Гены, являющиеся предметом геномного импринтинга экспрессируются исключительно или преимущественно на одной из родительских хромосом (Bartolomei, 2009). Среди животных курьезный феномен был описан только у млекопитающих, хотя растения, такие как Arabidopsis имеют импринтированные гены, а др. организмы, включая членистоногих, обнаруживают специфическое для родителей поведение целых хромосом. Мышиный геном содержит ~150 импринтированных генов (полный список импринтированных генов: http://www. mousebook.org/catalog.php?catalog=imprinting; (Williamson et al., 2014)). Важно, что импринтинг хорошо законсервирован среди млекопитающих, при этом многие импринтируемые гены и большинство механизмов импринтинга законсервированы у мыши и человека (Lee and Bartolomei, 2013).

Большинство импринтируемых генов присутствует в определённых кластерах, длиной примерно в 1 Mb и содержат как материнские, так и отцовские экспрессируемые гены (Fig. 1). Помимо белок-кодирующих генов в этих кластерах имеются типичные длинные некодирующие РНК (ncRNA), некоторые из которых регулируют импринтинг соседних генов. Регуляция собранных в кластер генов скоординирована посредством коротких последовательностей ДНК, наз. imprinting control regions (ICRs). Все идентифицированные ICRs до этого рассматривались как differentially methylated regions (DMRs), в которых ДНК метилирована по одному родительскому аллелю. Метилирвование ДНК обычно репрессирует или длинную ncRNA или инсулятор, который обеспечивает импринтинг в локусе.

Важным следствием импринтинга является то, что развитие млекопитающих нуждается в генетическом вкладе как матери, так и отца (McGrath and Solter, 1984, Solter, 1988). У человека однородительские оплодотворенные яйцеклетки возникают с очень низкой частотой и имеют характерные фенотипы. Эмбрионы с двумя отцовскими геномами и не имеющие материнского вклада (androgenotes) дают пузырный занос (hydatidiform moles), представленный внеэмбриональными мембранами, тогда как эмбрионы только с материнским геномом (gynogenotes) приводят к овариальным тератомам, состоящими из эмбриональных типов клеток. Некоторые живорожденные индивиды описаны с мозаичным геномом - wide paternal uniparental isodisomy (Gogiel et al., 2013, Inbar-Feigenberg et al., 2013, Kalish et al., 2013). В этих случаях в некоторых клетках весь материнский гаплотип потерян, а отцовский гаплотип удвоен, приводя к отцовской изодисомии для всего генома. Такие индивиды имеют смесь нормального двуродительского клона и отцовских однородительских клеток в каждой ткани. Большинство таких индивидов имеет увеличенные внеэмбриональные ткани и очень крупный плод.

Экспериментальные манипуляции на мышах с использованием переноса ядер, показали, что эмбрионы, созданные из двух материнских пронуклеусов (gynogenetic эмбрионы) или двух отцовских пронуклеусов (androgenetic эмбрионы) неспособны выживать; тогда как эмбрионы, реконструированные из одного материнского и одного отцовского пронуклеусов дают жизнеспособное и плодовитое потомство (McGrath and Solter, 1984, Solter, 1998). Гиногенетические эмбрионы к моменту гибели уже дефектны по внеэмбриональным тканям, которые вносят вклад в плаценту, тогда как андрогенетические эмбрионы были дефекты по эмбриональной ткани. Эти исходы привели к гипотезе, что эмбриональное развитие нуждается в импринтированных генах, экспрессируемых с материнского генома, тогда как отцовский геном, экспрессирующий импринтированные гены необходим для внеэмбрионального развития (Barton et al., 1984). Однако, последующая идентификация импринтируемых генов у мыши не подтвердила такой склонности в функции импринтируемых генов, подтвердив существование менее простого объяснения исхода однородительского развития.

Фактически поскольку импринтируемые гены выполняют важную роль в эмбриональном росте и развитии плаценты, то они также играют центральную роль в постнатальном энергетическом гомеостазе и поведении (Fig. 2). Несмотря на это многочисленные импринтируемые гены были идентифицированы, которые специфичны для плаценты, подтвердив независимые потребности в импринтируемых генах в эмбриональном в противовес внеэмбриональным клонам.

