От зиготы к бластоцисте: эпигенетические модификации
Дальнейшее репрограммирование, в частности ДНК метилирование по всему геному, продолжается от двух-клеточной стадии через стадию дробления преимплантационного развития до достижения эмбрионом стадии бластоцисты ( Monk et al. 1987 ; Howlett and Reik, 1991 ; Rougier et al., 1998 ). Точная динамика модификаций гистонов у мышей пока не описана, однако метилирование ДНК постепенно уменьшается с каждым клеточным делением до стадии 16-клеточной морулы . Причина заключатся в том, что Dnmt1 , метилтрансфераза, которая полуконсервативно поддерживает метилирование CpG динуклеотидов во время репликации ДНК, исключается из ядра ( Carlson et al., 1992 ). Следовательно, при каждом делении теряется 50% всей геномной метилированной ДНК. Единственным, хорошо документированным исключением из этого являются DMR в импринтных генах. Не ясно, поддерживается ли их метилирование в этот период неизвестной Dnmt или за счет небольшого количества Dnmt1, способной попадать в ядро и специфически узнавать DMR. Примечательно, что на 8-клеточной стадии Dnmt1 белок, по-видимому, появляется в ядре на один клеточный цикл. Если этот Dnmt1 белок удалить (с помощью генетического элиминирования в ооците, который обеспечивает большую часть, если не целиком, этого белка, деления дробления), метилирование DMR, действительно, уменьшается на 50%, что согласуется с представлением о его необходимости для поддержания метилирования в течение только одного цикла репликации ( Howell et al., 2001 ).
На стадии 8-16 клеток наружные клетки морулы уплощаются и становятся эпителиальными. Это явление называют компактизацией и оно является первым внешним признаком дифференцировки эмбрионов млекопитающих. В течение последующих 2-3 делений в моруле происходит кавитация (например, образуется полость) и бластоциста становится различимой по своей внутренней массе ( ICM ) и наружной трофэктодерме ( ТЕ ). Клетки ICM формируют все линии эмбриона и плода, в то время как ТЕ клетки дают начало большинству (но не всем) линиям плаценты (экстраэмбриональные линии). Вскоре после этой стадии на поверхности ICM образуется еще один слой эпителиальных клеток, которые являются примитивной энтодермой, клетки которой тоже вносят вклад в развитие плаценты и желточного мешка, но не эмбриона. Известно несколько генетических детерминант распределения этих ранних событий: Oct4 , Nanog и Sox2 важны для поддержания клеток ICM , в то время как Cdx2 необходим для детерминации или поддержания ТЕ клеток ( Nichols et al.2003 ; Avilion et al., 2003 ; Chambers et al., 2003 ; Mitsui et al., 2003 ; Niwa et al., 2005 ). В какой степени материнский белок (присутствующий в ооците) или эпигенетическая регуляция этих генов могут вносить вклад в решение судьбы этих ранних клеток, пока не известно.
Однако большинство эпигенетических программных событий происходят как раз на этой стадии развития. Клетки ICM приобретают высокий уровень метилирования ДНК, по крайней мере, на основании данных иммунофлуоресценции (красные клетки внутри бластоцисты на левом рис. 20 ), который возникает de novo с помощью метилтрансферазы Dnmt3b ( Santos et. al., 2002 ). Это сопровождается усилением метилирования НЗК9 и НЗК27 гистонов с помощью G9a , Eset и Ezh2 , соответственно ( Erhardt et al., 2003 ). Хотя метилирование ДНК de novo не является критичным для начального этапа становления ICM клеток, метилирование гистонов с помощью Ezh2 и Eset является необходимым: при нокауте любого из этих генов развитие клеток ICM нарушается ( O'Carroll et al., 2001 ; Dodge et al., 2004 ).
В противоположность увеличению эпигенетических модификаций в ДНК ICM , в ДНК в ТЕ , так же, как и в большинстве клеточных линий поздней плаценты, в основном остается гипометилированной ( Chapman et al., 1984 ; Santos et al., 2002 ). Считается, что клетки плацентарного типа меньше нуждаются в эпигенетической стабильности, поскольку время их жизни более ограничено по сравнению с плодом, который развивается во взрослый организм.
Помимо этих крупномасштабных эпигенетических событий по всему геному, на этих стадиях также происходит репрограммирование более локус- специфическое. В женских эмбрионах XX на стадии дробления X хромосома, унаследованная от отца, инактивируется и в этом состоянии остается в экстраэмбриональных тканях , т.е. в ТЕ и плаценте ( Huynh and Lee, 2003 ; Okamoto et al., 2005 ). Однако в ICM инактивированная X хромосома реактивируется, а затем после дифференцировки ICM в различные линии происходит случайная инактивация одной из X хромосом ( Мак et al., 2004 ; более детально см. рис. 17.4 ). Механистически, импринтная X инактивация в преимплантационном эмбрионе связана с экспрессией некодирующей Xist РНК родительской хромосомы, чье "покрытие" хромосомы, как предполагают, приводит к сайленсингу генов и установлению репрессивных эпигенетических модификаций ( Heard, 2004 ). Во вновь образующихся клетках ICM Xist транскрипция подавляется, репрессивные гистоновые модификации, в конце концов, утрачиваются, и хромосома реактивируется ( Мак et al, 2004 ; Okamoto et al., 2004 ). Вскоре после этого происходит случайная X инактивация в клетках эпибласта. В следующем разделе (" ОТ ПЛЮРИПОТЕНТНЫХ К СОМАТИЧЕСКИМ И ОБРАТНО К ПОЛОВЫМ КЛЕТКАМ ") мы покажем, что ES клетки "заморожены" на стадии реактивации X хромосомы и поэтому женские ES клетки содержат две активные X хромосомы.
