Identificirani protein koji je odgovoran za pravovremeno uključivanje gena u zametak • Alexander Markov • Znanstvena vijest o "Elementama" • Razvojna biologija, genetika

Identificirani protein koji je odgovoran za pravovremeno uključivanje gena u zametke

Sl. 1. Zebrafish embrij 24 sata nakon oplodnje. S lijeve strane mutantni embriji bez proteina pou5f1: razvoj je potpuno poremećen; s desne strane – normalni embriji ("divlji tip"); u centru – mutantni embriji injicirani mišjim Pou5fl mRNA: mišji protein omogućio je da se mutirani embriji razviju gotovo normalno, što ukazuje na evolucijski konzervativizam ovog regulatora (i on i njegova funkcija su se malo promijenili otkad su preci riba i miševa rastavljali). Od članka Onichtchouk et al., 2010. Zebrafish Pou5f1-transkripcijska mreža

Rane faze razvoja životinjskih embriona potpadaju pod kontrolu majčinih gena, dok se geni samog embrija i dalje isključuju. Najvažnija prekretnica je "prijelaz iz majčinog tipa genske ekspresije u zigotik" (MW), tijekom kojeg se desetine regulatornih gena istodobno uključuju u stanice embrija, koje preuzima kontrolu nad daljnjim razvojem. Njemački znanstvenici su pokazali da u zebrafishu prijelaz iz "majčinog" razvojnog programa na "zygotic" kontrolira Pou5f1 protein. Prethodno je bio poznat da radi u embrionalnim matičnim stanicama sisavaca, podržavajući njihovu pluripotenciju (sposobnost transformacije u specijalizirane stanice različitih tipova).Kao što se ispostavilo, Pou5f1 unaprijed (čak i prije MWP) je pričvršćen za regulacijska područja mnogih gena za razvojnu regulaciju, čuvajući ih u stanju "upozorenja", tako da se brzo mogu uključiti čim se primaju odgovarajuće naredbe drugih regulatornih proteina ili RNA. U insekata, sličnu funkciju izvodi drugi, nepovezani protein – Zelda. Očigledno, posebni regulatorni sustavi koji pridonose smanjenju kaosa tijekom MW, razvijeni u različitim životinjama na različitoj molekularnoj osnovi.

Embrionalni razvoj životinja započinje kada je genom onemogućen. Prve faze razvoja kontroliraju proizvodi maternalnih gena (proteini i mRNA), sintetizirani tijekom sazrijevanja jaja. Zatim se u nekom trenutku desetine regulatornih gena spajaju u stanicama embrija i uništavaju majčinske mRNA. Kao rezultat toga, embrij prelazi s "majčinog" razvojnog programa na svoje. Ova se prekretnica naziva "prijelaz iz majčine vrste genske ekspresije u zygotic jedan" (MZP, maternal-to-zygotic transition, MZT). U različitim životinjama se događa u različito vrijeme.U sisavaca, geni embrija se uključe vrlo rano – nakon prve podjele zigota, u fazi dviju stanica i riba – mnogo kasnije, nakon 10 podjela, kada se embrij sastoji od oko 1000 stanica i nalazi se u stadiju blastule. Postoje značajne razlike u ponašanju stanica embrija prije i poslije MWP-a: nakon MWP-a stanice stanica prestaju biti sinkronizirane, a stanice počinju razlikovati – razvijaju se na različite načine kako bi nastale različite slojeve, tkiva i organa klica.

Mehanizmi MWP-a još uvijek su uglavnom nejasni (vidi: Da li embriji trebaju geni ?, Elementi, 08.05.2007.). Dakle, još uvijek je nepoznato da li životinje imaju univerzalni sustav stabilizacije MW, koji osigurava majčino-zygotic prijelaz s pouzdanost i robusnost, tj. Brzina, koherentnost i smanjena razina slučajnosti u promjenama genske aktivnosti. Intuitivno je jasno da je prijelaz sustava koji kontrolira jedan razvojni program u kontrolu drugog programa je rizičan. Očigledno, morate isključiti prvi program i brzo uključiti drugi, istodobno i odmah, a ne u dijelovima. Malo je vjerojatno da će sustav raditi normalno sve dok se kontrolira nekom kombinacijom fragmenata prvog programa koji nije isključen i drugi program nije uključen.U međuvremenu, u procesu aktivacije gena uvijek postoji element slučajnosti – to se prati barem od načina na koji regulatorni proteini (faktori transkripcije) odgovorni za uključivanje i isključivanje gena traže podrucja pod njihovom kontrolom (vezna mjesta transkripcijskih faktora) u DNA molekulama ( vidi: Rad regulatornog proteina prvo se promatra pod mikroskopom, "Elementi", 05.31.2007).

