Эпигенетическая регуляция ооцита. Геномный импринтинг
Обновлено: 26.04.2024
Геномный импринтинг - это процесс наследования, независимый от классического менделевского наследования. Это эпигенетический процесс, который включает метилирование ДНК и метилирование гистонов без изменения генетической последовательности. Эти эпигенетические метки устанавливаются («отпечатываются») в зародышевой линии (сперматозоиды или яйцеклетки) родителей и поддерживаются посредством митотических клеточных делений в соматических клетках организма.
Соответствующий импринтинг определенных генов важен для нормального развития. Заболевания человека, связанные с геномным импринтингом, включают синдром Ангельмана, синдром Прадера – Вилли и мужское бесплодие.
Содержание
- 1 Обзор
- 2 Гены, импринтированные у млекопитающих
- 2.1 Генетическое картирование импринтированных генов
- 2.2 Механизмы импринтинга
- 2.3 Регуляция
- 2.4 Функции импринтированных генов
- 2.5 Гипотезы о происхождении импринтинга
- 4.1 Мужское бесплодие
- 4.2 Прадер-Вилли / Ангелман
- 4.3 DIRAS3 (NOEY2 или ARH1)
- 4.4 Другое
Обзор
У диплоидных организмов (например, людей) соматические клетки обладают двумя копиями геном, один унаследован от отца, другой - от матери. Таким образом, каждый аутосомный ген представлен двумя копиями или аллелями, причем одна копия унаследована от каждого родителя при оплодотворении. Для подавляющего большинства аутосомных генов экспрессия происходит одновременно на обоих аллелях. Однако у млекопитающих небольшая часть ( микроматрицы, секвенирование транскриптомов и конвейеры предсказания in silico.
Механизмы импринтинга
Импринтинг - это динамический процесс. Должна быть возможность стирать и восстанавливать отпечатки в каждом поколении, чтобы гены, отпечатанные у взрослого человека, все еще могли экспрессироваться в его потомстве. (Например, материнские гены, которые контролируют выработку инсулина, будут импринтированы у самца, но будут экспрессироваться в любом из потомков самца, унаследовавшего эти гены.) Поэтому импринтинг должен быть эпигенетическим, а не ДНК. зависит от последовательности. В клетках зародышевой линии отпечаток стирается, а затем восстанавливается в соответствии с полом индивидуума, то есть в развивающихся сперматозоидах (во время сперматогенеза ), отцовского устанавливается отпечаток, тогда как в развивающихся ооцитах (oogenesis ) устанавливается материнский отпечаток. Этот процесс стирания и перепрограммирования необходим так, чтобы статус импринтинга половых клеток соответствовал полу человека. И у растений, и у млекопитающих есть два основных механизма, которые участвуют в создании отпечатка; это модификации метилирования ДНК и гистона.
Недавно в новом исследовании был предложен новый механизм наследственного импринтинга у людей, который будет специфическим для плацентарной ткани и не зависит от метилирования ДНК (основного и классического механизма геномного импринтинга). Это наблюдалось у людей, но не у мышей, что предполагает развитие после эволюционного расхождения людей и мышей, ~ 80 Mya. Среди гипотетических объяснений этого нового феномена были предложены два возможных механизма: либо модификация гистонов, которая обеспечивает импринтинг в новых специфичных для плаценты импринтированных локусах, либо, в качестве альтернативы, привлечение DNMT в эти локусы специфическим и неизвестный фактор транскрипции, который будет экспрессироваться во время ранней дифференцировки трофобластов.
Регламент
Группировка импринтированных генов в кластеры позволяет им иметь общие регуляторные элементы, такие как некодирующие РНК и дифференциально метилированные области (DMR). Когда эти регуляторные элементы контролируют импринтинг одного или нескольких генов, они известны как области контроля импринтинга (ICR). Показана экспрессия некодирующих РНК, таких как антисмысловая РНК Igf2r (Air) на хромосоме 17 мыши и KCNQ1OT1 на хромосоме 11p15.5 человека. быть важным для импринтинга генов в их соответствующих областях.
Дифференциально метилированные области обычно представляют собой сегменты ДНК, богатые цитозиновыми и гуаниновыми нуклеотидами, с нуклеотидами цитозина метилирован на одной копии, но не на другой. Вопреки ожиданиям, метилирование не обязательно означает молчание; вместо этого эффект метилирования зависит от состояния региона по умолчанию.
Функции импринтированных генов
Было обнаружено, что большинство импринтированных генов у млекопитающих играют роль в контроле роста и развития эмбриона, включая развитие плаценты. Другие импринтированные гены участвуют в постнатальном развитии, их роли влияют на сосание и метаболизм.
