Una introducción a la genética del desarrollo

Developmental Biology

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Summary

El desarrollo es el complejo proceso mediante el cual un embrión unicelular se transforma en un organismo multicelular. Procesos de desarrollo están guiados por la información codificada en el ADN de un organism\, y los genetistas están tratando de entender cómo esta información lleva a un organismo completamente formado.

Este video repasa investigación seminal en el campo de la biología del desarrollo, incluyendo la identificación de genes específicos que controlan diversos procesos embrionarios. También se proporciona una introducción a las principales preguntas por genetistas del desarrollo y los prominentes métodos utilizados para responder a ellos. Finalmente, se discuten varias aplicaciones de estos métodos destacados, para mostrar experimentos específicos que actualmente se está realizando en este campo.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la biología del desarrollo. Una introducción a la genética del desarrollo. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

El desarrollo de cada organismo se guía por la información genética codificada en su ADN. Mediante el estudio de cómo los genes controlan procesos de desarrollo, como la migración celular y diferenciación, los científicos en el campo de la genética del desarrollo intentan entender mejor cómo se forman las estructuras complejas de los organismos multicelulares.

Este video presenta algunos de los principales descubrimientos en este campo, una serie de preguntas fundamentales formuladas por genetistas del desarrollo, principales herramientas que los científicos usan para responder a estas preguntas, y finalmente, específicas de estudios realizadas hoy en la genética del desarrollo.

Empecemos por revisar algunos de los descubrimientos importantes que han dado forma al campo de la genética del desarrollo.

En 1865, un monje austríaco, Gregor Mendel, realizó experimentos de cría con guisantes. Observó que los guisantes rasgos visibles o "fenotipos", como el color de la semilla, fueron heredados según reglas constantes. Al proponer que estos fenotipos están realmente controlados por algunos factores de la herencia invisible, discreta, Mendel plantó las semillas del campo de la genética.

Estos factores de la herencia fueron nombrados "genes" por el botánico danés Wilhelm Johannsen en 1909. Luego, en 1910, Thomas Hunt Morgan y sus estudiantes utilizan la mosca de la fruta Drosophila como un organismo modelo para descubrir que los genes se encuentran en estructuras físicas en el núcleo de la célula llamados cromosomas.

En 1938, Salome Gluecksohn-Waelsch demostró que un gen específico era necesario para el desarrollo de una estructura embrionaria conocida como el notocordio. Esto era entre la evidencia más temprana que los genes controlan los procesos de desarrollo tempranos.

En 1940, Conrad Hal Waddington propuso que las células de un embrión se diferencian a lo largo de caminos o "destinos", que están controlados por genes. Él formuló una metáfora para este proceso, refinado durante los próximos 17 años, llamado el "paisaje epigenético", donde una célula se considera como una canica rodando por una ladera hacia destinos diferentes de la célula. Los caminos tomados por la célula siga las crestas y valles en el paisaje, que a su vez están controlados por genes y sus patrones de expresión.

En 1952, Wolfgang Beermann confirmó que diferentes células en un organismo tienen el mismo contenido genético, diferentes regiones de los cromosomas son activas, y esta expresión génica diferencial define la identidad de la célula.

¿Una vez que se determinó que la expresión del gen influye en desarrollo, la siguiente pregunta fue, que los genes? Para responder esto, en la década de 1970, Edward B. Lewis, Christiane Nusslein-Volhard y Eric Weischaus utilizan productos químicos para aleatoriamente mutan genes en moscas de la fruta. A través de estas pantallas de mutación, los científicos identificaron un gran número de genes que controlan cada paso del proceso de desarrollo.

En 2007, un consorcio internacional de científicos comenzó a trabajar en la creación de una colección de ratones en los que cada gen individual, uno en cada ratón, se borra o "noqueado". El fenotipo de cada uno de estos ratones se caracteriza actualmente y nos dará el primer catálogo de la función de los genes en un mamífero.

Ahora que hemos revisado las raíces del campo, echemos un vistazo a algunas preguntas claves que los genetistas del desarrollo están tratando de responder.

Algunos investigadores se centran en los acontecimientos tempranos durante la transformación de huevos fertilizados, o cigotos, en embriones multicelulares. Estos eventos dependen de RNAs y proteínas que se depositan en el huevo por la madre, en un fenómeno conocido como "contribución materna" o "efecto maternal". Los científicos están interesados en aprender cómo genotipo de la madre influye en el fenotipo de un embrión.

