Protein yang dikenal pasti bertanggungjawab untuk kemasukan gen tepat pada embrio • Alexander Markov • Berita sains mengenai "Elemen" • Biologi Pengembangan, Genetik

Protein yang dikenal pasti bertanggungjawab untuk memasukkan kemasukan gen dalam embrio

Rajah. 1. Embrio Zebrafish 24 jam selepas persenyawaan. Di sebelah kiri – embrio mutan yang kekurangan protein pou5f1: pembangunan sepenuhnya terganggu; di sebelah kanan – embrio biasa ("jenis liar"); di tengah – embrio mutan yang disuntik dengan tetikus Pou5f1 mRNA: protein tetikus dibenarkan embrio mutan untuk berkembang hampir biasanya, menunjukkan konservatisme evolusi pengatur ini (kedua-dua dia dan fungsinya telah berubah sedikit sejak nenek moyang ikan dan tikus diverged). Dari artikel Onichtchouk et al., 2010. Zebrafish Pou5f1-rangkaian transkrip

Tahap awal perkembangan embrio hewan berada di bawah kendali gen ibu, sedangkan gen embrio itu sendiri tetap dimatikan. Titik pemulihan yang paling penting ialah "peralihan daripada jenis gen ibu kepada zygotik" (MW), di mana berpuluh-puluh gen pengawal selia dimasukkan secara serentak dalam sel-sel embrio, yang mengawal perkembangan selanjutnya. Para saintis Jerman telah menunjukkan bahawa dalam zebrafish, peralihan dari program pembangunan "ibu" kepada "zygotik" dikawal oleh protein Pou5f1. Sebelum ini, beliau diketahui bekerja di sel stem embrio mamalia, menyokong pluripotensi mereka (keupayaan untuk berubah menjadi sel khusus pelbagai jenis).Seperti yang ternyata, Pou5f1 terlebih dahulu (walaupun sebelum MWP) dilampirkan kepada kawasan pengawalseliaan banyak gen pengawalseliaan pembangunan, menjaga mereka dalam keadaan "berjaga-jaga", supaya mereka dapat dengan cepat menghidupkan sebaik sahaja arahan yang sesuai dari protein pengawalseliaan lain atau RNA diterima. Dalam serangga, fungsi yang sama dilakukan oleh protein lain yang tidak berkaitan – Zelda. Ternyata, sistem pengawalseliaan khas yang menyumbang kepada meminimumkan huru hara semasa MW, yang dibangunkan dalam haiwan yang berlainan pada asas molekul yang berbeza.

Perkembangan embrio haiwan bermula apabila genom kurang upaya. Peringkat pertama pembangunan dikawal oleh produk gen ibu (protein dan mRNA), disintesis semasa pematangan telur. Kemudian pada beberapa titik, puluhan gen pengatur bergabung dalam sel-sel embrio, dan mRNA ibu dihancurkan. Akibatnya, embrio beralih daripada program pembangunan "ibu" sendiri. Titik perubahan ini dipanggil "peralihan dari jenis gen ibu kepada zygotik" (MZP, peralihan maternal-to-zygotic, MZT). Dalam haiwan yang berbeza ia berlaku pada masa yang berlainan.Dalam mamalia, gen embrio dihidupkan pada awal – selepas bahagian pertama zigot, pada peringkat dua sel, dan pada ikan – kemudian, selepas 10 bahagian, apabila embrio terdiri daripada kira-kira 1000 sel dan berada di peringkat blastula. Terdapat perbezaan yang signifikan dalam perilaku sel-sel embrio sebelum dan selepas MWP: selepas MWP, bahagian-bahagian sel terhenti menjadi segerak, dan sel-sel mula membezakan – berkembang dengan cara yang berbeza untuk menimbulkan lapisan, tisu dan organ kuman yang berlainan.

Mekanisme MWP masih belum jelas (lihat: Adakah embrio memerlukan gen?, Elemen, 08.05.2007). Oleh itu, masih tidak diketahui sama ada haiwan mempunyai sistem penstabilan keseluruhan MW, yang menyediakan peralihan ibu-zygotik dengan kebolehpercayaan dan kekukuhan, iaitu, kelajuan, koherensi dan tahap rawak yang dikurangkan dalam perubahan dalam aktiviti gen. Intuitif jelas bahawa peralihan sistem dikawal oleh satu program pembangunan untuk mengawal program lain adalah berisiko. Rupa-rupanya, anda perlu mematikan program pertama dan menghidupkan yang kedua dengan cepat, serentak dan segera, dan tidak di bahagian. Tidak mungkin sistem berfungsi normal selagi ia dikawal oleh beberapa gabungan serpihan program pertama yang tidak dimatikan dan program kedua tidak dimasukkan.Sementara itu, dalam proses pengaktifan gen sentiasa ada unsur rawak – ini berikut sekurang-kurangnya dari cara di mana protein pengawal (faktor transkripsi) yang bertanggungjawab untuk menukar dan mematikan gen mencari bidang yang dikawal (mengikat tapak transkripsi faktor) dalam DNA lihat: Kerja protein pengawalseliaan pertama kali diperhatikan di bawah mikroskop, "Elemen", 05.31.2007).