Гипотезы о происхождении импринтинга
Широко принятая гипотеза эволюции геномного импринтинга - это «родительский» гипотеза конфликта ». Эта гипотеза, также известная как теория родства геномного импринтинга, утверждает, что неравенство между родительскими геномами из-за импринтинга является результатом различных интересов каждого из родителей с точки зрения эволюционной пригодности их генов.. Гены отца, которые кодируют импринтинг, приобретают большую приспособленность благодаря успеху потомства за счет матери. Эволюционный императив матери часто состоит в том, чтобы сохранить ресурсы для собственного выживания, обеспечивая при этом достаточное питание для текущего и последующих пометов. Соответственно, отцовские гены имеют тенденцию стимулировать рост, тогда как материнские экспрессируемые гены имеют тенденцию ограничивать рост. В поддержку этой гипотезы геномный импринтинг был обнаружен у всех плацентарных млекопитающих, у которых потребление ресурсов потомством после оплодотворения за счет матери является высоким; хотя он также был обнаружен у яйцекладущих птиц, у которых происходит относительно небольшая передача ресурсов после оплодотворения и, следовательно, меньше родительских конфликтов. Небольшое количество импринтированных генов быстро эволюционирует при позитивном дарвиновском отборе, возможно, из-за антагонистической коэволюции. Большинство импринтированных генов демонстрируют высокий уровень консервативности микро- синтении и претерпели очень мало дупликаций в клонах плацентарных млекопитающих.
Однако наше понимание молекулярных механизмов геномного импринтинга показывает, что это является материнским геномом, который контролирует большую часть импринтинга как собственных, так и отцовских генов в зиготе, что затрудняет объяснение того, почему материнские гены охотно уступают свое господство в пользу генов, полученных от отца, в свете гипотеза конфликта.
Другая предложенная гипотеза заключается в том, что некоторые импринтированные гены действуют коадаптивно, улучшая как развитие плода, так и обеспечение матери для питания и ухода. В нем подмножество отцовских генов коэкспрессируется как в плаценте, так и в гипоталамусе матери. Это могло произойти за счет избирательного давления со стороны коадаптации родителей и младенцев с целью улучшения выживаемости младенцев. Отцовски экспрессируемый 3 (PEG3 ) является геном, к которому может применяться эта гипотеза.
Другие исследователи подошли к своему исследованию происхождения геномного импринтинга с другой стороны, утверждая, что естественный selection зависит от роли эпигенетических меток как механизма распознавания гомологичных хромосом во время мейоза, а не от их роли в дифференциальной экспрессии. Этот аргумент основан на существовании эпигенетических эффектов на хромосомы, которые не влияют напрямую на экспрессию генов, но зависят от того, от какого родителя произошла хромосома. Эта группа эпигенетических изменений, которые зависят от родительского происхождения хромосомы (включая как те, которые влияют на экспрессию генов, так и те, которые не влияют), называются эффектами родительского происхождения и включают такие явления, как инактивация отцовской X у сумчатых, неслучайное распределение родительских хроматид в папоротники, и даже переключение типа вязки у дрожжей. Это разнообразие организмов, которые демонстрируют эффекты родительского происхождения, побудило теоретиков поставить эволюционное происхождение геномного импринтинга до последнего общего предка растений и животных, более миллиарда лет назад.
Естественный отбор для геномного импринтинга требует генетической изменчивости в популяции. Гипотеза происхождения этой генетической вариации утверждает, что система защиты хозяина, ответственная за подавление чужеродных элементов ДНК, таких как гены вирусного происхождения, по ошибке подавила гены, молчание которых оказалось полезным для организма. По-видимому, среди импринтированных генов наблюдается чрезмерное представительство ретротранспозированных генов, то есть генов, которые вставляются в геном вирусами. Также постулировалось, что если ретротранспозированный ген вставлен рядом с другим импринтированным геном, он может просто получить этот отпечаток.
Фенотипические сигнатуры импринтированных локусов
К сожалению, взаимосвязь между фенотипом и генотипом импринтированных генов носит исключительно концептуальный характер. Идея основана на использовании двух аллелей в одном локусе и содержит три различных возможных класса генотипов. Класс реципрокных гетерозиготных генотипов помогает понять, как импринтинг повлияет на взаимосвязь генотипа и фенотипа. Реципрокные гетерозиготы имеют генетический эквивалент, но фенотипически неэквивалентны. Их фенотип может не зависеть от эквивалентности генотипа. В конечном итоге это может увеличить разнообразие генетических классов, увеличивая гибкость импринтированных генов. Это увеличение также приведет к более высокому уровню возможностей тестирования и ассортимента тестов для определения наличия импринтинга.
Когда локус идентифицируется как импринтированный, два разных класса выражают разные аллели. Считается, что унаследованные импринтированные гены потомства являются моноаллельными экспрессиями. Один локус будет полностью определять фенотип, хотя два аллеля наследуются. Этот класс генотипов называется родительским импринтингом, а также доминантным импринтингом. Фенотипические паттерны являются вариантами возможных проявлений отцовского и материнского генотипов. Различные аллели, унаследованные от разных родителей, будут обладать разными фенотипическими качествами. Один аллель будет иметь большее фенотипическое значение, а другой аллель будет подавлен. Недостаточное доминирование локуса - еще одна возможность фенотипического выражения. И материнский, и отцовский фенотип будут иметь небольшую ценность, а не один, имеющий большую ценность и подавляющий другой.
