У майже кожній клітині людського організму (за винятком мегакаріоцитів, наприклад) існує подвійний набір хромосом – одна копія успадкована від кожного з батьків. У 1980-х роках роботи зі створення зиготи з двох материнських чи двох батькових пронуклеусів у мишей довели неможливість такого підходу, адже ембріони гинули до етапу імплантації, вчені зробили висновок, що просто двох копій геномів недостатньо для нормального утворення ембріону, хромосоми від обох батьків доповнювали один одного, якась деталь, тоді ще не відома, втрачалась. Відповіддю до цієї загадки було явище геномного імпринтингу.

  Геномний імпринтинг – епігенетичний феномен, який проявляється тим, що в диплоїдному організм активним є лише один з двох алелей гену, у залежності, від кого з батьків він походить. Це означає, що певні гени активні лише тоді, коли вони знаходяться на хромосомі, що передалась від матері, і неактивні, якщо це хромосома від батька, і навпаки. Ця одноалельна активність не залежить від послідовності ДНК і забезпечується епігенетичними механізмами, такими як метилювання ДНК, модифікації гістонів, робота некодуючих РНК. Після запліднення ці модифікації зберігаються під час поділу і диференціації клітин у соматичних клітинах і повністю стираються та переписуються залежно від статі організму під час закладки статевих органів та гамето­­генезу.

  Всі клітини ссавців проходять дві великі хвилі епігенетичного репрограмування, не рахуючи невеликих змін, що відбуваються під час диференціювання клітини та її життя.

  Перша хвиля глобального репрограмування відбувається через декілька годин після запліднення, після злиття пронуклеусів. У цей час починається глобальне деметилювання і поступове утворення нового набору метильних міток для забезпечення плюрипотентності. Мітки, що відповідають за імпринтинг, якимось чином уникають цього перезавантаження аж до другої хвилі репрограмування, яка відбувається при утворенні первинних статевих клітин. Це забезпечує утворення епігенетичних міток потрібних для утворення гамет, саме в цей час мітки, що забезпечували імпринтинг, стираються і переписуються у залежності від типу гамет, що утворюються – жіночих чи чоловічих.

  У чоловіків поява нових метильних міток, що забезпечують імпринтинг, відбувається у пізні періоди розвитку плода внутрішньоутробно, у жінок цей процес відбувається вже після народження, коли яйцеклітина, яка зупинилася на стадії диплотени профази-І, починає готуватися до овуляції. Такий статевий диморфізм робить процес встановлення імпринтингу у жінок чутливим до факторів навколишнього середовища1.

  Такі фактори, як харчування, нестача фолієвої кислоти (дефекти нервової трубки при дефіциті пов’язані з порушенням імпринтингу гену GNAS)2, алкоголь, паління, вплив хімічних речовин (наприклад, Бісфенолу А) діють на процес імпринтингу і можуть призводити до віддалених ефектів у нащадків.

  Процес утворення нових міток вивчений лише частково, відомо, що за встановлення метильних міток для забезпечення імпринтингу відповідає метилтрансфераза DNMT3a. Відкритим лишається питання, як білки-інструменти епігенетичного репрограмування відрізняють специфічні локуси ДНК, що підлягатимуть імпринтингу, від тих, які не підлягають. Окремими деталями пазлу виступають наявність СpG повторів певної довжини і регулярності в цих локусах, стан хроматину та специфічні транскрипти, що можуть активувати ці інструменти.

  Зараз описано близько 100 генів у людей, що підлягають імпринтингу. Більшість з них відповідають за ріст та розвиток ембріона, утворення та функціонування плаценти, метаболізм.

