Een inleiding tot moleculaire ontwikkelingsbiologie

Studies in het veld van moleculaire ontwikkelingsbiologie geven inzicht in de veranderingen die zich optreden op cellulair niveau tijdens differentiatie en ontwikkeling. Onderzoekers bestuderen de fysische en chemische mechanismen die celfuncties reguleren. Dit helpt bij het begrijpen hoe cellen gespecialiseerd weefsel binnen de volwassen embryo genereren, en hoe defecten op moleculair niveau kunnen leiden tot ziektetoestanden.

Deze video presenteert een korte geschiedenis van moleculaire ontwikkelingsbiologie, introduceert belangrijke vragen gesteld door wetenschappers op dit gebied, beschrijft enkele beschikbare hulpmiddelen om die vragen te beantwoorden, en bespreekt enkele huidige laboratoriumtoepassingen.

Laten we beginnen met het bekijken van enkele baanbrekende studies in de geschiedenis van moleculaire ontwikkelingsbiologie onderzoek.

In 1957 publiceerde Conrad Waddington een boek getiteld "The Strategy of the Genes" waarin hij probeerde uit te leggen hoe het lot van een cel wordt bepaald. Gebaseerd op eerder uitgevoerde weefseltransplantatiestudies, presenteerde hij een conceptueel model waarin hij beschreef dat een cel lijkt op een marmer dat een heuvel afrolt, en de weg die het neemt om de bodem te bereiken zal zijn uiteindelijke gedifferentieerde toestand bepalen. Dit idee dat verschillende celtypen ontstaan uit ongedifferentieerde cellen die tijdens de ontwikkeling verschillende signalen ontvangen, werd bekend als het "epigenetisch landschap."

Rond dezelfde tijd observeerden Rita Levi-Montalcini en Stanley Cohen dat het transplanteren van tumoren in kippenembryo's leidde tot snelle neurongroei. Ze gingen ervan uit dat een door de tumoren afgescheiden substantie deze groei veroorzaakte, en identificeerden het eiwit als zenuwgroeifactor, of NGF. Kort daarna ontdekte Cohen nog een groeifactor die werd uitgescheiden door de speekselklier van de muis en de groei van epitheelcellen bevorderde. Hij identificeerde dit eiwit als epidermale groeifactor, of EGF.

Later, in 1969, stelde Lewis Wolpert een theorie voor over hoe een bepaalde klasse van signaalmoleculen, bekend als morphogenes, direct op cellen inwerken om specifieke reacties te induceren bij verschillende concentraties. Hij gebruikte kleuren van de Franse vlag om celtoestanden te modelleren, rood dient als de standaardtoestand wanneer er geen signaal aanwezig is. Van daaruit kunnen lage morfogenconcentraties, getoond in wit, één gen activeren, terwijl hoge morfogenconcentraties, getoond in blauw, een ander gen kunnen activeren.

Voorbouwend op dit werk, identificeerde Christiane Nusslein-Volhard in 1988 het eerste bekende morphogeen door genetische screenings uit te voeren op vliegen. Ze gebruikte antilichamen om te tonen dat een eiwit, bekend als Bicoid, een concentratiegradiënt vormt langs de anteroposterior as van het zich ontwikkelende embryo, en controleert de expressie van genen die belangrijk zijn voor het organiseren van de hoofd- en borststreek.

Tijdens de vroege jaren 1990 gebruikten Peter Lawrence en Ginés Morata hun eigen werk met vliegen om de theorie van morfogeengradiënten uit te breiden. Ze gingen ervan uit dat een set cellen verantwoordelijk is voor het organiseren van één specifiek compartiment van het organisme. Terwijl de ontwikkeling vordert, geven moleculaire signalen die cellen instructies om zich te delen en meer compartimenten te construeren, door totdat het hele organisme is gevormd.

Nu we enkele historische hoogtepunten hebben besproken, laten we een paar fundamentele vragen bekijken die worden gesteld door huidige ontwikkelingsbiologen.

Om te beginnen richten sommige onderzoekers zich op het identificeren van de moleculen die de ontwikkeling reguleren. Bijvoorbeeld, ze kunnen individuele of combinaties van groeifactoren bestuderen die zijn aangetoond als veroorzakers van een specifiek celrespons, zoals differentiatie of migratie.

Andere ontwikkelingsbiologen onderzoeken hoe deze moleculen het ontwikkelingsproces reguleren. Ze kunnen bestuderen hoe de concentratie van een moleculair signaal een cel kan instrueren om te differentiëren of migreren. Ze vragen ook hoe cellen communiceren met andere nabije cellen, en kijken naar signaalmoleculen die over een korte afstand diffunderen en lokaal werken, bekend als paracriene factoren.

Ten slotte willen sommige ontwikkelingsbiologen begrijpen hoe cellen reageren op externe signalen. Ze kunnen veranderingen in de cel zelf bestuderen, zoals toename of afname in de expressie van bepaalde genen, door te kijken naar niveaus van hun gecodeerde eiwitten. Anderen concentreren zich op externe veranderingen, zoals veranderingen in celvorm of -grootte.

Nu je een gevoel hebt voor de belangrijke vragen die moleculaire ontwikkelingsbiologen stellen, laten we eens kijken naar enkele van de technieken die ze gebruiken om antwoorden op deze vragen te vinden.

Kleuren is een van de meest gebruikte benaderingen om genexpressiepatronen te onderzoeken en de moleculen te identificeren die de ontwikkeling reguleren.

Immunohistochemische kleuring is een kleurtechniek die antilichamen gebruikt die zijn geconjugeerd met chemische of fluorescerende reporters om eiwitten te labelen. Visualisatie van eiwitten door middel van fluorescentiemicroscopie biedt inzicht in hun lokalisatie in weefselsecties, en ook hun potentiële bijdragen aan cellulaire structuren. Whole-mount in situ hybridisatie is een alternatieve kleurmethode, die gelabelde DNA- of RNA-oligonucleotiden gebruikt om patronen van genexpressie in driedimensionale weefsels te bekijken.

Explantcultuur is een andere veelgebruikte benadering in dit veld om de mechanismen te bestuderen waardoor externe stimuli werken. In deze techniek wordt een weefsel verwijderd van de natuurlijke groeiplaats en gekweekt in cultuur. Specifieke groeicondities, zoals het substraat op de kweekplaten of groeifactoren toegevoegd aan het kweekmedium, kunnen vervolgens worden onderzocht op hun effecten op ontwikkelende cellen en weefsels.

Live-celbeeldvorming wordt gebruikt om celreacties op ontwikkelingsstimuli te analyseren. In vitro culturen zijn goed geschikt voor het vastleggen van celbewegingen en