Метилирование молекулы ДНК в ядре является одной из наиболее охарактеризованных эпигенетических модификаций. Метильная группа замещает углерод 5' deoxycitidine рядом с guanidine (CpG). Эта реакция катализируется группой энзимов, наз. DNA methyltransferases (DNMTs). Имеются две важные DNMTs: DNMT1 метилирует неметилированную противоположную пару полуметилированного сайта и поэтому называется поддерживающая DNMT1, поскольку она ответственна за копирование существующего профиля метилирования во время клеточного деления (следовательно, за наследование эпигенетической метки). Др. DNMT3 замещает на метки метилирования в ранее неметилированных CpGs и тем самым ответственна за метилирование ДНК de novo (Hermann et al., 2004). CpGs обычно метилированы по всему геному. CpG островки являются регионами генома с повышенным содержанием CpG, которые обычно ассоциированы с промоторными или регуляторными регионами. Изменения в уровнях метилирования в этих CpG островках ассоциированы с регуляцией генной экспрессии. Далее, геномные регионы с варьирующим метилированием ДНК, напр., между двумя стадиями развития, называются differentially methylated regions (DMR). Два состояния, связанные с развитием, в которых присутствует метилирование ДНК, это инактивация Х хромосомы и геномный импринтинг. В последнем состоянии паттерны дифференциального метилирования ДНК в контрольных регионах мужской и женской зародышевой линии приводят или к специфической для матерей или отцов экспрессии субнаборов генов в геноме несмотря на идентичные последовательности ДНК двух родительских хромосом (Strogantsev et al., 2012).

У растений эпигенетические механизмы, участвующие в детерминации пола, были описаны детально в немногих случаях, включая кукурузу, Zea mays ssp. mays, где фактор поддерживает репрессирующее эпигенетическое состояние (Parkinson et al., 2007). Однако, насколько распространены такие механизмы в детерминации пола у растений пока неизвестно. Один из таких случаев затрагивает melon, Cucumis melo, модельное растение для Cucurbitaceae. In the melon, the gene CmACS-7 encoding an ethylene biosynthesis enzyme in andromonoecious individuals (i.e., bearing male flowers in the main stem and female or hermaphrodite flowers on axillary branches) and the transcription factor CmWIP1 interact to control the development of male, female, and hermaphrodite flowers. In gynoecious lines (bearing only female flowers), the transition from male to female flowers results from epigenetic changes in the CmWIP1 promoter caused by the insertion of a transposon, Gyno-hAT. This transposon is required for initiation and maintenance of the spreading of DNA methylation to the CmWIP1 promoter (Martin et al., 2009).

Gorelick (2003) высказал предположение, что двудомность и половые хромосомы возникли у родоначальных диплоидных гермафродитов как пара аутосом, в которой одна хромосома имела больше метильных групп вблизи пол-контролирующего региона, чем у её гомолог. метилирование должно было супрессировать транскрипцию, включая локусы для продукции гамет и тем самым трансформировать гермафродитов в самцов или самок. Дифференциальное метилирование д. было также супрессировать рекомбинацию, увеличивая скорость Muller's ratchet (храповика). Та же самая гипотеза была постулирована Jablonka (2004). Одним из предсказаний этой точки зрения было, что виды с ESD нуждаются в гомоморфных половых хромосомах и что небольшие средовые изменения могут менять паттерны метилирования связанных с полом локусов, следовательно, с детерминацией пола у индивидов (Gorelick, 2003). Хорошо известно, что внешнесредовые факторы могут менять экспрессию генов и соотв. фенотип. Прекрасным примером является ESD, посредством которого изменения одного внешнесредового фактора во время критического периода раннего развития способно повлиять на пол потомства. Temperature-dependent sex determination (TSD) является формой ESD и соотношение полов сдвигается в ответ на температуру, обычно у рыб и рептилий. У не млекопитающих позвоночных, aromatase (cyp19a1) является ключевым стероидогенным энзимом, который превращает андрогены в эстрогены, важные для дифференцировки яичников. У рыб и рептилий вызываемая температурой маскулинизация всегда ассоциирована с репрессией гена cyp19a1 (Ospina-Alvarez and Piferrer, 2008; Ramsey and Crews, 2009). Однако этот вопрос довольно спорный (Lance, 2009).