Кроме того, потребность в обоих родительских наборах для соотв. развития подтверждается делециями и мутациями в специфических импринтируемых генах, вызывающих ряд нарушений импринтинга у человека (Table 1). Напр., неспособность экспрессировать отцовский аллель или материнский аллель генов в импринтируемом домене SNRPN приводит к Prader-Willi Syndrome (PWS) и Angelman Syndrome (AS), соотв. Более того, генетические или эпигенетические аномалии в H19/IGF2 или KCNQ1 доменах приводят к Beckwith-Wiedemann Syndrome (BWS) или Russell-Silver Syndrome (RSS), в зависимости от того, какой из родительских аллелей затронут.

Establishment and maintenance of imprints

Ключом к импринтируемым генам в кластере является согласованное специфическое для родителей эпигенетическое маркирование ICR, также, как и последующее поддержание аллель-специфических эпигенетических модификаций. Делеции ICR и аберрантное аллель-специфическое метилирование ДНК ассоциируют с потерей импринтинга сцепленных генов в кластере и в случае человека к нарушениям импринтинга.

Хотя др. эпигенетические механизмы, такие как пост-трансляционные гистоновые модификации, также могут играть роль в родитель-специфическом эпигенетическом мечении, дифференциальном метилировании ДНК, являются наиболее распознаваемыми модификациями для обеспечения родительских характеристик. DNA methyltransferases (DNMTs), как было установлено, играют роль как в становлении, так и поддержании метилирования ДНК, исходя из мышиных моделей, где мутации в этих генах приводят к потере ICR

Fig. 1. Imprinted gene expression. Paternal (blue) and maternal (red) chromosomes are shown with expressed alleles indicated with an arrow. Methylation as designated by the filled circle at the imprinting control region (ICR,yellow box) leads to repression of gene A and expression of gene B from the paternal allele.Absence of methylation (open circle at ICR) on the maternal allele leads to expression of gene A and repression of gene B. Gene C is biallelically expressed.

метилирования и биаллельной экспрессии импринтируемых генов (Kaneda et al., 2004). Благодаря использованию de novo DNA methyltransferases DNMT3A и DNMT3B и дополнительного белка DNMT3L, ICRs и DMRs оказываются специфически метилированными в зародышевой линии самцов или самок (Bartolomei and Ferguson-Smith, 2011). Удивительно, большинство из этих регионов метилированы в ооцитах постнатально во время роста ооцитов перед овуляцией. Напротив, немногие ICRs, включая H19/Igf2 ICR, метилируются в зародышевой линии самцов пренатально.

Дифференциальные эпигенетические модификации, которые помещаются в ICRs в зародышевой линии д. поддерживаться после оплодотворения, несмотря на экстенсивное репрограммирование, имеющее место, чтобы подготовить геном для эмбрионального развития (Weaver et al., 2009). Здесь отцовский геном подвергается активному деметилированию, частично благодаря действию ten-eleven translocation (TET) члена семейства генов TET3, который превращает 5-methylcytosine в 5-hydroxymethylcytosine (Gu et al., 2011), тогда как материнский геном подвергается пассивному деметилированию, при этом паттерн теряется посредством множественных клеточных делений.

Одним из менее понятных аспектов импринтинга является, как ICRs поддерживают свое дифференциальное метилирование после оплодотворения в период перепрограммирования. Возможно, что комбинация цис-действвующих последовательностей и транс-действующих факторов обеспечивает защиту. Один материнский фактор, PGC7/STELLA, по-видимому, играет генеральную роль в поддержании метилирования ДНК у ранних эмбрионов мыши за счет взаимодействий с деметилированным гистоном 3, по lysine 9 (Nakamura et al., 2012). Однако, фактор, который может быть более специфичным для импринтируемых генов это ZFP57. Исследования продемонстрировали, что мутации ZFP57, идентифицированные у пациентов с преходящим неонатальным диабетом ассоциируют с дефектами в метилировании ДНК по множественным импринтируемым локусам (Mackay et al., 2008). Кроме того, Zfp57 нулевые мыши обнаруживают эмбриональную летальность и потерю импринтинга по многим (но не по всем) локусам (Li et al., 2008). Недавно было показано, что ZFP57 соединяется с KAP1, который может поставлять др. эпигенетические регуляторы (Quenneville et al., 2011). Т.о., зависимое от последовательности и метилирования ДНК, связывание ZFP57 д. действовать как якорь, чтобы специфицировать аллельное связывание KAP1, который д. затем рекрутировать др. основные эпигенетические регуляторы. Возможно, что др. еще не идентифицированные белки также поддерживают метилирование ДНК в импринтируемых локусах у ранних эмбрионов.

