БИОХИМИЯ, 2020, том 85, вып. 9, с. 1240 - 1255

УДК 57.085.23

РЕПРОГРАММИРОВАНИЕ КЛЕТОК

С СОХРАНЕНИЕМ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОГО ВОЗРАСТА:

ПРЕИМУЩЕСТВО ИЛИ ОГРАНИЧЕНИЕ?

Обзор

Е.М. Самойлова*, В.П. Баклаушев

Федеральный научно клинический центр специализированных видов медицинской помощи и медицинских

технологий ФМБА России, 115682 Москва, Россия; электронная почта: samoyket@gmail.com

Поступила в редакцию 28.07.2020

После доработки 28.07.2020

Принята к публикации 05.08.2020

С момента первого описания старения и возраста клеток Хейфликом и Мурхедом в 1961 году наше понима

ние этих процессов значительно расширилось. Помимо укорочения теломерных концов, колоссальное зна

чение в процессе старения имеют эпигенетические изменения профиля метилирования ДНК. В аспекте

создания технологии репрограммирования клеток вопросы эпигенетического возраста и процесса старения

приобретают особую актуальность. Два принципиально различных подхода к репрограммированию: созда

ние клеток с индуцированной плюрипотентностью (ИПСК) и прямая трансдифференцировка по разному

влияют на эпигенетический возраст клетки. Считается, что при получении ИПСК возраст клетки, в част

ности профиль метилирования ДНК, «обнуляется», а при прямой трансдифференцировке - сохраняется.

Понимание биологической роли метилирования ДНК в развитии, поддержании функциональной актив

ности, тканевом и клеточном разнообразии, модификациях нейронных сетей в процессе обучения и в ин

волюционных процессах, сопровождающих старение, крайне важно для создания адекватных моделей за

болеваний нервной системы. Прямое репрограммирование является и альтернативой, и ценным дополне

нием к методике ИПСК как источник зрелых клеток для моделирования нейродегенеративных заболева

ний, а также в качестве новой стратегии для in vivo заместительной терапии. Оптимизация технологии по

лучения аутологичных клеток пациентов с использованием альтернативных методов прямого и непрямого

репрограммирования с учётом состояния эпигенетических часов первичных клеток будет способствовать

дальнейшему развитию регенеративной и персонифицированной медицины.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: регенеративная медицина, эпигенетические часы, прямое репрограммирование, ин

дуцированные плюрипотентные стволовые клетки, эмбриональные стволовые клетки, теломеры, метилом.

DOI: 10.31857/S0320972520090055

ВВЕДЕНИЕ

предполагаемой максимальной продолжитель

ностью жизни 115 лет [1]. Это чрезвычайное

Люди являются исключительно долгоживу

долголетие отражается на всех постмитотичес

щими по сравнению с другими приматами, с ких клетках, создавая уникальные предпосылки

для возрастных заболеваний, таких как опухоли,

Принятые сокращения: АФК - активные формы нейродегенерации, диабет и другие метаболи

кислорода; ИПСК - индуцированные плюрипотентные ческие болезни. Исследованиям процесса старе

стволовые клетки; ТФ - транскрипционный фактор;

ния и его взаимосвязи с заболеваниями посвя

ЭСК - эмбриональные стволовые клетки; Ascl1 - Achaete

scute homolog 1; BAM - Brn2/Ascl1/Myt1L; Brn2 - домен

щено немало работ [2-5], но эта проблема

POU класс 3, транскрипционный фактор 2; CpG - 5′ цито

слишком сложна и многогранна для создания

зин фосфат гуанин 3′ динуклеотид; CH - динуклеотид универсальной концепции [3]. Средний возраст

цитозина и аденина (A) или тимина (T) или цитозина (C);

населения планеты продолжает увеличиваться,

mCH - метилированный динуклеотид, где Н может быть

аденин (А), цитозин (С) или тимин (Т); hmC - гидрокси

и возрастные заболевания становятся основным

метилцитозин, hmCG - динуклеотид гидроксиметилцито

бременем для системы здравоохранения. Это, в

зингуанина; H3K4me3 - триметилирование лизина 4 в свою очередь, создаёт потребность в модельных

гистоне H3; H3K27me3 - триметилирование лизина 27 в системах гериартрической патологии, необхо

гистоне H3; 5mС - 5 метилцитозин; Myt1L - миелиновый

димых для изучения возрастных факторов кле

транскрипционный фактор 1 типа; NeuroD1 - нейроген

ная дифференцировка; REST - фактор транскрипционно

точной дисфункции и болезней. Процессы раз

го репрессора нейрональных генов; TL - длина теломер.

вития возрастных заболеваний описываются

* Адресат для корреспонденции.

теорией «множественных попаданий», суммар

1240

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1241

но вызывающих дисфункцию; одним из этих

и ассоциированный со старением секреторный

«попаданий» является, безусловно, эпигенети

фенотип (SASP) [15-17]. Также для процесса

ческое старение, в то время как другие «попада

старения клетки характерны нарушения меха

ния» представляют собой генетическую пред

низмов усвоения питательных веществ, связан

расположенность, факторы окружающей среды,

ные с нарушениями пути передачи сигналов ин

особенности поведения, вредные привычки и

сулина и инсулиноподобного фактора роста 1

пр. [6, 7]. Моделирование старения на живот

(IGF 1) (IIS) и его нисходящих факторов тран

ных сильно ограничено вследствие относитель

скрипции FOXO (forkhead box protein O) и

но короткого срока их жизни, в связи с чем соз

mTOR (мишень рампомицина млекопитаю

дание эффективных in vitro моделей на клетках и

щих), снижение активности сиртуинов и адено

органоидах человека для изучения процесса ста

зинмонофосфат (АМФ) киназ [16]. В целом,

рения и патогенеза возрастных болезней являет

стареющие клетки демонстрируют характерный

ся весьма актуальной задачей.

секреторный фенотип, который способствует

Для создания модельных систем заболева

низкоуровневому системному воспалению и,

ний in vitro применяются индуцированные плю

вероятно, создает эффект свидетеля для осталь

рипотентные стволовые клетки (ИПСК), кото

ных клеток через паракринную передачу. К фак

рые получают из первичных клеток человека пе

торам, формирующим такой фенотип, относят

реводом в плюрипотентное (эмбриональное)

ся провоспалительные цитокины (IL 6, TNF α

состояние посредством временной экспрессии

и пр.), IGFBP3 (инсулиноподобный белок 3,

транскрипционных факторов Яманаки: (OCT4

связывающий фактор роста), ингибитор актива

(octamer binding transcription factor 4), KLF4

тора плазминогена 1 (PAI 1), трансформирую

(Kruppel like factor 4), SOX2 (SRY (sex determin

щий фактор роста β (TGFβ) и пр. [16]. Помимо

ing region Y) box 2) и C MYC (протоонкоген

общих молекулярных маркеров старения выде

MYC) (OKSM)) [8]. Полученные ИПСК могут

ляют и целый ряд биохимических предикторов,

быть дифференцированы в различные типы це

таких как повышенные уровни С реактивного

левых клеток, такие как нейроны, миоциты, ге

белка, глюкозы, холестерина, липопротеинов

патоциты и другие, что позволяет исследовать

низкой плотности, щелочной фосфатазы, сыво

клеточные процессы в контексте интересующе

роточного альбумина и пр. [6]. Однако очевид

го заболевания [9]. Однако факторы плюрипо

но, что эти общие молекулярные и биохимичес

тентности обнуляют эпигенетические характе

кие маркеры не являются специфичными для

ристики исходных клеток, что делает их мало

процесса старения и встречаются при подавля

подходящими для моделирования возрастных

ющем большинстве заболеваний, что делает не

заболеваний. В качестве альтернативы может

возможным использование их в качестве само

применяться метод прямого репрограммирова

достаточных биомаркеров старения. Не мень

ния (трансдифференцировки) одного сомати

шую роль в старении играет метилирование

ческого типа клеток в другой, что позволяет сох

ДНК. Показано, что в процессе старения проис

ранить возрастные эпигенетические сигнатуры

ходит массивное гипометилирование ДНК, и

клеток и точнее смоделировать течение болезни

лишь определенные сайты становятся гиперме

[10-12].

тилированными [18]. При этом часть паттернов

Существует множество клеточных и систем

возрастного метилирования тканеспецифична

ных маркеров, определяющих возрастные изме

[19]. Поэтому выявление наиболее общего и

нения. Изначально процесс репликативного

точного маркера старения долгое время было

старения объяснялся невосстанавливаемым

Святым Граалем для специалистов в этой облас

укорочением теломерных участков хромосом

ти. Американская федерация исследований ста

[13], однако позже было показано, что процесс

рения (AFAR) сформулировала несколько кри

старения клетки и организма гораздо более раз

териев биомаркера старения [20, 21].

нообразен. Так, накопление повреждений ДНК

1) Биомаркер должен предсказывать ско

и снижение функциональной активности мито

рость старения. Другими словами, он должен

хондрий могут способствовать нарушению об

описывать положение человека в каждый хро

мена веществ [14]. Дополнительный вклад в ста

нологический момент его жизни и быть лучшим

рение вносят изменение морфологии клеток,

предиктором продолжительности жизни, чем

метаболические изменения, потеря потенциала

биологический возраст.

дифференцировки, активация сигнальных пу

2) Биомаркер должен описывать механизм,

тей p53/p21CIP1 и p16INK4A/pRb, повышение

который лежит в основе процесса старения, а не

активности β галактозидазы, связанной со ста

последствия болезни.

рением (SA β gal), образование связанных со

3) Биомаркер должен быть доступен для ис

старением гетерохроматических очагов (SAHF)

следований при минимальной инвазивности.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

1242

САМОЙЛОВА, БАКЛАУШЕВ

4) Биомаркер должен быть универсальным

Изначально считалось, что именно процесс

для людей и лабораторных животных (в идеа

укорочения теломер является основным счетчи

ле - мелких лабораторных, таких как мыши и

ком старения клетки и организма. Von Zglinicki

крысы).

и Martin Ruiz [24] показали, что длина теломер

К сожалению, на данный момент не сущест

удовлетворяет нескольким критериям для био

вует ни одного биомаркера старения, удовлетво

маркера старения, так как она связана с базовой

ряющего этим критериям. Имеется несколько

биологией клетки и коррелирует со старением и

основных кандидатов, из которых наиболее ис

гериартрическими болезнями. Но впоследствии

следованными являются длина теломер и мети

было показано, что укорочение теломерных

лирование ДНК. Старение и возрастные заболе

концов подчас слабо коррелирует с хронологи

вания затрагивают все ткани и системы организ

ческим старением [25]. Lu et al. [26] исследовали

ма по разному, и объять необъятное невозмож

метилирование ДНК теломерной и субтеломер

но, поэтому в нашем обзоре мы сосредоточимся

ной областей [формирование метки DNAmTL

на наиболее актуальном, с нашей точки зрения,

(метилирование ДНК в области теломерных

аспекте: старении центральной нервной систе

концов)] лейкоцитов - наиболее частого источ

мы и моделировании нейродегенеративных за

ника данных о состоянии TL и показали, что ме

болеваний путём клеточного репрограммирова

тилирование в два раза точнее предсказывает

ния.

возраст, чем длина теломерных участков. Также

этот показатель гораздо точнее описывает влия

ние внешних негативных факторов (курение,

ТЕЛОМЕРНЫЕ КОНЦЫ:

инфекции и пр.) на скорость старения, чем TL.

ЧАСЫ ЖИЗНИ КЛЕТКИ?

