Sebbene il Progetto Genoma Umano abbia annunciato più di 20 anni fa il completamento del sequenziamento di 20.000 geni umani, gli scienziati stanno ancora lavorando per comprendere come gli esseri completamente formati emergano dalle istruzioni genetiche di base.
Gli sforzi biomedici per comprendere come i disturbi possano manifestarsi nelle prime fasi dello sviluppo trarrebbero beneficio dalla conoscenza specifica di come gli organismi complessi nascono da una singola cellula fecondata. I ricercatori dell'Università della California a San Diego sono riusciti a ottenere una nuova comprensione del modo in cui si svolge lo sviluppo embrionale attraverso la lente di un semplice organismo modello.
Il rapporto completo condotto dalla scienziata della School of Biological Sciences Rebecca Green e dalla professoressa Karen Oegema fornisce un resoconto di come i geni funzionano durante lo sviluppo embrionale nel Caenorhabditis elegans (C. elegans), un nematode lungo un millimetro noto ai biologi come "il verme." Nonostante le sue piccole dimensioni, C. elegans è stato un cavallo di battaglia per gli scienziati perché gran parte della sua biologia, comprese le prime fasi di sviluppo, somiglia a quella di organismi superiori, compresi gli esseri umani.
La ricerca, che fonde il lavoro di un decennio di un team multidisciplinare collaborativo in un "atlante genetico", è pubblicata sulla rivista Cell .
"Caratterizzando molti di questi geni poco conosciuti in un organismo modello semplice, possiamo scoprire cosa fanno in sistemi più complessi come gli esseri umani", ha affermato Green, scienziato bioinformatico e primo autore dell'articolo. "Anche se il lavoro viene svolto utilizzando C. elegans, la maggior parte dei geni analizzati sono presenti negli esseri umani e le mutazioni in molti di essi sono associate a disturbi dello sviluppo umano."
I ricercatori hanno sviluppato un sistema automatizzato per delineare la funzione dei geni necessari per l’embriogenesi, il processo mediante il quale un ovulo fecondato, che inizia come una singola cellula, si sviluppa in un organismo con tessuti diversi, come pelle, tratto digestivo, neuroni e muscoli. Hanno utilizzato l'imaging 4D time-lapse per monitorare metodicamente la funzione di ciascun gene in tutti gli stadi embrionali, compreso quando viene determinata l'identità cellulare e quando i tessuti dell'organismo prendono forma.
I ricercatori hanno monitorato questo processo utilizzando un approccio noto come “visione computerizzata” per monitorare aspetti specifici dello sviluppo, compreso il numero di cellule in ciascun tessuto. Hanno anche monitorato la massa, la posizione e la forma dei tessuti all'interno dell'organismo in via di sviluppo.
Per comprendere appieno la funzione di quasi 500 geni importanti nello sviluppo embrionale, hanno bloccato la funzione di ciascun gene, uno alla volta. Ciò ha permesso ai ricercatori di raggruppare i geni in gruppi comuni che hanno rivelato il ruolo di ciascun gene attraverso il “senso di colpa per associazione”. Green paragona il processo al riconoscimento facciale automatizzato, in cui le immagini con caratteristiche che sembrano simili vengono raggruppate insieme.
Utilizzando questo meticoloso processo per analizzare una raccolta di quasi 7.000 filmati di embriogenesi in 4D, il team è stato in grado di creare "impronte digitali" per i singoli geni, come quelle necessarie affinché le cellule diventino muscoli o pelle. Ciò li ha aiutati a comprendere i ruoli fisiologici che i geni svolgono nell'embriogenesi, come il controllo della formazione di tessuti come l'intestino o il sistema nervoso.
"Abbiamo dimostrato che il nostro approccio classifica correttamente le funzioni di geni precedentemente caratterizzati, identifica funzioni per geni scarsamente caratterizzati e descrive nuove relazioni tra geni e percorsi", ha affermato Oegema, membro della facoltà del Dipartimento di Biologia Cellulare e dello Sviluppo e autore senior dell'articolo. "Molti geni che pensavamo svolgessero funzioni banali si è scoperto che avevano ruoli importanti che erano sottovalutati."
Insieme alla Cella articolo, l’abbondanza di dati della ricerca ha portato al lancio di una nuova risorsa online che ospita tutte le informazioni. PhenoBank offre ora un portale per l'atlante genetico sviluppato durante la ricerca.
"L'approccio ha prodotto intuizioni sorprendenti su come le vie metaboliche si specializzano durante l'embriogenesi e ha rivelato nuove interessanti connessioni tra le diverse macchine molecolari coinvolte nella regolazione genetica", ha affermato il professor Arshad Desai, coautore dell'articolo.
Oltre i 500 geni coperti nella Cella studio, i ricercatori stanno ora lavorando per completare l'intero set di 2.000 geni di C. elegans che sono stati implicati nell'embriogenesi.
"L'interesse generale risiede nell'approccio sviluppato per affrontare probabilmente il problema più impegnativo in biologia:come una singola cellula con un genoma che contiene circa 20.000 geni (simile al numero di geni negli esseri umani) sia in grado di costruire un intero organismo", ha detto.
Gli autori dell'articolo includono Rebecca Green, Renat Khaliullin, Zhiling Zhao, Stacy Ochoa, Jeffrey Hendel, Tiffany-Lynn Chow, HongKee Moon, Ronald Biggs, Arshad Desai e Karen Oegema. I ricercatori ringraziano anche Tony Hyman e il gruppo di calcolo scientifico dell'Istituto Max Planck di biologia cellulare e genetica molecolare (MPI-CBG) per aver facilitato la creazione di PhenoBank.
Ulteriori informazioni: Rebecca A. Green et al, Profilazione automatizzata della funzione genetica durante lo sviluppo embrionale, Cell (2024). DOI:10.1016/j.cell.2024.04.012
Informazioni sul giornale: Cella
Fornito dall'Università della California - San Diego
