Динамический контроль ДНК-метилирования определяет судьбу клеток во время органогенеза

Раннее развитие млекопитающих сопровождается активным эпигенетическим репрограммированием. На первой стадии после оплодотворения ДНК-метилирование, характерное для половых клеток, стирается. Впоследствии геном эмбриона метилируется de novo. Так, метилирование CpG-островков восстанавливается вскоре после имплантации. При этом работают ДНК-метилтрансферазы DNMT3A, DNMT3B и DNMT1, активное же деметилирование происходит с помощью ферментов TET. Эмбрионы без Dnmt1 и Dnmt3b не выживают, мыши без Dnmt3a рождаются, но долго не живут. Эмбриональная летальность наблюдается и у мышей без трех ферментов TET. Очевидно, что динамический контроль ДНК-метилирования при эмбриогенезе жизненно важен, однако его механизмы остаются плохо изученными.

Исследователи из Великобритании получили мышиные эмбрионы с нокаутом Dnmt3a^-/-, Dnmt3b^-/- и Dnmt1^-/-, а также с нокаутом трех ферментов TET1/2/3, после чего проанализировали РНК единичных клеток E8,5-эмбрионов (начало органогенеза). При анализе РНК изучили данные 51 811 клеток 17 эмбрионов дикого типа, 45 579 клеток 14 эмбрионов Dnmt3a^-/-, 55 237 клеток 12 эмбрионов Dnmt3b^-/- и 25 185 клеток 15 эмбрионов Dnmt1^-/-.

Сначала авторы изучили пропорции разных типов клеток в эмбрионах дикого типа и нокаутных. Клетки типировали по уровням экспрессии генов благодаря существующим атласам. Исследователи показали, что дефекты у Dnmt3a^-/- и Dnmt3b^-/- эмбрионов были минимальны, а у Dnmt1^-/- — намного более выраженные, в частности, было больше незрелых клеток. Также некоторые зрелые клетки были представлены в меньшем количестве, например, клетки головного и спинного мозга, клетки кишечника. Авторы предположили, что такое снижение числа зрелых клеток и приводит к задержке развития нокаутных эмбрионов. Изучив транскриптом, авторы показали повышение экспрессии генов зародышевой линии и повторяющихся элементов, а также нарушение импринтинга. Исследователи связали дерегуляцию генов с нарушениями в детерминации судьбы клеток. Они заключают, что ДНК-метилирование подавляет прошлые и альтернативные идентичности клеток.

После этого авторы получили химерные эмбрионы с тройным нокаутом ферментов TET1/2/3 (Tet-TKO). Всего профилировали 24 355 Tet-TKO клеток и 52 084 клетки контролей. У Tet-TKO эмбрионов было меньше эритроидных клеток и клеток нервного гребня, но больше клеток-предшественников мезодермы. Задержка в развитии эмбриона не может объяснить снижение количества эритроидных клеток. Авторы предположили, что ферменты TET необходимы для запуска программы экспрессии, инициирующей дифференцировку крови, предположительно, деметилируя регуляторные районы генов.

Авторы составили атлас транскриптомных данных единичных клеток для Dnmt- и Tet-мутантных мышиных эмбрионов. Данные доступны на интерактивной платформе. Они показали, что ДНК-метилтрансферазы не требуются при формировании основных типов клеток к E8,5. Однако Dnmt1^-/- эмбрионы отстают в развитии и не могут подавить маркеры плюрипотентности. В то же время в эмбрионах Tet-TKO нарушен эритропоэз, что подтверждает ранее полученные данные.