Развитие нового организма начинается с процесса оплодотворения – слияния двух половых клеток (гамет) друг с другом, в результате чего возникает новая особь, генетические потенции которой берут начало от обоих родителей.

Оплодотворение 1- Блестящая оболочка (Zona pellucida) 2- Сперматозоид 3- Ооцит 1 - Основная часть сперматозоида 2 - Блестящая оболочка 3 - Средняя часть 4 - Шея 5 - Постакросомальная область 6 - Акросома

Слияние генетического материала Пронуклеусы гаплоидные ядра зиготы. В процессе оплодотворения в яйцеклетке формируется два клеточных ядра - мужское и женское. Женский пронуклеус образуется из генетического материала яйцеклетки и несет «материнские» хромосомы. Мужской пронуклеус образуется из ядра проникшего в яйцеклетку сперматозоида и несет «отцовские» хромосомы.

Неравнозначность пронуклеусов Мужской и женский пронуклеусы можно считать генетически эквивалентными, однако результаты проведённых исследований свидетельствуют о том, что между этими пронуклеусами имеются функциональные различия.

Эксперименты по трансплантации пронуклеусов у мышей

Для нормального развития эмбриона необходим вклад обоих родителей Еще в 70-е годы ХХ века было показано, что для нормального развития млекопитающих важна гаплоидная экспрессия определенных материнских или отцовских генов. Около 100 генов человека характеризуются моноаллельной экспрессией, т.е. подвергаются геномному импринтингу. Большая часть этих генов кодируют факторы, регулирующие эмбриональный и постнатальный рост.

Большая часть импринтированных генов контролирует рост эмбриона и плаценты. Из них около 50 % - это гены, активные на отцовских хромосомах и кодирующие различные ростовые факторы. У эмбрионов, дефектных по данным генам, наблюдается задержка роста. Среди генов, активных на материнских хромосомах, преобладают ростовые репрессоры. Поэтому, у эмбрионов с нарушением данных генов наблюдается усиление роста. Например, в 1991 году у мышей был идентифицирован импринтированный локус гена Igf2r. Данный ген кодирует рецептор для инсулин- подобного фактора роста 2. Ген активен на материнской хромосоме и не экспрессируется с отцовской хромосомы. Этот ген обуславливает фенотип чрезмерного роста. В том же году был установлен другой импринтированный ген – Igf2 – ген самого инсулин-подобного фактора роста 2. Для данного гена характерна экспрессия с отцовской хромосомы.

Эпигенетика («эпи» - в переводе с греческого «над») - это раздел современной биологии, предметом которого является изучение в ряду клеточных поколений наследования функциональной активности генов, не связанного с изменением первичной структуры ДНК, входящей в состав генов.

Термин «эпигенетика» предложил выдающийся английский генетик Конрад Халл Уоддингтон в 1942 году. «Эпигенетика – раздел биологии, который изучает причинно-следственные взаимодействия между генами и их продуктами, и как они реализуются в определенные фенотипы».

В 1990 г. Робин Холлидей дал более конкретное определение эпигенетики: «исследование механизмов временного и пространственного контроля генной активности в сложных организмах». В 1992 г. Брайан Холл определил эпигенетику как «сумму генетических и негенетических факторов, воздействующих на клетки в целях селективного контроля экспрессии генов, которые позволяют увеличить фенотипическое разнообразие в процессе развития». Еще более узкое определение эпигенетики было предложено в 1996 г. Руссо и соавторами: «исследование митотически и/или мейотически наследуемых изменений в экспрессии генов, которые нельзя объяснить изменениями в ДНК»

Эпигенетическая регуляция - наследственные и ненаследственные изменения в экспрессии конкретного гена без каких-либо соответствующих структурных изменений в его нуклеотидной последовательности. Проявление эпигенетической регуляции у человека: явления импринтинга, эффекта положения, особенности структурно-функциональной организации хроматина определенных хромосомных локусов (ремоделлинг хроматина), влияющих на экспрессию генов, и РНК- интерференция.

