Un organe appelé vésicule de Kupffer, qui aide à spécifier les côtés gauche et droit du poisson en développement, est façonné de manière asymétrique dans un embryon de type sauvage (à gauche), mais est plus symétrique en l'absence de gdf3 hérité de la mère (à droite). Crédit :Pelliccia et al., 2017
Une nouvelle étude indique un rôle essentiel pour un gène hérité de la mère dans le développement embryonnaire. L'étude a révélé que le poisson zèbre qui n'a pas réussi à hériter des instructions génétiques spécifiques de sa mère a développé des défauts mortels plus tôt dans son développement, même si les poissons pouvaient fabriquer leur propre version du gène. L'étude menée par des chercheurs de l'Université de Princeton a été publiée le 15 novembre dans la revue eLife .
Lorsque les femelles forment des ovules à l'intérieur de leurs ovaires, ils déposent des ARN messagers (ARNm) - une sorte d'ensemble d'instructions génétiques - dans le cytoplasme des ovules. Après la fécondation, ces ARNm fournis par la mère peuvent être traduits en protéines nécessaires aux premiers stades du développement embryonnaire, avant que l'embryon ne soit capable de produire ses propres ARNm et protéines.
Il y a plus de trente ans, les chercheurs ont découvert que les ARNm codant pour une protéine appelée Vg1 sont déposés dans le cytoplasme des œufs de grenouille. "vg1 est célèbre pour être l'un des premiers ARNm maternels reconnus, " dit Rebecca Burdine, professeur agrégé de biologie moléculaire à Princeton. "Une multitude d'articles ont été écrits sur la façon dont cet ARN est localisé et régulé, mais il n'a jamais été clair ce que la protéine Vg1 fait réellement dans l'embryon en développement."
Dans l'étude, Burdine et deux étudiants diplômés Jose Pelliccia et Granton Jindal ont utilisé l'édition de gènes CRISPR/Cas9 pour supprimer Vg1, connu sous le nom de Gdf3 chez le poisson zèbre. Les embryons qui ne pouvaient pas produire de Gdf3 par eux-mêmes, mais qui recevaient une partie saine de l'ARNm gdf3 de leur mère, se sont développés parfaitement normalement. Mais les embryons qui n'ont pas reçu d'ARNm gdf3 maternel ont montré des défauts majeurs au début de leur développement, mourant trois jours seulement après la fécondation.
"Si gdf3 n'est pas fourni à l'œuf par la mère, l'œuf fécondé ne peut pas produire deux des trois principaux types de cellules nécessaires au développement, " a déclaré Burdine. " Les embryons manquent de tous les [types de cellules connus sous le nom] de mésoderme et d'endoderme et il leur reste de la peau et du tissu neural, [qui dérivent du troisième type cellulaire majeur, l'ectoderme]."
Vg1/Gdf3 est un membre de la famille TGF-bêta de molécules de signalisation cellulaire. Deux autres membres de cette famille, Ndr1 et Ndr2, sont nécessaires pour former le mésoderme et l'endoderme au début du développement du poisson zèbre. Les embryons dépourvus de gdf3 fourni par la mère ressemblent beaucoup aux embryons dépourvus de ces deux protéines, qui sont analogues aux protéines Nodal 1 et 2 chez les mammifères.
Par rapport à un embryon de poisson zèbre normal (à droite), un embryon dépourvu de gdf3 (à gauche) hérité de sa mère présente des défauts majeurs résultant de son incapacité à former des cellules du mésoderme et de l'endoderme au début de son développement. Crédit :Pelliccia et al., 2017.
Les chercheurs ont découvert que le gdf3 maternel est nécessaire pour que Ndr1 et Ndr2 signalent aux niveaux nécessaires pour induire correctement la formation de cellules du mésoderme et de l'endoderme chez les premiers embryons de poisson zèbre. En l'absence de gdf3, La signalisation Ndr1 et Ndr2 est considérablement réduite et le développement embryonnaire tourne mal.
La signalisation nodale est également requise plus tard dans le développement du poisson zèbre lorsqu'elle aide à établir des différences entre les côtés gauche et droit de l'embryon en développement. ça fait ça, en partie, en dirigeant la formation d'un organe appelé vésicule de Kupffer, dont la forme asymétrique permet de déterminer les côtés gauche et droit de l'embryon. Ensuite, La signalisation nodale induit l'expression d'une troisième protéine nodale, appelé gaucher, dans un groupe de cellules mésodermiques du côté gauche de l'embryon.
Pour déterminer si l'ARNm gdf3 fourni par la mère joue également un rôle dans la structuration gauche-droite, les chercheurs ont utilisé une série d'astuces expérimentales pour fournir aux embryons suffisamment de protéine Gdf3 pour former le mésoderme et l'endoderme et survivre jusqu'aux derniers stades du développement embryonnaire.
Comme prédit, ces embryons présentaient des défauts de structuration gauche-droite. Leurs vésicules de Kupffer étaient de forme anormalement symétrique, et l'expression du gaucher était considérablement réduite, suggérant que gdf3 est également nécessaire pour une signalisation nodale optimale au cours des derniers stades du développement embryonnaire. À ce stade, cependant, Le gdf3 embryonnaire semble être capable de faire le travail si le gdf3 fourni par la mère est absent.
Les protéines nodales et Vg1 sont connues pour se lier les unes aux autres chez d'autres espèces. "Ainsi, nous émettons l'hypothèse que Gdf3 se combine avec Ndr1 et Ndr2 pour faciliter la signalisation nodale pendant le développement du poisson zèbre, agissant comme un facteur essentiel dans la structuration embryonnaire, " dit Pelliccia, un étudiant diplômé en biologie moléculaire. Le co-auteur Jindal a obtenu son doctorat. en génie chimique et biologique en 2017.
En même temps que Burdine et ses collègues, deux autres groupes de recherche, dirigé par Joe Yost à l'Université de l'Utah et Alex Schier à l'Université Harvard, a fait des conclusions similaires sur le rôle de gdf3 pendant le développement du poisson zèbre. "Les trois groupes ont travaillé ensemble pour co-soumettre et co-publier dans eLife , permettre aux étudiants impliqués d'obtenir tous le crédit pour leur travail acharné, " Burdine a déclaré. "C'est un excellent exemple de la façon dont la science devrait être faite."
