VASA-LIKE GENES

The function and regulation of vasa-like genes in germ-cell development

Erez Raz
Genome Biology 2000 1(3): reviews1017.1-1017.6

http://genomebiology.com/2000/1/3/reviews/1017/

Germ-cell development in vertebrates and invertebrates

У размножающихся половым путем организмов primordial germ cells (PGCs) дают гаметы, которые ответственны за развитие нового организма следующего поколения. Эти клетки д.оставаться титипотентными - способными дифференцироваться в любой тип клеток всех органов. У большинства организмов поддержание тотипотентности обеспечиывается спецификацией зародышевых клеток в раннем эмбриогенезе.
Микроскопический анализ и эмбриологические эксприменты на Drosophila и Caenorhabditis elegans показали, что асимметричное расположение цитоплазматических детерминант - зародышевой плазмы - отвечает за раннюю спецификацию зародышевой линии. УDrosophila. напр., детерминантны цитоплазматической зародышевой плазмы концентрируются на заднем полюсе эмбриона в 'полярной плазме', они предпопредляют судьбу в направлении зародышевых клеток, если трансплантируются в эктопическое место. У мутантов, у которых образование этих детерминант нарушено нарушено и образование заодышевой плазмы. Полярная плазма характеризуется присутствием полярных гранул, электрон-плотных структур без мембран, которые содержат много РНК и белков и которые ассоциированы с митохондриями. Распределение полярной плазмы коррелирует с местом образования PGC. На базе их уникальной морфологии компоненты зародышевой плазмы были идентифицированы и у др. организмов, таких как C. elegans (где они называются P гранулами), Xenopus laevis (зародышевые гранулы), кур и рыбок данио.
Спецификация зародышевой линии отлична у млекопитающих. Установлено, что имеются наследуемые цитоплазматические факторы, участвующие в спецификации зародышевых клеток, но зародышевые клетки индуцируются благодаря межклеточным взаимодействиям во время гаструляции. Морфологически отличимая зародышевая плазма не идентифицируется у ранних эмбрионов млекпитающих. Кроме того яйцеклетки мыши, у которых экспреиментально удален анимальный или вегетативный полюс, развиваются в плодовитых мышей. Зародышевые клетки мыши возникают непосредственно перед и во время ранней гаструляции вокруг проксимальной части эпибласта по соседству с внеэмбриональной областью. Эти клетки на этой стадии еще не детерминированы стать зародышевой линией и при трансплантации в дистальные части они развиваются в соматические ткани. Дистальные же клетки, которые предназаныены давать соматические клетки, м. развиваться в зародышевые клетки, будучи трансплантированными в область, где обычно формируются зародышевые клетки. В самом деле формирование родоначальной популяции PGCs у мышей зависит от функции по крайней мере от одного внеклеточного фактора - bone morphogentic protein 4 (Bmp4).

Homologs of vasa in invertebrates and vertebrates

Ген vasa первоначально идентифицирован у Drosophila как ген с материнским эффектом, необходимый для формирования абдоминальных сегментов и для спецификации зародышевых клеток. Белок Vasa м.б. обнаружен к клетках зародышевой линии Drosophila благодаря их развитию у ранних эмбрионов и локализации в полярных гранулах. Эмбрионы Drosophila, которые наследуют мутантные материнские vasa РНК и белок не способны формировать зародышевые клетки, а самки, несущие нулевые мутации vasa обнаруживают ряд дефектов в оогенезе. Генvasa кодирует ATФ-зависимую РНК хеликазу из семейства DEAD-box и необходим для обеспечения трансляции по крайней мере двух известных РНК, nanos и gurken.
 Vasa-плжлюгые DEAD-box RNA helicase гены, экспрессирующиеся в зародышевых клетках, идентифицированы во многих линиях, включая мышей, крыс, лягушек, рыбок данио и медака (Oryzias latipes), кротов, планарий, кур, асцидий, нематод, шелковичного червя, человека и мучного хрущика

(Табл.1) Expression and function of vasa homologs*

Распределение vasa РНК или белка детерминируется на разных  стадиях развития у этих видов. Фенотипы при потери функции vasa у мух, мышей и нематод предоставляют прямые доказательства роли  vasa в развитии зародышевых клеток у этих организмов. Использование  vasa в качестве молекулярного маркера позволяет проследить пути миграции зародышевых клеток и установить место, откудa эти клетки происходят.

