発生遺伝学入門

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

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09:06 min
April 30, 2023

Overview

開発は、単一 celled の胚は、多細胞生物に変換する複雑なプロセスです。発達過程は organism\ の DNA にエンコードされた情報によって導かれ、遺伝学者は、この情報が完全に形成された生物につながる方法を理解しようとしています。

このビデオのレビューなど様々 な萌芽期のプロセスを制御する特定の遺伝子の同定、発生生物学の分野で独創的研究。発達の遺伝や、それらに答えるため顕著な方法で主要な質問の概要も提供しています。最後に、これらの著名な手法のいくつかのアプリケーションは、この分野で現在実行されている特定の実験を示すために説明しました。

Procedure

すべての有機体の開発は、その DNA にエンコードされた遺伝情報によって導かれます。遺伝子が細胞の移動・分化などの発達プロセスを制御する方法を研究することによって発生遺伝学の分野の科学者は、多細胞生物の複雑な構造の形成方法を理解しようとしています。

このビデオは発達の遺伝学者、科学者を使用して、これらの質問に答えるための主要なツールの基本的な質問の数は、この分野の主要な発見のいくつかを紹介し、最後に、特定の研究発達の遺伝学に今日行われています。

発生遺伝学の分野を形成している重要な発見のいくつかの見直しから始めましょう。

1865 年に、オーストリアの修道士、グレゴール ・ メンデルはエンドウ豆と繁殖実験を行った。彼はエンドウ豆の目に見える特徴や種子の色など「表現型」は、一貫した規則に従って継承された観察しました。これらの表現型がいくつか目に見えない、離散遺伝要因によって実際に制御される提案、メンデルは、遺伝学の分野の種を植えた。

これらの遺伝要因は、1909 年に、デンマークの植物学者ヴィルヘルム ・ ヨハンセンによって強調によって「遺伝子」を名づけられました。その後、1910 年にトーマス ・ ハント ・ モーガンと彼の学生使用ミバエ ショウジョウバエ モデル有機体として発見、遺伝子は染色体と呼ばれる細胞核の物理構造に見られます。

1938 年、サロメ Gluecksohn Waelsch は特定の遺伝子が、脊索と呼ばれる萌芽期の構造の開発のため必要があることを示した。これは初期の発達過程を遺伝子に制御最古の証拠の間でだった。

1940 年にコンラッド Hal ワディントンに沿ってパス、または「運命」の遺伝子によって制御される胚の細胞を区別することを提案します。彼は次の 17 年にわたって洗練されたセルが異なった細胞運命に向かって丘を転がり落ちる大理石と見られている「エピジェネティックな風景」と呼ばれる、このプロセスため隠喩を策定しました。尾根と遺伝子とその発現パターンによって制御されている風景の中谷セル フォローによって実行されるパス。

1952 年、ヴォルフガング Beermann 確認生物の異なるセル同じ遺伝的コンテンツがありますが、染色体の異なった地域がアクティブで、この差動遺伝子発現は、セル id を定義します。

一度開発遺伝子発現に影響を及ぼすことが確認されました、次の質問はだった、どの遺伝子ですか。これに答えるため、1970 年代に、エドワード ・ ルイス、クリスティアーネ ・ Nusslein = フォルハルトとエリック Weischaus は、ランダムにミバエの遺伝子を変異させる化学薬品を使用しました。これらの突然変異の画面を通じては、科学者は、開発プロセスの各ステップを制御する遺伝子の数が多いを識別されます。

2007 年に科学者の国際コンソーシアムがマウスすべての単一の遺伝子は、それぞれのマウスの 1 つを削除または「ノックアウト」コレクション作成仕事を始めた各これらのマウスの表現型特徴とされているが現在、哺乳類のすべての遺伝子の機能の最初のカタログを与える私たち。

今ではフィールドの根を確認しましたところ、発達の遺伝学者が答えようとしているいくつかのキーの質問を見てみましょう。

一部の研究者は、受精、受精卵の多胚への変換中に初期のイベントに注力しています。これらのイベントは、「母性的な貢献」または「母性効果」と呼ばれる現象で、母親が卵で沈殿する蛋白質および Rna に依存します。科学者は胎児の表現型に影響を与える母親の遺伝子型を学習に興味があります。

