Наличие однояйцевого близнеца проявляется в особенностях метилирования ДНК

8

Образование разнояйцевых (dizygotic twinning, слева) и однояйцевых близнецов (monozygotic twinning, справа). Разнояйцевые близнецы образуются при оплодотворении двух яйцеклеток двумя разными сперматозоидами, — при этом развиваются два генетически разных индивида. Такие близнецы имеют разные плаценты и амниотические мешки. Однояйцевые близнецы образуются при оплодотворении одной яйцеклетки одним сперматозоидом. Если эмбрион разделяется на стадии морулы (morula) на два, каждый из которых отдельно развивается (hatching) и имплантируется (twin blastocysts implanting), то близнецы будут иметь разные плаценты и амниотические мешки (dichorionic, diamniotic). Если разделение происходит на этапе выхода бластоцисты из блестящей оболочки (split at hatching), то образуются близнецы с одной плацентой, но разными амниотическими мешками (monochorionic, diamniotic). Если эмбрион разделился в течение недели после имплантирования бластоцисты (blastocyst splitting up to one week after implantation), то близнецы будут делить амниотический мешок и плаценту (monochorionic monoamniotic). Иллюстрация из статьи H. C. McNamara et al., 2016. A review of the mechanisms and evidence for typical and atypical twinning

Рождение однояйцевых близнецов у человека — это редкое событие (3–4 случая на 1000). До конца не ясно, что именно должно произойти на начальных стадиях развития эмбриона, чтобы беременность стала развиваться по этому сценарию. Между тем, многоплодные беременности относятся к беременностям высокого риска, при которых вероятна потеря одного из плодов: такое случается в половине беременностей тройнями и примерно в 30% беременностей двойнями. Поэтому ученым важно разобраться в том, что приводит к беременности по «близнецовому» сценарию. В попытке сделать это голландские исследователи проанализировали ДНК нескольких сотен однояйцевых близнецов. Своей изначальной цели они не добились, но вместо этого обнаружили интересный факт. Оказалось, что у однояйцевых близнецов идентична не только ДНК, но и специфичные участки метилирования ДНК. С помощью анализа таких участков можно определить, является ли человек одним из однояйцевой двойни или нет.

Однояйцевые близнецы — это результат оплодотворения одной яйцеклетки одним сперматозоидом. На ранних этапах развития эмбрион может разделиться на две (очень редко — больше) части. Если разделение произошло до образования 16-клеточного эмбриона (морулы), то оба близнеца имеют отдельные плаценты и амниотический мешок (рис. 1). Как и все однояйцевые близнецы, они имеют практически идентичную ДНК. Если разделение произошло позже — на стадии бластоцисты, когда разделяются внутренняя клеточная масса и трофобласт, которые дают начало телу эмбриона и плаценте, — то у каждого близнеца будет свой амниотический мешок, но одна плацента. Это самая распространенная ситуация. Более редкий вариант — разделение на более поздних стадиях, что приводит к общему амниотическому мешку и одной плаценте для обоих близнецов. Самый редкий случай — образование сиамских близнецов. Однояйцевые близнецы встречаются редко (3–4 на 1000 рождений), и, по-видимому, частота их появления не зависит ни от возраста матери, ни от каких-то генетических особенностей родителей.

Помимо того, что рождение однояйцевых близнецов — это редкое событие, вынашивание таких беременностей часто сопровождается осложнениями как у матери, так и у плодов. Развитие плода занимает длительное время и требует большого количество ресурсов. Поэтому дети, которые рождены в многоплодных беременностях (в том числе и в парах разнояйцевых близнецов, которые возникают, если у женщины овулирует сразу несколько яйцеклеток, оплодотворенных разными сперматозоидами, см. рис. 1), зачастую рождаются недоношенными и с малым весом. Для матери такая беременность также увеличивает риск преэклампсии и гестационного диабета.

Есть и редкие, специфические осложнения. При фето-фетальном трансфузионном синдроме кровеносные пути близнецов с одной плацентой начинают соединяться. Это приводит к тому, что один близнец получает слишком много крови, и это повышает нагрузку на его сердечно-сосудистую систему и почки, а второй наоборот получает слишком мало крови, кислорода и питательных веществ. В тяжелых случаях с вероятностью 60–100% это приводит к летальному исходу для плодов.

