МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ, 2015, том 49, № 1, с. 165-174
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ^^^^^^^^^^^^ БИОЛОГИЯ КЛЕТКИ
УДК 577.21:575.224.23:618.32
СТАТУС МЕТИЛИРОВАНИЯ РЕТРОТРАНСПОЗОНА ЬШЕ-1 ПРИ ХРОМОСОМНОМ МОЗАИЦИЗМЕ НА РАННИХ СТАДИЯХ ЭМБРИОНАЛЬНОГО РАЗВИТИЯ ЧЕЛОВЕКА
© 2015 г. С. А. Васильев1, 2*, Е. Н. Толмачёва1, А. А. Кашеварова1,2, Е. А. Саженова1, И. Н. Лебедев1, 2
1Научно-исследовательский институт медицинской генетики, Томск, 634050 2Лаборатория онтогенетики человека, Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, 634050 Поступила в редакцию 23.05.2014 г. Принята к печати 30.06.2014 г.
Ранние этапы эмбрионального развития человека характеризуются пространственно-временным совпадением событий тотального эпигенетического репрограммирования генома с возрастанием частоты мозаичных форм числовых хромосомных нарушений. Можно предположить, что аномалии этого процесса в различных областях генома приводят к нарушениям локальной организации хроматина и экспрессии генов, что нарушает также правильную сегрегацию хромосом в митозе. Мы сравнивали индексы метилирования ретротранс-позона ЬВДЕ-1, характеризующие профиль метилирования генома, в плацентарных тканях спонтанных абортусов человека с чистыми и мозаичными формами анеуплоидий, с нормальным кариотипом, а также индуцированных абортусов первого триместра беременности в качестве контроля. Впервые показано, что, по сравнению с другими изученными группами, во внезародышевой мезодерме и цитотрофобласте хориона спонтанных абортусов с хромосомным мозаицизмом индекс метилирования ЬШЕ-1 максимален. В то же время у спонтанных абортусов с нормальным кариотипом метилирование мобильного генетического элемента существенно понижено. Высказана гипотеза, что нарушения в процессе деметилирования родительских геномов при эпигенетическом репрограммировании на предымплантационных этапах развития могут быть связаны с повышением частоты ошибок митотической сегрегации хромосом, что приводит к формированию мозаичного кариотипа.
Ключевые слова: ЬШЕ-1, анеуплоидия, хромосомный мозаицизм, эпигенетическое репрограммирова-ние генома.
METHYLATION STATUS OF LINE-1 RETROTRANSPOSON IN CHROMOSOMAL MOSAICISM DURING THE EARLY STAGES OF HUMAN EMBRYONIC DEVELOPMENT, by S. A. Vasilyev 12*, Е. N. Tolmacheva1, A. A. Kashevarova12, E. A. Sazhenova1, I. N. Lebedev1,2 ^Research Institute of Medical Genetics, Tomsk, 634050 Russia; *e-mail: stanislav.vasilyev@medgenetics.ru; 2Laboratory of Human Ontogenetics, National Research Tomsk State University, Tomsk, 634050 Russia). Early stages of human embryonic development are characterized by spatio-temporal coincidence of events of total epigenetic genome reprogramming and elevated level of mosaic forms of numerical chromosome abnormalities. It is possible that the abnormal reprogramming of various regions of the genome can lead to violations of local epigenetic chromatin organization and gene expression, affecting the correct chromosome segregation during mitosis. In this study, a comparative analysis of the methylation index of LINE-1 retrotransposon, which is largely reflecting the methylation profile of the genome, is performed in placental tissues of spontaneous abortions with complete and mosaic forms of aneuploidy, and with a normal karyotype, as well as in the control group of induced abortions of the first trimester of pregnancy. It was shown that ex-traembryonic mesoderm and chorionic cytotrophoblast of spontaneous abortions with chromosomal mosaicism are characterized by the highest index of LINE-1 methylation among all groups studied. At the same time excessive hy-pomethylation of transposable genetic element recorded in spontaneous abortions with normal karyotype. It is suggested that violations of parental genomes demethylation during epigenetic reprogramming at preimplantation stages of development may be associated with an increased frequency of mitotic errors in chromosome segregation, leading to the formation of a mosaic karyotype.
Keywords: LINE-1, aneuploidy, chromosomal mosaicism, epigenetic genome reprogramming. DOI: 10.7868/S0026898414060196
Принятые сокращения: ВМ — внезародышевая мезодерма; ЦТ — цитотрофобласт.
* Эл. почта: stanislav.vasilyev@medgenetics.ru
Метилирование ДНК — крайне динамичный процесс в течение всего эмбриогенеза млекопитающих. Программа индивидуального развития запускается общим эпигенетическим репрограмми-рованием генома зиготы, назначение которого — индукция плюрипотентности бластомеров, после чего устанавливаются тканеспецифичные профили генной экспрессии. Отцовский геном гипер-метилирован в сперматозоидах, тогда как ооци-ты, по сравнению с ними, метилированы меньше. Особенно ярко эти различия между гаметами проявляются в уровне метилирования таких диспергированных повторов как LINE-1 [1]. На предым-плантационной стадии отцовский геном активно теряет 5-метилцитозин, расположенный преимущественно в повторяющихся последовательностях, после чего происходит пассивное деметилирова-ние обоих родительских геномов, которое достигает наиболее низкого уровня на стадии бластоци-сты. После имплантации происходит реметилиро-вание ДНК и устанавливается тканеспецифичный профиль метилирования генома [1]. Ошибки эпигенетического репрограммирования могут приводить к нарушениям программы индивидуального развития и внутриутробной гибели эмбриона.
