Tento otisk může být znakem vývoje savců byl navržen v šlechtitelských experimentech u myší nesoucích reciproční chromozomální translokace. Experimenty s transplantací jádra u myších zygotů na počátku 80. let potvrdily, že normální vývoj vyžaduje příspěvek jak mateřských, tak otcovských genomů. Převážná většina myších embryí odvozených z parthenogeneze (nazývaných parthenogenony se dvěma mateřskými nebo vaječnými genomy) a androgeneze (nazývaných androgenony, se dvěma otcovskými nebo spermatickými genomy) umírá ve fázi blastocyst / implantace nebo před ní. Ve vzácných případech, kdy se vyvinou do postimplantačních stadií, vykazují gynogenetická embrya lepší embryonální vývoj ve srovnání s vývojem placenty, zatímco u androgenonů je tomu naopak. U posledně jmenovaných však bylo popsáno jen několik (v článku z roku 1984).
U savců neexistují žádné přirozeně se vyskytující případy parthenogeneze kvůli otisknutým genům. V roce 2004 však experimentální manipulace japonských vědců s otcovským methylačním otiskem kontrolujícím gen Igf2 vedla k narození myši (jménem Kaguya) se dvěma mateřskými sadami chromozomů, ačkoli to není skutečný parthenogenon, protože buňky dvou různých žen byly použity myši. Vědcům se podařilo uspět použitím jednoho vajíčka od nezralého rodiče, čímž se snížil otisk matky a upravila se tak, aby exprimovala gen Igf2, který je obvykle vyjádřen pouze otcovskou kopií genu.
Parthenogenetic / gynogenetická embrya mají dvojnásobnou normální úroveň exprese genů odvozených od matky a postrádají expresi otcovsky exprimovaných genů, zatímco u androgenetických embryí je tomu naopak. Nyní je známo, že u lidí a myší existuje nejméně 80 otištěných genů, z nichž mnohé se podílejí na embryonálním a placentárním růstu a vývoji. Hybridní potomci dvou druhů mohou vykazovat neobvyklý růst díky nové kombinaci otištěných genů.
K identifikaci otiskovaných genů byly použity různé metody. U prasat Bischoff et al. srovnával transkripční profily pomocí DNA čipů k průzkumu rozdílně exprimovaných genů mezi partenoty (2 mateřské genomy) a kontrolními plody (1 mateřský, 1 otcovský genom). Zajímavá studie zaměřená na transkriptom myších mozkových tkání odhalila více než 1300 potištěných genových lokusů (přibližně 10krát více, než se dříve uvádělo) sekvenováním RNA z hybridů F1, které byly výsledkem vzájemných křížení. Výsledek však zpochybnili jiní, kteří tvrdili, že se jedná o nadhodnocení řádově kvůli chybné statistické analýze.
U domestikovaných zvířat mají jednonukleotidové polymorfismy v potištěných genech ovlivňujících růst a vývoj plodu. Bylo prokázáno, že je spojeno s ekonomicky důležitými produkčními vlastnostmi skotu, ovcí a prasat.
Genetické mapování potištěných genů Upravit
Současně s diskutovanou generací gynogenetických a androgenetických embryí výše byla také generována myší embrya, která obsahovala pouze malé oblasti, které byly odvozeny buď z otcovského nebo mateřského zdroje. Generování řady takových uniparental disomies, které dohromady pokrývají celý genom, umožnily vytvoření otiskové mapy. Ty oblasti, které po zdědění od jednoho rodiče vedou k rozeznatelnému fenotypu, obsahují otištěné geny. Další výzkum ukázal, že v těchto oblastech bylo často mnoho otisknutých genů. Přibližně 80% potištěných genů se nachází v klastrech, jako jsou tyto, nazývaných potištěné domény, což naznačuje úroveň koordinované kontroly. Nověji celogenomové obrazovky k identifikaci otisknutých genů používaly diferenciální expresi mRNA z kontrolních plodů a parthenogenetické nebo androgenetické plody hybridizované s genovými profilovacími mikročipy, alelově specifickou genovou expresi pomocí SNP genotypizujících mikropolí, transkriptomového sekvenování a v předpovědních pipeline .