Статистические рамки и модели картирования используются для выявления эффектов импринтинга на гены и сложные признаки. Аллельный родитель-источник влияет на разнообразие фенотипов, происходящих от импринтинга классов генотипов. Эти модели картирования и выявления эффектов импринтинга включают использование неупорядоченных генотипов для построения моделей картирования. Эти модели продемонстрируют классическую количественную генетику и эффекты доминирования импринтированных генов.
Нарушения, связанные с импринтингом
импринтинг, могут вызывать проблемы при клонировании с клонами, имеющими ДНК, которая не метилирована в правильных положениях. Возможно, это связано с нехваткой времени для полного перепрограммирования. Когда ядро добавляется к яйцу во время переноса ядра соматической клетки, яйцеклетка начинает делиться через несколько минут по сравнению с днями или месяцами, которые требуются для перепрограммирования во время эмбрионального развитие. Если время является ответственным фактором, можно отложить деление клеток в клонах, давая время для правильного перепрограммирования.
Аллель «каллипиг» (от греческого для "красивые ягодицы"), или CLPG, ген овец производит большие ягодицы, состоящие из мускулов с очень небольшим количеством жира. Фенотип с большой ягодицей возникает только тогда, когда аллель присутствует в копии хромосомы 18, унаследованной от отца овцы, а не в копии хромосомы 18, унаследованной от матери этой овцы.
Оплодотворение in vitro, включая ИКСИ ассоциируется с повышенным риском импринтинговых расстройств с отношением шансов, равным 3,7 (95% доверительный интервал от 1,4 до 9,7).
Мужское бесплодие
Эпигенетическая дерегуляция на H19 импринтированном гене в сперматозоидах связана с мужским бесплодием. Действительно, наблюдалась потеря метилирования импринтированного гена H19, связанная с MTHFR промотором гена гиперметилированием в образцах спермы от бесплодных мужчин.
Прадера-Вилли / Ангелмана
Первыми запечатленными генетическими нарушениями, описанными у людей, были реципрокно наследуемые синдром Прадера-Вилли и Синдром Ангельмана. Оба синдрома связаны с потерей хромосомной области 15q11-13 (полоса 11 длинного плеча хромосомы 15). Эта область содержит отцовские экспрессируемые гены SNRPN и NDN и материнский экспрессируемый ген UBE3A.
- Отцовское наследование делеции этой области связано с Prader- Синдром Вилли (характеризуется гипотонией, ожирением и гипогонадизмом ).
- Наследование одной и той же делеции по материнской линии связано с синдромом Ангельмана ( характеризуется эпилепсией, тремором и постоянно улыбающимся выражением лица).
DIRAS3 (NOEY2 или ARH1)
DIRAS3 - отцовски экспрессируемый и импринтированный от матери ген расположен на хромосоме 1. Снижение экспрессии DIRAS3 связано с повышенным риском рака яичников и груди; в 41% случаев рака груди и яичников белок, кодируемый DIRAS3, не экспрессируется, что позволяет предположить, что он действует как опухолевый супрессор ген. Следовательно, если происходит однопородная дисомия и человек наследует обе хромосомы от матери, ген не будет выражен г, и человек подвергается большему риску рака груди и яичников.
Прочие
«теория импринтированного мозга » утверждает, что несбалансированный импринтинг может быть причиной аутизма и психоза.
Импринтные гены у других животных
У насекомых импринтинг затрагивает целые хромосомы. У некоторых насекомых весь отцовский геном замалчивается у потомства мужского пола и, таким образом, участвует в определении пола. Импринтинг производит эффекты, аналогичные механизмам у других насекомых, которые устраняют унаследованные от отца хромосомы у потомства мужского пола, включая арренотоки.
У плацентарных видов конфликт между родителями и потомками может привести к эволюции стратегий, таких как геномный импринтинг, для эмбрионы, чтобы нарушить снабжение матери питательными веществами. Несмотря на несколько попыток его найти, геномный импринтинг не был обнаружен у утконоса, рептилий, птиц или рыб. Отсутствие геномного импринтинга у плацентарной рептилии, Pseudemoia entrecasteauxii, интересно, поскольку считалось, что геномный импринтинг связан с эволюцией живородства и плацентарного транспорта питательных веществ.
Исследования на домашнем скоте., такие как молочный и мясной скот, имеют импринтированные гены (например, IGF2) в ряде экономических признаков, включая продуктивность молочного скота голштино-фризского скота.
импринтированные гены в растениях
Аналогичное Явление импринтинга также описано у цветковых растений (покрытосеменных). Во время оплодотворения яйцеклетки второе, отдельное событие оплодотворения дает начало эндосперму, внеэмбриональной структуре, которая питает эмбрион аналогично плаценте млекопитающих. В отличие от эмбриона, эндосперм часто образуется в результате слияния двух материнских клеток с мужской гаметой. В результате получается триплоидный геном. Соотношение 2: 1 материнского генома к отцовскому, по-видимому, имеет решающее значение для развития семян. Обнаружено, что некоторые гены экспрессируются в обоих материнских геномах, тогда как другие экспрессируются исключительно в единственной отцовской копии. Было высказано предположение, что эти импринтированные гены ответственны за эффект триплоидного блока у цветковых растений, который предотвращает гибридизацию между диплоидами и автотетраплоидами.
