ГЕНЕТИКА, 2007, том 43, № 9, с. 1157-1171
ОБЗОРНЫЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ
УДК 577.218:612.613.1
ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ ВСПОМОГАТЕЛЬНЫХ РЕПРОДУКТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
© 2007 г. И. Н. Лебедев, В. П. Пузырёв
Научно-исследовательский институт медицинской генетики Томского научного центра Сибирского отделения Российской академии медицинских наук, Томск 634050; факс: (3822) 51-37-44; e-mail: igor.lebedev@medgenetics.ru Поступила в редакцию 07.09.2006 г.
В настоящее время широкий спектр вспомогательных репродуктивных технологий становится доступным для пациентов с нарушениями фертильности. В целом методы современной репродуктивной медицины считаются безопасными и не показывают существенного увеличения частоты рождения детей с теми или иными заболеваниями или пороками развития. Вместе с тем в литературе накапливаются сообщения о повышенном риске возникновения болезней геномного импринтинга (синдромы Энгельмана и Видемана-Беквита) в результате использования вспомогательных репродуктивных технологий. В большинстве обследованных случаев у пациентов в качестве молекулярных причин развития указанных заболеваний выявлены нарушения статуса метилирования имприн-тированных генов. Высказывается мнение, что манипуляции с гаметами и эмбрионами в период тотальных эпигенетических модификаций их геномов могут выступать потенциальными факторами риска методов репродуктивной медицины. Кроме того, преодоление многих естественных репродуктивных барьеров может также вносить определенный вклад в формирование ряда патологических фенотипов. В обзоре обобщены современные представления об эпигенетических факторах риска, связанных со вспомогательными репродуктивными технологиями.
Число детей, рождающихся в результате использования вспомогательных репродуктивных технологий (ВРТ), неуклонно возрастает с каждым годом и приближается к 1-3% от числа всех новорожденных в развитых странах мира [1]. Популярность ВРТ и сопутствующей им преимплан-тационной генетической диагностики среди пациентов с нарушениями фертильности или высоким генетическим риском обусловлены прежде всего возможностью преодоления бесплодия и избежанием необходимости прерывания беременности по моральным и этическим соображениям в случае обнаружения у плода аномалий. Как любые медицинские процедуры, ВРТ становятся объектом пристального внимания на предмет безопасности для здоровья самой матери и ее ребенка. Большинство исследований свидетельствуют о том, что используемые технологии не несут значительного риска для нормального развития организма [2]. Среди осложнений отмечаются многоплодные беременности и связанные с ними нарушения веса плодов, однако частота таких случаев в последнее время стала заметно снижаться вследствие повышения качества отбора эмбрионов для имплантации.
В то же время в современной литературе стали появляться сообщения о рождении детей с болезнями геномного импринтинга - синдромами Энгельмана [3, 4] и Видемана-Беквита [5-9] после применения процедур экстракорпорального оплодотворения (IVF - In Vitro Fertilization, ЭКО) или
интрацитоплазматической инъекции сперматозоида (ICSI - Intracytoplasmic Sperm Injection, ИКСИ). Практически у всех обследованных пациентов были выявлены нарушения статуса метилирования импринтированных генов, вовлеченных в патогенез данных заболеваний. Эти наблюдения обусловили существенно возросший интерес к эпигенетическим процессам, происходящим на самых ранних этапах эмбрионального развития, и их возможным модификациям при осуществлении различных процедур ВРТ [1, 2, 10-21]. Понимание причин и механизмов возникновения эпи-мутаций становится актуальной задачей для всех специалистов в области генетики и репродуктивной медицины, поскольку ее решение позволит достичь необходимой безопасности используемых методов. Целью настоящего обзора является обобщение накопленных в литературе сведений об ассоциации аномальных эпигенетических модификаций генома, главным образом, нарушений характера метилирования ДНК, со вспомогательными репродуктивными технологиями.
МЕТИЛИРОВАНИЕ ДНК И ГЕНОМНЫЙ
ИМПРИНТИНГ КАК ПРИМЕРЫ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ МОДИФИКАЦИЙ ГЕНОМА: ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА, ФУНКЦИИ, ИЗМЕНЧИВОСТЬ
В 40-х годах XX столетия Конрад Уоддингтон предложил термин "эпигенетика" для описания
изменений экспрессии генов в ходе индивидуального развития организма. Согласно классическому определению, "эпигенетика - это наука, изучающая механизмы, с помощью которых генотип формирует фенотип" [22]. В настоящее время под эпигенетическими модификациями генома понимают наследуемые изменения функций генов, не сопровождающиеся нарушением их нуклеотид-ной последовательности [23]. В широком смысле слова эпигенетические феномены проявляются на любом из этапов реализации наследственной информации - от транскрипции ДНК до трансляции РНК и процессинга белковой молекулы. В настоящем обзоре основное внимание будет уделено эпигенетическим модификациям хроматина, определяющим его транскрипционную активность. Материальную основу таких модификаций составляют метилирование цитозиновых оснований ДНК, а также ковалентные преобразования гистонов в составе хроматина (ацетилирование, метилирование, фосфорилирование, убиквитини-лирование). Эпигенетические модификации способны к наследованию в ряду клеточных поколений, обладают протяженным позиционным эффектом в геноме и являются обратимыми. Строго говоря, способность к воспроизводству при репликации ДНК (или наследуемость - как одно из важнейших генетических свойств) в настоящее время экспериментально доказана только для метилирования, которое большинством исследователей рассматривается в качестве одной из ключевых эпигенетических модификаций генома [17, 24].
