Epigenetic marker of stem cell properties determines early embryo development

Full Text

Развитие млекопитающих, как известно, начинается с одной клетки, которая дает начало всем типам клеток и тканей. У мышей дифференцировка эмбриональных клеток происходит уже на стадии 4 бластомеров [1-3]. Отличия бластомеров зависят от их ориентации и порядка деления [4]. Так как известно, что эпигенетические маркеры (метилирование, ацетилирование) участвуют в поддержании плюрипотентности [5], было выдвинуто предположение об эпигенетическом различии первых бластомеров, что и влияет на их потенциал развития. Эпигенетические маркеры включают не только метилирование самой ДНК, но и метилирование аминокислот в белках, участвующих в упаковке ДНК - гистонах. Метилирование этих белков так меняет их структуру, что меняется и упаковка ДНК - она становится более или менее доступной для полимераз, поэтому может измениться и уровень транскрипции.

Ученые из Великобритании Torres-Padilla с коллегами показали, что модификация гистона Н3, а точнее метилирование специфического аргининового остатка № 26 (Н3R26me), связано с возможным развитием клетки и зародыша. Уровень этого специфического метилирования максимален на стадии 4 бластомеров в тех клетках, которые дадут начало внутренней клеточной массе бластоцисты. Минимален же этот уровень в клетках, из которых образуется трофэктодерма. Это указывает на то, что высокий уровень метилирования в раннем эмбриогенезе предрасполагает клетку к плюрипотентности.

Чтобы проверить это предположение, ученые искусственно повышали экспрессию фермента CARM1, осуществляющего метилирование аргинина 26 в гистоне Н3 в индивидуальных бластомерах. Трансформированные клетки формировали только внутреннюю клеточную массу бластоцисты и оверэкспрессируют Nanog и Sox2 - гены «стволовости». Таким образом, был найден новый потенциальный эпигенетический маркер плюрипотентности - специфическое метилирование гистона Н3.

У млекопитающих деление первых двух клеток происходит в перпендикулярных направлениях: экваториальном (Е) и медиальном (М). Поэтому получается четырехклеточный эмбрион с разной ориентацией клеток относительно полярного тельца. Эти клетки различаются по уровню метилирования аргинина 26 в гистоне Н3 (Н3R26me). Это специфическое метилирование часто ведет к активации транскрипции генов [6]. В тех бластомерах, где чаще был метилирован аргинин 26 (Н3R26me), была показана усиленная транскрипция. Так как бластомеры различаются по порядку и ориентации деления (рис.), то исследователи проверили возможности их развития в зависимости от параметров деления первых двух клеток. Если первый из двух бластомеров делится медиально (М), а второй экваториально (Е) - (МЕ эмбрион), то первые дочерние клетки (М) дают начало в основном эмбриональным тканям (внутренней клеточной массе бластоцисты), а вторая пара больше участвует в формировании неэмбриональных тканей, то есть трофэктодермы. Надо заметить, что чаще в норме встречается именно такое деление - МЕ. Если же эмбрион ЕМ, то есть первое деление было в экваториальном направлении, бластомеры функционально не различаются, то есть могут давать начало любым клеткам.

Двойное мечение бластомеров позволяет следить за потомками первых двух бластомеров, а также за апикальными и базальными клетками бластоцисты

Исследователи пометили дочерние клетки одного из двух бластомеров двуклеточного эмбриона и показали, что после деления уровень метилирования в дочерних Е и M клетках ЕM-эмбриона был одинаков, а в МЕ-эмбрионах М-клетки содержали больше сайтов метилирования Н3R26, чем Е-клетки. Таким образом, в МЕ-эмбрионах можно предсказать возможное развитие бластомеров: высокий уровень метилирования Н3R26 наблюдается в тех клетках, которые дадут начало эмбриональным тканям, и низкий - неэмбриональным.

Вводя в два бластомера две разные метки, авторы проследили за порядком деления и за клетками апикальной и базальной сторон бластоцисты (см. рис.). В MЕ эмбрионах базальные бластомеры (те, которые дальше всего удалены от полярного тельца) всегда имеют значительно более низкий уровень метилирования Н3R26 чем апикальные. Искусственная стимуляция метилирования Н3R26 в одном из двух бластомеров двуклеточного эмбриона приводила к тому, что меченые клоны этой клетки находились в эмбриональной части бластоцисты в 89% случаев и формировали её внутреннюю клеточную массу. Не было ни одного эмбриона, где эти трансформированные (меченые) клоны находились бы только в неэмбриональной (наружной) части (см. рис.). Авторы показали, что при мутации, нарушающей функцию фермента, вызывающего метилирование Н3R26 (CARM1), все клетки занимают с равной вероятностью любое место в бластоцисте, то есть, определяющим является функция белка. Избыточная экспрессия CARM1 не только ведет к образованию эмбриональных тканей, но и вызывает повышенное образование белков Nanog и Sox2 (маркёров эмбриональных стволовых клеток), в то время как экспрессия Cdx2 (маркера трофэктодермы) не меняется.

Таким образом, показано, что эпигенетические различия появляются в бластомерах уже на стадии четырехклеточного эмбриона. Нельзя однозначно сказать, что действие метилтрансферазы CARM1, которое приводит к мультипотентности, заключается только в метилировании гистона Н3. Но можно утверждать, что это специфическое метилирование определяет потенции развития клетки: клетки с высоким уровнем метилирования Н3R26 формируют внутреннюю клеточную массу бластоцисты, в них повышен уровень транскрипции, включая гены, вовлеченные в поддержание «стволовости», такие как Nanog и Sox2. Безусловно, чтобы уверенно говорить о значении метилирования в поддержании плюрипотентности, необходимы дальнейшие исследования, особенно в отношении других эпигенетических модификаций хроматина.

About the authors

T. Lopatina

Author for correspondence.
Email: redaktor@celltranspl.ru
Russian Federation

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1

Download (263KB)

Indexing metadata