体节是脊椎动物在胚胎发育过程中形成的暂时性结构,是脊椎动物发育的基础。体节生成受到分节时钟(segmentation clock)的控制,依赖相关基因的循环表达。现在科学家们发现,一种小RNA是胚胎发育时组织正确分节的关键。
在体节形成的过程中,相关基因处于不断开启和关闭的循环中,该循环模式与不同组织的形成时机相符。如果对这些基因失去了严格控制,体节发育就会出现缺陷,甚至无法形成体节。
研究人员在鸡胚中进行实验,发现一种被称为mir-125a-5p的microRNA负责调控特定基因的循环活性,而这些基因决定着组织分节的形成时机。文章发表在Cell旗下的Developmental Cell杂志上。
体节形成是指脊椎动物胚胎发育时中胚层的组织分节,体节将会最终发育成为肋骨、脊椎和肌肉。在分节时钟的控制下,体节形成的相关基因在合成RNA和蛋白后就会关闭,以此不断循环,直到所有必需体节发育完成。人们将这种循环模式比作体育场上球迷们形成的人浪。现有的分节时钟数学模型显示,相关RNA的半衰期受到了严密控制,但模型无法解释其调控机制。
研究人员希望明确上述循环模式的调控机制,他们注意到microRNA能介导转录本的降解。的确,研究显示mir-125a-5p能够在体节形成过程中,精确控制Lfng基因的活性,而Lfng是与分节时钟相关的重要基因。这种microRNA的缺失,会破坏Lfng基因的循环活性,导致组织发育出现异常。
“当我们干涉这种microRNA的功能时,发现它与其目标的相互作用会产生深远的影响,”文章通讯作者,俄亥俄州立大学的分子遗传学副教授Susan Cole说。“在发育过程中干涉一种microRNA就能造成这么大的差异,是很少见的。如此严密的调控,说明这一机制非常重要。”
研究人员在鸡胚的体节形成时期,让mir-125a-5p失活,阻止这种microRNA与Lfng编码的RNA结合,结果导致鸡胚无法形成正常的体节。研究显示,mir-125a-5p的作用位点是进化保守的,除了鸡以外该位点还存在于人、小鼠和斑马鱼中。因此,很可能上述物种的体节形成也受到这一机制的调节。
研究人员认为,这一发现也有助于理解体节形成阶段的物种差异。例如,就每个体节的形成时间来说,鸡需要90分钟,斑马鱼需要三十分钟,小鼠需要两小时,而人类需要五小时。
未来,Cole打算在哺乳动物中研究上述调控机制,并分析这种调控与疾病进程的关联。分节时钟的缺陷与脊椎畸形等疾病有关,更好的理解体节形成机制,能帮助人们治疗与胚胎发育有关的人类疾病。
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