Хроматин - чрезвычайно сложный и динамический комплекс, в состав которого входят ДНК (30-40% по массе), белки (гистоны 30-50%; негистоновые белки 4-33%) и РНК. Варианты эпигенетической регуляции. Структурно-функциональная организация хроматина

Гетерохроматин участки хроматина, находящиеся в течение клеточного цикла в конденсированном состоянии. Особенностью гетерохроматиновой ДНК является крайне низкая транскрибируемость. Эухроматин участки хроматина, сохраняющие деспирализованное состояние элементарных дезоксирибонуклеопротеидных нитей (ДНП) в интерфазном ядре.

Конститутивный гетерохроматин - постоянно плотно упакованный хроматин, формируется в раннем эмбриогенезе. Выявляется во всех хромосомах, во всех клетках организма. Примеры: Гены раннего развития (эпигенетическая инактивация в развитии) Часть тканеспецифичных генов (тканеспецифичная инактивация) Геномный импринтинг (инактивация аллеля одного из родителей) Инактивация Х-хромосомы у млекопитающих Свойства: Компактное состояние в течение всего клеточного цикла Поздняя репликация Обогащенность повторяющимися последовательностями Низкая частота рекомбинации Варьирование количества Факультативный гетерохроматин – плотно упакованный, способный переходить в эухроматин на определенной стадии развития.

Факультативный гетерохроматин человека У млекопитающих факультативный хроматин проявляется при инактивации Х-хромосомы. Процесс инактивации контролируется сложным локусом Х-хромосомы – центром инактивации Xiс. Ряд генов неактивной Х-хромосомы ускользает от инактивации. Например, избегает инактивации район спаривания с Y- хромосомой. В данном локусе находятся гены, присутствующие и на Х- и на Y- хромосомах: то есть и у XY-самцов таких генов по паре, и у XX-самок их столько же этим генам не нужна компенсация дозы.

Импринтинг - это эпигенетический процесс, приводящий к стойким функциональным различиям экспрессии гомологичных генов, полученных от одного из родителей. Основную роль в возникновении геномного импринтинга играет избирательное метилирование цитозиновых оснований ДНК в процессе спермато- или оогенеза, в результате которого прекращается транскрипция генов импринтингового региона. Варианты эпигенетической регуляции: метилирование ДНК

Метилирование ДНК – это модификация молекулы ДНК без изменения самой нуклеотидной последовательности ДНК, что можно рассматривать как часть эпигенетической составляющей генома. Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы к цитозину в составе CpG-динуклеотида в позиции С5 цитозинового кольца. Метилирование ДНК считается, в основном, присущим эукариотам. У человека метилированию подвергается около 1% геномной ДНК. Цитозин5-метил-цитозин Метилирование ДНК

Оказывает влияние на экспрессию генов посредством изменения уровня транскрипции Происходит в обеих нитях ДНК, симметрично Метилирование ДНК

Импринтинг обнаружен только у млекопитающих

Функции импринтированных генов 50% генов вовлечены в регуляцию эмбрионального и постнатального роста; 20% генов вовлечены в нейрологические процессы; для оставшихся 30% биологическая роль не известна. Импринтингу подвергаются не более 1% генов. Из них:

Оба родителя стремятся увеличить шансы на эволюционный успех своих генов за счет ресурсов только одного из родителей – матери. Отцовские гены улучшают развитие плаценты для лучшего питания эмбриона за счет ресурсов матери. Материнские гены ухудшают питание плода через плаценту, стремясь сэкономить ресурсы, чтобы иметь возможность выносить и других потомков (возможно от другого отца). Гипотеза «конфликта интересов родителей»

Метилирование отцовского и материнского генома Метилирование импринтированных локусов происходит на этапах дифференцировки гамет. В оогенезе установление нового «импринта» происходит на стадии роста ооцита 1-го порядка. Срок установления «мужского» эпигенотипа в сперматогенезе окончательно не выяснен, но предполагается, что это происходит в сперматоцитах 1-го порядка до наступления (или во время) профазы 1-го деления мейоза.

В оплодотворенной зиготе происходит активное деметилирование отцовской ДНК А. Материнские хромосомы окрашены розовым, отцовские – голубым. Серые блоки на хромосомах соответствуют метилированным локусам, белые блоки – неметилированные участки хромосом. При гаметогенезе устанавливается характер метилирования, соответствующий мужскому или женскому полу. Б. После оплодотворения уровень метилирования изменяется. Активность деметилирования отцовской и материнской ДНК различается.

