Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Thorvaldsen J.L., Duran K.L., and Bartolomei M.S., 1998. Deletion of the H19 differentially methylated domain results in loss of imprinted expression of H19 and lgf2. Genes Dev. 12: 3693–3702.

Tierling S., Dalbert S., Schoppenhorst S., Tsai C.E., Oliger S., Ferguson-Smith A.C., Paulsen M., and Walter J., 2005. High-resolution map and imprinting analysis of the Gtl2-Dnchcl domain on mouse chromosome 12. Genomics. 87: 225–235.

Varmuza S. and Mann M., 1994. Genomic imprinting — Defusing the ovarian time bomb. Trends Genet. 10: 118–123.

Verona R.E., Mann M.R., and Bartolomei M.S., 2003. Genomic imprinting: Intricacies of epigenetic regulation in clusters. Annu. Rev. Cell Dev. Biol, 19: 237–259.

Wilkins J.F. and Haig D., 2003. What good is genomic imprinting: The function of parent-specific gene expression. Nat. Rev. Genet. 4: 359–368.

Williamson CM., Turner M.D., Ball S.T., Nottingham W.T., Glenister P., Fray M., Tymowska-Lalanne Z., Plagge A., Powles-Glover N., Kelsey C., et al., 2006. Identification of an imprinting control region affecting the expression of all transcripts in the Gnas cluster. Nat. Genet. 38: 350–355.

Wroe S.T., Kelsey C., Skinner J.A., Bodle D., Ball S.T., Beechey C.V., Peters J., and Williamson C.M., 2000. An imprinted transcript, antisense to Nesp, adds complexity to the cluster of imprinted genes at the mouse Gnas locus. Proc. Natl. Acad. Sci. 97: 3342–3346.

Wutz A., Smrzka O.W., Schweifer N., Schellander K., Wagner E.F., and Barlow D.P., 1997. Imprinted expression of the lgf2r gene depends on an intronic CpG island. Nature 389: 745–749.

Yatsuki H., Joh K., Higashimoto K., Soejima H., Arai Y.. Wang Y., Hatada E., Obata Y., Morisaki H., Zhang Z., et al., 2002. Domain regulation of imprinting cluster in Kip2/Litl subdomain on mouse chromosome 7F4/F5: Large-scale DNA methylation analysis reveals that DMR-Litl is a putative imprinting control region. Genome Res. 12: 1860–1870.

Zwart R., Sleutels E, Wutz A., Schinkel A.H., and Barlow D.P., 2001. Bidirectional action of the lgf2r imprint control element on upstream and downstream imprinted genes. Genes Dev. 15: 2361–2366.

Beechey C. V., Cattanach B.M., Blake A., and Peters J., 2005. MRC Mammalian Genetics Unit, Harwell, Oxfordshire. World Wide Web Site — Mouse Imprinting data and references (http://www.mgu.har.mrc.ac.uk/research/imprinting/). http://nocode.bioinfo.org.cn/ NONCODE — the database of non-coding RNA.

Глава 20. Зародышевая линия и плюрипотентные стволовые клетки

М. Azim Surani¹ и Wolf Reik²

1Wellcome Trust Cancer Research UR Gurdon Institute, University of Cambridge, Cambridge CB2 1QN, United Kingdom 2The Babraham Institute, Babraham Research Campus, Cambridge CB2 4AT, United Kingdom

Общее резюме

Яйцо, или ооцит, представляет особую клетку, поскольку является единственной клеткой, потенциально способной к развитию в целый организм. Вильям Харвей был первым, кто осознал это в 1651 году, когда заметил «Ех Ovo Omni» или «все происходит из яйца». Он считал, что яйцо, возможно, прогрессивно развивается в организм. Такая точка зрения оказалась важной для концепции эпигенеза или прогрессивного развития. Это, в конце концов, привело к преформатинисткому взгляду на развитие — теории, предполагающей, что индивидуумы развиваются за счет увеличения крошечных, полностью сформированных организмов (так называемых гомункулусов), которые находятся в половых клетках. Конрад Уодцингтон позднее отобразил эту концепцию в своей знаменитой иллюстрации как «эпигенетический ландшафт», символическое представление последовательного развития из яйца. Развитие целого организма из яйца без участия мужского начала у некоторых организмов возможно и называется партеногенезом. Однако у млекопитающих это не происходит благодаря явлению генетического импринтинга, когда оплодотворение яйца спермой является обязательным для развития взрослого организма.