Интересно, что внеэмбриональные и эмбриональные ткани могут использовать разные механизмы для поддержания импринтинга, как демонстрируют эксперименты по выяснению экспрессии импринтируемых генов у мышей, которые дефицитны по поддержанию DNA methyltransferase, DNMT1 (Lewis et al., 2004, Umlauf et al., 2004, Weaver et al., 2010). Эти эксперименты показали, что специфичные для плаценты импринтируемые гены в кластере Kcnq1, включая Osbpl5, Tssc4, Cd81 и Ascl2, поддерживают импринтинг в отсутствие DNMT1. Эти гены оказались дифференциально маркированы с помощью гистоновых модификаций в плаценте, при этом активные гистоновые модификации обнаруживались на экспрессируемом материнском аллеле, а репрессивные метки на молчащем отцовском аллеле (Lewis et al., 2004, Umlauf et al., 2004). Эти наблюдения привели к предположению, что соматическая DNMT1 не нужна для поддержания импринтинга этих генов, которые вместо этого регулируются с помощью пост-трансляционных гистоновых модификаций.

Regulation of imprinting in clusters

Два главных регуляторных механизма описаны для поддержания импринтинга в кластерах (Bartolomei, 2009, Lee and Bartolomei, 2013). Во-первых, модель инсулятора (изолятора) импринтинга, которая обнаружена на импринтируемом локусе H19/Igf2 (Fig. 3A). Матерински

Fig. 2. Examples of the functions of imprinted genes. Shown is a non- exhaustive list of imprinted genes and their functions during development in the embryo (top panel) and the placenta (bottom panel).

экспрессируемый ген H19 и отцовски экспрессируемый ген Igf2 обладают общими энхансерами, а их реципрокный импринтинг управляется с помощью зависимого от CCCTC binding factor (CTCF) инсулятора, который располагается между генами. На материнском аллеле у мыши CTCF соединяется с 4 сайтами связывания в ICR, генерируя инсулятор, который предупреждает Igf2 от подключения к общим энхансерам, которые располагаются на H19 стороне инсулятора. На отцовской хромосоме, метилирование в ICR предупреждает CTCF от соединения, позволяя Igf2 подвергаться действию

Fig. 3. Genetic and epigenetic alterations leading to Beckwith-Wiedemann syndrome (BWS) and Russell-Silver syndrome (RSS). (A) Normal imprinting and methylation at the 11p15 locus. (B) Hypomethylation at the human ICR (IC2) in the KCNQ1 locus leading to BWS. (C) Hypermethylation at IC1 in the H19/IGF2 locus leading to BWS. (D) Paternal uniparental disomy leading to BWS. (E) Hypomethylation at IC1 leading to RSS. (F) Maternal uniparental disomy leading to RSS. Additional alterations at this locus leading to BWS include maternally transmitted inactivating mutations in CDKN1C, paternally transmitted duplications of the whole region or of IC1 alone, maternally transmitted microdeletions in IC1, and maternally transmitted deletions in IC2. RSS can also be due to activating mutations in CDKN1C or maternally transmitted duplications of the whole region or of IC2 alone.

энхансеров. Метилирование ДНК также замалчивает промотор H19 на отцовском аллеле. Отметим, что этот локус сходным образом регулируется у человека, при этом основным различием является то, что ICR (обозначаемый как IC1) крупнее с содержит 7 CTCF сайтов.

Более распространенный механизм импринтинга задействует длинные ncRNAs. Напр., таким локусом является локус Kcnq1 (Fig. 3A), который кодирует отцовски экспрессируемую длинную ncRNA, Kcnq1ot1. Регуляция этого кластера, по-видимому, одинакова у мыши и человека, хотя механизм в основном изучен на мышиной модели. В этом случае ICR (обозначенный как KvDMR1 у мыши и IC2 у человека) включает дифференциально метилируемый промотор, который регулирует экспрессию ncRNA (Kcnq1ot1); когда он не метилирован, то ncRNA экспрессируется и репрессирует цис-связанные гены. Напротив, когда ICR метилирован, то ncRNA репрессирована и цис-сцепленные гены экспрессируются. Как ncRNA замалчивает гены в цис-положении неясно. Одно из предположений, что ncRNA привлекает репрессивный аппарат хроматина, как это описано для взаимодействия Airn ncRNA с гистоновой метилтрансферазой G9A в импринтируемом локусе Igf2r (Nagano et al., 2008). Альтернативно, транскрипция посредством домена, смещающего транскрипционный аппарат (machinery), такой как RNA polymerase II, скорее всего, может быть предложен как замалчивающий гены в цис-положении (Latos et al., 2012). Возможно также, что оба механизма используются, но ткане-специфическим образом.

