Экспрессия генов NUP153 и YWHAB с их канонических промоторов и альтернативных промоторов ретротранспозона LINE-1 в плаценте первого триместра беременности

Для плаценты характерен уникальный гипометилированный геном. Благодаря этой особенности плаценты в первом триместре беременности наблюдается потенциальная возможность использования регуляторных элементов, полученных от ретровирусов и ретротранспозонов, которые во взрослом организме подавляются метилированием ДНК. Кроме того, у спонтанных абортусов и с нормальным кариотипом, и с анеуплоидиями отмечается аномальное повышение уровня метилирования ретротранспозона LINE-1 в трофобласте хориона, что может быть связано с нарушением транскрипции генов с использованием регуляторных элементов LINE-1. На сегодняшний день идентифицировано 988 генов, способных экспрессироваться с альтернативных промоторов LINE-1. Из них с помощью инструмента STRING были отобраны гены, продукты которых взаимодействуют с белками, экспрессирующимися на высоком уровне в плаценте и участвующими в дифференцировке трофобласта, NUP153 и YWHAB. Целью настоящего исследования являлся анализ экспрессии генов NUP153 и YWHAB с канонических и альтернативных промоторов ретротранспозона LINE-1 в зародышевой части плаценты спонтанных и медицинских абортусов первого триместра беременности. Определение уровня экспрессии генов проводили с помощью ПЦР в режиме реального времени в лимфоцитах взрослых индивидов (n = 10), в ворсинах хориона и экстраэмбриональной мезодерме медицинских абортусов (n = 10) и спонтанных абортусов с нормальным кариотипом (n = 10) и с наиболее частыми анеуплоидиями в I триместре беременности (трисомия 16 (n = 8) и моносомия X (n = 6)). Индекс метилирования LINE-1 оценивали в ворсинах хориона спонтанных абортусов с помощью таргетного бисульфитного массового параллельного секвенирования. Уровень экспрессии обоих генов с канонических промоторов был выше в лимфоцитах крови, чем в тканях плаценты (p < 0.05). Однако уровень экспрессии гена NUP153 с альтернативного промотора LINE-1 был выше в 17 раз в ворсинах хориона и в 23 раза – в экстраэмбриональной мезодерме по сравнению с лимфоцитами (p < 0.05). Между группами спонтанных абортусов с моносомией X и остальными группами были выявлены статистически значимые различия. Уровень экспрессии NUP153 и YWHAB с канонических промоторов был выше в группе спонтанных абортусов с моносомией X по сравнению со всеми другими группами (p < 0.05). Индекс метилирования LINE-1 отрицательно коррелировал с уровнем экспрессии генов как c канонических (NUP153 – R = –0.59, YWHAB – R = –0.52, p < 0.05), так и c альтернативных промоторов LINE-1 (NUP153 – R = –0.46, YWHAB – R = –0.66, p < 0.05). Таким образом, наблюдаемое нами повышение индекса метилирования LINE-1 в плаценте спонтанных абортусов связано с уровнем экспрессии генов NUP153 и YWHAB не только с альтернативных, но и с канонических промоторов, что в дальнейшем может приводить к негативным последствиям для нормального эмбриогенеза.

1. Arai T., Kasper J.S., Skaar J.R., Ali S.H., Takahashi C., DeCaprio J.A. Targeted disruption of p185/Cul7 gene results in abnormal vascular morphogenesis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003;100(17):9855-9860. DOI 10.1073/pnas.1733908100.

2. Bilir Ş., Kojidani T., Mori C., Osakada H., Kobayashi S., Koujin T., Hiraoka Y., Haraguchi T. Roles of Nup133, Nup153 and membrane fenestrations in assembly of the nuclear pore complex at the end of mitosis. Genes Cells. 2019;24(5):338-353. DOI 10.1111/gtc.12677.

3. Bissonauth V., Roy S., Gravel M., Guillemette S., Charron J. Requirement for Map2k1 (Mek1) in extra-embryonic ectoderm during placentogenesis. Development. 2006;133(17):3429-3440. DOI 10.1242/dev.02526.

