Entwicklungsbiologen kartieren zum ersten Mal Multi-Gen-Aktivitäts-Hotspots in sich entwickelnden Embryonen

Jahrelange Arbeit von Entwicklungsbiologen des Trinity College Dublin in Zusammenarbeit mit Kollegen der MRC Human Genetics Unit der University of Edinburgh hat eine Ressource hervorgebracht, die Forschern helfen wird zu beurteilen, wie Schlüsselgene die Differenzierung von Geweben und Organen sich entwickelnder Embryonen steuern.

Das kollaborative Team, das die Arbeit gerade in der Zeitschrift veröffentlicht hat, Entwicklunganalysierten diese Schlüsselgene, ihre Kommunikationsverbindungen und ihre Auswirkungen im 3D-Raum des Mausembryos über mehrere Entwicklungsstadien hinweg.

Wir haben uns mit Professorin Paula Murphy von der Trinity School of Natural Sciences zusammengesetzt, um mehr über die Forschung und ihre weiteren Auswirkungen zu erfahren.

Welchen Sprung nach vorne hat diese Arbeit gemacht?

Bestimmte Gene und Gennetzwerke spielen eine wichtige Rolle dabei, wie sich ein Embryo entwickelt, wie sich verschiedene Zelltypen (Muskel, Knochen, Neuron) bilden und wo Organe entstehen. Seit einigen Jahrzehnten können wir mithilfe molekularbiologischer Techniken herausfinden, wo und wann eines dieser „Wnt-Gene“ angeschaltet wird, was uns hilft zu verstehen, wie es die Embryonalentwicklung steuert.

Die Technik müsste für jedes Gen einzeln durchgeführt werden, um einen „Schnappschuss“ davon zu erhalten, wo es zu einem bestimmten Zeitpunkt im 3D-Embryoraum exprimiert wird. Was wir hier erreicht haben, ist die schwierige Aufgabe, diese räumlichen Datenschnappschüsse für viele Gene zu kartieren, zu integrieren und zu vergleichen, wo jedes Gen innerhalb des sich entwickelnden Embryos eingeschaltet wird. Die Entwicklung der Werkzeuge, um dies tun zu können, war eine große Errungenschaft für unsere Kollegen aus der Computerbiologie beim Edinburgh Mouse Atlas-Projekt.

Waren Sie von irgendetwas, das Sie entdeckt haben, überrascht?

Dieser Ansatz ermöglichte es uns, eine Reihe von Entdeckungen zu machen, die ohne die Integration (Mapping) aller Muster nicht möglich gewesen wären. Wir könnten zum Beispiel aufdecken, wo der Weg stumm ist, weil die eine oder andere Komponente nicht aktiviert ist.

Die wohl neuste Erkenntnis war, dass es im Embryo „Hot Spots“ gibt, an denen sehr viele dieser Gene zusammen angeschaltet sind. Einige dieser Hot Spots sind bekannt dafür, dass sie die Position wichtiger Zellgruppen sind, die die Entwicklung steuern, aber einige waren zuvor unbekannt und enthüllen zuvor unsichtbare Signalzentren im Embryo.

Welche andere(n) Forschungsfrage(n) können Entwicklungsbiologen nun stellen?

Begleitend zu dieser Veröffentlichung haben wir alle Roh- und Kartierungsdaten sowie die Werkzeuge zu ihrer Visualisierung frei verfügbar gemacht, damit jeder Entwicklungsbiologe Fragen zu diesem Zellkommunikationssystem in jedem Teil des Embryos stellen kann. Kollegen, die sich beispielsweise für die Nieren- oder Gehirnentwicklung interessieren, können sich im Detail mit den angeschalteten Systemkomponenten in diesem Teil des Embryos befassen.

Wir und andere können diese Daten nun auch nutzen, um Fragen zur Entwicklung des Systems zu stellen. Zum Beispiel gibt es 19 sehr ähnliche Gene in einer Maus und einem Menschen. Diese multiplen Gene sind vor sehr langer Zeit durch Genduplikation entstanden. Wir können nun untersuchen, wie sich die Gene divergiert haben und während der Entwicklung eines komplexen vielzelligen Embryos jeweils einzigartige Funktionen übernommen haben.

Was sind die nächsten Schritte für Ihr Team?

Wir führen derzeit eine gezielte Analyse des integrierten Datensatzes in den sich entwickelnden Extremitätenknospen durch, um besser zu verstehen, wie das Zellkommunikationssystem in der Extremität funktioniert. Wir freuen uns auch darauf zu sehen, wie die Daten von Kollegen mit unterschiedlichen Fachinteressen verwendet werden, um unser Verständnis aller sich entwickelnden Systeme zu erweitern.