Erforschen der Funktionen neu-entdeckter translatierter Regionen

Es wurde weitgehend angenommen, dass die meisten Proteine mit wichtigen Funktionen während der Embryogenese bereits seit dem Ende des letzten Jahrhunderts bekannt waren. Die Überraschung war daher groß, als Wissenschaftler auf der ganzen Welt in den letzten Jahren entdeckten, dass eine viel größere Zahl an Regionen in den sogenannten messenger RNAs (Boten-RNAs) in Proteine und kurze Peptide übersetzt (translatiert) werden als bisher erwartet. Hunderte von diesen neu-identifizierten Regionen wurden vorhergesagt, relativ kurze aber evolutionär konservierte Proteine herzustellen. Diese kleinen Proteine, die eventuell aufgrund ihrer kurzen Länge in früheren Studien übersehen worden waren, haben das Potential, wichtige Funktionen auszuführen. Die Mehrheit der neu- identifizierten translatierten Regionen scheint allerdings keine konservierten Proteine herzustellen und könnte stattdessen regulierende Funktionen haben. Das primäre Ziel dieses Projektes ist es, Funktionen der neu-entdeckten translatierten Regionen während der Embryonalentwicklung zu identifizieren. Wir werden dieses spannende, unerforschte Gebiet auf drei verschiedenen Ebenen angehen: Zum einen werden wir den molekularen Mechanismus eines bereits bekannten, essentiellen kurzen Protein namens Toddler/Apela erforschen, das ich während meines Postdocs entdeckt habe. Während Toddlers grundsätzliche Funktion für die Embryonalentwichlung bekannt ist sind die molekularen und zellulären Mechanismen, durch die Toddler Zell-Wanderung and Zell-Form reguliert, noch unklar. Die Entdeckung von Toddler hat gezeigt, dass bisher unbekannte Proteine mit wichtigen Funktionen existieren. In einem zweiten Ansatz werden wir die Funktionen von 30 weiteren neu-identifizierten Proteinen/Peptiden durch Erzeugen von Mutanten analysieren. Voruntersuchungen haben bereits einen neuen Kandidaten entdeckt ein Protein, das für die Befruchtung benötigt wird und das wir im Detail auf genetischer und molekularer Ebene weiter charakterisieren werden. In einem dritten, explorativen Ansatz werden wir das Funktionsspektrum von regulatorischer Translation während der Embryogenese erforschen. Dieses Projekt wird eine Kombination von molekularen, genetischen (Knockout-Mutanten-Generation), zellbiologischen(Live Cell Imaging), genomischenund computergestützten Techniken verwenden. Diese Studien werden gezielte Einblicke in die Funktionen, Mechanismen und regulatorische Prinzipien neu-entdeckter kleiner Proteine und des regulierenden Prozesses der Protein-Translation geben. Aufgrund der Unerforschtheit der Funktionen dieser Regionen verspricht die systematische genetische Analyse weitreichende neue Einblicke in die Funktionen dieses mysteriösen, weitverbreiteten Phänomens.

Das Ziel unserer Forschung war es, mechanistische Erkenntnisse über den Übergang von der Eizelle zum Embryo zu gewinnen. In den letzten sechs Jahren haben wir in den beiden Bereichen, auf die wir uns im Rahmen der START-Förderung konzentrieren wollten, wichtige Fortschritte erzielt: (1) Befruchtung und (2) Regulationsmechanismen während des Übergangs vom Ei zum Embryo. Neue Einblicke in den molekularen Mechanismus der Befruchtung Mit der Entdeckung des ersten essentiellen Fruchtbarkeitsfaktors bei Fischen, Bouncer, und seiner Rolle bei der artspezifischen Befruchtung wurde die Befruchtung zu einem neuen Forschungsschwerpunkt in meinem Labor. In den letzten Jahren haben wir unser Wissen über essenzielle Fruchtbarkeitsfaktoren bei Wirbeltieren weiter ausgebaut. Besonders interessant ist, dass wir vor kurzem einen konservierten trimeren Befruchtungskomplex entdeckt haben, der in Wirbeltierspermien vorhanden ist. Dieser Komplex besteht aus den beiden bekannten Fruchtbarkeitsfaktoren Izumo1 und Spaca6 sowie dem bisher nicht charakterisierten Transmembranprotein Tmem81, von dem wir ebenfalls zeigen konnten, dass es für die männliche Fruchtbarkeit sowohl bei Fischen als auch bei Mäusen wesentlich ist. Darüber hinaus entdeckten wir, dass dieser trimere Komplex auf Spermien mit verschiedenen Rezeptoren auf der Eioberfläche interagiert - JUNO bei Säugetieren und Bouncer bei Fischen. Die Befruchtung bei Wirbeltieren ist somit ein interessantes Beispiel für die Interaktion von konservierten Spermafaktoren mit evolutionär unterschiedlichen Eirezeptoren, die die Bindung zwischen Spermien und Eiern vermitteln. Ruhezustand der Ribosomen in Eiern Vor der Befruchtung befinden sich die Eier vieler Organismen in einem Ruhezustand, was bedeutet, dass Prozesse, einschließlich der Translation, unterdrückt werden, obwohl die Eier eine große Anzahl mütterlicher Komponenten, einschließlich Ribosomen, enthalten. Um herauszufinden, wie der Ruhezustand kontrolliert wird und wie Eier mütterliche Ribosomen speichern, haben wir eine Kombination aus Kryo-EM-Strukturanalysen, funktionellen In-vivo-Tests und In-vitro-Studien verwendet, um einen konservierten, bisher unbekannten Ruhezustand der Eiribosomen aufzudecken, der Ribosomen bewahrt und eine vorzeitige Translationsaktivierung verhindert. Unsere Studie enthüllte einen entwicklungsprogrammierten, konservierten Ribosomenzustand, der für die Ribosomenspeicherung und Translationsunterdrückung wichtig ist.