Klicken Sie auf „Reset“, um einen neuen Embryo zu starten

Neue Arbeiten von Wissenschaftlern in den USA und China zeigen, wie eine befruchtete Eizelle oder Zygote einen „Reset“ durchführt, damit sich der neu gebildete Embryo gemäß seinem eigenen genetischen Programm entwickeln kann. Die Studie wurde am 17. Juli veröffentlicht Natur.

Es sei schon seit einiger Zeit bekannt, dass das Genom einer frisch befruchteten Eizelle inaktiv sei und geweckt werden müsse, sagte Richard Schultz, Forschungsprofessor an der University of California, Davis School of Veterinary Medicine und korrespondierender Autor des Artikels. Dieser Schritt wird als Aktivierung des Zygotengenoms bezeichnet.

„Damit sich der Embryo entwickeln kann, muss die Eizelle ihre Identität verlieren und tut dies, indem sie neue Dinge produziert“, sagte Schultz. „Wir kennen jetzt die ersten Schritte, wie dieser Übergang abläuft.“

Damit der Reset- oder Erwachensprozess stattfinden kann, muss der Embryo damit beginnen, Gene aus seiner DNA in Boten-RNA zu transkribieren, die wiederum in Proteine ​​übersetzt werden. Die ersten transkribierten Gene aktivieren andere Gene und implementieren das Programm, das es dem Embryo ermöglicht, sich zu einer vollständigen Maus (oder einem Menschen) zu entwickeln. Die Identität dieser ersten Master-Regulator-Gene war bisher unbekannt.

„Das ist etwas, das mich schon lange verwirrt“, sagte Schultz.

RNA-Polymerase II (Pol II) ist das Enzym, das DNA in RNA transkribiert. Aber Pol II an sich sei ein dummes Enzym, sagte Schultz. Andere Gene, sogenannte Transkriptionsfaktoren, werden benötigt, um Pol II anzuweisen, die „richtigen“ Gene zur richtigen Zeit zu transkribieren.

Anfang der 2000er Jahre kam Schultz zu der Erkenntnis, dass diese ersten Transkriptionsfaktoren unter ruhenden mütterlichen Boten-RNAs in der Eizelle zu finden sein würden. Ruhende mütterliche Boten-RNAs kommen nur in Eizellen vor, da die neu synthetisierte Boten-RNA nicht wie in somatischen Zellen translatiert wird.

Während die Eizelle zur Eizelle heranreift, werden diese ruhenden mütterlichen Boten-RNAs in Proteine ​​übersetzt, die dann ihre Funktion erfüllen. Schultz erkannte, dass die Informationen zum Starten der Aktivierung des Zygotengenoms in einer ruhenden Boten-RNA der Mutter stecken würden, die einen Master-Transkriptionsfaktor kodieren würde.

OBOX1-8 als Kandidaten identifiziert

In Zusammenarbeit mit Paula Stein (einer leitenden Mitarbeiterin seines Labors und jetzt am National Institute of Environmental Health Sciences) an der University of Pennsylvania identifizierte Schultz‘ Labor eine große Familie von Genen namens OBOX als wahrscheinliche Kandidaten. Die Familie besteht aus 8 Genen, OBOX1-8. Basierend auf ihren Expressionsprofilen während der frühen Entwicklung waren OBOX1, 2, 3, 4, 5 und 7 wahrscheinliche Kandidaten. Die Forscher begannen mit Wei Xie an der Tsinghua-Universität in Peking zusammenzuarbeiten, um die Kandidaten einzugrenzen.

Durch die Arbeit mit Labormäusen gelang es Xies Team, alle wahrscheinlichen Kandidaten auszuschalten und dann systematisch die OBOX-Gene wiederherzustellen, um herauszufinden, welche für die Aktivierung des Zygotengenoms entscheidend waren. Ohne diese Gene stoppt die Embryonalentwicklung im Zwei- bis Vierzellstadium.

Am interessantesten und unerwartetsten war, dass die Funktion dieser OBOX-Gene hochgradig redundant war: Der Ausfall eines Gens konnte durch ein anderes ersetzt werden. Diese Redundanz habe sich wahrscheinlich entwickelt, weil der Übergang so wichtig sei, sagte Schultz. Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass die Funktion der OBOX-Gene darin besteht, dass Pol II die richtigen Gene findet, um mit der Aktivierung des Zygotengenoms zu beginnen.

Bei Mäusen erfolgt die Genomaktivierung im Zweizellstadium. Bei menschlichen Embryonen geschieht dies später, wenn der Embryo mehrere Teilungsrunden durchlaufen hat, um acht Zellen zu bilden. Eine offene Frage ist, wie konserviert dieser Prozess artenübergreifend ist, dh ob OBOX-ähnliche Gene an der Genomaktivierung beim Menschen beteiligt sind. Die Arbeit hat auch Auswirkungen auf das Verständnis, wie embryonale Stammzellen umprogrammiert werden, sodass sie sich zu jedem beliebigen Gewebe im Körper entwickeln können.