדענים יכולים לבצע מסכים גנטיים. במסך גנטי קדמי, מוטציות נוצרות באופן אקראי באורגניזמים על ידי קרינה או כימיקלים המכונים mutagens. כאשר מוטנט נמצא להפגין פנוטיפ של עניין, הגן הלא ידוע שעבר מוטציה אז ניתן לזהות. הגישה ההפוכה היא מסך גנטי הפוך, שבו מדענים מתמקדים תחילה במספר רב של גנים מועמדים ספציפיים לשיבוש, ואז מסתכלים על הפנוטיפים הנובעים מהמוטנטים.

לבסוף, ביולוגים מעוניינים גם בקביעת ביטוי גנים בשלבים התפתחותיים שונים. כלי אחד למדידת ביטוי גנים הוא המיקרו-אריה, שהוא שבב המנוקד באוליגונוקלאוטידים המכיל רצפים של הגנים שיש לבדוק. בניסוי טיפוסי, RNA המופק מאורגניזמים בשני שלבים התפתחותיים שונים משמש ליצירת שתי קבוצות שונות של גשושיות עם תווית פלואורסצנטית, אשר לאחר מכן היברידיות למיקרו-array. לאחר מכן ניתן לפרש שינויים בביטוי הגנים מהאות הפלואורסצנטי בכל נקודה במערך.

עם טכניקות ניסיוניות אלה בראש, בואו נסתכל על איך חוקרים מיישמים אותם ללמוד גנטיקה התפתחותית.

מדענים מבצעים מסכים גנטיים בקנה מידה גדול באורגניזמים לדוגמה, כגון C. elegans, כדי לחפש גנים המשפיעים על ההתפתחות. זה נעשה בדרך כלל באמצעות הפרעות RNA, או RNAi, תהליך שבו גנים מושתקים באמצעות מולקולות RNA קטנות. כאן, מדענים האכילו תולעים בחיידקים המכילים ספריית RNAi שתוכננה נגד מספר רב של גנים של תולעים, וניתחו את ההשפעה של נוקאאוט גנים על התפתחות בעלי החיים.

חוקרים אחרים מבצעים בדיקות גנטיות קדימה באמצעות mutagenesis אקראי כדי לזהות פנוטיפים התפתחותיים. בניסוי זה, החוקרים השתמשו בטכניקת מלכודת הגנים כדי להשתיק עוברים של דגי זברה, שבהם מבנה עיתונאי ממוקד באופן אקראי לאינטרונים של גנים ולהפוך אותם ללא מתפקדים. מדענים יכולים לזהות בקלות את בעלי החיים שבהם הגן מופרע בהצלחה על ידי חיפוש האות הכתב, ואלה המציגים פגם התפתחותי יכולים לזהות את הגן האחראי.

לבסוף, ביטוי הגן של סוגי תאים שונים באורגניזם מתפתח יכול להיות בפרופיל על ידי microarrays כדי לזהות אילו גנים מופעלים או כבויים במהלך בידול התא והתמחות. במחקר זה, תאים עצביים בודדים מסוגי תאים שונים היו מבודדים מהרשתית המתפתחת. RNA הופק לאחר מכן מתאים אלה לניתוח microarray כדי לזהות גנים הממלאים תפקיד בהתפתחות של כל סוג תא ספציפי.

הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לגנטיקה התפתחותית. וידאו זה סקר כמה נקודות עיקריות היסטוריות של תחום זה, השאלות הגדולות שנשאלו על ידי גנטיקאים התפתחותיים, כמה מהשיטות הבולטות המשמשות כיום במעבדות, ויישומים ספציפיים של גישות אלה לחקר ביולוגיה התפתחותית. כמו תמיד, תודה שצפית!