Un'introduzione alla genetica dello sviluppo

Lo sviluppo di ogni organismo è guidato dalle informazioni genetiche codificate nel suo DNA. Studiando come i geni controllano i processi di sviluppo, come la migrazione e la differenziazione cellulare, gli scienziati nel campo della genetica dello sviluppo stanno cercando di capire meglio come si formano le complesse strutture degli organismi multicellulari.

Questo video presenterà alcune delle principali scoperte in questo campo, una serie di domande fondamentali poste dai genetisti dello sviluppo, i principali strumenti che gli scienziati usano per rispondere a queste domande e, infine, studi specifici condotti sulla genetica dello sviluppo oggi.

Iniziamo esaminando alcune delle importanti scoperte che hanno plasmato il campo della genetica dello sviluppo.

Nel 1865, un monaco austriaco, Gregor Mendel, eseguì esperimenti di riproduzione con i piselli. Ha osservato che i tratti visibili dei piselli o "fenotipi", come il colore dei semi, sono stati ereditati secondo regole coerenti. Proponendo che questi fenotipi siano in realtà controllati da alcuni fattori ereditari invisibili e discreti, Mendel ha piantato i semi del campo della genetica.

Questi fattori ereditari furono chiamati "geni" dal botanico danese Wilhelm Johannsen nel 1909. Poi, nel 1910, Thomas Hunt Morgan e i suoi studenti usarono il moscerino della frutta Drosophila come organismo modello per scoprire che i geni si trovano su strutture fisiche nel nucleo cellulare chiamato cromosomi.

Nel 1938, Salome Gluecksohn-Waelsch dimostrò che era necessario un gene specifico per lo sviluppo di una struttura embrionale nota come notocorda. Questa è stata una delle prime prove che i geni controllano i primi processi di sviluppo.

Nel 1940, Conrad Hal Waddington propose che le cellule di un embrione si differenziano lungo percorsi, o "destini", che sono controllati dai geni. Ha formulato una metafora per questo processo, raffinato nei successivi 17 anni, chiamato "paesaggio epigenetico", in cui una cellula è vista come un marmo che rotola giù da una collina verso diversi destini cellulari. I percorsi intrapresi dalla cellula seguono le creste e le valli del paesaggio, che a loro volta sono controllate dai geni e dai loro modelli di espressione.

Nel 1952, Wolfgang Beermann confermò che mentre cellule diverse in un organismo hanno lo stesso contenuto genetico, diverse regioni dei cromosomi sono attive e questa espressione genica differenziale definisce l'identità cellulare.

Una volta determinato che l'espressione genica influenza lo sviluppo, la domanda successiva è stata: quali geni? Per rispondere a questo, nel 1970, Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard ed Eric Weischaus hanno usato sostanze chimiche per mutare casualmente i geni nei moscerini della frutta. Attraverso questi screening di mutazione, gli scienziati hanno identificato un gran numero di geni che controllano ogni fase del processo di sviluppo.

Nel 2007, un consorzio internazionale di scienziati ha iniziato a lavorare alla creazione di una collezione di topi in cui ogni singolo gene, uno in ogni topo, viene eliminato o "eliminato". Il fenotipo di ciascuno di questi topi è attualmente in fase di caratterizzazione e ci fornirà il primo catalogo della funzione di tutti i geni in un mammifero.

Ora che abbiamo esaminato le radici del campo, diamo un'occhiata ad alcune domande chiave a cui i genetisti dello sviluppo stanno cercando di rispondere.

Alcuni ricercatori si stanno concentrando sui primi eventi durante la trasformazione di uova fecondate, o zigoti, in embrioni multicellulari. Questi eventi dipendono dagli RNA e dalle proteine che vengono depositate nell'uovo dalla madre, in un fenomeno noto come "contributo materno" o "effetto materno". Gli scienziati sono interessati a imparare come il genotipo di una madre influenza il fenotipo di un embrione.

Un'altra domanda centrale nella genetica dello sviluppo è: in che modo le cellule geneticamente identiche adottano destini cellulari diversi? Gli scienziati stanno identificando i molti fattori che controllano l'espressione genica differenziale tra le diverse cellule, comprese le vie di segnalazione che dicono alla cellula quali geni esprimere e quando esprimerli durante lo sviluppo.

