Een nieuwe studie wijst op een essentiële rol voor een moederlijk overgeërfd gen in de embryonale ontwikkeling. Uit de studie bleek dat zebravissen die geen specifieke genetische instructies van moeder erven, eerder in de ontwikkeling fatale defecten ontwikkelden, zelfs als de vissen hun eigen versie van het gen zouden kunnen maken. De studie door onderzoekers van Princeton University werd op 15 november gepubliceerd in het tijdschrift eLife .

Wanneer vrouwelijke dieren eicellen vormen in hun eierstokken, ze deponeren boodschapper-RNA's (mRNA's) - een soort genetische instructieset - in het cytoplasma van de eicel. Na de bevruchting, deze door de moeder aangeleverde mRNA's kunnen worden vertaald in eiwitten die nodig zijn voor de vroege stadia van embryonale ontwikkeling, voordat het embryo zelf mRNA's en eiwitten kan produceren.

Meer dan dertig jaar geleden, onderzoekers ontdekten dat mRNA's die coderen voor een eiwit genaamd Vg1 worden afgezet in het cytoplasma van kikkereieren. "vg1 staat bekend als een van de eerste erkende maternale mRNA's, " zei Rebecca Burdine, universitair hoofddocent moleculaire biologie aan Princeton. "Er is een schat aan artikelen geschreven over hoe dit RNA wordt gelokaliseerd en gereguleerd, maar het was nooit duidelijk wat het Vg1-eiwit eigenlijk doet in het zich ontwikkelende embryo."

In de studie, Burdine en twee afgestudeerde studenten Jose Pelliccia en Granton Jindal gebruikten CRISPR/Cas9-genbewerking om Vg1 te verwijderen. bekend als Gdf3 in de zebravis. Embryo's die zelf geen Gdf3 konden produceren, maar een gezond deel van het gdf3-mRNA van hun moeder kregen, ontwikkelden zich volkomen normaal. Maar embryo's die geen gdf3-mRNA van de moeder kregen, vertoonden al vroeg in hun ontwikkeling grote defecten. sterven slechts drie dagen na de bevruchting.

"Als gdf3 niet door de moeder aan het ei wordt geleverd, de bevruchte eicel kan geen twee van de drie belangrijkste soorten cellen produceren die nodig zijn voor ontwikkeling, Burdine zei. "De embryo's missen alle [celtypes die bekend staan ​​als] mesoderm en endoderm en blijven achter met huid en wat neuraal weefsel, [die voortkomen uit het derde grote celtype, het ectoderm]."

Vgl/Gdf3 is een lid van de TGF-bèta-familie van celsignalerende moleculen. Twee andere leden van deze familie, Ndr1 en Ndr2, zijn nodig om het mesoderm en endoderm vroeg in de ontwikkeling van de zebravis te vormen. Embryo's zonder door de moeder aangeleverd gdf3 lijken erg op embryo's die beide eiwitten missen, die analoog zijn aan de Nodal 1 en 2 eiwitten in zoogdieren.

De onderzoekers ontdekten dat maternale gdf3 nodig is voor Ndr1 en Ndr2 om te signaleren op de niveaus die nodig zijn om de vorming van mesoderm- en endodermcellen in vroege zebravisembryo's goed te induceren. Bij afwezigheid van gdf3, Ndr1- en Ndr2-signalering wordt drastisch verminderd en de embryonale ontwikkeling gaat mis.

Nodale signalering is ook later in de ontwikkeling van de zebravis vereist wanneer het helpt om verschillen tussen de linker- en rechterkant van het zich ontwikkelende embryo vast te stellen. Het doet dit, gedeeltelijk, door de vorming van een orgaan te sturen dat bekend staat als het blaasje van Kupffer, waarvan de asymmetrische vorm helpt bij het bepalen van de linker- en rechterkant van het embryo. Vervolgens, Nodale signalering induceert de expressie van een derde Nodal-eiwit, genaamd southpaw, in een groep mesodermcellen aan de linkerkant van het embryo.

Om te onderzoeken of door de moeder aangeleverd gdf3-mRNA ook een rol speelt bij links-rechts patroonvorming, de onderzoekers gebruikten een reeks experimentele trucs om embryo's te voorzien van voldoende Gdf3-eiwit om het mesoderm en endoderm te vormen en te overleven tot de latere stadia van embryonale ontwikkeling.

Als voorspeld, deze embryo's vertoonden defecten in links-rechts patroonvorming. De blaasjes van hun Kupffer waren abnormaal symmetrisch van vorm, en southpaw expressie was sterk verminderd, wat suggereert dat gdf3 ook vereist is voor optimale Nodale-signalering tijdens latere stadia van embryonale ontwikkeling. In dit stadium, echter, embryonaal gdf3 lijkt in staat te zijn het werk te doen als gdf3 van moederszijde ontbreekt.

Van nodale en Vgl-eiwitten is bekend dat ze bij andere soorten aan elkaar binden. "Dus, we veronderstellen dat Gdf3 combineert met Ndr1 en Ndr2 om Nodale-signalering tijdens de ontwikkeling van zebravissen te vergemakkelijken, fungeren als een essentiële factor in embryonale patronen, " zei Pelliccia, een afgestudeerde student in de moleculaire biologie. Co-auteur Jindal behaalde zijn Ph.D. in chemische en biologische technologie in 2017.

Tegelijkertijd met Burdine en collega's, twee andere onderzoeksgroepen, geleid door Joe Yost aan de Universiteit van Utah en Alex Schier aan de Harvard University, soortgelijke bevindingen gedaan over de rol van gdf3 tijdens de ontwikkeling van zebravissen. "Alle drie de groepen werkten samen om samen in te dienen en samen te publiceren in eLife , zodat de betrokken studenten allemaal erkenning krijgen voor hun harde werk, "Zei Burdine. "Het is een geweldig voorbeeld van hoe wetenschap zou moeten worden gedaan."