Эпигенетическая регуляция ооцита. Геномный импринтинг
Эпигенетическая регуляция ооцита. Геномный импринтинг
Кроме регуляции на уровне транскрипции и трансляции, на экспрессию специфических генов влияют эпигенетические регуляторные механизмы ооцита, сперматозоида и раннего эмбриона. Эта регуляция осуществляется через процесс геномного импринтинга, а также всю молекулярную программу через глобальные изменения степени метилирования и структурного ре-моделирования хроматина. Последнее связано с существенными изменениями архитектоники ядра в процессе роста и созревания ооцита.
Хромосомы живых ооцитов мышей можно наблюдать при использовании культуральной среды, содержащей краситель Hoechst — химическое вещество, образующее хелатные соединения с малой бороздкой ДНК и испускающее синее флюоресцентное излучение при поглощении ультрафиолетовых лучей. Изначально в примордиальных и первичных фолликулах центромеры и околоцентромерный гетерохроматин располагаются на периферии ядра ооцитов. Затем, по мере роста ооцита, они распределяются по всему ядру, впоследствии скапливаясь по периферии ядрышка. Этот перинуклеолярный гетерохроматиновый ободок, или кариосфера, выглядит как яркий ореол вокруг ядрышка.
Несмотря на то что этот ареол связывают с тотальным угнетением транскрипционной активности и высокой готовностью к мейозу и развитию эмбриона, сегодня хорошо известно, что ремоделирование хроматина и угнетение транскрипции — отдельные процессы, регулируемые разными механизмами. Как и в соматических клетках, важную роль в масштабном ремоделировании хроматина больших ооцитов играют гистондеацетилазы, так как их ингибирование приводит к разрушению архитектоники кариосферы и нарушениям конфигурации мейотических хромосом и веретена деления.
![геномный импринтинг]()
Другой важный установленный механизм эпигенетической регуляции — контроль активации и угнетения транскрипционной активности через процессы деметилирования и метилирования соответственно. В то время как геном предшественников соматических клеток подвергается реметилированию уже перед гаструляцией к 6,5 дпк, геном предшественников ППК остается деметилированным еще к 12,5 дпк. К 15,5 дпк происходит частичное метилирование, завершающееся к 18,5 дпк. Геном эмбриона инактивен вплоть до двухклеточной стадии развития у мышей (восьмиклеточной у человека), после чего он активируется при помощи тотального деметилирования.
Такие глобальные изменения метилирования следует отличать от Х-инактивации и геномного импринтинга. Если коротко, Х-инактивация — сложный и во многом случайный процесс, при котором одна из Х-хромосом у самок млекопитающих (с генотипом XX) инактивируется, чтобы обеспечить эквивалентное количество Х-сцепленных генов у эмбрионов с женским XX- и мужским XY-генотипом. Инициация этого процесса контролируется локусом, именуемым центром Х-инактивации (Xic), расположенным на Xql3. Этот локус содержит специфический транскрипт Х-инактивации (Xist), на котором записана некодирующая мРНК, покрывающая Х-хромосому в цис-положении, и запускает инактивацию.
Геномный импринтинг
И наконец, более геноспецифичный механизм эпигенетической регуляции — геномный импринтинг, с помощью которого осуществляется предопределенный дифференциальный сайленсинг материнских и отцовских аллелей. В процессе гаметогенеза определенные гены аутосом гиперметилируются (сайленсинг) в зависимости от их родительской принадлежности. Будучи однажды установленными, эти метки (импринты), как предполагают, становятся защищенными от тотального деметилирования генома.
![геномный импринтинг]()
Импринтинг для разных генов может происходить в разное время в процессе оогенеза, сперматогенеза и эмбриогенеза. Зачастую врожденные синдромы и раковые опухоли возникают в результате неэффективного сайленсинга или инактивации аллеля соответствующего родителя.
Если предположить, что ВРТ достоверно связаны с дефектами импринтинга, следует изучить все возможные причины их появления, включая контролируемую гиперстимуляцию яичников, культивирование эмбрионов и сами клинические состояния, послужившие причиной бесплодия, так как дефекты импринтинга могут сами являться причиной бесплодия. Понятно, что необходимы дальнейшие интенсивные исследования в этой области, которые позволят понять, могут ли таким образом механизмы импринтинга влиять на развитие ВРТ.
Эпигенетическая регуляция ооцита. Геномный импринтинг
Р Е Ц Е Н З И Я
на книгу «ЭПИГЕНЕТИКА» под редакцией С.М. Закияна, В.В. Власова, Е.В. Дементьевой.
Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2012 г. – 592 с.Книга представляет собой фундаментальный научный труд, включает предисловие, 23 самостоятельные главы, список сокращений, словарь терминов. Каждая глава снабжена списком использованной литературы, подготовлена большим коллективом авторов (45 человек) – сотрудников ведущих научно-исследовательских институтов Сибирского отделения РАН (Институт цитологии и генетики, Институт химической биологии и фундаментальной медицины, Институт молекулярной и клеточной биологии), а также Санкт-Петербургского филиала Института общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, НИИ акушерства и гинекологии им. Д.О. Отта СЗО РАМН, Московского и Томского государственных университетов.