Infine, gli scienziati si chiedono anche come fa l'embrione precoce, una massa amorfa di cellule, a trasformarsi in un organismo complesso con parti distinte e funzionali. La formazione di questo piano corporeo è chiamata morfogenesi e gli scienziati stanno cercando di identificare i geni e i percorsi che governano questo processo.

Ora che conosci alcune delle domande che i genetisti dello sviluppo si stanno ponendo, esaminiamo le tecniche che stanno usando per rispondere a queste domande.

Gli scienziati possono studiare il ruolo di geni specifici nello sviluppo interrompendo la loro espressione. Un modo per farlo è "eliminare" il gene nel DNA dell'organismo introducendo mutazioni o sostituendolo con DNA non funzionale. In alternativa, l'espressione genica può essere "abbattuta" introducendo oligonucleotidi che si legano alle sequenze di mRNA bersaglio e impediscono la produzione di proteine funzionali.

Per identificare quali geni sono responsabili di particolari fenotipi, gli scienziati possono effettuare screening genetici. In uno screening genetico in avanti, le mutazioni sono generate casualmente negli organismi da radiazioni o sostanze chimiche note come mutageni. Quando si trova che un mutante mostra un fenotipo di interesse, il gene sconosciuto che è stato mutato può quindi essere identificato. L'approccio opposto è uno schermo genetico inverso, in cui gli scienziati prima prendono di mira un gran numero di geni candidati specifici per la rottura, e poi guardano i fenotipi risultanti dei mutanti.

Infine, i biologi sono anche interessati a determinare l'espressione genica in diverse fasi dello sviluppo. Uno strumento per misurare l'espressione genica è il microarray, che è un chip punteggiato di oligonucleotidi contenenti sequenze dei geni da testare. In un tipico esperimento, l'RNA estratto da organismi in due diversi stadi di sviluppo viene utilizzato per generare due diversi set di sonde etichettate fluorescentemente, che vengono poi ibridate al microarray. I cambiamenti nell'espressione genica possono quindi essere interpretati dal segnale fluorescente in corrispondenza di ciascun punto dell'array.

Con queste tecniche sperimentali in mente, diamo un'occhiata a come i ricercatori le stanno applicando per studiare la genetica dello sviluppo.

Gli scienziati stanno eseguendo screening genetici su larga scala in organismi modello, come C. elegans, per cercare geni che influenzano lo sviluppo. Questo di solito viene fatto attraverso l'interferenza dell'RNA, o RNAi, un processo in cui i geni vengono silenziati usando piccole molecole di RNA. Qui, gli scienziati hanno alimentato i vermi con batteri contenenti una libreria RNAi progettata contro un gran numero di geni di vermi e hanno analizzato l'effetto dell'abbattimento dei geni sullo sviluppo degli animali.

Altri ricercatori stanno eseguendo screening genetici avanzati utilizzando mutagenesi casuale per identificare fenotipi di sviluppo. In questo esperimento, i ricercatori hanno utilizzato la tecnica della trappola genetica per mutagenizzare gli embrioni di zebrafish, in cui un costrutto reporter è mirato in modo casuale agli introni di geni e li rende non funzionali. Gli scienziati possono quindi identificare facilmente gli animali in cui il gene viene interrotto con successo cercando il segnale del reporter, e quelli che presentano un difetto di sviluppo possono avere il gene responsabile identificato.

Infine, l'espressione genica di diversi tipi di cellule in un organismo in via di sviluppo può essere profilata da microarray per identificare quali geni vengono attivati o disattivati durante la differenziazione e la specializzazione cellulare. In questo studio, singole cellule neuronali di diversi tipi di cellule sono state isolate dalla retina in via di sviluppo. L'RNA è stato quindi estratto da queste cellule per l'analisi dei microarray per identificare i geni che svolgono un ruolo nello sviluppo di ogni specifico tipo di cellula.

Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla genetica dello sviluppo. Questo video ha esaminato alcuni punti salienti storici di questo campo, le grandi domande poste dai genetisti dello sviluppo, alcuni dei metodi di spicco attualmente utilizzati nei laboratori e applicazioni specifiche di questi approcci allo studio della biologia dello sviluppo. Come sempre, grazie per aver guardato!