4. Chalitchagorn K., Shuangshoti S., Hourpai N., Kongruttanachok N., Tangkijvanich P., Thong-ngam D., Voravud N., Sriuranpong V., Mutirangura A. Distinctive pattern of LINE-1 methylation level in normal tissues and the association with carcinogenesis. Oncogene. 2004;23(54):8841-8846. DOI 10.1038/sj.onc.1208137.

5. Chiu S.Y., Asai N., Costantini F., Hsu W. SUMO-specific protease 2 is essential for modulating p53-mdm2 in development of trophoblast stem cell niches and lineages. PLoS Biol. 2008;6(12):e310. DOI 10.1371/journal.pbio.0060310.

6. Criscione S.W., Teo Y.V., Neretti N. The chromatin landscape of cellular senescence. Trends Genet. 2016a;32(11):751-761. DOI 10.1016/j.tig.2016.09.005.

7. Criscione S.W., Theodosakis N., Micevic G., Cornish T.B., Burns K.H., Neretti N., Rodić N. Genome-wide characterization of human L1 antisense promoter-driven transcripts. BMC Genomics. 2016b;17:463. DOI 10.1186/s12864-016-2800-5.

8. Denli A.M., Narvaiza I., Kerman B.E., Pena M., Benner C., Marchetto M.C., Diedrich J.K., Aslanian A., Ma J., Moresco J.J., Moore L., Hunter T., Saghatelian A., Gage F.H. Primate-specific ORF0 contributes to retrotransposon-mediated diversity. Cell. 2015;163(3):583-593. DOI 10.1016/j.cell.2015.09.025.

9. Fahlbusch F.B., Dawood Y., Hartner A., Menendez-Castro C., Nögel S.C., Tzschoppe A., Schneider H., Strissel P., Beckmann M.W., Schleussner E., Ruebner M., Dörr H.G., Schild R.L., Rascher W., Dötsch J. Cullin 7 and Fbxw 8 expression in trophoblastic cells is regulated via oxygen tension: implications for intrauterine growth restriction? J. Matern. Fetal Neonatal Med. 2012;25(11):2209-2215. DOI 10.3109/14767058.2012.684166.

10. Fu J., Lv X., Lin H., Wu L., Wang R., Zhou Z., Zhang B., Wang Y.L., Tsang B.K., Zhu C., Wang H. Ubiquitin ligase cullin 7 induces epithelial-mesenchymal transition in human choriocarcinoma cells. J. Biol. Chem. 2010;285(14):10870-10879. DOI 10.1074/jbc.M109.004200.

11. He Z.M., Li J., Hwa Y.L., Brost B., Fang Q., Jiang S.W. Transition of LINE-1 DNA methylation status and altered expression in first and third trimester placentas. PLoS One. 2014;9(5):96994. DOI 10.1371/journal.pone.0096994.

12. Kang X., Qi Y., Zuo Y., Wang Q., Zou Y., Schwartz R.J., Cheng J., Yeh E.T.H. SUMO-specific protease 2 is essential for suppression of polycomb group protein-mediated gene silencing during embryonic development. Mol. Cell. 2010;38(2):191-201. DOI 10.1016/j.molcel.2010.03.005.

13. Kim E.Y., Chen L., Ma Y., Yu W., Chang J., Moskowitz I.P., Wang J. Enhanced desumoylation in murine hearts by overexpressed SENP2 leads to congenital heart defects and cardiac dysfunction. J. Mol. Cell. Cardiol. 2012;52(3):638-649. DOI 10.1016/j.yjmcc.2011.11.011.

14. Lebedev I.N., Ostroverkhova N.V., Nikitina T.V., Sukhanova N.N., Nazarenko S.A. Features of chromosomal abnormalities in spontaneous abortion cell culture failures detected by interphase FISH analysis. Eur. J. Hum. Genet. 2004;12(7):513-520. DOI 10.1038/sj.ejhg.5201178.

15. Maksimova N., Hara K., Miyashia A., Nikolaeva I., Shiga A., Nogovicina A., Sukhomyasova A., Argunov V., Shvedova A., Ikeuchi T., Nishizawa M., Kuwano R., Onodera O. Clinical, molecular and histopathological features of short stature syndrome with novel CUL7 mutation in Yakuts: new population isolate in Asia. J. Med. Genet. 2007;44(12):772-778. DOI 10.1136/jmg.2007.051979.

