Introduzione alla biologia molecolare dello sviluppo

Gli studi nel campo della biologia molecolare dello sviluppo forniscono informazioni sui cambiamenti che si verificano a livello cellulare durante la differenziazione e lo sviluppo. I ricercatori esaminano i meccanismi fisici e chimici che regolano le funzioni cellulari. Questo aiuta a capire come le cellule danno origine a tessuti specializzati all'interno dell'embrione in maturazione e come i difetti a livello molecolare possono portare a stati patologici.

Questo video presenta una breve storia della biologia dello sviluppo molecolare, introduce le domande chiave poste dagli scienziati in questo campo, descrive alcuni strumenti disponibili per rispondere a tali domande e discute alcune attuali applicazioni di laboratorio.

Iniziamo esaminando alcuni studi di riferimento nella storia della ricerca sulla biologia dello sviluppo molecolare.

Nel 1957, Conrad Waddington pubblicò un libro intitolato "La strategia dei geni" in cui cercò di spiegare come viene deciso il destino cellulare. Sulla base di studi di trapianto di tessuto condotti in precedenza, ha presentato un modello concettuale che descrive che una cellula è come un marmo che rotola giù da una collina e il percorso che impiega per raggiungere il fondo determinerà il suo stato differenziato finale. Questa idea che tipi di cellule distinti derivino da cellule indifferenziate che ricevono segnali diversi durante lo sviluppo divenne nota come il "paesaggio epigenetico".

Più o meno nello stesso periodo, Rita Levi-Montalcini e Stanley Cohen hanno osservato che il trapianto di tumori in embrioni di pulcino ha portato a una rapida crescita dei neuroni. Hanno ipotizzato che una sostanza secreta dai tumori abbia causato questa crescita e hanno identificato la proteina come fattore di crescita nervoso o NGF. Poco dopo, Cohen scoprì un altro fattore di crescita che fu secreto dalla ghiandola salivare del topo e promosse la crescita delle cellule epiteliali. Ha identificato questa proteina come fattore di crescita epidermico, o EGF.

Più tardi, nel 1969, Lewis Wolpert propose una teoria su come una certa classe di molecole di segnalazione, note come morfogeni, agiscono direttamente sulle cellule per indurre risposte specifiche a concentrazioni variabili. Ha usato i colori della bandiera francese per modellare gli stati delle celle, il rosso serve come stato predefinito quando non è presente alcun segnale. Da lì, basse concentrazioni di morfogeno, mostrate in bianco, potrebbero attivare un gene, mentre alte concentrazioni di morfogeno, mostrate in blu, potrebbero attivare un gene diverso.

Espandendo questo lavoro, nel 1988 Christiane Nusslein-Volhard ha identificato il primo morfogeno conosciuto conducendo screening genetici sulle mosche. Ha usato anticorpi per dimostrare che una proteina, nota come Bicoid, forma un gradiente di concentrazione lungo l'asse anteriore-posteriore dell'embrione in via di sviluppo e controlla l'espressione di geni importanti per l'organizzazione delle regioni della testa e del torace.

Durante i primi anni 1990, Peter Lawrence e Ginés Morata hanno usato il loro lavoro nelle mosche per espandere la teoria dei gradienti morfogeni. Hanno ipotizzato che un insieme di cellule sia responsabile dell'organizzazione di un particolare compartimento dell'organismo. Man mano che lo sviluppo procede, i segnali molecolari istruiscono quelle cellule a dividersi e costruire più compartimenti, continuando fino a quando l'intero organismo non si forma.

Ora che abbiamo esaminato alcuni punti salienti storici, esaminiamo alcune domande fondamentali poste dagli attuali biologi dello sviluppo.

Per iniziare, alcuni ricercatori si concentrano sull'identificazione delle molecole che regolano lo sviluppo. Ad esempio, potrebbero studiare singoli o combinazioni di fattori di crescita che hanno dimostrato di causare una risposta cellulare specifica, come la differenziazione o la migrazione.

Altri biologi dello sviluppo studiano come queste molecole regolano il processo di sviluppo. Potrebbero studiare come la concentrazione di un segnale molecolare può istruire una cellula a differenziarsi o migrare. Chiedono anche come le cellule comunicano con altre cellule vicine e guardano le molecole di segnalazione che si diffondono su una breve distanza e agiscono localmente, note come fattori paracrini.

