У млекопитающих, насекомых и высших цветковых растений отцовские и материнские гены могут проявлять дифференциальную супрессию уже на ранних стадиях онтогенеза. При этом наблюдается видимое искажение менделевских правил наследования отдельных признаков. В участках генома, подверженных импринтингу, экспрессируется только одна аллель — отцовская или материнская. Иными словами, экспрессия им- принтированного гена в организме-потомке определяется его родительским происхождением, то есть зависит от того, передается ли он геномом спермия или яйцеклетки. Данные по геномному импринтингу у человека были суммированы на конференции National Institute of Child Health (USA) [893]. Они подробно рассмотрены в ряде отечественных обзоров и сборников [63, 120, 121, 128].
Молекулярные механизмы этого явления в настоящий момент до конца неясны. Однако доказано, что в механизме импринтинга основная роль принадлежит модификации белков хроматина и ДНК, в частности, процессам ацетилирования гистонов и метилирования генов. Детали импринтинга в родительских половых клетках, его сохранение в клетках эмбриона и роль в регуляции экспрессии генов в эмбриогенезе, долгое время оставались неясными. За последние годы в изучении феномена геномного импринтинга достигнуты серьезные успехи:
  1. определены c/s-действующие последовательности, играющие важную роль в контроле импринтинга, 2) установлено время появления и элиминации импринтов в половых клетках, 3) выяснена динамика метилирования импринтированных генов в пре- и постнатальном онтогенезе, 4) показана кластерная локализация импринтированных генов в геноме, 5) установлена асинхронность репликации импринтированных генов.

Важнейшие события, связанные с геномным импринтингом, происходят еще в гаметогенезе. При этом как в мужских, так и в женских гаметах вначале происходит стирание (удаление) предсуществующих импринтов, унаследованных от родителей, а затем устанавливаются собственные импринты в соответствии с полом особи.
Для развивающихся половых клеток характерна последовательная смена двух событий: тотальное деметилирование ДНК и ее реметилирование. К 12-13 дням эмбрионального развития мышей ДНК в первичных половых клетках находится в неметилированном состоянии независимо от пола зародыша [361, 363]. К 15-16 дням развития происходит реметилирование большинства последовательностей генов (за исключением CpG-островков). При этом различия в характере метилирования отцовских и материнских хромосом сохраняются только в нуклеотидных последовательностях некоторых генов [361, 363].
Следует отметить, что общее деметилирование ДНК, характерное для ранних стадий развития половых клеток, касается также и всех импринтированных генов [843]. Так, показано, что еще на 12,5 день развития в первичных половых клетках импринтированные гены Igf2r, p57, Kip2, Pegl, Peg3, Snrpn, U2afrs1 находятся в неметилированном состоянии [404, 843]. Единственная последовательность, которая, по- видимому, может избегать общего деметилирования в раннем развитии половых клеток, — это 5’-район генаXist, ответственного за инактивацию одной из Х-хромосом у зародышей женского пола, необходимой для компенсации дозы генов [746].
В оогенезе у мышей процесс метилирования de novo происходит на стадии роста ооцитов вскоре после рождения. Это было показано для некоторых повторяющихся последовательностей [481], для гена Igf2r [843], а также трансгенов — чужеродной ДНК, включенной в геном ооцита [288].
В мужских половых клетках время установления импринтинга точно не выяснено. По всей видимости, метилирование генов Н19 и Igf2 происходит также вскоре после рождения, о чем косвенно свидетельствует высокий уровень метилтрансферазы Dnmt1 в ядрах сперматогониев.
