Ett organ som heter Kupffers vesikel, som hjälper till att specificera vänster och höger sida av den utvecklande fisken, är formad asymmetriskt i ett vildtypsembryo (vänster), men är mer symmetrisk i frånvaro av moderligt ärvt gdf3 (höger). Kredit:Pelliccia et al., 2017
En ny studie indikerar en viktig roll för en moderärvd gen i embryonal utveckling. Studien fann att zebrafiskar som misslyckades med att ärva specifika genetiska instruktioner från mamma utvecklade dödliga defekter tidigare i utvecklingen, även om fisken kunde göra sin egen version av genen. Studien av forskare vid Princeton University publicerades den 15 november i tidskriften eLife .
När hondjur bildar äggceller i sina äggstockar, de deponerar budbärar-RNA (mRNA) - ett slags genetisk instruktionsuppsättning - i äggcellens cytoplasma. Efter befruktning, dessa maternellt tillförda mRNA kan översättas till proteiner som krävs för de tidiga stadierna av embryonal utveckling, innan embryot kan producera egna mRNA och proteiner.
För mer än trettio år sedan, forskare upptäckte att mRNA som kodar för ett protein som kallas Vg1 deponeras i grodäggens cytoplasma. "vg1 är känt för att vara en av de första erkända moderns mRNA, sa Rebecca Burdine, docent i molekylärbiologi vid Princeton. "En mängd artiklar har skrivits om hur detta RNA är lokaliserat och reglerat, men det var aldrig klart vad Vg1-proteinet faktiskt gör i det utvecklande embryot."
I studien, Burdine och två doktorander Jose Pelliccia och Granton Jindal använde CRISPR/Cas9-genredigering för att ta bort Vg1, känd som Gdf3 i zebrafisk. Embryon som inte kunde producera något eget Gdf3 - men som fick en frisk del av gdf3-mRNA från sina mödrar - utvecklades helt normalt. Men embryon som inte fick moderns gdf3-mRNA visade stora defekter tidigt i sin utveckling, dör bara tre dagar efter befruktningen.
"Om gdf3 inte tillförs ägget av modern, det befruktade ägget kan inte producera två av de tre huvudtyperna av celler som krävs för utveckling, "Burdine sa. "Embryona saknar alla [celltyper som kallas] mesoderm och endoderm och är kvar med hud och viss neural vävnad, [som härrör från den tredje större celltypen, ektodermen]."
Vg1/Gdf3 är en medlem av TGF-beta-familjen av cellsignalerande molekyler. Två andra medlemmar av denna familj, Ndr1 och Ndr2, krävs för att bilda mesoderm och endoderm tidigt i utvecklingen av zebrafisk. Embryon som saknar maternellt tillförd gdf3 ser väldigt lika ut som embryon som saknar båda dessa proteiner, som är analoga med Nodal 1- och 2-proteinerna hos däggdjur.
Jämfört med ett normalt zebrafiskembryo (höger), ett embryo som saknar gdf3 (vänster) ärvt från mamma visar stora defekter som beror på dess oförmåga att bilda mesoderm- och endodermceller tidigt i utvecklingen. Kredit:Pelliccia et al., 2017.
Forskarna fann att moderns gdf3 krävs för att Ndr1 och Ndr2 ska signalera på de nivåer som krävs för att korrekt inducera bildandet av mesoderm- och endodermceller i tidiga zebrafiskembryon. I frånvaro av gdf3, Ndr1- och Ndr2-signalering minskar dramatiskt och embryonal utveckling går snett.
Nodalsignalering krävs också senare i utvecklingen av zebrafisk när det hjälper till att fastställa skillnader mellan vänster och höger sida av det utvecklande embryot. Den gör detta, till viss del, genom att styra bildandet av ett organ som kallas Kupffers vesikel, vars asymmetriska form hjälper till att bestämma embryots vänstra och högra sida. Senare, Nodal signalering inducerar uttrycket av ett tredje nodalprotein, kallas southpaw, i en grupp mesodermceller på vänster sida av embryot.
För att undersöka om modertillförd gdf3-mRNA också spelar en roll i vänster-höger-mönstring, forskarna använde en rad experimentella knep för att förse embryon med tillräckligt med Gdf3-protein för att bilda mesoderm och endoderm och överleva tills de senare stadierna av embryonal utveckling.
Som förutspått, dessa embryon visade defekter i vänster-höger mönstring. Deras Kupffers vesiklar var onormalt symmetriska till formen, och sydtassens uttryck minskade kraftigt, vilket tyder på att gdf3 också krävs för optimal nodalsignalering under senare stadier av embryonal utveckling. I detta skede, dock, embryonal gdf3 verkar vara kapabel att göra jobbet om moderförsörjd gdf3 saknas.
Nodal- och Vg1-proteiner är kända för att binda till varandra i andra arter. "Således, vi antar att Gdf3 kombineras med Ndr1 och Ndr2 för att underlätta nodalsignalering under utveckling av zebrafisk, fungerar som en viktig faktor i embryonala mönster, sa Pelliccia, en doktorand i molekylärbiologi. Medförfattaren Jindal tog sin Ph.D. i kemi- och biologisk teknik 2017.
Samtidigt som Burdine och kollegor, två andra forskargrupper, ledd av Joe Yost vid University of Utah och Alex Schier vid Harvard University, gjorde liknande rön om gdf3:s roll under utvecklingen av zebrafisk. "Alla tre grupperna arbetade tillsammans för att skicka in och sampublicera i eLife , låta de inblandade studenterna alla få kredit för sitt hårda arbete, " sa Burdine. "Det är ett bra exempel på hur vetenskap bör göras."
