У клеток есть несколько трюков в рукаве для управления определенными генами, которые регулируют рост и развитие плода.
Крайне важно, чтобы одна копия этих генов, называемых импринтированными генами, была отключена либо в сперме, либо в яйцеклетке. Если одна копия не отключена, могут возникнуть нарушения развития и неврологические расстройства, или рак может развиться в более позднем возрасте. Теперь ученые открыли новый способ, с помощью которого клетки удерживают эти гены в секрете: химически помечая гистоны - белки, которые помогают удерживать ДНК в плотном свернутом кольце в ядре.
Модификация гистона под названием H3K27 отключает активность некоторых импринтированных генов у мышей, сообщил исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) Йи Чжан и его коллеги 19 июля в журнале Nature. Это открытие может пролить свет на нарушения развития, которые, как правило, возникают у детей, зачатых с помощью вспомогательных репродуктивных технологий, таких как экстракорпоральное оплодотворение, говорит Чжан. Это также может помочь объяснить сложность клонирования млекопитающих.
Открытие нового механизма выключения импринтированных генов также вызывает много провокационных вопросов, говорит Чжан. «Мы считаем, что наше исследование откроет новую область исследований».
Во время размножения люди наследуют две рабочие копии большинства генов - по одной копии или аллелю от каждого родителя. Однако для очень небольшого числа генов люди наследуют только одну рабочую копию; другая копия выключена, навсегда замолчала. Этот механизм замалчивания, или импринтинга, уже давно находится в центре внимания исследований регуляции генов, говорит Чжан, генетик из Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы.
С момента первого сообщения об импринтированных генах у млекопитающих более четверти века назад ученым был известен только один клеточный механизм, который удерживает эти гены в неактивном состоянии - «украшение» ДНК небольшими молекулами, называемыми метильными группами. Теперь Чжан и его коллеги открыли новый способ, с помощью которого клетки могут заглушать некоторые импринтированные гены: путем добавления метильных групп к гистонам. Исследование также выявило 76 генов у мышей, которые потенциально принадлежат к этому классу генов развития. До сих пор у мышей было обнаружено примерно 150 импринтированных генов, и примерно половина этого числа - у людей.
Ученым известно, что импринтинг очень стар в эволюционном отношении и встречается у самых разных организмов, от растений до людей и тигров. На самом деле импринтинг частично ответственен за два типа потомства, которые могут появиться при спаривании льва и тигра. Если мать львица, она может родить тигона, который часто меньше, чем оба его родителя. Если мама - тигр, у нее может быть лигр, более крупное и сильное существо, чем любой из родителей или тигон. Различия в мужских и женских импринтированных генах среди видов способствуют различиям в размерах этих двух видов потомства.
Исследователям еще многое предстоит узнать о процессе импринтинга и вовлеченных в него генах, говорит Чжан, но открытие второго механизма подавления одной копии этих генов подчеркивает важность импринтинга. По его словам, второй механизм глушения мог развиться как своего рода запасной план.
Неправильный отпечаток может привести к проблемам. Поскольку существует только один функционирующий аллель импринтированного гена, если эта копия становится дефектной, могут возникнуть аномалии развития. К ним относится синдром Ангельмана, который вызывает трудности в обучении, проблемы с речью и судороги. Проблемы также возникают, когда человек наследует две рабочие копии гена, который должен быть импринтирован, как при синдроме Беквита-Видеманна, который может вызвать осложнения во время беременности из-за чрезмерного роста ребенка и привести к различным врожденным дефектам..
У детей, зачатых с помощью вспомогательных репродуктивных технологий, ученые отмечают увеличение частоты импринтинговых нарушений. Причина этого неясна, но что-то в процессе этих технологий может привести к проблемам с импринтингом, говорит Чжан, или, возможно, проблемы с импринтингом связаны с самим бесплодием. Он считает, что лучшее понимание импринтинга могло бы помочь ученым найти способы уменьшить возникновение этих расстройств.
Неправильный импринтинг также может объяснить некоторые трудности, с которыми сталкиваются исследователи, пытаясь клонировать млекопитающих. Обычно следы импринтинга стираются в клетках-предшественниках зародышевых клеток, а затем перезаписываются в яйцеклетках или сперматозоидах. Предыдущие исследования показывают, что сбои на этапе стирания и перезаписи мешают правильному развитию клонированных эмбрионов.
«Новый механизм импринтинга может в конечном итоге предложить мишень для лечения таких нарушений развития», - говорит Чжан.