После оплодотворения и вплоть до стадии бластоцисты происходит глобальное деметилирование генома зародыша, то есть стираются импринты мужских и женских геномов. У мыши однокопийные гены деметилируются в течение первых делений дробления и остаются гипометилированными до стадии поздней гаструлы. Импринтирован- ные сайты мужского генома деметилируются к 8-клеточной стадии, а полностью гаметический импринтинг стирается уже на стадии мору- лы (8-16 бластомеров) [646]. Тотальное деметилирование на начальных стадиях дробления, по-видимому, отражает процесс дедиферен- цировки геномов мужского и женского пронуклеусов и приобретение геномом дробящегося зародыша плюриопотентного состояния. Происходящий на стадии морулы процесс компактизации ведет к первичной дифференцировке на внутреннюю клеточную массу и трофэктодерму (см. главу 1) и сопровождается быстрой утратой тотипотентности клеток трофобласта. Дальнейшая дифференцировка клеток внутренней клеточной массы с образованием трех зародышевых листков сопровождается установлением характерного для каждого из них паттерна метилирования. Таким образом, происходит активация одних и инактивация других комплексов генов в результате чего формируется окончательная генетическая программа, обеспечивающая нормальное развитие целого зародыша и его отдельных зачатков [448, 646, 747].
Стадия бластоцисты характеризуется началом тотального метилирования ДНК зародыша de novo. Предположительно, метилирование происходит в период от 5,5 до 6,5 дней развития мыши, то есть вскоре после имплантации. К 6,5 дням все однокопийные гены, не имеющие CpG-островков, уже метилированы. В то же время гены, содержащие CpG-островки, гомеобоксные гены и активные аллели импринтированных генов метилируются de novo на более поздних стадиях развития. Как уже упоминалось, первичные половые клетки, т. е. клетки будущих дефинитивных гамет, избегают метилирования de novo вплоть до момента заселения гонад (у мышей — 11,5 дней развития). Метилирование в этих клетках происходит только после 14-го дня развития [747].
Аллель-специфический паттерн метилирования, установленный еще в эмбриональный период, сохраняется и в соматических клетках взрослых индивидов. Так, в культивируемых фибробластах функционирует только отцовская аллель гена Igf2, тогда как материнская аллель этого гена экспрессируется только при добавлении в культуру клеток ингибитора метилтрансферазы — 5-азадеоксицитидина [212].
Изменения эпигенотипа, приводящие к ослаблению или нарушению установившегося импринтинга, способствуют развитию патологических состояний клетки, в частности, ее злокачественному перерождению. В этой связи особый интерес представляет изучение молекулярных механизмов установления и поддержания аллель-спе- цифичного метилирования.
В настоящее время предполагается существование, по крайней мере, двух механизмов узнавания импринтированных участков генома.
Согласно одному из них, прямые тандемные повторы, находящиеся в CG-обогащенных последовательностях и ассоциированные с районами дифференциального метилирования, могут являться молекулярными маркерами импринтированных генов [665]. Действительно, при изучении первичной структуры импринтированных генов было установлено, что большинство из них содержат в своих регуляторных областях прямые тандемные повторы. Сравнительный анализ таких повторов не выявил высокой гомологии их последовательностей. Однако высокое содержание гуанина, сходная протяженность и характерная локализация по отношению к кодирующей части гена позволили предположить, что эти последовательности могут исполнять роль молекулярных маркеров импринтированных генов. По-видимому, такие повторы могут формировать альтернативные вторичные шпилечные структуры ДНК или специфичные хроматиновые домены, которые, в свою очередь, могут маркировать участки, в которых будет происходить метилирование de novo в гаметах или в клетках зародыша [327].
Согласно второму механизму, важная роль в аллель-специфичной экспрессии генов принадлежит транскриптам импринтированных аллелей. Рассмотрим этот механизм на примере одного из трех генов, для которых доказано существование антисмысловых транскриптов. Так, для материнской аллели гена Igf2r у мыши показан синтез антисмыслового транскрипта, функция которого заключается в подавлении экспрессии отцовской аллели этого же гена, результатом чего становится моноаллельная экспрессия материнского гена [500]. Мутации, нарушающие синтез такого антисмыслового РНК-транскрипта, приводят к экспрессии отцовского гена Igf2r [569].