Oleh itu, dapat diandaikan bahawa molekul pengawalseliaan khusus harus menjaga gen-gen dalam kromosom embrio yang bertanggungjawab terhadap "peningkatan amaran" yang mengawal kursus pembangunan semasa MWP. Pengawal selia sedemikian – faktor transkripsi Zelda – sebelum ini dijumpai di Drosophila. Protein Zelda mengikat secara selektif kepada kawasan pengawalseliaan gen awal "embrio", yang harus dimasukkan terlebih dahulu semasa MW dan memastikan kelajuan dan koordinasi pengaktifan mereka. Tetapi di luar kelas serangga tidak dapat mengesan protein homolog ke Zelda. Oleh itu, persoalan kehadiran sistem yang serupa pada haiwan lain masih terbuka.

Daria Onischuk dan Wolfgang Driever dari University of Freiburg (Jerman), mengkaji perkembangan zebrafish, telah melihat protein Pou5f1, yang selalu terdapat dalam telur dan embrio awal model haiwan ini.Pertama, Pou5f1 dihasilkan berdasarkan mRNA ibu, dan kemudian gennya sendiri mula berfungsi Pou5f1 embrio. Kepentingan dalam Pou5f1 telah timbul berkaitan dengan kajian sel induk embrio mamalia (ESC). Protein Pou5f1 merupakan faktor transkripsi utama yang menyokong keadaan ESCs pluripotent, iaitu keupayaannya untuk berubah menjadi sel-sel dari pelbagai tisu sebagai tindak balas kepada isyarat kimia yang sesuai. Adalah diketahui bahawa dalam hESC mamalia, Pou5f1 membentuk kompleks dengan protein Sox2, dan bersama-sama mereka bergabung dengan kawasan pengawalseliaan banyak gen – pengawalseliaan pembangunan. Kompleks Pou5f1-Sox2 mempunyai tapak mengikat spesifiknya sendiri (SOX-POU), yang terdiri daripada dua bahagian: satu untuk melampirkan Pou5f1, yang lain untuk Sox2.

Apa yang dilakukan oleh Pou5f1 dalam embrio ikan? Penulis menunjukkan bahawa protein ini sangat diperlukan untuk perkembangan ikan yang normal. Dalam embrio yang tidak mempunyai Pou5f1 (kedua-dua ibu dan sendiri), semua ontogeny dari peringkat blastula pergi secara rawak: gen menghidupkan secara asynchronously dan dengan penundaan yang panjang, sel-sel tidak boleh membezakan secara normal, tisu dan organ tidak membentuk di mana mereka sepatutnya supaya pada akhirnya, bukannya embrio dengan ekor, notochord, somites dan semua yang lain, rumpun sel yang tidak bermakna diperolehi, yang kemudiannya mati (Rajah 1, di sebelah kiri).Walau bagaimanapun, embrio mutan boleh "diselamatkan" dengan segera menyuntik protein Pou5f1 (lebih tepatnya, bukan protein itu sendiri, tetapi RNA messenger yang mengkodekannya). Yang paling menarik adalah bahawa kesan penjimatan seperti itu tidak hanya dilakukan oleh ikan, tetapi juga oleh versi tetikus Pou5f1! Ini bermakna struktur dan fungsi Pou5f1 sangat konservatif – mereka berubah sedikit semasa evolusi vertebrata.

Kemudian penulis, menggunakan kaedah penjujukan Chip, mengenal pasti beberapa ribu tapak dalam genom zebrafish yang mana Pou5f1 dilampirkan sebelum, semasa dan selepas MW. Dalam banyak kes, di kejiranan Pou5f1, Sox2 juga duduk di DNA (dan kejiranan ini kurang kerap sebelum MWP daripada selepas). Analisis lanjut mendedahkan bahawa Pou5f1 dan Sox2 dilampirkan pada tapak-tapak yang mengikat, sangat mirip dengan tapak double SOX-POU mamalia. Susunan gen "terkawal" bersebelahan dengan tapak-tapak ini juga sama dengan embrio zebrafish dan ESCs tikus dan manusia. Dengan cara ini, gen yang dikawal oleh kompleks Pou5f1-Sox2 juga termasuk gen Pou5f1 dan Sox2 sendiri, jadi sistem ini mengawal diri sendiri.

Sebelum ini, penulis memperoleh data terperinci mengenai tahap ekspresi (aktiviti) banyak gen zebrafish pada peringkat perkembangan yang berlainan. Sekarang data ini berguna dalam rangkauntuk menunjukkan: selalunya Pou5f1 dan Sox2 dilampirkan kepada DNA di sekeliling gen, yang aktivitinya meningkat secara dramatik semasa MWP (3-4 jam selepas persenyawaan), iaitu, sekitar gen yang menguasai pembangunan selepas tamatnya "ibu" "program.