Mechanismy otiskuUpravit
Otisk je dynamický proces. Musí být možné mazat a obnovovat otisky v průběhu každé generace, aby geny, které jsou otiskovány u dospělého, mohly být stále vyjádřeny u potomků tohoto dospělého. (Například mateřské geny, které řídí produkci inzulínu, budou potištěny v samec, ale bude exprimován u kteréhokoli z mužských potomků, kteří tyto geny dědí.) Povaha imprintingu proto musí být spíše epigenetická než závislá na sekvenci DNA. V zárodečných buňkách je otisk vymazán a poté obnoven podle pohlaví jedince, tj. Ve vyvíjejícím se spermatu (během spermatogeneze), je vytvořen otcovský otisk, zatímco ve vyvíjejících se oocytech (oogeneze) je vytvořen otisk matky. Tento proces mazání a přeprogramování je nezbytný, aby stav otisků zárodečných buněk byl relevantní pro pohlaví jedince.U rostlin i savců existují dva hlavní mechanismy, které se podílejí na vytvoření otisku; jedná se o methylaci DNA a modifikace histonu.
Nedávno nová studie navrhla nový dědičný mechanismus otisku u lidí, který by byl specifický pro placentární tkáň a který je nezávislý na methylaci DNA (hlavní a klasický mechanismus pro genomový otisk). To bylo pozorováno u lidí, ale ne u myší, což naznačuje vývoj po evoluční divergenci lidí a myší, ~ 80 Mya. Z hypotetických vysvětlení tohoto nového fenoménu byly navrženy dva možné mechanismy: buď modifikace histonu, která uděluje imprinting na nové placentálně specifické potištěné lokusy, nebo alternativně nábor DNMT k těmto lokusům specifickým a neznámým transkripčním faktorem, který by být vyjádřeny během časné diferenciace trofoblastů.
RegulationEdit
Seskupení potištěných genů v klastrech jim umožňuje sdílet společné regulační prvky, jako jsou nekódující RNA a odlišně methylované oblasti (DMR). . Když tyto regulační prvky řídí imprinting jednoho nebo více genů, jsou známé jako kontrolní oblasti imprintingu (ICR). Ukázalo se, že exprese nekódujících RNA, jako je antisense Igf2r RNA (vzduch) na myším chromozomu 17 a KCNQ1OT1 na lidském chromozomu 11p15.5, je nezbytná pro potisk genů v jejich odpovídajících oblastech.
Diferenciálně methylované oblasti jsou obecně segmenty DNA bohaté na cytosinové a guaninové nukleotidy, přičemž cytosinové nukleotidy jsou methylované na jedné kopii, ale ne na druhé. Navzdory očekávání methylace nemusí nutně znamenat umlčení; místo toho účinek methylace závisí na výchozím stavu oblasti.
Funkce potištěných genů Upravit
Kontrola exprese konkrétních genů pomocí genomového potisku je pro terapeutické savce (placentární) jedinečná savci a vačnatci) a kvetoucí rostliny. Otisky celých chromozomů byly hlášeny u červotočů (Genus: Pseudococcus). a houba komár (Sciara). Bylo také zjištěno, že k inaktivaci X-chromozomu dochází potištěným způsobem v mim embryonálních tkáních myší a všech tkáních vačnatců, kde je vždy umlčen otcovský X-chromozom.
Bylo zjištěno, že většina potištěných genů u savců má roli v řízení embryonálního růstu a vývoje, včetně vývoje placenty. Na postnatálním vývoji se podílejí další otištěné geny, jejichž role ovlivňují kojení a metabolismus.