Другие механизмы возникновения импринтинга 1. Однородительская дисомия (ОРД) наличие у больного двух хромосом с импринтинговыми участками, полученными от одного из родителей. 2. Хромосомные перестройки в импринтинговых участках, содержащих экспрессирующиеся гены. 3. Делеции в области импринтинговых центров, контролирующих процессы метилирования хромосом. Тип ОРД Число случаев Эффекты импринтинга 2 мат3? 3 мат1? 4 мат1- 5 отц1- 6 отц4? 7 мат8+ 7 отц3- 8 отц1- 9 мат2- 10 мат1- 11 отц> мат3- 13 отц1- 14 мат9+ Тип ОРД Число случаев Эффекты импринтинга 14 отц3? 15 мат> отц9? 16 мат отц1- 20 отц1? 21 мат3- 21 отц2- 22 мат3- 22 отц1- ХХ мат3- ХХ отц1? XY отц1- Известные случаи ОРД и эффект импринтинга у человека* * - «+» – установленный эффект, «-» - маловероятный эффект, «?» - возможный эффект

Болезни, связанные с нарушением импринтинга у человека НарушениеГенЛокусЗатронутые гены Синдром Прадера-Вилли Делеция, UPD mat (однородительская материнская дисомия) 15q11-q13SNRPN, NDN Синдром Ангельмана Делеция, UPD pat, точечная мутация, дупликация 15q11-q13 UBE3A Синдром Видемана-Беквита UPD pat, дупликация 11p p15.5ICF2, CDKN7C Транслокация, точечная мутация Синдром Силвера-Рассела UPD mat, транслокация дупликации, инверсия 7p11.2 Несколько возможных кандидатов на участке Эпимутация11p15.5 Биаллельная экспрессия H19 и уменьшение ICF2

Молекулярная организация района 15(q11-q13) экспрессия гена отсутствие экспрессии гена точки разрыва при делециях MN7 ZNF127 NDN IC SNRPN UBE3A MN7 Материнская хромосома Отцовская хромосома

Молекулярно-генетические причины синдромов Прадера-Вилли и Ангельмана Адаптация с сайта Meduniver.com

Синдром Прадера-Вилли Делеция района 15q11-13 отцовской хромосомы Частота: 1/[ ]

Портрет Евгении Мартинес Валеджо Музей Прадо, Мадрид. Считается, что девочка страдала синдромом Прадера-Вилли. На картине ей 6 лет при весе 54 кг.

Синдром Ангельмана Частота: 1/[ ] Делеция района 15q11-13 материнской хромосомы

Синдром Силвера-Рассела Признаки: 1.Карликовый рост 2.Малая масса тела при рождении 3.Задержка общего развития 4.Треугольное лицо 5.Опущенные вниз уголки рта 6.Укороченные и согнутые пальцы рук 7.Синдактилия 8.Гипогликемия 9.Узкая грудная клетка Частота: 1/[ ] Материнская однородительская дисомия по седьмой хромосоме

Синдром Видемана-Беквита У новорожденных была отмечена гипогликемия в сочетании с соматическими изменениями. Частота: 1/12000

Нобелевская премия по физиологии и медицине в 2006 году была присуждена американским эпигенетикам Эндрю Файру и Крейгу Мэллоу «за открытие фундаментального явления РНК-интерференции – подавления экспрессии генов с помощью двуцепочечной РНК».

