Вопрос, как клеточные судьбы могут быть изменены или обращены, давно интересует исследователей. Зародышевые клетки и ранние эмбриональные клетки отличаются от др. клеточных компартментов как коренные ("ultimate") стволовые клетки по своей прирожденной тотипотентности. Хотя спецификация клеточных судеб у млекопитающих делает возможным образование около 200 различных типов клеток, имеются в принципе два основных дифференцирующих перехода: от стволовых (плюрипотентных) клеток к полностью дифференцированным клеткам и между покоящимися (молчащими или G₀) и пролиферирующими клетками. Они представляют собой крайние конечные точки среди множества промежуточных в соответствии с совокупностью из различных заготовок (makeups) эпигенома в развитии млекопитающих. Во время эмбриогенеза выявляется динамическое увеличение эпигенетических модификаций, выявляемых при переходе от оплодотворенного ооцита к стадии бластоцист а и затем к имплантации, гаструляции, развитию органов и росту плода. Большинство из этих модификаций или отпечатков могут быть стерты путем переноса дифференцированного клеточного ядра в цитоплазму энуклеированного ооцита. Однако, некоторые маркеры могут сохраняться и тем самым ограничивать нормальное развитие клонируемых эмбрионов, а немногие могут даже наследоваться как germ-line modifications (g-mod) (see Fig. 18), которые у млекопитающих скорее всего включают метилирование ДНК.

Регенерация печени и репарации мышечных клеток являются исключениями из тканей млекопитающих, которые могут регенерировать в ответ на повреждения или ранения, хотя большинство др. тканей неспособны репрограммироваться. У др. организмов, таких как растения и Axolotl, определенные соматические клетки могут действительно репрограммировать свой эпигеном и повторно вступать в клеточный цикл, чтобы регенерировать потерянную или поврежденную ткань (Tanaka 2003). В целом, однако, репрограммирование соматических клеток невозможно, за исключением того, когда они искусственно перестраиваются, чтобы рекапитулировать раннее развитие после ядерного переноса (NT) в энуклеированные ооциты. Это впервые было продемонстрировано на клонируемых лягушках (Xenopus), и сравнительно недавно получением овцы Dolly, первого клонированного млекопитающего (Campbell et al. 1996; see Chapter 22).

Выявлены три основных препятствия к эффективному соматическому репрограммированию у млекопитающих. Во-первых, определенные соматические эпигенетические маркеры (напр., репрессивные H3K9me3) стабильно передаются посредством делений соматических клеток и сопротивляются репрограммированию в ооците. Во-вторых, ядро соматической клетки неспособно воспроизводить асимметрию репрограммирования, которая происходит у оплодотворенного эмбриона как следствие дифференциальных эпигенетических маркеров, наследуемых с помощью гаплоидных геномов самца и самки (see Mayer et al. 2000; van der Heijden et al. 2005; Chapter 20). В-третьих, передача импринтированных локусов, которые особенно важны для плодного и плацентарного развития, сохраняются не полностью после NT (Morgan et al. 2005). Большинство клонируемых эмбрионов абортируют, указывая тем самым, что нарушенные эпигенетические импринты представляют собой узкое горлышко для нормального развития и могут быть причиной низкой эффективности assisted reproductive technologies (AST) и снижают жизненную силу (vigor) клонируемых животных.

Использование эмбриональных стволовых клеток по сравнению с соматическими обнаруживает более значительный потенциал репрограммирования. Демонстрация, что молчащие клетки (частая характеристика стволовых клеток) характеризуются глобальным снижением H3K9me3 и H4K20me3 состояний, это может быть фактором, указывающим на повышенную пластичность эпигенома (Baxter et al. 2004). Это также согласуется с фактом, что "бессмертные" одноклеточные организмы (напр., дрожжи) в основном с отрытым и активнм геномом лишены некоторых репрессивных эпигенетических механизмов.

Figure 18. Reprogramming by Nuclear Transfer During the lifetime of an individual, epigenetic modifications (mod) are acquired in different cell lineages (left). Nuclear transfer (NT) of a somatic cell reverses the process of terminal differentiation, eradicating the majority of epigenetic marks (mod); however, some modification that would also be present in the germ line (g-mod) cannot be removed. During neoplastic transformation (from a normal to tumor cell), caused by a series of genetic mutations (red stars), epige-netic lesions accumulate. The epigenetic lesions (mod), but not the mutations, can be erased through reprogramming upon NT This approach evaluates the interplay between genetic and epigenetic contributions to tumorigenesis. (Figure adapted from R. Jaenisch.)

