4.2. Млекопитающие
Последовательное эпигенетическое репрограммирование является важным аспектом нормального развития (Rideout et al., 2001). В ходе гаметогенеза на два родительских генома последовательно накладываются изменения метилирования ДНК, а также гистонов. После оплодотворения геном эмбриона модифицируется далее в ходе дробления и после имплантации. В табл. 22.3 дается сводка данных о некоторых эпигенетических отличиях клонированных животных от нормальных, которые возникают в результате ошибочного репрограммирования. Для последующего обсуждения мы подчеркиваем эти эпигенетические различия между эмбрионами, полученными в результате нормального оплодотворения и клонирования, на разных стадиях развития. Стадии развития, указанные в табл. 22.3 и обсуждаемые по порядку, — это (1) гаметогенез, (2) дробление, (3) постимплантация и (4) постнатальное развитие.
Гаметогенез
Наиболее важное эпигенетическое репрограммирование в нормальном развитии происходит во время гаметогенеза — процесса, который делает и геном спермия, и геном ооцита «эпигенетически компетентными» для последующего оплодотворения и для надежной активации генов, критичных для раннего развития (Latham et al., 1999). При клонировании этот процесс сокращается, и большинство проблем, затрагивающих «нормальность» клонированных животных, может быть связано с неадекватным репрограммированием соматического ядра после трансплантации в яйцеклетку. Поскольку плацента развивается из трофоэктодермальной линии, составляющей первый дифференцированный тип клеток эмбриона, можно было бы предположить, что у большинства клонированных животных репрограммирование и дифференцировка в эту раннюю клеточную линию нарушены. Действительно. как подытожено ниже, доля аномально экспрессируемых генов у клонированных новорожденных животных существенно выше в плаценте по сравнению с соматическими тканями.
Дробление
В ходе дробления проходящая по всему геному волна деметилирования удаляет эпигенетические модификации, присутствующие в зиготе, так что ДНК бластописты в основном лишена метилирования. Между имплантацией и гаструляцией волна глобального метилирования de novo заново устанавливает общую картину метилирования, которая затем поддерживается на протяжении всей жизни в соматических клетках данного животного. У клонированных эмбрионов метилирование повторяющихся последовательностей является ненормальным (Bourc’his et al., 2001; Dean et al., 2001; Kang et al., 2003; Mann et al., 2003). Чтобы исследовать экспрессию генов, активность таких «генов плюрипотентности», как Oct-4, которые «молчат» в соматических клетках, но активны в эмбриональных клетках, была изучена у клонированных эмбрионов. Удивительно, но реактивация Oct-4 и «Oct-4-подобных» генов оказалась ошибочной и случайной у большой доли соматических клонов (Boiani et al., 2002; Bortvin et al., 2003). Поскольку эмбрионы без Oct-4 рано останавливаются в развитии, неполная реактивация «Oct-4-подобных» генов у клонов могла быть причиной частой неспособности большей части эмбрионов, полученных в результате пересадки ядер, выжить в постимплантационном периоде. Более того, в ряде исследований обнаружено аномальное метилирование ДНК у клонированных эмбрионов. Хотя остается все еще невыясненным, в какой степени эпигенетическая модификация структуры хроматина и метилирование ДНК, происходящие в нормальном развитии, должны имитироваться при ядерном клонировании, для того чтобы оно было успешным, имеющиеся данные полностью согласуются с представлением о том, что причиной аномальной экспрессии генов у клонированных животных является ошибочное эпигенетическое репрограммирование.
Таблица 22.3. Нормальные versus клонированные эмбрионы
Постимплантационное развитие
После имплантации и перед гаструляцией три ключевых события формируют эпигенетическое состояние генома эмбриона: (1) волна глобального метилирования de novo заново устанавливает общую картину метилирования, характерную для взрослого животного и поддерживаемую в дальнейшем в соматических клетках на протяжении всей жизни (Dean et al., 2003); (2) у эмбрионов женского пола выполняется компенсация доз посредством случайной инактивации одной из двух Х-хромосом; (3) теломеры приобретают длину, характерную для соматических клеток. Поскольку все эти события инициируются только у постзиготического эмбриона, у клонированных животных можно ожидать мало нарушений в регуляции этих эпигенетических событий. Тем не менее, у клонированных эмбрионов коровы наблюдали более низкие уровни общего метилирования по сравнению с постнатальными телятами (Cezar et al., 2003). Инактивация Х-хромосомы была случайной и ненарушенной у здоровых, но не у аномальных клонированных эмбрионов мышей (Eggan et al., 2000; Senda et al., 2004: Nolen et al., 2005). Однако неясно, действительно ли эти нарушения являются причиной аномального развития клонов, а не просто следствием аномального репрограммирования в ходе предимплантационного развития. Напротив, коррекция длины теломер у клонированных коров и мышей надежно выполнялась (Lanza et al., 2000; Tian et al., 2000; Wakayama et al., 2000; Betts et al., 2001) и, таким образом, не могла быть причиной нарушенной жизнеспособности клонированных животных.
Постнатальное развитие
Самый масштабный анализ экспрессии генов был выполнен на новорожденных клонированных мышах. Профиль экспрессии показал, что 4—5 % всего генома и 30—50 % импринтированных генов аномально экспрессируются в плацентах новорожденных клонированных мышей (Humpherys et al., 2002; Kohda et al., 2005). Это говорит о том, что развитие млекопитающих удивительно толерантно к широко распространенной дисрегуляции и что компенсаторные механизмы обеспечивают выживание некоторых клонированных особей вплоть до рождения. Однако эти результаты заставляют предполагать, что даже выживающие клоны могут иметь легкие дефекты, которые, хотя и не настолько серьезны, чтобы создавать риск для непосредственного выживания, в более позднем возрасте могут послужить причиной возникновения ненормального фенотипа.