21.06.2013

Рыбки Danio rerio наследуют модификации ДНК от отца

Все клетки живого организма обладают одним и тем же набором генов, однако при этом выполняют разные функции. Разделение труда обеспечивается за счет того, что в определенных клетках одни гены активно экспрессируются, а другие «молчат». Активное/неактивное состояние генов в клетке обеспечивается химическими модификациями (метками) ДНК и белков-гистонов, с которыми ДНК связана (такие метки называются эпигенетическими — то есть стоящими «над геномом»). Наследование таких модификаций у позвоночных — вопрос, изученный пока довольно плохо. До сих пор была распространена гипотеза, что сразу после оплодотворения все модификации с родительской ДНК снимаются, чтобы дать возможность эмбриону развиваться в разных направлениях. Оказывается, у рыбок это не совсем так. Сразу две научные группы детально изучили ДНК эмбрионов рыбок Danio rerio на разных стадиях развития и продемонстрировали, что модификации ДНК эмбриона у них идентичны таковым в сперматозоиде. Таким образом, Danio rerio наследуют, по крайней мере в эмбриональном развитии, модификации ДНК от отца.

Каким образом из одной клетки, зиготы, которая образуется после слияния яйцеклетки и сперматозоида, развивается многоклеточный организм, обладающий огромным набором функций? Известно, что большинство клеток взрослого организма узкоспециализированы и едва ли способны сменить свою «специальность». В отличие от них, зигота может дать начало всем типам клеток, то есть обладает свойством тотипотентности. На уровне генома (ДНК клетки) «узкая» или «широкая» специализация клеток определяется тем, какие гены работают, а какие выключены («молчат»).

Основной способ, которым пользуется клетка, чтобы выключить ген, — это химическая модификация, при которой к азотистому основанию цитозину в составе ДНК прикрепляется метильная группа. Метилироваться (см. также Methylation) может только пара нуклеотидов CpG (C обозначает цитозин, G — гуанин, а p — фосфатную группу). Такие пары нередко встречаются в регуляторных последовательностях генов. Если эти участки метилированы, ген не будет экспрессироваться и участвовать в жизнедеятельности клетки.

Еще один способ регуляции активности генов — модификация белков-гистонов, участвующих в упаковке ДНК в клетке. В отличие от метилирования ДНК, спектр модификаций (меток) здесь гораздо шире, и с их помощью активность гена может быть как подавлена, так и усилена (см. гистоновый код).

Наконец, третий игрок в области эпигенетики — это некодирующие РНК (см. также Non-coding RNA), то есть молекулы РНК, не содержащие информации о белке, но исполняющие различные регуляторные функции: например, микроРНК (MicroRNA) участвует в выключении генов, а пиРНК (PiRNA) — в регуляции мобильных элементов.

Все эти три способа используются при развитии эмбриона из зиготы для направления клеток «на путь истинный». Совокупность модификаций, изменяющих и регулирующих информацию, заложенную в геноме, называется эпигеномом (то есть, в переводе с греческого, «надгеномом») и является предметом изучения эпигенетики. В клетке есть целый ряд белков, которые осуществляют и регулируют процессы модификации ДНК и гистонов: метилирование, обратный ему процесс — деметилирование, и т. п.

Яйцеклетка и сперматозоид — сами по себе клетки весьма специализированные. Они несут собственный набор эпигенетических меток. В то же время, зигота, которая образуется при их слиянии, должна потенциально дать начало разным типам клеток и запустить программу развития зародыша. Из этого противоречия вытекают два вопроса: имеет ли место эпигенетическое «перепрограммирование» зиготы? как оно реализуется? И третий вопрос, более философского толка: передаются ли эпигенетические метки из родительских клеток потомству?

В поисках ответа на первые два вопроса ученые пришли к предположению, что у позвоночных животных сразу после оплодотворения происходит деметилирование ДНК, то есть метильные модификации снимаются — активно (при помощи специальных белков-ферментов) или пассивно (то есть при копировании ДНК получившиеся дочерние цепи остаются неметилированными). Далее, по мере развития эмбриона, метки навешиваются заново в соответствии с программой развития. Поначалу считалось, что все позвоночные следуют этому принципу, однако постепенное накопление данных свидетельствует о том, что он верен для млекопитающих, а, например, у амфибий (лягушки Xenopus) и рыб (Danio rerio) всё происходит немного по-другому.

