Een inleiding tot ontwikkelingsgenetica

De ontwikkeling van elk organisme wordt geleid door de genetische informatie die in zijn DNA is gecodeerd. Door te bestuderen hoe genen ontwikkelingsprocessen, zoals celmigratie en differentiatie, controleren, proberen wetenschappers op het gebied van ontwikkelingsgenetica beter te begrijpen hoe de complexe structuren van meercellige organismen worden gevormd.

Deze video zal enkele van de belangrijkste ontdekkingen op dit gebied presenteren, een aantal fundamentele vragen van ontwikkelingsgenetici, belangrijke hulpmiddelen die wetenschappers gebruiken om deze vragen te beantwoorden en ten slotte specifieke studies die momenteel op het gebied van ontwikkelingsgenetica worden uitgevoerd.

Laten we beginnen met het bespreken van enkele belangrijke ontdekkingen die het veld van ontwikkelingsgenetica hebben gevormd.

In 1865 voerde een Oostenrijkse monnik, Gregor Mendel, kweekexperimenten met erwten uit. Hij observeerde dat de zichtbare eigenschappen of "fenotypen" van de erwten, zoals zaadkleur, werden overgeërfd volgens consistente regels. Door voor te stellen dat deze fenotypen eigenlijk worden gecontroleerd door enkele onzichtbare, discrete erfelijkheidsfactoren, legde Mendel de basis voor het veld van genetica.

Deze erfelijkheidsfactoren werden in 1909 door de Deense botanicus Wilhelm Johannsen "genen" genoemd. Toen, in 1910, gebruikten Thomas Hunt Morgan en zijn studenten de fruitvlieg Drosophila als modelorganisme om te ontdekken dat genen zich op fysieke structuren in de celkern bevinden, die chromosomen worden genoemd.

In 1938 toonde Salome Gluecksohn-Waelsch aan dat een specifiek gen nodig is voor de ontwikkeling van een embryonaal structuur bekend als de notochord. Dit was een van de vroegste bewijzen dat genen vroege ontwikkelingsprocessen controleren.

In 1940 stelde Conrad Hal Waddington voor dat cellen in een embryo zich differentiëren langs paden, of "lot", die worden gecontroleerd door genen. Hij formuleerde een metafoor voor dit proces, verfijnd gedurende de volgende 17 jaar, genaamd het "epigenetisch landschap", waarbij een cel wordt gezien als een marmer die een heuvelhelling afrolt naar verschillende celbestemmingen. De paden die de cel neemt, volgen de richels en valleien in het landschap, die op hun beurt worden gecontroleerd door genen en hun expressiepatronen.

In 1952 bevestigde Wolfgang Beermann dat hoewel verschillende cellen in een organisme dezelfde genetische inhoud hebben, verschillende delen van de chromosomen actief zijn, en deze differentiële genexpressie de celidentiteit definieert.

Toen het eenmaal was vastgesteld dat genexpressie de ontwikkeling beïnvloedt, was de volgende vraag welke genen? Om dit te beantwoorden, gebruikten Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard en Eric Weischaus in de jaren zeventig chemicaliën om willekeurig genen in fruitvliegen te muteren. Door deze mutatiescreens identificeerden de wetenschappers een groot aantal genen die elke stap van het ontwikkelingsproces controleren.

In 2007 begon een internationaal consortium van wetenschappers met het creëren van een collectie muizen waarin elk enkel gen, één in elke muis, wordt verwijderd of "uitgeschakeld". Het fenotype van elk van deze muizen wordt momenteel gekarakteriseerd en zal ons de eerste catalogus geven van de functie van alle genen in een zoogdier.

Nu we de wortels van het veld hebben besproken, laten we een paar sleutelvragen bekijken die ontwikkelingsgenetici proberen te beantwoorden.

Sommige onderzoekers concentreren zich op de vroege gebeurtenissen tijdens de transformatie van bevruchte eicellen, of zygoten, in meercellige embryo's. Deze gebeurtenissen zijn afhankelijk van RNA's en eiwitten die door de moeder in het ei worden afgezet, in een fenomeen dat bekend staat als "maternelle bijdrage" of "maternel effect". Wetenschappers zijn geïnteresseerd in het leren hoe het genotype van een moeder het fenotype van een embryo beïnvloedt.

Een andere centrale vraag in de ontwikkelingsgenetica is: hoe adopteren genetisch identieke cellen verschillende celbestemmingen? Wetenschappers identificeren de vele factoren die differentiële genexpressie onder verschillende cellen controleren, inclusief de signaalroutes die de cel vertellen welke genen te expresseren zijn, en wanneer ze die moeten expresseren, tijdens de ontwikkeling.

Ten slotte vragen wetenschappers ook hoe het vroege embryo, een amorfe massa van cellen, transformeert in een complex organisme met verschillende, functionele delen. De vorming van dit lichaamsplan wordt morfogenese genoemd, en wetenschappers proberen de genen en routes te identificeren die dit proces regeren.

Nu u enkele van de vragen kent die ontwikkelingsgenetici stellen, laten we de technieken bekijken die ze gebruiken om deze vragen te beantwoorden.

Wetenschappers kunnen de rol van specifieke genen in de ontwikkeling bestuderen door hun expressie te verstoren. Een manier om dit te doen is door het gen in het DNA van het organisme "uit te schakelen" door mutaties te introduceren, of het te vervangen door niet-functioneel DNA. Als alternatief kan genexpressie "naar beneden worden gebracht" door oligonucleotiden te introduceren die zich binden aan de doel-mRNA-sequenties en de productie van functionele eiwitten voorkomen.

Om te identificeren welke genen verantwoordelijk zijn voor bepaalde fenotypes, kunnen wetenschappers genetische screens uitvoeren. In een voorwaartse genetische screen worden mutaties willekeurig gegenereerd in organismen door middel van straling of chemicaliën die bekend staan als mutageen. Wanneer een mutant een fenotype van belang vertoont, kan het onbekende gen dat is gemutateerd vervolgens worden geïdentificeerd. De tegenovergestelde benadering is een omgekeerde genetische screen, waarbij wetenschappers eerst een groot aantal specifieke kandidaat-genen targeten voor verstoring, en vervolgens de resulterende fenotypes van de mutanten bekijken.

Ten slotte zijn biologen ook geïnteresseerd in het bepalen van genexpressie in verschillende ontwikkelingsstadia. Een hulpmiddel voor het meten van genexpressie is de microarray, een chip bezaaid met oligonucleotiden die sequenties van de te testen