Более того, в ходе in vitro экспериментов на ли

ниях клеток с теломеразной активностью

Теломеры представляют собой повторяющие

[трансдуцированных лентивирусом с hTERT

ся нуклеотидные последовательности на конце

(обратная трансриптаза теломеразы человека)]

хромосом, которые укорачиваются при репли

они показали, что даже при восстановлении TL

кации соматических клеток. Репликативные

ферментом эпигенетический возраст клеток че

ДНК полимеразы не обладают способностью

рез метилирование продолжает отсчитываться,

полностью реплицировать концевые участки

значения DNAmTL первичных фибробластов

линейных молекул ДНК, так что этот процесс

человека продолжали уменьшаться даже после

контролируется специализированной ДНК по

того, как они стали иммортализованными. Ещё

лимеразой, известной как теломераза. Большин

одной проблемой является использование тело

ство соматических клеток млекопитающих не

мер для оценки старения слабо делящихся или

экспрессируют теломеразу, что приводит к прог

неделящихся клеток, например нейронов взрос

рессирующему с каждым делением клетки уко

лого мозга.

рочению теломерных концов. Истощение тело

Таким образом, несмотря на то что TL в не

мер объясняет ограниченную пролиферативную

которых случаях вполне адекватно позволяет су

способность культивируемых in vitro клеток, так

дить о скорости старения организма [3], при

называемое репликативное старение или предел

оценке эпигенетического возраста более инфор

Хейфлика [22]. Таким образом, можно считать,

мативными могут быть паттерны метилирова

что процесс укорочения теломер отсчитывает

ния ДНК.

деления клетки. Еще одна проблема состоит в

том, что даже в присутствии теломеразы разры

вы в области теломерных концов не восстанав

МЕТИЛИРОВАНИЕ ДНК В ОНТОГЕНЕЗЕ

ливаются общими механизмами репарации, так

как у теломер эту функцию должны выполнять

Метилирование ДНК с образованием 5 ме

шелтерины - специфические белковые комп

тилцитозина (5mС) является стабильной кова

лексы, защищающие теломеры от повреждений

лентной модификацией, которая сохраняется в

и регулирующие работу теломеразы. Поэтому

постмитотических клетках на протяжении всей

повреждения компонентов шелтеринов приво

их жизни, определяя их клеточную идентич

дит к нарушению репарации разрывов ДНК на

ность. Тем не менее статус метилирования у каж

концевых участках хромосом [23]. Так, мутации

дого из ~1 млрд цитозинов в геноме является ди

шелтеринов были обнаружены в некоторых слу

намическим, изменяемым в ходе роста и разви

чаях апластической анемии и врожденного дис

тия клеток, внешних воздействий и пр. В геноме

кератоза, характеризующихся феноменом уско

млекопитающих динамические модификации

ренного старения даже при нормальной длине

5mC преимущественно обнаруживаются в кон

теломер [2].

тексте цитозин фосфат гуанин 3′динуклеотида

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1243

(CpG). Всего в геноме человека насчитывается

нейронах [27, 33]. Примечательно, что в эмбрио

более 28 млн таких CpG динуклеотидов, и места

нальных клетках и при получении ИПСК наи

их скопления формируют так называемые CpG

более динамично менялось метилирование

островки. Другие участки генома, которые также

mCH, тогда как метилирование CpG оставалось

содержат CpG динуклеотиды (но в меньшем ко

практически неизменным [27]. Наличие интра

личестве), называются «берега», «шельф» или

генного 5mCH (динуклеотид 5 метилцитозин

«открытое море» - в зависимости от удаления от

аденин (А)/тимин (Т)/цитозин (Ц)) положи

CpG островка. В большинстве соматических

тельно коррелирует с экспрессией генов в ЭСК

клеток основная часть CpG (более 80%) метили

человека, но отрицательно коррелирует с

рована, за исключением CpG островков регуля

экспрессией генов в мозге [33].

торных последовательностей, которые в ходе

Развитие и созревание мозга - сложноорга

развития могут показывать пониженный уро

низованный процесс, который начинается в

вень метилирования [27]. То есть локальное ги

эмбриональном периоде и продолжается у лю

пометилирование может служить надежной сиг

дей вплоть до третьего десятилетия жизни [34].

натурой промоторов и энхансеров, так как уро

Несмотря на многие исследования, посвящен

вень метилирования для промоторов обычно не

ные изучению нейрогенеза и глиогенеза в эм

превышает 10%, а для энхансеров - 10-50% [28].

бриональном и взрослом мозге, до сих пор нет

При этом сравнение профилей метилирования

полного понимания, какие молекулярные меха

разных типов клеток показало, что у большин

низмы являются ключевыми в этих процессах.

ства нормальных клеток 15-21% CpG различа

Особенно сложным для изучения оказался раз

ются по уровню метилирования [29]. CpG груп

дел эпигенетического контроля развития мозга.

пируются в тканеспецифические дифференци

Динамические эпигенетические изменения

рованные метилированные области (DMR,

наблюдаются во время развития мозга, созрева

Differentiated Metylation Regions), которые пре

ния и обучения [33]. Исследование Lister et al.

имущественно обнаруживаются во внутриген

[33] показало, что основным динамическим пат

ных областях и в дистальных регуляторных реги

терном метилирования в мозге является mCH.

онах - энхансерах, сайтах связывания тран

Метилирование динуклеотидов CH наиболее

скрипционных факторов (ТФ) [29, 30]. Наблю

существенно происходит в нейронах в раннем

дения показывают, что большое количество

детстве и в подростковом возрасте, становясь

DMR (20 000-100 000 в зависимости от типа тка

доминирующей формой метилирования ДНК в

ни) отражает тканевое деметилирование, выз

зрелых нейронах человека. Это показывает, что

ванное специфическим связыванием тран

период синаптогенеза, в течение которого соз

скрипционных факторов. Это подтверждается

ревает нейронная цепь, сопровождается парал

экспериментами на эмбриональных стволовых

лельным процессом крупномасштабной рекон

клетках (ЭСК) мыши с использованием инсуля

фигурации эпигенома нейрона. При этом имеет

торного белка CCCTC связывающего фактора

место двухфазное изменение паттернов метили

(CTCF) и транскрипционного репрессора ней

рования в онтогенезе: в эмбриональном мозге

рональных генов (REST, RE1 Silencing

происходит деметилирование и mCH исчезает

Transcription factor) [28]. Наличие интактного

по мере созревания нейронов (уровень mCH в

мотива CTCF является необходимым и доста

генах обратно пропорционален уровню

точным для локального гипометилирования.

экспрессии контролируемого гена), и уже после

Удаление REST приводило к увеличению 5mС в

рождения обновлённая сигнатура mCH во

слабо метилированных областях, обычно свя

взрослых нейронах появляется de novo. mCH

занных REST. Примечательно, что такое усиле

увеличивается наиболее быстро во время пер

ние 5mС может быть обращено вспять путем

вичной фазы синаптогенеза в развивающемся

повторного введения REST. Интересно, что во

постнатальном мозге, от 2 до 4 недель у мышей

время внутриутробного развития происходит

и в первые 2 года у людей с последующим более

массивное деметилирование 5mС и de novo мети

медленным накоплением mCH в позднем под

лирование происходит уже после рождения [31].

ростковом возрасте. Накопление mCH первона

Динамическое метилирование ДНК харак

чально соответствует увеличению плотности си

терно не только для CpG динуклеотидов, но бы

напсов в средней лобной извилине человека

ло показано и для других пар динуклеотидов -

(синаптогенез длится от рождения до 5 лет), но

mCH (метилированный динуклеотид), где Н

впоследствии оно продолжает увеличиваться в

может быть А (аденин), С (цитозин) или Т (ти

течение периода подростковой синаптической

мин) [32]. Более того, для некоторых тканей и

корректировки, который у людей встречается в

органов именно mCH является основным мети

возрасте 5-16 лет [33]. Также в составе высоко

лируемым динуклеотидом, например, в ЭСК и в

экспрессируемых генов имеется достаточно

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

1244

САМОЙЛОВА, БАКЛАУШЕВ

большое количество гидроксиметилцитозина

тии мозга млекопитающих и специализации

(hmC) в контексте CG, который является про

нервных клеток. Обратная зависимость, наблю

межуточным звеном в процессе деметилирова

даемая между уровнем генного mCH и тран

ния ДНК и наиболее динамичной формой ме

скрипционной активностью, согласуется с кон

тилированной метки, быстро переходящей при

цепцией, в которой внутригенное накопление

изменении условий как в полностью метилиро

mCH препятствует транскрипционной актив

ванную, так и полностью деметелированную

ности. Альтернативно процесс транскрипции

формы [35]. При этом была показана прямая

может мешать метилированию mCH de novo или

корреляция содержания hmC у плода и взрос

вызывать активное деметилирование mCH [27].

лой особи: высокий уровень внутригенного

Глиальные паттерны mCG и mCH очень по

hmC на стадии внутриутробного развития сох

хожи на паттерны плода и раннего постнаталь

ранялся и во взрослых клетках [33]. Надо отме

ного мозга [33]. Это указывает на то, что мети

тить, что hmC может быть достаточно стабиль

лирование ДНК на ранних стадиях развития

ной модификацией, что потенциально указыва

мозга млекопитающих может быть состоянием

ет на её регуляторную роль. Разнообразие ней

по умолчанию, которое в значительной степени

рональных и глиальных клеток в лобной коре

сохраняется до зрелости в глиальных клетках,

может говорить об особенностях метилирова

тогда как дифференцировка и созревание ней

ния ДНК в различных типах клеток. Было пока

ронов включают в себя обширную реконфигу

зано, что нейроны содержат гораздо больше

рацию ДНК метилома, связанную со специали

паттернов mCH по сравнению с глиальными

зацией клеток. Также стоит отметить, что диск

клетками. При этом в глиальных клетках обога

ретные области, показывающие пониженный

щение mCH происходит в генах, которые в ней

или повышенный уровень метилирования CG,

ронах CH гипометилированы, как, например,

связаны со специфическими локальными моди

транскрипционный активатор Mef2c (миоцит

фикациями хроматина. Так, при гипометилиро

специфический фактор энхансер 2С), играю

вании наблюдаются модификации гистонов, ха

щий ключевую роль в процессах обучения и па

рактерные для активных энхансеров (H3K4me1

мяти, дифференцировке нейронов, синапти

(метилирование лизина 4 в гистоне Н3) и

ческой пластичности и пр. [36, 37]. Это согласу

H3K27ac (ацетилирование лизина 27 в гистоне

ется с концепцией о потенциальной роли mCH

H3)), и повышенная гиперчувствительность к

в репрессии транскрипции нейрональных генов

ДНКазе I (дизоксирибонуклеазе I), и гипомети

в глиальном геноме [33]. И наоборот, гены, свя

лирование СН [33].

занные с функцией глии, гиперметилированы в

нейронах и гипометилированы в глиальных

клетках [33]. Интересно, что ДНК метилтранс

МЕТИЛИРОВАНИЕ ДНК:

фераза 3а (Dnmt3a), обеспечивающая процесс

ХРОНОЛОГИЧЕСКИЕ

метилирования цитозина в пятой позиции, во

И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

взрослом мозге преимущественно работает с ди

нуклеотидами CH, но не CG, что говорит о раз

Метилирование ДНК является динамичес

личии механизмов контроля этих двух процес

кой модификацией, и во многих сообщениях за

сов. Метилирование ДНК в промоторных облас

документированы возрастные изменения мети

тях и в телах генов участвует в регуляции

лома [3, 7, 38]. Например, метилирование ДНК

экспрессии генов. Предполагается, что консер

имеет тенденцию снижаться с возрастом на

вативные, специфичные для типа клеток паттер

большей части ДНК, но повышаться на некото

ны метилирования ДНК могут быть связаны со

рых островках CpG, особенно в отношении ге

специфическими нейрональными и глиальными

нов мишеней polycomb - белков, способных ре

клеточными процессами. Исследования показа

моделировать хроматин, генов регуляторов

ли, что в отличие от глиальных клеток в процес

транскрипции, развития и клеточной диффе

се развития мозга нейроны теряют внутригенное

ренцировки [39]. Основываясь на возрастных

метилирование CG и CH пар и приобретают

изменениях метилирования популяционно ста

высокий уровень hmCG в нейрональных генах

бильных участков ДНК, несколько групп иссле

[33]. При этом экспрессия высоко конститутив

дователей определили так называемые «часы»

ных генов, не участвующих в нейрогенезе, не

метилирования ДНК [18, 40]. Эпигенетические

подвержена подобной регуляции, так же как и

часы - это регрессионная модель, связывающая

генов с низким уровнем экспрессии [33]. Все это

изменение уровня метилирования определен

демонстрирует, что динамическое метилирова

ных CpG нуклеотидов с возрастом. Часы, пост

ние ДНК в генах тесно связано с дифференци

роенные на метилировании ДНК, в настоящее

альной транскрипционной активностью в разви

время лучше оценивают фактический хроноло

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1245

гический возраст, чем транскриптомные и про

курением, посредством оценки курения по ко

теомные данные или TL [3].

