Введение в генетику развития

Развитие каждого организма определяется генетической информацией, закодированной в его ДНК. Изучая то, как гены контролируют процессы развития, такие как миграция и дифференцировка клеток, ученые в области генетики развития пытаются лучше понять, как формируются сложные структуры многоклеточных организмов.

В этом видео будут представлены некоторые из основных открытий в этой области, ряд фундаментальных вопросов, заданных генетиками развития, основные инструменты, которые ученые используют для ответа на эти вопросы, и, наконец, конкретные исследования в области генетики развития, проводимые сегодня.

Давайте начнем с рассмотрения некоторых важных открытий, которые сформировали область генетики развития.

В 1865 году австрийский монах Грегор Мендель провел селекционные опыты с горохом. Он заметил, что видимые черты гороха или «фенотипы», такие как цвет семян, наследуются в соответствии с последовательными правилами. Предположив, что эти фенотипы на самом деле контролируются некими невидимыми, дискретными факторами наследственности, Мендель посеял семена в области генетики.

Эти факторы наследственности были названы «генами» датским ботаником Вильгельмом Иогансеном в 1909 году. Затем, в 1910 году, Томас Хант Морган и его студенты использовали плодовую муху дрозофилу в качестве модельного организма, чтобы обнаружить, что гены обнаруживаются в физических структурах в клеточном ядре, называемых хромосомами.

В 1938 году Саломея Глюксон-Вельш показала, что для развития эмбриональной структуры, известной как хорда, необходим определенный ген. Это было одним из самых ранних доказательств того, что гены контролируют процессы раннего развития.

В 1940 году Конрад Хэл Уоддингтон предположил, что клетки эмбриона дифференцируются по путям, или «судьбам», которые контролируются генами. Он сформулировал метафору этого процесса, усовершенствованную в течение следующих 17 лет, под названием «эпигенетический ландшафт», где клетка рассматривается как шарик, катящийся вниз по склону холма к различным клеточным судьбам. Пути, по которым движется клетка, следуют по хребтам и долинам в ландшафте, которые, в свою очередь, контролируются генами и их экспрессией.

В 1952 году Вольфганг Беерман подтвердил, что, хотя разные клетки в организме имеют одинаковое генетическое содержание, разные участки хромосом активны, и эта дифференциальная экспрессия генов определяет клеточную идентичность.

После того, как было определено, что экспрессия генов влияет на развитие, следующим вопросом было: какие гены? Чтобы ответить на этот вопрос, в 1970-х годах Эдвард Б. Льюис, Кристиан Нуссляйн-Фольхард и Эрик Вайшаус использовали химические вещества для случайной мутации генов у плодовых мушек. С помощью этих скринингов мутаций ученые идентифицировали большое количество генов, контролирующих каждый шаг процесса развития.

В 2007 году международный консорциум ученых начал работу по созданию коллекции мышей, в которой каждый ген, по одному у каждой мыши, удален или «нокаутирован». Фенотип каждой из этих мышей в настоящее время характеризуется и даст нам первый каталог функций всех генов у млекопитающих.

Теперь, когда мы рассмотрели корни этой области, давайте рассмотрим несколько ключевых вопросов, на которые пытаются ответить генетики развития.

Некоторые исследователи сосредоточились на ранних событиях во время трансформации оплодотворенных яйцеклеток, или зигот, в многоклеточные эмбрионы. Эти события зависят от РНК и белков, которые откладываются в яйцеклетке матерью, в феномене, известном как «материнский вклад» или «материнский эффект». Ученым интересно узнать, как генотип матери влияет на фенотип эмбриона.

Еще один центральный вопрос генетики развития: как генетически идентичные клетки принимают разную клеточную судьбу? Ученые выявляют множество факторов, которые контролируют дифференциальную экспрессию генов между различными клетками, в том числе сигнальные пути, которые сообщают клетке, какие гены и когда их экспрессировать во время развития.

