Epigenetic control of mammalian development in the absence of a paternal genome

Full Text

Партеногенетическое развитие млекопитающих строго ограничено геномным импринтингом [1]. Суть геномного импринтинга состоит в том, что гены, передаваемые потомству от обоих родителей, несут специфический «отпечаток» пола родителя, т. е. отцовские и материнские гены маркированы по-разному. Эти «отпечатки» являются временными и могут быть «стерты». Такой «отпечаток» как правило, обеспечивается с помощью эпигенетической метки (всевозможные эпигенетические модификации ДНК]. Потомство получает один набор хромосом с отцовской маркировкой некоторых генов, а другой - с материнской. При образовании у потомка половых клеток прежний «отпечаток» стирается, и эти гены маркируются в соответствии с полом данной особи.

Эпигенетические модификации ДНК, определяющие геномный импринтинг, локализуются в определенных участках хромосом, называемых районами контроля импринтинга. Так, в процессе сперматогенеза метилируются три специфичных района, расположенных на 7, 9 и 12 хромосомах [4].

Создание овоцитов, содержащих два гаплоидных материнских генома (один - от незрелого овоцита 1-го порядка до фазы роста, а другой - от зрелого овоцита 2-го порядка] позволяет изучить экспрессию импринтированных генов, которые регулируются материнским паттерном метилирования [2]. При этом геном незрелого овоцита «свободен» от импринтинга, тогда как геном полностью сформировавшегося овоцита характеризуется импринтингом по типу материнского генома. Изучая эмбрион, полученный от таких двух овоцитов можно проанализировать вклад отцовского генома в развитие зародыша.

Исследовательская группа Т. Kono в 2004 году впервые получила мышей, созданных путем партеногенеза [3]. Они сконструировали биматеринские эмбрионы, используя незрелый овоцит от мышей, несущих делецию гена Н19 в районе контроля импринтинга на 7 хромосоме. Тем не менее, эффективность данного подхода была очень низкой. Было получено лишь две живых биматеринских мыши из 371 сконструированного овоцита.

В новом исследовании, опубликованном в Nature biotechnology, японские ученые создали биматеринские эмбрионы с использованием незрелых овоцитов, полученных от мышей, имеющих делеции как в районе гена H19-DMR на 7 хромосоме [ch7+/-, или ch7-/-J, так и в Dlk1-Dio3 районе контроля импринтинга на 12 хромосоме [ch+/-] [рис.].

Схема получения биматеринских эмбрионов мыши

Первую яйцеклетку брали у взрослой мыши на стадии герминативной везикулы, а вторую - у новорожденного животного [1 день после рождения] на стадии диплотены первого мейоза. У зрелой яйцеклетки удаляли ядро и энуклеированный овоцит сливали с незрелой яйцеклеткой с помощью вируса, а веретено деления полученной реконструированной клетки было вторично перенесено в овулировавший овоцит [«серийный перенос ядра»].

Способность к развитию у биматеринских зародышей была проанализирована с помощью 3D культивирования 323 реконструированных овоцитов и трансплантации 286 полученных в итоге бластоцист в 29 самок. На сроке беременности 19,5 дней авторам удалось получить 42 живых мыши. Все они были гетерозиготны по двойным мутациям на 7 и 12 хромосомах, доказывая тот факт, что мыши лишь с таким геномом выживали в эксперименте.

27 мышей достигли взрослого возраста, а их вес не отличался от веса мышей дикого типа. У 11 мышей наблюдалось значительная задержка развития и они погибли через 3 дня. Общий уровень выживаемости таким образом составил 39,4%, что соответствует показателям выживаемости после ЭКО [5]. Авторы работы связывают задержку в развитии с подавлением транскрипции гена Rasgrfl [расположенного на 9-й хромосоме] которая регулируется метилированием по отцовскому типу и вызывает секрецию гормона роста. Всего в работе приведено несколько параметров, по которым полученных гиногенетических особей сравнивали с нормальными - анатомическое и гистологическое сравнение строения органов и тканей, биохимические тесты крови и сыворотки, кровяного давления, а также тесты на обучаемость. По всем перечисленным показателям полученные мыши не отличались от мышей дикого типа.

Таким образом, в сравнении с предыдущим исследованием авторы добились значительного повышения уровня выживаемости партеногенетических мышей [с 0,5% до 39,4%]. Исследователи предполагают, что строгий барьер для партеногенеза обеспечивается независимо материнским и отцовским геномами [а точнее - метилированием этих геномов в определенных областях]. При этом импринтинг по материнскому типу является основным барьером на пути к партеногенетическому развитию на стадии имплантации, а отцовский геном отвечает уже за более поздние стадии развития. Причем эта закономерность зависит оттого, в каком статусе [метилированном или деметилированном] находятся 7 и 12 хромосомы, которые импринтируются по отцовскому типу. Восстановление регуляции генной экспрессии в двух рассмотренных районах контроля импринтинга необходимо для нормального развития.

Работа дополняет все предыдущие исследования о роли эпигенетических модификаций в отцовском или/и материнском геномах в развитии млекопитающих. Существовало мнение, что для эффективного переноса ядра требуются различные отцовские факторы, например, РНК сперматозоидов [6]. Однако данная работа свидетельствует о том, что отцовские транскрипты, возможно, вообще не являются значимыми для развития особи после слияния гамет.

About the authors

V. S. Melikhova

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Scheme for obtaining bi-maternal mouse embryos

Download (602KB)

Indexing metadata