личеству пачек в год. Эти часы также включают

Первые эпигенетические часы были разрабо

определенные уровни белка в плазме, оценен

таны Hannum et al. [40] на основе оценки 71 CpG

ные по метилированию ДНК, и это приводит к

из ДНК мононуклеаров периферической крови.

еще более точному прогнозу как продолжитель

Следующие, более точные во многих аспектах,

ности, так и качества жизни [45].

пан тканевые эпигенетические часы были соз

Существует немало исследований, показав

даны Horvath S. [18] на основе оценки метилиро

ших массивные эпигенетические нарушения в

вания 353 CpG в ДНК, полученной из несколь

процессе развития рака [41], логично предполо

ких нормальных и опухолевых тканей. Комби

жить, что метилирование ДНК регулирует дина

нированный статус метилирования этих CpG

мическое равновесие генома и нивелирует пов

показывает эпигенетический возраст, который

реждения ДНК, неизбежно возникающие в про

коррелирует с хронологическим возрастом. Точ

цессе жизни клетки. Возрастные изменения ме

ность часов измеряется коэффициентом корре

тилирования ДНК также могут быть вторичны

ляции между фактическим хронологическим

ми по сравнению с другими изменениями в мо

возрастом, измеренным возрастом и средней аб

дификаторах хроматина и/или хроматине [46].

солютной разницей между фактическим и изме

Модификации гистонов влияют на метилирова

ренным возрастом. Пан тканевые эпигенетичес

ние ДНК. Например, метилирование ДНК иск

кие часы с очень высокой точностью предсказы

лючается из генных промоторов с помощью

вают хронологический возраст и скорость старе

H3K4me3 (гистон H3, триметилирование лизи

ния без учета внешних факторов воздействия и,

на 4), но рекрутируется на генные тела и гете

как следует из названия, без особого уточнения

рохроматин с помощью H3K36me3 (гистон H3,

по тканям. По определению, хронологические

триметилирование лизина 36) и H3K9me3 (гис

часы измеряют время, прошедшее с рождения.

тон H3, триметилирование лизина 9) [47]. И на

Следовательно, люди, родившиеся в один и тот

оборот, гипометилирование ДНК вызывает пе

же день, имеют одинаковый хронологический

рераспределение активности белков polycomb и

возраст на протяжении всей жизни независимо

H3K27me3 (гистон H3, триметилирование лизи

от образа жизни и наличия заболеваний и вред

на 27) [48]. С этой точки зрения, часы метилиро

ных привычек. Напротив, люди с одинаковым

вания ДНК могут быть представлены как «часы

хронологическим возрастом могут иметь разный

эпигенетической сети», а изменения метилиро

биологический возраст. Хотя биологический

вания могут быть вторичными по отношению к

возраст и не является четко определенным, он

другим эпигенетическим или даже связанным

определяет снижение функциональных возмож

метаболическим изменениям [49], которые сос

ностей тканей, органов и целого организма, свя

тавляют эту сеть. Также в некоторых случаях био

занных с наличием или отсутствием внешних

логические часы приравнивают к «эпигенети

факторов [41]. Несмотря на эти сложности, не

ческому дрейфу», так как они отражают межин

давние исследования показали, что разница

дивидуальные вариации дисфункции тканей и

между кажущимся возрастом метилирования

риска болезней, то есть отражают эпигенетичес

ДНК и истинным хронологическим возрастом

кое расхождение между людьми на фоне хроно

отражает биологический возраст, по крайней ме

логического сходства.

ре до некоторой степени. Также биологический

Таким образом, понимание биологических

возраст часто строится с учетом специфики тка

основ метилирования ДНК, его роли в разви

ни и органа. Например, ткань молочной железы

тии, поддержании функциональной активнос

у женщин имеет больший биологический воз

ти, тканевом и клеточном разнообразии эпиге

раст по сравнению с другими тканями организма

нетических модификациях нейронных сетей и в

и другой ритм эпигенетических часов в подрост

инволюционных процессах, сопровождающих

ковом периоде под влиянием гормонов [42, 43].

старение, крайне важно для создания адекват

Поэтому для более точного определения биоло

ных моделей нейродегенеративных заболеваний

гического возраста клеток и скорости старения

с учётом состояния эпигенетических часов мо

(«PhenoAge», «GrimAge») большинство совре

дельных клеток.

менных эпигенетических часов являются либо

специализированными по тканям, либо комби

нированными с другими показателями, кроме

РЕПРОГРАММИРОВАНИЕ КЛЕТОК

метилирования ДНК [44, 45]. Например, недав

И ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИЙ ВОЗРАСТ

но построенные часы метилирования ДНК с

предсказанием

смертности,

названные

Итак, для in vitro моделирования нейродеге

«GrimAge», включают изменения, связанные с

неративных заболеваний и инволюционных

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

1246

САМОЙЛОВА, БАКЛАУШЕВ

состояний, связанных со старением, необходим

жизни нейроны накапливают определенные

адекватный источник клеток [50]. Не менее ак

возрастные изменения, способствующие разви

туальной задачей является поиск безопасного и

тию нейродегенерации, особенно при наличии

экономически целесообразного источника ауто

врожденных генетических предпосылок. Ради

логичных клеток для персонифицированной ре

восстановления ДНК на транскрипционно ак

генеративной терапии заболеваний и травм

тивных генах накапливаются некритичные пов

нервной системы, сопровождающихся гибелью

реждения ДНК и подавляются не жизненно

нейронов и глиальных клеток и необратимым

важные транскрипционные пути [12]. Митохон

нарушением функции ЦНС [51].

дрии с возрастом становятся все более уязви

Открытие технологии получения ИПСК

мыми, что приводит к увеличению продукции

около 15 лет назад привело к разработке много

свободных активных форм кислорода (АФК),

численных in vitro моделей заболеваний и потен

которые являются мощным ДНК повреждаю

циальных методов персонифицированной тера

щим фактором [14]. Таким образом, репарация

пии [52]. Общая стратегия заключалась в том,

ДНК может быть сильно снижена в процессе

чтобы перепрограммировать соматические

развития нейродегенерации [55]. Известно, что

клетки пациента, например фибробласты в

при боковом амиотрофическом склерозе и лоб

ИПСК, а затем дифференцировать их в целевой

но височной деменции мутации в белке FUS

тип клеток. Постоянно совершенствующиеся

(Fused in Sarcoma) приводят к нарушениям це

протоколы дифференцировки позволяют полу

лостности ДНК [12]. Интересно, что для нейро

чить даже самые редкие и малочисленные типы

нов характерен механизм индуцированного за

терминально дифференцированных клеток, а в

пуска транскрипции ранних генов нейронного

последние годы из ИПСК стали получать орга

ответа через двухцепочечные разрывы в целе

ноиды - сложные колонии клеток, отражающие

вых промоторах ранних генов [56]. Однако при

особенности целых тканей и органов [53]. Одна

болезни Альцгеймера этот процесс блокируется

ко у ИПСК есть существенный минус для моде

внеклеточным амилоидным белком β [56]. Кро

лирования возрастных заболеваний: процесс

ме целостности и стабильности ДНК, в нейро

репрограммирования через стадию плюрипотент

нах с возрастом изменяется проницаемость

ности (по сути - ЭСК) обнуляет возраст изна

ядерных пор [57]. Со временем поры становят

чальной линии соматических клеток.

ся все более проницаемыми, что ослабляет их

В качестве альтернативы перепрограммиро

регуляторную функцию относительно тран

ванию и дифференцировке ИПСК применяют

скрипции и глобальной ядерной организации.

стратегию так называемого прямого репрограм

Такие изменения не наблюдаются в молодых

мирования, также известного как трансдиффе

клетках и не моделируются искусственно, хотя

ренцировка, при которой сохраняются возраст

известно, что при боковом амиотрофическом

ные паттерны донорских клеток [9]. Транскрип

склерозе и лобно височной деменции белки

ционные факторы, микроРНК и малые молеку

poly PR, FUS и TDP 43 (TAR ДНК связываю

лы используются, чтобы стимулировать терми

щий белок 43) могут блокировать ядерные поры

нально дифференцированные клетки напрямую

[12].

трансформироваться в другой клеточный тип,

Очевидно, что при столь долгом сроке жизни

минуя стадию плюрипотентности.

нейроны должны обладать совершенными ме

ханизмами динамического контроля стабиль

ности генома и транскрипционной активности,

РЕПРОГРАММИРОВАНИЕ ЧЕРЕЗ ИПСК

одним из которых является метилирование

И СТАРЕНИЕ НЕЙРОНОВ

ДНК. В предыдущем разделе подробно описано,

какие паттерны метилирования характеризуют

Нейроны являются одними из самых долго

возрастные изменения. Соотношение паттернов

живущих клеток в организме, большинство из

mC и hmC формирует уникальное динамичес

них генерируется в эмбриональном и раннем

кое равновесие, определяющее возраст клеток и

постнатальном периоде. Во взрослом мозге

скорость старения. Очевидно, что эти же меха

процесс нейрогенеза ограничен тремя зонами:

низмы оказывают значительное влияние на па

субвентрикулярная зона, зубчатая извилина и

тогенез нейродегенеративных заболеваний.

обонятельные луковицы [54, 55]. Более того, ес

Использование ИПСК и усовершенствован

ли в эмбриональном мозге процесс нейрогенеза

ных стратегий дифференцировки позволило по

направлен на создание массива новых нейро

лучить определенные типы нервных клеток, ге

нов, то взрослый нейрогенез играет поддержи

нетически принадлежащие пациентам, включая

вающую роль и сосредоточен в основном на ге

различные типы нейральных стволовых клеток

нерации глиальных клеток [54]. В процессе

(НСК), дофаминергические, глутаматергичес

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1247

кие, ГАМКергические нейроны, двигательные

исследованиях с использованием ИПСК про

нейроны, астроциты, олигодендроциты и мно

изводных дофаминергических нейронов для мо

гие другие типы клеток для моделирования воз

делирования болезни Паркинсона последова

растных заболеваний [58]. Для моделирования

тельно использовались АФК или митохондри

ряда заболеваний, в частности наследственных

альные нейротоксины, такие как H₂O₂, 6 гид

нейродегенераций, возраст моделируемых кле

роксидофамин (OHDA), валиномицин или

ток не имеет значения [59, 60]. Однако в боль

CCCP (карбонил цианид 3 хлорфенилгидра

шинстве спорадических и обусловленных старе

зон), для имитации возрастных нейрон специ

нием нейродегенеративных заболеваний эпиге

фических нарушений [12]. Точно так же ингиби

нетический возраст может быть одним из клю

рование протеасом с использованием таких сое

чевых факторов патогенеза.