Role of imprinting in human disease

У человека 6 импринтируемых регионов постоянно ассоциируют с болезнями. Многие из этих нарушений импринтинга не могут быть объяснены отсутствием одиночного генного продукта. Фактически фенотипическое разнообразие, связанное с каждым согласуется с отсутствием экспрессии или эктопической экспрессией множественных генов в соотв. регионе. Эктопическая экспрессия может быть обусловлена мутациями в импринтируемых генах, дефектами метилирования ICRs или др. регуляторных регионов, или uniparental disomy (UPD), при которой импринтированный регион хромосомы одного родителя замещен на тот же самый хромосомный регион от др. родителя. В некоторых случаях избыточная экспрессия отцовских экспрессируемых генов приводит к болезни, напр., на хромосоме 6q24, приводя к временному неонатальному сахарному диабету (diabetes mellitus type I) (Docherty et al., 2010). Альтернативно, неспособность экспрессировать материнские аллели может приводить к болезни, как это продемонстрировано для хромосомы 20q13.32, когда потеря экспрессии материнского гена вызывает pseudohypoparathyroidism (Lecumberri et al., 2010). В некоторых случаях причиной является то ли избыточная экспрессия, то ли потеря экспрессии, как это было продемонстрировано при отцовской однородительской дисомии по хромосоме 14q32, которая приводит к лицевым дисморфиям и скелетным нарушениям, включая колоколообразную грудную клетку и ребра в виде "вешалки" (Sutton and Shaffer, 2000). В остальных случаях отцовская эктопическая экспрессия или материнская неправильная экспрессия в одном и том же генетическом локусе может вызывать разные нарушения. Неспособность экспрессировать материнский аллель UBE3A на хромосоме 15q11.2 приводит к синдрому Angelman, характеризующемуся атаксическими движениями, задержкой развития, умственной отсталостью и эпилепсией (Mabb et al., 2011). Напротив, неспособность экспрессировать отцовский аллель в том же самом регионе приводит к синдрому Prader-Willi, характеризующимся гипотонией, умственной отсталостью, малым ростом, гипогонадотропным гипогонадизмом, малыми кистями и ступнями, и тучностью (Cassidy et al., 2012). Кроме того, имеются два нарушения импринтинга, вызываемые генетическими или эпигенетическими изменениями в одном и том же регионе хромосомы 11, которые приводят к противоположным фенотипическим отклонениям в росте (Fig. 3 B-F). Russell-Silver syndrome (RSS), нарушение недостаточного роста обусловлено избыточной экспрессией материнских аллелей и потерей экспрессии отцовского гена на хромосоме 11p15.5. В том же самом регионе 11p15.5, избыточная экспрессия отцовского аллеля, и потеря экспрессии материнского аллеля приводит к синдрому Beckwith-Wiedemann (BWS), нарушению с избыточным ростом. Конечно, RSS может быть также обусловлен материнской UPD по хромосоме 7.

Как было установлено выше, альтерации в локусах, вызывающих синдромы импринтинга разнообразны и включают как избыточное, так и недостаточное метилирование или ICR или др. DMR, однородительскую дисомию, мутации активного аллеля или нарушения регуляторных последовательностей. Каждое из этих изменений нарушает экспрессию матерински или отцовски экспрессируемых импринтируемых генов. Здесь мы сфокусировались на двух из таких нарушениях, BWS and RSS, которые сцеплены в некоторых случаях с одним и тем же импринтируемым регионом 11p15.5. Эти нарушения демонстрируют противоположные эффекты импринтируемых генов на рост и развитие плода и внеэмбриональные ткани.

