Imprintingu genomowego - Genomic imprinting

Genomowy odciskanie jest epigenetyczne zjawisko, które powoduje geny być wyrażone w sposób nadrzędny od pochodzenia-specyficzny. Geny mogą być jednak częściowo wdrukowane. Częściowe imprinting ma miejsce, gdy allele obojga rodziców są wyrażane w różny sposób, a nie pełna ekspresja i całkowite tłumienie allelu jednego rodzica. Formy imprintingu genomowego zostały zademonstrowane u grzybów, roślin i zwierząt. Od 2014 r. u myszy znanych jest około 150 imprintowanych genów, au ludzi około połowa. W 2019 r. zgłoszono 260 imprintowanych genów u myszy i 228 u ludzi.

Wdrukowywanie genomowe jest procesem dziedziczenia niezależnym od klasycznego dziedziczenia Mendla . Jest to proces epigenetyczny, który obejmuje metylację DNA i metylację histonów bez zmiany sekwencji genetycznej. Te epigenetyczne znaki są ustalane ("odciskane") w linii zarodkowej (plemniki lub komórki jajowe) rodziców i są utrzymywane poprzez mitotyczne podziały komórkowe w komórkach somatycznych organizmu.

Odpowiednie wdrukowanie pewnych genów jest ważne dla prawidłowego rozwoju. Chorób człowieka obejmujących genomowego odciskanie obejmują zespół Angelmana , zespół Pradera-Williego i męską niepłodność .

Przegląd

W organizmach diploidalnych (takich jak ludzie) komórki somatyczne posiadają dwie kopie genomu , jedną odziedziczoną po ojcu, a drugą po matce. Każdy gen autosomalny jest zatem reprezentowany przez dwie kopie lub allele, z jedną kopią dziedziczoną od każdego rodzica podczas zapłodnienia . Wyrażony allel zależy od jego pochodzenia rodzicielskiego. Na przykład gen kodujący insulinopodobny czynnik wzrostu 2 (IGF2/Igf2) ulega ekspresji tylko w allelu odziedziczonym po ojcu. Chociaż imprinting odpowiada za niewielką część genów ssaków, odgrywają one ważną rolę w embriogenezie, szczególnie w tworzeniu struktur trzewnych i układu nerwowego.

Termin „wdrukowanie” został po raz pierwszy użyty do opisania zdarzeń u owada Pseudococcus nipae . U Pseudococcids ( wełnowców ) ( Hemiptera , Coccoidea ) zarówno samiec jak i samica rozwijają się z zapłodnionego jaja. U kobiet wszystkie chromosomy pozostają euchromatyczne i funkcjonalne. W zarodkach, które mają stać się mężczyznami, jeden haploidalny zestaw chromosomów ulega heterochromatynie po szóstym podziale i pozostaje taki w większości tkanek; samce są zatem funkcjonalnie haploidalne.

Wdrukowane geny u ssaków

W eksperymentach hodowlanych na myszach z wzajemnymi translokacjami chromosomów sugerowano, że imprinting może być cechą rozwoju ssaków . Eksperymenty z przeszczepianiem jądra komórkowego w mysich zygotach we wczesnych latach 80. potwierdziły, że normalny rozwój wymaga udziału zarówno genomów matki, jak i ojcowskiej. Ogromna większość mysich zarodków pochodzących z partenogenezy (zwanych partenogenonami, z dwoma genomami matki lub jaja) i androgenezy (zwanych androgenonami, z dwoma genomami ojcowskimi lub plemnikowymi) umiera na etapie blastocysty/implantacji lub przed nim. W rzadkich przypadkach, gdy rozwijają się do stadiów poimplantacyjnych, embriony ginogenetyczne wykazują lepszy rozwój embrionalny w porównaniu z rozwojem łożyska, podczas gdy w przypadku androgenonów jest odwrotnie. Niemniej jednak w przypadku tych ostatnich opisano tylko kilka (w pracy z 1984 r.).

