Перегрузка клеток у эмбрионов плодовой мухи запускает критическую реорганизацию ДНК, выяснили биологи

от

После оплодотворения эмбрионы стремительно делятся, а затем замедляют процесс, чтобы сформировать специализированные клетки, которые будут выполнять определённые функции в развивающемся организме. Однако сигналы, запускающие этот переход, оставались загадкой.

В новом исследовании, опубликованном в EMBO Reports, биологи из Дартмута, работающие с плодовыми мухами, пролили свет на то, как эмбрионы чувствуют, когда пора реорганизовывать свою ДНК и активировать собственные гены. Эта работа открывает возможности для понимания того, как подобные механизмы могут работать у человека.

«Способ упаковки ДНК в самом раннем эмбрионе меняется довольно кардинально, когда он переходит от материнского контроля к транскрипции собственных генов», — говорит старший автор Аманда Амодео, доцент биологических наук. «Мы показали, что это изменение связано с соотношением ядра и цитоплазмы в эмбрионе, что может иметь значение для понимания определённых видов рака и старения у людей, которые характеризуются нарушениями этого соотношения».

Эмбрионы плодовых мух как модель для изучения развития

Плодовые мухи — любимая модель для изучения эмбрионального развития, потому что у исследователей есть обширные генетические инструменты для работы с ними, а их эмбрионы развиваются внутри прозрачной оболочки, что идеально подходит для визуализации под микроскопом. Эти крошечные яйца размером с кончик иглы вылупляются в течение 24 часов.

«Дрозофила снова и снова помогала исследователям выявлять фундаментальные биологические процессы, которые оказываются важными для благополучия человека и животных, и мы надеемся, что это также справедливо и в данном случае», — говорит Амодео.

Раннее развитие эмбриона частично запрограммировано белками, которые эмбрион наследует от матери. Эти материнские белки присутствуют в яйце до оплодотворения и помогают управлять процессами внутри эмбриона, пока у него нет времени для производства собственных белков.

Эмбрионы плодовых мух берут на себя управление и начинают контролировать своё развитие после 13 раундов быстрых, синхронизированных делений клеток. В этот момент то же самое пространство, которое изначально содержало одно ядро, теперь содержит более 6 000 ядер.

Амодео предположила, что белки, называемые гистонами, могут играть роль в координации перехода от материнского к эмбриональному контролю у плодовых мух и других животных.

ДНК оборачивается вокруг комплексов гистоновых белков, как бусины на нитке, сохраняя её организованной, распутаной и защищённой от повреждений. Предыдущие исследования показали, что определённые гистоны связаны с активацией транскрипции генов во взрослых клетках, но их роль в эмбриональном развитии была неизвестна.

Амодео ранее показала, что, когда эмбрионы чувствуют, что их ДНК достигла критического порога после многократного удвоения, они заменяют гистон, известный как H3, на вариант, называемый H3.3. Поскольку H3.3 связан с активацией генов, исследователи считают, что эта переупаковка может способствовать переходу эмбрионов на следующую стадию развития.

«Хотя они отличаются всего на четыре аминокислоты, H3 и H3.3 выполняют очень разные функции», — говорит Ануша Бхатт, доктор философии Гуарини в лаборатории Амодео и первый автор статьи. «H3 — это ваш основной гистон, когда вы просто хотите сделать копию своего генома. Но H3.3 используется в определённых регионах генома, где вы хотите транскрибировать много генов».

Исследователи начали изучать, участвуют ли гистоны в раннем развитии эмбриона, сначала отслеживая, как количество H3 и H3.3 меняется в ядрах эмбрионов плодовых мух по мере их приближения к 13-му раунду деления клеток. Используя флуоресцентно меченые гистоны, они показали, что количество H3, связанного с ДНК эмбриона, уменьшается с каждым делением клеток, в то время как количество H3.3 увеличивается.

Исследователи обнаружили, что переключение с H3 на H3.3 запускается, когда эмбрионы чувствуют, что они переполнены ядрами. В эмбрионах, у которых была нарушена способность равномерно распределять свои ядра, в более переполненных ядрами регионах наблюдался более высокий уровень включения H3.3, тогда как в менее переполненных регионах такой замены не происходило.

Для будущих исследований команда планирует более подробно изучить роль H3.3 в активации генома. «Я хочу знать, где именно в геноме H3.3 встраивается во время этих начальных циклов и какие гены он активирует», — говорит Бхатт.

Два студента Дартмута, обучающиеся на бакалавриате, являются соавторами статьи — Мадлен Браун (2022), которая сейчас является докторантом в Корнельском университете, и Аврора Уэккфорд (2026). «Ануша — первый аспирант, присоединившийся к моей лаборатории в Дартмуте, а Мэдди была одной из первых студенток, присоединившихся к моей лаборатории, так что я очень горжусь ими обеими и этой работой», — говорит Амодео.

Предоставлено Дартмутским колледжем.

Источник

Другие новости по теме

Другие новости на сайте