Диссертация (Хромосомная, клеточная и тканевая специфичность гидроксиметилирования ДНК в проэмбриональный и эмбриональный периоды развития человека), страница 7

Кроме того,мышьяк вызывает аберрантное гиперметилирование ДНК в клетках крови (Pilsner еt al.,2007), которое может приводить к подавлению транскрипции генов, участвующих вследующихпроцессах:клеточнойдифференцировке,репарацииДНК,апоптозе,супрессии опухолевого роста, детоксикации (Jones, Baylin, 2007). ГиперметилированиеДНК в сперматозоидах коррелирует с низкой концентрацией, нарушением подвижности иморфологии сперматозоидов человека (Houshdaran et al., 2007). Также показано, что умужчин, страдающих олигоспермией, наблюдается аномальное гиперметилирование генаH19 (Marques et al., 2004).Отравление мышьяком ведёт к изменениям метилирования ДНК. Воздействиемышьяка способно привести к повышению содержания H3K4me3 и H3K9ac в гистонах(Tyler еt al., 2015) и уменьшению H3K27me3 в связи с изменениями активностиферментов, участвующих в модификации гистонов (Zhou еt al., 2008). Показано, чтоосновными эффектами воздействия мышьяка на репродуктивную систему мышейявляются нарушение подвижности сперматозоидов и повреждение их ДНК (Rana еt al.,2014).Свинец – тяжёлый металл с токсическим эффектом.

Воздействие свинца на матьприводит изменению статуса метилирования генов ребенка (Senut еt al., 2014). На крысах28было показано, что воздействие ацетата свинца приводит к существенному снижениючисла сперматозоидов и их подвижности (El-Magd еt al., 2017).Исследования in vivo на крысах показали, что воздействие ртути во времявнутриутробного развития связано с гипометилированием ДНК плода и приводит куменьшению пролиферации нервных клеток (Besingi, Johansson, 2014; Cardenas еt al.,2015).

У мужчин с повышенным содержанием ртути в организме показано снижениеконцентрации и подвижности сперматозоидов (Leung еt al., 2001).Воздействие табачного дыма на мать во время беременности связано с изменениемметилирования генов, связанных с ограничением роста плода (Maccani et al., 2013; Ivorraet al., 2015), развитием (Breton at al., 2009; Breton et al., 2014; Markunas et al., 2014;Schwender et al., 2016; Janssen et al., 2017), раком (Rotroff et al., 2016) и кожнымизаболеваниями (Wang et al., 2013). Воздействие табачного дыма на мать во времябеременности увеличивает риск возникновения астмы у ребёнка в будущем (Li et al.,2005). Употребление табака взрослыми людьми приводит к изменению уровняметилирования CpG-сайтов ДНК плода, связанных с развитием и функционированиемклеток сердечно-сосудистой, иммунной и репродуктивной систем (Besingi, Johansson,2014; Conway et al., 2017).

Также курение оказывает влияние на модифицированиегистонов, ведя к уменьшению количества H4K16ac и увеличению количества H3K27me3(Hussain еt al., 2009). В табачном дыме содержатся высокие концентрации АФК, кадмий исвинец, которые вызывают повреждения ДНК. Никотин является окислителем и такжеможет индуцировать двуцепочечные разрывы в ДНК сперматозоидов in vitro (Arabi, 2004).Исследования влияния различных внешних факторов на содержание в геномемлекопитающих 5-гидроксиметилцитозина весьма малочисленны.

У млекопитающихдоказано влияние препаратов фенобарбитала и диэтилстилбестрола на профилигидроксиметилирования. В клетках печени мышей, получавших фенобарбитал, приотсутствииглобальныхизмененийуровня5-гидроксиметилцитозинавгеноме,отмечаются множественные локальные изменения, затрагивающие, в первую очередь,промоторные области ряда генов. В этих локусах наблюдается одновременное повышениесодержания 5-гидроксиметилцитозина и диметилированного по лизину в 4-м положениигистона Н3 (H3K4me2) и снижение уровня метилирования ДНК (Song, He, 2012; Thomsonet al., 2012).

При воздействии диэтилстилбестролом в неонатальном периоде у мышейпроисходит изменение экспрессии генов в органах женской репродуктивной системы,бесплодию и раку матки. Предполагается, что последние вызваны эпигенетическимиизменениями,втомчислеуменьшениемсодержания5-гидроксиметилцитозинавследствие снижения экспрессии Тet1 (Jefferson et al., 2013).29Постнатальный стресс (12-18 день после рождения) у взрослых мышей приводит кнарушению профиля гидроксиметилирования в гипоталамусе, и как следствие, кнарушению экспрессии 118 генов, важных для развития нейронов и их дифференцировки.Было показано, что 5hmC может регулировать экспрессию гена, посредством связыванияфакторов транскрипции и альтернативного сплайсинга транскриптов (Papale et al., 2017).Активно обсуждается влияние оксидативного стресса на образование 5гидроксиметилцитозина.