Nie występują naturalnie występujące przypadki partenogenezy u ssaków z powodu wdrukowanych genów. Jednak w 2004 roku eksperymentalna manipulacja przez japońskich badaczy odcisku metylacji ojcowskiej kontrolującego gen Igf2 doprowadziła do narodzin myszy (o nazwie Kaguya ) z dwoma zestawami chromosomów od matki, choć nie jest to prawdziwy partenogenon, ponieważ komórki od dwóch różnych samic użyto myszy. Naukowcom udało się odnieść sukces, wykorzystując jedno jajo od niedojrzałego rodzica, zmniejszając w ten sposób wdrukowanie matczyne i modyfikując je w celu ekspresji genu Igf2, który normalnie jest wyrażany tylko przez ojcowskie kopie genu.

Zarodki partenogenetyczne/ginogenetyczne mają dwukrotnie wyższy poziom ekspresji niż geny pochodzące od matki i nie wykazują ekspresji genów wyrażanych przez ojca, podczas gdy sytuacja odwrotna jest prawdziwa w przypadku zarodków androgenetycznych. Obecnie wiadomo, że u ludzi i myszy istnieje co najmniej 80 imprintowanych genów, z których wiele bierze udział we wzroście i rozwoju embrionalnym i łożyskowym. Hybrydowe potomstwo dwóch gatunków może wykazywać niezwykły wzrost ze względu na nową kombinację wdrukowanych genów.

Do identyfikacji genów imprintowanych stosowano różne metody. U świń Bischoff i in. porównali profile transkrypcyjne przy użyciu mikromacierzy DNA w celu zbadania genów o zróżnicowanej ekspresji między partenotami (2 genomy matki) a płodami kontrolnymi (1 genom matki, 1 genom ojcowski). Intrygujące badania geodezyjnych transkryptom z mysich tkanek mózgu wykazały ponad 1300 Naniesione loci genowych (około 10-krotnie więcej niż podano wcześniej) przez sekwencjonowanie RNA z F1 hybryd powstałych ze wzajemnej podań. Wynik został jednak zakwestionowany przez innych, którzy twierdzili, że jest to przeszacowanie o rząd wielkości z powodu wadliwej analizy statystycznej.

U zwierząt hodowlanych wykazano, że polimorfizmy pojedynczych nukleotydów w imprintowanych genach wpływające na wzrost i rozwój płodu są powiązane z ekonomicznie ważnymi cechami produkcyjnymi u bydła, owiec i świń.

Mapowanie genetyczne wdrukowanych genów

W tym samym czasie, co omówione powyżej generowanie zarodków ginogenetycznych i androgenetycznych, powstawały również zarodki myszy, które zawierały tylko małe regiony, które pochodziły ze źródła ojcowskiego lub matczynego. Wygenerowanie serii takich jednorodzicielskich disomii , które łącznie obejmują cały genom, pozwoliło na stworzenie mapy imprintingowej. Te regiony, które po odziedziczeniu po jednym rodzicu dają dostrzegalny fenotyp, zawierają odciśnięte geny. Dalsze badania wykazały, że w tych regionach często znajdowały się liczne imprintowane geny. Około 80% imprintowanych genów znajduje się w klastrach takich jak te, zwane domenami imprintowanymi, co sugeruje poziom skoordynowanej kontroli. Niedawno w badaniach przesiewowych całego genomu w celu identyfikacji odciskanych genów wykorzystano zróżnicowaną ekspresję mRNA z płodów kontrolnych i płodów partenogenetycznych lub androgenetycznych zhybrydyzowanych z mikromacierzami profilowania ekspresji genów , specyficzną dla alleli ekspresją genów przy użyciu mikromacierzy genotypowania SNP , sekwencjonowania transkryptomu i rurociągów przewidywania in silico .

