От примордиальных половых клеток к гаметам
Следующим этапом в развитии линии половых клеток является начало гаметогенеза и вступление половых клеток в мейоз . Соматическое окружение в гонадах регулирует время этого события. У самок половые клетки останавливаются в мейотической профазе, в то время как у самцов половые клетки останавливаются в митозе . Многие сигналы окружающей среды диктуют, войдут ли половые клетки в мейоз или нет. Был идентифицирован новый ген Meisetz и было показано, что он играет важную роль в инициации мейоза ( Hayashi et al., 2005 ). Этот ген также содержит SET/PR и многочисленные "цинковые пальцы", которые, как было установлено, каталитически активны по отношению к H3K4me . Экспрессия Meisetz специфична для половых клеток и обнаруживается во время входа их в мейотическую профазу у самок на стадии Е13.5 и в постнатальных семенниках. Мутация в гене Meisetz приводит к стерильности и самцов, и самок, что свидетельствует о его важной роли в половых клетках. В мутантных половых клетках наблюдается заметное нарушение в репарации двухнитевых разрывов ДНК и спаривании гомологичных хромосом во время мейоза. Эти исследования демонстрируют важную роль эпигенетических механизмов в половых клетках во время мейоза.
Обширные эпигенетические изменения продолжаются во время гаметогенеза и, в конце концов, соматические линкерные гистоны заменяются вариантами, специфичными для семенников ( Kimmins and Sassone-Corsi, 2005 ), а затем происходит замена большинства гистонов на протамины . Исследования показали, что в репрессию генов и хромосомное спаривание вовлечены Suv39 и НЗК9 метилтрансфераза. Кроме того, два белка, Suv39h1 и Suv39h2 , имеющие SET-домен , имеют важное значение для мужских половых клеток, причем последний экспрессируется преимущественно в семеннике, накапливаясь в половом тельце . Мутации в Suv39h1 и Suv39h2 приводят к стерильности, поскольку происходит остановка спематогониальных клеток ( Peters et al., 2001 ). В мужских половых клетках присутствует также хроматоидное тельце , облакоподобная цитоплазматическая структура. Она является цитоплазматической органеллой, специфичной для половых клеток, которая взаимодействует с ядром, содержит компактную мРНК и является РНК-процессинговым тельцем , содержащим белки Dicer и Argonaute и микроРНК .
В самообновление стволовых клеток половой линии вовлечены некодирующие РНК в сперматогенезе, роль которых, возможно, опосредована механизмом интерференции РНК (iРНК) и гистон метилтрансферазами (НМТазы) . Сообщалось, что члены семейства Piwi / Argonaute (у мышей они называются Miwi ) играют роль в явлении iРНК. Утрата Miwi-подобных белков ( Mili ) приводит к стерильности у мышей ( Kuramochi-Miyagawa et al., 2004 ), вызывая высокий уровень транскриптов ретротранспозонов IAP и Line1 . Однако напрямую вовлечение Miwi-подобных белков в их репрессию показано не было.
Проведенные исследования продемонстрировали возможность получения плюрипотентных стволовых клеток из спематогониальных стволовых клеток семенников новорожденных и даже взрослых животных ( Kanatsu-Shinohara et al, 2004 ; Guan et al., 2006 ). Такие клетки можно постоянно поддерживать в культуре, но в отличие от ES-клеток они имеют родительский (андрогенный) импринт . Эти клетки способны дифференцироваться в разные соматические клетки in vitro и in vivo и являются жизнеспособными половыми клетками in vivo. Такие клетки должны стать важным объектом для изучения разных аспектов сперматогенеза и роли эпигенетических механизмов, которые регулируют их свойства как стволовых клеток и дифференцировку в мужские половые гаметы.
Стирание импринтов в ранних половых клетках делает родительские хромосомы эпигенетически эквивалентными, что происходит в первый и последний раз в жизни млекопитающих. Трансплантация таких "свободных от импринтов" ядер непосредственно в ооциты приводит в развитию аберрантных эмбрионов, которые погибают на ранних эмбриональных стадиях, вероятно вследствие того, что из-за отсутствия соответствующих эпигенетических модификаций происходит нарушение экспрессии генов, которые в норме подвергаются импринтингу . Этот эксперимент также показывает, что импринты не могут приобретаться ядрами без импринтов при их трансплантации непосредственно в ооцит. ДНК метилирование импринтов начинается после рождения в процессе роста ооцитов из женских половых клеток. В мужских половых клетках это происходит на более поздних стадиях эмбриогенеза. В этом процессе важную роль играют de novo Dnmt3a метилтрансфераза и ее кофактор Dnm3L (детали см. в главе " Геномный импринтинг у млекопитающих "). Импринтинг является главным барьером партеногенетического развития у млекопитающих. Попытки манипулировать эпигенотипом женских гамет, возможно, позволят получать у млекопитающих эмбрионы полностью материнского происхождения.
