В принципе, любая взрослая соматическая клетка может быть репрограммирована для того, что бы опять получить плюрипотентность. В естественных условиях репрограммирование генома таких клеток не происходит вследствие комплексности и многостадийности молекулярных событий и строго запрещено в процессе нормального развития. Репрограммирование соматической клетки in vitro требует стирания всех эпигенетических модификаций и восстановления характерного для плюрипотентности профиля экспрессии генов. Это возможно при переносе ядра соматической клетки в энуклеированный ооцит, в результате слияния соматической клетки с ЭС/ГС клетками, т.к. последние сами по себе имеют потенциал для репрограммирования соматических клеток в клеточных гибридах, обработки соматических клеток экстрактом ЭСК или яйцеклеток или введения в соматическую клетку конструкций с гиперэкспрессией генов, поддерживающих плюрипотентность (Oct, Sox2, Klf4 и c-Myc). ЭСК имеют все ключевые транскрипционные факторы, необходимые для поддержания плюрипотентности. Они, также, имеют способность стирать некоторые модификации гистонов в соматическом ядре в гибридах - свойство, унаследованное от клеток примитивной эктодермы ВКМ. Соматическое ядро в гибридах ЭГ/соматическая клетка так же приобретает свойства плюрипотентности, но, кроме того, происходит полное стирание геномных импринтов и деметилирование ДНК (репрограммирование по типу половых клеток), что не наблюдается в гибридах ЭС/соматическая клетка. В соматических клетках, гибридизованных с ЭСК, происходят серьезные изменения в модификации гистонов. В частности, происходит обогащение H3K4me2/3 и H3K27me3 в локусах генов, которые обычно неактивны в ЭСК, в то время как гены, которые обычно экспрессируются в ЭСК, приобретают H3K4me3 эпигенетическую метку (репрограммирование по типу эмбриональных клеток). Таким образом, общий эпигенетический статус соматического ядра начинает походить на таковой ЭСК (Рис. 16). 
Рис. 16. Гибридная клетка ЭСК/ЭГК-соматическая клетка приобретает фенотип ЭСК/ЭГК.
В частности, инактивированная Х-хромосома в соматическом ядре реактивируется в гибридной культуре, экспрессируя Xist и Tsix, и начинается экспрессия Nanog, Sox2 и Oct4 соматического происхождения уже через 36-48 часов после гибридизации клеток. Недавно было показано, что частота репрограммирования соматического ядра заметно возрастает при увеличении экспрессии Nanog в ЭСК, хотя эпигенетическое ремоделирование соматического ядра возможно и без экспрессии указанного гена, как это происходит при трансплантации ядра в ооцит.
Установлено, что соматические клетки могут приобретать плюрипотентность и становиться похожими на ЭСК при добавлении в культуру четырех транскрипционных факторов – Oct4, Sox2, Klf4 и c-Myc, но редко. Первые два являются определяющими в поддержании плюрипотентности, в то время как Klf4 и c-Myc необходимы для самовозобновления ЭСК. Определяемый уровень экспрессии Nanog появляется вслед за экспрессией Oct4 и Sox2. Таким образом, указанные факторы могут серьезно нарушить имеющийся транскрипционный профиль, поскольку репрограммируемые клетки обладают способностью к самовозобновлению и дифференцировке. Анализ экспрессии генов показал, что получившиеся плюрипотентные клетки имеют похожий, но не идентичный нормальным ЭСК профиль экспрессии - ключевые гены Sox2 и Oct4 не начинают экспрессироваться, как это происходит в ЭСК, поэтому для поддержания плюрипотентности в таких клетках необходимо введение постоянно экспрессирующихся трансгенов.
Вслед за трансплантацией в ооцит, соматическое ядро претерпевает эпигенетические модификации, о чем свидетельствует увеличение размеров ядра, происходящее в результате реорганизации хроматина, под воздействием транскрипционных факторов ооцита. ЭСК, полученные из бластоцисты, почти идентичны таковым, полученным из нормального эмбриона. Их транскрипционный профиль и потенциал развития неотличим от нормальных ЭСК, потому что соматическое ядро подвергается воздействию необходимых эпигенетических модификаций в ооците, а затем в ВКМ. Транскрипционные факторы, воздействующие на такое эпигенетически модифицированное ядро в течение развития, позволяет почти полностью репрограммировать соматическое ядро до состояния плюрипотентности. Напротив, ЭСК, полученные in vitro из соматических клеток в результате введения только транскрипционных факторов, похожи, но не идентичны нормальным ЭСК с только частичным эпигенетическим репрограммированием, т.к. в них поддерживается метилированный статус Oct4. Таким образом, комбинация эпигенетической и генетической программ, действующих координировано, необходима для успешного достижения плюрипотентности.
Заключение.