Еще одно осложнение — так называемый «феномен исчезнувшего близнеца» (см. Vanishing twin), при котором один из плодов не выживает на ранних этапах развития. Это может происходить и в случаях беременности разнояйцевыми близнецами. Самый распространенный сценарий — плод реабсорбируется. Это нередкое явление в животном мире: у зайцев уровень реабсорбции эмбриона и плода составляет 42%, у собак и мышей — около 10% (Drews et al., 2020. Spontaneous embryo resorption in the mouse is triggered by embryonic apoptosis followed by rapid removal via maternal sterile purulent inflammation). При этом плод и плацента разрушаются и поглощаются стенками матки. В более редких случаях рассасывается только эмбрион или же плод мумифицируется и уплощается, выдавливаемый здоровым развивающимся плодом. Считается, что 20–30% многоплодных беременностей сопровождается «феноменом исчезнувшего близнеца», однако нет информации о том, сколько из них разнояйцевых, и сколько однояйцевых.

Разделение однояйцевых близнецов происходит в один из критических моментов развития человека. Только что произошло соединение яйцеклетки матери и сперматозоида отца и образование нового диплоидного генома. Он останется практически неизменным, но вот активность его будет постепенно меняться: будут включаться и выключаться гены, которые обеспечат развитие организма. Происходит это за счет эпигенетической регуляции генов и других связанных с ДНК процессов, при которой не затрагивается последовательность нуклеотидов. Метилирование ДНК — один из способов такой регуляции, при которой метильная группа присоединяется к цитозину, чаще всего находящемуся рядом с гуанином (CpG, где С — цитозин, p — фосфодиэфирная связь, G — гуанин). Тем не менее, возможно метилирование и цитозинов перед другими нуклеотидами. Метилирование ДНК чаще всего «выключает» гены, если метилированы CpG на участках ДНК, связанных с «запуском» генов (промоторах). При этом факторы транскрипции не могут связаться с этими участками, а также изменяется упаковка хроматина, также снижающая транскрипционную активность промотора.

ДНК яйцеклеток и сперматозоида метилированы, но после образования зиготы они «сбрасывают настройки»: большинство метильных групп удаляется либо из-за «разбавления» при удвоении ДНК (новые цепи остаются неметилированными), либо специальными ферментами. Такое глобальное деметилирование продолжается вплоть до образования бластоцисты, а на следующем этапе — образовании гаструлы — устанавливаются новые метильные метки. После этого паттерн метилирования меняется, отражая различные этапы в органогенезе и росте эмбриона, а затем — плода (рис. 2). В каждом новом типе клеток будет свой паттерн распределения меток.

Метилирование CpG-динуклеотидов (5mCG) и CpA- , CpT- , CpT динуклеотидов (5mCH) в ходе развития человека. Уровень 5mCG в половых клетках (oocyte and sperm, уровень метилирования в ооцитах обозначен красным цветом, в сперматозоидах — синим) снижается после оплодотворения (zygote) и продолжает снижаться во внутренней клеточной массе (ICM, inner cell mass) до имплантации в матку (uterus), а после этого резко возрастает (уровень метилирования обозначен зеленым цветом). В первичных половых клетках плода (PGCs, primordial germ cells) происходит второй раунд деметилирования. В процессе их дальнейшего развития происходит повторное установление метильных меток. В соматических клетках, например в клетках мозга (brain, уровень метилирования обозначен фиолетовым цветом) при внутриутробном развитии (gestation) и с возрастом (postnatal brain development) постепенно увеличивается уровень метилирования. Другие типы метилирования (%5mCH/CH) также присутствуют в ооцитах, но не в сперматозоидах. Они снижаются после оплодотворения и устанавливаются заново в процессе развития ооцитов. После рождения их также можно встретить в нейронах и клетках глии. Иллюстрация из обзора A. Vogel Ciernia, J. LaSalle, 2016. The landscape of DNA methylation amid a perfect storm of autism aetiologies