Книга посвящена бурно развивающемуся направлению современной биологии – эпигенетике, изучающей взаимодействие между генами и их продуктами. Основное внимание обращено на модификации активности генов, не затрагивающие первичную структуру ДНК, то есть на такие эпигенетические механизмы (регулирующие активность генов), как метилирование ДНК, ацетилирование гистонов, некодирующие РНК, ремоделирование хроматина. Во Введении отмечается, что эпигенетическая регуляция, реализуемая в пределах организма, относится к наследуемым изменениям функции генома. Она не тождественна регуляции транскрипционной активности генов: эпигенетика исследует стабильные изменения генной активности в ряду клеточных делений как соматических, так и половых клеток, тогда как транскрипционная активность относится к регуляции функции генов в одной клетке. Вместе с тем грань между этими процессами достаточно условна.
К специфическим эпигенетическим процессам относят такие явления, как геномный импринтинг, инактивация Х-хромосомы, эффект положения, материнские эффекты, репрограммирование генома, модификации гистонов, гетерохроматизацию, партеногенез, канцерогенез, старение и клонирование. Различным аспектам эпигенетических изменений, связанных с процессами онтогенеза, старения, патологией эмбрионального развития, с болезнями человека, процессами посвящена обширная научная литература. Проблемы эпигенетики неоднократно рассматривались в многочисленных обзорах и монографиях отечественных авторов (Пальцев М.А., Залетаев Д.В., 2009; Медведев С.П., Шевченко А.И., Сухих Г.Т., Закиян С.М., 2011; Анисимов, 2008).
В 2010 г. в России вышла переводная зарубежная коллективная монография «Эпигенетика», изданная в США еще в 2007 г. Учитывая столь бурное развитие этого нового направления, разница в 5 лет между этими одноименными монографиями существенна как по объему представленного материала, так и по глубине теоретических обобщений. Важным достоинством настоящего издания является обсуждение эпигенетических исследований отечественных авторов.
Несомненно удачным следует также признать компоновку многообразного и разнопланового материала, касающегося эпигенетических процессов, разворачивающихся на молекулярном уровне (ДНК, РНК, гистоны, белки), на уровне хроматина, отдельных хромосом, клеток, тканей, развивающегося зародыша и целого организма.
В главе 1 , посвященной нуклеосомной организации хроматина, как основной структуры наследственного аппарата ядра эукариот, отмечается, что основные механизмы, связанные с эпигенетической изменчивостью касаются событий, связанных с метилированием ДНК, изменениями гистоновых белков и пространственной организацией нуклеосом. Даются представления о существовании в клетках, наряду с генетическим кодом (ДНК), эпигенетических кодов, определяющих стабильные функциональные модификации гистонов («гистоновый» код) и организацию нуклеосом («нуклеосомный» код), определяющих функционально активное (пермиссивное) состояние хроматина или его метастабильную наследуемую инактивацию. Молекулярные механизмы активных изменений структуры ДНК (метилирование и деметилирование СpG островков) подробно рассмотрены в главе 2 и дополнены особенностями этих процессов у растений в главе 3 . Обзор общих представлений о механизмах эпигенетического наследования, её стабильности во время репликации, сохранения в митозе и в мейозе, а также при формировании пространственной организации интерфазного ядра приведен в главе 4. Более подробно механизмы пространственно-временной репликации ДНК, их связь с механизмами эпигенетической регуляции в развитии даны в главе 5, а проблемы пространственно-временной организации ядра, роль в этом гетерохроматина и районов прикрепления хромосом к ядерной оболочке – в главе 6. Отдельная глава (глава 7) посвящена таким специальным эпигенетическим механизмам посттранскрипционной регуляции функции индивидуальных генов как РНК-интерференция и перспективам её практического использования в медицине. Две следующие главы суммируют данные об известных генетических и эпигенетических механизмах доимплантационного развития мышей ( глава 8 ) и человека ( глава 9 ). Несмотря на определенные совпадения в описании процессов репрограммирования генома зародыша на начальных стадиях развития оплодотворенной яйцеклетки и первичной эмбриональной индукции, главы в значительной мере дополняют друг друга, особенно в отношении описания генетических и эпигенетических механизмов регуляции на стадиях имплантации, плацентации, активного органогенеза, а также ошибок репрограммирования генома, приводящих к эпигенетическим болезням (болезни импринтинга) ( глава 9 ). Проблемы возникновения и эволюции импринтинга у млекопитающих, организация кластеров импринтированных генов и их связь с патологией человека подробно проанализированы в главе 10 .
Три последующие главы посвящены такой актуальной проблеме современной биологии и медицины, как проблема стволовых клеток. В вводной части ( глава 11 ) рассмотрены стволовые клетки эмбрионального происхождения: из тератом, нормально дробящихся зародышей, трофобласта, внезародышевой энтодермы, гонобласта. Молекулярные механизмы эпигенетического репрограммирования эмбриональных клеток и их переход в плюрипотентное состояние («эпигенетическая память») обсуждаются в главе 12 . Методы проверки плюрипотентности стволовых клеток, включая стандартный «тест на химеризм», его использование при решении проблем биологии развития, приведены в главе 13 .
