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.
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.
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.
Регион Dlk1-Dio3 уже давно привлекает к себе внимание исследователей. У людей однородительская дисомия в этом участке связана, наряду с другими симптомами, с отклонениями в росте и развитии[89]. Эта область также, как выяснилось, крайне важна для предотвращения партеногенеза, по меньшей мере, у мышей. Ученые из Японии и Южной Кореи проводили генетические эксперименты над этим участком мышиного генома. В лабораторных условиях они воссоздали оплодотворенную яйцеклетку с двумя женскими пронуклеусами. Участок Dlk1-Dio3 в одном из пронуклеусов был изменен таким образом, что в нем оказался эквивалент отцовского, а не материнского, импринта. Родившиеся в результате этого эксперимента живые мыши стали первым образцом плацентарного млекопитающего с двумя материнскими геномами[90].
Перепрограммирование, происходящее в первичных половых клетках, не является абсолютно всеобъемлющим. Оно почти не затрагивает метилирование на некоторых ретротранспозонах IAP. Уровень метилирования ДНК ретротранспозона AxinFu в сперматозоиде совершенно такой же, как и в соматических клетках той же линии мышей. Это говорит о том, что при перепрограммировании первичных половых клеток метилирование ДНК не утрачивается даже несмотря на то, что большинство других областей генома утрачивает эту модификацию. Такая устойчивость ретротранспозона