Генетический мозаицизм представляет собой интересное явление, в рамках которого одна особь содержит в тканях генетически различающиеся клетки, которые возникают в результате мутаций, произошедших в ходе раннего развития организма. В последнее время все больше ученых интересуются мозаицизмом, так как его изучение принципиально важно для понимания процесса нормального развития, конкуренции клеток и патогенеза генетических заболеваний. Один из последних обзоров на данную тематику был опубликован в журнале Nature Reviews Genetics в апреле 2024.

В ходе раннего эмбрионального развития зигота претерпевает множество клеточных делений, в ходе которых могут происходят мутации, большинство из которых впоследствии исправляются. Тем не менее каждое клеточное деление сопровождается хотя бы одной одиночной нуклеотидной заменой или небольшой инсерцией/делецией (индел), что приводит к образованию клонов родственных клеток — явлению, известному как соматический мозаицизм. Таким образом, уже при рождении человек является генетическим мозаиком, причем мутации, произошедшие в его организме в процессе внутриутробного развития, могли появиться de novo, либо быть унаследованными от родителей. Такие эмбрионально приобретенные варианты зачастую распределяются неравномерно по тканям. Наличие или отсутствие варианта в определенной клеточной линии может указывать на время его возникновения, причем, чем раньше появился генетический вариант, тем более широко он может быть представлен среди клеток организма. Варианты, которые приобретаются между двух-клеточной стадией и гаструляцией, вероятно, будут обнаружены в разных клетках организма включая половые клетки и соматические клетки (гоносомный мозаицизм), либо будет ограничиваться только компартментом половых клеток, если мутация произошла в клетке, дифференцирующейся в зародышевую линию (гонадный мозаицизм). Вариант, который приобретается в ходе гаструляции может быть общим для нескольких тканей, происходящих из одного зародышевого листка, или может быть орган-специфичным, если приобретается после начала органогенеза (Рис 1).

Рисунок 1. Типы мозаицизма в зависимости от времени и происхождения варианта.

Варианты могут быть приобретены на разных стадиях развития эмбриона, и этот хронометраж частично отвечает за окончательное распространение варианта. Показана передача гетерозиготного варианта, управляющего доминирующим признаком заболевания, включая клетки, несущие вариант, или индивидуумов, потенциально затронутых заболеванием (синий). Пробанд,^*, представленный человеческой фигурой, — это мужчина в левом верхнем углу родословной (указан стрелкой). A) Если вариант приобретен во время или до оплодотворения, он будет присутствовать во всех клетках особи. Передача следующему поколению следует правилам менделевской генетики, а филогения клеток особи показывает, что вариант присутствует во всех точках ветвления. B) Если вариант возникает на очень раннем этапе развития эмбриона, до спецификации первичных зародышевых клеток, он будет присутствовать как в соматической, так и в зародышевой клеточной линии. Индивидуум может иметь фенотипические проявления (в зависимости от пораженных тканей и степени мозаицизма) и может передать вариант потомству. Вариант появляется в точке разветвления филогении, которая представляет общего предка соматических и половых клеток. С) Если вариант возникает в первичной половой клетке, он будет ограничен клетками зародышевой линии и может передаваться потомству, но мозаичная особь не проявит фенотип. Последний общий филогенетический клеточный предок уже был ограничен линией зародышевых клеток. D) Если вариант возникает во время гаструляции, то он будет ограничен тканями, полученными из этого конкретного зародышевого листка. Последний общий филогенетический предок ограничен эктодермой, мезодермой или энтодермой. Индивидуум может иметь фенотипические проявления, в зависимости от варианта и органа. E) Если вариант возникает в ходе органогенеза, он, скорее всего, ограничен одним органом. Индивидуум может иметь фенотипические проявления, в зависимости от варианта и органа. Вариант появляется в поздней точке разветвления филогенетического дерева.

С развитием современных методов секвенирования генома стало возможным обнаружение низкочастотных генетических вариантов в организме, которые ранее не могли быть идентифицированы. В связи с этим, мозаицизм все чаще стал рассматриваться в качестве фактора возникновения генетических заболеваний. Однако, зачастую методы, применяемые в научных исследованиях, недоступны в клинической практике. Клеточная конкуренция приводит к изменению распределения и числа клеток, содержащих варианты, во времени, что, в свою очередь, ведет к разному фенотипическому проявлению мутации. В связи этим необходимо многократно получать образцы клеток из разных органов пациента.

Вопросом о механизмах клеточной конкуренции ученые задаются с самого начала изучения мозаицизма, так как этот процесс является одним из важных факторов исхода генетических заболеваний, вызванных мозаицизмом. В данной статье авторы рассматривают молекулярные механизмы, лежащие в основе клеточной конкуренции, которые объясняют то, как возникают и исчезают мозаичные клоны (Рис. 2). Одним из центральных механизмов данного процесса является апоптоз: мутантные клетки при контакте с клетками дикого типа вступают в апоптоз, после чего клетки дикого типа поглощают их. В эмбрионах мозаичных мышей, можно увидеть данный механизм в эпибласте, где клетки низкой экспрессией MYC подвергаются апоптозу и поглощаются соседними клетками с более высокой экспрессией MYC, а также наблюдается и в эпидермальных клетках мыши.