発生遺伝学のもう一つの中央の質問は: 遺伝的に同一の細胞はどのように異なった細胞運命を採用?科学者たちはどのような遺伝子を表現するため、セルを伝えるシグナル伝達経路を含む、さまざまな細胞や開発中に、それらを表現する間差分の遺伝子発現を制御する多くの要因を識別します。

最後に、科学者は、初期の胚細胞の非晶質質量はどのように求めているも、明瞭で、機能的な部分と複雑な生物に変身します。このボディ計画の成立形態と科学者は、遺伝子およびこのプロセスを支配する経路を同定しようとしています。

今では、発達の遺伝学者が求めている質問のいくつかを知っている彼らはこれらの質問に答えるために使用している技術を確認してみましょう。

科学者は、式を混乱させることによって開発の特定の遺伝子の役割を学ぶことができます。これを行う 1 つの方法は、「抜き合わせ」生物の DNA の遺伝子の突然変異の導入または機能しない DNA に置き換えることによる。また、遺伝子発現を「倒す」ターゲット mRNA シーケンスと機能蛋白質生産を防ぐためにバインドするオリゴヌクレオチドを導入することによって。

特定の表現型に責任がある遺伝子を識別するために科学者は、遺伝子スクリーニングを実行できます。前方遺伝学的スクリーニングの突然変異がランダムに生物に放射線や化学物質の変異原性物質として知られているが生成されます。関心の表現型を表示するために突然変異体が見つかったら変異した未知の遺伝子、識別することができます。逆のアプローチは逆遺伝学的スクリーニングを科学者がまず混乱の特定の候補者の遺伝子の数が多いを対象とし、変異体の結果の表現で探します。

最後に、生物学者は、発達段階別に遺伝子発現を決定する際に興味を持っています。遺伝子発現を測定する 1 つのツールは、テストする遺伝子の配列を含むオリゴヌクレオチドが点在チップであるマイクロ アレイです。典型的な実験では、2 つの異なる発達段階で生物から抽出した RNA、マイクロ アレイにハイブリダイズが蛍光に分類されたプローブの 2 つの異なるセットが生成されます。遺伝子発現の変化は、アレイ上の各ドットの蛍光信号から解釈できます。

念頭に置いてこれらの実験技術、研究者適用発生遺伝学を研究する方法を見てをみましょう。

科学者は、開発に影響を与える遺伝子を線虫などのモデル生物、大規模遺伝子スクリーニングを行っています。これは通常、RNA 干渉や RNAi プロセスを介して行われます小さな RNA 分子を使って遺伝子は沈黙したという。ここでは、科学者は、細菌ワーム遺伝子の多数に対して設計されている RNAi ライブラリを含む、動物の開発の遺伝子の打撃の効果を分析したワームを供給しました。

他の研究者は、発達的表現型を識別するためにランダムな突然変異を使用して前方の遺伝子スクリーニングを実行しています。この実験では、研究者は、mutagenize ゼブラフィッシュ胚、レポーター構成はランダムに遺伝子のイントロンを対象とし、機能しないそれらをレンダリングするのに遺伝子トラップ法を使用しました。科学者レポーター信号を捜すことによって遺伝子が正常に中断される動物を簡単に識別することができます、それらの発達障害を示す責任がある遺伝子を持つことができます。

最後に、発展途上の有機体の異なったセルタイプ発現はどの遺伝子が細胞の分化と専門化の間にオンまたはオフを識別するためにマイクロ アレイによるプロファイルできます。この研究では、異なる種類の細胞の単一神経細胞は発展途上の網膜から分離されました。RNA は、各特定の細胞のタイプの開発の役割を担う遺伝子を識別するためにマイクロ アレイの分析のこれらの細胞から抽出しました。

ゼウスの発生遺伝学入門を見てきただけ。このビデオでは、このフィールドのいくつか歴史のハイライトは発達の遺伝学者、ラボ、および進化の生物学の勉強にこれらのアプローチの特定のアプリケーションで現在使用されている著名な手法のいくつかの大きな質問を検討しました。いつも見てくれてありがとう!

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!