Особенно подробно в кластере из семи последовательных глав в монографии изложены современные данные и результаты собственных исследований большого коллектива авторов Института цитологии и генетики СО РАН, относящиеся к проблемам дозовой компенсации и молекулярным механизмам инактивации Х-хромосомы у млекопитающих и других организмов. В частности, механизмы и эпигенетические аспекты дозовой компенсации у дрозофилы суммированы в главе 14 ; проблемы дозовой компенсации, коэволюции половых хромосом у млекопитающих, а так же механизмы регуляции экспрессии генов Х-хромосомы – в главе 15 ; подробная информация о структуре и функционировании центра инактивации Х-хромосомы и особенности её регуляции у млекопитающих – в главе 16; теоретические аспекты феноменологии инактивации Х-хромосомы, гипотезы её происхождения и эволюции – в главе 17; акцент на состояние хроматина неактивной Х-хромосомы , типах, входящих в её состав гетерохроматиновых блоков, механизмы становления и поддержания неактивного состояния Х-хромосомы – в главе 18; а проблемы, механизмы и значение мейотической инактивации половых хромосом при созревании гамет у млекопитающих и некоторых насекомых – в главе 19 . Процесс дозовой компенсации в виде деминуции хроматина, связанный с РНК-опосредованной перестройкой генома у инфузорий рассмотрен в главе 20 . В качестве одного из вариантов эпигенетических мутаций, несвязанных непосредственно со структурными изменениями ДНК, в главе 21 рассмотрен феномен «белковой наследственности» на примерах прионных белков низших эукариот (дрожжи) и млекопитающих. Частыми проявлениями эпигенетической изменчивости являются условные мутации, возникающие под действием повреждающих внешних факторов на ранних стадиях развития и нередко передающиеся в ряду нескольких поколений в виде морфозов и длительных модификаций. Эпигенетические механизмы этих феноменов рассмотрены в главе 22 . Монография завершается главой 23 , целиком посвященной современным высокопроизводительным методам секвенирования ДНК. В главе, однако, не представлены новые варианты глубокого параллельного секвенирования, методы секвенирования нового поколения (New Generation Sequencing), довольно фрагментарно приведена техника секвенирования, позволяющая установить профиль метилирования ДНК ткани.
Суммируя, следует отметить, что рецензируемая монография – первая в стране фундаментальная книга, посвященная такой актуальной общебиологической проблеме, как эпигенетика. Она, безусловно, заслуживает самой высокой оценки и может рассматриваться как несомненный творческий успех сотрудников СО РАН, прежде всего Института цитологии и генетики, а также других научных центров страны, в той или иной мере занятых проблемами эпигенетики. Представительный коллектив авторов, полнота охвата проблемы, глубокий теоретический и концептуальный анализ, конструктивные практические выводы делают книгу востребованной для широкого круга читателей и специалистов – биологов. Обилие цветных рисунков, схем, фотографий, высокое качество печати и исчерпывающая библиография не только облегчают её чтение, но и доставляют истинное эстетическое удовольствие. Есть все основания поздравить коллектив авторов и редакторов монографии «Эпигенетика» с выходом в свет такой важной и нужной книги.
Биология и медицина
Геномный импринтинг - эпигенетическая система регуляции генов
Определяющей характеристикой геномного импринтинга является то, что он действует в cis-конфигурации (табл. 19.2.). Таким образом механизм импринтинга действует только на одну хромосому. Это контрастирует с trans-действующими механизмами регуляции генов, которые могут воздействовать на любую хромосому в ядре. Две родительские хромосомы в норме обычно содержат многочисленные однонуклеотидные различия (известные как однонуклеотидные полиморфизмы, SNPs ), если данная популяция является аутбредной, но они могут быть генетически идентичны, если используются инбредные линии мышей. Поскольку геномный импринтинг наблюдается у инбредных мышей, имеющих идентичные родительские хромосомы, этот процесс должен использовать некий эпигенетический механизм, чтобы модифицировать информацию, содержащуюся в нуклеотидной последовательности ДНК и создать различие в экспрессии между двумя родительскими копиями гена. Эти наблюдения показывают также, что работает cis-действующий механизм сайленсинга , который ограничен одной хромосомой, так что факторы сайленсинга не могут свободно диффундировать в ядре и достигать активную копию гена. Хотя импринтированные гены репрессированы на одной родительской хромосоме и активны на другой, мы не знаем a priori, что геномный импринтинг - это только механизм сайленсинга. Наоборот, мы должны также иметь в виду, что он может быть неким активирующим механизмом, направленным на ген, который "по умолчанию" является сайленсированным в геноме млекопитающих.