Beckwith-Wiedemann syndrome and Russell-Silver syndrome

BWS наиболее распространен из идентифицированных нарушений импринтинга с показателем 1/13700 живорожденных с одинаковым показателем у мальчиков и девочек (Pettenati et al., 1986). BWS характеризуется избыточным ростом эмбриональных и внеэмбиональных тканей, включая макросомию, макроглоссию, висцеромегалию, мезенхимную дисплазию, мегалию плаценты и повышенный уровень эмбриональных опухолей (Choufani et al., 2013). Избыточный рост наблюдается во время развития плода и после рождения. Опухоли Wilms и гепатобластомы наиболее распространенные из эмбриональных опухолей с общим риском приблизительно в 7.5% (DeBaun and Tucker, 1998). RSS характеризуется тяжелой задержкой пре- и постнатального роста, включая малый рост при нормальном размере головы, треугольное лицо с выдающимся лбом с асимметрией скелета и конечностей (Azzi et al., 2014). большинство случаев BWS и RSS обусловлено генетическими и/или эпигенетическими изменениями на хромосоме 11p15.5 (Fig. 3). Некоторые из генов в этом регионе являются регуляторами роста и в зависимости от природы нарушений импринтинга, приводят или к BWS или RSS. И BWS, и RSS распознаются спектр нарушений, варьирующий от легкой до тяжелой болезни, подтверждая, что некоторые альтерации происходят только в субнаборе клеток.

Избыток метилирования (GOM) в IC1 приводит к избыточной экспрессии фактора роста IGF2 и к подавлению H19, который кодирует ncRNA и microRNA, участвующие в супрессии роста, при этом онтогенетическим следствием является избыточный рост (Azzi et al., 2014). IGF2 кодирует фактор роста, который экспрессируется в плоде и плаценте с отцовского аллеля (Monk et al., 2006). Постнатально IGF2 экспрессируется с обоих аллелей в печени посредством разных промоторов (Monk et al., 2006). H19 матерински экспрессирует ncRNA, которая экспрессируется в энтодерме и мезодерме эмбриона и во всей плаценте. После рождения H19 замалчивается в большинстве тканей, за исключением сердца и скелетных мышц. H19 эволюционно консервативен и, как полагают, играет роль как в формировании, так и супрессии опухолей (Yoshimizu et al., 2008). Кроме того, микроРНК, miR-675, была идентифицирована в первом экзоне H19. У мыши эта микроРНК демонстрирует паттерны экспрессии, отличающиеся от H19 и, как полагают, играет роль в плаценте и постнатальном росте (Keniry et al., 2012). Приблизительно 10% BWS пациентов имеют GOM в IC1, и они обнаруживают повышенный риск развития эмбриональных опухолей (Choufani et al., 2013). Потеря метилирования (LOM) в IC1, с подавлением экспрессии IGF2 и избыточной экспрессией H19 (т.e. биаллельной экспрессией H19) приводит к снижению роста и наблюдается примерно у 50% пациентов RSS (Azzi et al., 2014). LOM в IC2 описан у более 50% случаев BWS (Azzi et al., 2014, Choufani et al., 2013). Аберрантное гипометилирование приводит к дерепрессии ncRNA KCNQ1OT1 на материнском аллеле и как следствие к потере экспрессии CDKN1C и генов, кодирующих др. белки, которые обычно экспрессируются с материнского аллеля (Azzi et al., 2014, Choufani et al., 2013). CDKN1C является циклин-зависимым киназным ингибитором G1 циклиновых комплексов и действует как негативный регулятор клеточного роста и пролиферации. CDKN1C экспрессируется у эмбрионов и в плаценте во время развития и продолжает экспрессироваться постнатально (Jacob et al., 2013). Матерински наследуемые мутации потери функции в CDKN1C описаны приблизительно у 10% пациентов BWS и около 40% семейных случаев BWS (Choufani et al., 2013). BWS пациенты с мутациями CDKN1C более склонны иметь полидактилию, аномалии гениталий, расщепление нёба и с меньшей вероятностью образуют опухоли по сравнению с др. молекулярными причинами BWS, подтверждая, что пониженная экспрессия CDKN1C нарушает развитие этих систем органов (Kantaputra et al., 2013, Romanelli et al., 2010). Активирующие мутации в CDKN1C были описаны у пациентов с RSS (Azzi et al., 2014). Хромосомные альтерации, такие как отцовская однородительская изодисомия 11p15.5 приводят к BWS в 20% случаев, тогда как материнская UPD описана только водном случае RSS (Bullman et al., 2008). Материнская UPD7 была описана в 5-10% RSS. Недавно матерински передаваемая микроделеция в IC1 была продемонстрирована ка причина семейного BWS и была ассоциирована с гиперметилированием IC1. Хотя фенотип этих пациентов сходен с таковым при GOM в IC1 (Sparago et al., 2004), взаимоотношение между делецией и избытком метилирования неясно. Неизвестно, может ли потеря импринтинга в локусе (биаллельная экспрессия IGF2 и пониженная H19) зависеть от микроделеции, избытка метилирования или обоих. Однако ожидается, что повышенное гиперметилирование в последующих генерациях будет коррелировать с повышенной тяжестью фенотипа BWS (Berland et al., 2013). Матерински передаваемые IC2 мутации также были описаны в одной семье, они приводили к гипометилированию и снижению экспрессии CDKN1C (Algar et al., 2011). Наконец, отцовская передача дупликаций целиком IC1 и IC2 региона также может приводить к BWS (Azzi et al., 2014).

