Теперь исследователи из Penn Medicine показывают, используя новые инструменты секвенирования ДНК по всему геному, точное генетическое расположение этих сохраненных гистонов, а также ключевой ген, регулирующий их. Результаты были опубликованы в Developmental Cell.
Сделав еще один шаг, исследователи создали новую модель мышей с мутированной версией гена Gcn5, которая позволяет исследователям внимательно отслеживать дефекты сперматозоидов на ранних стадиях развития сперматозоидов через оплодотворение и далее.
Это важный шаг вперед, поскольку он может привести к лучшему пониманию не только бесплодия у мужчин и способов его потенциального обращения вспять, но также и предполагаемых эпигенетических мутаций, передаваемых эмбриону от мужчин естественным путем или посредством экстракорпорального оплодотворения.
Эпигенетика, факторы, влияющие на генетику организма, которые не закодированы в ДНК, играют важную роль в формировании сперматозоидов и яйцеклеток.
«Для мужчин, страдающих бесплодием необъяснимой причины, у врачей все может выглядеть нормально: количество спермы нормальное, подвижность нормальная.
Тем не менее, у них все еще могут быть проблемы с зачатием ", – сказал первый автор Лейси Дж. Люенс, доктор философии, научный сотрудник лаборатории, старший автор исследования, Шелли Л. Бергер, доктор философии, Дэниел С. Профессор Окского университета кафедры клеточной биологии и биологии развития и директор Института эпигенетики Пенна. "Одним из объяснений постоянных проблем является то, что гистоны находятся в неправильном месте, что может повлиять на сперму, а затем на раннее развитие.
Теперь у нас есть действительно хорошая модель для изучения того, что происходит, когда вы не избавляетесь от гистонов в сперме надлежащим образом, и как это может выглядеть в эмбрионе."
Здоровая сперма теряет от 90 до 95 процентов гистонов, основных белков хроматина, которые упаковывают ДНК и включают и выключают гены, и заменяют их протаминами, которые представляют собой более мелкие белки, способные правильно упаковать ДНК в крошечные сперматозоиды. Учитывая роль удерживаемых гистонов в бесплодии и эмбриональном развитии, существует большой интерес к определению геномных местоположений, чтобы их потенциально можно было использовать для дальнейших исследований и, в конечном итоге, лечения.
Предыдущие исследования дали противоречивые результаты о местонахождении гистонов.
Технология, известная как секвенирование MNase, которая использует ферментативную реакцию для точного определения местоположения, поместила удерживаемые гистоны на важные промоторы генов. Другие исследования с тем же подходом обнаружили гистоны в повторах ДНК и помещены в так называемые «генные пустыни», где они играют меньшую роль в регуляции.
«В этой области возникли разногласия, пытаясь понять эти противоречивые данные», – сказал Люенс. "В этом новом исследовании мы обнаружили, что обе эти ранее описанные модели верны. Мы находим гистоны в генах, которые кажутся важными для развития эмбриона, но мы также находим их в повторяющихся элементах, в местах, которые необходимо отключить и предотвратить экспрессию этих регионов в эмбрионе."
Исследователи применили технологию, известную как ATAC-секвенирование, более точный и быстрый подход, для отслеживания волн гистонов в уникальных участках генома на ранних и поздних стадиях развития сперматозоидов у мышей. ATAC-seq может идентифицировать открытые и закрытые части генома – в данном случае области, которые удерживают гистоны сперматозоидов – а затем сделать разрез и пометить ДНК, которая затем может быть секвенирована.
В моделях мышей, созданных с мутированным геном Gcn5, исследователи обнаружили, что у этих мышей очень низкая фертильность. Исследователи также показали, что оставшиеся гистоны в сперме здоровых мышей коррелируют с положением гистонов в очень ранних эмбрионах, подтверждая гипотезу о том, что отцовские гистоны передают эпигенетическую информацию следующему поколению.
Наличие этого типа мутантной модели дает ученым инструмент для тщательного изучения механизмов, лежащих в основе траектории мутировавшего сперматозоида, и понимания того, какое влияние это может иметь на эмбрион и его развитие. Это также открывает возможность изучить потенциальные терапевтические цели.
«Сейчас бремя ЭКО и других вспомогательных репродуктивных технологий ложится на женщин. Даже это мужской фактор, все равно женщины должны проходить гормональные инъекции и процедуры », – сказал Бергер. "А теперь представьте, что вы можете применять эпигенетическую терапию для изменения уровней гистонов и протаминов у мужчин до эмбриогенеза?
Это один из вопросов, который мы хотим изучить, и эта модель позволит нам двигаться в этом направлении."
Существует множество доступных эпигенетических препаратов, используемых для лечения рака и других заболеваний.
Учитывая их механизмы, лечение сперматозоидов препаратами для увеличения высвобождения гистонов является одним из возможных путей исследования.
Ограничения, связанные с человеческими эмбрионами в науке, привели к отсутствию общих исследований бесплодия и роли эпигенома отца в развитии эмбриона, что подчеркивает важность таких исследований, как это, говорят исследователи.
«Есть много разных факторов, которые могут изменить эпигеном сперматозоидов: например, диета, наркотики, алкоголь», – сказал Люенс. "Мы только сейчас начинаем понимать, как это может повлиять на ребенка и повлиять на его развитие. Эти начальные, базовые исследования, которые мы проводим, имеют решающее значение, чтобы мы могли лучше понять, что движет этими эпигенетическими мутациями."
Среди других авторов Пенна – Грег Донахью, Энрике Лин-Шиао, Ричард Рэнджел, Анджела Х. Веллер и Мариса С. Бартоломей. Исследование было поддержано Национальными институтами здравоохранения (R01 GM055360, HD06817, F32HD086939, P50HD06817, F31GM123744).