Aunque el Proyecto Genoma Humano anunció la secuenciación completa de 20.000 genes humanos hace más de 20 años, los científicos todavía están trabajando para comprender cómo surgen seres completamente formados a partir de instrucciones genéticas básicas.
Los esfuerzos biomédicos para aprender cómo los trastornos pueden arraigarse en las primeras etapas del desarrollo se beneficiarían si conocieran específicamente cómo surgen los organismos complejos a partir de una sola célula fertilizada. Investigadores de la Universidad de California en San Diego han captado una nueva comprensión de cómo se desarrolla el desarrollo embrionario a través de la lente de un organismo modelo simple.
El informe completo dirigido por la científica de la Facultad de Ciencias Biológicas Rebecca Green y la profesora Karen Oegema proporciona un detalle de cómo funcionan los genes durante el desarrollo embrionario en Caenorhabditis elegans (C. elegans), un gusano redondo de un milímetro de largo conocido por los biólogos como "el gusano." A pesar de su pequeño tamaño, C. elegans ha sido un caballo de batalla para los científicos porque gran parte de su biología, incluidas las primeras etapas de desarrollo, se parece a la de organismos superiores, incluidos los humanos.
La investigación, que reúne el trabajo de una década de un equipo multidisciplinario colaborativo en un "atlas genético", se publica en la revista Cell. .
"Al caracterizar muchos de estos genes poco comprendidos en un organismo modelo simple, podemos aprender qué están haciendo en sistemas más complejos como los humanos", dijo Green, científico en bioinformática y primer autor del artículo. "Aunque el trabajo se realiza utilizando C. elegans, la mayoría de los genes analizados están presentes en humanos y las mutaciones en muchos de ellos están asociadas con trastornos del desarrollo humano".
Los investigadores desarrollaron un sistema automatizado para perfilar la función de los genes necesarios para la embriogénesis, el proceso mediante el cual un óvulo fertilizado, que comienza como una sola célula, se desarrolla hasta convertirse en un organismo con diferentes tejidos, como piel, tracto digestivo, neuronas y músculos. Utilizaron imágenes 4D de lapso de tiempo para rastrear metódicamente la función de cada gen a lo largo de todas las etapas embrionarias, incluso cuando se determina la identidad celular y cuando toman forma los tejidos del organismo.
Los investigadores monitorearon este proceso utilizando un enfoque conocido como "visión por computadora" para rastrear aspectos específicos del desarrollo, incluida la cantidad de células en cada tejido. También rastrearon la masa, posición y forma de los tejidos dentro del organismo en desarrollo.
Para comprender completamente la función de casi 500 genes que son importantes en el desarrollo embrionario, bloquearon la función de cada gen, uno a la vez. Esto permitió a los investigadores agrupar genes en grupos comunes que revelaban el papel de cada gen a través de la "culpabilidad por asociación". Green compara el proceso con el reconocimiento facial automatizado, en el que se agrupan imágenes con características que parecen similares.
Al utilizar este meticuloso proceso para analizar una colección de casi 7.000 películas de embriogénesis en 4D, el equipo pudo crear "huellas dactilares" de genes individuales, como las necesarias para que las células se conviertan en músculo o piel. Esto les ayudó a comprender las funciones fisiológicas que desempeñan los genes en la embriogénesis, como controlar la formación de tejidos como el intestino o el sistema nervioso.
"Demostramos que nuestro enfoque clasifica correctamente las funciones de genes previamente caracterizados, identifica funciones de genes mal caracterizados y describe nuevas relaciones entre genes y vías", dijo Oegema, miembro de la facultad del Departamento de Biología Celular y del Desarrollo y autor principal del artículo. "Se descubrió que muchos genes que pensábamos que cumplían funciones mundanas tenían funciones importantes que fueron subestimadas".
En conjunto con la Célula En el artículo, la abundancia de datos de la investigación ha llevado al lanzamiento de un nuevo recurso en línea que alberga toda la información. PhenoBank ofrece ahora un portal al atlas genético desarrollado durante la investigación.
"El enfoque arrojó conocimientos sorprendentes sobre cómo se especializan las vías metabólicas durante la embriogénesis y reveló nuevas e interesantes conexiones entre diferentes máquinas moleculares implicadas en la regulación genética", afirmó el profesor Arshad Desai, coautor del artículo.
Más allá de los 500 genes cubiertos por la Célula estudio, los investigadores ahora están trabajando para terminar el conjunto completo de 2000 genes de C. elegans que han sido implicados en la embriogénesis.
"El gran interés radica en el enfoque desarrollado para abordar posiblemente el problema más desafiante de la biología:cómo una sola célula con un genoma que contiene aproximadamente 20.000 genes (similar a la cantidad de genes en los humanos) es capaz de construir un organismo completo". dijo.
Los autores del artículo incluyen a Rebecca Green, Renat Khaliullin, Zhiling Zhao, Stacy Ochoa, Jeffrey Hendel, Tiffany-Lynn Chow, HongKee Moon, Ronald Biggs, Arshad Desai y Karen Oegema. Los investigadores también agradecen a Tony Hyman y al grupo de Computación Científica del Instituto Max Planck de Biología y Genética Celular Molecular (MPI-CBG) por facilitar la construcción de PhenoBank.
Más información: Rebecca A. Green et al, Perfilado automatizado de la función genética durante el desarrollo embrionario, Cell (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.04.012
Información de la revista: Celda
Proporcionado por la Universidad de California - San Diego
