Эпигенетические события при оплодотворении
Во время развития и дифференцировки клетки соматических линий приобретают специфическое и специализированное ДНК метилирование и модифицирование гистонов . Эти модификации, по-видимому, трудно стереть или обратить при пересадке соматических ядер в ооциты (см. далее гл. " Трансплантация ядер и репрограммирование генома "). Эпигенетические метки в ооцитах и спермиях также специализированы, но они репрограммируются при оплодотворении таким образом, что геном эмбриона приобретает новую функцию, а именно становится тотипотентным ( Reik et al., 2001 ; Surani, 2001 ). Известен ряд характеристик эпигенетического рисунка гамет и генетического репрограммирования после оплодотворения ( рис. 20.2 ). Геномы и спермиев, и ооцитов имеют высокий уровень метилирования ДНК. Как пример особого класса последовательностей можно привести семейство ретротранспозонов , внутрицистерные A частицы (intracisternal A particles, IAP ), число копий которых в мышином геноме составляет около 1000 и которые имеют высокий уровень метилирования и в ооцитах, и в спермиях ( Lane et al., 2003 ). Однако имеются определенные последовательности, особенно дифференциально метилированные районы (differentially methylated regions, DMR ) в импринтных генах, которые являются метилированными только в ооцитах или спермиях (глава " Геномный импринтинг у млекопитающих ").
Геном ооцитов имеет высокий уровень модификаций гистонов , как активных (например, НЗК9 ацетилирование, НЗК4 метилирование), так и репрессивных (НЗК9, НЗК27 метилирование) ( Morgan et al., 2005 ). Перед оплодотворением геном ооцита транскрипционно неактивен. Однако в ооците содержатся транскрипты и белки, необходимые для первых нескольких делений дробления, в том числе те, которые имеют важное значение для репрограммирования ( рис. 20.1 а). Геном спермия высоко специализирован, поскольку большинство гистонов во время сперматогенеза заменилось на протамины , способствующие, по-видимому, упаковке ДНК в компактную головку спермия ( McLay and Clarke, 2003 ). В настоящее время неизвестно, какие модификации есть в оставшемся хроматине и где они раположены, что создает трудности для изучения этих немногочисленных районов хроматина.
Вскоре после оплодотворения в геноме спермия происходит четко отрегулированное репрограммирование. Протамины замещаются гистонами. Вероятно, будучи независимым от репликации ( RI , replication independent), это состоит во включении гистонового варианта НЗ.З гистоновым шапероном HIRA ( van der Heijden et al, 2005 ; см. гл " Варианты гистонов и эпигенетика "). В то время в мужском пронуклеусе происходит обширное ДНК метилирование, затрагивающее как однокопийные последовательности, так и повторы, но не мужские метилированные импринтные гены ( Olek and Walter, 1997 ; Mayer et al., 2000 ; Oswald et al., 2000 ; Dean et al., 2001 ; Santos et al., 2002 ; Lane et al., 2003 ).
В мужском пронуклеусе перед репликацией ДНК НЗ и Н4 гистоны ацетилированы, НЗК4 метилирован; быстро появляются НЗК9mе и H3K27me1 ( Arney et al, 2002 ; Santos et al., 2002 ; Lepikov and Walter, 2004 ). Однако H3K9me2/3 и НЗК27mе2/Зпоявляются только после репликации ДНК, по всей видимости, вместе с включением корового гистона Н3.1 вместо НЗ.З ( Santos et al., 2005 ). Во время первого митоза большинство проанализированных к настоящему времени гистоновых меток в женских и мужских хромосомах становятся очень схожими, по крайней мере, на низком уровне разрешения с использованием иммунофлуоресцентного окрашивания ( Santos et al., 2005 ).
Ферментативная активность, ответственная за ранние этапы репрограммирования, вероятно, уже присутствует в ооците в виде белков или молекул РНК, которые могут быстро транслироваться. Мы уже упоминали HIRA , но после репликации ДНК участвует CAF-1 , который необходим для включения зависимого от репликации ( RD , replication dependent) Н3.1. Su(var) ферменты метилируют НЗК9, a Ezh2 вместе с его кофактором Eed метилируют НЗК27 ( Erhardt et al, 2003 ; Santos et al, 2005 ). Вероятно, существенное деметилирование ДНК мужского генома вызывается процессом "активного деметилирования", для которого предложены различные механизмы, однако определенного фермента (ферментов) пока не изолировано ( Morgan et al, 2005 ). Возможным кандидатом для участия в механизме деметилирования является семейство ферментов Aid / Apobec , способных дезаминировать 5-метилцитозин в ДНК, превратив его в тимидин. Возникающее T:G несоответствие может репарироваться за счет механизма репарации с помощью эксцизии оснований ( Morgan et al., 2004 ). У растений процесс деметилирования также включает зксцизионную репарацию, которая инициируется ДНК гликозилазой Demeter ( Gerhing et al., 2006 ). Подобные деметилазы могут присутствовать и в цитоплазме ооцита при оплодотворении. Отсюда возникает вопрос, почему материнский геном не деметилируется одновременно с отцовским? Материнский хроматин или пронуклеус должны обладать неким механизмом специфической протекции; колокализация метилированной ДНК в материнском пронуклеусе вместе с НЗК9mе2 дает основание предполагать, что эта модификация гистона и есть кандидат для протекции ( Arney et al., 2002 ; Santos et al., 2002 , Santos et al., 2005 ).
Хотя имеющиеся данные предполагают, главным образом, приобретение гистонами модификаций, а не их утрату на глобальном уровне в этот период, возможно, что метилирование гистонов по аргинину является более динамичным. Действительно, в ооцитах присутствует Padi4 , кандидат на вырезание метилированных аргининов в гистонах с помощью "деаминирования" ( Sarmento et al., 2004 ).
Представляется, что основной результат быстрых изменений хроматина при оплодотворении заключается в том, что на двухклеточной стадии отцовский геном становится схожим с материнским. Это исключает метилирование ДНК, которое значительно отличается у двух геномов, в основном вследствие деметилирования генома спермиев. Кроме того, проведенный анализ не исключает, что на этой стадии устанавливается геноспецифические различия в модификации гистонов.