  Гени, що підлягають імпринтингу, знаходяться близько один до одного в послідовностях ДНК, в локусах, спільними для яких є структури під назвою Imprinted Control Regions (ICR) або Differently Methylated Region (DMR). Назви свідчать, що ці ділянки по різному метильовані на батьківських хромосомах. Одну з головних ролей у механізмі геномного імпринтингу відіграють довгі некодуючі РНК (lncRNA), і часто саме їхні промотори є цими ICR3. lncRNA – некодуючі молекули РНК довжиною більше 200 нуклео­­тидів, що зазвичай виконують регуляторну функцію.

  Наприклад:

  Airn – довга некодуюча РНК довжиною 108 тисяч нуклеотидів – експресується лише з хромосоми батька і заглушує активність генів Slc22a2, Slc22a3 та Igf2r з цієї ж хромосоми шляхом фізичної взаємодії з промоторами цих генів і залучення метилтрансферази G9a до цих ділянок, що накладає деактивуючі метильні мітки на H3K9me3 (звичайна індексація епігенетичних модифікації гістонів: Н3 – субодиниця гістону 3, К9 – лізин у 9 позиції, me3 – 3 метильні групи).

  Некодуюча РНК Kcnq1ot1 активна на хромосомі батька й на ній заглушує гени Kcnq1, Cdkn1c, Phlda2 і Slc22a18 у своєму локусі на 7 хромосомі. Свою функцію вона виконує завдяки залученню білків PCR1, G9a метилтрансферази, які модифікують гістони деактивуючими мітками H3K9me3 та H3K27me3, а також DNMT1, що забезпечує метилювання ДНК в промоторах генів, з якими вона фізично взаємодіє.

  H19 – довга некодуюча РНК, також з 7 хромосоми, знаходиться у регіоні, що важливий для ембріогенезу, вона забезпечує деактивацію гена Igf2 на материнській хромосомі, ця lncRNA залучає білок MBP1, і він тягне за собою цілу машинерію інших гістон-модифікуючих білків, які й забезпечують деактивацію у цьому локусі.

 

Функціональне та еволюційне значення імпринтингу

Дві копії геному створюють щось на кшталт «бекапу», тобто мутації однієї з копій не завжди призводять до функціональних змін, адже існує інша копія. У такому випадку явище геномного імпринтингу виглядає парадоксальним, тому що «функція бекапу «буде неактивна. Це значить, що імпринтинг може мати функцію, що нівелює недолік втрати запасного варіанту. Не існує єдиної думки, що пояснює, як і чому з’явилося це явище і яке його можливе еволюційне і фізіологічне значення. Популярною є гіпотеза батьківського конфлікту, суть якої полягає в тому, що гени батька та матері ведуть суперництво за контроль над розвит­ком плода. Ця гіпотеза спирається на спостереження та дослідження ссавців, адже у ссавців існує величезна диспропорція між тим, скільки ресурсів вкладають самець та самиця у розвиток потомства. Гени батька стимулюють розвиток його потомства за рахунок матері для ефективного поширення власних копій, а гени матері, навпаки, стримують розвиток потомства для виживання власного організму і поширення своїх копій при наступних вагітностях. Таким чином гени батька будуть стимулювати ріст і розвиток плода, а гени матері його стримувати.

  Показовими прикладами на підтвердження цієї теорії є IGF2 – ген, що кодує гормон інсуліноподібний фактор росту. Він регулює ріст та диференціацію клітин, ангіогенез, відіграє велику роль у внутрішньоутробному розвитку. Знаходиться на короткому плечі 11 хромосоми, внаслідок імпринтингу активний лише на батьківській хромосомі і заглушений на материнській. У випадку відключення обох алелей цього гену, що спостерігається при синдромі Сільвера–Рассела, буде наявна затримка внутрішньо­утробного розвитку плода (ЗВУР), пост­натальна затримка росту, порушення харчування, асиметрія скелету. Підвищена активність цього гену шляхом експресії обох алелів у штучних мишачих моделях призводила до протилежних ефектів. Порушення імпринтингу з активністю обох алелей спостерігається при багатьох онкологічних захворюваннях, а також у деяких випадках при синдромі Беквіта–Відемана, що характеризується макросомією, макроглосією, мікроцефалією, а також дуже часто зустрічаються дитячі онкологічні захворювання, наприклад, пухлина Вільмса.