Mechanizmy nadruku

Nadruk to dynamiczny proces. Musi być możliwe wymazanie i przywracanie odcisków w każdym pokoleniu, tak aby geny, które są odciśnięte u osoby dorosłej, mogły nadal ulegać ekspresji w potomstwie tej osoby dorosłej. (Na przykład matczyne geny kontrolujące produkcję insuliny będą wdrukowywane u samca, ale będą ulegać ekspresji u potomstwa mężczyzny, które odziedziczy te geny). Natura wdrukowania musi zatem być raczej epigenetyczna niż zależna od sekwencji DNA. W komórkach linii zarodkowej odcisk jest wymazywany, a następnie odtwarzany w zależności od płci osobnika, tj. w rozwijającym się plemniku (podczas spermatogenezy ) powstaje odcisk ojcowski, natomiast w rozwijających się oocytach ( oogeneza ) powstaje odcisk matczyny. Ten proces wymazywania i przeprogramowywania jest konieczny, aby status wdrukowania komórek zarodkowych był związany z płcią osobnika. Zarówno u roślin, jak iu ssaków istnieją dwa główne mechanizmy, które są zaangażowane w tworzenie odcisku; są to metylacja DNA i modyfikacje histonów .

Niedawno nowe badanie zasugerowało nowy dziedziczny mechanizm imprintingu u ludzi, który byłby specyficzny dla tkanki łożyska i który jest niezależny od metylacji DNA (główny i klasyczny mechanizm imprintingu genomowego). Zaobserwowano to u ludzi, ale nie u myszy, co sugeruje rozwój po ewolucyjnej dywergencji ludzi i myszy, ~80 Mya . Wśród hipotetycznych wyjaśnień tego nowego zjawiska zaproponowano dwa możliwe mechanizmy: albo modyfikację histonów, która nadaje imprinting w nowych, nadrukowanych loci specyficznych dla łożyska , albo, alternatywnie, rekrutację DNMT do tych loci przez specyficzny i nieznany czynnik transkrypcyjny, który mógłby być wyrażane podczas wczesnego różnicowania trofoblastów.

Rozporządzenie

Grupowanie wdrukowanych genów w klastry pozwala im dzielić wspólne elementy regulatorowe, takie jak niekodujące RNA i regiony o zróżnicowanej metylacji (DMR) . Gdy te elementy regulatorowe kontrolują imprinting jednego lub więcej genów, są one znane jako imprinting control regions (ICR). Wykazano, że ekspresja niekodujących RNA , takich jak antysensowny RNA Igf2r ( Air ) na mysim chromosomie 17 i KCNQ1OT1 na ludzkim chromosomie 11p15.5, jest niezbędna do imprintingu genów w odpowiadających im regionach.

Regiony o zróżnicowanej metylacji to zazwyczaj segmenty DNA bogate w nukleotydy cytozyny i guaniny , przy czym nukleotydy cytozyny są metylowane w jednej kopii, ale nie w drugiej. Wbrew oczekiwaniom metylacja niekoniecznie oznacza wyciszenie; zamiast tego efekt metylacji zależy od domyślnego stanu regionu.

Funkcje wdrukowanych genów

Kontrola ekspresji określonych genów za pomocą imprintingu genomowego jest unikalna dla ssaków terian ( ssaki łożyskowe i torbacze ) oraz roślin kwiatowych. Odciskanie całych chromosomów odnotowano u wełnowców (Rodzaj: Pseudococcus ). i komar grzyba ( Sciara ). Ustalono również, że inaktywacja chromosomu X zachodzi w sposób wdrukowany w pozazarodkowych tkankach myszy i wszystkich tkankach torbaczy, gdzie wyciszony jest zawsze ojcowski chromosom X.

Stwierdzono, że większość wdrukowanych genów u ssaków odgrywa rolę w kontrolowaniu wzrostu i rozwoju embrionów, w tym rozwoju łożyska. Inne wdrukowane geny są zaangażowane w rozwój pourodzeniowy, odgrywając role wpływające na ssanie i metabolizm.

