Эпигенетика: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Рис. 20.8. Связь между развитием половых клеток и плюрипотентностью

^{Ооцит и зигота, а также клетки морулы до определенной стадии являются тотипотентными (ооцит имеет ограничения, налагаемые родительским импринтингом). Плюрипотентные клетки можно получить из клеток внутренней клеточной массы (ICM), примордиальных половых клеток (PGC) и сперматогониальных стволовых клеток (SS) новорожденных и взрослых семенников. Таким образом, существует тесная связь между половыми клетками в процессе развития и плюрипотентностью}

^{Рис. 20.9. Плюрипотентные клетки обладают способностью репрограммировать соматические клетки ES- или EG-клетки могут сливаться с соматическими клетками с образованием тетраплоидных клеток. Это приводит к эпигенетическому репрограммированию соматических ядер, в которых происходят изменения, например, в 5шеС, H3ас, Н4ас и H3K4me. Тетраплоидные ядра в результате слияния и репрограммирования приобретают плюрипотентный фенотип: при инъекции в бластоцисты они вносят вклад в различные клеточные типы эмбриона}

Факторы репрограммирования, влияющие на ДНК метилирование и модификацию гистонов в этих гибридах, пока неизвестны. Например, неясно, требует ли деметилирование в EG или ES клетках активности ДНК деметилазы или репликация ДНК происходит в отсутствие Dnmtl, в результате чего происходит пассивное деметилирование. Тем не менее, ES- и EG-клетки должны рассматриваться как важный источник для выделения и характеристики эпигенетических факторов репрограммирования.

5. Перспективы

В ближайшие несколько лет мы станем свидетелями убедительных успехов в понимании генетических и эпигенетических факторов, которые определяют тотипотентность и плюрипотентность половых и стволовых клеток. Становятся доступными высокопроизводительные и чувствительные методы определения различных уровней эпигенетической информации. Будут идентифицированы факторы, которые регулируют эпигенетическую информацию, особенно те, которые требуются для репрограммирования эпигенетических меток в соматических клетках в те, которые обнаружены в плюрипотентных клетках. Необходимо также развивать методы селективного и безопасного манипулирования эпигенетического состояния in vivo.

Плюрипотентные стволовые клетки представляют много удивительных возможностей как для фундаментальных исследований, так и для их потенциального применения в биомедицине. Что касается фундаментальных исследований, уникальность плюрипотентного состояния дает возможность проникнуть в механизмы, которые регулируют решение клеточной судьбы. Способность дифференцироваться в разнообразные клеточные типы дает возможность создавать заместительные клетки для восстановления поврежденной ткани. Они могут быть также использованы для моделирования болезней, чтобы исследовать, как развиваются различные заболевания у человека, вызванные специфическими мутациями или эпимутациями (т. е., мутациями, вызванными изменениями ДНК метилирования или хроматиновых матриц без изменений последовательностей ДНК), что в свою очередь может способствовать развитию новых лекарств для лечения и даже предотвращения болезней.

При использовании плюрипотентных стволовых клеток человека возникли критические этические проблемы, которые обсуждаются широкой общественностью. Очень важно установить адекватные этические рамки и правила использования стволовых клеток для исследований и биомедицинского применения, поскольку получение плюрипотентных стволовых клеток связано с использованием ранних эмбрионов.

Более глубокое познание эпигенетических механизмов, которые регулируют плюрипотентность и репрограммирование генома, когда-нибудь позволят получать плюрипотентные стволовые клетки непосредственно из взрослых стволовых клеток и даже из дифференцированных клеток без использования эмбрионов[1] Это один из аспектов, когда успехи в понимании эпигенетических механизмов могут оказаться решающими для развития медицины в будущем.

Благодарности

М.А.С. благодарит всех членов лаборатории, нынешних и в прошлом, за их работу, которая финансировалась Wellcome Trust, BBSRC, EU, DTI и CellCentric. B.P. благодарит всех своих коллег в лаборатории, особенно Wendy Dean, за их вклад в работу и идеи, обсуждаемые в этой главе. Работа в лаборатории В.Р. финансово поддерживалась BBSRC, MRC, EU, DTI и CellCentric.