В Европейском морском бассейне у рыб с полигенной системой детерминации пола генетика и температура вносят одинаковый вклад в выбор пола (Piferrer et al., 2005; Vandeputte et al., 2007), существует thermosensitive period (TSP), приходящийся на личиночные стадии, т.е. до формирования гонад, Navarro-Martin et al. (2011) показали, что ювенильные самцы имеют удвоенные уровни метилирования ДНК по сравнению с самками в промоторе cyp19a1. Воздействие высокой температуры, совпадающее с TSP, повышает метилирование этого промотора у самок и наблюдается обратное взаимоотношение между уровнем метилирования и экспрессией cyp19a1, указывающее, что индуцированная маскулинизация использует ДНК метилированием обусловленный контроль экспрессии гена cyp19a1. Разные CpGs внутри промотора cyp19a1 обнаруживают разную чувствительность к температуре. Однако повышение метилирования промотора cyp19a1 было обнаружено в гонадах, но не в головном мозге, указывая, что это не генерализованный эффект температуры. Более того, эффекты температуры наблюдались также у недифференцированных по полу рыб и не менялись при воздействии эстрогена. Т.о., метилирование промотора cyp19a1 вызывает низкую экспрессию cyp19a1 у маскулинизированных температурой рыб. Функциональные исследования in vitro показали, что индуцированное метилирование промотора cyp19a1 супрессирует способность Sf-1 и Foxl2 стимулировать транскрипцию. Эти находки представляют первый пример эпигенетического механизма, обеспечивающего эффекты температуры на соотношение полов у позвоночных. В том же самом исследовании мы наблюдали, что CpG локусы, дифференциально метилированные температурой и и соседствующие с сайтом связывания Sox транскрипционного фактора, законсервированы у некоторых видов. Базируясь на этом исследовании, можно предположить, что метилирование ДНК промотора aromatase может быть важным компонентом давно искомого механизма, связывающего температуру среды с соотношением полов у видов позвоночных с зависимым от температуры предопределением пола (Navarro-Martin et al., 2011). Было бы интересно обнаружить, оперирует ли сходный механизм у рептилий с TSD, у которых TSP совпадает с дифференцировкой пола, т.e., у которых временная задержка между воздействием температуры и половой дифференцировкой в морском бассейне не имеет места. Кроме того, TSD эволюционировала независимо много раз. Т.о., поскольку очень возможно, что многие механизмы конвергируют на регуляции aromatase, то могут существовать др. механизмы помимо метилирования ДНК, который могут опосредовать температурные эффекты.

Многие последовательные гермафродиты интегрируют как внутренние, так и внешние сигналы, чтобы регулировать процесс изменения пола. Чёрный морской окунь (Acanthopagrus schlegeli) является protandrous рыбой гермафродитом семейства Sparidae, который стал субъектом многих работ, связанных с генами и молекулярной эндокринологией в связи с переходом самцов в самок (Wu et al., 2010). Во время первых двух репродуктивных циклов овариальная часть гонад остается неактивной и ооциты не проходят стадию первичных ооцитов. Более того, неактивная овариальная ткань не активируется с помощью воздействия estradiol-17β (E2), но хирургическое удаление тестикулярной ткани, показывает, что каким-то образом присутствие тестикулярной ткани ингибирует развитие овариальной ткани. Не обнаружено различий в глобальных уровнях метилирования между разными овариальными фазами (previtellogenic, vitellogenic, и зрелых ооцитов). Однако уровень метилирования ДНК промотора cyp19a1 был выше в неактивных овариях, чем в активных, указывая тем самым, что экспрессия cyp19a1 контролируется с помощью эпигенетического механизма в дополнение к классическим транскрипционным активаторам cyp19a1 , таким как Sf-1 и Foxl2 (Wu et al., 2012a). Напротив, промотор dmrt1, гена, который не только важен для дифференцировки тестисов, но и также для выбора пола и естественной смены пола (Wu et al., 2012b), не обнаруживает различий в уровнях метилирования ДНК на любой из стадий развития в тестисах методом MeDIP (Guan-Chung Wu and Ching-Fong Chang, personal communication). Т.о., изменения в метилировании промотора cyp19a1, скорее всего, обнаруживаются между полами у др. двудомных видов, как реакция на температуру у чувствительных видов и во время процесса смены пола у гермафродитов. Из-за комбинации генетических и внешнесредовых влияний на соотношение полов рыбы вместе с рептилиями представляют плодовитую группу животных для изучения эпигенетических механизмов для детерминации пола и гонадогенеза.

