Геном отца более готов к оплодотворению, чем геном матери, но материнский догоняет
Исследователи из Института рака Хантсмана (HCI) Университета Юты обнаружили, что гены, полученные от отца, прибывают к моменту оплодотворения уже запрограммированными в состояние, необходимое эмбриону. В то же время гены от матери находятся в ином состоянии и должны быть перепрограммированы, чтобы соответствовать отцовским. Эти выводы важны как для биологии развития, так и для онкологии.
На самых ранних стадиях клетки эмбриона обладают тотипотентностью — способностью развиться в любой тип клеток. Позже эта способность ограничивается в процессе дифференцировки.
«При раке нормальные процессы дифференцировки и роста клеток нарушаются. Клетки либо останавливаются на ранней стадии дифференцировки, либо, наоборот, возвращаются назад и "перепрограммируются", становясь больше похожими на клетки раннего эмбриона», — сказал соавтор статьи Брэдли Р. Кэрнс. — «Понимая, как клетки в норме программируются в тотипотентное состояние и как развиваются из него в специфические типы клеток, мы надеемся лучше понять, как раковые клетки нарушают этот процесс».
Ранее работа лаборатории Кэрнса показала, что большинство генов, важных для раннего развития эмбриона, уже присутствуют в сперматозоидах отца в «готовом» (poised) состоянии — выключены, но с присоединёнными маркерами, облегчающими активацию.
В текущем исследовании учёные использовали высокопроизводительное секвенирование генов для анализа паттернов метилирования ДНК в геномах рыбки данио-рерио. Они изучили яйцеклетки, сперматозоиды и четыре фазы эмбрионального развития. Метилирование — присоединение метильных групп к определённым участкам ДНК, выключающее активность генов в этих областях, — является одним из основных маркеров «готовности» генов.
Группа Кэрнса обнаружила, что паттерн метилирования генома эмбриона, готовящегося к дифференцировке, идентичен паттерну сперматозоида. В то же время паттерн яйцеклетки изначально сильно отличался, но претерпел ряд изменений, чтобы в точности соответствовать паттерну сперматозоида. Это говорит о том, что ДНК яйцеклетки проходит обширное перепрограммирование для подготовки к дифференцировке.
«Материнские гены, подвергшиеся репрограммированию метилирования ДНК, относятся к наиболее важным локусам для определения развития эмбриона. Например, многие hox-гены, определяющие план тела и дифференцировку при гемопоэзе, метилированы в материнском геноме и деметилированы в отцовском, а следовательно, и в эмбрионе», — сказал Кэрнс.
Также было обнаружено, что материнский геном осуществляет это ремоделирование самостоятельно, без использования отцовского генома в качестве шаблона. Эксперименты показали, что при удалении отцовского генетического вклада материнский геном всё равно перестраивался в правильное состояние.
Исследование будет опубликовано 9 мая в журнале Cell в качестве материала на обложке.