Embriogeneza la șoareci: activarea genomului, urmărită pas cu pas printr-un protocol de fertilizare in vitro de precizie
Imediat după fertilizare, embrionul nou format trebuie să treacă de la dependența de moleculele furnizate de mamă la utilizarea propriului genom. Acest proces, cunoscut sub numele de activare a genomului embrionar, este una dintre cele mai timpurii și mai importante etape ale dezvoltării. Dacă la organismele-model precum musculița de oțet și peștele zebră acest proces a fost studiat în detaliu, datele despre mamifere sunt relativ rare, deoarece embrionii de mamifer sunt greu accesibili și dificil de analizat în mod repetat de-a lungul timpului.
Pentru a depăși această limitare, cercetătorii din grupul condus de Ana Boskovic la EMBL Rome au dezvoltat un protocol de fertilizare in vitro de precizie la șoareci, care permite controlul exact al momentului fertilizării. Tehnica a fost combinată cu analiza activității genelor în embrioni individuali, la mai multe momente din dezvoltarea timpurie, oferind o imagine de înaltă rezoluție a activării genomului embrionar. Rezultatele, publicate în revista Science Advances, arată că embrioni aparent identici pot avea peisaje de ARN foarte diferite, în funcție de mici diferențe în ritmul dezvoltării lor, adică de timpul scurs de la fertilizare. Studiul oferă, totodată, o resursă cuprinzătoare privind schimbările graduale de expresie genică din timpul acestei etape.
Preia treptat controlul
Echipa a urmărit embrionii pe o perioadă de nouă ore și a constatat modificări extinse în activitatea genelor. Pe măsură ce genomul propriu al embrionului devenea tot mai activ, ARN-ul moștenit de la mamă se epuiza treptat. Această tranziție de la proviziile materne la moleculele produse de embrion a fost marcată de o activare crescută a genelor implicate în procese precum producția de ARN, sinteza proteinelor și construcția ribozomilor.
În paralel, embrionul timpuriu suferă modificări extinse la nivelul epigenomului, sistemul care ajută la controlul genelor care sunt pornite sau oprite și la modularea nivelurilor lor de expresie. Acestea includ resetarea etichetelor chimice de pe proteinele numite histone, precum și eliminarea și reconstruirea modelelor de metilare a ADN-ului, contribuind la reglarea genelor în timpul activării genomului embrionar. Totuși, pentru că multe schimbări au loc simultan, este dificil de stabilit care dintre ele contribuie direct la activarea genomului.
„Am fost în mod special interesați de o modificare chimică a proteinelor histonice numită H3K4me3”, a declarat Jasmina Al-Mousawi, fostă doctorandă în grupul Boskovic și autoare principală a lucrării. „Cercetări anterioare sugerau că moștenirea unor modele specifice ale acestei modificări de la mamă ar putea contribui la menținerea genelor oprite. Folosind abordarea noastră de fertilizare in vitro de precizie, am putut vedea că această modificare este eliminată în același timp cu activarea genomului. Ne-a interesat, prin urmare, dacă aceste procese sunt legate cauzal.”
În căutarea comutatorului molecular
Pentru a testa această idee, cercetătorii au crescut activitatea unei enzime care elimină H3K4me3 de pe histone. Acest lucru a determinat îndepărtarea modificării mai devreme decât în mod normal. Spre surpriza lor, eliminarea timpurie a H3K4me3 a avut doar un efect modest asupra activității genelor și nu a determinat pornirea mai devreme a genomului embrionar. Embrionii de la care fusese eliminată modificarea au continuat să treacă prin activarea genomului embrionar și s-au dezvoltat în blastociste la rate comparabile cu cele ale embrionilor de control. Aceste observații sugerează că prezența acestei modificări specifice a histonelor pe genom nu este trăsătura moleculară care ține genomul inactiv.
„Una dintre cele mai importante constatări este cât de rezistent la perturbări pare a fi embrionul timpuriu”, a spus Boskovic. „Chiar și atunci când o modificare abundentă a cromatinei a fost eliminată prematur, embrionii au reușit să treacă prin această tranziție critică de dezvoltare fără efecte adverse majore.”
Setul detaliat de date care rezultă din acest studiu oferă un cadru util pentru înțelegerea celor mai timpurii etape ale dezvoltării mamiferelor și pentru investigarea modului în care schimbările din epigenomul embrionar influențează dezvoltarea și, în final, fenotipul. Studiul arată, de asemenea, cât de flexibilă este reglarea genelor în embrionii timpurii și ar putea inspira și permite cercetătorilor să evalueze precis impactul cantitativ al diferitelor perturbări asupra procesului de activare a genomului. Împreună, constatările conturează o imagine mai complexă a primelor momente ale dezvoltării embrionare, în care genomul este pornit printr-un proces coordonat și flexibil, și nu printr-un singur declanșator molecular.