Сегодняшний уровень развития биологической науки показывает, что эпигенетическая регуляция экспрессии генов в норме и при патологии уже не является тайной за семью печатями. За последнее десятилетие эпигенетические исследования функционирования генома человека приобрели лавинообразный характер. Практически, в геноме нет события, которое, в той или иной степени, не было бы связано с тонкими эпигенетическими регуляторными процессами. Метилирование/деметилирование ДНК, многочисленные модификации гистоновых белков, малые РНК и РНК-интерференция, происходящие одновременно или последовательно, представляют собой грандиозную регуляторную сеть, позволяющую контролировать все процессы в клетке. К сожалению, мы еще далеки от полного понимания, как функционирует человеческий организм.
Эпигенетика раннего эмбрионального развития, регуляторные процессы в ЭСК и ЭГК и механизмы репрограммирования соматических клеток изучены еще не полностью. В то же время, информация о тонких регуляторных процессах и их механизмах совершенно необходима в связи с бурным развитием клеточных технологий. В первую очередь это необходимо для создания фундаментальной научной базы для заместительной клеточной терапии (терапевтическое клонирование). На сегодняшний день никто не может предсказать отдаленных побочных результатов клеточной терапии. Тем не менее, уже сейчас понятно, что не полностью или не верно репрограммированные клетки, использованные в терапевтических целях, могут привести к фатальному результату.
В настоящем обзоре были суммированы современные данные по эпигенетической регуляции экспрессии генов в процессах раннего эмбриогенеза и в ЭСК. Развитие и определение клеточной судьбы требует тонкой координации между генетической и эпигенетической программами. Показано сложное взаимодействие трех основных составляющих такой регуляции – метилирование/деметилирование ДНК, разнообразные модификации гистонов и ремоделлинг хроматина, а также роль РНК-интерференции, которая, может быть является доминирующей в тонкой регуляции, модификации и настройке генома человека. Эпигенетические механизмы обеспечивают сбалансированную работу необходимых генов в конкретный момент как в яйцеклетке, в бластомере, в бластоцисте, так в любой специализированной клетке организма. Именно благодаря эпигенетическим механизмам регуляции, работающим без сбоя, клетки и организм в целом приспосабливаются к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды.
Рекомендуемая литература.
Bernstein E., Allis C.D. RNA meets chromatin // Genes & Dev. -2005.- V. 19.- P. 1635-1655.
Boyer L., Mathur D., Jaenisch R. Molecular control of pluripotency // Current Opinion in Genetics & Development.- 2006.- V. 16.- P. 455–462.
Collas P., Gammelsaeter R. Novel Approaches to Epigenetic Reprogramming of Somatic Cells // Cloning and stem cells.- 2007.- V. 9.- Number 1,
Ding L., Buchholz F. RNAi in Embryonic Stem Cells // Stem Cell Reviews.- 2006.- V. 2.- P. 11-18.
Epigenetics. Ed. by Allis D., Jenuwein T., Reinberg D. Cold Spring Harbor Laboratory Press.- Cold Spring Harbor, New York.- 2007.- 502 P.
Gan Q., Yoshida T., McDonald O., Owens G. Epigenetic Mechanisms Contribute to Pluripotency and Cell Lineage Determination of Embryonic Stem Cells // Stem Cells.- 2007.- V. 25.- P. 2–9.
Heidersbach A., Gaspar-Maia A., McManus M.T., Ramalho-Santos M. RNA interference in embryonic stem cells and the prospects for future therapies. Gene Therapy.- 2006.- V. 13.- P. 478–486.
Imhof A. Epigenetic regulators and histone modification //Briefings in functional genomics and proteomics.- 2006.- V. 5.- P. 222-227.
Mann M.R.W, Bartolomei M.S. Epigenetic reprogramming in the mammalian embryo: struggle of the clones // Genome Biology.- 2002.- V. 3.- P. 1-4.
Morgan H.D., Santos F., Green K., Dean W., Reik W. Epigenetic reprogramming in mammals // Human Molecular Genetics.- 2005.- V. 14.- P. 47–58.
Niwa H. How is pluripotency determined and maintained? // Development.- 2007.- V. 134.- P. 635-646.
Roloff T.C., Nuber U.A. Chromatin, epigenetics and stem cells // European Journal of Cell Biology.- 2005.- V. 84.- P. 123–135.
Song L., Tuan R.S. Micro RNAs and Cell Differentiation in Mammalian Development // Birth Defects Research.- 2006.- V. 78.- P. 140–149.
Surani A., Hayashi K., Hajkova P. Genetic and Epigenetic Regulators of Pluripotency // Cell.- 2007.- V. 128.- P. 747–762.
Tada T. Toti-/Pluripotential Stem Cells and Epigenetic Modifications // Neurodegenerative Dis.- 2006.- V. 3.- P. 32–37.
Wobus A.M., Boheler K. Embryonic Stem Cells: Prospects for Developmental Biology and Cell Therapy // Physiol Rev.- 2005.- V. 85.- P. 635–678.