Stoga se može pretpostaviti da posebne regulirajuće molekule trebaju zadržati te gene u kromosomima embrija koji su zaduženi za "povećanu uzbunu" koja preuzima kontrolu nad razvojnim tečajem tijekom MWP. Takav regulator – faktor transkripcije Zelda – prethodno je pronađen u Drosophili. Zelda protein se selektivno veže na regulatorna područja "ranih" embrionalnih gena, koji bi trebali biti uključeni prvo tijekom MW i osigurava brzinu i koordinaciju njihove aktivacije. Ali izvan klase insekata nije mogao otkriti proteine ​​homologne Zeldu. Stoga je pitanje prisutnosti sličnih sustava u ostalim životinjama ostalo otvoreno.

Daria Onischuk i Wolfgang Driever sa Sveučilišta u Freiburgu (Njemačka), proučavajući razvoj zebra ribe, posvetili su pozornost na protein Pou5f1, koji je uvijek prisutan u stanicama jajašaca i ranim embrijima ove životinje.Prvo, Pou5f1 se proizvodi na osnovi majčinske mRNA, a potom svoj gen počinje raditi Pou5f1 embrij. Interes za Pou5f1 nastao je u vezi s istraživanjem embrionalnih matičnih stanica sisavaca (ESCs). Protein Pou5f1 ključni je faktor transkripcije koji podržava pluripotentno stanje ESC, tj. Njihovu sposobnost transformacije u stanice različitih tkiva kao odgovor na odgovarajuće kemijske signale. Poznato je da kod HESC sisavaca Pou5f1 tvori kompleks s Sox2 proteinom i zajedno se pridruže regulacijskim regijama mnogih gena – razvojnih regulatora. Pou5f1-Sox2 kompleks ima svoj specifični vezni položaj (SOX-POU), koji se sastoji od dva dijela: jednog za spajanje Pou5f1, a drugog za Sox2.

Što Pou5f1 radi u ribljim zametcima? Autori su pokazali da je ovaj protein apsolutno neophodan za normalan razvoj ribe. U embrijima bez Pou5f1 (i majke i vlastite), sve atogenom iz blastle staze idu slučajnim: geni se okreću asinkrono i s dugim kašnjenjima, stanice se normalno ne razlikuju, tkiva i organi ne nastaju tamo gdje se trebaju tako da se na kraju, umjesto embrija s repom, notochordom, somitima i svim ostatkom, dobije besmisleni nakupina stanica koje ubrzo umiru (Slika 1, na lijevoj strani).Međutim, mutirani embrij može se "spasiti" odmah injektiranjem Pou5f1 proteina (točnije, ne samo proteina, već i glasničke RNA koja ga kodira). Najzanimljivija je to što takav uštedni učinak ne postiže samo riba, već i mišja verzija Pou5f1! To znači da su struktura i funkcija Pou5f1 vrlo konzervativni – oni su se malo promijenili tijekom evolucije kralješnjaka.

Zatim su autori, koristeći metodu ChIP sekvencioniranja, identificirali nekoliko tisuća mjesta u genomu zebrafisha na koji je Pou5f1 priključen prije, za vrijeme i nakon MW. U mnogim slučajevima, u susjedstvu Pou5f1, Sox2 također sjedi na DNA (i to je susjedstvo manje učestalo prije MWP nego nakon). Daljnja analiza je pokazala da su Pou5f1 i Sox2 vezani na vezna mjesta, vrlo slična dvostrukom mjestu sisavca SOX-POU. Skupovi "kontroliranih" gena koji se nalaze pored ovih mjesta pokazali su se sličnima kod zebrafish embrija i kod ESC miševa i ljudi. Usput, geni koji reguliraju Pou5f1-Sox2 kompleks također uključuju i gene Pou5f1 i Sox2, tako da ovaj sustav samoregulira.

Prije su autori dobili detaljne podatke o razini ekspresije (aktivnosti) mnogih gena zebrafisha u različitim fazama razvoja. Sad su ti podaci bili u rucipokazati: najčešće su Pou5f1 i Sox2 povezani s DNK oko gena čija se aktivnost dramatično povećava tijekom MWP-a (3-4 sata nakon oplodnje), tj. oko samih gena koji preuzmu kontrolu nad razvojem nakon završetka "majčine" „Program.

