Генетические инструкции от матери задают паттерн эмбрионального развития

Новое исследование Принстонского университета, опубликованное 15 ноября в журнале eLife, выявило ключевую роль материнского гена в эмбриональном развитии. Учёные обнаружили, что эмбрионы рыбок данио, не унаследовавшие специфические генетические инструкции от матери, развивали фатальные дефекты на ранних стадиях, даже если могли производить собственную версию гена.

При формировании яйцеклеток самки откладывают в цитоплазму матричные РНК (mRNA) — набор генетических инструкций. После оплодотворения эти материнские mRNA транслируются в белки, необходимые для ранних этапов развития эмбриона, прежде чем он начнёт производить собственные mRNA и белки.

Более 30 лет назад было обнаружено, что mRNA, кодирующие белок Vg1, откладываются в цитоплазме яиц лягушки. "vg1 известен как одна из первых распознанных материнских mRNA, но функция белка Vg1 в развивающемся эмбрионе оставалась неясной", — отметила Ребекка Бурдин, соавтор исследования.

В работе учёные использовали CRISPR/Cas9 для удаления гена Vg1 (известного как Gdf3 у данио). Эмбрионы, которые не могли производить собственный Gdf3, но получали здоровую порцию mRNA gdf3 от матери, развивались абсолютно нормально. Однако эмбрионы, не получившие материнской mRNA gdf3, демонстрировали серьёзные дефекты на раннем этапе и погибали через три дня после оплодотворения.

"Если gdf3 не поставляется в яйцеклетку матерью, оплодотворённая яйцеклетка не может произвести два из трёх основных типов клеток, необходимых для развития", — пояснила Бурдин. Эмбрионы лишены всей мезодермы и энтодермы, остаются только кожа и некоторая нервная ткань (производные эктодермы).

Vg1/Gdf3 относится к семейству сигнальных молекул TGF-beta. Два других члена этого семейства, Ndr1 и Ndr2 (аналогичные белкам Nodal у млекопитающих), необходимы для формирования мезодермы и энтодермы. Исследователи выяснили, что материнский gdf3 требуется для обеспечения уровня сигналинга Ndr1 и Ndr2, достаточного для правильного формирования этих клеток. В его отсутствие сигналинг резко снижается, и развитие идёт неправильно.

Позже сигналинг Nodal необходим для установления различий между левой и правой стороной эмбриона, направляя формирование органа — пузырька Купфера. Учёные экспериментально обеспечили эмбрионам, лишённым материнского gdf3, выживание до поздних стадий. У этих эмбрионов наблюдались дефекты в лево-правой организации: их пузырьки Купфера были аномально симметричны, а экспрессия гена southpaw (третьего белка Nodal) была сильно снижена. Это указывает, что gdf3 также необходим для оптимального сигналинга Nodal на поздних стадиях, хотя на этом этапе эмбриональный gdf3, по-видимому, может справиться с задачей и без материнского.

"Мы предполагаем, что Gdf3 соединяется с Ndr1 и Ndr2, облегчая сигналинг Nodal во время развития данио и выступая в качестве важнейшего фактора формирования эмбриона", — сказал аспирант Хосе Пелличия.

Две другие исследовательские группы (под руководством Джо Йоста и Алекса Шира) независимо пришли к схожим выводам о роли gdf3. Все три группы совместно представили и опубликовали работы в eLife. "Это отличный пример того, как должна делаться наука", — отметила Бурдин.