Список рекомендуемой литература: 1.Эллис С.Д., Дженювейн Т., Рейнберг Д. Эпигенетика. – М.: Техносфера, – 496 с. 2.Геномика - медицине. Научное издание/ Под ред. Академика РАМН В. И. Иванова и академика РАН Л.Л. Киселева. – М.: ИКЦ «Академкнига», – 392 с.: ил. 3.Эпигенетика: как современная биология переписывает наши представления о генетике, заболеваниях и наследственности: пер. с англ. / Несса Кэри. – Ростов н/Д: Феникс, – 349 с.: ил. – (Живая линия). 4.Биология развития: В 3-х т. Т. 1: Пер. с англ. – М.: Мир, – 228 с.: ил. 5.Биология развития: В 3-х т. Т. 1: Пер. с англ. – М.: Мир, – 228 с.: ил. 6. Amaral PP, Mattick JS. Noncoding RNA in development // Mamm Genome Aug;19(7- 8): Epub 2008 Oct 7. PMID: Armstrong L.Epigenetic control of embryonic stem cell differentiation // Stem Cell Rev Mar;8(1): PMID: Barlow DP.Genomic imprinting: a mammalian epigenetic discovery model // Annu Rev Genet. 2011;45: PMID: Biliya S, Bulla LA Jr.Genomic imprinting: the influence of differential methylation in the two sexes // ExpBiol Med (Maywood) Feb;235(2): PMID: Bogdanović O, Veenstra GJ. DNA methylation and methyl-CpG binding proteins: developmental requirements and function // Chromosoma Oct;118(5): Epub 2009 Jun 9. PMID: Carrell DT. Contributions of spermatozoa to embryogenesis: assays to evaluate their genetic and epigenetic fitness // Reprod Biomed Online Apr;16(4): PMID:

12. Chen ZX, Riggs AD.DNA methylation and demethylation in mammals // J Biol Chem May 27;286(21): PMID: Dekker G, Robillard PY, Roberts C.The etiology of preeclampsia: the role of the father // J ReprodImmunol May;89(2): PMID: Delcuve GP, Rastegar M, Davie JR. Epigenetic control // J Cell Physiol May;219(2): PMID: Dressler GR. Epigenetics, development, and the kidney // J Am SocNephrol Nov;19(11): Epub 2008 Aug 20. PMID: Duranthon V, Watson AJ, Lonergan P. Preimplantation embryo programming: transcription, epigenetics, and culture environment // Reproduction Feb;135(2): PMID: Dyce PW, Toms D, Li J. Stem cells and germ cells: microRNA and gene expression signatures // HistolHistopathol Apr;25(4): PMID: Goodrich JA, Tjian R.Unexpected roles for core promoter recognition factors in cell-type- specific transcription and gene regulation // Nat Rev Genet Aug;11(8): PMID: Jammes H, Junien C, Chavatte-Palmer P.Epigenetic control of development and expression of quantitative traits // ReprodFertil Dev. 2011;23(1): PMID: Kaneda M.Genomic imprinting in mammals-epigenetic parental memories // Differentiation Sep;82(2):51-6.PMID: Lalancette C, Miller D, Li Y, Krawetz SA. Paternal contributions: new functional insights for spermatozoal RNA // J Cell Biochem Aug 1;104(5): PMID:

22.Lees-Murdock DJ, Walsh CP. DNA methylation reprogramming in the germ line // Epigenetics Jan-Feb;3(1):5-13. PMID: Lefebvre L.The placental imprintome and imprinted gene function in the trophoblast glycogen cell lineage // Reprod Biomed Online Jul;25(1): PMID: Levine M.Paused RNA polymerase II as a developmental checkpoint // Cell May 13;145(4): PMID: Mallo M, Wellik DM, Deschamps J.Hox genes and regional patterning of the vertebrate body plan // Dev Biol Aug 1;344(1):7-15. PMID: Matzuk MM, Burns KH.Genetics of mammalian reproduction: modeling the end of the germline // Annu Rev Physiol. 2012;74: PMID: Novakovic B, Saffery R.DNA methylation profiling highlights the unique nature of the human placental epigenome // Epigenomics Oct;2(5): PMID: Obata Y.Study on the mechanism of maternal imprinting during oocyte growth // J Reprod Dev Feb;57(1):1-8. PMID: Piperi C, Papavassiliou AG.Strategies for DNA methylation analysis in developmental studies // Dev Growth Differ Apr;53(3): PMID: Puri D, Dhawan J, Mishra RK.The paternal hidden agenda: Epigenetic inheritance through sperm chromatin // Epigenetics Jul 1;5(5): PMID: Rousseaux S, Reynoird N, Escoffier E, Thevenon J, Caron C, KhochbinS.Epigenetic reprogramming of the male genome during gametogenesis and in the zygote // Reprod Biomed Online Apr;16(4): PMID:

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», соглашение 14.А