来自妈妈的遗传指示为胚胎发育设定了模式

一项新的研究表明母系遗传基因在胚胎发育中的重要作用。该研究发现，未能从母亲遗传特定遗传指令的斑马鱼在发育早期就会发生致命缺陷，即使这些鱼可以制作自己的基因版本。普林斯顿大学的研究人员于11月15日在eLife杂志上发表了这项研究。

当雌性动物在卵巢内部形成卵细胞时，它们会在卵细胞的细胞质中沉积信使RNA(mRNA) - 一种遗传指导集。受精后，这些母系提供的mRNA可以转化为胚胎发育早期阶段所需的蛋白质，之后胚胎能够产生自身的mRNA和蛋白质。

三十多年前，研究人员发现编码一种名为Vg1的蛋白质的mRNA沉积在青蛙卵的细胞质中。普林斯顿分子生物学副教授丽贝卡·伯丁(Rebecca Burdine)说：“vg1因其作为首批公认的母体mRNA之一而闻名。“关于这种RNA是如何定位和调节的，已经写了大量论文，但从未明确Vg1蛋白在发育中的胚胎中究竟起了什么作用。”

在这项研究中，Burdine和两名研究生Jose Pelliccia和Granton Jindal使用CRISPR / Cas9基因编辑去除Vg1，即斑马鱼中的Gdf3。胚胎不能产生任何自己的Gdf3，但从母亲那里获得了健康的gdf3 mRNA部分 - 正常发育。但是，未接受母体gdf3 mRNA的胚胎在其发育早期表现出严重缺陷，在受精后仅3天即死亡。

“如果母亲没有给鸡蛋提供gdf3，受精卵就不能产生发育所需的三种主要细胞中的两种，”Burdine说。“胚胎缺乏所有[细胞类型称为]中胚层和内胚层，并留下皮肤和一些神经组织，[来自第三种主要细胞类型，外胚层]。”

Vg1 / Gdf3是TGF-β细胞信号分子家族的成员。该家族的另外两个成员Ndr1和Ndr2需要在斑马鱼发育的早期形成中胚层和内胚层。缺乏母系供应的gdf3的胚胎看起来与缺乏这两种蛋白质的胚胎非常相似，这类似于哺乳动物中的Nodal 1和2蛋白质。

研究人员发现，母体gdf3是Ndr1和Ndr2所必需的信号，可以在早期斑马鱼胚胎中正确诱导中胚层和内胚层细胞的形成。在没有gdf3的情况下，Ndr1和Ndr2信号传导显着减少，胚胎发育出现问题。

斑马鱼发育后期还需要淋巴结信号，因为它有助于确定发育中胚胎左侧和右侧之间的差异。它在一定程度上通过指导形成称为库普弗氏囊泡的器官来实现这一点，其不对称形状有助于确定胚胎的左侧和右侧。随后，Nodal信号在胚胎左侧的一组中胚层细胞中诱导第三个Nodal蛋白(称为左撇子)的表达。

为了研究母系供应的gdf3 mRNA是否也在左右图案中起作用，研究人员使用一系列实验技巧为胚胎提供足够的Gdf3蛋白以形成中胚层和内胚层，并存活至胚胎发育的后期阶段。

正如预测的那样，这些胚胎在左右图案中显示出缺陷。他们的Kupffer囊泡形状异常对称，左撇子表达大大减少，表明gdf3也是胚胎发育后期最佳Nodal信号传导所必需的。然而，在这个阶段，如果没有母系供应的gdf3，胚胎gdf3似乎能够完成这项工作。

已知Nodal和Vg1蛋白在其他物种中彼此结合。“因此，我们假设Gdf3与Ndr1和Ndr2结合，促进斑马鱼发育过程中的Nodal信号，作为胚胎模式的重要因素，”分子生物学研究生Pelliccia说。共同作者金达尔获得博士学位。2017年化学和生物工程。

与Burdine及其同事一样，由犹他大学的Joe Yost和哈佛大学的Alex Schier领导的另外两个研究小组就gdf3在斑马鱼发育过程中的作用做了类似的研究。“所有三个小组共同合作，在eLife中共同提交和共同发表，让所有参与的学生都能为他们的辛勤工作获得荣誉，”Burdine说。“这是科学应该如何完成的一个很好的例子。”