Regulation of expression and subcellular localization of vasa-like gene products

Как видно из Табл. 1, vasa РНК экспрессируется в зародышевых клетках большинства организмов. Напр., vasa РНК униформно распределена у ранних эмбрионов Drosophila , но белок обнаруживается локализованным на заднем полюсе, где он ассоциирует с полярными гранулами в зародышевой плазме. Сходные различия между экспрессией РНК и белка описаны также у  Xenopus и нематод.
Анализ распределения продукта гена vasa у рыбок данио выявил уникальное и неожиданное отличие  в локализации РНК и белка.  РНК локализуется во всех процессах, связанных с микротрбочками в виде нового паттерна в первой и второй плоскости  дробления у ранних эмбрионов zebrafish. Кроме того было установлено, что агрегаты  vasa РНК располагаются в электрон-плотных матриксах, сходных со структурами зародышевой плазмы у др. организмов.   Локализация  vasa РНК в зародышевой плазмепозволяет ей в точности следователь распределению зародышевой плазмы в клетках ранних эмбрионов. Вплоть да стадии поздней бластулы четыре клетки, которые содержат зародышевую плазму, делятся асимметричено, так что только один бластомер  после каждого деления наследует зародышевыу плазму, меченную vasa РНК; они и станут позднее PGCs. Ближе к концу стадии бластулы РНК заполняет цитоплазму vasa-позитивных клеток и начинает наследоватеься обеими дочерними клетками после каждого деления.  Распределение белка Vasa protein на этих ранних стадиях развития отличается от распределения РНК , Когда vasa РНК асимметрично сегрегирует в будущие  PGCs, белок Vasa униформно распределен в цитоплазме всех бластомеров. Этот инициальный паттерн экспрессии белка меняется на стадии поздней бластулы , когда  строгая экспрессия белка обнаруживается в зародышевых клетках, которые теперь делятся симметрично.  В то же время распределение бкла внутри клеток становится околоядерным.
Учитывая, что Vasa белок участвует в становлении функциональной зародышевой плазмы и в спецификации  зародышевых клеток у др. организмов, эти находки у рыбок данио  выглядят парадоксально. У Drosophila, напр., мутации с потерей функции vasa затрагивают образование полярной плазмы, влияя или на биохимическую активность белка или локализацию.  У zebrafish vasa РНК, скорее, чем белок, инициально локализуется в зародышевой плазме. Имеется несколько возможных объяснений. Согласно одному из них у zebrafish  vasa RNA а не белок важен для ранней детерминации зародышевой плазмы. Важно отметить, однако, что у данио vasa РНК экспрессируемая эктопически не способна сама по себе менять число или позицию PGCs. Более того, клонирование гомолога  vasa медака и анализ паттерна ее экспрессии показал, что у этой рыбы, которая подобно данио является teleost, РНК униформно экспрессируется вплоть до гаструляции, когда специфичная для зародышевых клеток жкспрессия начинает обнаруживаться.

