Индукция тотипотентности (а также плюрипотентности, характерной для эмбриональных стволовых клеток) требует резких изменений в экспрессии генов. На сегодняшний день исследования таких изменений в основном сосредоточены на транскрипции, когда нити ДНК копируются в информационную РНК (мРНК), которая впоследствии транслируется для производства белков, необходимых для правильного функционирования клетки.
Тем не менее, как напомнил член Института Уайтхеда Терри Орр-Уивер, в этот решающий момент жизни транскрипция отсутствует.«В начале разработки существуют другие механизмы, помимо транскрипции, для восстановления потенции». — говорит Орр-Уивер. «С началом разработки происходят огромные изменения в переводе».Признавая важность перевода, Орр-Уивер и ее лаборатория приступили к документированию этих «массовых изменений» — и их регуляторов — в рамках столь же масштабного, почти четырехлетнего мероприятия. Лаборатория провела, пожалуй, наиболее всесторонний анализ изменений трансляции и синтеза белка во время изменения развития, используя в качестве модельной системы переход от ооцита к эмбриону у дрозофилы.
По пути исследователи, результаты которых опубликованы на этой неделе в журнале Cell Reports, применили три сложных аналитических метода: глобальное профилирование полисомов для измерения активной трансляции тысяч мРНК; профилирование отпечатка рибосомы для определения того, насколько эффективно транслируется каждая мРНК; и количественная масс-спектрометрия для измерения изменений уровней белка при переходе от ооцита к эмбриону.«Это первый раз, когда все три части собраны вместе», — говорит Орр-Уивер. «Этот комплексный подход имел решающее значение для сбора информации, которую мы сделали».Среди этих открытий — удивительно большое количество мРНК, которые регулируются трансляцией. Было обнаружено, что примерно одна тысяча мРНК подвергается повышенной регуляции, а еще несколько сотен подавляются во время этого перехода.
Еще одним сюрпризом стало появление комплекса протеинкиназ, известного как PNG, в качестве основного регулятора наблюдаемых трансляционных изменений. В более ранней работе лаборатория Орра-Уивера показала, что киназа PNG необходима для инициации митоза в оплодотворенном эмбрионе (в отличие от мейоза, который происходит в ооцитах до активации яйцеклетки), способствуя синтезу циклина B, который требуется для вступления в митоз. Последующая работа предположила, что регуляторные эффекты киназы PNG могут быть ограничены активацией трансляции небольшого числа мишеней.
Однако это последнее исследование показало, что PNG действует в глобальном масштабе, оказывая как положительное, так и отрицательное влияние на перевод.«Для меня это было неожиданностью», — говорит Ива Кронья, научный сотрудник лаборатории Орр-Уивера и первый автор статьи Cell Reports. «Мы знали о трех мРНК, которые регулируются PNG, но эти результаты предполагают, что при переходе от ооцита к эмбриону PNG контролирует трансляционный статус по крайней мере 60% трансляционно активированных и, возможно, 70% трансляционно ингибированных мРНК».
И Кронья, и Орр-Уивер говорят, что это ключевое открытие показывает ценность глобального изучения перевода для записи того, что называется «транслятомом». Тем не менее, трансатом представляет собой лишь часть картины. Остальное выявляется путем количественного анализа изменений уровней белка, которые формируют протеом. Здесь тоже появилось несколько сюрпризов.
Ученые обнаружили набор примерно из 60 мРНК, трансляция которых активизировалась без соответствующего увеличения уровней продуцируемого белка. Этот очевидный парадокс предполагает, что при переходе от ооцита к эмбриону деградация белка происходит одновременно с активацией трансляции. Такая компенсация может поддерживать общие уровни белка при «перезагрузке» протеома при восстановлении тотипотентности, доставляя белки в форме, оптимальной для эмбриогенеза.
Кронья считает, что в этом балансе есть аспект контроля качества.«Я рассматриваю этот процесс как подготовку к динамичному и интенсивному периоду развития», — говорит Кроня. «Его цель может заключаться в том, чтобы обеспечить наличие правильных компонентов с правильными модификациями для эмбрионального развития».
Орр-Уивер отмечает, что эта последняя работа открыла ряд новых исследовательских возможностей для ее лаборатории, включая попытку определить, регулируют ли ранее неидентифицированные белки переход от мейоза к митозу в этот ключевой переходный момент.«Мы обнаружили новые белки, функция которых была неизвестна», — говорит Орр-Уивер. «Но из-за динамических изменений в их уровнях, которые мы наблюдали, они могут быть кандидатами, ответственными за щелчок этого переключателя».
Эта работа была поддержана Национальным институтом здоровья (грант GM39341), Американским онкологическим обществом и Фондом Александра фон Гумбольдта.