Obwohl im Rahmen des Humangenomprojekts bereits vor über 20 Jahren die vollständige Sequenzierung von 20.000 menschlichen Genen bekannt gegeben wurde, arbeiten Wissenschaftler noch immer daran, zu verstehen, wie aus grundlegenden genetischen Anweisungen vollständig ausgebildete Lebewesen entstehen.
Biomedizinische Bemühungen, herauszufinden, wie sich Störungen in den frühesten Entwicklungsstadien entwickeln können, wären von einem spezifischen Wissen darüber, wie aus einer einzigen befruchteten Zelle komplexe Organismen entstehen, profitieren. Forscher der University of California San Diego haben anhand eines einfachen Modellorganismus ein neues Verständnis davon gewonnen, wie sich die Embryonalentwicklung entwickelt.
Der umfassende Bericht unter der Leitung der Wissenschaftlerin Rebecca Green von der School of Biological Sciences und der Professorin Karen Oegema beschreibt Schritt für Schritt, wie Gene während der Embryonalentwicklung bei Caenorhabditis elegans (C. elegans) funktionieren, einem Millimeter langen Spulwurm, der unter Biologen als „der Wurm“ bekannt ist. Trotz seiner geringen Größe ist C. elegans ein Arbeitspferd für Wissenschaftler, da seine Biologie, einschließlich der frühen Entwicklungsstadien, in so großem Maße der von höheren Organismen, einschließlich des Menschen, ähnelt.
Die Forschung, die die Arbeit eines kollaborativen multidisziplinären Teams aus einem Jahrzehnt in einen „genetischen Atlas“ bündelt, ist veröffentlicht im Tagebuch Zelle.
„Indem wir viele dieser kaum verstandenen Gene in einem einfachen Modellorganismus charakterisieren, können wir lernen, was sie in komplexeren Systemen wie dem Menschen tun“, sagte Green, ein Bioinformatiker und Erstautor der Arbeit. „Während die Arbeit mit C. elegans durchgeführt wird, sind die meisten analysierten Gene beim Menschen vorhanden und Mutationen in vielen von ihnen stehen im Zusammenhang mit menschlichen Entwicklungsstörungen.“
Forscher der UC San Diego School of Biological Sciences haben ein automatisiertes System zur Profilierung der Funktion von Genen entwickelt, die für die Embryogenese erforderlich sind. Dabei handelt es sich um den Prozess, durch den sich eine befruchtete Eizelle, die als einzelne Zelle beginnt, zu einem Organismus mit verschiedenen Geweben wie Haut und Verdauungsgewebe entwickelt Trakt, Neuronen und Muskeln. Sie verwendeten 4D-Zeitraffer-Bildgebung, um die Funktion jedes Gens in allen Embryonalstadien methodisch zu verfolgen, einschließlich der Bestimmung der Zellidentität und der Formbildung der Gewebe im Organismus. Die Forscher überwachten diesen Prozess mithilfe eines als „Computer Vision“ bekannten Ansatzes, um bestimmte Aspekte der Entwicklung zu verfolgen, nachdem jeweils die Funktion eines Gens blockiert wurde. Zu diesen Messungen gehörten die Anzahl der Zellen in jedem Gewebe, die Gewebeposition und die Gewebeform. Der Computeralgorithmus war in der Lage zu „sehen“, welche Gene ähnliche gemessene Ergebnisse hatten, und sie zu gruppieren. Die Forscher sagen voraus, dass jede Gruppe eine Ansammlung von Genen darstellt, die zusammenarbeiten, um bestimmte Schritte in der Embryonalentwicklung zu steuern. Bildnachweis: Rebecca Green, Oegema Lab, UC San Diego
Die Forscher entwickelten ein automatisiertes System zur Profilierung der Funktion von Genen, die für die Embryogenese erforderlich sind. Dabei handelt es sich um den Prozess, bei dem sich eine befruchtete Eizelle, die als einzelne Zelle beginnt, zu einem Organismus mit verschiedenen Geweben wie Haut, Verdauungstrakt, Neuronen und Muskeln entwickelt. Sie verwendeten 4D-Zeitrafferbilder, um die Funktion jedes Gens in allen Embryonalstadien systematisch zu verfolgen, einschließlich der Bestimmung der Zellidentität und der Entstehung der Gewebe im Organismus.