Др. возможным объяснением парадокса является то, что хотя большинство Vasa белков униформно распределено во всех клетках, он активен только в зародышевых клетках в результате клеточно-специфических пост-трансляционных модификаций. Активность Vasa на самом деле м.ю. изменена пост-трансляционными модификациями, как это описано в оогенезе Drosophila. Наконец, м.б., что высокие концентрации белка Vasa в зародышевых клетках  м.б. результатом трансляции матеранской локализованной РНК . В этом сценарии локализация  vasa РНК и возможно др. РНК важно для детерминации зародышевых клеток,  она генерирует высокие уровни этих белков в некоторых клетках, тем самым генерируя муть дифференцировки зиготических PGC. Недавно был клонирован vasa-подобный ген из 'short germ band' жучка, чей эмбриогенез представляет собой более родоначальную форму эмбриогенеза насекомых.  У Tribolium castaneum распределение vasa РНК более напоминает то, что у рыбок данио, скорее, чем у  'long germ band' Drosophila. После раннего униформного распредения  РНК  Tribolium vasa РНК, по-видмому, локализуется исключительно в задней части раннего эмбриона, где формируются  зародышевые клетки.

The function of vasa in germ-cell development

Функция гена  vasa следует из паттерна его экспрессии у разных организмов и из фенотипческого аналаиза животных с отсутствием функционального гена.  За исключением мышей  (и возможно др. млекопитающих), продукт гена vasa экспрессируетсяв или локализуется в PGCs очень рано в развитии, что согласуется с идеей, что его активность необходима для спецификации этого клона клеток. У планарий, у которых гомолог vasa экспрессируется также в соме, соматические клетки, которые экспрессируют ген идентифицированы и в  neoblasts - в тотипотентных типах клеток, которые функционируют в регенерации. Функция vasa м., следовательно, б. описана как важная для сохранения тотипотентности.  Один из механизмов сохранения тотипотентности - это ингибирование экспресси генов, которые ведут к соматической дифференцировке. Непрямая роль vasa в транскрипционном ингибировании предполагается, исходя из того, что одна из мишеней Vasa, nanos, м. репрессировать экспрессию гена в зародышевой линии  Drosophila germline.
У мышей, где зародышевые клетки индуцируются благодаря межклеточным взаимодействиям скорее, чем за счет материнских цитоплазматических детерминант,  экспресссия vasa инициируется довольно поздно. Vasa экспрессируется в PGCs , когда они достигнут гонад, и экспрессия индуцируется за счет взаимодействия мкжду зародышевыми и соматическими клетками развивающихся гонад. Экспрессия  vasa на этой стадии у мышей, а также у всех др. организмов описана выше, и она отражает потребность в продукте этого гена для дифференцировки зародышевых клеток в гаметы.  В самом деле, потеря  функции vasa у мышей затрагивает дифференцировку зародышевых клеток самцов , вызывая из стерильность  (иного феноипа не выявлено у нокаутных мышей). Сходным образом поздняя функция vasa во время гаметогенеза описана у нематод и мух. Первые механистические доказательства, связаные с прогрессией в дифференцировке гамет и функцией vasa, показали, что мейотическая  checkpoint во время оогенеза у Drosophila , по-видимому, контролирует активность белка Vasa.

The search for new factors involved in germ-cell development

Геномное секвенирование и доступность библиотеки expressed sequence tag (EST)позволяет сейчас идентифицировать гомологи с помощью скрининга базы данных др. организмов. Выявление новых генов, важных для развития зародышевых клеток, назрело. При использовании ДНК microarray chips и ткане-специфичных зондов позволит идентифицировать гены, специфически экспрессирующиеся в зародышевых клетках. Дрожжевая двугибридная система м.б. использована для выявления новых белков, которые физически взаимодействуют с ранее идентифицированными генными продуктами. Кроме того, скрининг библиотек кДНК с помощью гибиридзации in situ поможет идентифицировать новые гены. Этот подход ведет к идентификации  мнгих гомологов известных генов.  Функциональный анализ генов рыбок данио, выделенных с помощью такого  'reverse' генетичекого подхода возможен при использовании   morpholino антисмысловых олигонуклеотидов, которые ингибируют трансляцию их специфических мРНК у этого организма.


Сайт создан в системе uCoz