Др. признаком нормального эпигенетического репрограммирования у млекопитающих после оплодотворения является его четкая асимметрия. Это можно в первую очередь приписать разным программам эпигенетической спецификации зародышевых клеток самцов и самок (Chapters 19 and 20). Геном спермиев в основном строится из protamines, хотя имеются остаточный, хотя и достоверный уровень CENP-A (варианта гистона H3) и др. предположительно эпигенетических импринтов (Kimmins and Sas-sone-Corsi 2005), в то время как ооцит строит регулярный содержащий нуклеосомы хроматин. После оплодотворения гаплоидные геномы спермия и яйцеклетки подвергаются циклу репрограммирования, с участием деметилирования ДНК и замены гистоновых вариантов. Модификации могут или усиливать или балансировать эпигенетические отличия двух родительских геномов перед слиянием ядер в первом клеточном цикле. Во время дифференцировки эмбриональных (т.e., inner cell mass [ICM) и внеэмбриональных (т.e., trophectoderm [TE] и плаценты) тканей устанавливаются различные профили метилирования ДНК и гистоновых модификаций между клонами (Morgan et al. 2005). Соматическое клонирование не могут в точности воспроизвести эти паттерны репрограммирования, обнаруживая быструю, но немее экстенсивное деметиирование в первом клеточном цикле и нарушения метилирования ДНК и метилирование лизинов гистонов между ICM и TE клетками.

Близко родственные процессы при соматическом репрограммировании предопределяют судьбу импринтированных генетических локусов. При нормальном эмбриональном развитии корректная аллельная экспрессия импринтируемых локусов необходима (Chapter 19). Это было продемонстрировано с помощью плодотворных экспериментов, которые генерировали однородительских эмбрионов (Barton et al. 1984; McGrath and Solter 1984; Surani et al. 1984). Андрогенетические эмбрионы (оба генома отцовского происхождения) обнаруживают задержку эмбрионального развития, но гиперпролиферацию внеэмбриональных тканей (напр., плаценты). У гино- или партеногенетических эмбрионов (оба генома женского происхождения), плацента оказывается недоразвитой. Специфический для родителей инпринтинг д. устанавливаться в зародышевых клетках вследствие стирания предсуществующих меток (Chapter 20). Считается, что это происходит примерно в 100 или более импринтированных генах, в основном участвующих в системах снабжения ресурсами эмбрионального и плацентарного развития (напр., Igf2 фактор роста).Интересно, что имеются доказательства, что импринтинг может быть нарушен во время культивирования in vitro эмбрионов, полученных с помощью ART или переноса ядер (Maher 2005).



Разработка лекарственных мишеней, ингибирующих функцию хроматин-модифицирующих эффекторных энзимов, открывает новые горизонты в противоопухолевой терапии (see Fig. 19). Использование DNMT и HDAC ингибиторов наиболее продвинуто на стадии клинических испытаний. Zebularine и SAHA являются, соотв., двумя такими ингибиторами. Они особенно целительны для раковых клеток, в которых репрессированы гены опухолевых супрессоров (J.C. Cheng et al. 2004; Garcia-Manero and Issa 2005; Marks and Jiang 2005), т.к. обработка ведет стимуляции транскрипции. Основная пропорция репрессивного метилирования гистоновых лизинов теряется во время лечения в основном в результате связанных с транскрипцией замен гистонов и замещения нуклеосом; однако, эти ингибиторы не меняют существенно H3K9me3 в регионах промоторов мишеней (McGarvey et al. 2006). Остается разрешить вопрос, могут ли индуцировать репрессивные метки, которые персистируют, последующее повторное молчание генов опухолевых супрессоров, если в лечении наступает пауза, что могло бы противодействовать успешности "эпигенетической терапии". Возможно, что стратегия двойной эпигенетической терапии с использование ингибиторов DNMT и HDAC м. обещать лучший прогноз в клинических испытаниях.

Идентификация ингибиторов др. классов гистоновых модификаторов, а именно HKMTs и PRMTs, сегодня в фазе развития. Имеется приблизительно около 50 SET доменовых HKMTs в геноме млекопитающих. Большинство из хорошо охарактеризованных энзимов, таких как SUV39H, EZH2, MIX и RIZ участвуют в развитии опухолей (Schneider et al. 2002). Т.о., высокопроизводительный скрининг (high-throughput screens (HTS)) д. использоваться для успешной идентификации низкомолекулярных ингибиторов, которые может быть использованы в поисковых исследованиях и в конечном счете для противоопухолевой терапии. Все классы гистон-модифицирующих энзимов пригодны для подобных подходов, т.к. их специфические субстрат-связывающие сайты (т.e., к гистоновым пептидам), в противоположность связывающим сайтам к общему кофактору (напр., acetyl-CoA и SAM), д. позволять разработку более избирательных лоекарств. HTS оказался успешным для HDACs (Su et al. 2000), PRMTs (D. Cheng et al. 2004) и HKMTs (Greiner et aL 2005).