Hipotezy dotyczące genezy wdrukowania

Powszechnie akceptowaną hipotezą dotyczącą ewolucji imprintingu genomowego jest „hipoteza konfliktu rodzicielskiego”. Hipoteza ta, znana również jako teoria pokrewieństwa w imprintingu genomowym, stwierdza, że ​​nierówność między genomami rodzicielskimi spowodowana imprintingiem jest wynikiem różnych interesów każdego z rodziców w zakresie ewolucyjnego dopasowania ich genów . Przez ojca geny „s, które kodują imprinting uzyskać większą sprawność poprzez sukcesu potomstwa, na koszt matki . Ewolucyjnym imperatywem matki jest często oszczędzanie zasobów na własne przetrwanie, przy jednoczesnym zapewnieniu wystarczającego pożywienia obecnym i kolejnym miotom. W związku z tym geny ulegające ekspresji ojcowskiej mają tendencję do pobudzania wzrostu, podczas gdy geny ulegające ekspresji matczynej mają tendencję do ograniczania wzrostu. Na poparcie tej hipotezy odkryto wdrukowanie genomowe u wszystkich ssaków łożyskowych, u których zużycie zasobów przez potomstwo po zapłodnieniu kosztem matki jest wysokie; chociaż stwierdzono go również u ptaków jajorodnych, gdzie transfer zasobów po zapłodnieniu jest stosunkowo niewielki, a zatem mniej konfliktów rodzicielskich. Niewielka liczba imprintowanych genów szybko ewoluuje w pozytywnej darwinowskiej selekcji, prawdopodobnie z powodu antagonistycznej koewolucji. Większość genów imprintowanych wykazuje wysoki poziom zachowania mikrosyntenii i przeszła bardzo niewiele duplikacji w rodach ssaków łożyskowych.

Jednak nasza wiedza na temat mechanizmów molekularnych stojących za wdrukowywaniem genomu pokazuje, że to genom matki kontroluje większość wdrukowywania zarówno własnych, jak i pochodzących od ojca genów w zygocie, co utrudnia wyjaśnienie, dlaczego geny matczyne dobrowolnie zrezygnowałyby ich dominacja nad genami pochodzenia ojcowskiego w świetle hipotezy konfliktu.

Inna proponowana hipoteza mówi, że niektóre geny wdrukowane współdziałają, aby poprawić zarówno rozwój płodu, jak i zapewnienie matce odżywiania i opieki. W nim podzbiór genów wyrażanych przez ojca jest jednocześnie wyrażany zarówno w łożysku, jak iw podwzgórzu matki. Mogłoby to nastąpić poprzez selektywną presję koadaptacji rodzic-dziecko w celu poprawy przeżywalności niemowląt. Ojcowskie ekspresja 3 ( PEG3 ) jest genem, do którego ta hipoteza może mieć zastosowanie.

Inni podeszli do swoich badań nad pochodzeniem genomowego imprintingu z innej strony, argumentując, że dobór naturalny opiera się na roli znaczników epigenetycznych jako maszynerii do homologicznego rozpoznawania chromosomów podczas mejozy, a nie na ich roli w ekspresji różnicowej. Argument ten koncentruje się na istnieniu efektów epigenetycznych na chromosomach, które nie wpływają bezpośrednio na ekspresję genów, ale zależą od rodzica, od którego pochodzi chromosom. Ta grupa zmian epigenetycznych, które zależą od rodzicielskiego pochodzenia chromosomu (w tym zarówno te, które wpływają na ekspresję genów, jak i te, które nie mają wpływu) nazywana jest efektami pochodzenia rodzicielskiego i obejmuje takie zjawiska, jak inaktywacja ojcowskiego chromosomu X u torbaczy, nielosowy rozkład chromatyd rodzicielskich u torbaczy. paprocie, a nawet zmiany typu godowego u drożdży. Ta różnorodność organizmów, które wykazują efekty pochodzenia rodzicielskiego, skłoniła teoretyków do umieszczenia ewolucyjnego pochodzenia wdrukowania genomowego przed ostatnim wspólnym przodkiem roślin i zwierząt ponad miliard lat temu.

Dobór naturalny do imprintingu genomowego wymaga zmienności genetycznej w populacji. Hipoteza dotycząca pochodzenia tej zmienności genetycznej głosi, że system obronny gospodarz odpowiedzialny za wyciszanie obcych elementów DNA, takich jak geny pochodzenia wirusowego, błędnie wyciszał geny, których wyciszenie okazało się korzystne dla organizmu. Wydaje się , że istnieje nadreprezentacja genów retrotransponowanych , to znaczy genów wstawianych do genomu przez wirusy , wśród genów imprintowanych. Postulowano również, że jeśli retrotransponowany gen zostanie wstawiony blisko innego imprintowanego genu, może po prostu uzyskać ten odcisk.