Как мы видели выше, DNMTs важны для метилирования ДНК и имеются несколько исследований, которые связали экспрессию DNMTs с разными аспектами развития в разных животных моделях. Однако, немногие исследования связали изменения в экспрессии DNMT специфически с детерминацией пола и гонадогенезом. Специфические роли разных членов семейства DNMT в de novo и поддержании метилирования в зародышевых клетках развивающихся семенников и яичников мышей были исследованы La Salle et al. (2004). Они сравнивали паттерны временной экспрессии DNMTs в зародышевых клетках самцов и самок перед, во время и после половой дифференцировки, включая время метилирования репрограммируемых событий, которые происходят между E10.5 и E12.5 в примордиальных зародышевых клетках, колонизирующих эмбриональные гонады (Reik et al., 2001; Sasaki and Matsui, 2008). В реальном времени RT-PCR была использована для изучения одновременно профилей экспрессии трех DNMT3, чтобы найти кандидаты DNMTs, которые могут участвовать в становлении паттернов метилирования в обеих зародышевых линиях. DNMT1 (DNA methylation maintenance) была использована в качестве контроля. Результаты подтвердили взаимодействие между DNMT3a иDNMT3l , базируясь на их соотв. профилях генной экспрессии, последняя оказалась доминирующим DNMT3 энзимом, представленным высокими уровнями в постнатальной зародышевой линии самок во время приобретения паттернов метилирования ДНК. Уровни экспрессии DNMT1 и DNMT3b постоянно высоки сразу после рождения самцов, что согласуется с их ролью в поддержании паттернов метилирования в пролиферирующих сперматогониях (La Salle et al., 2004).

В то время как характеристика эпигенетических изменений в зародышевых клетках является ценной, их роль в предшественниках соматических клеток вообще-то даже ещё более важна, учитывая критическую роль соматических клеток в детерминации судьбы половых клеток. Гены, которые регулируют предопределение и дифференцировку пола в основном экспрессируются в этих клетках и д. быть предметом сложного механизма регуляции. Во время нормального онтогенетического развития, Sry, пол-детерминирующий ген у therian млекопитающих, инициирует дифференцировку семенников за счет управления развитием предшественников поддерживающих клеток, таких как клетки Сертоли скорее, чем granulosa и его экспрессия ограничена субнабором соматических клеток гонад на ст. 10.5-12.5 dpc у мышей. Т.о., оба обеспечивают пространственную и временную регуляцию Sry и являются критическими для их способности формирования паттерна гонад (DiNapoli and Capel, 2008; Hiramatsu et al., 2009). У 8.5-dpc эмбрионов, когда ген Sry ещё не экспрессируется, секвенирование sodium bisulfite выявило, что его промоторный регион гиперметилирован. Однако, на ст. 11.5 dpc этот регион был специфически гипометилирован в гонадах, тогда как он оставался гиперметилирован в тканях, где Sry не экспрессировался, подтверждая, что Sry контролируется эпигенетически с помощью механизма, участвующего в метилировании ДНК (Nishino et al., 2004). Гипометилирование промотора гена обычно ассоциирует с генами, становящимися транскрипционно активными и поэтому наблюдаемые изменения в Sry отчасти ожидаемы.Тем не менее исследование изменений метилирования ДНК в промоторном регионе др. двух десятков генов или генов, связанных с детерминацией и дифференцировкой пола необходимы и далее.