Nowe badania to pokazują DNA replikacja we wczesnych zarodkach myszy nie przebiega według oczekiwanych wzorców obserwowanych w starszych komórkach.
Nowe odkrycie dokonane przez naukowców z RIKEN Center for Biosystems Dynamics (BDR) w Japonii obala dziesięciolecia założeń dotyczących replikacji DNA. Eksperymenty prowadzone pod kierunkiem Ichiro Hirataniego i współpracowników opublikowane 28 sierpnia w czasopiśmie Nature pokazują, że replikacja DNA we wczesnych embrionach różni się od tego, czego wykazały wcześniejsze badania i obejmuje okres niestabilności, który jest podatny na błędy kopiowania chromosomów. Ponieważ nieudane ciąże i zaburzenia rozwojowe są często powiązane z nieprawidłowościami chromosomowymi, odkrycia mogą mieć wpływ na dziedzinę medycyny reprodukcyjnej, być może prowadząc do udoskonalenia metod zapłodnienia in vitro (IVF).
Wczesna embriogeneza i replikacja DNA
Podczas embriogenezy początkowo zapłodnione jajo dzieli się, podobnie jak każdy nowy zestaw komórek potomnych. Trzeciego dnia po zapłodnieniu zarodek ulega trzem podziałom i zawiera 16 komórek. Każdemu podziałowi komórki towarzyszy replikacja DNA, dzięki czemu każda komórka potomna zawiera kopię całego genomu.
W swoim nowym badaniu zespół badaczy RIKEN BDR postanowił scharakteryzować naturę procesu replikacji DNA we wczesnych stadiach rozwoju embrionów. Wykorzystali swoją domową technikę genomiki jednokomórkowej o nazwie scRepli-seq i zastosowali ją do rozwijających się zarodków myszy. Dzięki tej technologii zespół był w stanie wykonać migawki DNA pojedynczej komórki embrionalnej w różnych momentach okresów replikacji DNA. To, co odkryli, zaprzeczało temu, co naukowcy zakładali na temat replikacji DNA w embrionach.
„Podczas wczesnej embriogenezy myszy odkryliśmy wiele wyspecjalizowanych typów replikacji DNA, których nikt wcześniej nie widział” – mówi Hiratani. „Ponadto odkryliśmy również, że w pewnych momentach genomowy DNA jest chwilowo niestabilny, a aberracje chromosomowe są podwyższone”.
Odkrycie unikalnych wzorców replikacji we wczesnych zarodkach
Podręczniki mówią nam, że DNA nie replikuje się w całości na raz. Zamiast tego różne regiony chromosomu są duplikowane w określonej sekwencji. Pierwszym odkryciem zespołu było to, że domeny czasu replikacji obserwowane w dojrzałych komórkach nie istnieją, dopóki zarodek nie będzie miał 4 komórek. Oznacza to, że w przeciwieństwie do innych komórek w ostatecznym ciele, DNA replikuje się równomiernie, a nie sekwencyjnie, w embrionach 1- i 2-komórkowych.
Za każdym razem, gdy część chromosomu rozwija się w celu replikacji, obszary DNA rozpinają się, tworząc strukturę wyglądającą jak rozwidlenie dróg. Aby replikacja mogła przebiegać, widełki muszą przesunąć się w dół nici DNA, ponownie zapinając skopiowane regiony i rozpakowując następną sekcję. Drugim odkryciem zespołu było to, że prędkość widełek jest znacznie mniejsza na etapach embriogenezy 1, 2 i 4 komórek niż po etapie embriogenezy na 8 komórkach. Zarodek 4-komórkowy można obecnie postrzegać jako etap przejściowy, podczas którego jednolita replikacja DNA staje się sekwencyjna, przy jednoczesnym powolnym ruchu widełek, charakterystycznym dla zarodków 1- i 2-komórkowych. Natomiast zarodki 8-komórkowe są znacznie bardziej podobne do komórek dojrzałych, wykazując sekwencyjną replikację i szybki ruch widełek.
Konsekwencje błędów replikacji DNA
Błędy w replikacji DNA w ciągu pierwszych kilku dni po zapłodnieniu często skutkują nieprawidłowościami chromosomowymi, takimi jak dodatkowe kopie, brakujące kopie, przerwy w kopiach lub niekompletne kopie. Niektóre z tych błędów w kopiowaniu prowadzą do poronienia, podczas gdy inne prowadzą do zaburzeń rozwojowych, takich jak zespół Downa, znany również jako trisomia 21. Trzecim odkryciem zespołu było to, że częstotliwość błędów kopiowania chromosomów była tymczasowo podwyższona u zarodków we wczesnym stadium, najczęściej w okresie Etap 4-komórkowy.
Naukowcy ponownie wykorzystali scRepli-seq, tym razem do wykrycia nieprawidłowości w liczbie kopii chromosomów. Odkryli, że podczas przejścia między etapami 1 i 2 ogniw lub między etapami 8 i 16 ogniw wystąpiło bardzo niewiele błędów. Z drugiej strony 13% komórek wykazywało nieprawidłowości chromosomalne podczas przejścia między etapami 4- i 8-komórkowymi, prawdopodobnie z powodu błędów kopiowania podczas etapu 4-komórkowego. Dalsze testy wykazały, że błędy kopiowania na tym etapie były związane z wolno poruszającymi się widłami.
Przyszłe badania i zastosowania kliniczne
„Nasze odkrycia prowadzą do wielu nowych pytań” – mówi Hiratani. „Na przykład, czy te serie zjawisk są ewolucyjnie zachowane w innych gatunekłącznie z ludzkimi embrionami? I jakie są dalsze losy komórek z aberracjami chromosomowymi?” Oprócz ukierunkowania badań podstawowych w przyszłości, odkrycie to może pomóc klinikom zajmującym się zapłodnieniem w opracowaniu lepszych strategii minimalizowania nieprawidłowości chromosomalnych, które są częste w ciągu pierwszych kilku dni po zapłodnieniu.
Odniesienie: „Niestabilność genomu embrionalnego po pojawieniu się programu synchronizacji replikacji DNA” autorstwa Saori Takahashi, Hirohisa Kyogoku, Takuya Hayakawa, Hisashi Miura, Asami Oji, Yoshiko Kondo, Shin-ichiro Takebayashi, Tomoya S. Kitajima i Ichiro Hiratani, 28 sierpnia 2024 r., Natura.
DOI: 10.1038/s41586-024-07841-y