Imprinted Loci Fenotypowe Sygnatury

Niestety, związek między fenotypem a genotypem wdrukowanych genów jest wyłącznie koncepcyjny. Pomysł opiera się na pracy ramowej przy użyciu dwóch alleli w jednym loci i obejmuje trzy różne możliwe klasy genotypów. Klasa genotypów wzajemnych heterozygot przyczynia się do zrozumienia, w jaki sposób imprinting wpłynie na relacje genotyp-fenotyp. Wzajemne heterozygoty mają genetycznie równoważne, ale fenotypowo nie są równoważne. Ich fenotyp może nie zależeć od równoważności genotypu. Może to ostatecznie zwiększyć różnorodność klas genetycznych, zwiększając elastyczność wdrukowanych genów. Ten wzrost wymusi również wyższy stopień możliwości testowania i asortymentu testów w celu określenia obecności nadruku.

Gdy locus zostanie zidentyfikowany jako odciśnięty, dwie różne klasy wyrażają różne allele. Uważa się, że odziedziczone imprintowane geny potomstwa są ekspresją monoalleliczną. Pojedynczy locus całkowicie wytworzy fenotyp, chociaż dwa allele są dziedziczone. Ta klasa genotypów nazywana jest imprintingiem rodzicielskim, a także imprintingiem dominującym. Wzorce fenotypowe są wariantem możliwych ekspresji genotypów ojcowskich i matczynych. Różne allele odziedziczone od różnych rodziców będą miały różne cechy fenotypowe. Jeden allel będzie miał większą wartość fenotypową, a drugi zostanie wyciszony. Underdomination locus to kolejna możliwość ekspresji fenotypowej. Zarówno fenotypy matczyne, jak i ojcowskie będą miały niewielką wartość, a nie jeden przynoszący dużą wartość i uciszający drugi.

Ramy statystyczne i modele mapowania są wykorzystywane do identyfikacji wpływu imprintingu na geny i złożone cechy. Alleliczne rodzicielstwo pochodzenia - wpływa na zróżnicowanie fenotypowe, które wynikają z imprintingu klas genotypowych. Te modele mapowania i identyfikowania efektów imprintingu obejmują wykorzystanie nieuporządkowanych genotypów do budowy modeli mapowania. Modele te pokażą klasyczną genetykę ilościową i efekty dominacji genów imprintowanych.

Zaburzenia związane z wdrukowaniem

Imprinting może powodować problemy w klonowaniu , ponieważ klony mają DNA, które nie jest zmetylowane we właściwych pozycjach. Możliwe, że wynika to z braku czasu na całkowite przeprogramowanie. Kiedy jądro zostaje dodane do komórki jajowej podczas przenoszenia jądra komórki somatycznej , jajo zaczyna się dzielić w ciągu kilku minut, w porównaniu z dniami lub miesiącami potrzebnymi do przeprogramowania podczas rozwoju embrionalnego . Jeśli czas jest czynnikiem odpowiedzialnym, możliwe jest opóźnienie podziału komórek w klonach, dając czas na właściwe przeprogramowanie.

Allel genu „callipyge” (z greckiego „piękne pośladki”) lub CLPG, genu u owiec wytwarza duże pośladki składające się z mięśni i bardzo mało tłuszczu. Fenotyp z dużymi pośladkami występuje tylko wtedy, gdy allel jest obecny na kopii chromosomu 18 odziedziczonej po ojcu owcy, a nie na kopii chromosomu 18 odziedziczonej po matce tej owcy.

Zapłodnienie in vitro , w tym ICSI , wiąże się ze zwiększonym ryzykiem zaburzeń imprintingu, z ilorazem szans 3,7 (95% przedział ufności 1,4 do 9,7).

