Введение в молекулярную биологию развития

Исследования в области молекулярной биологии развития дают представление об изменениях, происходящих на клеточном уровне во время дифференцировки и развития. Исследователи изучают физические и химические механизмы, регулирующие функции клеток. Это помогает понять, как клетки дают начало специализированным тканям внутри созревающего эмбриона и как дефекты на молекулярном уровне могут привести к заболеваниям.

В этом видео представлена краткая история молекулярной биологии развития, представлены ключевые вопросы, которые задают ученые в этой области, описаны некоторые инструменты, доступные для ответа на эти вопросы, и обсуждаются некоторые современные лабораторные приложения.

Давайте начнем с обзора некоторых знаковых исследований в истории молекулярной биологии развития.

В 1957 году Конрад Уоддингтон опубликовал книгу под названием «Стратегия генов», в которой попытался объяснить, как решается судьба клетки. Основываясь на ранее проведенных исследованиях по трансплантации тканей, он представил концептуальную модель, описывающую, что клетка подобна шарику, катящемуся с холма, и путь, который она пройдет, чтобы достичь дна, определит ее окончательное дифференцированное состояние. Идея о том, что различные типы клеток возникают из недифференцированных клеток, получающих различные сигналы во время развития, стала известна как «эпигенетический ландшафт».

Примерно в то же время Рита Леви-Монтальчини и Стэнли Коэн заметили, что трансплантация опухолей в куриные эмбрионы приводит к быстрому росту нейронов. Они предположили, что вещество, выделяемое опухолями, вызывает этот рост, и идентифицировали белок как фактор роста нервов, или NGF. Вскоре после этого Коэн обнаружил еще один фактор роста, который выделялся слюнной железой мыши и способствовал росту эпителиальных клеток. Он идентифицировал этот белок как эпидермальный фактор роста, или EGF.

Позже, в 1969 году, Льюис Уолперт предложил теорию о том, как определенный класс сигнальных молекул, известных как морфогены, воздействуют непосредственно на клетки, вызывая специфические реакции в различных концентрациях. Он использовал цвета французского флага для моделирования состояний ячеек, красный служил состоянием по умолчанию, когда сигнал отсутствует. После этого низкие концентрации морфогена, показанные белым цветом, могут активировать один ген, в то время как высокие концентрации морфогена, показанные синим, могут активировать другой ген.

Развивая эту работу, в 1988 году Кристиана Нуссляйн-Фольхард идентифицировала первый известный морфоген, проведя генетический скрининг на мухах. Она использовала антитела, чтобы показать, что белок, известный как бикоид, формирует градиент концентрации вдоль передне-задней оси развивающегося эмбриона и контролирует экспрессию генов, важных для организации головы и грудной клетки.

В начале 1990-х годов Питер Лоуренс и Гинес Мората использовали свои собственные работы на мухах, чтобы расширить теорию градиентов морфогена. Они предположили, что один набор клеток отвечает за организацию одного конкретного отсека организма. По мере развития молекулярные сигналы инструктируют эти клетки делиться и строить новые компартменты, продолжая до тех пор, пока не сформируется весь организм.

Теперь, когда мы рассмотрели некоторые исторические события, давайте рассмотрим несколько фундаментальных вопросов, которые задают современные биологи развития.

Для начала некоторые исследователи сосредотачиваются на выявлении молекул, которые регулируют развитие. Например, они могут изучать отдельные факторы роста или комбинации факторов, вызывающих специфический клеточный ответ, такой как дифференцировка или миграция.

Другие биологи развития исследуют, как эти молекулы регулируют процесс развития. Они могут изучить, как концентрация молекулярного сигнала может побудить клетку к дифференцировке или миграции. Они также спрашивают о том, как клетки взаимодействуют с другими соседними клетками, и рассматривают сигнальные молекулы, которые диффундируют на короткое расстояние и действуют локально, известные как паракринные факторы.

Наконец, некоторые биологи хотят понять, как клетки реагируют на внешние сигналы. Они могут изучать изменения внутри самой клетки, такие как увеличение или уменьшение экспрессии определенных генов, глядя на уровни их кодируемых белков. Другие фокусируются на внешних изменениях, таких как изменения формы или размера клеток.

Теперь, когда у вас есть представление о ключевых вопросах, которые задают молекулярные биологи развития, давайте рассмотрим некоторые методы, которые они используют для поиска ответов на эти вопросы.

Окрашивание является одним из наиболее широко используемых подходов к исследованию паттернов экспрессии генов и идентификации молекул, которые регулируют развитие.

Иммуногистохимия — это метод окрашивания, при котором для мечения белков используются антитела, конъюгированные с химическими или флуоресцентными репортерами. Визуализация белков с помощью флуоресцентной микроскопии позволяет получить представление об их локализации в срезах тканей, а также об их потенциальном вкладе в клеточные структуры. Цельная гибридизация in situ является альтернативным методом окрашивания, при котором используются меченые олигонуклеотиды ДНК или РНК для изучения паттернов экспрессии генов в трехмерных тканях.

Культура эксплантов является еще одним широко используемым подходом в этой области для изучения механизмов, с помощью которых действуют внешние стимулы. При этом методе ткань удаляется из естественного места роста и выращивается в культуре. Конкретные условия роста, такие как субстрат на культуральных планшетах или факторы роста, добавленные в питательные среды, могут быть затем изучены на предмет их влияния на развивающиеся клетки и ткани.

Визуализация живых клеток используется для анализа реакции клеток на раздражители развития. Культуры in vitro хорошо подходят для фиксации движений клеток и шаблонов локализации в режиме реального времени. Окрашенные или флуоресцентно меченые клетки также можно отслеживать in vivo с помощью покадровой микроскопии.

Часто клетки из представляющей интерес ткани пересаживаются от донора к организму-хозяину, а затем контролируются в ходе развития.

Теперь, когда вы знакомы с некоторыми общими лабораторными методами, давайте рассмотрим некоторые приложения исследований в области молекулярной биологии развития.

Один из подходов к определению роли, которую специфические продукты генов играют в развитии, заключается в изменении их экспрессии внешними средствами. В этом эксперименте были введены антисмысловые олигонуклеотиды, называемые морфолино, чтобы сбить с ног два гена рыбок данио, важных для правильного развития внутреннего уха. Иммуноокрашивание структурных белков показало, что эмбрионы со сниженной экспрессией генов демонстрируют меньше нейронов и волосковых клеток во внутреннем ухе по сравнению с контрольной группой.

Еще одно применение молекулярной биологии развития заключается в выяснении того, когда и где экспрессируются гены, чтобы лучше понять, как могут функционировать их кодируемые белки. В этом эксперименте исследователи использовали флуоресцентно меченые РНК-зонды, комплементарные двум целевым транскриптам, чтобы идентифицировать клетки, транскрибирующие один или оба гена, представляющие интерес.

Некоторые ученые используют культуры эксплантов для анализа реакций клеток в различных условиях. В этом эксперименте исследователи препарировали сенсорные нейроны из внутреннего уха куриных эмбрионов и культивировали их в течение нескольких часов. Далее культуры были переведены на среды, содержащие белковые гранулы. Покадровая съемка конфокальных изображений после инкубации с мечеными антителами показала, что белки на бусинах способствуют росту проекций от тел нейронных клеток.

Вы только что посмотрели введение JoVE в молекулярную биологию развития. В этом видео мы рассмотрели историю исследований в области молекулярной биологии развития и представили ключевые вопросы, которые задают биологи развития. Мы также рассмотрели основные исследовательские стратегии и обсудили некоторые из их текущих применений. Как всегда, спасибо за просмотр!