Мышиные модели BWS и RSS регионов ортологов предоставили информацию о эпигенетической регуляции этого региона и его роли в росте эмбриона и плаценты. Мышиные модели с избыточной экспрессией Igf2 с делецией Cdkn1c или Igf2r выявили фенотипы плодов, схожие с таковыми при BWS (Caspary et al., 1999, Eggenschwiler et al., 1997, Sun et al., 1997). Более того, мыши с делециями H19/Igf2 ICR обнаруживали экспрессию и рост, имеющие сходство с BWS и RSS в зависимости от отцовского или материнского наследования делеций, соотв. (Thorvaldsen et al., 1998, Thorvaldsen et al., 2006). Модель с мутациями CpG, не обеспечивающими поддержку метилирования отцовского ICR приводит к снижению экспрессии Igf2 и к избыточной экспрессии H19, приводя в результате к малому размеру, характерному для RSS (Engel et al., 2004). Необходимо отметить, однако, что ни одна из этих моделей не даёт полного фенотипа BWS или RSS, подтверждая, что или локус мыши достаточно отличен от такового у человека, что не проявляет полного фенотипа, или имеются др. регуляторные факторы, вносящие вклад в фенотип у человека. Было также предположено, что скорость роста между человеком и мышью может объяснить фенотипические отличия (Caspary et al., 1999).

Genome-wide paternal uniparental disomy

Неожиданно было описано несколько редких случаев мозаичной геномной отцовской UPD (Gogiel et al., 2013, Inbar-Feigenberg et al., 2013, Kalish et al., 2013). Поскольку отсутствуют случаи живорожденных с полной UPD, но описаны данные по 13 мозаичным живорожденным случаям. Превалирующий фенотип был сходен с BWS с избыточным ростом, гемигиперплазией, hyperinsulinism и высоким показателем развития опухолей (Kalish et al., 2013). Большинство пациентов рождены преждевременно, имели избыточный рост плаценты, это соответствовало в основном отцовскому происхождению ткани, наблюдаемому у андрогенетических зародышей. Дополнительные признаки др. нарушений с отцовской UPD наблюдались в некоторых случаях и включали pseudohypoparathyroidism (UPD20) и колоколообразную грудную клетку (UPD14). Немногие из пациентов имеют задержку развития или др. признака синдрома Angelman (Kalish et al., 2013). Все эти пациенты демонстрировали мозаичную смесь двуродительских и однородительских клеток в каждой из протестированных тканей. У некоторых пациентов все типы клеток и тканей обнаруживали более значительную, чем 80% отцовских UPD клеток. Важно, что ни один из пациентов не обнаруживал 100% отцовской UPD в любом из типов клеток, это ставит вопрос, как столь значительный материнский вклад, необходимый для развития жизнеспособных эмбрионов. Более того, хотя основа наблюдаемых фенотипов в мозаичном геноме UPD пациентов неизвестна, экспрессируемый фенотип, скорее всего, соответствует количеству клеток с отцовской UPD, присутствующих в данной ткани мишени (т.e. чем больше отцовской UPD в нейрональных клетках мозаичного генома, тем больше пациентов с отцовскими UPD экспрессируют признаки синдрома Angelman).