динений, как MG132, было необходимо для по

Технология репрограммирования через плю

лучения агрегатов белка в ИПСК производных

рипотентную стадию сопряжена с массивной

нейронах в модели болезни Гентингтона [70], а

эпигенетической перестройкой, в ходе которой

воздействие эксайтотоксического глутамата бы

не только меняется фенотип клетки, но и обну

ло необходимо для образования агатин 3 мик

ляется возраст до эмбрионального [61, 62]. Olova

роагрегатов в ИПСК производных нейронах в

et al. [63] показали, что даже при частичном не

модели болезни Мачадо-Джозефа [71]. Инте

прямом репрограммировании, при котором нет

ресно, что генетические нарушения в генах PS1

устойчивой плюрипотентной стадии, обнуление

(photosystem 1) или APP (amyloid precursor pro

возрастных эпигенетических сигнатур происхо

tein), приводящие к ранней манифестации бо

дит в первые 10 дней репрограммирования - в

лезни Альцгеймера, изменяют транскрипцию

период повышенной активности генов плюри

амилоидного белка β без дополнительного вли

потентности, ранней экспрессии NANOG (ген

яния, но не вызывают гибели клеток, происхо

гомеобоксного белка NANOG), SALL4 (ген Sal

дящей только после дополнительного эксайто

подобного белка 4), ZFP42 (ген белка цинкового

токсического действия глутамата [72]. Это сви

пальца 42), TRA 1 60 (ген альфа локуса рецеп

детельствует о том, что при данной патологии

тора Т клеток), UTF1 (ген недифференцирован

аберрантный амилоидный белок уже присут

ного транскрипционного фактора эмбриональ

ствует в молодых нейронах, но серьезные нару

ных клеток 1), DPPA4 (ген фактора развития

шения в этих нейронах начинаются только в

плюрипотентности 4) и LEFTY2 (ген фактора

процессе старения клетки [73]. В отдельных ис

определения лево право 2). Схожие результаты

следованиях для моделирования возрастных из

были продемонстрированы в работе Ocampo et

менений в ИПСК производных нейронах ис

al. [64], в которой авторы с помощью цикличес

пользовали гиперэкспрессию белка прогерина,

кой индукции OKSM провели неполное репрог

что приводило к индукции ряда маркеров старе

раммирование клетки. При этом гены, кодиру

ния, включая формирование фокусов γH2AX

ющие эти факторы, активировались на два дня,

(член семейства гистонов H2AX) и H2K9me (ме

после чего следовал период покоя продолжи

тилирование лизина 9 в гистоне Н2) [12, 74].

тельностью пять дней. Затем цикл активации

Очевидно, что различные подходы по искус

повторялся снова и снова. В результате они по

ственному «состариванию» ИПСК производ

казали обнуление эпигенетического возраста до

ных клеток воспроизводят лишь отдельные фе

раннего постнатального состояния без полной

номены старения и не позволяют говорить о ре

потери специализации клетки.

шении проблемы обнуления биологического

Даже использование всего двух трансформи

возраста у нейронов, полученных из ИПСК.

рующих факторов из коктейля Яманаки (SOX2 и

c MYC) без постоянной индукции оказалось

достаточно, чтобы полученная в результате по

ПРЯМОЕ РЕПРОГРАММИРОВАНИЕ

пуляция клеток была по возрастным сигнатурам

С СОХРАНЕНИЕМ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКИХ

сходна с аналогичной популяцией, дифферен

СИГНАТУР

цированной из ЭСК [65]. Такое омоложение

ИПСК было также продемонстрировано на

В аспекте сохранения эпигенетического

уровне изменения теломер [66, 67], изменения

возраста хорошей альтернативой ИПСК явля

работы митохондрий и пр. [68, 69].

ется прямое репрограммирование клетки. Пос

Вследствие такого «омоложения» репрог

кольку прямое репрограммирование минует

раммированных клеток модели нейродегенера

стадию плюрипотентности, эпигенетические

тивных заболеваний, основанные на ИПСК,

паттерны донорских клеток сохраняются и у

нуждаются в дополнительных стрессорах, ими

конечной культуры. Первым исследованием,

тирующих возрастные изменения. Например, в

продемонстрировавшим эффективность такого

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

1248

САМОЙЛОВА, БАКЛАУШЕВ

подхода, было превращение фибробластов в

рошо изученных пронейральных транскрипци

миобласты путем избыточной экспрессии

онных фактора, которые действуют как первич

MYOD1 (белок определения миобластов 1) [75].

ные ТФ при прямом репрограммировании фиб

В дальнейшем протоколы прямой трансдиффе

робластов в индуцированные нейроны [86-88].

ренцировки одного типа соматических клеток в

NeuroD1 связывает неметилированные CpG

другой позволили получить клетки крови, ней

богатые области и переводит H3K4me3/

роны, кардиомиоциты, гепатоциты, клетки

H3K27me3 из двухвалентного состояния в мо

поджелудочной железы, макрофаги и пр.

новалентное H3K4me3 во время репрограмми

[76-80]. Репрограммирование мышиных фиб

рования [87]. Данные о доступности хроматина

робластов в функциональные индуцированные

позволяют предположить, что Brn2, Zfp238 (бе

нейроны было впервые достигнуто путем свер

лок цинкового пальца 238), Sox8 (SRY Box

хэкспрессии набора пронейральных факторов

Transcription Factor 8) и Dlx3 (дистальный гомео

транскрипции, Bbn2, Ascl1 и Myt1L, также из

бокс 3) являются одними из наиболее важных

вестных как BAM [79]. Через год те же авторы

эндогенных вторичных ТФ, задействованных в

усовершенствовали протокол, добавив к BAM

пронейрональном репрограммировании

[83,

NeuroD1 [81]. С тех пор ученые далеко продви

89].

нулись в изучении механизмов, вовлеченных в

Интересно, что вторичные ТФ Prdm8

прямое репрограммирование, и разработали

(PR/SET домен 8), Bhlhe22 (базовый член се

немало протоколов на основе транскрипцион

мейства Helix Loop Helix E22) и Brn2, которые

ных факторов, микроРНК и малых молекул для

являются прямыми генами мишенями NeuroD1

генерации нейронов, которые по паттерну

в микроглии, могут также способствовать пре

экспрессии и электрофизиологической актив

вращению микроглии в нейроны путем индук

ности идентичны нейронам, полученным из

ции экспрессии генов нейронов (Brn2) или ре

ЭСК или ИПСК [51, 82, 83].

прессии генов микроглии (Bhlhe22, Prdm8) [87].

Надо понимать, что любое репрограммиро

Несколько исследовательских групп использо

вание, в том числе прямое, провоцирует массив

вали стратегию двойного первичного ТФ (Ascl1

ные эпигенетические изменения, обусловлен

и Ngn2), которая обеспечивает высокую эффек

ные взаимодействием ТФ с ДНК. При этом не

тивность репрограммирования даже старых

которые ТФ взаимодействуют только с откры

фибробластов человека [90, 91]. Однако не все

тыми и гипометилированными областями хро

первичные ТФ одинаково хорошо взаимодей

матина, некоторые, наоборот, рекрутируются в

ствуют с хроматином разных типов клеток. На

своих целевых областях только при наличии ме

пример, Ascl1 способен индуцировать превра

тильных меток [33]. На основании этого сфор

щение фибробластов, но не кератиноцитов в

мировалась система иерархии ТФ по способнос

индуцированные нейроны. Это объясняется тем

ти взаимодействовать с ДНК [83]. Первичные

фактом, что первичные ТФ требуют более спе

ТФ способны взаимодействовать с транскрип

цифической эпигенетической сигнатуры для

ционно неактивными областями хроматина и

связывания с закрытым хроматином и сущест

рекрутировать туда вторичные ТФ. Было выска

вовавшими ранее модификациями гистонов, та

зано предположение, что первичные ТФ могут

кими как трехвалентное состояние хроматина

вызывать локальное эпигенетическое ремодели

H3K4me1/H3K27ac/H3K9me3 в фибробластах,

рование [83].

что является одной из причин, по которым Ascl1

В отличие от факторов Яманаки, которые

индуцируют прямое преобразование только в

также являются первичными ТФ, факторы пря

фибробластах [83].

мого репрограммирования связывают конкрет

Теоретически иерархическую роль первич

ные области хроматина, не меняющиеся в про

ных ТФ могут сыграть малые молекулы, повы

цессе репрограммирования. Факторы Яманаки

шающие доступность ДНК трансформируемых

первоначально также связываются с сайтами

клеток (VPA (вальпроевая кислота), RG108)

мишенями в исходном типе клетки, но в про

[92], но на практике становится очевидно, что

цессе репрограммирования меняют их и в ко

малые молекулы работают неадресно, так что с

нечном итоге связывают разные сайты в репрог

равной вероятностью могут повысить доступ

раммированных клетках [84, 85]. Одним из при

ность областей как нейральных генов, так и лю

меров данного феномена является Ascl1, чья

бых других [93]. Интересно отметить, что были

принудительная экспрессия напрямую превра

обнаружены различия в выборе ТФ между вида

щает фибробласты в постмитотические нейро

ми, так, например, NeuroD1 и Ngn2 использова

ны и приводит к снижению содержания 5mC в

лись преимущественно в протоколах репрог

большинстве своих сайтов связывания [83].

раммирования клеток человека, но не в прото

Нейрогенин 2 (Ngn2) и NeuroD1 - еще два хо

колах для мышиных клеток [79, 81]. Однако,

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1249

учитывая небольшое количество ТФ, исследо

как согласованные (например, mCH), так и раз

ванных с этой точки зрения, неизвестно,

личные (например, метилирование промото

действительно ли способность к ремоделирова

ров) эпигеномные изменения по сравнению со

нию 5mC ограничена первичными ТФ. Кроме

зрелыми корковыми нейронами. Таким обра

того, механизм ТФ индуцированной локальной

зом, метилирование de novo необходимо для

потери 5mC не понятен. Возможно, ТФ могут

прямого репрограммирования. Сохранение воз

напрямую задействовать механизм деметилиро

растной потери нуклеоцитоплазматической

вания цитозина, опосредованный Ten Eleven

компартментализации (NCC) в индуцирован

Translocation

метилцитозиндиоксигеназой

ных нейронах показали Mertens et al. [96] при

(TET), или в качестве альтернативы активируют

прямом репрограммировании фибробластов че

промежуточные этапы ремоделирования хрома

ловека с помощью ТФ Ngn2 и Ascl1, а также ма

тина или модификации гистонов [94].

лых молекул ингибиторов передачи сигналов

В исследовании Luo et al. [95] авторы попы

TGFβ /SMAD [аббревиатура состоит из гомоло

тались показать, какие эпигенетические изме

гий генов семейства Caenorhabditis elegans SMA

нения определяют процесс прямого репрограм

(«small» worm phenotype) and Drosophila MAD

мирования фибробластов мыши в нейроны.

(«Mothers Against Decapentaplegic»)], GSK3β

Анализируя репрограммирование ТФ Brn2,

(киназа гликоген синтазы 3 бета) и энхансеров

Ascl1 и Myt1L вместе и по отдельности, они по

внутриклеточного циклического АМФ.