Eksperimen selanjutnya mengesahkan bahawa Pou5f1 (kadang-kadang dalam kombinasi dengan Sox2 atau protein tambahan lain) jauh sebelum permulaan MWP dilampirkan ke kawasan peraturan banyak gen utama – pengawal selia pembangunan. Pou5f1 membawa mereka ke keadaan "kesediaan meningkat", membolehkan mereka beralih dengan pantas dan tepat pada masanya, sebaik sahaja sistem molekul lain memberikan "arahan" yang sesuai (sifat mungkin perintah tersebut disebut dalam nota "Adakah embrio memerlukan gen?").

Apakah asas untuk kesediaan yang meningkat? Penulis menunjukkan bahawa RNA polimerase II yang siap bekerja (lihat RNA polimerase II), enzim yang bertanggungjawab untuk transkripsi gen pengkodan protein, sering dijumpai di tapak penangkapan Pou5f1 pada kromosom sel embrio sebelum MWP. Adalah mungkin bahawa Pou5f1 menangkap polimerase dan mengekalkannya: jelas bahawa gen dapat diaktifkan dengan lebih cepat jika ia mempunyai polimerase RNA yang sedia untuk digunakan.Di samping itu, ternyata di dekat tapak lampiran Pou5f1, kekerapan berlakunya tanda epigenetik khas telah meningkat (H3K4me3 – trimethilated 4 lysine histone H3). Label tersebut diketahui mempengaruhi aktiviti gen (lihat: Danio rerio ikan mewarisi pengubahsuaian DNA dari bapa., Elements, 21 Jun 2013).

Rajah. 2 Skim sistem penstabilan MW. Sebelum permulaan gaji minimum (pra-MBT; MBT = pengaliran midblastula, seperti yang lazim dipanggil MW ikan) protein Pou5f1 dilampirkan pada tapak mengikatnya (Tapak SOX-POU) bersebelahan dengan gen embrio awal (priming). Untuk permulaan gaji minimum (MBT) Pou5f1 menarik RNA polimerase II kepada gen ini (RNA Pol II), yang membolehkan anda dengan cepat mengaktifkannya (pengaktifan). Selepas MPW (post-MBT) memulakan pembezaan sel: sel-sel embrionik mula berkembang dengan cara yang berbeza (garis keturunan I, garis keturunan II) bergantung kepada isyarat yang diterima (isyarat dari morphogens corak). Pada peringkat ini, Pou5f1, sebagai peraturan, berfungsi dengan kombinasi dengan Sox2 atau protein lain dari kumpulan Soxb1 dan berinteraksi dengan pengawal selia transkrip khusus tisu (TF khusus Tisu), membantu mereka melakukan kerja dengan cepat dan tepat pada masanya. Gambar dari artikel dibincangkan di Sains

Oleh itu, kajian menunjukkan bahawa sistem molekul khas yang meningkatkan koherensi dan kestabilan (keteguhan) peralihan zygotik ibu bukan sahaja dalam serangga, tetapi juga dalam vertebrata.Fungsi mengekalkan pluripotensi hES dalam mamalia adalah mungkin sekunder. Fungsi awal dan utama protein Pou5f1 dalam vertebrata adalah penstabilan MW. Dalam mamalia, tidak seperti vertebrata lain, MW sangat awal – pada peringkat dua blastomer, iaitu, sebelum permulaan pembezaan sel. Mungkin fakta bahawa mamalia di Pou5f1 mengekalkan ESC dalam keadaan pluripotent hanyalah kesan sampingan pergeseran dalam MW ke tahap awal pembangunan. Ikan tidak perlu mengekalkan keadaan ini dalam sel-sel embrionik untuk masa yang lama, kerana sel-sel mula membezakan dengan segera selepas genom embrio dihidupkan.

Sangat menarik bahawa dalam serangga dan vertebrata sistem penstabilan MW didasarkan pada protein yang berbeza, tidak berkaitan (Zelda dalam serangga, Pou5f1 dalam vertebrata). Mungkin ini bermakna sistem sedemikian timbul semasa evolusi secara bebas berdasarkan asas molekul yang berbeza. Adalah logik untuk mengandaikan bahawa mereka sangat diperlukan untuk haiwan dengan sebilangan besar jenis sel dan tisu, seperti arthropoda dan vertebrata, yang sukar dibina. Lagipun, lebih banyak jenis sel, lebih sukar program pembezaan mereka sepatutnya, dan lebih berbahaya yang tidak segerak dan huru-hara dalam kerja rangkaian pengawalseliaan gen.

Sumber: Manuel Leichsenring, Julia Maes, Rebecca Mössner, Wolfgang Driever, Daria Onichtchouk.Faktor Transkripsi Pou5f1 Pengaktifan Gen Zygotic Dalam Vertebrates // Sains. 2013. V. 341. P. 1005-1009.

Lihat juga:
1) Adakah embrio memerlukan gen?, "Unsur", 05/08/2007.
2) ikan Danio rerio mewarisi pengubahsuaian DNA daripada bapa. "Elements", 06/21/2013.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

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