Hypotézy o počátcích imprintingu Upravit
Široce přijímanou hypotézou pro vývoj genomového otisku je „hypotéza konfliktu rodičů“. Tato hypotéza, známá také jako teorie příbuznosti genomového otisku, uvádí, že nerovnost mezi rodičovskými genomy v důsledku otisku je výsledkem odlišných zájmů každého rodiče, pokud jde o evoluční zdatnost jejich genů. Otcovy geny, které kódují otisk, získávají větší zdatnost díky úspěchu potomka na úkor matky. Matčiným evolučním imperativem je často šetřit zdroje pro vlastní přežití a současně poskytovat dostatečnou výživu současným a následným vrhům. . V souladu s tím mají otcovsky exprimované geny tendenci podporovat růst, zatímco mateřsky exprimované geny mají tendenci růst omezovat. Na podporu této hypotézy byl genomový otisk nalezen u všech placentálních savců, kde je po oplodnění spotřeba zdrojů potomků na úkor matky vysoká; ačkoli to bylo také zjištěno u oviparních ptáků, kde je relativně malý přenos prostředků po oplodnění, a tedy menší konflikty rodičů. Malý počet otištěných genů se rychle vyvíjí pod pozitivní darwinovskou selekcí, pravděpodobně kvůli antagonistické společné evoluci. Většina potištěných genů vykazuje vysokou úroveň zachování mikrosyntény a prošla velmi málo duplikacemi v liniích placentárních savců.
Naše chápání molekulárních mechanismů za genomovým otiskem však ukazuje, že je to mateřský genom, který ovládá většinu otisků vlastních i otcovských genů v zygote, takže je obtížné vysvětlit, proč by se mateřské geny ve světle hypotézy o konfliktu ochotně vzdaly své dominance nad otcovsky odvozenými geny.
Další navrhovaná hypotéza spočívá v tom, že některé otištěné geny působí souběžně a zlepšují vývoj plodu i zajišťování výživy a péče u matek. V něm je podmnožina otcovsky exprimovaných genů koexprimována jak v placentě, tak v mateřském hypotalamu. K tomu by mohlo dojít prostřednictvím selektivního tlaku ze společné adaptace rodičů a kojenců ke zlepšení přežití kojenců. pro které může tato hypotéza platit.
Jiní přistupují ke své studii o původu genomového otisku z jiné strany a tvrdí, že přirozený výběr funguje spíše na roli epigenetických znaků jako mechanismu pro rozpoznávání homologních chromozomů během meiózy, než na jejich roli v diferenciální výraz. Tento argument se soustředí na existenci epigenetických účinků na chromozomy, které přímo neovlivňují genovou expresi, ale závisí na tom, od kterého rodiče chromozom pochází. Tato skupina epigenetických změn, které závisí na původci chromozomu (včetně těch, které ovlivňují genovou expresi, a těch, které ji neovlivňují), se nazývá účinky rodičovského původu a zahrnuje jevy, jako je otcovská inaktivace X u vačnatců, neradičovský rodičovský chromatid distribuce ve kapradinách a dokonce i změna typu páření v kvasnicích. Tato rozmanitost organismů, které vykazují účinky rodičovského původu, vedla teoretiky k tomu, aby umístili evoluční původ genomového otisku před posledního společného předka rostlin a zvířat, před více než miliardou let.
Přirozený výběr pro genomový otisk vyžaduje genetickou variabilitu populace. Hypotéza o původu této genetické variace uvádí, že obranný systém hostitele odpovědný za umlčení cizích prvků DNA, jako jsou geny virového původu, omylem umlčel geny, jejichž umlčení se ukázalo jako prospěšné pro organismus. Zdá se, že existuje nadměrné zastoupení retrotransponovaných genů, to znamená geny, které jsou vloženy do genomu viry, mezi otištěné geny. Rovněž se předpokládá, že pokud je retrotranspozovaný gen vložen blízko jiného potištěného genu, může tento otisk získat.