3.2. Эпигенетические события при оплодотворении

Во время развития и дифференцировки клетки соматических линий приобретают специфическое и специализированное ДНК метилирование и модифицирование гистонов. Эти модификации, по-видимому, трудно стереть или обратить при пересадке соматических ядер в ооциты (глава 22). Эпигенетические метки в ооцитах и спермиях также специализированы, но они репрограммируются при оплодотворении таким образом, что геном эмбриона приобретает новую функцию, а именно становится тотипотентным (Reik et al., 2001; Surani, 2001). Известен ряд характеристик эпигенетического рисунка гамет и генетического репрограммирования после оплодотворения (рис. 20.2). Геномы и спермиев, и ооцитов имеют высокий уровень метилирования ДНК. Как пример особого класса последовательностей можно привести семейство ретротранспозонов, внутринистерные А частицы (intracistemal A particles, IAP), число копий которых в мышином геноме составляет около 1000 и которые имеют высокий уровень метилирования и в ооцитах, и в спермиях (Lane et al., 2003). Однако имеются определенные последовательности, особенно дифференциально метилированные районы (differentially methylated regions, DMR) в импринтных генах, которые являются метилированными только в ооцитах или спермиях (глава 19).

Геном ооцитов имеет высокий уровень модификаций гистонов, как активных (например, H3K9 ацетилирование, H3K4 метилирование), так и репрессивных (H3K9, H3K27 метилирование) (Morgan et al., 2005). Перед оплодотворением геном ооцита транскрипционно неактивен. Однако в ооците содержатся транскрипты и белки, необходимые для первых нескольких делений дробления, в том числе те, которые имеют важное значение для репрограммирования (рис. 20.1а). Геном спермия высоко специализирован, поскольку большинство гистонов во время сперматогенеза заменилось на протамины, способствующие, по-видимому, упаковке ДНК в компактную головку спермия (McLay and Clarke, 2003). В настоящее время неизвестно, какие модификации есть в оставшемся хроматине и где они раположены, что создает трудности для изучения этих немногочисленных районов хроматина.

Вскоре после оплодотворения в геноме спермия происходит четко отрегулированное репрограммирование. Протамины замещаются гистонами. Вероятно, будучи независимым от репликации (RI, replication independent), это состоит во включении гистонового варианта H3.З гистоновым шапероном HIRA (van der Heijden et al, 2005; см. гл 13). В то время в мужском пронуклеусе происходит обширное ДНК метилирование, затрагивающее как однокопийные последовательности, так и повторы, но не мужские метилированные импринтные гены (Olek and Walter, 1997; Mayer et al., 200; Oswald et al., 2000; Dean et al., 2001; Santos et al., 2002; Lane et al., 2003).

В мужском пронуклеусе перед репликацией ДНК H3 и Н4 гистоны ацетилированы, H3K4 метилирован; быстро появляются H3K9те и H3K27mel (Amey et al, 2002; Santos et al.. 2002; Lepikov and Walter, 2004). Однако H3K9me2/3 и H3K27me2/Зпоявляются только после репликации ДНК, по всей видимости, вместе с включением коровою гистона Н3.1 вместо H3.З (Santos et al., 2005). Во время первого митоза большинство проанализированных к настоящему времени гистоновых меток в женских и мужских хромосомах становятся очень схожими, по крайней мере, на низком уровне разрешения с использованием иммунофлуоресцентного окрашивания (Santos et al., 2005).

Ферментативная активность, ответственная за ранние этапы репрограммирования, вероятно, уже присутствует в ооците в виде белков или молекул РНК, которые могут быстро транслироваться. Мы уже упоминали HIRA, но после репликации ДНК участвует CAF-1, который необходим для включения зависимого от репликации (RD, replication dependent) Н3.1. Su (var) ферменты метилируют H3K9, a Ezh2 вместе с его кофактором Eed метилируют H3K27 (Eehardt et al. 2003; Santos et al, 2005). Вероятно, существенное деметилирование ДНК мужского генома вызывается процессом «активного деметилирования», для которого предложены различные механизмы, однако определенного фермента (ферментов) пока не изолировано (Morgan et al, 2005). Возможным кандидатом для участия в механизме деметилирования является семейство ферментов Aid/ Apobec, способных дезаминировать 5-метилцитозин в ДНК, превратив его в тимидин. Возникающее T: G несоответствие может репарироваться за счет механизма репарации с помощью эксцизии оснований (Morgan et al., 2004). У растений процесс деметилирования также включает зксцизионную репарацию, которая инициируется ДНК гликозилазой Demeter (Gerhing et at, 2006). Подобные деметилазы могут присутствовать и в цитоплазме ооцита при оплодотворении. Отсюда возникает вопрос, почему материнский геном не деметилируется одновременно с отцовским? Материнский хроматин или пронуклеус должны обладать неким механизмом специфической протекции; колокализация метилированной ДНК в материнском пронуклеусе вместе с H3K9me2 дает основание предполагать, что эта модификация гистона и есть кандидат для протекции (Amey et al., 2002; Santos et al., 2002, 2005).

Хотя имеющиеся данные предполагают, главным образом, приобретение гистонами модификаций, а не их утрату на глобальном уровне в этот период, возможно, что метилирование гистонов по аргинину является более динамичным. Действительно, в ооцитах присутствует Padi4, кандидат на вырезание метилированных аргининов в гистонах с помошью «леаминирования» (Sacramento et al., 2004).

Представляется, что основной результат быстрых изменений хроматина при оплодотворении заключается в том, что на двухклеточной стадии отцовский геном становится схожим с материнским. Это исключает метилирование ДНК, которое значительно отличается у двух геномов, в основном вследствие деметилирования генома спермиев. Кроме того, проведенный анализ не исключает, что на этой стадии устанавливается геноспецифические различия в модификации гистонов.