Новое исследование указывает на важную роль материнского наследуемого гена в эмбриональном развитии. Исследование показало, что у рыбок данио, которым не удалось унаследовать определенные генетические инструкции от матери, на более ранних этапах развития развились фатальные дефекты, даже если рыба могла создать свою собственную версию гена. Исследование ученых из Принстонского университета было опубликовано 15 ноября в журнале eLife..
Когда самки животных формируют яйцеклетки внутри своих яичников, они откладывают информационные РНК (мРНК) - своего рода набор генетических инструкций - в цитоплазме яйцеклетки. После оплодотворения эти материнские мРНК могут транслироваться в белки, необходимые для ранних стадий эмбрионального развития, прежде чем эмбрион сможет производить собственные мРНК и белки.
Более тридцати лет назад исследователи обнаружили, что мРНК, кодирующие белок под названием Vg1, откладываются в цитоплазме яиц лягушек. «vg1 известна как одна из первых признанных материнских мРНК», - сказала Ребекка Бурдин, доцент кафедры молекулярной биологии в Принстоне. «Было написано множество статей о том, как эта РНК локализована и регулируется, но никогда не было ясно, что на самом деле делает белок Vg1 в развивающемся эмбрионе».
В ходе исследования Бурдин и два аспиранта Хосе Пелличча и Грантон Джиндал использовали редактирование гена CRISPR/Cas9 для удаления Vg1, известного как Gdf3, у рыбок данио. Эмбрионы, которые не могли производить собственный Gdf3, но получили здоровую часть мРНК gdf3 от своих матерей, развивались совершенно нормально. Но эмбрионы, которые не получили материнскую мРНК gdf3, обнаруживали серьезные дефекты на ранних этапах своего развития и умирали всего через три дня после оплодотворения..
«Если мать не снабжает яйцеклетку gdf3, оплодотворенная яйцеклетка не может производить два из трех основных типов клеток, необходимых для развития», - сказал Бурдин. «У эмбрионов отсутствуют все [типы клеток, известные как] мезодерма и энтодерма, и остается кожа и некоторое количество нервной ткани, [которые происходят из третьего основного типа клеток, эктодермы].»
Vg1/Gdf3 является членом семейства сигнальных молекул TGF-бета. Два других члена этого семейства, Ndr1 и Ndr2, необходимы для формирования мезодермы и энтодермы на ранних стадиях развития рыбок данио. Эмбрионы, лишенные материнского gdf3, очень похожи на эмбрионы, лишенные обоих этих белков, которые аналогичны белкам Nodal 1 и 2 у млекопитающих.
Исследователи обнаружили, что материнский gdf3 необходим для того, чтобы Ndr1 и Ndr2 передавали сигналы на уровнях, необходимых для надлежащего формирования клеток мезодермы и энтодермы у ранних эмбрионов рыбок данио. В отсутствие gdf3 передача сигналов Ndr1 и Ndr2 резко снижается, и эмбриональное развитие нарушается.
Nodal signaling также необходим позже в развитии рыбок данио, когда он помогает установить различия между левой и правой сторонами развивающегося эмбриона. Частично он делает это, направляя формирование органа, известного как пузырек Купфера, чья асимметричная форма помогает определить левую и правую стороны эмбриона. Впоследствии передача сигналов Nodal индуцирует экспрессию третьего белка Nodal, называемого левшой, в группе клеток мезодермы на левой стороне эмбриона.
Чтобы выяснить, играет ли материнская мРНК gdf3 также роль в формировании лево-правого паттерна, исследователи использовали серию экспериментальных приемов, чтобы снабдить эмбрионы достаточным количеством белка Gdf3 для формирования мезодермы и энтодермы и выживания до более поздних стадий развития. эмбриональное развитие.
Как и предсказывалось, у этих эмбрионов были обнаружены дефекты в формировании лево-правого паттерна. Их везикулы Kupffer'а были аномально симметричны по форме, и экспрессия левши была значительно снижена, указывая на то, что gdf3 также необходим для оптимальной передачи сигналов Nodal на более поздних стадиях эмбрионального развития. Однако на этой стадии эмбриональный gdf3, по-видимому, способен выполнять эту работу, если отсутствует материнский gdf3.
Известно, что белки Nodal и Vg1 связываются друг с другом у других видов. «Таким образом, мы предполагаем, что Gdf3 объединяется с Ndr1 и Ndr2, чтобы облегчить передачу сигналов Nodal во время развития рыбок данио, действуя как важный фактор в формировании эмбрионального паттерна», - сказал Пелличча, аспирант в области молекулярной биологии. Соавтор Джиндал получил докторскую степень. в химической и биологической инженерии в 2017 году.
В то же время, что и Бурдин и его коллеги, две другие исследовательские группы, возглавляемые Джо Йостом из Университета Юты и Алексом Широм из Гарвардского университета, сделали аналогичные выводы о роли gdf3 в развитии рыбок данио. «Все три группы работали вместе над совместной подачей и совместной публикацией в eLife, что позволило всем вовлеченным студентам получить признание за их тяжелую работу», - сказал Бурдин.«Это отличный пример того, как следует заниматься наукой».
Исследование финансировалось Национальным институтом детского здоровья и развития человека им. Юнис Кеннеди Шрайвер (грант R01HD048584) и Национальным научным фондом (стипендия для выпускников DGE 1148900).