分子発生生物学への入門

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Developmental Biology
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JoVE Science Education Developmental Biology
An Introduction to Molecular Developmental Biology

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09:27 min
April 30, 2023

Overview

分子シグナルは萌芽期の開発中に発生する複雑なプロセスで大きな役割を果たします。これらの信号は、細胞分化と移行、特定の細胞型と構造体の形成に寄与するなどの活動を調整します。分子的アプローチは、使用詳細にこれらの物理的および化学的メカニズムを調査する研究者です。

このビデオは、開発中に分子事象の研究の簡単な歴史を確認します。文化・住セルイメージ投射を外植体染色など、これらの質問に対する回答するために使用いくつかの著名な手法の議論が続いて、次に、キーの質問分子発生生物学者によって今日が審査されます。最後に、進化の生物学の研究にこれらの技術のいくつかの現在のアプリケーションを見ていきます。

Procedure

分子発生生物学の分野の研究は、差別化と開発の間に細胞レベルで発生する変更についての洞察力を提供します。研究者は、細胞機能を調節する物理的・化学的メカニズムを調べる。これは、方法は細胞成熟胚内の専門にされたティッシュを生じ、分子レベルで欠陥が病気の状態につながることができる方法を理解することに役立ちます。

このビデオ分子発生生物学の短い歴史、キーの質問はこの分野の科学者を紹介、それらの質問に答えるために利用できるいくつかのツールについて説明します、いくつかの現在の研究室のアプリケーションについて説明します。

分子発生生物学研究の歴史の中でいくつかの画期的な研究を確認してみましょう。

1957 年、コンラッド ワディントンは「、戦略の遺伝子の」細胞の運命の決定方法を説明させようと題する本を出版しました。以前に行われた組織移植研究に基づいて、彼は、丘を転がり落ちる大理石のようなセルが概念モデル記述を提示し、下部に到達するのにかかるパスはその最終分化状態を決定します。このアイデアの開発中に別の信号を受信する未分化細胞から細胞が発生することになった「エピジェネティックの風景」として知られています。

同じ時間頃リタレヴィモンタルチーニとスタンリー ・ コーエンは、ニワトリ胚に腫瘍を移植が急速なニューロンの成長につながったことを観察しました。彼らは物質が原因のこの成長は、腫瘍から分泌され、神経成長因子、神経成長因子蛋白質を識別を仮定しました。その後すぐ、コーエンはマウス唾液腺で分泌され、上皮細胞の成長を促進するもう一つの成長因子を発見しました。彼は上皮成長因子、または EGF としてこの蛋白質を識別しました。

その後、1969 年にルイス ・ ウォルパート説を提案についてどのようにシグナリング分子、モルフォゲン、として知られているさまざまな濃度で特定の応答を誘発する細胞に直接作用の特定のクラス。彼は赤い信号が存在しないときのデフォルト状態として、モデル細胞状態にフランス国旗の色を使用しました。そこから、低モルフォゲン濃度、白で表示可能性がありますをアクティブ化する 1 つの遺伝子、モルフォゲンの高濃度、青で示されている可能性があります異なる遺伝子をアクティブにします。

この作品は、1988 年に拡大クリスティアーネ ・ Nusslein = フォルハルト ハエの遺伝子のスクリーニングを行うことにより最初の知られているモルフォゲンを識別されます。彼女は Bicoid、として知られている蛋白質が発育中の胚の前後軸に沿って濃度勾配を形成して頭部と胸部領域を整理するために重要な遺伝子の発現をコントロールを表示するのに抗体を使用します。

1990 年代初頭の間にピーターのローレンス ・ ヒネス Morata 自分の仕事で使用ハエ モルフォゲン勾配の理論を展開します。彼らはセルの 1 つのセットは有機体の 1 つの特定区画を整理するための責任を仮定しました。開発が進むにつれて、分子信号はそれらのセルに分割し、全体の生物が形成されるまでの継続より多くのコンパートメントを構築を指示します。

我々 はいくつかの歴史的なハイライトを見直している、今、現在の発達生物学者によっていくつかの基本的な質問を調べてみましょう。

まず、一部の研究者は開発を規制する分子を識別するのに焦点を当てます。たとえば、彼らを研究する個人、または組み合わせ、成長因子の分化や移行などの特定の細胞応答を引き起こすことが示さ。

他の発達生物学者は、これらの分子が発達のプロセスを調整する方法を調査します。彼らはどのようにシグナル分子の濃度を区別するためまたは移行するセルを指示することを研究します。また、細胞が近くの他のセルと通信する方法について尋ねる、シグナル分子短距離で拡散しパラクライン因子として知られているローカルに行動を見ています。

