Protein “kiri” mengontrol perkembangan embrio dengan ketat

Sebuah protein yang dikenal sebagai lifty memompa rem saat embrio manusia mulai berdiferensiasi menjadi tulang, jaringan lunak, dan organ yang membentuk kita.

Protein penghambat ini sangat penting selama tahap awal kehidupan ketika nasib sel induk embrionik ditentukan oleh jalur sinyal ganglion, menurut ahli biologi Rice University.

Eksperimen yang dilakukan oleh laboratorium Rice Aryeh Warmflash yang dipimpin oleh peneliti pascadoktoral Lizhong Liu telah memvisualisasikan untuk pertama kalinya mekanisme interaksi Nodal dan Lefty untuk menentukan rencana tubuh masa depan dalam embrio mamalia.

Hasil mereka muncul di jurnal akses terbuka Komunikasi Alam.

Studi ini menunjukkan tidak hanya bagaimana molekul sinyal streptokokus, yang dikenal sebagai morfogen, disaring oleh Lifty tetapi juga bahwa protein streptokokus dilewatkan langsung dari sel ke sel, menghasilkan node baru yang ditranskripsi oleh penerima. Pada saat yang sama, gelombang transkripsi kiri dipicu secara sementara dalam sel ketika mereka pertama kali menerima Nodal, yang mengatur kecepatan gelombang.

“Pada dasarnya, kami menunjukkan bahwa alih-alih gradien pembentukan protein dan orientasi sel menjadi jenis sel yang berbeda, molekul yang terlibat tidak berdifusi sama sekali,” kata Tumor Flash. “Sebaliknya, sel-sel menyampaikan sinyal sehingga setiap sel menghasilkan sinyal dan meneruskannya ke tetangganya, menyebabkan tetangga memancarkannya dan seterusnya. Ini seperti permainan telepon.”

Model eksperimental unik yang dikembangkan Warmflash dan timnya selama bertahun-tahun memungkinkan untuk melihat tahap awal gastrulasi, di mana tahap awal diferensiasi terjadi. Koloni sel yang melingkar tidak menyerupai embrio dan mengikuti cara yang sudah mapan, tetapi sel berkomunikasi dan berinteraksi secara realistis saat mereka berdiferensiasi menjadi tiga lapisan germinal yang berbeda—ektoderm, mesoderm, dan endoderm—dari pusat ke tepi.

Namun pada kenyataannya, visualisasi protein nodal sampai sekarang masih bermasalah. Untuk studi baru, Liu menemukan cara untuk menambahkan tanda berpendar Untuk protein streptokokus yang tidak mempengaruhi proses lambung dengan cara apa pun.

“Kami perlu memastikan tanda fluoresen tidak mempengaruhi fungsi,” kata Liu, yang menghabiskan dua tahun mencari solusi. “Karena penandanya sangat besar – pada dasarnya setengah dari molekul yang menyatu dengan protein streptokokus – kami tidak tahu apakah itu akan memengaruhi sekresi (oleh sel) atau proliferasi.”

Setelah dipastikan bahwa tanda itu jinak, lab mulai melacak kemajuan Nodal hingga 42 jam dalam konfigurasi koloni yang berbeda dan dengan atau tanpa dua varian manusia Lefty. Mereka menemukan bahwa tanpa kehadiran yang terangkat, penyebaran nodal berkembang menuju pusat koloni lebih cepat.

Kemampuan untuk melacak protein individu dalam sistem mamalia dapat mengarah pada penemuan tentang mekanisme morfogen dan penghambatnya mengklaim wilayah mereka, kata Liu.

Secara tradisional, pola tersebut diperkirakan muncul karena beberapa protein menyebar lebih cepat daripada yang lain, kata Liu. Aktivitas nodal lokal dapat menyebabkan produksi Lefty, yang menyebar lebih jauh dari Nodal dan membatasi sinyal ke wilayah dengan ukuran tertentu, sebuah teori yang katanya belum diuji secara ketat.

Yang mengejutkan para peneliti, pengamatan langsung partikel endogen tidak menunjukkan tanda-tanda penyebaran nodal. Sebaliknya, gelombang yang bergerak ke dalam adalah hasil dari protein ganglion baru yang diproduksi oleh setiap sel dan kemudian merangsang tetangganya untuk melakukan hal yang sama.

Laboratorium mampu menunjukkan bahwa ini penting untuk gelombang dengan membentuk sel-sel yang kekurangan protein nodul. Sel-sel ini dapat menerima sinyal tetapi tidak meneruskannya ke tetangga mereka.

Para peneliti juga menemukan bahwa sementara Lefty tidak umum dalam uji coba perut, ia dapat bergerak dalam rentang yang jauh lebih lama dalam konteks lain.

“Kami ingin memahami apa yang menentukan penyebaran protein kiri dengan cara yang bergantung pada konteks,” kata Liu. “Apakah ini karena dua varian Lefty manusia menunjukkan proliferasi dan pola ekspresi yang berbeda? Sulit untuk menjawab pertanyaan ini, karena mereka sangat mirip pada tingkat DNA dan asam amino. Kita harus mencari cara untuk membedakannya. .”

“Hal lain yang kami minati adalah mencari tahu bagaimana Nodal dan Lefty berkolaborasi dengan faktor-faktor lain untuk menentukan sumbu tubuh,” katanya. “Di mana kepalanya, di mana ekornya, dan di mana sisi kiri dan kanannya? Kita tahu bahwa Nodal bekerja dengan koreseptor untuk melakukan ini pada ikan zebra, tetapi pada mamalia tingkat tinggi. selmasa depan bersama mungkin secara fundamental berbeda.”