Wprowadzenie do genetyki rozwojowej

Rozwojem każdego organizmu kieruje informacja genetyczna zakodowana w jego DNA. Badając, w jaki sposób geny kontrolują procesy rozwojowe, takie jak migracja i różnicowanie komórek, naukowcy zajmujący się genetyką rozwojową starają się lepiej zrozumieć, w jaki sposób powstają złożone struktury organizmów wielokomórkowych.

Ten film przedstawi niektóre z głównych odkryć w tej dziedzinie, szereg fundamentalnych pytań zadawanych przez genetyków rozwojowych, główne narzędzia, których naukowcy używają, aby odpowiedzieć na te pytania, i wreszcie konkretne badania prowadzone obecnie nad genetyką rozwojową.

Zacznijmy od przeglądu niektórych ważnych odkryć, które ukształtowały dziedzinę genetyki rozwojowej.

W 1865 roku austriacki mnich Gregor Mendel przeprowadził eksperymenty hodowlane na grochu. Zaobserwował, że widoczne cechy grochu lub "fenotypy", takie jak kolor nasion, były dziedziczone zgodnie ze spójnymi zasadami. Sugerując, że te fenotypy są w rzeczywistości kontrolowane przez pewne niewidoczne, dyskretne czynniki dziedziczności, Mendel zasiał ziarno w dziedzinie genetyki.

Te czynniki dziedziczności zostały nazwane "genami" przez duńskiego botanika Wilhelma Johannsena w 1909 roku. Następnie, w 1910 roku, Thomas Hunt Morgan i jego studenci wykorzystali muszkę owocową Drosophila jako organizm modelowy, aby odkryć, że geny znajdują się w strukturach fizycznych w jądrze komórkowym zwanych chromosomami.

W 1938 roku Salome Gluecksohn-Waelsch wykazała, że specyficzny gen jest potrzebny do rozwoju struktury embrionalnej znanej jako struna grzbietowa. Był to jeden z najwcześniejszych dowodów na to, że geny kontrolują wczesne procesy rozwojowe.

W 1940 roku Conrad Hal Waddington zaproponował, że komórki w embrionie różnicują się wzdłuż ścieżek lub "losów", które są kontrolowane przez geny. Sformułował metaforę tego procesu, udoskonalaną przez następne 17 lat, nazwaną "krajobrazem epigenetycznym", w którym komórka jest postrzegana jako marmur staczający się po zboczu wzgórza w kierunku różnych losów komórek. Ścieżki pokonywane przez komórkę podążają za grzbietami i dolinami w krajobrazie, które z kolei są kontrolowane przez geny i ich wzorce ekspresji.

W 1952 roku Wolfgang Beermann potwierdził, że chociaż różne komórki w organizmie mają tę samą zawartość genetyczną, różne regiony chromosomów są aktywne, a ta różniczna ekspresja genów określa tożsamość komórki.

Po ustaleniu, że ekspresja genów wpływa na rozwój, pojawiło się kolejne pytanie: które geny? Aby odpowiedzieć na to pytanie, w latach siedemdziesiątych Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard i Eric Weischaus użyli substancji chemicznych do losowej mutacji genów u muszek owocowych. Dzięki tym badaniom przesiewowym naukowcy zidentyfikowali dużą liczbę genów kontrolujących każdy etap procesu rozwoju.

W 2007 roku międzynarodowe konsorcjum naukowców rozpoczęło prace nad stworzeniem kolekcji myszy, w której każdy pojedynczy gen, po jednym u każdej myszy, jest usuwany lub "znokautowany". Fenotyp każdej z tych myszy jest obecnie charakteryzowany i da nam pierwszy katalog funkcji wszystkich genów u ssaka.

Teraz, gdy przyjrzeliśmy się korzeniom tej dziedziny, przyjrzyjmy się kilku kluczowym pytaniom, na które próbują odpowiedzieć genetycy rozwojowi.

Niektórzy badacze koncentrują się na wczesnych wydarzeniach podczas przekształcania zapłodnionych jaj lub zygot w wielokomórkowe zarodki. Zdarzenia te zależą od RNA i białek, które są zdeponowane w jaju przez matkę, w zjawisku znanym jako "wkład matki" lub "efekt matczyny". Naukowcy są zainteresowani dowiedzeniem się, w jaki sposób genotyp matki wpływa na fenotyp zarodka.

Innym kluczowym pytaniem w genetyce rozwojowej jest: w jaki sposób genetycznie identyczne komórki przyjmują różne losy komórek? Naukowcy identyfikują wiele czynników, które kontrolują zróżnicowaną ekspresję genów między różnymi komórkami, w tym szlaki sygnałowe, które mówią komórce, jakie geny mają się wyrażać i kiedy je wyrażać podczas rozwoju.