казали, что Ascl1 или BAM индуцировали значи

Кроме ТФ, в прямом репрограммировании

тельное глобальное накопление метилирования

используют микроРНК, shRNA (короткая/ма

mCH, которое отсутствовало у фибробластов и

лая шпилечная РНК) и малые молекулы. Самым

на промежуточных стадиях репрограммирова

успешным, на данный момент, протоколом с

ния. Причем, видимо, основную роль в накоп

РНК можно считать протокол Yoo et al. [97], ос

лении метилирования mCH играл именно ТФ

нованный на трансдукции вектора с мик

Ascl1, однако остальные два фактора (Brn2 и

роРНК 9/9* и микроРНК 124. Синергическое

Myt1L) формировали сигнатуры метилирования

воздействие этих микроРНК позволило полу

зрелых нейронов. При этом Ascl1 также вызывал

чить функциональные индуцированные нейро

локальное деметилирование CG в своих сайтах

ны из фибробластов взрослого человека. При

связывания. Сравнив паттерны метилирования

этом исследование Huh et al. [98] показало, что

в зрелых нейронах коры мыши с паттернами в

прямое репрограммирование с помощью мик

репрограммированных клетках, они показали,

роРНК 9/9* и микроРНК 124 никак не меняет

что mCH и там сильно обогащены в контексте

возрастные сигнатуры метилирования ДНК. Ав

mCAC, что показывает формирование возраст

торы проверили возможность получения функ

ных сигнатур метилирования у полученных ней

циональных индуцированных нейронов из фиб

ронов по сравнению с изначальными эмбрио

робластов доноров разного возраста: от 3 дней

нальными фибробластами. Также они показали,

до 96 лет. На основании эпигенетических часов

что раннее накопление mCH коррелирует с ге

Horvath они показали, что фактический хроно

нами, демонстрирующими динамическую

логический возраст доноров сильно коррелиро

экспрессию во время перепрограммирования, и

вал с предполагаемым возрастом ДНК фибро

подтвердили, что высоко экспрессируемые гены

бластов (корреляция = 0,75) и репрограммиро

накапливают меньше mCH, чем низко экспрес

ванных нейронов (корреляция = 0,82). Более то

сируемые гены, снижающие свою активность в

го, при сравнении паттернов метилирования

процессе репрограммирования, например гены

ДНК каждого перепрограммированного нейро

фибробластов. При этом в процессе развития

на с паттернов метилирования ДНК соответ

нативного мозга мыши активация генов с поло

ствующего фибробласта наблюдалась почти

жительной регуляцией развития связана с на

идеальная корреляция (R = 0,91), что свидетель

коплением hmCG, что может косвенно задей

ствует о том, что эпигенетические часы не нару

ствовать DNMT3A и TET для производства

шаются во время прямого репрограммирования

hmCG [33].

нейронов на основе микроРНК. Помимо пат

Прямое превращение из фибробластов в

тернов метилирования, авторы показали, что

нейроны связано с выраженным промоторным

при прямом репрограммировании сохраняются

гиперметилированием, которое является уни

и все остальные клеточные маркеры старения,

кальным для индуцированных нейронов и диф

такие как повышенный уровень АФК, повреж

ференцированных из нейральных прогенитор

дения ДНК и уменьшающаяся TL. Примеча

ных клеток, но не наблюдается во время диффе

тельно, что специфические паттерны метилиро

ренцировки нейронов in vivo [95]. Авторы пока

вания нейронов являются дополнительным

зали, что индуцированные нейроны проявляют

фактором идентификации нейронного подтипа.

8 БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

1250

САМОЙЛОВА, БАКЛАУШЕВ

Более того, эти паттерны способны дать инфор

экзогенной теломеразы (hTERT), которая не

мацию о функциональности полученных нейро

повлияет на эпигенетические паттерны возрас

нов [99, 100].

та, хотя и таит в себе опасность появления гене

Таким образом, прямое репрограммирова

тических артефактов.

ние, сохраняющее эпигенетический статус пер

Нельзя не отметить, что в случае изучения

вичных клеток, гораздо предпочтительнее для

врожденных нейродегенеративных заболева

моделирования возрастных нейродегенератив

ний, ИПСК могут быть не менее или даже более

ных заболеваний.

полезны, чем прямо репрограммированные

клетки. Ведь они могут смоделировать особен

ности развития болезни на ранних этапах жиз

НЕДОСТАТКИ РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

ни. А комбинирование обеих методик даст уни

С СОХРАНЕНИЕМ ЭПИГЕНЕТИЧЕСКОГО

кальную картину эпигенетического развития

ВОЗРАСТА

болезни в процессе жизни пациента [11]. На

пример, при исследовании наследственной бо

Из всего описанного выше выбор прямо

лезни Гентингтона такой подход позволил пока

репрограммированных клеток для создания мо

зать, что мутантный белок хантингтин самопро

делей нейродегенерации кажется очевидным.

извольно агрегируется в возрастных индуциро

Однако есть и минусы в этой методике. Во пер

ванных нейронах, но не в молодых нейронах,

вых, протоколы дифференцировки из ИПСК

полученных из ИПСК того же донора [102]. Так

более воспроизводимы [92]. Во вторых, требо

же использование ИПСК является более пред

вания к источникам первичных клеток для пря

почтительным для моделирования болезней

мого репрограммирования более высоки, по

раннего развития, например заболеваний аутис

скольку не все соматические клетки подходят

тического спектра. Так, Schafer et al. [103] срав

для успешного нейронального репрограммиро

нили дифференцированные нейроны, получен

вания. Проще всего прямое репрограммирова

ные из ИПСК и напрямую, и только первые по

ние проходит с глиальными клетками, которые

казали измененный болезнью фенотип. В про

довольно сложно получить у взрослого челове

тивоположность наиболее широко распростра

ка. ИПСК возможно получить из любого пер

ненному предположению, что первые патологи

вичного типа клеток, а из них соответственно -

ческие фенотипические изменения появляются

любой конечный тип. В третьих, недостатком

в незрелых нейронах, они обнаружили гетеро

первично репрограммированных клеток являет

хронные изменения генной сети уже на стадии

ся ограниченное количество пассажей. С одной

нервных стволовых клеток. Также прямо ре

стороны, процесс получения ИПСК и из них -

программированные клетки - культура крайне

конечного типа клеток дорог и продолжителен.

гетерогенная как по генетическим и фенотипи

Время генерации стабильных ИПСК клонов

ческим показателям, так и по эпигенетическим.

составляет 2-3 месяца, а дальнейшая диффе

И это может быть как преимуществом при моде

ренцировка - 6-15 недель [101]. При прямом

лировании сложного заболевания, где клеточ

репрограммировании желаемую культуру мож

ный мозаицизм может играть решающую роль,

но получить уже через 2-4 недели, а полностью

так и недостатком, например при создании изо

функциональную нейронную сеть, еще через

генной контрольной линии клеток.

5-6 недель, что значительно быстрее, чем при

Таким образом, решение при выборе той или

работе с ИПСК [96]. Однако, несмотря на это,

иной методики сильно зависит от условий, зада

стабильные клоны ИПСК пассируются практи

чи и желаемого результата. Но, в целом, есть

чески без ограничений, так что однажды выве

смысл комбинировать их для решения сложных

денные, они могут быть использованы множест

задач.

во раз для самых разных задач. Прямо репрог

раммированные клетки без дополнительных

Прямое репрограммирование является и

модификаций будут ограничены пределом

альтернативой, и ценным дополнением к мето

Хейфлика для своей первоначальной культуры

дике ИПСК для изучения основ клеточной

клеток. Тем не менее если стоит задача получе

идентичности и функциональности, исследова

ния аутологичной культуры клеток для персона

ния развития и старения человека и моделиро

лизированной терапии или персонализирован

вания неврологических заболеваний, а также в

ного моделирования возрастного заболевания,

качестве новой стратегии для in vivo замести

то неограниченность пассажей ИПСК значения

тельной терапии. В отличие от репрограммиро

не имеет. Предел Хейфлика в прямо репрограм

вания через стадию плюрипотентности, инду

мированных клетках для задач in vitro можно

цированные нейроны сохраняют эпигенетичес

преодолеть искусственно с помощью вставки

кий возраст (профиль метилирования ДНК,

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1251

размер теломерных концов) первоначальной

регенеративной и персонифицированной меди

культуры. Это позволяет создавать более адек

цины.

ватные модели возрастных нейродегенератив

ных заболеваний, а также изучать влияния ста

рения на развитие других врожденных и приоб

Финансирование. Работа выполнена при фи

ретенных заболеваний. Основным недостатком

нансовой поддержке Российского фонда фунда

прямого репрограммирования является то, что

ментальных исследований (грант № 19 115

получаемые клетки имеют ограниченные воз

50396).

можности по количеству пассажей, так же как

Конфликт интересов. Авторы заявляют об от

первичные клетки. Оптимизация технологии

сутствии конфликта интересов.

получения аутологичных клеток пациентов с ис

Соблюдение этических норм. Настоящая

пользованием альтернативных методов прямого

статья не содержит описания выполненных ав

и непрямого репрограммирования будет способ

торами исследований с участием людей или ис

ствовать дальнейшему развитию направлений

пользованием животных в качестве объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Dong, X., Milholland, B., and Vijg, J. (2016) Evidence for

13.

Hayflick, L. (1965) The limited in vitro lifetime of human

a limit to human lifespan, Nature,

538,

257259,

diploid cell strains, Exp. Cell Res.,

37,

614636,

doi: 10.1038/nature19793.

doi: 10.1016/0014 4827(65)90211 9.

López Ot n, C., Blasco, M. A., Partridge, L., Serrano, M.,

14.

Fang, E. F., Scheibye Knudsen, M., Chua, K. F., Mattson,

and Kroemer, G. (2013) The hallmarks of aging, Cell,

M. P., Croteau, D. L., and Bohr, V. A. (2016) Nuclear

153,1194 1217, doi: 10.1016/j.cell.2013.05.039.

DNA damage signalling to mitochondria in ageing, Nat.

Levine, M. E., Lu, A. T., Quach, A., Chen, B. H.,

Rev. Mol. Cell Biol., 17, 308321, doi: 10.1038/nrm.

Assimes, T. L., Bandinelli, S., Hou, L., Baccarelli, A. A.,

2016.14.

Stewart, J. D., Li, Y., Whitsel, E. A., Wilson, J. G.,

15.

Chung, H. Y., Cesari, M., Anton, S., Marzetti, E.,

Reiner, A. P., Aviv, A., Lohman, K., Liu, Y., Ferrucci, L.,

Giovannini, S., Seo, A. Y., Carter, C., Yu, B. P., and

and Horvath, S. (2018) An epigenetic biomarker of aging

Leeuwenburgh, C. (2009) Molecular inflammation: under

for lifespan and healthspan, Aging (Albany NY), 10, 573

pinnings of aging and age related diseases, Ageing Res.

591, doi: 10.18632/aging.101414.

Rev., 8, 18 30, doi: 10.1016/j.arr.2008.07.002.

Levine, M. E., Hosgood, H. D., Chen, B., Absher, D.,

16.

Khan, S. S., Singer, B. D., and Vaughan, D. E. (2017)

Assimes, T., and Horvath, S. (2015) DNA methylation age

Molecular and physiological manifestations and measure

of blood predicts future onset of lung cancer in the

ment of aging in humans, Aging cell, 16, 624 633, doi:

women’s health initiative, Aging (Albany NY), 7, 690 700,

10.1111/acel.12601.

doi: 10.18632/aging.100809.

17.

Malaquin, N., Martinez, A., and Rodier, F.

(2016)

Horvath, S., and Levine, A. J. (2015) HIV 1 infection

Keeping the senescence secretome under control: molecu

iccelerates ige iccording to the epigenetic clock, J. Infect.

lar reins on the senescence associated secretory pheno

Dis., 212, 1563 1573, doi: 10.1093/infdis/jiv277.

type, Exp. Gerontol., 82, 3949, doi: 10.1016/j.exger.

Jylhävä, J., Pedersen, N. L., and Hägg, S.

(2017)

2016.05.010.

Biological age predictors, EBioMedicine, 21, 2936,

18.

Horvath, S. (2013) DNA methylation age of human tissues

doi: 10.1016/ j.ebiom.2017.03.046.

and cell types, Genome Biol., 14, R115, doi: 10.1186/gb

Gladyshev, T. V., and Gladyshev, V. N. (2016) A disease or

2013 14 10 r115.

not a disease? Aging as a pathology, Trends Mol. Med., 22,

19.

Bell, C. G., Lowe, R., Adams, P. D., Baccarelli, A. A.,

995 996, doi: 10.1016/j.molmed.2016.09.009.

Beck, S., Bell, J. T., Christensen, B. C., Gladyshev, V. N.,

Takahashi, K., Tanabe, K., Ohnuki, M., Narita, M.,

Heijmans, B. T., Horvath, S., Ideker, T., Issa, J. J.,

Ichisaka, T., Tomoda, K., and Yamanaka, S. (2007) Induc

Kelsey, K. T., Marioni, R. E., Reik, W., Relton, C. L.,

tion of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts

Schalkwyk, L. C., Teschendorff, A. E., Wagner, W.,

by defined factors, Cell, 131, 86172, doi: 10.1016/

Zhang, K., and Rakyan, V. K. (2019) DNA methylation

j.cell.2007.11.019.

aging clocks: challenges and recommendations, Genome

Mertens, J., Marchetto, M. C., Bardy, C., and Gage, F. H.