У большинства организмов развитие начинается после слияния спермы с ооцитом и образования зиготы. Это дает не только нового индивидуума, но и, по крайней мере, теоретически бесконечной серии генераций. Таким образом, половые клетки обеспечивают стойкую связь между всеми поколениями. Вновь оплодотворенное яйцо, или зигота, является уникальной клеткой, поскольку никакая другая клетка не имеет потенции к развитию полностью нового организма Это свойство называют тотипотентностью. Как передатчики генетической и эпигенетической информации следующим поколениям половые клетки являются уникальными. Для того чтобы реализовать этот потенциал, эти клетки обладают многими особыми свойствами. Ооцит обладает также удивительным свойством передавать тотипотентность ядрам соматических клеток, например нервным клеткам, при трансплантации их в яйцо, процесс, который называют клонированием или ядерным репрограммированием.

В процессе развития зиготы происходит прогрессивное уменьшение тотипотентности вновь образующихся делящихся клеток. У млекопитающих продукты только очень ранних делений сохраняют тотипотентность, когда каждая клетка в отдельности в принципе способна генерировать целый организм.

Ранним этапом развития эмбриона млекопитающих является бластоциста (левый рисунок в заголовке), структура, у которой наружный слой клеток трофэктодермы в будущем формирует плаценту, а внутренняя группа клеток дает начало всему зародышу и, в конце концов, новому организму. Внутренние клетки будут, следовательно, дифференцироваться во все известные 200 (или около того) специализированные соматические клетки, найденные у взрослых организмов, и поэтому относятся к плюрипотентным клеткам. Эти плюрипотентные клетки могут быть изолированы из ранних эмбрионов и при определенных условиях культивирования могут постоянно расти in vitro, сохраняя способность дифференцироваться в любые специализированные клеточные типы, найденные у эмбрионов и взрослых организмов, включая спермин и яйцеклетки. Такие клетки были получены из эмбрионов человека и мыши и называются плюрипотентными эмбриональными стволовыми клетками или ES-клетками. Способность генерировать плюрипотентные стволовые клетки быстро теряется после имплантации >мбриона и начала программы эмбрионального развития

Одними из наиболее ранних клеточных типов, закладывающимися во время эмбрионального развития, являются предшественники спермиев и яйцеклеток, называемые примордиальными половыми клетками (PGC), видимые как зеленые клетки на правом рисунке заголовка. Это событие гарантирует, чтобы клетки, которые впоследствии дадут начало последующим поколениям развивающегося эмбриона, возникали первыми. Примордиальные половые клетки являются высокоспециализированными клетками, которые впоследствии развиваются в зрелые спермии или яйцеклетки во взрослом организме, таким образом, повторяя цикл, в то время как остальные клетки тела, в конце концов, погибают. PGC, таким образом, являются особыми клетками. Они также могут быть использованы для получения плюрипотентных клеток, называемых эмбриональными половыми клетками или EG.

Стволовые клетки присутствуют и во взрослом организме. Например, взрослые стволовые клетки образуют миллиарды различных клеток крови, которые происходят из стволовых клеток крови костного мозга. Наши клетки кожи или желудочно-кишечного тракта постоянно обновляются за счет дифференцировки соответствующих стволовых клеток. Взрослые стволовые клетки нормально способны генерировать клетки специализированных тканей, а не различные клеточные типы, которые могут быть получены из плюрипотентных стволовьгх клеток. Очень важно понимать сходство и различия между плюрипотентными ES и взрослыми стволовыми клетками, включая эпигенетические механизмы, которые регулируют эти свойства Понимание эпигенетических свойств половых клеток и плюрипотентных стволовых клеток поможет нам выработать новые подходы для терапии, особенно для регенеративной медицины.

