Precizna vantelesna oplodnja prati kako mišji embrioni uključuju svoj genom

Nova studija iz Evropske laboratorije za molekularnu biologiju (EMBL) u Rimu pokazuje kako embrioni precizno koordiniraju aktivnost gena tokom ranog razvoja.

Ubrzo nakon oplodnje, novoformirani embrion suočava se sa izuzetnim izazovom: mora da pređe sa oslanjanja na molekule koje obezbeđuje majka na korišćenje sopstvenog genoma. Ovaj proces, poznat kao embrionska aktivacija genoma, jedan je od najranijih i najvažnijih koraka u razvoju.

Preporučujemo

Embrionska aktivacija genoma je detaljno proučavana na modelima voćnih mušica i riba zebrica. Međutim, podaci o sisarima su relativno oskudni. To je zato što je embrionima sisara teško pristupiti i teško ih je redovno analizirati tokom vremena.

Istraživači su razvili protokol precizne vantelesne oplodnje kod miševa da bi precizno kontrolisali kad se oplodnja dešava. Ovu tehniku su kombinovali sa analizom aktivnosti gena u individualnim embrionima u nekoliko vremenskih tačaka tokom ranog razvoja. To je omogućilo da se dobije izvanredna slike embrionske aktivacije genoma u visokoj rezoluciji.

Rad pokazuje da čak i embrioni koji izgledaju identično mogu da sadrže veoma različite RNK pejzaže, zavisno od neznatnih razlika u razvojnom tajmingu (vremenu nakon oplodnje). Štaviše, studija obezbeđuje sveobuhvatan resurs koji detaljno opisuje postepene promene u ekspresiji gena tokom embrionske aktivacije genoma.

Genom embriona postepeno preuzima kontrolu

Istraživači su posmatrali embrione tokom devetočasovnog perioda i videli opsežne promene u njihovoj genskoj aktivnosti. Dok je genom embriona postajao sve aktivniji, RNK nasleđena od majke je postepeno istrošena. Ovaj prelaz od majčinskog materijala do molekula poreklom iz embriona bio je obeležen povećanjem aktivacije gena uključenih u procese kao što su proizvodnja RNK, sinteza proteina i konstrukcija ribozoma.

Istovremeno, rani embrion doživljava opsežne promene svog epigenoma—sistema koji pomaže u kontroli koji geni su uključeni ili isključeni i modulira njihove nivoe ekspresije. To uključuje resetovanje hemijskih oznaka na proteinima zvanim histoni, kao i uklanjanje i ponovnu izgradnju obrazaca metilacije DNK, što doprinosi regulaciji gena tokom embrionske aktivacije genoma.

Međutim, pošto se mnogo promena dešava istovremeno, teško je utvrditi koje direktno doprinose aktivaciji genoma.

„Posebno nas je zanimala hemijska modifikacija histonskih proteina H3K4me3“, kažu autori studije. „Prethodno istraživanje je sugerisalo da nasleđivanje specifičnih obrazaca ove modifikacije od majke može doprineti da geni ostanu isključeni. Koristeći naš pristup precizne vantelesne oplodnje, mogli smo da vidimo da je ova modifikacija uklanjena istovremeno dok se genom aktivira. Zato nas je zanimalo da li su ovi procesi uzročno povezani“.

Potraga za molekularnim prekidačem

Da bi testirali ovu ideju, istraživači su povećali aktivnost enzima koji uklanja H3K4me3 iz histona. To je izazvalo da modifikacija bude uklonjena ranije nego obično.

Iznenаđujuće, rano uklanjanje H3K4me3 imalo je samo skroman efekat na aktivnost gena i nije izazvalo ranije uključivanje embrionskog genoma. Embrioni sa uklonjenim H3K4me3 nastavili su proces embrionske aktivacije genoma i razvili se u blastociste stopama uporedivim sa kontrolnim embrionima.

Ova zapažanja impliciraju da prisustvo ove specifične histonske modifikacije na genomu nije molekularna odlika koja utišava genom.

„Jedan od najvažnijih nalaza je koliko se rani embrion pokazuje kao otporan na uznemiravanje. Čak i kad je jedna znatna modifikacija hromatina uklonjena prevremeno, embrioni su i dalje bili u stanju da napreduju kroz ovu bitnu razvojnu tranziciju bez velikih negativnih posledica“, kažu istraživači.

Detaljan skup podataka iz ove studije predstavlja koristan okvir za razumevanje najranijih faza razvoja sisara i za istraživanje kako promene u embrionskom epigenomu utiču na razvoj i, na kraju, na fenotip.

Studija takođe pokazuje koliko je regulacija gena fleksibilna u ranim embrionima i mogla bi inspirisati istraživače i omogućiti im da precizno procenе kvantitativni uticaj različitih perturbacija na proces aktivacije genoma.

Nalazi ukazuju na složeniju sliku najranijih trenutaka embrionskog razvoja, kad se genom uključuje putem koordiniranog i fleksibilnog proces, a ne putem jednog molekularnog okidača.

(Telegraf Nauka/Phys.org)