В майском номере журнала Cell были опубликованы сразу две работы, посвященные изучению эпигеномных модификаций у рыбки Danio rerio — популярного модельного организма. Для рыбок характерно симметричное деление зиготы до стадии примерно тысячи клеток (десять циклов деления), которая называется средней бластулой (Midblastula). Только на этой стадии происходит активация генома зародыша, до этого развитие происходит за счет ресурсов родительских клеток. Исследователи из Китая и из США проанализировали ДНК яйцеклеток, сперматозоидов, зиготы и эмбрионов рыбок до стадии средней бластулы на предмет метилирования при помощи метода полногеномного бисульфитного секвенирования.

Участки, обогащенные CpG-парами, в яйцеклетке и сперматозоиде оказались метилированы по-разному — на 75–80% и 90–95% соответственно. После оплодотворения геномы отца и матери, вместо того чтобы быть деметилированными, сохраняли свои метильные метки. Более того, оказалось, что «материнский» эпигеном (точнее, метилом — совокупность метильных меток) подвергается активному перепрограммированию и к стадии средней бластулы становится идентичным «отцовскому» эпигеному (рис. 2).

Таким образом, к моменту активации генома характер метилирования ДНК зародыша совпадает с таковым сперматозоида. Это означает, что сперматозоид содержит в себе готовую программу для развития эмбриона, начиная со стадии средней бластулы. Согласно ожиданиям, среди генов, «одобренных» для активации в этот момент, оказались различные транскрипционные факторы (белки, управляющие активностью генов), в том числе Hox-гены, гены метаболизма и некоторые сигнальные факторы (рис. 3). Интересно, что ряд генов, необходимых для раннего эмбрионального развития (те же Hox), активируемых на стадии средней бластулы, в яйцеклетке оказались выключены — вероятно для предотвращения накопления избыточных количеств этих важных белков в цитоплазме яйцеклетки.

Чем определяется перепрограммирование материнского эпигенома и насколько важен отцовский образец для нормального развития? Обе научные группы попытались ответить на этот вопрос и получили несколько противоречивые данные. Китайские исследователи использовали пересадку ядер из яйцеклетки или сперматозоида в безъядерные яйцеклетки. Только яйцеклетка с пересаженным из сперматозоида ядром была способна начать делиться. Это означает, что какие-то специфические особенности отцовского генома определяют нормальное развитие. Другая группа исследователей попыталась оплодотворить яйцеклетку спермой, облученной ультрафиолетом. Такая обработка разрушает ДНК и, теоретически, должна уничтожить обусловленные ей особенности. Однако, яйцеклетки, оплодотворенные облученными сперматозоидами, всё равно начинали делиться и дорастали до стадии средней бластулы. Более того, эпигеном таких клеток подвергался «правильному» перепрограммированию. Из этого ученые сделали вывод, что отцовский эпигеном не служит образцом для перепрограммирования материнского, скорее для этого нужны какие-то факторы, определяемые яйцеклеткой.

Существует объяснение, которое может разрешить кажущееся противоречие, — это малые РНК, которыми изобилует сперма и которые не подвергаются разрушению при обработке ультрафиолетом. Малые некодирующие РНК — это короткие молекулы, комплементарные участкам генома, они активно участвуют в регуляции генов и могут направлять характер метилирования материнского генома по определенному образцу. (Всё больше исследований подтверждают, что малые РНК — важные игроки в области регуляции генома, с каждым годом ученые открывают всё новые их виды и функции. Они отлично подходят на роль «молекул памяти», так как могут синтезироваться до какого-то события, копируя отдельные участки генома, а потом выступить в роли «шаблона» для восстановления данного состояния. В эпигенетике ключевую роль играет, по всей видимости, класс молекул под названием piRNA).