16. Ostertag E.M., Kazazian H.H. Jr. Biology of mammalian L1 retrotransposons. Annu. Rev. Genet. 2001;35:501-538. DOI 10.1146/annurev.genet.35.102401.091032.

17. Price E.M., Cotton A.M., Peñaherrera M.S., McFadden D.E., Kobor M.S., Robinson W. Different measures of “genome-wide” DNA methylation exhibit unique properties in placental and somatic tissues. Epigenetics. 2012;7(6):652-663. DOI 10.4161/epi.20221.

18. Robinson W.P., Price E.M. The human placental methylome. Cold Spring Harb. Perspect. Med. 2015;5(5):a023044. DOI 10.1101/cshperspect.a023044.

19. Rosser J.M., An W. L1 expression and regulation in humans and rodents. Front. Biosci. (Elite Ed.). 2012;4(6):2203-2225. DOI 10.2741/537.

20. Santos F., Hyslop L., Stojkovic P., Leary C., Murdoch A., Reik W., Stojkovic M., Herbert M., Dean W. Evaluation of epigenetic marks in human embryos derived from IVF and ICSI. Hum. Reprod. 2010; 25(9):2387-2395. DOI 10.1093/humrep/deq151.

21. Sasaki Y., Taya Y., Saito K., Fujita K., Aoba T., Fujiwara T. Molecular contribution to cleft palate production in cleft lip mice. Congenit. Anom. (Kyoto). 2014;54(2):94-99. DOI 10.1111/cga.12038.

22. Schroeder D.I., Blair J.D., Lott P., Yu H.O., Hong D., Crary F., Ashwood P., Walker C., Korf I., Robinson W.P., LaSalle J.M. The human placenta methylome. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013;110(15): 6037-6042. DOI 10.1073/pnas.1215145110.

23. Smith Z.D., Chan M.M., Mikkelsen T.S., Gu H., Gnirke A., Regev A., Meissner A. A unique regulatory phase of DNA methylation in the early mammalian embryo. Nature. 2012;484(7394):339-344. DOI 10.1038/nature10960.

24. Souquet B., Freed E., Berto A., Andric V., Audugé N., Reina-San-Martin B., Lacy E., Doye V. Nup133 is required for proper nuclear pore basket assembly and dynamics in embryonic stem cells. Cell Rep. 2018;23(8):2443-2454. DOI 10.1016/j.celrep.2018.04.070.

25. Talamillo A., Barroso-Gomila O., Giordano I., Ajuria L., Grillo M., Mayor U., Barrio R. The role of SUMOylation during development. Biochem. Soc. Trans. 2020;48(2):463-478. DOI 10.1042/BST20190390.

26. Vasilyev S.A., Markov A.V., Vasilyeva O.Yu., Tolmacheva E.N., Zatula L.A., Sharysh D.V., Zhigalina D.I., Demeneva V.V., Lebedev I.N. Method of targeted bisulfite massive parallel sequencing of the human LINE-1 retrotransposon promoter. MethodsX. 2021a;8:101445. DOI 10.1016/j.mex.2021.101445.

27. Vasilyev S.A., Timoshevsky V.A., Lebedev I.N. Cytogenetic mechanisms of aneuploidy in somatic cells of chemonuclear industry professionals with incorporated plutonium-239. Russ. J. Genet. 2010; 46(11):1381-1385. DOI 10.1134/S1022795410110141.

28. Vasilyev S.A., Tolmacheva E.N., Vasilyeva O.Y., Markov A.V., Zhigalina D.I., Zatula L.A., Lee V.A., Serdyukova E.S., Sazhenova E.A., Nikitina T.V., Kashevarova A.A., Lebedev I.N. LINE-1 retrotransposon methylation in chorionic villi of first trimester miscarriages with aneuploidy. J. Assist. Reprod. Genet. 2021b;38(1):139-149. DOI 10.1007/s10815-020-02003-1.