Infine, alcuni biologi dello sviluppo vogliono capire come le cellule rispondono ai segnali esterni. Possono studiare i cambiamenti all'interno della cellula stessa, come aumenti o diminuzioni nell'espressione di particolari geni, osservando i livelli delle loro proteine codificate. Altri si concentrano su cambiamenti esterni, come alterazioni della forma o delle dimensioni delle cellule.

Ora che hai un'idea delle domande chiave poste dai biologi dello sviluppo molecolare, diamo un'occhiata ad alcune delle tecniche che usano per trovare risposte a queste domande.

La colorazione è uno degli approcci più utilizzati per studiare i modelli di espressione genica e per identificare le molecole che regolano lo sviluppo.

L'immunoistochimica è una tecnica di colorazione che utilizza anticorpi coniugati a reporter chimici o fluorescenti per etichettare le proteine. La visualizzazione delle proteine al microscopio a fluorescenza offre approfondimenti sulla loro localizzazione in sezioni tissutali e anche sui loro potenziali contributi alle strutture cellulari. L'ibridazione in situ a montaggio intero è un metodo di colorazione alternativo, che utilizza oligonucleotidi di DNA o RNA marcati per esaminare i modelli di espressione genica nei tessuti tridimensionali.

La coltura di espianto è un altro approccio comunemente usato in questo campo per studiare i meccanismi con cui agiscono gli stimoli esterni. In questa tecnica, un tessuto viene rimosso dal sito naturale di crescita e cresciuto in coltura. Condizioni di crescita specifiche, come il substrato sulle piastre di coltura o i fattori di crescita aggiunti ai mezzi di coltura, possono quindi essere esaminati per i loro effetti sullo sviluppo di cellule e tessuti.

L'imaging delle cellule vive viene utilizzato per analizzare le risposte cellulari agli stimoli dello sviluppo. Le colture in vitro sono adatte per catturare i movimenti cellulari e i modelli di localizzazione in tempo reale. Le cellule colorate o etichettate fluorescentemente possono anche essere tracciate in vivo utilizzando la microscopia time-lapse.

Spesso, le cellule di un tessuto di interesse vengono trapiantate da un donatore a un organismo ospite e quindi monitorate nel corso dello sviluppo.

Ora che hai familiarità con alcuni metodi di laboratorio generali, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni della ricerca sulla biologia dello sviluppo molecolare.

Un approccio per determinare il ruolo che specifici prodotti genici svolgono nello sviluppo è quello di alterare la loro espressione con mezzi esterni. In questo esperimento, oligonucleotidi antisenso chiamati morfolini sono stati iniettati per abbattere due geni zebrafish importanti per il corretto sviluppo dell'orecchio interno. L'immuno colorazione delle proteine strutturali ha mostrato che gli embrioni con ridotta espressione genica mostrano meno neuroni e cellule ciliate all'interno dell'orecchio interno rispetto ai controlli.

Un'altra applicazione della biologia dello sviluppo molecolare è capire quando e dove i geni sono espressi, per capire meglio come possono funzionare le loro proteine codificate. I ricercatori in questo esperimento hanno utilizzato sonde di RNA etichettate fluorescentemente complementari a due trascritti bersaglio al fine di identificare le cellule che trascrivono uno o entrambi i geni di interesse.

Alcuni scienziati usano colture di espianto per analizzare le risposte cellulari in varie condizioni. In questo esperimento, i ricercatori hanno sezionato i neuroni sensoriali dall'orecchio interno degli embrioni di pulcino e li hanno coltivati per diverse ore. Successivamente, le colture sono state passate a mezzi contenenti perli proteiche. Le immagini confocali time-lapse dopo l'incubazione con anticorpi etichettati hanno rivelato che le proteine sulle perle promuovevano la crescita di proiezioni da corpi cellulari neuronali.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla biologia dello sviluppo molecolare. In questo video, abbiamo esaminato la storia della ricerca sulla biologia dello sviluppo molecolare e introdotto le domande chiave poste dai biologi dello sviluppo. Abbiamo anche esplorato importanti strategie di ricerca e discusso alcune delle loro attuali applicazioni. Come sempre, grazie per aver guardato!