一項(xiàng)新的研究表明母系遺傳基因在胚胎發(fā)育中的重要作用。該研究發(fā)現(xiàn)，未能從母親遺傳特定遺傳指令的斑馬魚在發(fā)育早期就會(huì)發(fā)生致命缺陷，即使這些魚可以制作自己的基因版本。普林斯頓大學(xué)的研究人員于11月15日在eLife雜志上發(fā)表了這項(xiàng)研究。

當(dāng)雌性動(dòng)物在卵巢內(nèi)部形成卵細(xì)胞時(shí)，它們會(huì)在卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中沉積信使RNA(mRNA) - 一種遺傳指導(dǎo)集。受精后，這些母系提供的mRNA可以轉(zhuǎn)化為胚胎發(fā)育早期階段所需的蛋白質(zhì)，之后胚胎能夠產(chǎn)生自身的mRNA和蛋白質(zhì)。

三十多年前，研究人員發(fā)現(xiàn)編碼一種名為Vg1的蛋白質(zhì)的mRNA沉積在青蛙卵的細(xì)胞質(zhì)中。普林斯頓分子生物學(xué)副教授麗貝卡·伯丁(Rebecca Burdine)說：“vg1因其作為首批公認(rèn)的母體mRNA之一而聞名。“關(guān)于這種RNA是如何定位和調(diào)節(jié)的，已經(jīng)寫了大量論文，但從未明確Vg1蛋白在發(fā)育中的胚胎中究竟起了什么作用。”

在這項(xiàng)研究中，Burdine和兩名研究生Jose Pelliccia和Granton Jindal使用CRISPR / Cas9基因編輯去除Vg1，即斑馬魚中的Gdf3。胚胎不能產(chǎn)生任何自己的Gdf3，但從母親那里獲得了健康的gdf3 mRNA部分 - 正常發(fā)育。但是，未接受母體gdf3 mRNA的胚胎在其發(fā)育早期表現(xiàn)出嚴(yán)重缺陷，在受精后僅3天即死亡。

“如果母親沒有給雞蛋提供gdf3，受精卵就不能產(chǎn)生發(fā)育所需的三種主要細(xì)胞中的兩種，”Burdine說。“胚胎缺乏所有[細(xì)胞類型稱為]中胚層和內(nèi)胚層，并留下皮膚和一些神經(jīng)組織，[來自第三種主要細(xì)胞類型，外胚層]。”

Vg1 / Gdf3是TGF-β細(xì)胞信號(hào)分子家族的成員。該家族的另外兩個(gè)成員Ndr1和Ndr2需要在斑馬魚發(fā)育的早期形成中胚層和內(nèi)胚層。缺乏母系供應(yīng)的gdf3的胚胎看起來與缺乏這兩種蛋白質(zhì)的胚胎非常相似，這類似于哺乳動(dòng)物中的Nodal 1和2蛋白質(zhì)。

研究人員發(fā)現(xiàn)，母體gdf3是Ndr1和Ndr2所必需的信號(hào)，可以在早期斑馬魚胚胎中正確誘導(dǎo)中胚層和內(nèi)胚層細(xì)胞的形成。在沒有g(shù)df3的情況下，Ndr1和Ndr2信號(hào)傳導(dǎo)顯著減少，胚胎發(fā)育出現(xiàn)問題。

斑馬魚發(fā)育后期還需要淋巴結(jié)信號(hào)，因?yàn)樗兄诖_定發(fā)育中胚胎左側(cè)和右側(cè)之間的差異。它在一定程度上通過指導(dǎo)形成稱為庫(kù)普弗氏囊泡的器官來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，其不對(duì)稱形狀有助于確定胚胎的左側(cè)和右側(cè)。隨后，Nodal信號(hào)在胚胎左側(cè)的一組中胚層細(xì)胞中誘導(dǎo)第三個(gè)Nodal蛋白(稱為左撇子)的表達(dá)。

為了研究母系供應(yīng)的gdf3 mRNA是否也在左右圖案中起作用，研究人員使用一系列實(shí)驗(yàn)技巧為胚胎提供足夠的Gdf3蛋白以形成中胚層和內(nèi)胚層，并存活至胚胎發(fā)育的后期階段。

正如預(yù)測(cè)的那樣，這些胚胎在左右圖案中顯示出缺陷。他們的Kupffer囊泡形狀異常對(duì)稱，左撇子表達(dá)大大減少，表明gdf3也是胚胎發(fā)育后期最佳Nodal信號(hào)傳導(dǎo)所必需的。然而，在這個(gè)階段，如果沒有母系供應(yīng)的gdf3，胚胎gdf3似乎能夠完成這項(xiàng)工作。

已知Nodal和Vg1蛋白在其他物種中彼此結(jié)合。“因此，我們假設(shè)Gdf3與Ndr1和Ndr2結(jié)合，促進(jìn)斑馬魚發(fā)育過程中的Nodal信號(hào)，作為胚胎模式的重要因素，”分子生物學(xué)研究生Pelliccia說。共同作者金達(dá)爾獲得博士學(xué)位。2017年化學(xué)和生物工程。

與Burdine及其同事一樣，由猶他大學(xué)的Joe Yost和哈佛大學(xué)的Alex Schier領(lǐng)導(dǎo)的另外兩個(gè)研究小組就gdf3在斑馬魚發(fā)育過程中的作用做了類似的研究。“所有三個(gè)小組共同合作，在eLife中共同提交和共同發(fā)表，讓所有參與的學(xué)生都能為他們的辛勤工作獲得榮譽(yù)，”Burdine說。“這是科學(xué)應(yīng)該如何完成的一個(gè)很好的例子。”