Ученые исследуют изменения в структуре ДНК зародышевой линии, закладывающие основу для развития эмбриона

Тотипотентность — это способность клетки развиться в целый организм через сложные процессы эмбриогенеза. Она формируется во время развития предшественников сперматозоидов и яйцеклеток, называемых клетками зародышевой линии. Понимание механизма, обеспечивающего тотипотентность, — ключевая цель регенеративной медицины.

Команда из Института перспективных исследований человеческой биологии (ASHBi) Киотского университета получила новые данные о том, как тотипотентность программируется в клетках зародышевой линии в ходе их развития, чтобы быть активированной при формировании сперматозоидов и яйцеклеток. Исследование опубликовано в The EMBO Journal.

Руководитель группы Митинори Сайто из ASHBi поясняет: «Развивающемуся эмбриону требуется, чтобы большинство клеток утратили тотипотентность, специализируясь и превращаясь в различные ткани формирующегося организма. Но первичные половые клетки эмбриона уникальны. Готовясь к своему будущему в качестве сперматозоидов и яйцеклеток, эти клетки нуждаются в механизме восстановления тотипотентности наряду с другими клеточными функциями, ведущими к оплодотворению».

Чтобы лучше понять это поведение, команда Сайто использовала созданную ими in vitro систему дифференцировки зародышевой линии. С помощью микроскопии и мульти-омиксного анализа они наблюдали за клетками, дифференцирующимися в предшественники сперматозоидов и яйцеклеток через стадию первичных половых клеток. Особое внимание уделялось трёхмерной организации ДНК в клеточном ядре.

Исследование показало, что подготовка к новому жизненному циклу сначала требует «очистки» ДНК. Удаляются все метильные группы, которые действуют как своего рода молекулярные закладки для последовательностей ДНК. Считается, что неметилированная копия ДНК — ключевая особенность половых клеток, обеспечивающая их тотипотентность.

Нити ДНК в половых клетках также раскручиваются и подготавливаются к активации, создавая так называемое высоко «эухроматиновое» состояние. Но одновременно ядро создаёт дополнительную изоляцию с помощью ключевых каркасных молекул, чтобы предотвратить преждевременную и аномальную активацию ДНК.

Команда обнаружила, что на последующих этапах формирования предшественников сперматозоидов некоторые из этих изменений постепенно обратились. Они подтвердили, что метильные группы снова добавлялись к цепям ДНК. Но, что интересно, клетка продолжала расширять «эухроматиновое» состояние ДНК в клетках-предшественниках сперматозоидов, а хромосомы также перемещались к периферии ядра, готовясь к финальным клеточным делениям для образования сперматозоидов.

Масахиро Нагано, ведущий автор работы, отмечает: «Наблюдаемый разворот в метилировании ДНК при продолжающемся формировании эухроматина на пути к сперматозоидам — интересное открытие. Кроме того, мы создали обширный набор данных, устанавливающий новый стандарт в этой области. Эти результаты будут иметь глубокое значение для исследований наследственных заболеваний, фертильности и будущей терапии стволовыми клетками».