Эпигенетика. Как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности

Модификации, делающие сперматозоид сперматозоидом, а яйцеклетку яйцеклеткой, должны быть удалены на стадии 2, иначе зигота не сможет стать тотипотентной. Вместо этого она будет содержать в себе геном, на одну половину запрограммированный на то, чтобы стать яйцеклеткой, и на другую половину — чтобы стать сперматозоидом. Развитие будет невозможным, если унаследованные модификации останутся нетронутыми. Но для образования первичных половых клеток некоторые клетки из дифференцирующейся ВКМ должны утратить свои эпигенетические модификации. Только при этом условии они смогут стать временно более плюрипотентными, утратить свои импринтинговые метки и начать специализироваться как половые клетки.

Как только первичные половые клетки обращаются в своем развитии вспять, геном подвергается очередным эпигенетическим модификациям. Происходит это отчасти по той причине, что при развитии многоклеточного организма плюрипотентные клетки потенциально чрезвычайно опасны. Казалось бы, как было бы удобно, если бы клетки нашего организма могли делиться безостановочно и давать начало множеству клеток других типов, однако это далеко не так. Именно таким образом ведут себя раковые клетки. Поэтому в процессе эволюции предпочтение было отдано механизму, при котором первичные половые клетки могут на короткий период восстановить плюрипотентность, но затем она вновь подавляется эпигенетическими модификациями. Это вкупе с утратой импринтов приводит к тому, что хромосомы могут быть заново помечены своим исходным родителем.

Иногда этот процесс установления новых импринтов на предшественников яйцеклеток или сперматозоидов может давать сбои. Именно так и происходит при синдромах Ангельмана и Прадера—Вилли, когда импринты не стираются должным образом на стадии первичных половых клеток[85]. Например, у женщины могут сформироваться яйцеклетки, в которых хромосома 15 несет на себе отцовскую метку, унаследованную ею от своего отца, а не необходимую материнскую метку. Когда такая яйцеклетка оплодотворяется сперматозоидом, обе копии хромосомы 15 будут действовать как отцовские хромосомы и создадут фенотип, наблюдаемый при однородительской дисомии.

И сегодня ученые продолжают исследования того, как и чем контролируются все эти процессы. Мы пока еще не полностью понимаем, каким образом импринты защищены от перепрограммирования после слияния яйцеклетки и сперматозоида, и как они лишаются этой защиты на стадии первичных половых клеток. Также мы не до конца знаем, как именно новые импринты оказываются на нужных местах. Эта картина по большей части все еще покрыта туманом, хотя некоторые ее детали уже начинают проступать из мглы.

Возможно, участие в этом принимает небольшой процент гистонов, присутствующих в геноме спермы. Многие из них расположены в регионах контроля импринтинга и могут защищать эти регионы от перепрограммирования после слияния сперматозоида и яйцеклетки[86]. Гистоновые модификации также играют свою роль в установлении «новых» импринтов во время формирования гаметы. Представляется важным, чтобы области контроля импринтинга утрачивали все гистоновые модификации, влияющие на активацию генов. Только после этого может быть добавлено постоянное метилирование ДНК[87]. Именно это постоянное метилирование ДНК отмечает гены репрессивными импринтами.

Долли и ее дочери

Перепрограммирование, происходящее в зиготе и первичных половых клетках, оказывает огромное влияние на поразительно широкий круг эпигенетических явлений. Когда в лабораторных условиях перепрограммируют соматические клетки с помощью факторов Яманаки, только самый незначительный процент из них образует iPS клетки. Они далеко не являются точными копиями ЭС клеток — настоящих плюрипотентных клеток из внутриклеточной массы бластоцисты. Группа ученых из Бостона, работающих в Массачусетской центральной больнице и Гарвардском университете, исследовала генетически идентичные iPS и ЭС клетки мышей. Они искали в этих клетках гены, которые отличались бы в экспрессии у двух типов клеток. Единственное существенное различие в экспрессии обнаружилось на хромосомном участке Dlk1-Dio3[88]. Несколько iPS клеток этого участка экспрессировали гены очень близко к тому, как это делают ЭС клетки. Это были наиболее подходящие iPS клетки для формирования самых разных тканей организма.

Dlk1-Dio3 является импринтинговой областью мышиной хромосомы 12. Пожалуй, нет ничего удивительного в том, что импринтинговый регион оказался настолько важным. Техника Яманаки запускает процесс перепрограммирования, который в природе начинается после слияния сперматозоида с яйцеклеткой. При нормальном развитии импринтинговые области генома устойчивы к перепрограммированию. Похоже, что они представляют собой слишком серьезное препятствие для перепрограммирования, происходящего при методе Яманаки в полностью искусственной среде.