Biol., 20, 249, doi: 10.1186/s13059 019 1824 y.

(2016) Evaluating cell reprogramming, differentiation and

20.

Johnson, T. E. (2006) Recent results: biomarkers of aging,

conversion technologies in neuroscience, Nat. Rev.

Exp. Gerontol., 41, 1243 1246, doi: 10.1016/j.exger.2006.

Neurosci., 17, 424 37, doi: 10.1038/nrn.2016.46.

09.006.

10.

Böhnke, L., Traxler, L., Herdy, J. R., and Mertens, J.

21.

Butler, R. N., Sprott, R., Warner, H., Bland, J., Feuers, R.,

(2018) Human neurons to model aging: a dish best served

Forster, M., Fillit, H., Harman, S. M., Hewitt, M.,

old, Drug Discov. Today Dis. Models,

27,

4349,

Hyman, M., Johnson, K., Kligman, E., McClearn, G.,

doi: 10.1016/j.ddmod.2019.01.001.

Nelson, J., Richardson, A., Sonntag, W., Weindruch, R.,

11.

Traxler, L., Edenhofer, F., and Mertens, J. (2019) Next

and Wolf, N. (2004) Biomarkers of aging: from primitive

generation disease modeling with direct conversion: a new

organisms to humans, J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci., 59,

path to old neurons, FEBS Lett., 593, 33163337,

B560 B567, doi: 10.1093/gerona/59.6.b560.

doi: 10.1002/1873 3468.13678.

22.

Hayflick, L., and Moorhead, P. S. (1961) The serial culti

12.

Mertens, J., Reid, D., Lau, S., Kim, Y., and Gage, F. H.

vation of human diploid cell strains, Exp. Cell Res., 25,

(2018) Aging in a dish: iPSC derived and directly induced

585 621, doi: 10.1016/0014 4827(61)90192 6.

neurons for studying brain aging and age related neurode

23.

Palm, W., and de Lange, T. (2008) How shelterin protects

generative diseases, Annu. Rev. Genet., 52, 271293,

mammalian telomeres, Annu. Rev. Genet., 42, 301 334,

doi: 10.1146/annurev genet 120417 031534.

doi: 10.1146/annurev.genet.41.110306.130350.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

1252

САМОЙЛОВА, БАКЛАУШЕВ

24.

Von Zglinicki, T., and Martin Ruiz, C. M.

(2005)

tor MEF2C influences neural stem/progenitor cell differ

Telomeres as biomarkers for ageing and age related dis

entiation and maturation in vivo, Proc. Natl. Acad. Sci.

eases, Curr. Mol. Med.,

197203, doi:

10.2174/

USA, 105, 9397 9402, doi: 10.1073/pnas.0802876105.

1566524053586545.

37.

Akhtar, M. W., Kim, M. S., Adachi, M., Morris, M. J., Qi, X.,

25.

Mather, K. A., Jorm, A. F., Parslow, R. A., and

Richardson, J. A., Bassel Duby, R., Olson, E. N.,

Christensen, H. (2011) Is telomere length a biomarker of

Kavalali, E. T., and Monteggia, L. M. (2012) In vivo analy

aging? J. Gerontol. A Biol. Sci. Med. Sci., 66, 202 213,

sis of MEF2 transcription factors in synapse regulation and

doi: 10.1093/gerona/glq180.

neuronal survival, PLoS One, 7, e34863, doi: 10.1371/jour

26.

Lu, A. T., Seeboth, A., Tsai, P. C., Sun, D., Quach, A., et

nal.pone.0034863.

al. (2019) DNA methylation based estimator of telomere

38.

Fraga, M. F., and Esteller, M. (2007) Epigenetics and

length, Aging (Albany NY), 11, 5895 5923, doi: 10.18632/

aging: the targets and the marks, Trends Genet., 23, 413

aging.102173.

418, doi: 10.1016/j.tig.2007.05.008.

27.

Lister, R., Pelizzola, M., Dowen, R. H., Hawkins, R. D.,

39.

Teschendorff, A. E., Menon, U., Gentry Maharaj, A.,

Hon, G., Tonti Filippin, J., Nery, J. R., Lee, L., Ye, Z.,

Ramus, S. J., Weisenberger, D. J., Shen, H., Campan, M.,

Ngo, Q. M., Edsall, L., Antosiewicz Bourget, J., Stewart,

Noushmehr, H., Bell, C. G., Maxwell, A. P., Savage, D. A.,

R., Ruotti, V., Millar, A. H., Thomson, J. A., Ren, B., and

Mueller Holzner, E., Marth, C., Kocjan, G., Gayther, S. A.,

Ecker, J. R. (2009) Human DNA methylomes at base res

Jones, A., Beck, S., Wagner, W., Laird, P. W., Jacobs, I. J.,

olution show widespread epigenomic differences, Nature,

and Widschwendter, M. (2010) Age dependent DNA

462, 315 322, doi: 10.1038/nature08514.

methylation of genes that are suppressed in stem cells is a

28.

Stadler, M. B., Murr, R., Burger, L., Ivanek, R., Lienert, F.,

hallmark of cancer, Genome Res.,

20,

440446,

Schöler, A., van Nimwegen, E., Wirbelauer, C., Oakeley, E. J.,

doi: 10.1101/gr.103606.109.

Gaidatzis, D., Tiwari, V. K., and Schübeler, D. (2011)

40.

Hannum, G., Guinney, J., Zhao, L., Zhang, L., Hughes, G.,

DNA binding factors shape the mouse methylome at distal

Sadda, S., Klotzle, B., Bibikova, M., Fan, J. B., Gao, Y.,

regulatory

regions,

Nature,

480,

490495,

Deconde, R., Chen, M., Rajapakse, I., Friend, S., Ideker, T.,

doi: 10.1038/nature10716.

and Zhang, K. (2013) Genome wide methylation profiles

29.

Schultz, M. D., He, Y., Whitaker, J. W., Hariharan, M.,

reveal quantitative views of human aging rates, Mol. Cell,

Mukamel, E. A., Leung, D., Rajagopal, N., Nery, J. R.,

49, 359 367, doi: 10.1016/j.molcel.2012.10.016.

Urich, M. A., Chen, H., Lin, S., Lin, Y., Jung, I., Schmitt,

41.

Field, A. E., Robertson, N. A., Wang, T., Havas, A., Ideker, T.,

A. D., Selvaraj, S., Ren, B., Sejnowski, T. J., Wang, W., and

and Adams, P. D. (2018) DNA methylation clocks in aging:

Ecker, J. R. (2015) Human body epigenome maps reveal

categories, causes, and consequences, Mol. Cell, 71, 882

noncanonical DNA methylation variation, Nature, 523,

895, doi: 10.1016/j.molcel.2018.08.008.

212 216, doi: 10.1038/nature14465.

42.

Sehl, M. E., Henry, J. E., Storniolo, A. M., Ganz, P. A.,

30.

Whyte, W. A., Orlando, D. A., Hnisz, D., Abraham, B. J.,

and Horvath, S. (2017) DNA methylation age is elevated in

Lin, C. Y., Kagey, M. H., Rahl, P. B., Lee, T. I., and

breast tissue of healthy women, Breast Cancer Res. Treat.,

Young, R. A. (2013) Master transcription factors and medi

164, 209 219, doi: 10.1007/s10549 017 4218 4.

ator establish super enhancers at key cell identity genes,

43.

Binder, A. M., Corvalan, C., Mericq, V., Pereira, A.,

Cell, 153, 307 319, doi: 10.1016/j.cell.2013.03.035.

Santos, J. L., Horvath, S., Shepherd, J., and Michels, K. B.

31.

He, Y., Hariharan, M., Gorkin, D. U., Dickel, D. E., Luo, C.,

(2018) Faster ticking rate of the epigenetic clock is associ

Castanon, R. G., Nery, J. R., Lee, A. Y., Williams, B. A.,

ated with faster pubertal development in girls, Epigenetics,

Trout, D., Amrhein, H., Fang, R., Chen, H., Li, B., Visel,

13, 85 94, doi: 10.1080/15592294.2017.1414127.

A., Pennacchio, L. A., Ren, B., and Ecker, J. R. (2017)

44.

Horvath, S., and Raj, K. (2018) DNA methylation based

Spatiotemporal DNA methylome dynamics of the devel

biomarkers and the epigenetic clock theory of ageing, Nat.

oping mammalian fetus, bioRxiv, doi: 10.1101/166744.

Rev. Genet., 19, 371 384, doi: 10.1038/s41576 018 0004 3.

32.

Woodcock, D. M., Crowther, P. J., and Diver, W. P. (1987)

45.

Lu, A. T., Quach, A., Wilson, J. G., Reiner, A. P., Aviv, A.,

The majority of methylated deoxycytidines in human DNA

Raj, K., Hou, L., Baccarelli, A. A., Li, Y., Stewart, J. D.,

are not in the CpG dinucleotide, Biochem. Biophys. Res.

Whitsel, E. A., Assimes, T. L., Ferrucci, L., and Horvath, S.

Commun.,

145,

888894, doi:

10.1016/0006

(2019) DNA methylation GrimAge strongly predicts lifes

291x(87)91048 5.

pan and healthspan, Aging (Albany NY), 11, 303 327,

33.

Lister, R., Mukamel, E. A., Nery, J. R., Urich, M.,

doi: 10.18632/aging.101684.

Puddifoot, C. A., Johnson, N. D., Lucero, J., Huang, Y.,

46.

Booth, L. N., and Brunet, A. (2016) The aging epigenome,

Dwork, A. J., Schultz, M. D., Yu, M., Tonti Filippini, J.,

Mol. Cell, 62, 728 744, doi: 10.1016/j.molcel.2016.05.013.

Heyn, H., Hu, S., Wu, J. C., Rao, A., Esteller, M., He, C.,

47.

Rose, N. R., and Klose, R. J. (2014) Understanding the

Haghighi, F. G., Sejnowski, T. J., Behrens, M. M., and

relationship between DNA methylation and histone lysine

Ecker, J. R. (2013) Global epigenomic reconfiguration

methylation, Biochim. Biophys. Acta, 1839, 1362 1372,

during mammalian brain development, Science, 341,

doi: 10.1016/j.bbagrm.2014.02.007.

1237905, doi: 10.1126/science.1237905.

48.

Reddington, J. P., Perricone, S. M., Nestor, C. E.,

34.

Kolb, B., Mychasiuk, R., Muhammad, A., Li, Y., Frost, D. O.,

Reichmann, J., Youngson, N. A., Suzuki, M., Reinhardt, D.,

and Gibb, R. (2012) Experience and the developing pre

Dunican, D. S., Prendergast, J. G., Mjoseng, H.,

frontal cortex, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 109 Suppl. 2,

Ramsahoye, B. H., Whitelaw, E., Greally, J. M., Adams, I. R.,

17186 17193, doi: 10.1073/pnas.1121251109.

Bickmore, W. A., and Meehan, R. R. (2013) Redistribution

35.

Mellén, M., Ayata, P., Dewell, S., Kriaucionis, S., and

of H3K27me3 upon DNA hypomethylation results in de

Heintz, N. (2012) MeCP2 binds to 5hmC enriched within

repression of Polycomb target genes, Genome Biol., 14,

active genes and accessible chromatin in the nervous

R25, doi: 10.1186/gb 2013 14 3 r25.

system, Cell, 151, 1417 1430, doi: 10.1016/j.cell.2012.

49.

Berger, S. L., and Sassone Corsi, P. (2016) Metabolic sig

11.022.

naling to chromatin, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 8,

36.