  При синдромі Беквіта–Відемана не лише підвищена активність гену IGF2, а ще заглушення гену CDKN1C, продукт якого, інгібітор циклін-залежної кінази 1с, є протионкогеном. Таким чином, при цьому синдромі баланс між стимуляторами росту й інгібіторами порушується, що й проявляється підвищеним ризиком розвитку пухлинних захворювань.

  Маніпуляції з цим геном у 2004 році нарешті дозволили створити життє­здатну мишу з двох материнських пронуклеусів, один з яких був з активним геном Igf2. Мишу назвали Кагуя, вона була одним з двох життєздатних ембріо­нів з-поміж 460 інших нежиттєздатних одностатевих ембріонів, що були створені в ході експерименту.

  Існує група хвороб, які специфічно пов’язані з геномним імпринтингом: синдроми Ангельмана, Прадера–Віллі, Сільвера–Рассела, Беквіта–Відмана, транзиторний діабет новонароджених, псевдогіпопаратироїдизм тощо. Вони виникають внаслідок порушення функціонування генів, що підлягають імпринтингу. Кожне з цих захворювань може виникати кількома шляхами, але при цьому проявлятися однаково:

  • внаслідок так званої «уніпарентальної дисомії», коли дитина успадковує два алелі від одного з батьків;
  • епімутації – порушення утворення та функціонування епігенетичних міток;
  • мутації і поліморфізми у послідовностях ДНК в цих генах, що прямо впливають на їхню функцію.

Окрім цих специфічних захворювань, зараз порушення імпринтингу пов’язують з багатьма іншими поширеними захворюваннями, такими як діабет 1 та 2 типів, ожиріння, різноманітні пухлинні захворювання, патології вагітності, неврологічні і психіатричні захворювання.

Плацента

З близько 100 генів, що підлягають імпринтингу у людей, 75 експресуються у плаценті і 27 з них експресуються лише в плаценті, що свідчить про тісний еволюційний зв’язок імпринтингу і плацентації. Така пропорція імпринтованих генів показує масштаби генетичного змагання між генами батьків за контроль над розвитком плоду, адже плацента є головним органом у цьому процесі. Актуальними є дослідження ролі імпринтингу генів та його порушення у розвитку захворювань, причина яких – порушення нормальної функції плаценти (ЗВУР через плацентарну недостатність та прееклампсія4).

ЗВУР

На сьогодні існують дані про зміни нормального функціонування імпринтованих генів у плаценті при ЗВУР. При ЗВУР спостерігається підвищена експресія генів, що підлягають імпринтингу, а не інших, наприклад підвищена у генів PHLDA2 та CDKN1C, який ми вже згадували, та знижена у MEST, MEG3, GNAS, PLAGL1.

  PHLDA2 грає важливу роль у розвит­ку плаценти і описаний детально: цей ген експресується з хромосоми матері і знаходиться в локусі під контролем KCNQ1OT1, виконує подібну функцію у людей і у мишей. Трансгенні мишачі моделі з двоалельною експресією цього гену фенотипово мають такі прояви як ЗВУР, зменшену плаценту, зниження запасів глікогену в ній тощо. Нокаутні за цим геном тварини мають, навпаки, збільшену плаценту.

  PLAGL1 експресується з батькової хромосоми, порушення імпринтингу цього гену призводить до розвит­ку транзиторного цукрового діабету новонароджених, діти з цим захворюванням завжди народжуються зі зниженою вагою. Мишачі моделі показують очікуваний результат – затримку розвитку плода при нокауті та підвищений рівень при двоалельній експресії.