Otra cuestión central en la genética del desarrollo es: ¿Cómo células genéticamente idénticas adoptan destinos celulares diferentes? Los científicos están identificando los muchos factores que controlan la expresión génica diferencial entre diversas células, incluyendo las vías de señalización que decirle a la célula qué genes a expresar, y cuando para su expresión, durante el desarrollo.

Finalmente, los científicos preguntan también cómo el embrión, una masa amorfa de células, transforma en un organismo complejo con partes distintas, funcionales. La formación de este plan del cuerpo se llama morfogénesis, y los científicos están tratando de identificar los genes y vías que rigen este proceso.

Ahora que conoces algunas de las preguntas que piden a los genetistas del desarrollo, vamos a repasar las técnicas que se utilizan para responder a estas preguntas.

Los científicos pueden estudiar el papel de genes específicos en el desarrollo interrumpiendo su expresión. Una forma de hacerlo es por la "anulación" el gen en el ADN del organismo por la introducción de mutaciones, o reemplazarlo con el ADN no funcional. Como alternativa, expresión génica puede ser "derribada" mediante la introducción de oligonucleótidos que se unen en el destino del ARNm de las secuencias y evitar la producción de proteínas funcionales.

Para identificar qué genes son responsables de los fenotipos particulares, los científicos pueden realizar pantallas genéticas. En una pantalla delante de genética, las mutaciones son generadas aleatoriamente en organismos ya sea por radiación o productos químicos conocidos como mutágenos. Cuando un mutante para mostrar un fenotipo de interés, puede entonces identificarse el gen desconocido que era transformado. El enfoque opuesto es una pantalla genética reversa, donde científicos primero atacar un gran número de genes candidato específico de interrupción y luego miran los fenotipos resultantes de los mutantes.

Finalmente, los biólogos también están interesados en determinar la expresión génica en diferentes etapas de desarrollo. Una herramienta para medir la expresión génica es el microarray, que es un chip con oligonucleótidos que contienen secuencias de los genes para ser probado. En un experimento típico, ARN extraído de organismos en dos diferentes etapas de desarrollo se utiliza para generar dos conjuntos diferentes de sondas fluorescente etiquetadas, que se cruzó por hibridación de los microarrays. Cambios en la expresión génica pueden interpretarse después de la señal fluorescente en cada punto en la matriz.

Con estas técnicas experimentales en mente, echemos un vistazo a cómo los investigadores están aplicando para estudiar la genética del desarrollo.

Los científicos están realizando pantallas genéticas a gran escala en organismos modelo, como C. elegans, para buscar genes que afectan al desarrollo. Esto se hace generalmente mediante ARN de interferencia o ARNi, un proceso por el que genes están silenciados usando pequeñas moléculas de ARN. Aquí, los científicos hartos gusanos de bacterias que contiene una biblioteca de ARNi diseñada contra un gran número de genes del gusano y analizado el efecto de caída de gen en el desarrollo de los animales.

Otros investigadores están realizando pantallas genéticas adelantados mediante mutagénesis al azar para identificar los fenotipos del desarrollo. En este experimento, investigadores utilizaron la técnica de gene-trampa para mutagenize embriones de pez cebra, donde una construcción de reportero es dirigida aleatoriamente a intrones de genes y hacerlas no funcional. Los científicos entonces pueden identificar fácilmente los animales en los que el gen se interrumpe con éxito buscando la señal del reportero, y aquellas que presentan un defecto de desarrollo pueden tener el gen responsable identificado.

Por último, la expresión génica de diferentes tipos de células en un organismo en desarrollo puede ser perfilada por microarrays para identificar qué genes son activados o desactivados durante la especialización y diferenciación celular. En este estudio, las células neuronales de diferentes tipos de células fueron aisladas de la retina en desarrollo. RNA se extrajo entonces de estas células para el análisis de microarrays identificar los genes que desempeñan un papel en el desarrollo de cada tipo de célula específica.

Sólo ha visto la introducción de Zeus a la genética del desarrollo. Este video repasa algunos aspectos históricos destacados de este campo, las grandes preguntas formuladas por especialistas en genética del desarrollo, algunos de los métodos destacados actualmente se utiliza en los laboratorios y aplicaciones específicas de estos enfoques al estudio de la biología del desarrollo. ¡Como siempre, gracias por ver!

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