Niepłodność męska

Zaobserwowano deregulacje epigenetyczne w genie z wdrukowanym H19 w plemniku, związane z niepłodnością męską . Rzeczywiście, zaobserwowano utratę metylacji w genie z nadrukiem H19 powiązaną z hipermetylacją promotora genu MTHFR w próbkach nasienia od niepłodnych mężczyzn.

Prader-Willi/Angelman

Pierwszymi wdrukowanymi zaburzeniami genetycznymi, jakie opisano u ludzi, były wzajemnie dziedziczony zespół Pradera-Williego i zespół Angelmana . Oba zespoły są związane z utratą regionu chromosomalnego 15q11-13 (prążek 11 długiego ramienia chromosomu 15). Region ten zawiera geny wyrażane przez ojca SNRPN i NDN oraz gen UBE3A wyrażany przez matkę .

DIRAS3 (NOEY2 lub ARH1)

DIRAS3 to gen ulegający ekspresji ojcowskiej i wdrukowany po matce, zlokalizowany na chromosomie 1 u ludzi. Zmniejszona ekspresja DIRAS3 wiąże się ze zwiększonym ryzykiem raka jajnika i piersi; w 41% raków piersi i jajnika białko kodowane przez DIRAS3 nie ulega ekspresji, co sugeruje, że działa jako gen supresorowy guza . Dlatego też, jeśli wystąpi disomia jednorodzicielska, a osoba odziedziczy oba chromosomy od matki, gen nie będzie ulegał ekspresji, a jednostka jest narażona na większe ryzyko raka piersi i jajnika.

Inne

Inne stany związane odciskanie obejmują zespół Beckwith-Wiedemanna , zespół Silvera-Russella i rzekomej .

Przejściowa cukrzyca noworodków może również obejmować imprinting.

„ Hipoteza wdrukowanego mózgu ” twierdzi, że niezrównoważone wdrukowanie może być przyczyną autyzmu i psychozy .

Wdrukowane geny u innych zwierząt

U owadów imprinting wpływa na całe chromosomy. U niektórych owadów cały genom ojcowski jest wyciszony u potomstwa płci męskiej, a zatem bierze udział w określaniu płci. Imprinting wywołuje efekty podobne do mechanizmów u innych owadów, które eliminują chromosomy odziedziczone po ojcu u potomstwa płci męskiej, w tym arrhenotoky .

U gatunków łożyskowych konflikt między rodzicami a potomstwem może skutkować ewolucją strategii, takich jak imprinting genomowy, aby zarodki udaremniały dostarczanie matczynej substancji odżywczej. Pomimo kilku prób jej odnalezienia, nie znaleziono imprintingu genomowego u dziobaka, gadów, ptaków czy ryb. Brak imprintingu genomowego u gada łożyskowego, Pseudemoia entrecasteauxii , jest interesujący, ponieważ uważano, że imprinting genomowy jest związany z ewolucją żyworodności i łożyskowym transportem składników odżywczych.

Badania na zwierzętach hodowlanych, takich jak bydło mleczne i mięsne, wskazują na wdrukowane geny (np. IGF2) w szereg cech ekonomicznych, w tym wydajność mleczną u bydła rasy holsztyńsko-fryzyjskiej.

Wdrukowane geny w roślinach

Podobne zjawisko imprintingu opisano również u roślin kwitnących (okrytozalążkowych). Podczas zapłodnienia komórki jajowej, drugie, oddzielne zapłodnienie powoduje powstanie bielma , struktury pozaembrionalnej, która odżywia zarodek w sposób analogiczny do łożyska ssaka . W przeciwieństwie do zarodka, bielmo często powstaje z połączenia dwóch komórek matczynych z gametą męską . Powoduje to genom triploidalny . Stosunek 2:1 genomów matczynych do ojcowskich wydaje się mieć kluczowe znaczenie dla rozwoju nasion. Stwierdzono, że niektóre geny ulegają ekspresji z obu genomów matczynych, podczas gdy inne są wyrażane wyłącznie z pojedynczej kopii ojcowskiej. Sugerowano, że te wdrukowane geny są odpowiedzialne za efekt blokady triploidalnej w roślinach kwitnących, który zapobiega hybrydyzacji między diploidami i autotetraploidami.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki