Novo atlas fornece insights sem precedentes sobre como os genes funcionam no desenvolvimento inicial do embrião
Esta galeria mostra uma coleção de embriões depois que os genes foram bloqueados, um de cada vez. Os resultados distintos (ou características observadas) para cada embrião refletem as funções específicas dos genes testados. Crédito:Rebecca Green, Oegema Lab, UC San Diego Embora o Projecto Genoma Humano tenha anunciado a sequenciação completa de 20.000 genes humanos há mais de 20 anos, os cientistas ainda estão a trabalhar para compreender como os seres totalmente formados emergem a partir de instruções genéticas básicas.
Os esforços biomédicos para aprender como as doenças podem ocorrer nos primeiros estágios de desenvolvimento beneficiariam se soubessem especificamente como os organismos complexos surgem a partir de uma única célula fertilizada. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em San Diego capturaram uma nova compreensão de como o desenvolvimento embrionário se desenvolve através das lentes de um organismo modelo simples.
O relatório abrangente liderado pela cientista da Escola de Ciências Biológicas Rebecca Green e pela professora Karen Oegema fornece uma descrição detalhada de como os genes funcionam durante o desenvolvimento embrionário em Caenorhabditis elegans (C. elegans), uma lombriga de um milímetro de comprimento conhecida pelos biólogos como "o minhoca." Apesar do seu pequeno tamanho, C. elegans tem sido um burro de carga para os cientistas porque grande parte da sua biologia, incluindo as fases iniciais de desenvolvimento, se assemelha à de organismos superiores, incluindo os humanos.
A pesquisa, que transforma o trabalho de uma década de uma equipe multidisciplinar colaborativa em um "atlas genético", foi publicada na revista Cell .
“Ao caracterizar muitos destes genes pouco compreendidos num organismo modelo simples, podemos aprender sobre o que eles estão a fazer em sistemas mais complexos como os humanos”, disse Green, cientista de bioinformática e primeiro autor do artigo. “Embora o trabalho seja feito usando C. elegans, a maioria dos genes analisados estão presentes em humanos e as mutações em muitos deles estão associadas a distúrbios do desenvolvimento humano”. Pesquisadores da Escola de Ciências Biológicas da UC San Diego desenvolveram um sistema automatizado para traçar o perfil da função dos genes necessários para a embriogênese, o processo pelo qual um O óvulo fertilizado, que começa como uma única célula, se desenvolve em um organismo com diferentes tecidos, como pele, trato digestivo, neurônios e músculos. Eles usaram imagens 4D de lapso de tempo para rastrear metodicamente a função de cada gene ao longo de todos os estágios embrionários, inclusive quando a identidade celular é determinada e quando os tecidos do organismo tomam forma. Os pesquisadores monitoraram esse processo usando uma abordagem conhecida como “visão computacional” para rastrear aspectos específicos do desenvolvimento após bloquear a função de um gene por vez. Estas medições incluíram o número de células em cada tecido, a posição do tecido e a forma do tecido. O algoritmo do computador foi capaz de “ver” quais genes tinham resultados medidos semelhantes e agrupá-los. Os investigadores prevêem que cada grupo representa uma coleção de genes que funcionam em conjunto para controlar etapas específicas do desenvolvimento embrionário. Crédito:Rebecca Green, Oegema Lab, UC San Diego Os pesquisadores desenvolveram um sistema automatizado para traçar o perfil da função dos genes necessários à embriogênese, processo pelo qual um óvulo fertilizado, que começa como uma única célula, se desenvolve em um organismo com diferentes tecidos, como pele, trato digestivo, neurônios e músculos. Eles usaram imagens 4D de lapso de tempo para rastrear metodicamente a função de cada gene ao longo de todos os estágios embrionários, inclusive quando a identidade celular é determinada e quando os tecidos do organismo tomam forma.
Os pesquisadores monitoraram esse processo usando uma abordagem conhecida como “visão computacional” para rastrear aspectos específicos do desenvolvimento, incluindo o número de células em cada tecido. Eles também rastrearam a massa, posição e formato dos tecidos do organismo em desenvolvimento.
Para compreender completamente a função de quase 500 genes importantes no desenvolvimento embrionário, eles bloquearam a função de cada gene, um de cada vez. Isto permitiu aos investigadores agrupar genes em grupos comuns que revelaram o papel de cada gene através da “culpa por associação”. Green compara o processo ao reconhecimento facial automatizado, no qual imagens com características que parecem semelhantes são agrupadas.
Ao utilizar este processo meticuloso para analisar uma coleção de quase 7.000 filmes de embriogénese 4D, a equipa conseguiu criar “impressões digitais” para genes individuais, como os necessários para que as células se transformem em músculo ou pele. Isso os ajudou a compreender os papéis fisiológicos que os genes desempenham na embriogênese, como controlar a formação de tecidos como o intestino ou o sistema nervoso.
"Mostramos que nossa abordagem classifica corretamente as funções de genes previamente caracterizados, identifica funções para genes mal caracterizados e descreve novas relações entre genes e vias", disse Oegema, membro do corpo docente do Departamento de Biologia Celular e do Desenvolvimento e autor sênior do artigo. "Descobrimos que muitos genes que pensávamos servirem a funções mundanas desempenhavam papéis importantes que eram subestimados."
Em conjunto com a Célula papel, a abundância de dados da pesquisa levou ao lançamento de um novo recurso online que abriga todas as informações. O PhenoBank agora oferece um portal para o atlas genético desenvolvido durante a pesquisa. A equipe de pesquisa incluiu (a partir da esquerda) Zhiling Zhao, Rebecca Green, Renat Khaliullin e Stacy Ochoa. Crédito:Rebecca Green, Oegema Lab, UC San Diego “A abordagem rendeu insights surpreendentes sobre como as vias metabólicas são especializadas durante a embriogênese e revelou novas conexões interessantes entre diferentes máquinas moleculares envolvidas na regulação genética”, disse o professor Arshad Desai, coautor do artigo.
Além dos 500 genes cobertos pela Célula estudo, os pesquisadores estão agora trabalhando para finalizar todo o conjunto de 2.000 genes de C. elegans que foram implicados na embriogênese.
“O amplo interesse reside na abordagem desenvolvida para enfrentar o problema provavelmente mais desafiador da biologia:como uma única célula com um genoma que contém aproximadamente 20.000 genes (semelhante ao número de genes em humanos) é capaz de construir um organismo inteiro”, ele disse.
Os autores do artigo incluem Rebecca Green, Renat Khaliullin, Zhiling Zhao, Stacy Ochoa, Jeffrey Hendel, Tiffany-Lynn Chow, HongKee Moon, Ronald Biggs, Arshad Desai e Karen Oegema. Os pesquisadores também agradecem a Tony Hyman e ao grupo de Computação Científica do Instituto Max Planck de Biologia Celular e Molecular e Genética (MPI-CBG) por facilitar a construção do PhenoBank.