  Згідно з теорією батьківського конфлікту, очікувані патерни експресії генів при ЗВУР мають бути такі: алель від батька – знижена експресія, алель від матері – підвищена експресія. Експериментально такий результат отримують не завжди, навіть за очевидної наявності порушення імпринтингу, такі патерни не спостерігаються. Поки ще невідомо, чи спростовує це теорію батьківського конфлікту, адже досліджень ще дуже мало, щоб робити остаточні висновки.

Прееклампсія

Причини прееклампсії також – у порушенні нормального розвитку плаценти, в основному в порушенні проростання трофобласту та взаємодії зі спіральними артеріями. Порушення активності CDKN1C при синд­ромі Беквіта–Відемана призводить до морфологічного порушення проростання трофобласту. У минулому році було опубліковане дослідження5 щодо участі в розвитку прееклампсії раніше не пов’язаного з імпринтингом гену DLX5, який експресується в трофобласті лише у людей і активний лише на материнській хромосомі. Підвищення експресії за умови біалельної експресіїї спостерігалося у 70% пацієнток з прееклампсією і корелювало з клінічними маркерами прееклампсії. Штучне підвищення експресії в культурі трофобласту in vitro призводило до порушення проліферації клітин трофобласту та появи маркерів стресу ендоплазматичного ретикулуму, що узгоджувалося з попередніми молекулярними маркерами прееклампсії6.

Замість висновків

Генетичний імпринтинг залишається досить таємничим молекулярним процесом, попри значну кількість зібраної інформації про нього. Ми маємо не тільки шукати способи виправлення чи лікування порушень правильного імпринтингу, але й розуміти, чи наші медичні втручання не викликатимуть подібних порушень. Певні допоміжні репродуктивні технології (ДРТ) також специфічно впливають на процес імпринтингу, адже проводяться саме у критичні для цього процесу моменти. Доведено, що ДРТ пов’язані з підвищенням ризику розвитку специфічних синдромів, пов’язаних з імпринтингом (Ангельмана, Прадера–Віллі, Сільвера–Рассела, Беквіта-Відемана, транзиторний діабет новонароджених)7. Тому чим більше ми дізнаємося про роботу власного організму, тим акуратнішими нам потрібно бути при втручаннях в цю роботу.

 

Повний перелік літератури
на сайті extempore.info

 

  1. Miho Ishida, Gudrun E. Moore, The role of imprinted genes in humans. Molecular Aspects of Medicine, 34 (4) 2013, p. 826-840, doi:10.1016/j.mam.2012.06.009.
  2. Wang L, Chang S, Wang Z, et al. Altered GNAS imprinting due to folic acid deficiency contributes to poor embryo development and may lead to neural tube defects. Oncotarget. 2017;8(67):110797-110810. doi:10.18632/oncotarget.22731.
  3. Akhade, V. S., Pal, D., & Kanduri, C. (2017). Long Noncoding RNA: Genome Organization and Mechanism of Action. Long Non Coding RNA Biology, 47–74. doi:10.1007/978-981-10-5203-3_2
  4. Monk, D. (2015). Genomic imprinting in the human placenta. American Journal of Obstetrics and Gynecology, 213(4), S152–S162. doi:10.1016/j.ajog.2015.06.032
  5. Zadora J, Singh M, Herse F, et al. Disturbed Placental Imprinting in Preeclampsia Leads to Altered Expression of DLX5, a Human-Specific Early Trophoblast Marker. Circulation. 2017;136(19):1824-1839. doi:10.1161/CIRCULATIONAHA.117.028110.
  6. Christians, J. K., Leavey, K., & Cox, B. J. (2017). Associations between imprinted gene expression in the placenta, human fetal growth and preeclampsia. Biology Letters, 13(11), 20170643. doi:10.1098/rsbl.2017.0643
  7. Cortessis, V.K., Azadian, M., Buxbaum, J. et al. Comprehensive meta-analysis reveals association between multiple imprinting disorders and conception by assisted reproductive technology J Assist Reprod Genet (2018) 35: 943. Doi:10.1007/s10815-018-1173-x