Стартовая точка для геномного импринтинга должна, следовательно, зависеть от эпигенетической системы, которая модифицирует, или "импринтирует" одну из двух родительских хромосом ( рис. 19.3 ). Мы можем приводить доводы в пользу того, что этот импринт впоследствии используется для привлечения или отталкивания транскрипционных факторов и, таким образом, для изменения экспрессии импринтированного гена на одной родительской хромосоме. Поскольку мы знаем, что инбредные мыши с генетически идентичными хромосомами также обнаруживают геномный импринтинг, мы можем говорить, что родительские импринты не могут быть приобретены после того, как эмбрион становится диплоидным, потому что у эпигенетической машинерии клетки не было бы способа различить идентичные родительские копии генов. Таким образом, родительские импринты должны быть приобретены, когда два родительских хромосомных набора разделены, а это имеет место только во время формирования гамет и в течение примерно 12 часов после оплодотворения ( рис. 19.3 ). Наиболее вероятный сценарий заключается в том, что гаметические импринты накладываются на отцовски- импринтированные гены во время образования спермиев и на матерински- импринтированные гены во время формирования яйцеклетки. Ключевая особенность "импринтированой" последовательности ДНК заключается в том, чтобы она была бы модифицирована только в одной из двух родительских гамет; таким образом, требуются системы узнавания двух типов, одна спермий-специфичная, а другая ооцит-специфичная, и каждая была бы направлена на другую нуклеотидную последовательность ДНК. Для импринта требуются еще несколько особенностей. Во-первых, будучи однажды установлен, он должен оставаться на той же самой родительской хромосоме после оплодотворения, когда эмбрион становится диплоидным. Во-вторых, этот импринт должен наследоваться той же родительской хромосомой после каждого клеточного деления у эмбриона и взрослого животного. Наконец, он должен "стираться". Последнее необходимо, потому что эмбрион примерно с середины своего развития последует либо по мужскому, либо по женскому пути развития, и его гонадам нужно будет производить только один тип импринтированных гаплоидных родительских гамет. Поскольку зародышевые клетки возникают из эмбриональных диплоидных клеток ( рис. 19.3 ), они должны сперва потерять унаследованные ими материнские и отцовские импринты, прежде чем они приобретут импринты гамет. Каким образом идентифицируются гаметические импринты? Не слишком вдаваясь в семантику, импринт можно определить как эпигенетическую модификацию, отличающую материнскую копию гена от отцовской копии гена. Импринт, будучи однажды сформирован, должен также позволять транскрипционной машине по-разному обрабатывать материнскую и отцовскую копии гена, находящиеся в одном и том же ядре. Можно предсказать, что гаметический импринт будет непрерывно присутствовать на всех стадиях развития ( рис. 19.3 ); таким образом, импринты можно обнаружить, сравнивая эпигенетические модификации на материнских и отцовских хромосомах в эмбриональных или взрослых тканях (с использованием стратегий, изображенных на рис. 19.1 ) и прослеживая их в развитии обратно, до одной из двух гамет. Гаметические импринты могли бы быть модификациями ДНК или гистоновых белков, которые упаковывают ДНК в хромосомы. Хотя у млекопитающих известен лишь один тип эпигенетических модификаций ДНК, а именно метилирование ДНК (глава " Метилирование ДНК у млекопитающих "), гистоны могут нести множественные типы модификаций, в том числе метилирование, ацетилирование, фосфорилирование, сумоилирование и убиквитилирование (дополнительные детали см. в главе " Модификации хроматина и механизм их действия "). Они могут также замещаться вариантными гистонами со специфическими функциями (главы " Эпигенетика: общий обзор и основные понятия " и " Варианты гистонов и эпигенетика "). Любые из этих эпигенетических модификаций можно было бы теоретически квалифицировать как импринт. Мы можем считать, что ферменты, ответственные за эти эпигенетические модификации, могли бы экспрессироваться в одной из двух гамет и специфически ассоциироваться с одной родительской хромосомой, чтобы скопировать данную модификацию, когда клетка делится. Однако, как описывается в разделе " Ключевые открытия в области геномного импринтинга ", лишь метилирование ДНК было четко продемонстрировано в качестве гаметического импринта для импринтированных генов у млекопитающих и, на сегодняшний день, является единственной наследуемой модификацией.
Из-за расположения импринтированных генов в виде кластеров, при том что некоторые гены экспрессируются с одной родительской хромосомы, а некоторые с другой, не всегда просто определить, как действует импринт. Можно исследовать влияние импринта на единичные гены в кластере, но может оказаться более информативным изучать влияние импринта на весь кластер. Более детально это описывается в разделе " Ключевые открытия в области геномного импринтинга ". Одно, тем не менее, очевидно: природа не выбрала самую простую модель, по которой импринт направляется к промотору, чтобы преимущественно [preemptively] сайленсировать импринтированный ген в одной гамете. Вместо этого оказывается, что импринты, в целом, направляются к удаленным cis- действующим репрессорам, которые влияют на экспрессию множественных генов, локализованных на больших расстояниях на той же хромосоме.