Wreszcie, naukowcy pytają również, w jaki sposób wczesny zarodek, amorficzna masa komórek, przekształca się w złożony organizm z odrębnymi, funkcjonalnymi częściami. Tworzenie się tego planu ciała nazywa się morfogenezą, a naukowcy próbują zidentyfikować geny i szlaki, które rządzą tym procesem.

Teraz, gdy znasz już niektóre z pytań, które zadają genetycy rozwojowi, przyjrzyjmy się technikom, których używają, aby odpowiedzieć na te pytania.

Naukowcy mogą badać rolę określonych genów w rozwoju poprzez zakłócanie ich ekspresji. Jednym ze sposobów, aby to zrobić, jest "wybicie" genu z DNA organizmu poprzez wprowadzenie mutacji lub zastąpienie go niefunkcjonalnym DNA. Alternatywnie, ekspresję genów można "strącić" poprzez wprowadzenie oligonukleotydów, które będą wiązać się z docelowymi sekwencjami mRNA i zapobiegać produkcji funkcjonalnych białek.

Aby określić, które geny są odpowiedzialne za poszczególne fenotypy, naukowcy mogą przeprowadzić genetyczne badania przesiewowe. W przesiewowym badaniu genetycznym mutacje są losowo generowane w organizmach przez promieniowanie lub substancje chemiczne znane jako mutageny. Kiedy okaże się, że mutant wykazuje fenotyp będący przedmiotem zainteresowania, można zidentyfikować nieznany gen, który został zmutowany. Odwrotnym podejściem jest odwrócone genetyczne badanie przesiewowe, w którym naukowcy najpierw biorą na cel dużą liczbę specyficznych genów kandydujących do zakłócenia, a następnie przyglądają się wynikowym fenotypom mutantów.

Wreszcie, biolodzy są również zainteresowani określeniem ekspresji genów na różnych etapach rozwoju. Jednym z narzędzi do pomiaru ekspresji genów jest mikromacierz, która jest chipem usianym oligonukleotydami zawierającymi sekwencje genów, które mają być badane. W typowym eksperymencie RNA wyekstrahowane z organizmów na dwóch różnych etapach rozwoju jest wykorzystywane do generowania dwóch różnych zestawów znakowanych fluorescencyjnie sond, które są następnie hybrydyzowane z mikromacierzą. Zmiany w ekspresji genów można następnie zinterpretować na podstawie sygnału fluorescencyjnego w każdej kropce na tablicy.

Mając na uwadze te techniki eksperymentalne, przyjrzyjmy się, w jaki sposób naukowcy stosują je do badania genetyki rozwojowej.

Naukowcy przeprowadzają zakrojone na szeroką skalę genetyczne badania przesiewowe organizmów modelowych, takich jak C. elegans, w poszukiwaniu genów wpływających na rozwój. Odbywa się to zwykle poprzez interferencję RNA lub RNAi, proces, w którym geny są wyciszane za pomocą małych cząsteczek RNA. W tym przypadku naukowcy karmili robaki bakteriami zawierającymi bibliotekę RNAi zaprojektowaną przeciwko dużej liczbie genów robaków i analizowali wpływ knockdownu genów na rozwój zwierząt.

Inni badacze przeprowadzają badania genetyczne z wykorzystaniem mutagenezy losowej w celu identyfikacji fenotypów rozwojowych. W tym eksperymencie naukowcy wykorzystali technikę pułapki genowej do mutagenizacji zarodków danio pręgowanego, w którym konstrukt reporterowy jest losowo kierowany na introny genów i sprawia, że stają się one niefunkcjonalne. Naukowcy mogą następnie łatwo zidentyfikować zwierzęta, u których gen został skutecznie zakłócony, szukając sygnału reporterowego, a te, które wykazują wadę rozwojową, mogą mieć zidentyfikowany odpowiedzialny gen.

Wreszcie, ekspresja genów różnych typów komórek w rozwijającym się organizmie może być profilowana za pomocą mikromacierzy w celu określenia, które geny są włączane lub wyłączane podczas różnicowania i specjalizacji komórek. W tym badaniu wyizolowano pojedyncze komórki neuronalne różnych typów komórek z rozwijającej się siatkówki. RNA zostało następnie wyekstrahowane z tych komórek w celu analizy mikromacierzy w celu zidentyfikowania genów, które odgrywają rolę w rozwoju każdego określonego typu komórki.

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do genetyki rozwojowej. W tym filmie omówiono niektóre historyczne wydarzenia w tej dziedzinie, ważne pytania zadawane przez genetyków rozwojowych, kilka z najważniejszych metod stosowanych obecnie w laboratoriach oraz konkretne zastosowania tych podejść do badania biologii rozwojowej. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!