3.5. Роль метилирования ДНК в геномном импринтинге

Идентификация первых трех эндогенных импринтированных генов в 1991 году позволила исследователям изучить, каким образом эпигенетическая машинерия клетки маркирует импринтированный ген в отношении его родительской идентичности. Первым и наиболее легко тестируемым кандидатом было метилирование ДНК — модификация у млекопитающих, ковалентно добавляющая метильную группу к остатку цитозина в любом динуклеотиде CpG. Метилирование ДНК достигается благодаря действию de novo метилтрансфераз и сохраняется in situ каждый раз, когда клетка делится, действием поддерживающих метилтрансфераз (описано в главе 18). Следовательно, эта модификация удовлетворяет критериям, очерченным на рис. 19.3 для метки родительской идентичности, или «импринта», поскольку (1) она может быть установлена либо в спермии, либо в ооците de novo метилтрансферазами, которые действуют лишь в одной гамете, (2) она может стабильно воспроизводиться при каждом делении эмбриональной клетки с помощью поддерживающей метилтрансферазы и (3) она может быть стерта в зародышевой линии для перезагрузки импринта в следующем поколении либо путем пассивного деметилирования, либо, возможно, действием деметилазы.

Метилирование ДНК потенциально могло бы выполнять две функции в геномном импринтинге. Оно могло бы действовать как импринтирующая метка, будучи приобретаемой de novo только хромосомами одной гаметы. Оно могло бы также служить для сайленсинга одной из родительских аллелей, поскольку метилирование ДНК связано с репрессией гена. Чтобы определить, какой же функцией оно обладает, необходимо сначала показать, что метилирование ДНК присутствует только на одной родительской хромосоме (т. е., что оно является DMR). Во-вторых, необходимо идентифицировать, какой импринтированный ген в кластере и какая часть регуляторного аппарата этого гена маркированы метилированием ДНК. Локализация меток метилирования на промоторе или на удаленных позитивных или негативных регуляторных элементах будет иметь разные последствия для экспрессии гена. Наконец, необходимо идентифицировать, когда в ходе развития формируется DMR. Если он формируется во время гаметогенеза и стабильно поддерживается в соматических клетках (что известно как гаметический DMR), он может служить маркером импринтинга. Если, однако, он помещается на ген после того как эмбрион стал диплоидным, когда обе родительские хромосомы находятся в одной и той же клетке (известно как соматический DMR), он вряд ли служит в качестве метки идентичности, но может служить для поддержания специфичного в отношении родителя сайленсинга.

Родительское аллель-специфичное метилирование ДНК обнаружено в большинстве импринтированных изученных кластеров. Например, кластер Igf2 имеет гаметический DMR, расположенный в 2 т. о. «вверх по течению» от промотора ncRNA Н19, который метилирован только в родительской гамете и поддерживается после этого во всех соматических тканях (Bartolomei et al., 1993; Ferguson-Smith et al., 1993). Был идентифицирован похожий гаметический DMR, который покрывал промотор ncRNA Air, присутствовал только на «молчащей» материнской копии гена и был приобретен в женской гамете (Stoger et al., 1993). Удивительно, что гаметические DMRs не были идентифицированы в промоторах главных импринтированных кодирующих белок генов в этих кластерах (соответственно, lgf2 и lgf2r). Вместо этого сайленсированный промотор Igf2 оказался свободным от метилирования ДНК, тогда как сайленсированный промотор Igf2r лежит внутри соматического DMR (Sasaki et al., 1992; Stoger et al., 1993). Подобные находки гаметических DMRs, метилированных на хромосоме, несущей «молчащую» копию импринтированной ncRNA, были сделаны для четырех других хорошо изученных кластеров импринтированных генов, Pws, Kcnq1, Gnas и Dlk1 (Shemer et al., 1997; Liu et al., 2000; Takada et al., 2002; Yatsuki et al., 2002).

Соматические DMRs возникают реже и были описаны лишь на нескольких импринтированных кодирующих белки генах в каждом кластере, что указывает на то, что метилирование ДНК может играть лишь ограниченную роль в поддержании экспрессии импринтированного гена (Stoger et al., 1993; Moore et al., 1997; Yatsuki et al., 2002). Делеции гаметических DMRs у мышей приводят к полной утрате импринтинга для множественных генов, доказывая тем самым, что этот класс DMRs служит также как основной ICE для всего кластера (рис. 19.6) (Wutz et al., 1997; Thorvaldsen et al., 1998; Bielinska et al., 2000; Fitzpatrick et al., 2002; Lin et al., 2003; Williamson et al., 2006). Напротив, делеция соматических DMRs влияет на экспрессию связанного импринтированного гена, кодирующего белок, но импринтированная экспрессия поддерживается другими генами в кластере (Constancia et al.; Sleutels et al., 2003).

