Zrozumienie procesu syntezy białek w zarodkach
Aby zarodek mógł się prawidłowo rozwijać, musi wytwarzać białka we właściwym czasie i miejscu. Decyduje o tym translacja, ostatni etap ekspresji genów – proces, w ramach którego gen wykorzystuje zawarte w nim informacje do produkcji białek. Naukowcy dobrze poznali już inne etapy ekspresji genów podczas rozwoju embrionalnego. Jednak znacznie mniej wiadomo o tym, kiedy i gdzie białka są faktycznie wytwarzane, ze względu na trudności związane z pomiarem translacji z wystarczającą rozdzielczością przestrzenną i czasową w żywych embrionach kręgowców. „Aby w pełni zrozumieć proces rozwoju zarodka, musimy zatem bezpośrednio obserwować produkcję białek”, mówi Maëlle Bellec(odnośnik otworzy się w nowym oknie), badaczka podoktorska w Instytucie Badań nad Sercem i Płucami im. Maxa Plancka(odnośnik otworzy się w nowym oknie). W ramach projektu LivAdapt, finansowanego z programu działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), Bellec i jej współpracownicy połączyli inżynierię genomową z zestawem technik obrazowania i analizy, aby bezpośrednio wizualizować translację w żywych zarodkach danio pręgowanego(odnośnik otworzy się w nowym oknie). „Nasze odkrycia otwierają możliwość badania tej dodatkowej warstwy regulacji genów bezpośrednio w żywych zarodkach kręgowców”, dodaje Bellec. „Z punktu widzenia biologii dostarcza to brakującą warstwę informacji, która łączy ekspresję genów z produkcją białek i wynikami rozwojowymi”.
Fluorescencyjne znakowanie białek
Projekt skupiał się na konkretnej cząsteczce znanej jako morfogen, która dostarcza komórkom embrionalnym sygnały decydujące o strukturze organizmu. Morfogeny pomagają na przykład w rozwoju rdzenia kręgowego i kończyn lub w rozwoju skrzydeł u owadów. Zespół projektu LivAdapt skupiał się na BMP2b, morfogenie odgrywającym kluczową rolę w ustalaniu planu budowy ciała we wczesnym stadium rozwoju. Naukowcy wykorzystali inżynierię genomową do wprowadzenia znacznika do genu BMP2b, co pozwoliło im na fluorescencyjne znakowanie powstających białek w trakcie syntezy. Połączyli to z najnowocześniejszą technologią obrazowania, siatkową mikroskopią arkusza światła żywych komórek (ang. lattice light-sheet microscopy) , w celu uzyskania obrazu syntezy białek w całym zarodku. Równolegle połączyli szereg uzupełniających się metod obrazowania i modelowania. Jak wyjaśnia Bellec: „Połączenie tych metod pozwoliło nam wyznaczyć ilościowo dynamikę translacji na poziomie poszczególnych cząsteczek mRNA(odnośnik otworzy się w nowym oknie) oraz komórek, ujawniając, kiedy, gdzie i z jaką wydajnością następuje translacja BMP2b podczas wczesnego rozwoju embrionalnego”.
Proces produkcji białek na niespotykanym poziomie szczegółowości
Jednym z najważniejszych odkryć było zrozumienie, że translacja BMP2b jest regulowana przede wszystkim na poziomie inicjacji, co ujawnia dodatkowy poziom kontroli produkcji białek. Zespół odkrył również, że translacja BMP2b może przebiegać wieloma szlakami, a to sugeruje, że rozwijające się zarodki mogą stosować różne strategie w celu zapewnienia syntezy białek. „Mamy nadzieję, że te badania pomogą społeczności naukowej lepiej zrozumieć sposób, w jaki rozwijają się zarodki”, zauważa Bellec. Zdaniem badaczki, oprócz wspomnianych spostrzeżeń z dziedziny biologii, technika opracowana w ramach projektu LivAdapt może zostać zaadaptowana do badania innych genów, co umożliwi naukowcom przeanalizowanie tego, jak regulowana jest synteza białek w trakcie różnych procesów rozwojowych.
Szersze implikacje biomedyczne
Zespół sugeruje, że lepsze zrozumienie regulowania translacji może mieć również szersze implikacje biomedyczne. „Wiele zaburzeń rozwojowych i innych chorób wiąże się z nieprawidłowościami w syntezie białek lub jej regulacji”, zauważa Bellec. „Badając, w jaki sposób translacja jest kontrolowana w kontekście prawidłowego rozwoju, nasze prace mogą pomóc stworzyć ramy dla zrozumienia, jak procesy te ulegają zaburzeniu w przypadku choroby”. Bellec będzie kontynuować badania na nowym stanowisku w Montpellier we Francji, gdzie wykorzysta potencjał techniki zademonstrowanej w ramach projektu. Jak zapowiada: „Obecnie planuję zastosować ją do szerszego zakresu genów i procesów rozwojowych”.