Функционально значимое метилирование ДНК в геноме млекопитающих происходит в основном по цитозиновым основаниям в составе CpG-динуклеотидов [25]. Последовательности с плотностью CpG-динуклеотидов выше 50% и протяженностью более 200 пн формируют CpG-островки. В геноме человека насчитывается около 29000 CpG-островков, распределение которых неслучайно. Выделяются две основные области локализации потенциальных сайтов метилирования: 1) некодирующие регионы генома (гетерохроматиновые блоки, прицентромерные сател-литные последовательности), 2) промоторные регионы примерно 50-60% генов человека (в основном генов домашнего хозяйства, а также большинства тканеспецифичных генов). Если в некодирующих областях генома метилирование ДНК обеспечивает поддержание конформацион-ной структуры хроматина и репрессию мобильных генетических элементов, то в промоторных регионах оно выступает одним из универсальных механизмов регуляции генной экспрессии. Присоединение к метилированному цитозину специфических макромолекулярных комплексов, содержащих метилцитозин-связывающие белки и деацетилазы гистонов, обусловливает реорганизацию структу-
ры хроматина, приводит к его компактизации и репрессии транскрипции. Метилирование ДНК ответственно за регуляцию таких важных биологических процессов, как тканеспецифичная экспрессия генов, геномный импринтинг, инактивация Х-хромосомы, репрессия ретротранспозонов [24, 26]. Показана тканевая разнокачественность метилирования ДНК [27], в том числе и между соматическими и половыми клетками, и выявлена роль метилирования генома в экспрессии генов и клеточной дифференцировке [28, 29]. По существу, "метилирование ДНК в геноме является специфичной формой клеточной памяти. Появляется все больше доказательств того, что эта клеточная память играет ключевую роль в развитии благодаря специфическому пространственно-временному кодированию генной экспрессии в разных клетках организма (эпигенетическая память). Таким образом, разные клетки организма, несмотря на единый геном, имеют разные эпиге-номы, обеспечивающие дифференциальную экспрессию генов, разные клеточные фенотипы и функции" [30].
Установление и поддержание характера метилирования ДНК осуществляет особый класс ферментов - ДНК-метилтрансфераз. В настоящее время известно несколько форм этого фермента, различающихся главным образом по специфичности к субстрату [29]. Выделяют два основных класса метилтрансфераз. DNMT3a и DNMT3b являются учреждающими метилазами и осуществляют присоединение метильных группировок к неметилированным последовательностям ДНК de novo. DNMT1 - поддерживающая метилаза. Она специфична к гемиметилированным последовательностям и осуществляет воспроизводство характера метилирования ДНК на дочерней цепи после репликации. Именно этот фермент обеспечивает наследуемость статуса метилирования и соответственно характера генной экспрессии в ряду клеточных поколений.
Одним из наиболее ярких примеров значения метилирования ДНК в регуляции генной экспрессии, несомненно, является феномен геномного им-принтинга, под которым принято понимать эпигенетический процесс, дифференциально маркирующий материнские и отцовские копии генов в геноме организма. Такая маркировка обусловливает моноаллельную экспрессию импринтиро-ванных генов в зависимости от их родительского происхождения. Функциональная асимметрия родительских геномов впервые была установлена в серии экспериментов с трансплантацией про-нуклеусов в зиготах мышей [31, 32]. Диплоидные андрогенетические зародыши, полученные из зигот, содержащих два мужских пронуклеуса и ни одного женского, демонстрировали пролиферацию экстраэмбриональных тканей, но плохое развитие собственно эмбриональных структур,
которое редко достигало стадии 3-4 сомитов. Напротив, гиногенетические зиготы с двумя женскими пронуклеусами давали начало зародышам, которые доходили до стадии ранних сомитов, однако погибали вследствие недоразвития экстраэмбриональных тканей.
Моноаллельная экспрессия импринтирован-ных генов обеспечивается надмолекулярными модификациями хроматина, которые дифференциально маркируют родительские аллели. Основным регулятором при этом является аллель-специфическое метилирование ДНК, устанавливаемое при созревании половых клеток. Однако механизмы импринтинга могут также дополнительно обеспечиваться ковалентными модификациями гистонов, антисмысловыми транскриптами и малым
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.