Литература

Amey K.L., Bao S., Bannister A.J., KouzaridesT., and Surani M.A., 2002. Histone methylation defines epigenetic asymmetry in the mouse zygote. Int. J. Dev. Biol. 46: 317–320.

Avilion A.A., Nicolis S.K., Pevny L.H., Perez L., Vivian N., and Lovell-Badge R., 2003. Multipotent cell lineages in early mouse development depend on SOX2 function. Genes Dev. 17: 126-MO.

Blackwell T.K., 2004. Germ cells: Finding programs of mass repression. Curr. Biol. 14: R229-230.

Boyer L.A., Lee T.L., Cole M.F., Johnstone S.E., Levine S.S., Zucker J.P., Guenther M.G., Kumar R.M., Murray H.L., Jenner R.G., et al., 2005. Core transcriptional regulatory circuitry in human embryonic stem cells. Cell 122: 947–956.

BuehrM., Nichols J., Stenhouse F., Mountford P., GreenhalghC.J., Kantachuvesiri S., BrookerG., Mullins J., and Smith A.G., 2003. Rapid loss of Oct-4 and pluripotency in cultured rodent blastocysts and derivative cell lines. Biol. Reprod. 68: 222–229.

Carlson L.L., Page A.W., and Bestor T.H., 1992. Properties and localization of DNA methyltransferase in preimplantation mouse embryos: Implications for genomic imprinting. Genes Dev. 6: 2536–2541.

Chambers L., Colby D., Robertson M., Nichols J., Lee S., Xweedie S., and Smith A., 2003. Functional expression cloning of Nanog, a pluripotency sustaining factor in embryonic stem cells. Cell 113: 643–655.

Chang D.H., Cattoretti C., and Calame K.L., 2002. The dynamic expression pattern of B lymphocyte induced maturation protein-1 (Blimp-1) during mouse embryonic development. Mech. Dev. 117: 305–309.

Chapman V., Forrester L., Sanford J., Hastie N., and Rossant J., 1984. Cell lineage-specific undermethylation of mouse repetitive DNA. Nature 307: 284–286.

Chong S. and Whitelaw E., 2004. Epigenetic germline inheritance. Curr. Opin. Genet. Dev. 14: 692–696.

Cowan C.A., Atienza J., Melton D.A., and Eggan K., 2005. Nuclear reprogramming of somatic cells after fusion with human embryonic stem cells. Science 309: 1369–1373.

Dean W. and Ferguson-Smith A., 2001. Genomic imprinting: Mother maintains methylation marks. Curr. Biol. 11: R527-530.

Dean W., Santos E., Stojkovic M., Zakhartchenko V., Walter J., Wolf E., and ReikW., 2001. Conservation of methylation reprogramming in mammalian development: Aberrant reprogramming in cloned embryos. Proc. Natl. Acad. Sci. 98: 13734-13738.

Dean W., Bowden L., Aitchison A., Klose J., Moore X., Meneses J.J., Reik W., and Feil R., 1998. Altered imprinted gene methylation and expression in completely ES cell-derived mouse fetuses: Association with aberrant phenotypes. Development 125: 2273–2282.

Deshpande G., Calhoun G., and Schedl R, 2004. Overlapping mechanisms function to establish transcriptional quiescence in the embryonic Drosophila germline. Development 131: 1247–1257.

de Souza F.S., Gawantka V., Gomez A.P., Delius EL, Ang S.L., and Niehrs C., 1999. The zinc finger gene Xblimpl controls anterior endomesodermal cell fate in Spemann’s organizer. EMBO J. 18: 6062–6072.

[1] Это предположение авторов, которое во время подготовки рукописи к печати, казалось довольно смелым, очень скоро стало реальностью. Клетки, обладающие всеми свойствами плюрипотентных стволовых клеток, были получены из дифференцированных клеток человека (Science, 2007,318: 1917–1920) и мыши (Cell, 2006, 126: 663–676). (Прим. перев.)