Крайне важно, чтобы одна копия этих генов, называемых импринтированными генами, была отключена либо в сперме, либо в яйцеклетке. Если не выключить одну копию, могут возникнуть нарушения развития и неврологические нарушения, или рак может поразить в более позднем возрасте.
Теперь ученые открыли новый способ, которым клетки удерживают эти гены в покое: путем химической маркировки гистонов — белков, которые помогают удерживать ДНК плотно свернутой в ядре.Модификация гистона под названием H3K27 отключает активность некоторых импринтированных генов у мышей, сообщает исследователь Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI) И Чжан и его коллеги 19 июля в журнале Nature. 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 трудности клонирования млекопитающих.По словам Чжана, открытие нового механизма отключения импринтированных генов также вызывает множество провокационных вопросов. «Мы считаем, что наше исследование откроет новую область исследований».
Во время воспроизводства 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 и замолчала навсегда. По словам Чжана, генетика из Бостонской детской больницы и Гарвардской медицинской школы, этот механизм подавления или импринтинга долгое время находился в центре внимания исследований регуляции генов.С момента первого сообщения об импринтированных генах у млекопитающих более четверти века назад ученым был известен только один клеточный механизм, удерживающий эти гены в неактивном состоянии — «украшение» ДНК небольшими молекулами, называемыми метильными группами.
Теперь Чжан и его коллеги открыли новый способ, которым клетки могут заставить замолчать некоторые импринтированные гены: путем добавления метильных групп к гистонам. Исследование также выявило у мышей 76 генов, потенциально принадлежащих к этому классу генов развития. До сих пор у мышей было обнаружено около 150 импринтированных генов, а у людей — примерно половина этого числа.
Ученые знают, что импринтинг очень древний эволюционно и встречается у самых разных организмов, от растений до людей и тигров. Фактически, импринтинг частично отвечает за два типа потомства, которое может появиться при спаривании льва и тигра. Если мама — лев, 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 родитель или тигон.
Различия в импринтированных генах самцов и самок между видами вносят свой вклад в различия в размерах этих двух видов потомства.По словам Чжана, исследователям еще предстоит многое узнать о процессе импринтинга и задействованных генах, но открытие второго механизма подавления молчания одной копии этих генов подчеркивает важность импринтинга. По его словам, второй механизм подавления звука мог развиться как своего рода резервный 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. Проблема также возникает, когда человек наследует две рабочие копии гена, которые должны быть отпечатаны, как при синдроме Беквита-Видемана, 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 наблюдали рост случаев нарушений импринтинга. Причина 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 может помочь ученым найти способы уменьшить возникновение этих расстройств.Неправильный импринтинг также может объяснить некоторые трудности, с которыми сталкиваются исследователи при попытке клонировать млекопитающих.
Обычно отпечатки стираются в клетках-предшественниках зародышевых клеток, а затем перезаписываются в яйцеклетках или сперматозоидах. Предыдущие исследования показывают, что сбои в фазах стирания и перезаписи мешают правильному развитию клонированных эмбрионов.
«Новый механизм импринтинга может в конечном итоге стать мишенью для лечения таких нарушений развития», — говорит Чжан.