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 на ранних стадиях эмбрионального развития, прежде чем эмбрион сможет производить собственные мРНК и белки.Более тридцати лет назад исследователи обнаружили, что мРНК, кодирующие белок Vg1, откладываются в цитоплазме яиц лягушки. «vg1 известен как одна из первых признанных материнских мРНК», — сказала Ребекка Бурдин, доцент молекулярной биологии в Принстоне. «Было написано множество статей о том, как эта РНК локализуется и регулируется, но никогда не было ясно, что на самом деле белок Vg1 делает в развивающемся эмбрионе».
В своем исследовании Бурдин и два аспиранта Хосе Пелличча и Грантон Джиндал использовали редактирование генов CRISPR / Cas9 для удаления Vg1, известного как Gdf3 у рыбок данио. Эмбрионы, которые не могли продуцировать Gdf3 сами по себе, но получили здоровую часть мРНК gdf3 от своих матерей, развивались совершенно нормально.
Но эмбрионы, не получившие материнскую мРНК gdf3, демонстрировали серьезные дефекты на ранних этапах своего развития, умирая всего через три дня после оплодотворения.«Если мать не поставляет gdf3 в яйцеклетку, 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 некоторая нервная ткань [которые происходят от третьего основного типа клеток, эктодермы]».
Vg1 / Gdf3 является членом семейства сигнальных молекул TGF-beta. Два др. Члена этого семейства, Ndr1 и Ndr2, необходимы для формирования мезодермы и энтодермы на ранних этапах развития рыбок данио. Эмбрионы, лишенные материнского gdf3, выглядят очень похожими на эмбрионы, лишенные обоих этих белков, которые аналогичны белкам Nodal 1 и 2 у млекопитающих.
Исследователи обнаружили, что материнский gdf3 необходим для Ndr1 и Ndr2 для передачи сигналов на уровнях, необходимых для правильного индуцирования образования клеток мезодермы и энтодермы у ранних эмбрионов рыбок данио. В отсутствие gdf3 передача сигналов Ndr1 и Ndr2 резко снижается и эмбриональное развитие идет наперекосяк.Узловая передача сигналов также необходима позже в развитии рыбок данио, когда она помогает установить различия между левой и правой сторонами развивающегося эмбриона.
Частично он делает это, направляя формирование органа, известного как пузырь Купфера, асимметричная форма которого помогает определить левую и правую стороны эмбриона. Впоследствии передача сигналов Nodal индуцирует экспрессию третьего белка Nodal, называемого левша, в группе клеток мезодермы на левой стороне эмбриона.Чтобы выяснить, играет ли материнская мРНК gdf3 также роль в формировании левого и правого паттерна, исследователи использовали серию экспериментальных уловок, чтобы снабдить эмбрионы достаточным количеством белка Gdf3, чтобы сформировать мезодерму и энтодерму и выжить до более поздних стадий эмбрионального развития.Как и предполагалось, эти эмбрионы обнаруживают дефекты формирования левого-правого паттерна.
Их пузырьки Купфера были аномально симметричными по форме, и экспрессия левшей была значительно снижена, это указывает на то, что gdf3 также необходим для оптимальной передачи сигналов Nodal на более поздних стадиях эмбрионального развития. Однако на данном этапе эмбриональный gdf3, по-видимому, способен выполнять эту работу, если материнский gdf3 отсутствует.Известно, что белки Nodal и Vg1 связываются друг с другом у других видов. «Таким образом, мы предполагаем, что Gdf3 комбинируется с Ndr1 и Ndr2, чтобы облегчить передачу сигналов Nodal во время развития рыбок данио, действуя как важный фактор формирования эмбрионального паттерна», — сказал Pelliccia, аспирант в области молекулярной биологии.
Соавтор Джиндал получил докторскую степень. в химической и биологической инженерии в 2017 году.В то же время, как Бурдин и его коллеги, две другие исследовательские группы, возглавляемые Джо Йостом из Университета Юты и Алексом Шиером из Гарвардского университета, сделали аналогичные выводы о роли gdf3 в развитии рыбок данио. «Все три группы работали вместе, чтобы совместно подавать и совместно публиковать материалы в eLife, что позволило учащимся получить признание за свой тяжелый труд», — сказал Бурдин. «Это отличный пример того, как следует заниматься наукой».
Исследование финансировалось Национальным институтом здоровья детей и развития человека Юнис Кеннеди Шрайвер (грант R01HD048584) и Национальным научным фондом (стипендия для аспирантов DGE 1148900).