Чарльз Эллис - Эпигенетика

Использование эмбриональных стволовых клеток вместо соматических демонстрирует значительно увеличенные возможности репрограммирования. Демонстрация того, что покоящиеся клетки (частая характеристика стволовых клеток) обнаруживают снижение уровня состояний H3К9me3 и H4K20 me3, могла бы указывать на увеличенную пластичность эпигенома (Baxter et al., 2004). Это согласуется также с тем фактом, что у «бессмертных» одноклеточных организмов (например, дрожжей) с их открытым, в значительной степени, и активным геномом отсутствуют несколько репрессивных эпигенетических механизмов

Другой особенностью нормального эпигенетического репрограммирования у млекопитающих после оплодотворения является его отчетливая асимметрия. Это можно приписать прежде всего различным программам эпигенетической спецификации в мужских и женских зародышевых клетках (главы 19 и 20). Геном спермия в основном составлен из протаминов, хотя имеется и остаточный, но достоверный уровень CENP-А (вариант гистона H3) и другие предполагаемые эпигенетические импринты (Kimmins and Sassone-Corsi, 2005), тогда как ооцит состоит из регулярного хроматина, содержащего нуклеосомы. После оплодотворения гаплоидные геномы спермия и ооцита проделывают еще один цикл репрограммирования, включающий деметилирование ДНК и обмен гистоновых вариантов. В первом клеточном цикле эти модификации могут либо усиливать, либо уравновешивать эпигенетические различия двух родительских геномов перед слиянием ядер. В ходе дифференцировки эмбриональной (внутренняя клеточная масса [ICM, inner cell mass]) и экстраэмбриональной (трофэктодерма [ТЕ] и плацента) тканей между линями устанавливаются различные профили метилирования ДНК и модификации гистонов (Morgan et al., 2005). Соматическое клонирование не может надежно рекапитулировать эти паттерны репрограммирования, демонстрируя быстрое, но менее экстенсивное деметилирование в первом клеточном цикле и нарушенное метилирование ДНК и метилирование лизинов гистонов при сравнении клеток ICM и ТЕ.

С проблемой репрограммирования соматических клеток тесно связана судьба импринтированных генных локусов. Для нормального эмбрионального развития требуется правильная аллельная экспрессия в импринтированных локусах (глава 19). Это было продемонстрировано оригинальными экспериментами по получению однородительских эмбрионов (Barton et al., 1984; McGrath and Solter, 1984; Surani et al., 1984). Ah-дрогенетические эмбрионы (оба генома которых имеют отцовское происхождение) обнаружили замедленное эмбриональное развитие, но гиперпролиферацию экстраэмбриональных тканей (например, плаценты). У гино- или партеногенетических эмбрионов (оба генома которых имеют материнское происхождение) плацента недоразвита. Следовательно, после стирания предсуществовавших меток в зародышевой клетке должен быть установлен специфичный по отношению к родителю импринт (глава 20). Полагают, что это происходит приблизительно для 100 или даже большего числа импринтированных генов, в основном участвующих в системах обеспечения ресурсами эмбрионального и плацентарного развития (например, ростовой фактор Igf2). Любопытно отметить данные о том, что импринтинг может быть нарушен во время культивирования in vitro эмбрионов, полученных с помощью ART или пересадки ядра (Maher, 2005).

Существует тонкое равновесие между самообновлением и дифференцировкой. Неопластическая трансформация (называемая также туморогенезом) рассматривается как процесс, посредством которого клетки претерпевают изменения, включающие бесконтрольную клеточную пролиферацию, утрату checkpoint-контроля, делающую возможными накопление хромосомных аберраций и геномную анеуплоидию, и неправильно регулируемую дифференцировку (Lengauer et al., 1998). Обычно полагают, что эти изменения вызываются по крайней мере одним генетическим повреждением — точечной мутацией, делепией или транслокацией, разрушающими либо ген-супрессор опухоли, либо онкоген (Hanahan and Weinberg, 2000). В опухолевых клетках гены, супрессирующие опухоль, становятся «молчащими». Онкогены активируются посредством доминантных мутаций или сверхэкспрессии нормального гена (протоонкогена). Важно, что с опухолевыми клетками связано также накопление аберрантных эпигенетических модификаций (глава 24) Эти эпигенетические изменения включают измененные паттерны метилирования ДНК, модификации гистонов и структуру хроматина (рис. 3.19). Таким образом, неопластическая трансформация — это сложный, многоэтапный процесс, включающий случайную активацию онкогенов и (или) сайленсинг генов-супрессоров опухоли и осуществляемый посредством генетических или эпигенетических событий Все это называют «двухударной теорией Кнудсона» (Feinberg, 2004; Feinberg and Tyko, 2004). Проиллюстрируем это следующим образом Сайленсинг гена ретинобластомы (Rb) — гена-супрессора опухоли — вызывает утрату checkpoint-контроля, что не только обеспечивает пролиферативное преимущество, но и стимулирует «второй удар», влияя на функции «ниже по течению», связанные со структурой хроматина, поддерживающие целостность генома (Gonzalo and Blasco, 2005). Сходный эффект может давать несвоевременная активация онкогенного продукта, такого как ген туе, (Knoepfler et al., 2006).

Один из вопросов, порождаемых современными исследованиями, заключается в следующем: до какой степени аберрантные эпигенетические изменения способствуют возникновению опухоли и определяют ее общее поведение? Этот вопрос был исследован в опытах по пересадке ядер с использованием клеток меланомы в качестве донора ядер (Hochedlinger et al., 2004). Любые генетические повреждения донорской клетки сохраняются; однако NT стирает эпигенетический «грим». Затем исследовали возникновение опухолей у клонированных зародышей мышей; выяснилось, что спектр опухолей, возникших de novo, сильно варьировал в соответствии с различным вкладом эпигенетических модификаций в разных тканях, в которых включалась неопластическая прогрессия.

Гипометилирование ДНК (в противоположность гиперметилированию) может происходить в отдельных локусах или на протяженных участках хромосомы, /ияометилирование ДНК было, по сути, первым типом эпигенетического перехода, который удалось связать с раком (Feinberg and Vogelstein, 1983). Оно оказалось широко распространенным фенотипом раковых клеток На уровне индивидуальных генов гипометилирование ДНК может быть неопластическим благодаря активации протоонкогенов, дерепрессии генов, вызывающих аберрантные функции клеток, или биаллельной экспрессии импринтированных генов (что также называется утратой импринтинга, или LOI — loss of imprinting) (главы 23 и 24). В более глобальных масштабах, масштабах всего генома обширное гипометилирование ДНК, особенно в участках конститутивного гетерохроматина, обусловливает предрасположение клеток к хромосомным транслокациям и анеуплоидии, способствующим раковой прогрессии. Этот эффект рекапитулируется у мутантов по Dnmt1 (Chen et al., 1998). Геномная нестабильность, возникающая в условиях гипометилирования ДНК, обусловлена, вероятно, мутагенным эффектом реактивации транспозонов. Когда обратили внимание на существенную роль репрессивных модификаций гистонов в поддержании гетерохроматина в центромерах и теломерах, появились данные о том, что если эти метки утрачиваются, возникает также нестабильность генома, вносящая свой вклад в раковую прогрессию (Gonzalo and Blasco, 2005).