对于所有动物来说,从卵母细胞到胚胎都是一个关键的转变,这意味着发育过程的正式开始。这种转变会使卵母细胞成为能够形成各种细胞类型的全能细胞。
细胞全能性的诱导,需要基因表达发生剧烈的改变。目前,人们主要在转录水平上研究这样的改变。然而Whitehead研究所的Terry Orr-Weaver指出,在发育正式启动的关键时刻,并不存在转录水平上的调控。
“这时有其他机制为细胞赋予全能性,”Orr-Weaver说。“我们看到,随着发育的正式开始,出现了大量翻译水平上的变化。”
为了解析这一过程,Orr-Weaver及其同事将果蝇作为模式系统,在卵母细胞向胚胎转变的过程中,广泛分析了蛋白的翻译情况。他们采用了三种复杂的技术:全面的多聚核糖体分析、核糖体印记分析和定量的质谱分析,并在此基础上获得了迄今未至最为全面的数据。文章于五月二十九日发表在Cell旗下的Cell Reports杂志上。
研究人员惊讶的发现,在卵母细胞向胚胎转变的过程中,有成百上千的mRNA受到了翻译水平上的调控(上调或下调)。而PNG蛋白激酶是这种调控的主要调控子。
Orr-Weaver等人曾在之前的研究中发现,已受精胚胎的有丝分裂起始需要PNG激酶起作用。当时他们认为,PNG激酶的调控效果只是激活少数目标的翻译。但这项最新研究显示,PNG的作用范围非常广,能够对翻译起到正面和负面的影响。
“这一发现很令人意外,”文章的第一作者Iva Kronja说。“我们之前只知道三个受PNG调控的mRNA。现在我们却发现,在卵母细胞向胚胎转变的过程中,PNG控制着大量mRNA的翻译状态(翻译激活mRNA的60%,翻译抑制mRNA的70%)。
此外研究还显示,大约有60种mRNA的翻译被上调,但其生成的蛋白却没有出现相应的水平升高。这种矛盾现象说明,发育之初的翻译激活伴随着蛋白的降解,二者同时发生。在蛋白质组发生重置细胞获得全能性时,这样的补偿机制有助于维持蛋白的总体水平,为胚胎发育做好准备。Kronja相信,细胞中存在着某种质控系统维护上述平衡。
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