Вторым механизмом клеточной конкуренции, описанном в данном обзоре, является регуляция пролиферации. Показано, что клетки с повышенной экспрессией p53, ввиду гаплонедостаточности его негативных регуляторов MDM2 и MDM4, истощаются в эмбрионах мозаичных мышей и слабо представлены в тканях с высокой обновляемостью, таких как костный мозг.

Последним механизмом клеточной конкуренции, рассмотренным в статье, является способность стволовых клеток к самообновлению и повышенной стрессоустойчивости к факторам окружающей среды.

Рисунок 2. Механизмы конкуренции клеток при мозаицизме. а) Апоптоз: анеуплоидные^** клетки, клетки с митохондриальными дефектами, клетки с более высоким уровнем протеотоксического стресса, клетки с более высоким уровнем p53 или клетки с низким уровнем MYC с большей вероятностью подвергаются апоптозу при конкуренции с их аналогами дикого типа. За инициацией апоптоза в клетках следует их поглощение здоровыми. b) Пролиферация: клетки с более высоким уровнем p53 или более низким уровнем негативных регуляторов p53 MDM2 и MDM4 вытесняются клетками дикого типа за счет большей скорости их пролиферации. с) Прогениторы (клетки-предшественники): прогениторные клетки, содержащие мутации, склонны к самообновлению, что приводит к их увеличению в пуле стволовых клеток. Они могут демонстрировать сниженный потенциал дифференцировки или смещение в сторону определенных типов клеток. Они также могут иметь сниженную тенденцию к апоптозу при воздействии внешних стрессов.

Однако, все еще остается неизвестно, какой из механизмов вносит больший вклад в конкретную мозаичную мутацию и как внешние факторы способны повлиять на скорость и паттерн распределения варианта мозаичных клеток в организме.

Еще одним интересным процессом для биологии развития является ревертантный (возвратный) мозаицизм. При данном типе мозаицизма все клетки эмбриона изначально имеют вредоносный вариант, но возникает мутация, которая либо возвращает аллель в дикий тип, либо компенсирует его действие. Наиболее часто данное явление встречается в гемопоэтической системе. Например, при врожденном дискератозе были описаны независимые реверсивные восстановления защитной функции теломер и функции гемопоэтической системы. Причем данный процесс был ограничен костным мозгом, при том, что заболевание является мультисистемным.

Таким образом, генетический мозаицизм может способствовать реверсии и улучшению течения болезни, а понимание механизмов клеточной конкуренции - развитию стратегий генной терапии для лечения заболеваний.

Эффекты эмбрионального мозаицизма охватывают весь спектр фенотипических проявлений, от ранней летальности до полной нейтральности и спасения пагубного фенотипа зародышевой линии. В связи с этим авторы собрали данные о вкладе мозаичных клеток в зародышевую линию родителей и вероятности передачи генетического варианта потомству. Известно, что у мужчин с возрастом увеличивается общее количество вариантов в гаметах в ходе сперматогенеза, но конкретный вариант мутации, как правило, возникает на поздних этапах митозов. В связи с этим, вероятность передачи потомству мозаичной мутации у мужчин с возрастом увеличивается. Что касается женщин, вероятность передачи раннего мозаичного варианта, обнаруженного в половой системе, довольно велика ввиду того, что клональное увеличение происходит из небольшого пула клеток предшественников. Однако с возрастом женщины, увеличение вероятности передачи данного варианта не наблюдается, ввиду отсутствия множественных митозов в ходе постнатального развития.

Заключение и перспективы

В заключении, авторы обзорной статьи подчеркнули важность и сложность изучения мозаицизма в контексте эмбрионального развития. Благодаря современным инструментам для идентификации мозаичных вариантов, таким как экзомное и геномное секвенирование, ученые уже смогли выявить высокую распространенность мозаицизма при различных расстройствах. Однако большинство применяемых методов в клинической практике на данный момент, не являются эффективными. В клинической практике, зачастую нет возможности получить образцы из некоторых типов тканей (мозг, сердце или яйцеклетки) ввиду этических норм. Однако биобанки и репозитории, хранящие образцы различных типов тканей могут помочь изучению влияния генетических вариантов на проявление заболеваний. В целом, очевидна важность интеграции различных научных подходов для изучения мозаицизма, что имеет значение для понимания генетики развития и патогенеза.

Ссылки

«^*» Пробанд — в генетике человека индивид, который по некоторым причинам является объектом генетического исследования с которого начинается филогенетическое изучение определенной семьи.

«^**» Анеуплоидные клетки — клетки, содержащие измененный набор хромосом (не кратный гаплоидному набору).

Новость подготовила
© Ткаченко Мария Дмитриевна
13.11.2024