Un nuovo studio indica un ruolo essenziale per un gene ereditato dalla madre nello sviluppo embrionale. Lo studio ha scoperto che il pesce zebra che non è riuscito a ereditare specifiche istruzioni genetiche dalla mamma ha sviluppato difetti fatali prima dello sviluppo, anche se il pesce potesse creare la propria versione del gene. Lo studio dei ricercatori della Princeton University è stato pubblicato il 15 novembre sulla rivista eLife .

Quando gli animali femmine formano cellule uovo all'interno delle loro ovaie, depositano RNA messaggeri (mRNA) - una sorta di set di istruzioni genetiche - nel citoplasma delle cellule uovo. Dopo la fecondazione, questi mRNA forniti dalla madre possono essere tradotti in proteine ​​​​necessarie per le prime fasi dello sviluppo embrionale, prima che l'embrione sia in grado di produrre da solo mRNA e proteine.

Più di trent'anni fa, i ricercatori hanno scoperto che gli mRNA che codificano una proteina chiamata Vg1 sono depositati nel citoplasma delle uova di rana. "vg1 è famoso per essere uno dei primi mRNA materni riconosciuti, "ha detto Rebecca Burdine, professore associato di biologia molecolare a Princeton. "Sono stati scritti molti articoli su come questo RNA è localizzato e regolato, ma non è mai stato chiaro cosa faccia effettivamente la proteina Vg1 nell'embrione in via di sviluppo".

Nello studio, Burdine e due studenti laureati Jose Pelliccia e Granton Jindal hanno utilizzato l'editing genetico CRISPR/Cas9 per rimuovere Vg1, noto come Gdf3 nel pesce zebra. Gli embrioni che non sono stati in grado di produrre da soli Gdf3, ma hanno ricevuto una porzione sana dell'mRNA di gdf3 dalle loro madri, si sono sviluppati perfettamente normalmente. Ma gli embrioni che non hanno ricevuto l'mRNA materno di gdf3 hanno mostrato gravi difetti all'inizio del loro sviluppo, morire appena tre giorni dopo la fecondazione.

"Se gdf3 non è fornito all'uovo dalla madre, l'ovulo fecondato non può produrre due dei tre principali tipi di cellule necessarie per lo sviluppo, " Burdine ha detto. "Gli embrioni mancano di tutti i [tipi di cellule noti come] mesoderma ed endoderma e sono lasciati con la pelle e alcuni tessuti neurali, [che derivano dal terzo tipo di cellula maggiore, l'ectoderma]."

Vg1/Gdf3 è un membro della famiglia TGF-beta di molecole di segnalazione cellulare. Altri due membri di questa famiglia, Ndr1 e Ndr2, sono necessari per formare il mesoderma e l'endoderma nelle prime fasi dello sviluppo del pesce zebra. Gli embrioni privi di gdf3 fornito dalla madre sembrano molto simili agli embrioni privi di entrambe queste proteine, che sono analoghe alle proteine ​​Nodal 1 e 2 nei mammiferi.

I ricercatori hanno scoperto che la gdf3 materna è necessaria affinché Ndr1 e Ndr2 segnalino ai livelli necessari per indurre correttamente la formazione di cellule del mesoderma e dell'endoderma nei primi embrioni di zebrafish. In assenza di gdf3, La segnalazione di Ndr1 e Ndr2 è drasticamente ridotta e lo sviluppo embrionale va storto.

La segnalazione nodale è necessaria anche più avanti nello sviluppo del pesce zebra, quando aiuta a stabilire differenze tra i lati sinistro e destro dell'embrione in via di sviluppo. fa questo, in parte, dirigendo la formazione di un organo noto come vescicola di Kupffer, la cui forma asimmetrica aiuta a determinare i lati sinistro e destro dell'embrione. Successivamente, La segnalazione nodale induce l'espressione di una terza proteina nodale, chiamato mancino, in un gruppo di cellule del mesoderma sul lato sinistro dell'embrione.

Per indagare se anche l'mRNA di gdf3 fornito dalla madre gioca un ruolo nel patterning sinistra-destra, i ricercatori hanno utilizzato una serie di trucchi sperimentali per fornire agli embrioni una quantità sufficiente di proteine ​​Gdf3 per formare il mesoderma e l'endoderma e sopravvivere fino alle fasi successive dello sviluppo embrionale.

Come previsto, questi embrioni hanno mostrato difetti nel patterning sinistra-destra. Le loro vescicole di Kupffer erano di forma anormalmente simmetrica, e l'espressione del mancino è stata notevolmente ridotta, suggerendo che gdf3 è anche necessario per la segnalazione nodale ottimale durante le fasi successive dello sviluppo embrionale. In questa fase, però, gdf3 embrionale sembra essere in grado di svolgere il lavoro se gdf3 fornito dalla madre è assente.

È noto che le proteine ​​nodali e Vg1 si legano l'una all'altra in altre specie. "Così, ipotizziamo che Gdf3 si combini con Ndr1 e Ndr2 per facilitare la segnalazione Nodale durante lo sviluppo del pesce zebra, agendo come un fattore essenziale nel patterning embrionale, " disse Pelliccia, uno studente laureato in biologia molecolare. Il coautore Jindal ha conseguito il dottorato di ricerca. in ingegneria chimica e biologica nel 2017.

Contemporaneamente a Burdine e colleghi, altri due gruppi di ricerca, guidato da Joe Yost all'Università dello Utah e Alex Schier all'Università di Harvard, hanno fatto risultati simili sul ruolo di gdf3 durante lo sviluppo del pesce zebra. "Tutti e tre i gruppi hanno lavorato insieme per presentare e pubblicare congiuntamente in eLife , consentendo a tutti gli studenti coinvolti di ottenere credito per il loro duro lavoro, " ha detto Burdine. "È un grande esempio di come dovrebbe essere fatta la scienza".