1. Введение. Жизнь млекопитающих: генетическая и эпигенетическая непрерывность

Генетическая информация, закодированная в геноме индивидуума, закладывается в момент оплодотворения и не изменяется при развитии, за исключением мутаций и направленных изменений последовательностей, происходящих, например, в иммунной системе. Яйцеклетка, или ооцит, женский вклад в оплодотворенную зиготу, вносит три типа наследственной информации в развивающийся эмбрион (рис. 20.1). Она вносит половину генетический информации, дополняемой гаплоидным геномом спермия. Кроме того, поскольку она является основой развивающегося эмбриона, определенные ранние этапы развития контролируются материнской наследственностью через материнские РНК и белки. Наконец, есть эпигенетическая информация, содержащаяся в ооците, которая оказывает влияние на регуляцию генома в развитии.

Эпигенетическая информация кодируется метилированием ДНК, модификацией гистонов, вариантами гистонов, негистоновыми белками хроматина и подвергается большим изменениям во время развития и дифференцировки. Главной чертой эпигенетических меток является их способность наследоваться от одного клеточного поколения к другому и регулировать экспрессию генов. Считается, что эпигенетическая информация является наиболее важной для детерминации и поддержания определенной и стабильной программы экспрессии генов, которая определяет решение клеточной судьбы во время развития. Предполагается, что в тотипотентных и плюрипотентных клетках эпигенетические метки менее стабильны и более пластичны. Однако в процессе развития клеточные потенции становятся все более и более ограниченными, а эпигенетические метки все более устойчивыми и ограничительными. Тотипотентные и плюрипотентные клетки, такие как половые клетки и эмбриональные стволовые клетки (рис. 20.16), обладают уникальной способностью репрограммировать геном и удалять эпигенетические метки. Эта способность, воз можно, лежит в основе их пластичности в развитии.

Взаимозависимость решений в развитии и эпигенетической генной регуляции устанавливает непрерывность генетических и эпигенетических событий у млекопитающих. Это происходит потому, что события, происходящие в развитии, например, сигналинг между клетками, приводят к появлению специфической программы экспрессии генов, которые могут фиксироваться эпигенетически. Кроме того, они могут устанавливать новые эпигенетические события (например, метилирование или деметилирование импринтных генов в половых клетках). Установление или удаление эпигенетических меток, в свою очередь, определяет новую генетическую программу и, следовательно, влияет на то, как клетки индивидуума отвечают на команды во время развития. Возникающая непрерывность развития и эпигенетических событий особенно поразительна, когда включает линии половых клеток, потому что это передается следующему поколению, а может быть и дальше.

Действительно ли жизнь начинается с оплодотворения? Действительно, новый индивидуум генетически может быть идентифицирован во время оплодотворения яйцеклетки спермием. В этот момент гаплоидный набор хромосом матери соединяется с отцовским гаплоидным набором хромосом; образуется диплоидный геном потомка. Однако, в гаметах присутствует также эпигенетическая информация, которая будет передана потомству. Например, гены импринтинга несут метилированные ДНК метки, которые отличают женские и мужские половые клетки и эти предсуществующие паттерны наследуются потомством (глава 9). Эти эпигенетические метки включаются в геномы половых клеток во время эмбрионального или раннего постнатального развития родителей.

Рис. 20.1. Яйцеклетка и зигота млекопитающих

^{(а) Ооцит млекопитающих содержит материнские РНК и белки (материнская наследственность), которые могут определять раннее развитие, генетическую (материнские хромосомы) и эпигенетическую информацию (ДНК метилирование и хроматиновые метки). (б) Из зиготы получается бластоциста, внутренняя масса которой дает начало ES клеткам (в культуре), все соматические клетки и примордиальные половые клетки (PGC). из которых получаются EG клетки в культуре}