Полученные данные говорят о том, что среди позвоночных животных стратегии перепрограммирования генома (метилома) довольно сильно различаются (рис. 4). Если у млекопитающих (мышей) перепрограммирование заключается в деметилировании как отцовской, так и материнской ДНК, а затем метилирования заново в соответствии с тем, какую функцию будут выполнять те или иные клетки, то у рыбок метилом фактически наследуется от отца до стадии средней бластулы, а потом тоже подвергается перепрограммированию в зависимости от дальнейшей судьбы клеток. (Метилирование de novo — отдельная сложная тема, известно что в нем участвуют различные транскрипционные факторы и, опять же, некодирующие РНК.)

В качестве лирического отступления можно порассуждать о наследовании эпигенетеческих меток. Если метилирование отцовского генома определяет программу развития зародыша, то что будет, если внести в этот образец какие-то изменения? Известно, что условия среды могут влиять на регуляцию генов путем модификации ДНК или гистонов. Феномен передачи таких модификаций потомству описан у растений — например, пережитый стресс может влиять на фенотип потомства в течение нескольких поколений. У животных описан ряд случаев «негенетического» наследования, в том числе у млекопитающих. Так, например, если самцов крыс держали на богатой жирами диете или кормили пищей с пониженным содержанием белков, у их потомства наблюдались нарушения метаболизма (подробней об этих и других исследованиях на тему негеномного наследования у животных можно прочитать в свежем обзоре Lim, Brunet, 2013. Bridging the transgenerational gap with epigenetic memory). Механизмы наблюдаемых эффектов неясны, но, учитывая, что у млекопитающих после оплодотворения ДНК подвергается деметилированию, основную роль в этом отводят модификациям гистонов и малым РНК.

Также необходимо различать, в каком случае мы имеем дело с настоящим наследованием, а в каком — с изменением фенотипа, которое обусловлено влиянием фактора на половые клетки или эмбрион в составе организма матери (именно такая схема работает в известном примере с мышами агути, когда диета беременных самок исправляла фенотип мутантных желтых мышей, склонных к ожирению и диабету, до нормального). В любом случае, в области «негеномного» наследования пока больше вопросов, чем ответов. Скорее всего, это явление не может быть широко распространено, иначе бы виды были слишком эволюционно нестабильными, да и обратимость модификаций делает его только средством для временной адаптации.

Стоит отметить, что у растений половые клетки образуются из соматических и не претерпевают массового репрограммирования генома. У животных же (в частности, рыбок), линия будущих половых клеток выделяется очень рано, еще на стадии бластулы, а перед этим подвергается перепрограммированию вместе с делящейся зиготой. Вероятно, у рыбок, о которых идет речь в статье, статус метилирования ДНК этой линии клеток не отличается от такового в сперматозоиде. В таком случае из поколения в поколение по отцовской линии передается один и тот же образец (рис. 4) — но это предстоит еще проверить.

Источники:

1) Lan Jiang, Jing Zhang, Jing-Jing Wang, Lu Wang, Li Zhang, Guoqiang Li, Xiaodan Yang, Xin Ma, Xin Sun, Jun Cai, Jun Zhang, Xingxu Huang, Miao Yu, Xuegeng Wang, Feng Liu, Chung-I Wu, Chuan He, Bo Zhang, Weimin Ci, Jiang Liu. Sperm, but not oocyte, DNA methylome is inherited by zebrafish early embryos // Cell. 2013. V. 153. P. 773–784. Doi: 10.1016/j.cell.2013.04.041.

2) Magdalena E. Potok, David A. Nix, Timothy J. Parnell, Bradley R. Cairns. Reprogramming the maternal zebrafish genome after fertilization to match the paternal methylation pattern // Cell. 2013. V. 153. P. 759–72. Doi: 10.1016/j.cell.2013.04.030.

3) Jamie A. Hackett, M. Azim Surani. Beyond DNA: Programming and Inheritance of Parental Methylomes // Cell. 2013. V. 153. P. 737–739. Doi: 10.1016/j.cell.2013.04.044 (синопсис к указанным статьям).

Дарья Спасская

Источники:

1. elementy.ru