Эпигенетическая регуляция ооцита. Геномный импринтинг
Эпигенетический контроль развития млекопитающих в отсутствие отцовского генома
Партеногенетическое развитие млекопитающих строго ограничено геномным импринтингом [1]. Суть геномного импринтинга, состоит в том, что гены, передаваемые потомству от обоих родителей, несут специфический «отпечаток» пола родителя, т. е. отцовские и материнские гены маркированы по-разному. Эти «отпечатки» являются временными и могут быть «стерты». Такой «отпечаток» как правило, обеспечивается с помощью эпигенетической метки (всевозможные эпигенетические модификации ДНК). Потомство получает один набор хромосом с отцовской маркировкой некоторых генов, а другой - с материнской. При образовании у потомка половых клеток прежний «отпечаток» стирается, и эти гены маркируются в соответствии с полом данной особи. Эпигенетические модификации ДНК, определяющие геномный импринтинг, локализуются в определенных участках хромосом, называемых районами контроля импринтинга. Так, в процессе сперматогенеза метилируются три специфичных района, расположенных на 7, 9 и 12 хромосомах [4]. Создание овоцитов, содержащих два гаплоидных материнских генома (один – от незрелого овоцита 1-го порядка до фазы роста, а другой - от зрелого овоцита 2-го порядка) позволяет изучить экспрессию импринтированных генов, которые регулируются материнским паттерном метилирования [2]. При этом геном незрелого овоцита «свободен» от импринтинга, тогда как геном полностью сформировавшегося овоцита характеризуется импринтингом по типу материнского генома. Изучая эмбрион, полученный от таких двух овоцитов можно проанализировать вклад отцовского генома в развитие зародыша. Исследовательская группа T. Kono в 2004 году впервые получила мышей, созданных путем партеногенеза [3]. Они сконструировали би-материнские эмбрионы, используя незрелый овоцит от мышей, несущих делецию гена Н19 в районе контроля импринтинга на 7 хромосоме. Тем не менее, эффективность данного подхода была очень низкой. Было получено лишь две живых биматеринских мыши из 371 сконструированного овоцита. В новом исследовании, опубликованном в Nature biotechnology, японские ученые создали биматеринские эмбрионы с использованием незрелых овоцитов, полученных от мышей, имеющих делеции как в районе гена Н19-DMR на 7 хромосоме (ch7+/-, или ch7-/-), так и в Dlk1-Dio3 районе контроля импринтинга на 12 хромосоме (ch+/-)
Первую яйцеклетку брали у взрослой мыши на стадии герминативной везикулы, а вторую – у новорожденного животного (1 день после рождения) на стадии диплотены первого мейоза. У зрелой яйцеклетки удаляли ядро и энуклеированный овоцит сливали с незрелой яйцеклеткой с помощью вируса, а веретено деления полученной реконструированной клетки было вторично перенесено в овулировавший овоцит («серийный перенос ядра»). Способность к развитию у биматеринских зародышей была проанализирована с помощью 3D культивирования 323 реконструированных овоцитов и трансплантации 286 полученных в итоге бластоцист в 29 самок. На сроке беременности 19.5 дней авторам удалось получить 42 живых мыши. Все они были гетерозиготны по двойным мутациям на 7 и 12 хромосомах, доказывая тот факт, что мыши лишь с таким геномом выживали в эксперименте. 27 мышей достигли взрослого возраста, а их вес не отличался от веса мышей дикого типа. У 11 мышей наблюдалось значительная задержка развития и они погибли через 3 дня. Общий уровень выживаемости таким образом составил 39,4%, что соответствует показателям выживаемости после ЭКО [5]. Авторы работы связывают задержку в развитии с подавлением транскрипции гена Rasgrf1 (расположенного на 9-й хромосоме) которая регулируется метилированием по отцовскому типу и вызывает секрецию гормона роста. Всего в работе приведено несколько параметров, по которым полученных гиногенетических особей сравнивали с нормальными – анатомическое и гистологическое сравнение строения органов и тканей, биохимические тесты крови и сыворотки, кровяного давления, а также тесты на обучаемость. По всем перечисленным показателям полученные мыши не отличались от мышей дикого типа. Таким образом, в сравнении с предыдущим исследованием авторы добились значительного повышения уровня выживаемости партеногенетических мышей (с 0.5% до 39.4%). Исследователи предполагают, что строгий барьер для партеногенеза обеспечивается независимо материнским и отцовским геномами (а точнее – метилированием этих геномов в определенных областях). При этом импринтинг по материнскому типу является основным барьером на пути к партеногенетическому развитию на стадии имплантации, а отцовский геном отвечает уже за более поздние стадии развития. Причем эта закономерность зависит от того, в каком статусе (метилированном или деметилированном) находятся 7 и 12 хромосомы, которые импринтируются по отцовскому типу. Восстановление регуляции генной экспрессии в двух рассмотренных районах контроля импринтинга необходимо для нормального развития. Работа дополняет все предыдущие исследования о роли эпигенетических модификаций в отцовском или/и материнском геномах в развитии млекопитающих. Существовало мнение, что для эффективного переноса ядра требуются различные отцовские факторы, например, РНК сперматозоидов [6]. Однако данная работа свидетельствует о том, что отцовские транскрипты, возможно, вообще не являются значимыми для развития особи после слияния гамет. Kawahara M., Wu Q., Takahashi N., et al. High-frequency generation of viable mice from engineered bi-maternal embryos. Nat. Biotechnol. 2007; 25(9): 1045-50.
1116
Дата: 25 декабря 2008 г.
© При копировании любых материалов сайта, ссылка на источник обязательна.Читайте также:
