Un nuevo estudio indica un papel esencial para un gen heredado de la madre en el desarrollo embrionario. El estudio encontró que el pez cebra que no pudo heredar instrucciones genéticas específicas de la madre desarrolló defectos fatales antes en el desarrollo, incluso si el pez pudiera hacer su propia versión del gen. El estudio realizado por investigadores de la Universidad de Princeton se publicó el 15 de noviembre en la revista eLife.
Cuando las hembras forman óvulos dentro de sus ovarios, depositan ARN mensajeros (ARNm), una especie de conjunto de instrucciones genéticas, en el citoplasma del óvulo. Después de la fertilización, estos ARNm suministrados por la madre pueden traducirse en proteínas requeridas para las primeras etapas del desarrollo embrionario, antes de que el embrión pueda producir ARNm y proteínas por sí mismo.
Hace más de treinta años, los investigadores descubrieron que los ARNm que codifican una proteína llamada Vg1 se depositan en el citoplasma de los huevos de rana. «vg1 es famoso por ser uno de los primeros ARNm maternos reconocidos», dijo Rebecca Burdine, profesora asociada de biología molecular en Princeton. «Se han escrito una gran cantidad de artículos sobre cómo se localiza y regula este ARN, pero nunca estuvo claro qué hace realmente la proteína Vg1 en el embrión en desarrollo».
En el estudio, Burdine y dos estudiantes graduados, José Pelliccia y Granton Jindal, utilizaron la edición de genes CRISPR/Cas9 para eliminar Vg1, conocida como Gdf3 en el pez cebra. Los embriones que no pudieron producir ningún Gdf3 por sí mismos, pero recibieron una porción saludable del ARNm de gdf3 de sus madres, se desarrollaron con total normalidad. Pero los embriones que no recibieron mRNA de gdf3 materno mostraron defectos importantes al principio de su desarrollo, muriendo solo tres días después de la fertilización.
«Si la madre no suministra gdf3 al óvulo, el óvulo fertilizado no puede producir dos de los tres tipos principales de células necesarias para el desarrollo», dijo Burdine. «Los embriones carecen de todo [cell types known as] mesodermo y endodermo y quedan con piel y algo de tejido neural, [which derive from the third major cell type, the ectoderm].»
Vg1/Gdf3 es un miembro de la familia TGF-beta de moléculas de señalización celular. Se requieren otros dos miembros de esta familia, Ndr1 y Ndr2, para formar el mesodermo y el endodermo en las primeras etapas del desarrollo del pez cebra. Los embriones que carecen de gdf3 suministrado por la madre se parecen mucho a los embriones que carecen de estas dos proteínas, que son análogas a las proteínas Nodal 1 y 2 en los mamíferos.
Los investigadores encontraron que se requiere gdf3 materno para que Ndr1 y Ndr2 emitan señales a los niveles necesarios para inducir adecuadamente la formación de células de mesodermo y endodermo en embriones tempranos de pez cebra. En ausencia de gdf3, la señalización de Ndr1 y Ndr2 se reduce drásticamente y el desarrollo embrionario se altera.
La señalización nodal también se requiere más adelante en el desarrollo del pez cebra cuando ayuda a establecer diferencias entre los lados izquierdo y derecho del embrión en desarrollo. Hace esto, en parte, dirigiendo la formación de un órgano conocido como vesícula de Kupffer, cuya forma asimétrica ayuda a determinar los lados derecho e izquierdo del embrión. Posteriormente, la señalización de Nodal induce la expresión de una tercera proteína de Nodal, llamada zurda, en un grupo de células del mesodermo en el lado izquierdo del embrión.
Para investigar si el ARNm de gdf3 suministrado por la madre también juega un papel en el patrón de izquierda a derecha, los investigadores utilizaron una serie de trucos experimentales para suministrar a los embriones suficiente proteína Gdf3 para formar el mesodermo y el endodermo y sobrevivir hasta las últimas etapas del desarrollo embrionario.
Como se predijo, estos embriones mostraron defectos en el patrón de izquierda a derecha. Sus vesículas de Kupffer tenían una forma anormalmente simétrica y la expresión de la pata zurda se redujo considerablemente, lo que sugiere que gdf3 también es necesario para una señalización nodal óptima durante las últimas etapas del desarrollo embrionario. En esta etapa, sin embargo, el gdf3 embrionario parece ser capaz de hacer el trabajo si el gdf3 suministrado por la madre está ausente.
Se sabe que las proteínas nodales y Vg1 se unen entre sí en otras especies. «Por lo tanto, planteamos la hipótesis de que Gdf3 se combina con Ndr1 y Ndr2 para facilitar la señalización nodal durante el desarrollo del pez cebra, actuando como un factor esencial en el patrón embrionario», dijo Pelliccia, estudiante de posgrado en biología molecular. El coautor Jindal obtuvo su Ph.D. en ingeniería química y biológica en 2017.
Al mismo tiempo que Burdine y sus colegas, otros dos grupos de investigación, dirigidos por Joe Yost de la Universidad de Utah y Alex Schier de la Universidad de Harvard, hicieron hallazgos similares sobre el papel de gdf3 durante el desarrollo del pez cebra. «Los tres grupos trabajaron juntos para presentar y publicar conjuntamente en eLifelo que permite que todos los estudiantes involucrados obtengan crédito por su arduo trabajo», dijo Burdine. «Es un gran ejemplo de cómo se debe hacer ciencia».