最後に、いくつかの発達生物学者は細胞が外部からの信号に応答する方法について理解します。彼らは彼らの符号化された蛋白質のレベルを見ての上昇や特定の遺伝子発現の減少など、セル内の変更を勉強があります。他の人は細胞の形やサイズの変化など、外部での変更に焦点を当てます。

分子発生生物学者によってキーの質問のための感じがあるので、これらの質問に答えを見つけるに使用する技術のいくつかを見てみましょう。

染色は、遺伝子発現パターンを調査し、開発を規制する分子を識別するために最も広く使用されているアプローチの一つです。

免疫は、抗体蛋白質に化学物質または蛍光レポーターを使用して染色手法です。蛍光顕微鏡によるタンパク質の可視化は、組織のセクションへの局在と細胞構造への潜在的な貢献についての洞察を提供しています。全体マウントの in situハイブリダイゼーションは、染色法、DNA または RNA の分類されたオリゴヌクレオチドを使用して三次元組織における遺伝子発現パターンを見てです。

培養は、外部刺激が行動するメカニズムを研究するこの分野で一般的に使用される方法です。この手法は、組織を成長の自然のサイトから削除され文化で育ちます。培養皿または文化メディアに追加成長因子基板などの特定の成長条件はの開発の細胞や組織に及ぼす影響を調査します。

生きている細胞イメージング発達刺激に対する細胞応答を分析するために使用します。体外培養、細胞運動とリアルタイムでローカリゼーション パターンを取り込むため適しています。染色や蛍光に分類された細胞は履歴体内タイムラプス顕微鏡を使用しても可能です。

頻繁に興味のティッシュからの細胞が宿主生物にドナーから移植、開発の過程で監視します。

今ではいくつかの一般的な実験方法に慣れている、分子発生生物学研究のいくつかのアプリケーションを見てみましょう。

開発に果たす役割の特定の遺伝子の製品を決定する方法の 1 つは、外部手段によって彼らの表現を変更することです。この実験では、morpholinos と呼ばれるアンチセンスオリゴヌクレオチド ノックダウン 2 ゼブラフィッシュ遺伝子適切な内耳の開発に重要なに注入。構造タンパク質の免疫染色は、減らされた遺伝子を持つ胚が少ないニューロンおよびコントロールと比較して内耳の内有毛細胞を示すことを示した。

分子発生生物学の別のアプリケーションは遺伝子を発現するタイミングと場所を把握するため、その符号化された蛋白質が機能可能性がある方法を理解します。この実験では研究者は、興味の 1 つまたは両方の遺伝子を転写するセルを識別するために蛍光に分類された RNA プローブの 2 つのターゲットの成績証明書を補完するものを使用しました。

一部の科学者は、様々 な条件下での細胞応答を分析するのに植文化を使用します。この実験では、捜査官はニワトリ胚の内耳からニューロンを解剖し、数時間培養した後。次に、文化は、タンパク質ビーズを含むメディアに切り替えていた。次の標識抗体の孵化時間経過の共焦点画像では、ビーズにタンパク質にニューロンの細胞体からの投射の成長が促進されることを明らかにしました。

ゼウスの分子発生生物学入門を見てきただけ。このビデオでは分子発生生物学研究の歴史を検討し、発達生物学者によってキーの質問を紹介しました。また著名な研究戦略を検討し、現在のアプリケーションのいくつかを説明しました。いつも見てくれてありがとう!

Transcript

Studies in the field of molecular developmental biology provide insight about the changes that occur at the cellular level during differentiation and development. Researchers examine the physical and chemical mechanisms that regulate cell functions. This helps in understanding how cells give rise to specialized tissues within the maturing embryo, and how defects at the molecular level can lead to disease states.

This video presents a brief history of molecular developmental biology, introduces key questions asked by scientists in this field, describes some tools available to answer those questions, and discusses a few current lab applications.

Let’s start by reviewing some landmark studies in the history of molecular developmental biology research.

In 1957, Conrad Waddington published a book entitled “The Strategy of the Genes” in which he tried to explain how cell fate is decided. Based on previously conducted tissue transplantation studies, he presented a conceptual model describing that a cell is like a marble rolling down a hill, and the path it takes to reach the bottom will determine its final differentiated state. This idea that distinct cell types arise from undifferentiated cells receiving different signals during development became known as the “epigenetic landscape.”