Die Forscher überwachten diesen Prozess mithilfe eines Ansatzes namens „Computer Vision“, um bestimmte Aspekte der Entwicklung zu verfolgen, darunter die Anzahl der Zellen in jedem Gewebe. Sie verfolgten auch die Masse, Position und Form der Gewebe innerhalb des sich entwickelnden Organismus.
Um die Funktion von fast 500 Genen, die für die Embryonalentwicklung wichtig sind, vollständig zu verstehen, blockierten sie die Funktion jedes Gens einzeln. Dies ermöglichte es den Forschern, Gene in gemeinsame Cluster zu gruppieren, die die Rolle jedes Gens durch „Schuld durch Assoziation“ offenlegten. Green vergleicht den Prozess mit der automatisierten Gesichtserkennung, bei der Bilder mit ähnlich erscheinenden Merkmalen gruppiert werden.
Durch die Verwendung dieses sorgfältigen Prozesses zur Analyse einer Sammlung von fast 7.000 4D-Embryogenesefilmen konnte das Team „Fingerabdrücke“ für einzelne Gene erstellen, beispielsweise für diejenigen, die erforderlich sind, damit Zellen zu Muskeln oder Haut werden. Dies half ihnen, die physiologische Rolle zu verstehen, die die Gene bei der Embryogenese spielen, beispielsweise die Steuerung der Bildung von Geweben wie dem Darm oder dem Nervensystem.
„Wir zeigen, dass unser Ansatz die Funktionen zuvor charakterisierter Gene richtig klassifiziert, Funktionen für schlecht charakterisierte Gene identifiziert und neue Gen- und Pfadbeziehungen beschreibt“, sagte Oegema, Fakultätsmitglied der Abteilung für Zell- und Entwicklungsbiologie und Hauptautor der Studie. „Viele Gene, von denen wir dachten, sie hätten banale Funktionen, haben wichtige Rollen, die unterschätzt wurden, wie sich herausstellte.“
In Verbindung mit Zelle In diesem Artikel hat die Fülle an Daten aus der Forschung zur Einführung einer neuen Online-Ressource geführt, die alle Informationen enthält. PhenoBank bietet nun ein Portal zum im Rahmen der Forschung entwickelten genetischen Atlas an.
„Der Ansatz führte zu überraschenden Erkenntnissen über die Spezialisierung metabolischer Wege während der Embryogenese und enthüllte interessante neue Verbindungen zwischen verschiedenen molekularen Maschinen, die an der Genregulation beteiligt sind“, sagte Professor Arshad Desai, einer der Co-Autoren der Studie.
Über die 500 Gene hinaus, die in der Zelle Studie arbeiten die Forscher nun daran, den gesamten Satz von 2.000 C. elegans-Genen fertigzustellen, die an der Embryogenese beteiligt sind.
„Das große Interesse gilt dem Ansatz, der entwickelt wurde, um das wohl schwierigste Problem der Biologie anzugehen: Wie kann eine einzelne Zelle mit einem Genom, das etwa 20.000 Gene enthält (ähnlich der Anzahl der Gene beim Menschen), einen vollständigen Organismus aufbauen“, sagte er.
Zu den Autoren des Artikels gehören Rebecca Green, Renat Khaliullin, Zhiling Zhao, Stacy Ochoa, Jeffrey Hendel, Tiffany-Lynn Chow, HongKee Moon, Ronald Biggs, Arshad Desai und Karen Oegema. Die Forscher danken außerdem Tony Hyman und der Scientific Computing-Gruppe am Max-Planck-Institut für molekulare Zellbiologie und Genetik (MPI-CBG) für die Unterstützung beim Aufbau der PhenoBank.
Mehr Informationen:
Rebecca A. Green et al, Automatisiertes Profiling der Genfunktion während der Embryonalentwicklung, Zelle (2024). DOI: 10.1016/j.cell.2024.04.012