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

Устанавливаем импринт, убираем импринт…

Однако это ставит перед нами еще один вопрос. Если импринтинговые метки метилирования ДНК настолько стабильны, то, как они меняются, передаваясь of родителей потомству? Мы знаем, что они действительно меняются, благодаря экспериментам Азима Сурани с мышами, которые мы обсуждали в предыдущей главе. Его опыты продемонстрировали, что метилирование последовательности, контролируемой в экспериментальных целях, менялось при переходе к следующему поколению. Речь идет о том эксперименте из предшествующей главы, в котором мы рассказывали о мышах с «черной» и «белой» ДНК.

Честно говоря, как только ученые обнаружили, что эффект исходного родителя действительно имеет место, они предсказали существование некого способа перезагрузки эпигенетических меток, еще до того, как узнали, чем эти метки являются. Давайте для примера рассмотрим хромосому 15. Я унаследовала одну копию этой хромосомы от матери, и одну — от отца. Область контроля импринтинга UBE3A, полученной от матери, была неметилированной, тогда как та же область хромосомы, переданной мне отцом, была метилированной. Это обеспечило необходимые схемы экспрессии белка UBE3 А в моем мозге.

Когда в моих яичниках формируются яйцеклетки, в каждой из них содержится лишь по одной копии хромосомы 15, которую я передам своему ребенку. Так как я женщина, каждая копия хромосомы 15 должна нести материнскую метку на UBE3A. Но на одной из моих копий хромосомы 15 оказалась отцовская метка, которую я унаследовала от отца. Единственный вариант, при котором я могу быть уверена, что передам своим детям хромосому 15 с правильной материнской меткой, подразумевает, что мои клетки знают способ, как удалить отцовскую метку и поставить вместо нее метку материнскую.

Очень похожий процесс происходит и в том случае, когда мужчины вырабатывают сперматозоиды. Все приобретенные от матери модификации должны быть стерты с импринтинговых генов, а их место должны занять модификации, полученные от отца. Именно это в действительности и происходит. Это очень специфический процесс, происходящий только в клетках, дающих начало зародышевой линии.

Основной принцип действия этого механизма схематично показан на рисунке 8.3.

Рис. 8.3. На диаграмме показано, что все соматические клетки, возникающие из оплодотворенной зиготы, несут те же схемы метилирования ДНК, что и любые другие, на импринтинговых генах, но на половых клетках импринтинговое метилирование удаляется, а затем устанавливается заново. Это гарантирует, что женщины передадут потомству только материнские Мётки, а мужчины — только отцовские

После слияния яйцеклетки и сперматозоида формируется бластоциста, и большинство регионов генома перепрограммируются. Клетки начинают дифференцироваться, преобразуясь в предшественников плаценты и разнообразных типов клеток организма. Так что на этом этапе клетки, являвшиеся частью ВКМ, маршируют стройными рядами под барабанный бой процесса развития вниз по склонам многочисленных желобов эпигенетического ландшафта Уоддингтона. Но очень незначительное число клеток (которых меньше 100) начинают прислушиваться к совсем другому ритму. В этих клетках включается ген под названием BLIMP 1. Белок BLIMP 1 отдает этим клеткам команду не торопиться к своим соматическим тупикам. И тогда они начинают возвращаться вверх по уоддингтоновским траншеям[84]. Кроме того, по пути они теряют свои импринтинговые метки, сообщавшие клетке, кем из родителей на каждой паре хромосом они были оставлены.

Крошечная группка клеток, участвующих в этом процессе, называется первичными половыми клетками. Именно эти клетки в конечном итоге сформируют гонады (яички или яичники) и будут вести себя как стволовые клетки, вырабатывающие гаметы (сперматозоиды и яйцеклетки соответственно). На стадии, описанной в предыдущем абзаце, первичные половые клетки возвращаются в состояние, более похожее на то, в котором пребывают клетки внутриклеточной массы (ВКМ). По существу, они становятся плюрипотентными, потенциально способными преобразоваться в большинство типов тканей организма. Эта стадия очень скоротечна. Первичные половые клетки быстро направляются по новому пути развития, на котором они, дифференцируясь, превращаются в стволовые клетки, дающие начало яйцеклеткам и сперматозоидам. Чтобы это стало возможным, они приобретают новый набор эпигенетических модификаций. Некоторые из этих модификаций определяют специфику клетки, то есть активируют гены, делающие яйцеклетку яйцеклеткой. А незначительное количество других модификаций служат метками исходного родителя с той целью, чтобы у следующего поколения импринтинговые регионы генома могли быть отождествлены с соответствующим исходным родителем.

Все это кажется ужасно сложным. Если мы пройдем путь, начинающийся с оплодотворения сперматозоидом яйцеклетки и заканчивающийся образованием нового сперматозоида у потомства мужского пола, то основные его вехи будут следующими:

1. Сперматозоид, проникающий в яйцеклетку, несет на себе эпигенетические модификации;

2. Эти эпигенетические модификации утрачиваются, за исключением тех, которые находятся на импринтинговых регионах (в зиготе, немедленно после оплодотворения);

3. Устанавливаются новые эпигенетические модификации (когда клетки ВКМ начинают специализироваться);

4. Эти эпигенетические модификации утрачиваются, включая и те, которые находятся на импринтинговых регионах (когда первичные половые клетки поворачивают вспять с пути соматической дифференциации);

5. Устанавливаются новые эпигенетические модификации (когда начинают формироваться сперматозоиды).

На первый взгляд может показаться, что это излишне витиеватый способ возвращения к тому, с чего все начиналось, однако он продиктован необходимостью.

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.