Плодовые мушки делают скупых матерей, передавая лишь часть генетических строительных блоков, необходимых их потомству для выживания. Остальное должно производиться оплодотворенной яйцеклеткой на первых этапах ее роста.
Ученые два десятилетия ломали голову над этим, казалось бы, ненужным утаиванием. Теперь исследователи из Принстонского университета показали, что механизм ингибирования, контролируемый ферментом, известным как RNR, на самом деле является ключом к выживанию эмбриона. Слишком много материала на раннем этапе приводит к катастрофе для молодой формы жизни.
«Это исследование показывает нам, насколько хрупким может быть развитие», - сказал Станислав Шварцман, профессор химической и биологической инженерии Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера в Принстоне. «Мы задали вопрос: «Почему мать должна быть такой бережливой?» Эта проблема побудила Шварцмана проверить, что происходит, когда эмбрион наследует множество этих строительных блоков. Ответ был некрасивым. «Мы поняли, что если вы не ограничиваете поставку, вы создаете временной конфликт, который нарушает несколько процессов в эмбрионе», - сказал он.
В исследовании, опубликованном в журнале Current Biology 14 марта, ученые отслеживали эмбриональное развитие двух групп мух: одну с нормальным запасом строительных блоков ДНК, известных как нуклеотиды, а другую примерно в 10 раз больше. количество. Результаты показали, что, когда эмбриону с самого начала было доступно больше нуклеотидов, его механизм репликации ДНК работал с головокружительной скоростью, идя вразрез с последующими процессами и позже приводя к серьезным дефектам.
Нарег Джабраян, научный сотрудник Института интегративной геномики Льюиса-Сиглера в Принстоне и первый автор статьи, сравнил процесс репликации с машиной. «Когда вы даете этой машине слишком много определенных входных данных, ее ограничение скорости нарушается», - сказал он. «Это происходит слишком быстро. И это мешает другим вещам, которые должны происходить одновременно».
Проблемы, которые начались на этом первом ключевом шаге, усугублялись на последующих этапах. Когда эмбрион начал формироваться, его средняя линия (у мух аналог позвоночника) была катастрофически искривлена.
"После этого им капут", - сказал Шварцман.
Оказывается, материнское утаивание, определенное в предыдущей работе, играет важную роль в сроках ранней жизни, обеспечивая естественный предел темпов развития. В конце концов, те мухи, которые начинали с избытком основных ингредиентов, не могли развиться в жизнеспособный организм.
По словам клеточного биолога Стефано Ди Талии из Университета Дьюка, полученные данные знаменуют собой сдвиг в мышлении исследователей, изучающих контроль геномов при переходе от матери к потомству. «Эта статья важна, потому что она показывает, что жесткий контроль уровня нуклеотидов не только энергетически выгоден, но и абсолютно необходим для нормального развития эмбриона», - сказал он. Ди Талия предположил, что будущие исследования будут основываться на этой работе, чтобы узнать, как время клеточных циклов влияет на механику тканей.
В этом случае фермент RNR - обычная мишень в противораковой терапии - играет решающую роль в балансировке скорости основных процессов клетки и, как следствие, клеточного деления. Неконтролируемое деление и рост клеток являются отличительными чертами рака. Помимо ответа на фундаментальный вопрос о ранней жизни животных, исследователи считают, что эта работа может открыть новые пути для изучения противораковых препаратов у развивающихся эмбрионов.
Кроме Шварцмана и Джабраяна, в исследовательскую группу входили Селия М. Смитс, Матей Крайнк и Томер Стерн из Принстона; Шигехиро Ямада и Кристин А. Рашлоу из Нью-Йоркского университета; и Уильям С. Лемон и Филипп Дж. Келлер из исследовательского кампуса Джанелия Медицинского института Говарда Хьюза.
Этот проект финансировался за счет грантов Национального института общих медицинских наук, одного из национальных институтов здравоохранения.