Li, H., Radford, J. C., Ragusa, M. J., Shea, K. L.,

a019463, doi: 10.1101/cshperspect.a019463.

McKercher, S. R., Zaremba, J. D., Soussou, W., Nie, Z.,

50.

Niccoli, T., and Partridge, L. (2012) Ageing as a risk factor

Kang, Y. J., Nakanishi, N., Okamoto, S., Roberts, A. J.,

for disease, Curr. Biol., 22, R741 52, doi: 10.1016/j.cub.

Schwarz, J. J., and Lipton, S. A. (2008) Transcription fac

2012.07.024.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1253

51.

Ahlfors, J. E., Azimi, A., El Ayoubi, R., Velumian, A.,

Kurita, M., Beyret, E., Araoka, T., Vazquez Ferrer, E.,

Vonderwalde, I., Boscher, C., Mihai, O., Mani, S.,

Donoso, D., Roman, J. L., Xu, J., Rodriguez Esteban, C.,

Samoilova, M., Khazaei, M., Fehlings, M. G., and

Nuñez, G., Delicado, E. N., Campistol, J. M., Guillen, I.,

Morshead, C. M. (2019) Examining the fundamental biol

and Belmonte, J. C. I. (2016) In vivo amelioration of age

ogy of a novel population of directly reprogrammed human

associated hallmarks by partial reprogramming, Cell, 167,

neural precursor cells, Stem Cell Res. Ther., 10, 166,

1719 1733.e12, doi: 10.1016/j.cell.2016.11.052.

doi: 10.1186/s13287 019 1255 4.

65.

Sheng, C., Jungverdorben, J., Wiethoff, H., Lin, Q.,

52.

Bellin, M., Marchetto, M. C., Gage, F. H., and Mummery,

Flitsch, L. J., Eckert, D., Hebisch, M., Fischer, J.,

C. L. (2012) Induced pluripotent stem cells: the new

Kesavan, J., Weykopf, B., Schneider, L., Holtkamp, D.,

patient? Nat. Rev. Mol. Cell Biol.,

13,

713726,

Beck, H., Till, A., Wüllner, U., Ziller, M. J., Wagner, W.,

doi: 10.1038/nrm3448.

Peitz, M., and Brüstle, O. (2018) A stably self renewing

53.

Lancaster, M. A., and Knoblich, J. A. (2014) Organo

adult blood derived induced neural stem cell exhibiting

genesis in a dish: modeling development and disease using

patternability and epigenetic rejuvenation, Nat. Commun.,

organoid technologies, Science,

345,

1247125,

9, 4047, doi: 10.1038/s41467 018 06398 5.

doi: 10.1126/science.1247125.

66.

Marion, R. M., Strati, K., Li, H., Tejera, A., Schoeftner, S.,

54.

Götz, M., Nakafuku, M., and Petrik, D. (2016) Neuro

Ortega, S., Serrano, M., and Blasco, M. A.

(2009)

genesis in the developing and adult brain - similarities and

Telomeres acquire embryonic stem cell characteristics in

key differences, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 8,

induced pluripotent stem cells, Cell Stem Cell, 4, 141 154,

a018853, doi: 10.1101/cshperspect.a018853.

doi: 10.1016/j.stem.2008.12.010.

55.

Scheffler, B., Walton, N. M., Lin, D. D., Goetz, A. K.,

67.

Suhr, S. T., Chang, E. A., Rodriguez, R. M., Wang, K.,

Enikolopov, G., Roper, S. N., and Steindler, D. A. (2005)

Ross, P. J., Beyhan, Z., Murthy, S., and Cibelli, J. B.

Phenotypic and functional characterization of adult brain

(2009) Telomere dynamics in human cells reprogrammed

neuropoiesis, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 9353 9358,

to pluripotency, PLoS One, 4, e8124, doi: 10.1371/jour

doi: 10.1073/pnas.0503965102.

nal.pone.0008124.

56.

Madabhushi, R., Gao, F., Pfenning, A. R., Pan, L.,

68.

Suhr, S. T., Chang, E. A., Tjong, J., Alcasid, N.,

Yamakawa, S., Seo, J., Rueda, R., Phan, T. X., Yamakawa, H.,

Perkins, G. A., Goissis, M. D., Ellisman, M. H., Perez, G. I.,

Pao, P. C., Stott, R. T., Gjoneska, E., Nott, A., Cho, S.,

and Cibelli, J. B. (2010) Mitochondrial rejuvenation after

Kellis, M., and Tsai, L. H. (2015) Activity induced DNA

induced pluripotency, PLoS One,

5, e14095,

breaks govern the expression of neuronal early response

doi: 10.1371/journal.pone.0014095.

genes, Cell, 161, 1592 1605, doi: 10.1016/j.cell.2015.05.032.

69.

Prigione, A., Hossini, A. M., Lichtner, B., Serin, A.,

57.

D’Angelo, M. A., Raices, M., Panowski, S. H., and Hetzer,

Fauler, B., Megges, M., Lurz, R., Lehrach, H.,

M. W. (2009) Age dependent deterioration of nuclear pore

Makrantonaki, E., Zouboulis, C. C., and Adjaye, J. (2011)

complexes causes a loss of nuclear integrity in postmitotic

Mitochondrial associated cell death mechanisms are reset

cells, Cell, 13, 284 295, doi: 10.1016/j.cell.2008.11.037.

to an embryonic like state in aged donor derived iPS cells

58.

Marchetto, M. C., Brennand, K. J., Boyer, L. F., and

harboring chromosomal aberrations, PLoS One, 6, e27352,

Gage, F. H. (2011) Induced pluripotent stem cells (iPSCs)

doi: 10.1371/journal.pone.0027352.

and neurological disease modeling: progress and promises,

70.

Nekrasov, E. D., Vigont, V. A., Klyushnikov, S. A.,

Hum. Mol. Genet., 20, R109 R115, doi: 10.1093/hmg/

Lebedeva, O. S., Vassina, E. M., Bogomazova, A. N.,

ddr336.

Chestkov, I. V., Semashko, T. A., Kiseleva, E., Suldina, L. A.,

59.

Lafaille, F. G., Pessach, I. M., Zhang, S. Y., Ciancanelli,

Bobrovsky, P. A., Zimina, O. A., Ryazantseva, M. A.,

M. J., Herman, M., Abhyankar, A., Ying, S. W., Keros, S.,

Skopin, A. Y., Illarioshkin, S. N., Kaznacheyeva, E. V.,

Goldstein, P. A., Mostoslavsky, G., Ordovas Montanes, J.,

Lagarkova, M. A., and Kiselev, S. L. (2016) Manifestation

Jouanguy, E., Plancoulaine, S., Tu, E., Elkabetz, Y., Al

of Huntington’s disease pathology in human induced

Muhsen, S., Tardieu, M., Schlaeger, T. M., Daley, G. Q.,

pluripotent stem cell derived neurons, Mol. Neurodegener.,

Abel, L., Casanova, J. L., Studer, L., and Notarangelo, L.

11, 27, doi: 10.1186/s13024 016 0092 5.

D. (2012) Impaired intrinsic immunity to HSV 1 in human

71.

Koch, P., Breuer, P., Peitz, M., Jungverdorben, J.,

iPSC derived TLR3 deficient CNS cells, Nature, 491,

Kesavan, J., Poppe, D., Doerr, J., Ladewig, J., Mertens, J.,

769 773, doi: 10.1038/nature11583.

Tüting, T., Hoffmann, P., Klockgether, T., Evert, B. O.,

60.

Lee, G., Papapetrou, E. P., Kim, H., Chambers, S. M.,

Wüllner, U., and Brüstle, O. (2011) Excitation induced

Tomishima, M. J., Fasano, C. A., Ganat, Y. M., Menon, J.,

ataxin 3 aggregation in neurons from patients with

Shimizu, F., Viale, A., Tabar, V., Sadelain, M., and Studer,

Machado-Joseph disease, Nature,

480,

543546,

L. (2009) Modelling pathogenesis and treatment of famil

doi: 10.1038/nature10671.

ial dysautonomia using patient specific iPSCs, Nature,

72.

Duan, L., Bhattacharyya, B. J., Belmadani, A., Pan, L.,

461, 402 406, doi: 10.1038/nature08320.

Miller, R. J., and Kessler, J. A. (2014) Stem cell derived

61.

De Boni, L., Gasparoni, G., Haubenreich, C., Tierling, S.,

basal forebrain cholinergic neurons from Alzheimer’s dis

Schmitt, I., Peitz, M., Koch, P., Walter, J., Wüllner, U.,

ease patients are more susceptible to cell death, Mol.

and Brüstle, O. (2018) DNA methylation alterations in

Neurodegener., 9, 3, doi: 10.1186/1750 1326 9 3.

iPSC and hESC derived neurons: potential implications

73.

Yagi, T., Ito, D., Okada, Y., Akamatsu, W., Nihei, Y.,

for neurological disease modeling, Clin. Epigenetics, 10, 13,

Yoshizaki, T., Yamanaka, S., Okano, H., and Suzuki, N.

doi: 10.1186/s13148 018 0440 0.

(2011) Modeling familial Alzheimer’s disease with induced

62.

Rando, T. A., and Chang, H. Y. (2012) Aging, rejuvena

pluripotent stem cells, Hum. Mol. Genet., 20, 4530 4539,

tion, and epigenetic reprogramming: resetting the aging

doi: 10.1093/hmg/ddr394.

clock, Cell, 148, 46 57, doi: 10.1016/j.cell.2012.01.003.

74.

Miller, J. D., Ganat, Y. M., Kishinevsky, S., Bowman, R. L.,

63.

Olova, N., Simpson, D. J., Marioni, R. E., and Chandra,

Liu, B., Tu, E. Y., Mandal, P. K., Vera, E., Shim, J. W.,

T. (2019) Partial reprogramming induces a steady decline

Kriks, S., Taldone, T., Fusaki, N., Tomishima, M. J.,

in epigenetic age before loss of somatic identity, Aging Cell,

Krainc, D., Milner, T. A., Rossi, D. J., and Studer, L.

18, e12877, doi: 10.1111/acel.12877.

(2013) Human iPSC based modeling of late onset disease

64.

Ocampo, A., Reddy, P., Martinez Redondo, P., Platero

via progerin induced aging, Cell Stem Cell, 13, 691 705,

Luengo, A., Hatanaka, F., Hishida, T., Li, M., Lam, D.,

doi: 10.1016/j.stem.2013.11.006.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

1254

САМОЙЛОВА, БАКЛАУШЕВ

75.

Davis, R. L., Weintraub, H., and Lassar, A. B. (1987)

88.

Iwafuchi Doi, M., and Zaret, K. S. (2014) Pioneer tran

Expression of a single transfected cDNA converts fibro

scription factors in cell reprogramming, Genes Dev., 28,

blasts to myoblasts, Cell, 51, 987 1000, doi: 10.1016/0092

2679 2692, doi: 10.1101/gad.253443.114.

8674(87)90585 x.

89. Wapinski, O. L., Lee, Q. Y., Chen, A. C., Li, R., Corces, M. R.,

76.

Huang, P., Zhang, L., Gao, Y., He, Z., Yao, D., Wu, Z.,

Ang, C. E., Treutlein, B., Xiang, C., Baubet, V., Suchy, F. P.,

Cen, J., Chen, X., Liu, C., Hu, Y., Lai, D., Hu, Z., Chen, L.,

Sankar, V., Sim, S., Quake, S. R., Dahmane, N., Wernig,

Zhang, Y., Cheng, X., Ma, X., Pan, G., Wang, X., and

M., and Chang, H. Y. (2017) Rapid chromatin switch in the

Hui, L. (2014) Direct reprogramming of human fibroblasts

direct reprogramming of fibroblasts to neurons, Cell Rep.,

to functional and expandable hepatocytes, Cell Stem Cell,

20, 3236 3247, doi: 10.1016/j.celrep.2017.09.011.

14, 370 384, doi: 10.1016/j.stem.2014.01.003.

