從父母那里獲得獨(dú)立是許多生物生命中持久的主題。鳥類必須飛到巢穴，就像哺乳動(dòng)物必須斷奶母乳一樣?，F(xiàn)在普林斯頓研究人員的一項(xiàng)研究揭示了一種類似的分離戲劇，幾乎從生命開始的那一刻開始，早在動(dòng)物出生或孵化出一個(gè)雞蛋之前。在快速生長(zhǎng)的早期階段，發(fā)育中的胚胎必須在用盡其母親的供應(yīng)后才開始制造自己的DNA構(gòu)建塊。

該研究于7月25日在線發(fā)表于“發(fā)育細(xì)胞”雜志上，該研究表明，母果蠅最終不會(huì)提供快速分裂胚胎所需的DNA構(gòu)建塊的一半以上。研究人員進(jìn)一步證實(shí)，那些最初的母體DNA前體實(shí)際上是在胚胎需要自己制造前體的重要酶上制動(dòng)。因此，只有在母親的影響減弱之后，胚胎果蠅才能過(guò)渡到自給自足。

除了洞察胚胎發(fā)生的關(guān)鍵時(shí)刻，這項(xiàng)新研究提供的知識(shí)可以幫助開發(fā)涉及RNR酶的藥物，RNR酶是一種關(guān)鍵的目標(biāo)化療。

“這項(xiàng)研究說(shuō)明了包括我們?cè)趦?nèi)的所有動(dòng)物如何在生命中從生命中開始自己制作這種重要的DNA材料，”論文的主要作者，Lewis-Sigler綜合基因組學(xué)研究所的博士生Yonghyun Song說(shuō)。在普林斯頓。“有機(jī)體如何彌補(bǔ)它們?cè)谂咛グl(fā)育過(guò)程中不斷增長(zhǎng)所需的DNA缺陷是一個(gè)顯而易見的問(wèn)題，但它從未得到過(guò)適當(dāng)?shù)慕鉀Q。”

“我們?cè)绮统噪u蛋的原因是因?yàn)樗鼈兒杏赡赣H儲(chǔ)存的糖，脂肪和蛋白質(zhì)，”首席研究員，化學(xué)和生物工程教授以及Lewis-Sigler研究所的Stanislav Shvartsman說(shuō)。“一個(gè)單獨(dú)的卵細(xì)胞，在受精時(shí)會(huì)產(chǎn)生胚胎，同樣會(huì)被加載。我們?cè)谶@個(gè)研究中回答的問(wèn)題是，你在什么時(shí)候停止依賴你母親給你的東西?”

在進(jìn)行研究時(shí)，宋在實(shí)驗(yàn)室受精后的不同時(shí)間收集了果蠅卵。在短短兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，一只蒼蠅胚胎從一個(gè)受精卵細(xì)胞生長(zhǎng)成6,000多個(gè)個(gè)體細(xì)胞 - 每個(gè)細(xì)胞都有一組DNA編碼的遺傳指令。

在下面的視頻剪輯中，兩個(gè).5毫米的果蠅卵在大約24小時(shí)內(nèi)發(fā)育。左邊的未改變的卵發(fā)育成幼蟲，而右邊的卵則表達(dá)一種RNR酶的形式，阻止其正常發(fā)育。

為了測(cè)量DNA構(gòu)建模塊水平的變化，這表明當(dāng)胚胎開始自己的生產(chǎn)時(shí)，宋與紙張合著者Joshua Rabinowitz的實(shí)驗(yàn)室合作。普林斯頓大學(xué)的化學(xué)和綜合基因組學(xué)教授，Rabinowitz在他的實(shí)驗(yàn)室中有一臺(tái)儀器 - 一臺(tái)質(zhì)譜儀，用于識(shí)別樣品中的生物化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量。分析表明，一小時(shí)的胚胎沒(méi)有足夠的DNA構(gòu)建塊來(lái)繼續(xù)滿足尚未形成的數(shù)千個(gè)新細(xì)胞的遺傳需求。

然后，一系列藥理學(xué)和基因工程實(shí)驗(yàn)檢查了酶命名的核糖核苷酸還原酶(RNR)在創(chuàng)建DNA構(gòu)建模塊中的作用。胚胎改變，因此他們沒(méi)有產(chǎn)生RNR無(wú)法發(fā)育進(jìn)步超過(guò)他們已經(jīng)耗盡母親的原始儲(chǔ)備的時(shí)間點(diǎn)。另一方面，胚胎發(fā)育早期RNR水平的增加導(dǎo)致DNA構(gòu)建模塊的可用性增加。最后，研究人員設(shè)計(jì)了一種不能被母親的DNA前體抑制的RNR形式。果然，當(dāng)胚胎的RNR以這種方式自由發(fā)揮時(shí)，新的胚胎驅(qū)動(dòng)的DNA前體制造爆炸了五倍(這導(dǎo)致了飛胚胎的其他發(fā)育問(wèn)題)。

研究人員通過(guò)查看有關(guān)其他動(dòng)物的科學(xué)文獻(xiàn)，包括哺乳動(dòng)物，青蛙和海膽，進(jìn)一步驗(yàn)證了他們的結(jié)果。在所有這些情況下，后代很快就接管了建立新基因構(gòu)建塊的任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)了它們的生物獨(dú)立性。

紐約大學(xué)Courant研究所數(shù)學(xué)與生物學(xué)教授亞歷克斯·莫吉爾納(Alex Mogilner)沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他將結(jié)果描述為“令人興奮的發(fā)現(xiàn)”。

Mogilner說(shuō)：“以前認(rèn)為早期胚胎中有足夠的DNA前體來(lái)自母體，在快速分裂和生長(zhǎng)的細(xì)胞中合成DNA。”該研究不僅表明這一假設(shè)是錯(cuò)誤的，而且還說(shuō)明了新的DNA前體是如何在旅途中合成的。“這一發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要部分是，有一個(gè)簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的反饋調(diào)節(jié)這種從頭合成：催化酶RNR受DNA前體本身的數(shù)量調(diào)節(jié)。”

未來(lái)的研究將深入研究調(diào)節(jié)RNR活性的分子機(jī)制，這可能為新藥指明道路。

“我們?cè)诠壷薪⒘艘粋€(gè)新的非常強(qiáng)大的系統(tǒng)，用于研究與藥物開發(fā)相關(guān)的胚胎生物化學(xué)，”Shvartsman說(shuō)。“而且，更為根本的是，我們正在更好地了解生活的第一步。”