Следует отметить, что в этот же временной период на этапе предымплантационного развития стремительно увеличивается частота хромосомного мозаицизма, являющегося следствием мито-тических ошибок при сегрегации хромосом. Около 80% ранних эмбрионов человека, полученных при оплодотворении in vitro, содержат анеуплоид-ные бластомеры, несмотря на то, что большинство (87.5%) зигот в этих же условиях имеют нормальный кариотип [2]. Примечательно, что возникновение мозаицизма совпадает по времени с тотальным деметилированием генома, которое может приводить к временной дестабилизации хроматина. Такое пространственно-временное совпадение цитогенетических и эпигенетических процессов поднимает вопрос об их взаимосвязи, два аспекта этой проблемы могут быть рассмотрены теоретически. С одной стороны, хромосомные мутации, возникающие в соматических клетках на самых первых делениях дробления, могут быть результатом ошибок эпигенетического репро-граммирования генома, которые затрагивают, в том числе, и гены, ответственные за контроль сегрегации хромосом в митозе. С другой стороны, хромосомные аномалии мейотического происхождения, имеющиеся в зиготе, при активации эмбрионального генома могут вызывать масштабные нарушения его эпигенетического ре-программирования и приводить ко множественным изменениям экспрессии генов, что нарушает нормальное течение онтогенеза.
В пользу первого механизма свидетельствуют полученные нами ранее данные о том, что частота аберрантного метилирования некоторых генов
контроля клеточного цикла у эмбрионов с анеуп-лоидным кариотипом повышается [3, 4]. При этом у 4.7 % зародышей с хромосомным мозаи-цизмом эпимутации генов P14ARF и RB1 предшествуют возникновению мозаичного кариотипа [5]. В пользу второго механизма свидетельствует тот факт, что во внезародышевых тканях спонтанных абортусов I-го триместра беременности с трисомией по хромосоме 16, которая у внутриутробно погибших эмбрионов практически всегда есть следствие ошибок мейоза I у матери, наблюдаются смещение времени равновероятной инактивации Х-хромосомы и значительные отличия в профиле метилирования в CpG-сайтах, расположенных в промоторах генов [6, 7]. Сходные процессы протекают и в плацентарных тканях плодов с ограниченным плацентарным мозаициз-мом по трисомии 16 [8]. Однако остается неясным, затрагивают ли эти отклонения — при нарушении нормального эпигенетического репрограммирова-ния — только отдельные гены, или они маркируют более существенные изменения профиля метилирования генома, которые и являются причиной или следствием анеуплоидии. Такие системные нарушения эпигенетического профиля генома отражает индекс метилирования ретротранспозона LINE-1, часто используемый в качестве показателя глобального уровня метилирования генома [9, 10]. Кроме того, точность метилирования LINE-1 — условие реализации его регуляторных функций в эмбриональном развитии как на стадии дробления [11], так и при дифференцировке внезародышевых тканей [12-14].
Цель настоящей работы — изучение взаимосвязи между индексом метилирования ретротранспо-зона LINE-1 и числовыми хромосомными нарушениями во внезародышевых тканях у спонтанных абортусов I-го триместра беременности с полной или мозаичной формами анеуплоидии.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материал. Объект исследования — плацентарные ткани из 51 спонтанного абортуса и 18 индуцированных абортусов, составивших контрольную группу. Спонтанные абортусы получены от женщин с клиническим диагнозом неразвивающаяся беременность, или анэмбриония, поставленным по результатам динамического ультразвукового исследования. Индуцированные абор-тусы получены от здоровых женщин, не пожелавших сохранить нормально протекавшую беременность по социальным показаниям. Продолжительность внутриутробного развития зародышей, определенная по дате последней менструации у спонтанных абортусов — 9.6 ± 2.5 недели, а у индуцированных — 9.0 ± 2.0 недели, что статистически неразличимо в сравниваемых группах (р = 0.24). Данные о гестационном возрасте, определенном
6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 96 102 108 114
gggggaggag ga.cgcaga.ag gagtgccaga gcgaggcatt gaaaggggcg cagacgggct ctacgcccac gcaacgaggc gccgggaagc aggctccacc cttaagtgtc agatctgaga gcctaactgg aacagacctg tctacacgaa aaagatgggg tcct-ccaaag tgacgagctg tcaaaccaaa aacaacc
ccaagatggc acgggtgatt cagtgggcgc gcctcacccg acggacgcac taagaaa|cgg ggaatctcgc tgggggaggg ccgaactggg tctgggggca cctgtctgac acgggcagac gaggcacccc cagctgaggg aacccatctg aaaaaacaga gaacgcagtt agagaagaag ggcaaagaag
cgaataggaa tctgcatttc aggccacegt ggaagcgcaa ctggaaaatc
cagctccggt caectgaggt gtgcgcgcac ggggccaggg gggtcacccc
cgcaccacga
tgattgctag gcgcccgcca cggagcccac gggcacagac agccctgaag tgcc
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.