Экпрессия генов эмброиона – как это проявляется в его морфологии ? Семенова

?
Семенова Мария Львовна

д.б.н., профессор кафедры эмбриологии биологического факультета
Московского государственного

университета имени М.В.Ломоносова

материнского генома (генома ооцита) к геному зародыша.
MZT maternal-to-zygotic transition
В

раннем эмбрионе человека (как и любого другого животного) взаимодействуют две программы:

материнская программа (реализуется за счет РНК, накопленных в оогенезе)

программа эмбриона – за счет постепенного включения собственных генов

Успешное взаимодействие двух программ – это успешное развитие раннего эмбриона

клеточных циклов (до 2-3 десятков циклов)
МВТ – midblastula transition:
начало

активности генома зародыша;
конец периода синхронных делений;
конец периода коротких клеточных циклов;


EGT – early gastrula transition:
завершение перехода на эмбриональные мРНК;
возможна апоптотическая гибель клеток

Langley et.al. Development. 2014 Oct;141(20):3834-41.

PMC 2015 August 11.
Возрастание уровня РНК отражает
активность собственного

генома зародыша

ZAR1 у разных видов позвоночных:
A) вверху справа: идентичность (%)

всей аминокислотной последовательности; внизу слева: процент идентичности для 103 С-терминальных аминокислот (zinc finger мотив)
B) Филогенетическое древо ZAR1 белков

ZAR1 – zygote arrest protein1
Zar1 - zygote arrest protein1

zag1 (zygotic gene activation-associated gene 1)

2008

На стадии зиготы и на стадии 2-х бластомеров белок локализован в пронуклеусах и в ядре
Его количество постепенно уменьшается

situ hybridization;
В: qRT-PCR analysis
Zscan4 экспрессируется в течение короткого периода

на поздней стадии 2-х бластомеров. shows a transient and high expression in the late 2-cell embryos.Такого высокого уровня экспрессии не обнаруживается ни в 3-х бластомерных эмбрионах (красные стрелки), не в 4-хбластомерных эмбрионах

Активация генома эмбриона – участие собственных генов

Zscan4 - zinc finger and SCAN domain containing 4

Dev Biol. 2007 July 15; 307(2): 539–550.

В последние годы – поиск генов, работающих только на поздней 2-х бластомерной стадии: “zygotic genome activation” (ZGA),

and ES cells by the whole mount in situ hybridization.

A schematic illustration of the Zscan4 expression patterns

Dev Biol. 2007 July 15; 307(2): 539–550.

Активация генома эмбриона - участие собственных генов

У человека один ген Zscan4

У мыши – 6 работающих Zscan4 и 3 псевдогена; из работающих 6-и 3 гена кодируют полноразмерный продукт 506ак длиной:
Zscan4d – транскрибируется на стадии 2-х бластомеров
Zscan4c - транскрибируется в ЭСК (ES) cells.

Никакие транскрипты генов Zscan4 не были обнаружены в других типах клеток
Нокдаун Zscan4 (инъекция siRNAs) задерживает переход от 2-х к 4-х клеточной стадии; бластоцисты, получившиеся из таких эмбрионов не способны имплантироваться или давать разрастания in vitro

Gene Information
POU5F1 POU class 5 homeobox 1 [Homo sapiens]
Also known as: DADB-104B20.2; MGC22487; OCT3; OCT4; OTF3; OTF4

POU domain (termed POU for its presence in the Pit-i, Oct-l/Oct-2, and Unc-86 genes)

оогенеза), (в том числе DNMTs, Ago2) принимают участие в активации

генома зиготы “zygotic genome activation” (ZGA), и устанавливают статус работы генома зародыша при котором работают как белок-кодирующие гены, так и новые эпигенетические факторы, которые также принимают участие в дальнейшей регуляции генной экспрессии и от них также зависит наступление дальнейших стадий развития.
Shi and Wu, Reproductive Biology and Endocrinology 2009, 7:59, review

Генетическая и эпигенетическая регуляция раннего развития

внезародышевых структур: клетки эмбриона до компактизации ?).

“Наивная” плюрипотентность – способность

клетки к самообновлению при сохранении потенциала к дифференцировке без подразделения на линии и способности принимать участие в развитии половых клеток (эпибласт ВКМ поздней бластоцисты и эпибласт периимплантационного периода (до начала формирования зародышевого диска?).
Первичная плюрипотентность – “наивные” клетки, утратившие способность к самообновлению: клетки постимплатационного эпибласта (для некоторых клеточных линий) и клетки первичной полоски.

Тотипотентные



Плюрипотентные

Мультипотентные
Унипотентные
По: Wagers, Weissman, 2004

Изменение потентности клеток
в преимплантационный и периимплантационный период

2: Тотипотентность - способность клетки давать все клетки и ткани

организма
Определение 3: Тотипотентность - способность одной индивидуальной клетки (не группы клеток) давать нормальное развитие

Приравнивание участия в развитии организма к способности независимого развития в целый организм
Приравнивание способности группы клеток развиваться в полноценную особь к способности одной клетки делать то же самое
Приравнивание экспрессии ранних эмбриональных маркеров к тотипотентности
Приравнивание способности группы клеток формировать нечто, схожее с эмбрионом, к тотипотентности

Тотипотентность:
определения этого термина и ошибки его толкования

IN EMBRYO-DERIVED PLURIPOTENT STEM CELLS
Michele Boiani & Hans R. Schöler   Nature Reviews

Molecular Cell Biology 6, 872-881 (2005); doi:10.1038/nrm1744

 

роль в кавитации и формировании бластоцисты:
Формирование бластоцисты зависит

от поляризации распределения Na/K-ATPa1b1азы (базолатеральные мембраны клеток трофэктодермы).
В результате устанавливается транс-трофэктодермальный градиент ионов
ионный градиент способствует переносу молекул воды через эпителизированную трофэктодерму через апикальные и базолатеральные AQP-поры.
Зона плотных контактов препятствует выходу воды наружу
следствие – появление и последующее увеличение полости бластоцисты

(E-cad, E-cadherin; NHE-3, sodium–hydrogen exchanger 3)

Трофэктодерма: транспорт ионов и молекул воды

Caudal-related homeobox 2 (Cdx2)

Watson and Barcroft, 2001