В неоплодотворенных яйцеклетках морских ежей не прекращается синтез белков

Российский биолог из Лаборатории клеточных технологий Национального научного центра морской биологии им. А. В. Жирмунского Дальневосточного отделения РАН представил обзорную статью, в которой на основе литературных данных показывается возможная роль синтеза белка, проходящего в неоплодотворенных яйцеклетках морских ежей. Хотя механизм этого процесса до сих пор не до конца понятен, он может способствовать формированию особенностей репродуктивной системы морских ежей. Обзорная статья опубликована в журнале Cell Biology International.

Ученые считают, что в неоплодотворенных яйцеклетках не происходит ни транскрипции, ни трансляции — процессов, которые необходимы для наработки белков. Вместо этого неоплодотворенные яйцеклетки содержат материнскую матричную РНК (мРНК) и белки, накопленные во время оогенеза (процесса созревания яйцеклетки). Эти соединения важны для поддержания метаболизма в женских половых клетках и для ранних стадий развития зародыша. Данные о том, что в яйцеклетках не происходит транскрипции и трансляции до оплодотворения, биологи получили на ряде модельных животных, включая плодовых мушек Drosophila melanogaster, нематод Caenorhabditis elegans, рыб Danio rerio, лягушек Xenopus laevis и других. После оплодотворения же сначала запускается трансляция — синтез белков по матрице мРНК, — а затем — транскрипция — синтез РНК по матрице ДНК.

Биологи считают морских ежей важными модельными животными для биологии развития, на примере которых можно изучать механизмы оплодотворения и эмбриогенеза. Это связано с особенностями репродуктивной стратегии этих животных. Для каждого нереста они вырабатывают десятки и сотни тысяч гамет — половых клеток, которые можно использовать для исследований. Яйцеклетки у морских ежей формируются асинхронно, то есть в яичниках содержатся половые клетки на разных стадиях созревания. Яйцеклетки хранятся в просветах половых желез в течение недель или месяцев до наступления нереста, при котором яйцеклетки выбрасываются в морскую воду, где и происходит их оплодотворение. С 50-х годов прошлого века ученые считали, что в женских половых клетках морских ежей, как и в яйцеклетках многих других животных, до оплодотворения не происходит ни транскрипции, ни трансляции. Однако впоследствии более свежие исследования, в которых использовались современные «омиксные» технологии, показали, что в неоплодотворенных яйцеклетках морских ежей все-таки происходит трансляция, хоть и на низком уровне. При этом транслируется лишь часть материнских мРНК.

В обзорной статье российский ученый значительное внимание уделил одной из такой работ, авторы которой определяли мРНК, с которых происходит активное считывание белков. Это исследование показало, что 7% транскриптов считываются как до, так и после оплодотворения яйцеклетки, а еще 10% транслируются только до оплодотворения. После оплодотворения трансляция происходила более чем в трети транскриптов.

Биолог также собрал данные о том, какие белки синтезируются в яйцеклетках до оплодотворения. Те белки, что синтезируются как до оплодотворения, так и после него, нужны для сохранения гомеостаза — «баланса» химического состава в яйцеклетках, поддержания в них обмена веществ. Похожим образом нарабатываются белки, отвечающие за регуляцию клеточного цикла и эмбриональное развитие. Однако вплоть до оплодотворения — но не после него — синтезируются белки, необходимые для активации яйцеклетки и ее слияния с мужской половой клеткой. Автор предполагает, что синтез этих белков нужен для обновления пула белков в яйцеклетке, так как при ее длительном хранении они разрушаются и теряют свои функции. Это, в свою очередь, может помешать оплодотворению яйцеклетки и развитию эмбриона, поэтому морским ежам и нужно постоянно пополнять «арсенал» белков в яйцеклетках.

«Пока остается неясным, существует ли синтез белков в яйцеклетках до их оплодотворения у других животных со сходной репродуктивной стратегией, при которой каждая особь нарабатывает большое количество гамет для массового нереста. Однако можно сказать, что наличие трансляции до оплодотворения у морских ежей имеет определенную биологическую роль. Возможно, это способствовало формированию репродуктивных механизмов морских ежей, при которых яйцеклетки формируются асинхронно и накапливаются в яичниках до нереста, а фертильность и потенциал развития яйцеклеток поддерживаются в течение определенного времени за счет обновления пула функционально активных белков», — прокомментировал Константин Яковлев, автор статьи, ст.н.с. Лаборатории клеточных технологий ННЦМБ ДВО РАН.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».