Нехватка метилирования ДНК по всему геному, вызываемая мутациями в генах семейства Dnmt, подчеркивает его существенную роль в регулировании экспрессии импринтированного гена. Мутации в de novo метилазе Dmnt3a, в факторе Dmnt3L, стимулирующем метилазу, или в поддерживающей метилазе Dmnt1 дают дефектных по метилированию ДНК эмбрионов, все из которых обнаруживают изменения в экспрессии импринтированных генов (глава 18). Нарушения того типа, который был показан для четырех импринтированных кластеров (Igf2, Igf2r, Kcnq1 и Dlk1), показывает, что метилирование ДНК обычно действует, супрессируя действие гаметического DMR на той же родительской хромосоме, которая экспрессирует собранные в кластер гены и РНК. Таким образом, в отсутствие метилирования ДНК гаметический DMR не может функционировать должным образом. Вследствие этого несколько импринтированных генов, кодирующих белки, в том числе Igf2, Igf2r, Kcnq1 и Dlk1, становятся репрессированными на обеих родительских хромосомах. Это показывает, что эти гены и РНК в геноме млекопитающих сайленсированы «по умолчанию» и требуют активации для своей экспрессии. Примечательно, что ncRNA Н19, которая в норме экспрессируется лишь на хромосоме, несущей неметилированный гаметический DMR, становится экспрессируемой на обеих родительских хромосомах (глава 18) Некоторые исключения из этого общего правила сообщались для генов, демонстрирующих импринтированную экспрессию только в плаценте (Lewis tu al., 2004).

Используются ли другие типы эпигенетических модификаций в качестве гаметических импринтов? При явном изобилии эпигенетических механизмов, действие которых модифицирует генетическую информацию в геноме млекопитающих (описаны в главе 3), маловероятно, чтобы метилирование ДНК было единственным импринтирующим механизмом. Модификации гистонов, влияющие на состояния активности хроматина, также являются вероятными кандидатами на роль родительских импринтов, поскольку они могли бы выполнять многие условия, показанные на рис. 3. На сегодняшний день, однако, показано, что лишь белок — компонент группы Polycomb, известный как Eed (который облегчает метилирование лизина 27 гистона H3), влияет на несколько отцовски-репрессированных генов. Однако влияние Eed на геномный импринтинг довольно незначительно по сравнению с метилированием ДНК, и это может служить лишь функцией поддержания (Mager et al., 2003).

Каким образом DMRs выбираются механизмом гаметического метилирования? Сравнение известных гаметических DMRs по нуклеотидным последовательностям не выявляет сколько-нибудь явного консерватизма последовательностей, хотя сообщалось, что некоторые из них содержат ряд прямых повторов, которые могут приобретать вторичную структуру, привлекающую метилирование ДНК (Neumann et al., 1995). Нуклеотидная последовательность DMRs заметно богаче CpG, чем остальной геном, и напоминает последовательность островков CpG, связанную с промоторами более чем половины генов в геноме млекопитающих (глава 18). Поразительно, что ключевой особенностью промоторов с островками CpG является то, что в норме в них отсутствует метилирование ДНК и что в ранних эмбриональных клетках существуют механизмы для поддержания островков CpG промотора свободными от метилирования (Antequera, 2003). Однако в опухолях и при старении островки CpG могут становиться метилированными.

Два наблюдения пролили свет на то, каким образом метилирование ДНК могло бы «нацеливать» последовательности DMR. Первое наблюдение заключается в том, что отцовская специфичность метилирования в гаметическом DMR Н19 зависит от предотвращения метилирования «по умолчанию» в этом районе в материнской гамете с помощью белка CTFC (Fedoriw et al., 2004; смотри также раздел 3.6). Это может указывать на отсутствие сиквенс-специфичности системы метилирования ДНК. Второе наблюдение заключается в том, что вспомогательный белок метилирования, Dnmt3L, играет разные роли в мужских и женских гаметах. В мужских гаметах Dnmt3L играет главную роль в метилировании и сайленсинге ретротранспозонов и незначительную роль в метилировании DMR. Напротив, в ооцитах Dnmt3L играет основную роль в метилировании DMR и не играет никакой роли в метилировании ретротранспозонов (Bourc’his and Bestor, 2006). Ретро-транспозоны являются мобильными генетическими элементами, присутствующими в очень большом числе в геноме млекопитающих и могут копироваться посредством промежуточных РНК и вставляться в новые геномные сайты (Kazazian, 2004). Обнаружение того факта, что тот же самый белок, который направляет метилирование, чтобы сайленсировать ретротранспозоны, может также направлять метилирование DMR, показывает, что механизмы, нужные для защиты генома от чужеродных ДНК, были использованы, чтобы делать импринты в материнской зародышевой линии (Barlow, 1993).