La expresión de genes espaciotemporales es la activación de genes dentro de tejidos específicos de un organismo en momentos específicos durante el desarrollo . Los patrones de activación genética varían ampliamente en complejidad. Algunas son sencillas y estáticas, como el patrón de la tubulina, que se expresa en todas las células en todo momento de la vida. Algunos, por otro lado, son extraordinariamente intrincados y difíciles de predecir y modelar, con expresión que fluctúa salvajemente de un minuto a otro o de una célula a otra. La variación espacio-temporal juega un papel clave en la generación de la diversidad de tipos de células.encontrado en organismos desarrollados; Dado que la identidad de una célula se especifica mediante la colección de genes expresados activamente dentro de esa célula, si la expresión génica fuera uniforme espacial y temporalmente, podría haber como máximo un tipo de célula.
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Considere el gen sin alas, un miembro de la familia de genes wnt . En el desarrollo embrionario temprano del organismo modelo Drosophila melanogaster , o mosca de la fruta, sin alas se expresa en casi todo el embrión en franjas alternas con tres células separadas. Este patrón se pierde en el momento en que el organismo se convierte en una larva, pero sin alas todavía se expresa en una variedad de tejidos, como los discos imaginales de las alas , parches de tejido que se convertirán en alas adultas. El patrón espacio-temporal de la expresión génica sin alas está determinado por una red de interacciones reguladoras que consisten en los efectos de muchos genes diferentes, como incluso-skipped y Krüppel.
¿Qué causa las diferencias espaciales y temporales en la expresión de un solo gen? Debido a que los patrones de expresión actuales dependen estrictamente de los patrones de expresión anteriores, existe un problema regresivo de explicar qué causó las primeras diferencias en la expresión génica. El proceso por el cual la expresión génica uniforme se vuelve espacial y temporalmente diferencial se conoce como ruptura de simetría . Por ejemplo, en el caso del desarrollo embrionario de Drosophila , los genes nanos y bicoide se expresan asimétricamente en el ovocito porque las células maternas depositan ARN mensajero (ARNm) para estos genes en los polos del huevo antes de su puesta .
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Identificar patrones espacio-temporales
Una forma de identificar el patrón de expresión de un gen en particular es colocar un gen indicador aguas abajo de su promotor. En esta configuración, el gen promotor hará que el gen informador se exprese solo donde y cuando se exprese el gen de interés. La distribución de expresión del gen indicador se puede determinar visualizándolo. Por ejemplo, la proteína fluorescente verde del gen reportero se puede visualizar estimulándola con luz azul y luego usando una cámara digital para registrar la emisión fluorescente verde .
Si se desconoce el promotor del gen de interés, existen varias formas de identificar su distribución espacio-temporal. La inmunohistoquímica implica la preparación de un anticuerpo con afinidad específica por la proteína asociada con el gen de interés. Esta distribución de este anticuerpo puede visualizarse luego mediante una técnica como el marcaje fluorescente. La inmunohistoquímica tiene las ventajas de ser metodológicamente viable y relativamente económica. Sus desventajas incluyen la falta de especificidad del anticuerpo que conduce a una identificación falsa positiva de la expresión. La escasa penetración del anticuerpo en el tejido diana puede dar lugar a resultados falsos negativos . Además, dado que la inmunohistoquímica visualiza la proteína generada por el gen, si el producto proteico se difunde entre las células o tiene una semivida particularmente corta o larga en relación con el ARNm que se utiliza para traducir la proteína, esto puede conducir a una interpretación distorsionada de cuál las células expresan el ARNm .
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La hibridación in situ es un método alternativo en el quese añade al tejidouna "sonda", un ácido nucleico sintéticocon una secuencia complementaria al ARNm del gen. Luego, esta sonda se etiqueta químicamente para que pueda visualizarse más tarde. Esta técnica permite la visualización específicamente de células productoras de ARNm sin ninguno de los artefactos asociados con la inmunohistoquímica. Sin embargo, es notoriamente difícil y requiere el conocimiento de la secuencia de ADN correspondiente al gen de interés.
Un método llamado cribado de trampas potenciadoras revela la diversidad de patrones de expresión génica espacio-temporal posibles en un organismo. En esta técnica, el ADN que codifica un gen indicador se inserta aleatoriamente en el genoma. Dependiendo de los promotores de genes próximos al punto de inserción, el gen indicador se expresará en tejidos particulares en puntos particulares del desarrollo. Si bien los patrones de expresión derivados de trampas de potenciadores no reflejan necesariamente los patrones reales de expresión de genes específicos, revelan la variedad de patrones espacio-temporales que son accesibles a la evolución.
Los genes indicadores pueden visualizarse en organismos vivos, pero tanto la inmunohistoquímica como la hibridación in situ deben realizarse en tejidos fijados . Las técnicas que requieren la fijación de tejido solo pueden generar un único punto temporal por organismo individual. Sin embargo, el uso de animales vivos en lugar de tejido fijo puede ser crucial para comprender dinámicamente los patrones de expresión a lo largo de la vida de un individuo. De cualquier manera, la variación entre individuos puede confundir la interpretación de los patrones de expresión temporal.
