Einblicke in die Proteinproduktion im Embryo
Eine richtige Embryoentwicklung setzt voraus, dass Proteine zur richtigen Zeit und am richtigen Ort produziert werden. Dies wird durch die Translation bestimmt, den letzten Schritt der Genexpression – der Vorgang, durch den ein Gen seine Informationen zur Produktion von Proteinen nutzt. Es wurden bereits viele wissenschaftliche Erkenntnisse über andere Schritte der Genexpression während der embryonalen Entwicklung gewonnen. Weitaus weniger ist jedoch darüber bekannt, wann und wo Proteine tatsächlich produziert werden, da die Messung der Translation mit ausreichender räumlicher und zeitlicher Auflösung in lebenden Wirbeltierembryonen eine Herausforderung darstellt. Um vollständig verstehen zu können, wie sich ein Embryo entwickelt, ist somit eine direkte Beobachtung der Proteinproduktion erforderlich“, sagt Maëlle Bellec(öffnet in neuem Fenster), Postdoktorandin am Max-Planck-Institut für Herz- und Lungenforschung(öffnet in neuem Fenster). Im Rahmen der finanziellen Unterstützung für Projekt LivAdapt durch das Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmenprogramm(öffnet in neuem Fenster) kombinierten Bellec und ihr Team Genomeditierung mit einer Reihe von Bildgebungs- und Analysetechniken, um die Translation in lebenden Zebrafischembryonen direkt sichtbar zu machen(öffnet in neuem Fenster). „Unsere Ergebnisse eröffnen die Möglichkeit, diese zusätzliche Ebene der Genregulation direkt in lebenden Wirbeltierembryonen zu untersuchen“, fügt Bellec hinzu. „Aus biologischer Sicht liefert dies eine bisher fehlende Informationsebene, die die Genexpression mit der Proteinproduktion und den Entwicklungsergebnissen verknüpft.“
Fluoreszenzmarkierung von Proteinen
Im Mittelpunkt des Projekts stand ein spezifisches Molekül, das als Morphogen bezeichnet wird und Signale an embryonale Zellen sendet, welche letztlich die Struktur eines Organismus prägen. Morphogene tragen beispielsweise zur Entwicklung des Rückenmarks und der Gliedmaßen oder zur Entwicklung von Insektenflügeln bei. LivAdapt richtete den Fokus auf BMP2b, ein Morphogen, das eine Schlüsselrolle bei der Festlegung des Bauplans während der frühen Entwicklung spielt. Das Forschungsteam nutzte Genomeditierung, um eine Markierung in das BMP2b-Gen einzubringen, sodass eine Fluoreszenzmarkierung neu entstehender Proteine bereits während ihrer Synthese möglich war. Durch die Kombination mit der hochmodernen Bildgebungstechnik Live-Lattice-Light-Sheet-Mikroskopie (Lebendzell-Lichtblattmikroskopie) konnte die Proteinsynthese im gesamten Embryo abgebildet werden. Parallel dazu wurde eine Reihe komplementärer Bildgebungs- und Modellierungsansätze integriert. „Die Kombination dieser Methoden ermöglicht uns die Quantifizierung der Translationsdynamik auf der Ebene einzelner mRNS(öffnet in neuem Fenster) und Zellen, um aufzudecken, wann, wo und wie effizient BMP2b während der frühen Embryonalentwicklung translatiert wird“, erklärt Bellec.
Beispiellose Einblicke in die Proteinproduktion
Eine der wichtigsten Erkenntnisse war, dass die Translation von BMP2b in erster Linie auf der Ebene der Translationsinitiation reguliert wird, was eine zusätzliche Ebene der Kontrolle über die Proteinproduktion offenbart. Das Team fand außerdem heraus, dass die Translation von BMP2b über mehrere Wege erfolgen kann, was darauf hindeutet, dass in der Entwicklung befindliche Embryonen verschiedene Strategien anwenden können, um die Bildung von Proteinen sicherzustellen. „Wir hoffen, dass diese Arbeit der Wissenschaftsgemeinschaft dabei helfen wird, ein umfassenderes Verständnis über die embryonale Entwicklung zu erlangen“, erklärt Bellec. Bellec merkt an, dass die im Rahmen von LivAdapt entwickelte Technologie jenseits dieser biologischen Erkenntnisse für die Untersuchung anderer Gene angepasst werden kann, sodass die wissenschaftliche Erforschung der Proteinsyntheseregulierung während verschiedener Entwicklungsvorgänge möglich ist.
Weiterreichende Auswirkungen für die Biomedizin
Ein besseres Verständnis der Translationsregulation könnte laut dem Team überdies weiterreichende Auswirkungen für die Biomedizin haben. „Viele Entwicklungsstörungen und andere Erkrankungen stehen im Zusammenhang mit Defekten bei der Proteinsynthese oder deren Regulation“, erklärt Bellec. „Indem wir untersuchen, wie die Translation im Rahmen der normalen Entwicklung gesteuert wird, kann unsere Arbeit zur Schaffung eines Verständnisrahmens für die krankheitsbedingte Störung dieser Vorgänge beitragen.“ Bellec wird die Forschung an ihrer neuen Stelle in Montpellier, Frankreich, fortsetzen und dabei auf dem Potenzial der im Projekt demonstrierten Technologie aufbauen. „Ich habe nun vor, sie auf ein breiteres Spektrum von Genen und Entwicklungsvorgängen anzuwenden“, sagt sie.