Наконец, ученые также задаются вопросом о том, как ранний эмбрион, аморфная масса клеток, превращается в сложный организм с различными функциональными частями. Формирование этого плана тела называется морфогенезом, и ученые пытаются выявить гены и пути, которые управляют этим процессом.

Теперь, когда вы знаете некоторые вопросы, которые задают генетики развития, давайте рассмотрим методы, которые они используют, чтобы ответить на эти вопросы.

Ученые могут изучать роль конкретных генов в развитии, нарушая их экспрессию. Один из способов сделать это — «нокаутировать» ген в ДНК организма путем внесения мутаций или замены его нефункциональной ДНК. В качестве альтернативы, экспрессия генов может быть «подавлена» путем введения олигонуклеотидов, которые будут связываться с целевыми последовательностями мРНК и предотвращать производство функциональных белков.

Чтобы определить, какие гены отвечают за определенные фенотипы, ученые могут провести генетический скрининг. При прямом генетическом скрининге мутации случайным образом генерируются в организмах либо радиацией, либо химическими веществами, известными как мутагены. Когда обнаруживается, что мутант демонстрирует фенотип, представляющий интерес, неизвестный ген, который был мутирован, может быть идентифицирован. Противоположный подход — это обратный генетический скрининг, когда ученые сначала нацелены на большое количество конкретных генов-кандидатов на разрушение, а затем смотрят на результирующие фенотипы мутантов.

Наконец, биологов также интересует определение экспрессии генов на разных стадиях развития. Одним из инструментов для измерения экспрессии генов является микрочип, который представляет собой чип, усеянный олигонуклеотидами, содержащими последовательности генов, подлежащих тестированию. В типичном эксперименте РНК, выделенная из организмов на двух разных стадиях развития, используется для создания двух разных наборов флуоресцентно меченных зондов, которые затем гибридизуются с микрочипом. Изменения в экспрессии генов затем могут быть интерпретированы по флуоресцентному сигналу в каждой точке на матрице.

Имея в виду эти экспериментальные методы, давайте посмотрим, как исследователи применяют их для изучения генетики развития.

Ученые проводят крупномасштабный генетический скрининг на модельных организмах, таких как C. elegans, чтобы найти гены, влияющие на развитие. Обычно это делается с помощью РНК-интерференции, или РНК-интерференции, процесса, при котором гены заглушаются с помощью малых молекул РНК. Здесь ученые кормили червей бактериями, содержащими библиотеку РНК-интерференции, разработанную против большого количества генов червей, и анализировали влияние нокдауна генов на развитие животных.

Другие исследователи проводят прямой генетический скрининг с использованием случайного мутагенеза для выявления фенотипов развития. В этом эксперименте исследователи использовали технику генной ловушки для мутагенизации эмбрионов рыбок данио, где репортерная конструкция случайным образом нацелена на интроны генов и делает их нефункциональными. Затем ученые могут легко идентифицировать животных, у которых ген успешно нарушен, ища репортерный сигнал, а те, у которых проявляется дефект развития, могут идентифицировать ответственный ген.

Наконец, экспрессия генов различных типов клеток в развивающемся организме может быть профилирована с помощью микрочипов, чтобы определить, какие гены включаются или выключаются во время дифференцировки и специализации клеток. В этом исследовании отдельные нейронные клетки разных типов клеток были выделены из развивающейся сетчатки. Затем РНК была извлечена из этих клеток для анализа микрочипов, чтобы идентифицировать гены, которые играют роль в развитии каждого конкретного типа клеток.

Вы только что посмотрели введение JoVE в генетику развития. В этом видео были рассмотрены некоторые исторические моменты в этой области, важные вопросы, заданные генетиками развития, некоторые из известных методов, используемых в настоящее время в лабораториях, и конкретные применения этих подходов к изучению биологии развития. Как всегда, спасибо за просмотр!