Métodos para controlar la expresión génica espacio-temporal
Se están buscando varios métodos para controlar la expresión génica espacial, temporal y en diferentes grados. Un método consiste en utilizar un sistema inductor / represor de operón que proporciona un control temporal de la expresión génica. Para controlar espacialmente la expresión génica, se están desarrollando impresoras de chorro de tinta para imprimir ligandos en cultivo en gel. [1] Otro método popular implica el uso de luz para controlar la expresión génica en forma espacio-temporal. Dado que la luz también se puede controlar fácilmente en el espacio, el tiempo y el grado, se han desarrollado y están en estudio varios métodos para controlar la expresión génica a nivel de ADN y ARN [2] . Por ejemplo, la interferencia de ARN se puede controlar usando luz [3] [4] y también se ha realizado un patrón de expresión génica en monocapa celular [5] y en embriones de pez cebra usando morfolino enjaulado [6] o ácido nucleico peptídico [7] [8 ] [9] demostrando el control de la expresión génica espaciotemporalmente. Recientemente se ha demostrado un control basado en la luz a nivel de ADN utilizando un sistema basado en transgenes [10] o oligos formadores de triplex enjaulados [11]
Referencias
- ^ Cohen, DJ; Morfino, RC; Maharbiz, MM (2009). "Una inyección de tinta de consumo modificada para el control espacio-temporal de la expresión génica" . PLOS ONE . 4 (9): e7086. doi : 10.1371 / journal.pone.0007086 . PMC 2739290 . PMID 19763256 .
- ^ Ando, Hideki; Furuta, Toshiaki; Tsien, Roger Y .; Okamoto, Hitoshi (2001). "Activación de genes fotomediada utilizando ARN / ADN enjaulado en embriones de pez cebra". Genética de la naturaleza . 28 (4): 317–325. doi : 10.1038 / ng583 . PMID 11479592 . S2CID 6773535 .
- ^ Shah, Samit; Rangarajan, Subhashree; Friedman, Simon H. (2005). "Interferencia de ARN activada por luz". Angewandte Chemie International Edition . 44 (9): 1328-1332. doi : 10.1002 / anie.200461458 . PMID 15643658 .
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- ^ Jain, Piyush K .; Shah, Samit; Friedman, Simon H. (2011). "Patrón de expresión génica utilizando nuevos grupos fotolábiles aplicados a ARNi activado por luz" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 133 (3): 440–446. doi : 10.1021 / ja107226e . PMID 21162570 . S2CID 207058522 .
- ^ Shestopalov, Ilya A; Chen, James K (2011). Control espacio-temporal de la expresión de genes embrionarios utilizando morfolinos enjaulados . Métodos en biología celular . 104 . págs. 151–72. doi : 10.1016 / B978-0-12-374814-0.00009-4 . ISBN 9780123748140. PMC 4408312 . PMID 21924162 .
- ^ Tang, XinJing; Maegawa, Shingo; Weinberg, Eric S .; Dmochowski, Ivan J. (2007). "Regulación de la expresión génica en embriones de pez cebra utilizando ácidos nucleicos peptídicos cargados negativamente activados por luz". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 129 (36): 11000–11001. doi : 10.1021 / ja073723s . PMID 17711280 .
- ^ Alexander Heckel, Günter Mayer, "La biología química de los ácidos nucleicos", Capítulo 13. Ácidos nucleicos sensibles a la luz para el control espacio-temporal de procesos biológicos. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470664001.ch13/summary
- ^ Govan, J. M; Deiters (2012) "Activación y desactivación de la función de interferencia antisentido y de ARN con la luz A. De las secuencias de ácidos nucleicos a la medicina molecular (eds VA Erdmann y J. Barciszewski)", Springer, Heidelberg, https://doi.org/10.1007% 2F978-3-642-27426-8_11
- ^ Wang, X; Chen, X; Yang, Y (2012). "Control espacio-temporal de la expresión génica mediante un sistema transgénico conmutable por luz" . Métodos Nat . 9 (3): 266–9. doi : 10.1038 / nmeth.1892 . PMID 22327833 . S2CID 26529717 .
- ^ Govan, Jeane M .; Uprety, Rajendra; Hemphill, James; Animado, Mark O .; Deiters, Alexander (2012). "Regulación de la transcripción a través de la activación por luz y la desactivación por luz de oligonucleótidos formadores de triplex en células de mamíferos" . ACS Chem. Biol . 7 (7): 1247-1256. doi : 10.1021 / cb300161r . PMC 3401312 . PMID 22540192 .
enlaces externos
- Informe FlyBase de expresión sin alas en moscas de la fruta
- Examinar patrones de expresión génica espacio-temporal organizados por número de cromosomas humanos
- Expresión de genes espaciotemporales en Genevestigator
- Búsqueda de genes de mamíferos con patrones de expresión particulares
- Patrones de expresión durante la embriogénesis de Drosophila inferidos por hibridación in situ