Nyt atlas giver hidtil uset indsigt i, hvordan gener fungerer i tidlig embryoudvikling

Forskerne udviklede et automatiseret system til profilering af funktionen af ​​gener, der kræves til embryogenese, den proces, hvorved et befrugtet æg, der starter som en enkelt celle, udvikler sig til en organisme med forskellige væv, såsom hud, fordøjelseskanal, neuroner og muskler. De brugte time-lapse 4D-billeddannelse til metodisk at spore funktionen af ​​hvert gen gennem alle embryonale stadier, inklusive når celleidentiteten bestemmes, og når vævene i organismen tager form.

Forskerne overvågede denne proces ved hjælp af en tilgang kendt som "computer vision" til at spore specifikke aspekter af udvikling, herunder antallet af celler i hvert væv. De sporede også massen, positionen og formen af ​​vævene i den udviklende organisme.

For fuldt ud at forstå funktionen af ​​næsten 500 gener, der er vigtige i embryonal udvikling, blokerede de funktionen af ​​hvert gen, et ad gangen. Dette gjorde det muligt for forskerne at gruppere gener i fælles klynger, der afslørede hvert gens rolle gennem "guilt by association." Grøn sammenligner processen med automatiseret ansigtsgenkendelse, hvor billeder med funktioner, der ligner hinanden, grupperes sammen.

Ved at bruge denne omhyggelige proces til at analysere en samling af næsten 7.000 4D embryogenesefilm, var holdet i stand til at skabe "fingeraftryk" for individuelle gener, såsom dem, der kræves for, at celler kan blive til muskler eller hud. Dette hjalp dem med at forstå de fysiologiske roller, som generne spiller i embryogenese, såsom at kontrollere dannelsen af ​​væv som tarmen eller nervesystemet.

"Vi viser, at vores tilgang korrekt klassificerer funktionerne af tidligere karakteriserede gener, identificerer funktioner for dårligt karakteriserede gener og beskriver nye gen- og pathway-forhold," sagde Oegema, et fakultetsmedlem i Institut for Celle- og Udviklingsbiologi og avisens seniorforfatter. "Mange gener, som vi troede tjente verdslige funktioner, viste sig at have vigtige roller, der blev undervurderet."

I forbindelse med Cellen papir, har overfloden af ​​data fra forskningen ført til lanceringen af ​​en ny onlineressource, der rummer al information. PhenoBank tilbyder nu en portal til det genetiske atlas udviklet under forskningen.

"Tilgangen gav overraskende indsigt i, hvordan metaboliske veje er specialiserede under embryogenese og afslørede interessante nye forbindelser mellem forskellige molekylære maskiner involveret i genregulering," sagde professor Arshad Desai, en medforfatter til papiret.

Ud over de 500 gener, der er dækket af Cellen undersøgelse, arbejder forskerne nu på at færdiggøre hele sættet af 2.000 C. elegans gener, der har været impliceret i embryogenese.

"Den brede interesse ligger i den tilgang, der er udviklet til at tackle det velsagtens mest udfordrende problem inden for biologi:hvordan en enkelt celle med et genom, der indeholder cirka 20.000 gener (svarende til antallet af gener i mennesker) er i stand til at bygge en hel organisme." sagde han.

Forfattere af papiret omfatter Rebecca Green, Renat Khaliullin, Zhiling Zhao, Stacy Ochoa, Jeffrey Hendel, Tiffany-Lynn Chow, HongKee Moon, Ronald Biggs, Arshad Desai og Karen Oegema. Forskerne takker også Tony Hyman og Scientific Computing-gruppen ved Max Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics (MPI-CBG) for at lette PhenoBank-opbygningen.

Flere oplysninger: Rebecca A. Green et al., Automatiseret profilering af genfunktion under embryonal udvikling, Celle (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.04.012

Journaloplysninger: Celle

Leveret af University of California - San Diego