胚胎迅速超过母亲的遗传启动

从父母那里获得独立是许多生物生命中持久的主题。鸟类必须飞到巢穴，就像哺乳动物必须断奶母乳一样。现在普林斯顿研究人员的一项研究揭示了一种类似的分离戏剧，几乎从生命开始的那一刻开始，早在动物出生或孵化出一个鸡蛋之前。在快速生长的早期阶段，发育中的胚胎必须在用尽其母亲的供应后才开始制造自己的DNA构建块。

该研究于7月25日在线发表于“发育细胞”杂志上，该研究表明，母果蝇最终不会提供快速分裂胚胎所需的DNA构建块的一半以上。研究人员进一步证实，那些最初的母体DNA前体实际上是在胚胎需要自己制造前体的重要酶上制动。因此，只有在母亲的影响减弱之后，胚胎果蝇才能过渡到自给自足。

除了洞察胚胎发生的关键时刻，这项新研究提供的知识可以帮助开发涉及RNR酶的药物，RNR酶是一种关键的目标化疗。

“这项研究说明了包括我们在内的所有动物如何在生命中从生命中开始自己制作这种重要的DNA材料，”论文的主要作者，Lewis-Sigler综合基因组学研究所的博士生Yonghyun Song说。在普林斯顿。“有机体如何弥补它们在胚胎发育过程中不断增长所需的DNA缺陷是一个显而易见的问题，但它从未得到过适当的解决。”

“我们早餐吃鸡蛋的原因是因为它们含有由母亲储存的糖，脂肪和蛋白质，”首席研究员，化学和生物工程教授以及Lewis-Sigler研究所的Stanislav Shvartsman说。“一个单独的卵细胞，在受精时会产生胚胎，同样会被加载。我们在这个研究中回答的问题是，你在什么时候停止依赖你母亲给你的东西?”

在进行研究时，宋在实验室受精后的不同时间收集了果蝇卵。在短短两个小时内，一只苍蝇胚胎从一个受精卵细胞生长成6,000多个个体细胞 - 每个细胞都有一组DNA编码的遗传指令。

在下面的视频剪辑中，两个.5毫米的果蝇卵在大约24小时内发育。左边的未改变的卵发育成幼虫，而右边的卵则表达一种RNR酶的形式，阻止其正常发育。

为了测量DNA构建模块水平的变化，这表明当胚胎开始自己的生产时，宋与纸张合着者Joshua Rabinowitz的实验室合作。普林斯顿大学的化学和综合基因组学教授，Rabinowitz在他的实验室中有一台仪器 - 一台质谱仪，用于识别样品中的生物化学物质的数量。分析表明，一小时的胚胎没有足够的DNA构建块来继续满足尚未形成的数千个新细胞的遗传需求。

然后，一系列药理学和基因工程实验检查了酶命名的核糖核苷酸还原酶(RNR)在创建DNA构建模块中的作用。胚胎改变，因此他们没有产生RNR无法发育进步超过他们已经耗尽母亲的原始储备的时间点。另一方面，胚胎发育早期RNR水平的增加导致DNA构建模块的可用性增加。最后，研究人员设计了一种不能被母亲的DNA前体抑制的RNR形式。果然，当胚胎的RNR以这种方式自由发挥时，新的胚胎驱动的DNA前体制造爆炸了五倍(这导致了飞胚胎的其他发育问题)。

研究人员通过查看有关其他动物的科学文献，包括哺乳动物，青蛙和海胆，进一步验证了他们的结果。在所有这些情况下，后代很快就接管了建立新基因构建块的任务，从而实现了它们的生物独立性。

纽约大学Courant研究所数学与生物学教授亚历克斯·莫吉尔纳(Alex Mogilner)没有参与这项研究，他将结果描述为“令人兴奋的发现”。

Mogilner说：“以前认为早期胚胎中有足够的DNA前体来自母体，在快速分裂和生长的细胞中合成DNA。”该研究不仅表明这一假设是错误的，而且还说明了新的DNA前体是如何在旅途中合成的。“这一发现的一个重要部分是，有一个简单而强大的反馈调节这种从头合成：催化酶RNR受DNA前体本身的数量调节。”

未来的研究将深入研究调节RNR活性的分子机制，这可能为新药指明道路。

“我们在果蝇中建立了一个新的非常强大的系统，用于研究与药物开发相关的胚胎生物化学，”Shvartsman说。“而且，更为根本的是，我们正在更好地了解生活的第一步。”

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