Распределение метильных меток зависит не только от того, какие гены должны быть активными в определенном виде клеток, но и от факторов среды, в частности — от воздействия токсинов, диеты и образа жизни. Поэтому, несмотря на то, что у однояйцевых близнецов практически идентичная ДНК, распределение эпигенетических маркеров может различаться даже у только что родившихся младенцев, и уж тем более эта разница увеличивается с возрастом (L. Gordon et al., 2012. Neonatal DNA methylation profile in human twins is specified by a complex interplay between intrauterine environmental and genetic factors, subject to tissue-specific influence). Существует ряд исследований, сравнивающих метилирование у однояйцевых близнецов, один из которых имеет какое-либо заболевание, например расстройства аутистического спектра (S. Liang et al., 2019. Genome-Wide DNA Methylation Analysis Reveals Epigenetic Pattern of SH2B1 in Chinese Monozygotic Twins Discordant for Autism Spectrum Disorder) или шизофрению (C. Castellani et al., 2015. DNA methylation differences in monozygotic twin pairs discordant for schizophrenia identifies psychosis related genes and networks). В нем используют метод полногеномного ассоциативного исследования эпигенетических маркеров (EWAS, Epigenome-wide association study), который позволяет сравнить статус метилирования различных участков ДНК у исследуемой популяции (однояйцевых близнецов и контрольной группы) и связать их с какими-нибудь чертами или заболеваниями.

В недавней работе голландские исследователи использовали EWAS, чтобы сравнить метилирование в лейкоцитах и буккальных (то есть берущихся с внутренней стороны щеки) соскобах взрослых людей, у каждого из которых был однояйцевый близнец (таковых было исследовано 924 человека). В исследование также входили разнояйцевые близнецы (1033 человека). Они выступали в роли идеального контроля, так как они тоже присутствовали в матке матери вдвоем, поэтому подвергались всем тем же факторам, которые могли бы повлиять на метилирование ДНК, что и однояйцевые близнецы.

Образцы ДНК участников получили из Нидерландского реестра близнецов. С начала 1980-х годов в него включены данные о 120 тысячах близнецов и примерно таком же количестве их близких родственников. При анализе метилирования искали участки ДНК, статус метилирования (более или менее метилирован ли участок) которых похож у однояйцевых близнецов, но не у разнояйцевых. Было найдено 234 таких участков ДНК. Ученые также решили посмотреть, будут ли такие особые метки наблюдаться в других близнецовых реестрах. Авторы обнаружили их и в других базах данных: Британском реестре взрослых близнецов (UK Adult Twin Registry), Финской когорте близнецов (Finnish Twin cohort), в результатах исследований E-Risk (Environmental Risk (E-Risk) Longitudinal Twin Study) и BSGS (Brisbane Systems Genetics Study). Интересно, что такие метки присутствовали не только у взрослых, составлявших основную часть участников, но и в когорте детей из Нидерландского реестра. Это наблюдение очень важно, так как показывает, что метки сохраняются не только с возрастом, но и в тканях разного происхождения (лейкоциты происходят из мезодермы, тогда как клетки эпителия щеки из эктодермы).

Данные всех исследований объединили (всего получилось 5723 участника). Оказалось, что у 834 участков особый статус метилирования у однояйцевых близнецов. 60% из них были менее метилированы, чем у разнояйцевых близнецов, а у остальных было больше метильных меток. Метки различались между парами близнецов, но внутри одной пары различия оценили в 0,8–7,8% в зависимости от участков ДНК. Все подобные участки ДНК распределены неравномерно по геному. Менее метилированные участки в основном располагались на концах хромосом, около теломер, а более метилированные — у центромер (рис. 3, а).