Daljnji pokusi su potvrdili da Pou5f1 (ponekad u kombinaciji sa Sox2 ili drugim pomoćnim proteinima) dugo prije početka MWP-a je vezan za regulacijska područja mnogih ključnih gena – razvojnih regulatora. Pou5f1 ih dovodi u stanje "povećane spremnosti", omogućujući im da se brzo i na vrijeme uključe, čim drugi molekulski sustavi daju odgovarajuću "naredbu" (moguće je priroda takvih naredbi spomenuta u bilješci "Da li embriji trebaju geni?").

Koja je osnova za povećanu spremnost? Autori su pokazali da je RNA polimeraza II (vidi RNA polimeraza II), enzim odgovoran za transkripciju gena za kodiranje proteina, često na mjestima Pou5f1 vezanja na kromosomima stanica embrija prije MWP. Moguće je da Pou5f1 snimi polimerazu i održava ga spreman: jasno je da se gen može brže aktivirati ako ima RNA polimerazu spremnu za rad.Nadalje, pokazalo se da je u blizini mjesta Pou5f1 privitka učestalost pojave posebne epigenetske marke povećana (H3K4me3 – trimetilirani 4. lizin histona H3). Poznato je da takve oznake utječu na aktivnost gena (vidi: Danio rerio ribe nasljeđuju DNA izmjene od oca., Elementi, 21. lipnja 2013.).

Sl. 2. Shema stabilizacijskog sustava MW. Prije početka minimalne plaće (pre-MBT; MBT = midblastula tranzicija, kao što se tradicionalno naziva MW ribe) proteina Pou5f1 je vezana na njezina vezna mjesta (SOX-POU mjesto) u blizini ranih genetskih embrija (prvo premazivanje). Na početak minimalne plaće (MBO) Pou5f1 privlači RNA polimerazu II tim genima (RNA Pol II), što vam omogućuje da ih brzo aktivirate (aktiviranje). Nakon MPW-a (post-MBT) započinje diferencijaciju stanica: embrionalne stanice počinju razvijati na različite načine (linija I, linija II) ovisno o primljenim signalima (signale iz uzoraka morfogena). U ovoj fazi, Pou5f1, u pravilu, djeluje u kombinaciji sa Sox2 ili drugim proteinima iz skupine SoxB1 i interakciju s tkivnim specifičnim transkripcijskim regulatorima (Specifični TF za tkivo), pomažući im da rade svoj posao brzo i pravodobno. Slika iz raspravljanog članka u znanost

Stoga je istraživanje pokazalo da posebni molekularni sustavi koji povećavaju koherenciju i stabilnost (majstorsko-zigotsko prijelazno razdoblje) ne odnose se samo na insekte već i na kralješnjake.Funkcija održavanja pluripotentnosti HES kod sisavaca najvjerojatnije je sekundarna. Početna i glavna funkcija proteina Pou5f1 u kralješnjaka je stabilizacija MW. U sisavaca, za razliku od drugih kralježnjaka, MW je vrlo rano – u fazi dva blastomera, tj. Dugo prije početka diferencijacije stanica. Možda je činjenica da sisavci u Pou5f1 održavaju ESC-ove u pluripotentnom stanju jednostavno su nuspojava pomaka MW u ranijim fazama razvoja. Ribi ne trebaju duže vrijeme održavati ovo stanje u embrionalnim stanicama, jer se stanice počinju razlikovati odmah nakon uključivanja genoma embrija.

Izuzetno je zanimljivo da se kod insekata i kralježnjaka stabilizacijski sustavi MW temelje na različitim, nepovezanim proteinima (Zelda u insekata, Pou5f1 u kralješnjaka). Možda to znači da su takvi sustavi nastali tijekom evolucije neovisno na različitoj molekularnoj osnovi. Logično je pretpostaviti da su najpotrebnija za životinje s velikim brojem tipova stanica i tkiva, poput artropoda i kralježnjaka, koje je teško konstruirati. Uostalom, što više vrsta stanica, to je teže program njihove diferencijacije, a opasniji je asinkroni i kaos u radu gensko-regulatornih mreža.

izvor: Manuel Leichsenring, Julia Maes, Rebecca Mössner, Wolfgang Driever, Daria Onichtchouk.Pou5f1 Transkripcijski čimbenici Aktiviranje Zygotic Gena u kralješnjaka // znanost, 2013. V. 341. P. 1005-1009.

Vidi također:
1) Da li embriji trebaju geni ?, "Elementi", 05/08/2007.
2) Danio rerio ribe nasljeđuju DNA izmjene od oca. "Elementi", 21. 6. 2013.

Aleksandar Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: