Роль зародышевых гранул оказалась шире простого хранения мРНК
Материнские матричные РНК (мРНК) в цитоплазме незрелой яйцеклетки критически важны для запуска эмбрионального развития. После оплодотворения они передаются зиготе и служат единственным шаблоном для производства белков на ранних этапах, пока не активируются собственные гены эмбриона.
Многие материнские мРНК хранятся в рибонуклеопротеидных (RNP) гранулах — мембран-независимых компартментах (конденсатах) в яйцеклетках и эмбрионах. Считается, что эти гранулы удерживают мРНК в «приостановленном» состоянии до момента, когда закодированные белки понадобятся после оплодотворения.
Один из типов RNP-гранул — зародышевые гранулы — находится в зародышевой плазме эмбриона, области, дающей начало половым клеткам (гаметам). Лаборатория Рут Леманн изучает, как эти гранулы локализуют и регулируют материнские мРНК.
Новое исследование, опубликованное в Nature Cell Biology 4 июля, показывает, что роль зародышевых гранул у плодовой мушки (Drosophila melanogaster) не ограничивается хранением. Они также активно участвуют в трансляции конкретной материнской мРНК — nanos, — которая критична для формирования половых клеток и брюшного отдела организма.
«Традиционно RNP-гранулы считали «мёртвой зоной» для трансляции, — говорит аспирант Руою Чен. — Но с помощью высокого разрешения визуализации мы показали, что поверхность этих гранул — это платформа для трансляции мРНК nanos».
Гранулы как хранилища и активные площадки
Белок Nanos определяет судьбу клеток, направляя их развитие в половую линию, а также устанавливает план тела эмбриона, формируя задний (брюшной) конец. Мутации в гене nanos приводят к стерильности, а нарушение функции белка — к летальному исходу (эмбрионы без брюшка).
Инструкция (мРНК nanos) распределена по всему эмбриону, но сам белок Nanos обнаруживается только там, где есть зародышевые гранулы. В других областях трансляцию мРНК nanos подавляет регуляторный белок Smaug, связываясь с нетранслируемым участком мРНК (3' UTR).
Исследователи совместили высокое разрешение визуализации с системой SunTag для отслеживания трансляции мРНК nanos на уровне отдельных молекул внутри гранул.
«Мы обнаружили, что когда мРНК nanos транслируется, она слегка выступает с поверхности гранул, как змея, выглядывающая из коробки, — говорит Чен. — Но она не может выйти полностью: её «задний» конец (3' UTR) остаётся внутри гранулы. Когда РНК не транслируется, её конец скручивается и скрыт внутри».
Механизм включения трансляции
Учёные выяснили, что нетранслируемый участок (UTR) мРНК nanos, скрытый внутри гранулы, играет ключевую роль, локализуя мРНК внутри гранул. Это защищает её от подавления Smaug и способствует производству белка Nanos.
Однако, вопреки простой модели защиты, оказалось, что Smaug не отсутствует, а обогащён внутри зародышевых гранул. Это указывало на наличие механизмов внутри гранулы, которые противодействуют его ингибирующему эффекту.
Ключевым элементом оказался белок Oskar (открытый Леманн в 1986 году). Он действует как каркасный белок, инициируя формирование зародышевых гранул и направляя мРНК (включая nanos) к ним. Исследователи создали модифицированную версию белка Oskar, которая сохраняла способность формировать гранулы и локализовать в них мРНК nanos, но не рекрутировала Smaug в гранулы.
В таких гранулах с мутантным Oskar наблюдалось значительное снижение трансляции мРНК nanos.
Вывод: Oskar регулирует трансляцию nanos, рекрутируя Smaug в гранулы, а затем нейтрализуя его репрессивное действие.
«Конденсаты из РНК и белков есть в цитоплазме почти каждой клетки, и считается, что они опосредуют хранение или транспорт мРНК, — говорит Рут Леманн. — Но наши результаты дают новое понимание биологии конденсатов, предполагая, что они также могут использоваться для специфической трансляции хранимых мРНК».
В ооците зародышевые гранулы «молчат» и активируются только после оплодотворения.
«Это говорит о том, что могут существовать и другие «переключатели» трансляции внутри конденсатов на раннем развитии, — добавляет Леманн. — Как это достигается и можно ли этим управлять — вопрос будущего».