Необходимы как hypothesis-driven, так и эмпирические подходы для окончательного определения эффективности и пригодности любого из гистон-модифицирующих ингибиторов. Напр., избирательные HKMT ингибиторы против MLL или EZH2 могут быть ценными терапевтическими агентами против лейкемии и рака простаты. Альтернативно, использование SUV39H HKMT ингибитора, который кажется контринтуитивным, из-за потребности в этом энзиме для поддержания конституитивного гетерохроматина и стабильности генома, всё ещё может преимущественно сенсибилизировать опухолевые клетки. Кроме того, анализ HDAC ингибитора SAHA показал, что он может оперировать посредством дополнительных путей, которые отличны от реактивации транскрипции (Marls and Jiang 2005). Напр., HDAC ингибиторы могут также сенсибилизировать повреждения хромат ина, ингибируя эффективную репарацию ДНК и обеспечивая геномную нестабильность, которая может запускать апоптоз опухолевых клеток. Эти наблюдения обязательно д. отслеживаться, при оценке эффективности двойной комбинационной терапии. Исходя из результатов, однако, вполне возможно, что комбинационная терапия с использованием HDAC и HKMT ингибиторов может быть более избирательной в убивании про-неопластических клеток путем вовлечения их в информационный переизбыток и хроматиновую катастрофу. Следует надеяться, что продолжающиеся исследования позволят идентифицировать жизнеспособные кандидаты для эффективной эпигенетической терапии рака.



легко интерпретировано по другому. Только в последнее время, когда мы узнали о крупных ферментативных системах, посредством которых могут распространяться гистоновые модификации. Это повлияло на наше современное понимание стабильности, а следовательно, и наследование определенных гистоновых маркеров. Кроме того, даже заниженные оценки недавних открытий показывают, что мутации хроматин-модифицирующих активностей, таких как ремодельеры нуклеосом (Cho et al. 2004; Mohrmann and Verrijzer 2005), DNMTs (Robertson 2005), HDACs или HMKTs (Schneider et al. 2002), т.к. они часто обнаруживаются при аномальном развитии и неоплазии, являются наглядным примером предельной мощности генетического контроля. Как таковой показатель опухолей у таких мутантных мышей в целом рассматривается как генетическое заболевание. Напротив, альтерации в структуре нуклеосом, метилировании ДНК и профилей гистоновых модификаций - не вызываются мутантными генами - д. классифицироваться как "настоящие" эпигенетические аберрации. Прекрасным примером такой наиболее пластичной системы являются стохастические решения во время раннего эмбрионального развития, репрограммирование с помощью перенося ядер, транскрипционная память, геномный импринтинг, мозаичная инактивация Х, качественные характеристики центромер и прогрессирование опухолей. Генетика и эпигенетика являются тесно связанными феноменами и наследование обоих является их распространением посредством клеточных делений, которые, для генетического контроля, заключают в себя зародышевую линию, если мутации происходят в зародышевых клетках. В случае др., часто слишком легко категоризированных, эпигенетических модификаций, мы не знаем отражают ли они лишь минорные и временные реакции на изменения во внешней среде или вносят существенный вклад в фенотипические различия, которые могут быть затем поддержаны в течение многих, но не бесконечных делений соматических клеток и иногда затрагивают зародышевую линию. С нашим сегодняшним знанием эпигенетических механизмов имеется мало, если вообще новые подтверждения Ламаркизма.



some of an individual's epigenetic response that contribute to aging, disease, and cancer. This includes tissue regeneration, therapeutic cloning (using ES cells and their derivatives), and adult stem cell therapy strategies. It is believed such strategies will extend cellular life span, modulate stress responses to external stimuli, reverse disease progression, and improve assisted reproductive technologies. We predict that understanding the "chromatin basis" of pluripotency and totipotency will Ik at the heart of understanding stem cell biology and its potential for therapeutic intervention.

Many fundamental epigenetic questions remain. For example, What distinguishes one chromatin strand from the other allele when both contain the same DNA sequence in the same nuclear environment? What defines the mechanisms conferring inheritance and propagation of epigenetic information? What is the molecular nature of cellular memory? Are there epigenetic imprints in the germ line that serve to keep this genome in a totipotent state? If so, how are these marks erased during development? Alternatively, or in addition, are new imprints added during development that serve to "lock in" differentiated states? We look forward to the next generation of studies (and students) bold enough to tackle these questions with the heart and passion of previous generations of genetic and epigenetic researchers.

In summary, the genetic principles described by Mendel likely govern the vast majority of our development and our outward phenotypes. However, exceptions to the rule can sometimes reveal new principles and new mechanisms leading to inheritance that have been underestimated, and in some cases, poorly understood previously. This book hopes to expose its readers to the newly appreciated basis of phenotypic variation-one that lies outside of DNA alteration. It is our hope that the systems and concepts described in this book will provide a useful foundation for future generations of students and researchers alike who become intrigued by the curiosities of epigenetic phenomena.