а — распределение участков с особым статусом метилирования у однояйцевых близнецов в мета-анализе. Каждая точка соответствует одному участку. Красными точками обозначены участки у центромер, желтыми — у теломер. По горизонтальной оси отмечены хромосомы (номера с 1 по 23). По вертикальной оси — значимость открытия в виде отрицательного десятичного логарифма p-значения. Красная линия — порог значимости. b — cхожесть метилирования у различных типов близнецов. Наибольшие различия встречаются у близнецов с двумя разными плацентами. Меньше различий у близнецов с общей плацентой и разными амниотическими мешками, а меньше всех — у близнецов с общей плацентой и амнионом. с — частота схожести метилирования особых участков у различных близнецов (twin correlation), графическое представление схемы b. d — частота схожести метилирования всех участков ДНК у различных близнецов. Принципиальных различий в распределении не наблюдается. Темно-зеленый — разнояйцевые близнецы (DZ, dizygotic twins), светло-зеленый — однояйцевые близнецы с разными плацентами (MZ (monozygotic twins), dichorionic), светло-розовый — однояйцевые с общей плацентой и разными амниотическими мешками (MZ monochorionic diamniotic), темно-розовый — однояйцевые близнецы с общей плацентой и амнионом (MZ monochorionic monoamniotic). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature Communications

Исследователи также определили расположения этих особых участков в зависимости от связи с транскрипционной активностью. Оказалось, что менее метилированные участки чаще всего встречаются с генами, которые активны в процессе развития, но замолкают после его окончания, а более метилированные — в гетерохроматиновых регионах генома. Кроме того, авторы сопоставили уже найденные участки с так называемыми метастабильными эпиаллелями, то есть участки ДНК, которые «помечены» метильными марками в процессе раннего эмбрионального развития (в том числе и из-за факторов среды) и остаются таковыми во всех клетках организма. Такие участки различаются у разных людей, но остаются похожими у монозиготных близнецов (T. van Baak et al., 2018. Epigenetic supersimilarity of monozygotic twin pairs). Особые участки метилирования часто присутствуют в метастабильных эпиаллелях.

Анализируя последовательности метилированной ДНК, можно определить, находятся ли в них сайты связывания различных транскрипционных факторов, необходимых для активности определенных генов. Оказалось, что участки со сниженным уровнем метилирования находятся в мотивах связывания 31 транскрипционного фактора, участвующего в раннем развитии эмбриона. Объяснения этому феномену авторы не предлагают. Тем не менее, участки с повышенным метилированием у однояйцевых близнецов нашлись в мотивах связывания 13 транскрипционных факторов, которые связаны в том числе с адгезией клеток. 79 участков ДНК присутствуют в кластере генов протокадгеринов (clustered protocadherins) — белков, участвующих в клеточной адгезии. Это открытие чрезвычайно интересно, так как именно протокадгерины и кадгерины,вероятно, участвуют в процессе разделения эмбриона и образования однояйцевых близнецов. Как повышенное метилирование может повлиять на это — неизвестно и требует дальнейшего изучения.

Помимо собственно определения месторасположения участков с особым статусом метилирования авторы исследовали и их связь с развитием и жизнью однояйцевых близнецов. Они сравнили, как метилирована ДНК исследованных участков в клетках из буккальных соскобов у различных видов близнецов. Больше всего сходства в метилировании было у близнецов с общей плацентой и амниотическим мешком, которые, напомню, разделяются позже всех. Меньше всех — у близнецов с раздельными плацентами и амниотическими мешками (рис. 3, b–d). Наибольшие различия наблюдались как раз в кластерах генов протокадгерина.

Результаты исследования имеют и практическое применение. Авторы разработали специальный алгоритм на основе данных об особых сайтах метилирования близнецов, который способен различить человека из пары однояйцевых близнецов от человека, у которого близнеца не было. Это не только интересный анализ, который позволяет лучше узнать себя, но и важный диагностический метод. Дело в том, что особенности метилирования могут помочь определить, почему у людей встречаются некоторые заболевания. Существует ряд дефектов и синдромов, которые часто встречаются у однояйцевых близнецов, но могут встречаться и у детей из одноплодной беременности. Одна из распространенных гипотез их появления — связь с разделением эмбриона на два. Предполагается, что и в этом случае у плода был близнец, который исчез. Именно метилирование может помочь определить правоту этой гипотезы.

Являются ли особенности метилирования однояйцевых близнецов причиной, следствием или просто событием, сопутствующим их появлению, пока остается загадкой.

Источник: Jenny van Dongen et al. Identical twins carry a persistent epigenetic signature of early genome programming // Nature Communications. 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-25583-7.

Екатерина Грачева

источник

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