Assisted reproductive technologies and imprinting disorders

Др. увеличивающаяся группа больных, которая ставит в тупик наше понимание и становление импринтинга - это концепция assisted reproductive technologies (ART). Время ART совпадает как со становлением, так и поддержанием импринтинга. При ART, яйцо донор подвергается гормональной гиперстимуляции, чтобы облегчить высвобождение множественных ооцитов; это время, при котором ооцит находится в фазе роста и становится программированным. В отношении импринтинга исследования на мышах показали, что матерински метилированные ICRs оказываются метилированными во время роста ооцита, хотя эти ICRs метилируются не одновременно (Lucifero et al., 2004). После in vitro оплодотворения культивирование эмбриона и перенос матери также происходит, когда эмбрион подвергается экстенсивному репрограммированию. В этом случае эмбрион подвергается после оплодотворения обширной потере метилирования ДНК вместе с изменением пост-трансляционных гистоновых модификаций, которые подготавливают эмбрион к делениями дробления и последующей дифференцировке клонов. Т.о., ART манипуляции имеют место во время чувствительных периодов развития млекопитающих. Некоторые небольшие исследования подтвердили увеличение показателя BWS и AS после ART; однако крупные исследования, чтобы подтвердить истинные показатели, пока не закончены (Chang et al., 2005, Odom and Segars, 2010). Недавний мета анализ предпринял попытку скоррелировать результаты 8 исследований ART и BWS, в 6 исследованиях найдена положительная корреляция между BWS и ART и был подсчитан общий относительный риск в 5.2 (Vermeiden and Bernardus, 2013). В некоторых индивидуальных исследованиях, где принималось во внимание снижение плодовитости y родителей, повышенный показатель нарушений импринтинга при ART не был достоверным. Повышенные показатели RSS, AS и PWS не были обнаружены, но общий показатель этих нарушений значительно ниже, чем BWS (Vermeiden and Bernardus, 2013). Необходимо отметить, что огромное большинство ассоциированных с ART случаев BWS и AS связано с потерей метилирования ICR. Это особенно интересно для AS, где потеря метилирования чрезвычайно редка в популяции.

Животные модели подтвердили, что технологии, использованные при ART, могут вызывать эпигенетические нарушения в импринтируемых (и др.) локусах (El Hajj And Haaf, 2013, Grace and Sinclair, 2009, Laprise, 2009). Животные модели привлекли внимание, что бесплодие не является одновременно обнаруживаемым фактором. На животных моделях тестировали гормональное гиперстимулирование, IVF, культивирование эмбрионов и перенос, всё, что связано с аберрантным импринтингом, включая потерю импринтинга и потерю метилирования ICR. Телячья модель продемонстрировала, что ART приводит к увеличению синдрома крупных потомков с макросомией, макроглоссией и дефектами абдоминальной стенки и билатерально экспрессируемыми импринтируемыми генами, наблюдаемыми при BWS (Chen et al., 2013). Интересно, что ART оплодотворенные яйца обнаруживают значительно больше нарушений импринтинга в плацентах, чем в эмбриональных тканях (de Waal et al., 2014). Поскольку имеется ряд возможных объяснений этого результата, одним из наиболее неотразимых объяснений является то, что импринтируемые гены обладают перекрывающимися механизмами, чтобы поддерживать специфичный для родителей импринтинг, включая метилирование ДНК и пост-трансляционные гистоновые модификации, в эмбриональных клонах, тогда как внеэмбриональные ткани в меньшей степени вовлекаются в оба набора эпигенетической machinery для поддержания экспрессии импринтируемых генов.

Summary and future directions

Establishment and maintenance of imprinted gene expression is integral for normal embryonic and extraembryonic development. Mis-regulation of this process can occur at many levels and leads to clinical disease. The role of individual genes in each of these imprinted clusters is still being uncovered. Further understanding of the regulation of imprinted genes may lead to improvements in ART and improved management of human imprinting disorders.

Epigenetics and imprinting in human disease JENNIFER M. KALISH, CONNIE JIANG and MARISA S. BARTOLOMEI Int. J. Dev. Biol. 58: 291-298 (2014) doi: 10.1387/ijdb.140077mb

Epigenetics and imprinting in human disease
JENNIFER M. KALISH, CONNIE JIANG and MARISA S. BARTOLOMEI
Int. J. Dev. Biol. 58: 291-298 (2014) doi: 10.1387/ijdb.140077mb