90. Ladewig, J., Mertens, J., Kesavan, J., Doerr, J., Poppe, D.,

77.

Ieda, M., Fu, J. D., Delgado Olguin, P., Vedantham, V.,

Glaue, F., Herms, S., Wernet, P., Kögler, G., Müller, F. J.,

Hayashi, Y., Bruneau, B. G., and Srivastava, D. (2010)

Koch, P., and Brüstle, O. (2012) Small molecules enable

Direct reprogramming of fibroblasts into functional car

highly efficient neuronal conversion of human fibroblasts,

diomyocytes by defined factors, Cell, 142, 375386,

Nat. Methods, 9, 575 78, doi: 10.1038/nmeth.1972.

doi: 10.1016/j.cell.2010.07.002.

91. Zhao, J., He, H., Zhou, K., Ren, Y., Shi, Z., Wu, Z.,

78.

Laiosa, C. V., Stadtfeld, M., Xie, H., de Andres Aguayo, L.,

Wang, Y., Lu, Y., and Jiao, J. (2012) Neuronal transcrip

and Graf, T. (2006) Reprogramming of committed T cell

tion factors induce conversion of human glioma cells to

progenitors to macrophages and dendritic cells by C/EBP

neurons and inhibit tumorigenesis, PLoS One, 7, e41506,

alpha and PU.1 transcription factors, Immunity, 25, 731

doi: 10.1371/journal.pone.0041506.

744, doi: 10.1016/j.immuni.2006.09.011.

92. Samoilova, E. M., Kalsin, V. A., Kushnir, N. M.,

79.

Vierbuchen, T., Ostermeier, A., Pang, Z. P., Kokubu, Y.,

Chistyakov, D. A., Troitskiy, A. V., and Baklaushev, V. P.

Südhof, T. C., Wernig, M. (2010) Direct conversion of

(2018) Adult neural stem cells: basic research and produc

fibroblasts to functional neurons by defined factors,

tion strategies for neurorestorative therapy, Stem Cells Int.,

Nature, 463, 1035 1041, doi: 10.1038/nature08797.

2018, 4835491, doi: 10.1155/2018/4835491.

80.

Zhu, S., Russ, H. A., Wang, X., Zhang, M., Ma, T., Xu, T.,

93. Samoilova, E. M., Revkova, V. A., Brovkina, O. I., Kalsin,

Tang, S., Hebrok, M., and Ding, S. (2016) Human pan

V. A., Melnikov, P. A., Konoplyannikov, M. A., Galimov,

creatic beta like cells converted from fibroblasts, Nat.

K. R., Nikitin, A. G., Troitskiy, A. V., and Baklaushev, V. P.

Commun., 7, 10080, doi: 10.1038/ncomms10080.

(2019) Chemical reprogramming of somatic cells in neural

81.

Pang, Z. P., Yang, N., Vierbuchen, T., Ostermeier, A.,

direction: myth or reality? Bull. Exp. Biol. Med., 167, 546

Fuentes, D. R., Yang, T. Q., Citri, A., Sebastiano, V.,

555, doi: 10.1007/s10517 019 04570 5.

Marro, S., Südhofm, T. C., and Wernig, M. (2011)

94. Wu, H., and Zhang, Y. (2014) Reversing DNA methyla

Induction of human neuronal cells by defined transcrip

tion: mechanisms, genomics, and biological functions,

tion factors, Nature,

476,

220223, doi:

10.1038/

Cell, 156, 45 68, doi: 10.1016/j.cell.2013.12.019.

nature10202.

95. Luo, C., Lee, Q. Y., Wapinski, O., Castanon, R., Nery, J. R.,

82.

Mollinari, C., Zhao, J., Lupacchini, L., Garaci, E., Merlo, D.,

Mall, M., Kareta, M. S., Cullen, S. M., Goodell, M. A.,

and Pei, G. (2018) Transdifferentiation: a new promise for

Chang, H. Y., Wernig, M., and Ecker, J. R. (2019) Global

neurodegenerative diseases, Cell Death Dis., 9, 830,

DNA methylation remodeling during direct reprogram

doi: 10.1038/s41419 018 0891 4.

ming of fibroblasts to neurons, eLife,

8, e40197,

83.

Wapinski, O. L., Vierbuchen, T., Qu, K., Lee, Q. Y.,

doi: 10.7554/eLife.40197.

Chanda, S., Fuentes, D. R., Giresi, P. G., Ng, Y. H.,

96. Mertens, J., Paquola, A., Ku, M., Hatch, E., Böhnke, L.,

Marro, S., Neff, N. F., Drechsel, D., Martynoga, B.,

Ladjevardi, S., McGrath, S., Campbell, B., Lee, H.,

Castro, D. S., Webb, A. E., Südhof, T. C., Brunet, A.,

Herdy, J. R., Gonçalves, J. T., Toda, T., Kim, Y., Winkler, J.,

Guillemot, F., Chang, H. Y., and Wernig, M. (2013)

Yao, J., Hetzer, M. W., and Gage, F. H. (2015) Directly

Hierarchical mechanisms for direct reprogramming of

reprogrammed human neurons retain aging associated

fibroblasts to neurons, Cell, 155, 621 635, doi: 10.1016/

transcriptomic signatures and reveal age related nucleocy

j.cell.2013.09.028.

toplasmic defects, Cell Stem Cell,

17,

705718,

84.

Chronis, C., Fiziev, P., Papp, B., Butz, S., Bonora, G.,

doi: 10.1016/j.stem.2015.09.001.

Sabri, S., Ernst, J., and Plath, K. (2017) Cooperative

97. Yoo, A. S., Sun, A. X., Li, L., Shcheglovitov, A., Portmann, T.,

binding of transcription factors orchestrates reprogram

Li, Y., Lee Messer, C., Dolmetsch, R. E., Tsien, R. W., and

ming, Cell, 168, 442 459.e20, doi: 10.1016/j.cell.2016.12.

Crabtree, G. R. (2011) MicroRNA mediated conversion

016.

of human fibroblasts to neurons, Nature, 476, 228 231,

85.

Fu, K., Chronis, C., Soufi, A., Bonora, G., Edwards, M.,

doi: 10.1038/nature10323.

Smale, S. T., Zaret, K. S., Plath, K., and Pellegrini, M.

98. Huh, C. J., Zhang, B., Victor, M. B., Dahiya, S., Batista,

(2018) Comparison of reprogramming factor targets reveals

L. F., Horvath, S., and Yoo, A. S. (2016) Maintenance of

both species specific and conserved mechanisms in early

age in human neurons generated by microRNA based neu

iPSC reprogramming, BMC Genomics,

19,

956,

ronal conversion of fibroblasts, eLife,

5, e18648,

doi: 10.1186/s12864 018 5326 1.

doi: 10.7554/eLife.18648.

86.

Liu, M. L., Zang, T., Zou, Y., Chang, J. C., Gibson, J. R.,

99. Stroud, H., Su, S. C., Hrvatin, S., Greben, A. W., Renthal, W.,

Huber, K. M., and Zhang, C. L. (2013) Small molecules

Boxer, L. D., Nagy, M. A., Hochbaum, D. R., Kinde, B.,

enable neurogenin 2 to efficiently convert human fibrob

Gabel, H. W., and Greenberg, M. E. (2017) Early life

lasts into cholinergic neurons, Nat. Commun., 4, 2183,

gene expression in neurons modulates lasting epigenetic

doi: 10.1038/ncomms3183.

states, Cell, 171, 1151 1164.e16, doi: 10.1016/j.cell.2017.

87.

Matsuda, T., Irie, T., Katsurabayashi, S., Hayashi, Y.,

09.047.

Nagai, T., Hamazaki, N., Adefuin, A. M. D., Miura, F., Ito, T.,

100. Iwamoto, K., Bundo, M., Ueda, J., Oldham, M. C.,

Kimura, H., Shirahige, K., Takeda, T., Iwasaki, K.,

Ukai, W., Hashimoto, E., Saito, T., Geschwind, D. H., and

Imamura, T., and Nakashima, K. (2019) Pioneer factor

Kato, T. (2011) Neurons show distinctive DNA methyla

NeuroD1 rearranges transcriptional and epigenetic profiles

tion profile and higher interindividual variations compared

to execute microglia-neuron conversion, Neuron, 101,

with non neurons, Genome Res.,

21,

688696,

472 485.e7, doi: 10.1016/j.neuron.2018.12.010.

doi: 10.1101/gr.112755.110.

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020

ЭПИГЕНЕТИКА РЕПРОГРАММИРОВАНИЯ

1255

101. Nicholas, C. R., Chen, J., Tang, Y., Southwell, D. G.,

directly converted from Huntington’s disease patient

Chalmers, N., Vogt, D., Arnold, C. M., Chen, Y. J.,

fibroblasts recapitulate age associated disease phenotypes,

Stanley, E. G., Elefanty, A. G., Sasai, Y., Alvarez Buylla,

Nat. Neurosci., 21, 341 352, doi: 10.1038/s41593 018

A., Rubenstein, J. L., and Kriegstein, A. R.

(2013)

0075 7.

Functional maturation of hPSC derived forebrain

103. Schafer, S. T., Paquola, A., Stern, S., Gosselin, D.,

interneurons requires an extended timeline and mimics

Ku, M., Pena, M., Kuret, T., Liyanage, M., Mansour, A. A.,

human neural development, Cell Stem Cell, 12, 573 586,

Jaeger, B. N., Marchetto, M. C., Glass, C. K., Mertens, J.,

doi: 10.1016/j.stem.2013.04.005.

and Gage, F. H. (2019) Pathological priming causes devel

102. Victor, M. B., Richner, M., Olsen, H. E., Lee, S. W.,

opmental gene network heterochronicity in autistic sub

Monteys, A. M., Ma, C., Huh, C. J., Zhang, B., Davidson,

ject derived neurons, Nat. Neurosci.,

22,

243255,

B. L., Yang, X. W., and Yoo, A. S. (2018) Striatal neurons

doi: 10.1038/s41593 018 0295 x.

CELL REPROGRAMMING WITH CONSERVATION OF EPIGENETIC AGE:

ADVANTAGE OR LIMITATION?

Review

E. M. Samoilova* and V. P. Baklaushev

Federal Research and Clinical Center of Specialized Medical Care and Medical Technologies,

FMBA of Russia, 115682 Moscow, Russia; E mail: samoyket@gmail.com

Received July 28, 2020

Revised July 28, 2020

Accepted August 5, 2020

Our understanding of cell aging advanced significantly since the discovery of this phenomenon by Hayflick and

Moorhead in 1961. In addition to the well known shortening of telomeric regions of chromosomes, cell aging is close

ly associated with changes of the DNA methylation profile. Establishing, maintaining, or reversing epigenetic age of

a cell is central to the technology of cell reprogramming. Two distinct approaches - iPSC and transdifferentiation

based cell reprogramming - affect differently epigenetic age of the cells. The iPSC based reprogramming protocols

are generally believed to result in the reversion of DNA methylation profiles towards less differentiated states, while

the original methylation profiles are preserved in the direct trans differentiation protocols. Clearly, in order to devel

op adequate model of CNS pathologies, one has to have thorough understanding of the biological roles of DNA

methylation in the development, maintenance of functional activity, tissue and cell diversity, restructuring of neural

networks during learning, as well as in aging associated neuronal decline. Direct cell reprogramming is an excellent

alternative and a valuable supplement to the iPSC based technologies both as a source of mature cells for modeling

of neurodegenerative diseases, and as a novel powerful strategy for in vivo cell replacement therapy. Further advance

ment of the regenerative and personalized medicine will strongly depend on optimization of the production of

patient specific autologous cells involving alternative approaches of direct and indirect cell reprogramming that take

into account epigenetic age of the starting cell material.

Keywords: regenerative medicine, epigenetic clock, direct cell reprogramming, induced pluripotent stem cells, embry

onic stem cells, telomeres, methylome

БИОХИМИЯ том 85 вып. 9 2020