Переходы - это отличительная черта жизни. Когда спящие растения цветут весной или когда молодые взрослые особи начинают действовать самостоятельно, происходит смещение контроля. Точно так же на раннем этапе развития происходит переход, когда эмбрион претерпевает биохимические изменения, переходя от контроля материнских молекул к управлению собственным геномом. Впервые команда из Медицинской школы Перельмана Пенсильванского университета обнаружила у эмбриона, что активация его генома не происходит сразу, а следует определенной схеме, контролируемой в первую очередь различными размерами его клеток.
Исследователи опубликовали свои результаты на этой неделе в качестве обложки журнала Developmental Cell.
В раннем эмбрионе, подвергающемся клеточному делению, материнская нагрузка РНК и белков регулирует клеточный цикл. Геномы зиготы - термин для оплодотворенной яйцеклетки - изначально находятся в спящем режиме. Однако в какой-то момент ранней жизни эмбриона эти зиготические ядра «пробуждаются», и экспрессия их геномов берет на себя биохимический контроль над последующим развитием эмбриона. Но как эмбрион «узнает», когда следует совершить этот переход, осталось неизвестным.
«Как эмбрион «передает» контроль над развитием от матери к зиготе, является фундаментальным вопросом в биологии развития», - сказал старший автор Мэтью С. Гуд, доктор философии, доцент кафедры клеточной биологии и биологии развития и биоинженерии. «Ранее не понимали, что разные области эмбриона позвоночного могут подвергаться активации генома в разное время, или как непосредственно размер клетки регулирует пробуждение генома зиготы».
За последние 40 лет были предложены различные гипотезы, объясняющие, как эмбрион определяет, когда включать новый геном отдельных клеток внутри зиготы, но именно команда Пенсильвании разработала механизм и ответила на этот ключевой вопрос..
Используя визуализацию отдельных клеток эмбрионов африканской шпорцевой лягушки (Xenopus laevis), они обнаружили, что размер клетки является ключевым параметром, определяющим начало активации генома в зиготах. Клетки должны достичь порогового размера, чтобы инициировать крупномасштабную транскрипцию собственных белков. Создавая миниатюрные эмбрионы, команда продемонстрировала, что изменения в размере клеток контролируют время активации генома.
Результаты этого исследования имеют ряд важных последствий для понимания того, как развивается эмбрион в первые дни его жизни, и для области биологии развития в целом. Команда Penn считает, что это открытие может повлиять на то, как другие исследователи подходят к своим собственным исследованиям по активации генома и скринингу материнских факторов, которые необходимы для контроля точности раннего развития эмбриона.
«Чтобы получить новое представление, зиготическая транскрипция должна быть измерена на уровне одной клетки», - сказал первый автор Хуэй Чен, доктор философии, научный сотрудник лаборатории Гуда. «Этот подход помог нам не упустить из виду влияние пространственной организации клеток эмбриона на материнско-зиготический переход».
«Решение» инициировать геном зиготы принимается на уровне отдельных клеток, а не всего эмбриона, что изменило взгляд команды Пенна на процесс развития. «Эволюция использовала размер клеток в качестве регулирующего механизма для контроля критического перехода в эмбриональном развитии, парадигма, которая может распространяться на другие области биологии, в которых размер клеток варьируется», - сказал Гуд. Он и Чен планируют продолжить эту работу, измеряя активацию генома у рыбок данио и мышей, чтобы увидеть, верна ли эта новая перспектива для других видов.
Соавторы Пенна в этой статье включают Шона С. Литтла, доктора философии, доцента кафедры клеточной биологии и биологии развития.