Around the same time, Rita Levi-Montalcini and Stanley Cohen observed that transplanting tumors into chick embryos led to rapid neuron growth. They hypothesized that a substance secreted by the tumors caused this growth, and identified the protein as nerve growth factor, or NGF. Soon after that, Cohen discovered another growth factor that was secreted by mouse salivary gland and promoted the growth of epithelial cells. He identified this protein as epidermal growth factor, or EGF.

Later, in 1969, Lewis Wolpert proposed a theory about how a certain class of signaling molecules, known as morphogens, act directly on cells to induce specific responses at varying concentrations. He used colors of the French flag to model cell states, red serving as the default state when no signal is present. From there, low morphogen concentrations, shown in white, might activate one gene, while high morphogen concentrations, shown in blue, might activate a different gene.

Expanding on this work, in 1988 Christiane Nusslein-Volhard identified the first known morphogen by conducting genetic screens on flies. She used antibodies to show that a protein, known as Bicoid, forms a concentration gradient along the anterior-posterior axis of the developing embryo, and controls the expression of genes important for organizing the head and thorax regions.

During the early 1990s, Peter Lawrence and Ginés Morata used their own work in flies to expand the theory of morphogen gradients. They hypothesized that one set of cells is responsible for organizing one particular compartment of the organism. As development proceeds, molecular signals instruct those cells to divide and construct more compartments, continuing until the whole organism is formed.

Now that we have reviewed some historical highlights, let’s examine a few fundamental questions asked by current developmental biologists.

To begin, some researchers focus on identifying the molecules that regulate development. For example, they might study individual, or combinations of, growth factors shown to cause a specific cell response, such as differentiation or migration.

Other developmental biologists investigate how these molecules regulate the developmental process. They might study how the concentration of a molecular signal can instruct a cell to differentiate or migrate. They also ask about how cells communicate with other nearby cells, and look at signaling molecules which diffuse over a short distance and act locally, known as paracrine factors.

Finally, some developmental biologists want to understand about how cells respond to external signals. They may study changes inside the cell itself, such as increases or decreases in the expression of particular genes, by looking at levels of their encoded proteins. Others focus on external changes, such as alterations in cell shape or size.

Now that you have a feel for key questions asked by molecular developmental biologists, let’s look at some of the techniques they use to find answers to these questions.

Staining is one of the most widely used approaches to investigate gene expression patterns, and to identify the molecules that regulate development.

Immunohistochemistry is a staining technique that uses antibodies conjugated to chemical or fluorescent reporters to label proteins. Visualization of proteins by fluorescence microscopy offers insights about their localization in tissue sections, and also their potential contributions to cellular structures. Whole-mount in situ hybridization is an alternative staining method, which uses labeled DNA or RNA oligonucleotides to look at patterns of gene expression in three-dimensional tissues.

Explant culture is another commonly used approach in this field to study the mechanisms by which external stimuli act. In this technique, a tissue is removed from the natural site of growth and grown in culture. Specific growth conditions, such as the substrate on the culture plates or growth factors added to the culture media, can then be examined for their effects on developing cells and tissues.

Live cell imaging is used to analyze cell responses to developmental stimuli. In vitro cultures are well-suited for capturing cell movements and localization patterns in real time. Stained or fluorescently labeled cells can also be tracked in vivo using time-lapse microscopy.

Frequently, cells from a tissue of interest are transplanted from a donor to a host organism, and then monitored over the course of development.

Now that you’re familiar with some general laboratory methods, let’s look at some applications of molecular developmental biology research.

One approach to determining the role specific gene products play in development is to alter their expression by external means. In this experiment, antisense oligonucleotides called morpholinos were injected to knockdown two zebrafish genes important for proper inner ear development. Immunostaining of structural proteins showed that embryos with reduced gene expression exhibit fewer neurons and hair cells within the inner ear compared to the controls.

Another application of molecular developmental biology is to figure out when and where genes are expressed, to better understand how their encoded proteins may function. Researchers in this experiment used fluorescently labeled RNA probes complementary to two target transcripts in order to identify cells transcribing one or both genes of interest.

Some scientists use explant cultures to analyze cell responses under various conditions. In this experiment, investigators dissected sensory neurons from the inner ear of chick embryos and cultured them for several hours. Next, cultures were switched to media containing protein beads. Time-lapse confocal images following incubation with labeled antibodies revealed that proteins on the beads promoted the growth of projections from neuron cell bodies.

You’ve just watched JoVE’s introduction to molecular developmental biology. In this video, we have reviewed the history of molecular developmental biology research, and introduced key questions asked by developmental biologists. We also explored prominent research strategies, and discussed some of their current applications. As always, thanks for watching!