Как долго эмбрион использует «генетические инструкции», полученные от материнской РНК?
Исследование, проведенное учеными из Принстонского университета (США), показало, что недостаток материнской РНК, передаваемой с цитоплазмой ооцита эмбриону, может привести к серьезным порокам развития
В женском организме во время формирования яйцеклетки в ее цитоплазме накапливается большое количество мРНК, которая после оплодотворения транслируется в белки, нужные не только для формирования зиготы, но и для раннего эмбрионального развития зародыша. Причем «запас» материнской мРНК способен покрывать потребности эмбриона в необходимых белках до тех пор, пока он не будет способен синтезировать их самостоятельно.
Первой материнской мРНК, обнаруженной в лягушачьем эмбрионе еще более 30 лет назад, была молекула, ответственная за синтез белка Vg1. С тех пор было проведено множество исследований и детально охарактеризована локализация мРНК в яйцеклетках до и после оплодотворения, а также механизмы регуляции ее накопления. Однако до сих пор ученые до конца не могли понять: какие функции выполняет материнская мРНК в развивающемся эмбрионе.
В текущем исследовании ученые под руководством Ребекки Бурдин из Принстонского университета попытались выяснить, в чем заключается основная роль материнских мРНК. Эксперимент проводили на полосатых данио (Danio rerio). Используя технологию CRISPR/Cas9, ученые нокаутировали ген gdf3 (growth differentiation factor 3, кодирующий аналог легушачьего белка Vg1 у данио) в материнских яйцеклетках, а также этот же ген, но уже принадлежащий геному эмбриона.
В результате было показано, что эмбрионы, нокаутные по «собственному» gdf3, образованные в результате оплодотворения нормальной (не несущей нокаутов) яйцеклетки, развивались точно также, как и обычные эмбрионы с работающим геном. Однако, когда эмбрион, даже будучи генетически полноценным, развивался из нокаутной по gdf3 яйцеклетки, то дефекты в его развитии наблюдались уже спустя 3 дня после оплодотворения.
По словам исследователей, эмбрион, не получивший достаточное количество мРНК, кодирующей Gdf3, от матери, не способен к образованию двух из трех основных зародышевых листков, необходимых для эмбрионального развития: мезодермы и энтодермы. Морфологически такие дефектные эмбрионы состояли из кожи и зачатков нервной ткани. Примечательно, что такую же морфологию имеют эмбрионы, лишенные экспрессии белков Ndr1 и Ndr2 (аналоги белков Nodal 1 и 2 у млекопитающих), отвечающих за формирования энто- и мезодермы в ходе эмбрионального развития у данио. Дело в том, что в процессе образования указанных зародышевых листков начинает работать сложный белковый сигнальный путь (названный Nodal-сигналлинг в честь белка Nodal млекопитающих), в котором экспрессия Ndr1 и Ndr2 играет ключевую роль. Вместе с тем, белок Gdf3 имеет схожую структуру с Ndr1 и Ndr2 и относится к тому же суперсемейству клеточных сигнальных молекул - трансформирующего ростового фактора бета (TGF-beta). Это структурное сходство не является случайным – ученые выяснили, что в отсутствие Gdf3 сигнальные функции белков Ndr1 и Ndr2 значительно ослабляются, вплоть до полной инактивации.
Известно и то, что Nodal-сингнальный путь также включается при формировании левой и правой ассиметрии у вторичноротых, когда происходит образование специальной структуры – везикулы Купфера. Везикула Купфера обладает ассиметричной формой и служит своеобразным «компасом» для определения левой и правой стороны у эмбриона данио. Кроме того, Nodal-сингнальный путь вызывает экспрессию еще одного белка семейства TGF-beta – белка-«левши» (от английского «southpaw»), с помощью которого в левой части эмбриона начинают группироваться мезодермальные клетки. Для выяснения влияния Gdf3 на эти этапы эмбрионального развития ученые искусственно вводили белок эмбрионам, лишенным материнской мРНК, кодирующей Gdf3, добиваясь таким образом, чтобы они дожили до стадии формирования левой и правой ассиметрии (как уже говорилось, без материнского Gdf3 эмбрионы погибали уже через 3 дня). По достижении нужного срока эмбрионы переставали снабжать извне белком Gdf3. В результате было показано, что везикулы Купфера в таких эмбрионах были аномально симметричны, а экспрессия белка-«левши» существенно снижалась.
Интересно также, что при продолжении введения белка Gdf3 в нокаутные эмбрионы, не способные к самостоятельной экспрессии Gdf3 и не получившие его в виде мРНК от матери, в 40% случаев нормальное развитие было восстановлено, тогда как при инъекции того же белка в здоровые эмбрионы, также лишенные материнского Gdf3, эмбриогенез продолжился корректно в 70% случаев. Это наблюдение несколько удивило исследователей, так как на данном этапе развития эмбрион уже способен самостоятельно синтезировать нужное количество белка Gdf3. По их словам, это может быть обусловлено тем, что при естественном течении процесса Gdf3, производимый эмбрионом на данной стадии, экспрессируется в недостаточных количествах для стойкой активации Nodal-сингнального пути.
Записаться на генетическую Школу