Предложена модель, согласно которой увеличение в клеткеактивныхформ кислорода способствуетповышению содержания в геноме 5-гидроксиметилцитозина (Chia et al., 2011). При оксидативном стрессе в клеткеуменьшается содержание NADPH и NADH, которые, наряду с глутатионом, являютсякофакторами регуляции анаболических биохимических реакций, и обеспечиваютвосстановительный потенциал клетки. Вследствие этого в митохондриях нарастаетуровень NAD+, что приводит к активации NAD+-зависимого семейства деацетилаз SIRT3(Someya et al., 2010). Последние активируют митохондриальную изоформу дегидрогеназыизоцитрата (IDH2), что в свою очередь ведёт к повышению уровня альфа-кетоглутарата,который через белки семейства ТЕТ способствует изменению характера метилирования игидроксиметилирования генома (Chia et al., 2011).

Представляет интерес вопрос о том,являются ли такие изменения естественным ответом клетки на оксидативный стресс илиони возникают только в результате выраженных биохимических нарушений.Дальнейшее накопление знаний о взамосвязи эпигенетических маркеров геномачеловека с факторами окружающей среды позволит в будущем осуществлятьпрогнозирование заболеваний и направленно корректировать эпигеном человека, чтоможет принести значительные успехи в лечении ряда заболеваний.1.7. Сперматогенез человекаВ ходе сперматогенеза в результате серии последовательных делений ипреобразований из диплоидных клеток – сперматогониев – образуются гаплоидныеполовые клетки – сперматозоиды (Johnson, 1995).

Сперматогенез является завершающейстадией гаметогенеза, к которому относят обособление первичных половых клеток (ППК),их миграцию в зачатки гонад, последующие митотические мейотические деления исозревание (Дондуа, 2005).Гаметы млекопитающих берут начало от ППК (Saitou et al., 2003). ППК возникаютна ранних этапах эмбрионального развития – во время гаструляции – из клетокпроксимального эпибласта.

Сначала образуются предшественники ППК (пре-ППК),которые затем дифференцируются в собственно ППК. Основную роль в образовании пре30ППК играют белки BMP (bone morphogenetic protein) – члены семейства фактора ростаTGF-β, которые вырабатываются клетками внезародышевой эктодермы, прилежащей кэпибласту. В отсутствие BMP4 или BMP8b нарушается образования пре-ППК (Tres et al.,2004). Воздействие BMP факторов на плюрипотентные клетки эпибласта активирует геныSmad1, Smad4, Smad5, Smad8, Blimp1, которые индуцируют дифференцировку пре-ППК(Massague et al., 2005).Ген Blimp1 препятствует реализации соматической программы развития за счётподавления активности специфичных для соматических клеток генов семейства Hox игенов, регулирующих клеточный цикл и метилирование ДНК (Nakamura, Seydoux, 2008).Также Blimp1 активирует специфичные для ППК гены – Stella, Oct-4, GFP, C-kit, Dazl,Nanos3, Ssea1 – и гены плюрипотентноти: Sox2, Nanog (Saitou, 2009).Активная миграция ППК в зачатки гонад осуществляется, в основном, помезенхиме за счёт хемотаксиса.

В этом процессе участвует kit лиганд, а также хемокинSDF1 (Ara et al., 2003). Движение через кровоток для ППК человека менее характерно. ВППК, мигрирующих в зачатки гонад, происходит глобальная модификация хроматина,включающаягистоныH3K4me2,H3K4me3,H3K9acидеметилированиеДНК.Деметилирование хроматина продолжается во время миграции и внедрения ППК вполовые валики. Процесс активного деметилирования мигрирующих ППК у мышейконтролируют гены Aid, Apobec1, Gadd45, а также Dntm3a/3b. Также известно около 100импринтированных генов ППК, в которых эпигенетические метки сохраняются до стадииE9,5, то есть вплоть до заселения гонад, после чего они быстро исчезают (Surani, Reik,2010).

Таким образом, часть ДНК-меток устойчива к глобальному деметилированию вмигрирующих ППК, однако, уже в зачатках гонад происходит деметилирование иимпринтированных, и неимпринтированных локусов. Деметилированное состояниегенома сохраняется до возобновления митоза в сперматогониях.После заселения зачатков гонад (половых валиков) ППК превращаются вгоноциты.На18-20неделеэмбриональногоразвитиягоноцитыпрекращаютмитотическую активность.

При формировании семенников гоноциты окружаютсяклетками целомического эпителия, образуя «половые тяжи», в составе которых находятсяв недифференцированном состоянии вплоть до начала полового созревания (Yoshida et al.2006). В мигрирующих к базальной мембране семенных канальцев гоноцитах поддействиемтранскрипционногофактораSRY,генкоторогоэкспрессируетсявсоматических клетках пока еще индифферентной гонады, активируется экспрессия генабелка CYP26B1.

CYP26B1 в свою очередь связывается с молекулами ретиноевой кислоты.Это взаимодействие детерминирует мигрирующий гоноцит к развитию по пути31сперматогенной клетки и препятствует её преждевременному вступлению в мейоз. В этомпроцессе также принимают участие факторы FGF9 и NANOS3 (Wilhelm, Koopman, 2006).Общая продолжительность сперматогенеза у человека составляет 72 дня (цит. поБаранову, Кузнецовой, 2007).