Che l’imprinting possa essere una caratteristica dello sviluppo dei mammiferi è stato suggerito negli esperimenti di riproduzione in topi portatori di traslocazioni cromosomiche reciproche. Gli esperimenti di trapianto di nuclei negli zigoti di topo nei primi anni ’80 hanno confermato che lo sviluppo normale richiede il contributo sia del genoma materno che di quello paterno. La stragrande maggioranza degli embrioni di topo derivati dalla partenogenesi (chiamati partenogenoni, con due genomi materni o dell’uovo) e androgenesi (chiamati androgenoni, con due genomi paterni o spermatici) muoiono durante o prima della fase di blastocisti / impianto. Nei rari casi in cui si sviluppano fino alle fasi postimpianto, gli embrioni ginogenetici mostrano un migliore sviluppo embrionale rispetto allo sviluppo placentare, mentre per gli androgenoni è vero il contrario. Tuttavia, per quest’ultimo, solo alcuni sono stati descritti (in un articolo del 1984).
Non esistono casi naturali di partenogenesi nei mammiferi a causa di geni impressi. Tuttavia, nel 2004, la manipolazione sperimentale da parte di ricercatori giapponesi di un’impronta di metilazione paterna che controlla il gene Igf2 ha portato alla nascita di un topo (chiamato Kaguya) con due serie materne di cromosomi, sebbene non sia un vero partenogenone poiché cellule di due femmine diverse sono stati utilizzati topi. I ricercatori sono stati in grado di avere successo utilizzando un uovo di un genitore immaturo, riducendo così l’imprinting materno e modificandolo per esprimere il gene Igf2, che normalmente è espresso solo dalla copia paterna del gene.
Partenogenetico / Gli embrioni ginogenetici hanno il doppio del normale livello di espressione dei geni di derivazione materna e mancano di espressione dei geni espressi paternamente, mentre è vero il contrario per gli embrioni androgenetici. È ora noto che ci sono almeno 80 geni impressi negli esseri umani e nei topi, molti dei quali sono coinvolti nella crescita e nello sviluppo embrionale e placentare. La prole ibrida di due specie può mostrare una crescita insolita a causa della nuova combinazione di geni impressi.
Sono stati usati vari metodi per identificare i geni impressi. Nei suini, Bischoff et al. profili trascrizionali confrontati utilizzando DNA microarrays per esaminare geni espressi in modo differenziale tra partenoti (2 genomi materni) e feti di controllo (1 genoma materno, 1 paterno). Uno studio interessante che ha esaminato il trascrittoma dei tessuti cerebrali murini ha rivelato oltre 1300 loci genici impressi (circa 10 volte in più rispetto a quanto riportato in precedenza) mediante sequenziamento dell’RNA da ibridi F1 risultanti da incroci reciproci. Il risultato, tuttavia, è stato contestato da altri che hanno affermato che questa è una sovrastima di un ordine di grandezza a causa di un’analisi statistica imperfetta.
Nel bestiame addomesticato, i polimorfismi a singolo nucleotide nei geni impressi che influenzano la crescita e lo sviluppo fetale hanno è stato dimostrato che è associato a tratti di produzione economicamente importanti nei bovini, ovini e suini.
Mappatura genetica dei geni impressiModifica
Contemporaneamente alla generazione degli embrioni ginogenetici e androgenetici discussi sopra, venivano generati anche embrioni di topo che contenevano solo piccole regioni derivate da una fonte paterna o materna. La generazione di una serie di tali disomie uniparentali, che insieme abbracciano l’intero genoma, ha permesso la creazione di una mappa di imprinting. Quelle regioni che, se ereditate da un unico genitore, danno come risultato un fenotipo distinguibile, contengono uno o più geni impressi. Ulteriori ricerche hanno dimostrato che all’interno di queste regioni c’erano spesso numerosi geni impressi. Circa l’80% dei geni impressi si trova in cluster come questi, chiamati domini impressi, suggerendo un livello di controllo coordinato. Più recentemente, gli schermi genome-wide per identificare i geni impressi hanno utilizzato l’espressione differenziale di mRNA da feti di controllo e feti partenogenetici o androgenetici ibridati a microarrays di profilazione dell’espressione genica, espressione genica allele-specifica utilizzando microarrays di genotipizzazione SNP, sequenziamento del trascrittoma e pipeline di predizione in silico .
Meccanismi di stampa Modifica
La stampa è un processo dinamico. Deve essere possibile cancellare e ristabilire le impronte attraverso ogni generazione in modo che i geni che sono impressi in un adulto possano ancora essere espressi nella prole di quell’adulto. (Ad esempio, i geni materni che controllano la produzione di insulina saranno impressi in un maschio, ma sarà espresso in qualsiasi discendenza maschile che erediti questi geni.) La natura dell’imprinting deve quindi essere epigenetica piuttosto che dipendente dalla sequenza del DNA. Nelle cellule germinali l’impronta viene cancellata e poi ristabilita in base al sesso dell’individuo, cioè nello sperma in via di sviluppo (durante la spermatogenesi) si stabilisce un’impronta paterna, mentre negli ovociti in via di sviluppo (oogenesi) si stabilisce un’impronta materna. Questo processo di cancellazione e riprogrammazione è necessario affinché lo stato di imprinting delle cellule germinali sia rilevante per il sesso dell’individuo.Sia nelle piante che nei mammiferi ci sono due principali meccanismi coinvolti nello stabilire l’impronta; si tratta di metilazione del DNA e modificazioni dell’istone.
Recentemente, un nuovo studio ha suggerito un nuovo meccanismo di imprinting ereditabile negli esseri umani che sarebbe specifico del tessuto placentare e che è indipendente dalla metilazione del DNA (il meccanismo principale e classico per imprinting genomico). Questo è stato osservato negli esseri umani, ma non nei topi, suggerendo uno sviluppo dopo la divergenza evolutiva di umani e topi, ~ 80 Mya. Tra le spiegazioni ipotetiche di questo nuovo fenomeno, sono stati proposti due possibili meccanismi: o una modifica dell’istone che conferisce l’imprinting a nuovi loci impressi specifici della placenta o, in alternativa, un reclutamento di DNMT a questi loci da parte di un fattore di trascrizione specifico e sconosciuto che potrebbe essere espresso durante la differenziazione precoce del trofoblasto.
RegulationEdit
Il raggruppamento dei geni impressi all’interno dei cluster consente loro di condividere elementi regolatori comuni, come gli RNA non codificanti e le regioni differenzialmente metilate (DMR) . Quando questi elementi regolatori controllano l’imprinting di uno o più geni, sono noti come regioni di controllo dell’imprinting (ICR). L’espressione di RNA non codificanti, come Igf2r RNA (aria) antisenso sul cromosoma 17 di topo e KCNQ1OT1 sul cromosoma umano 11p15.5, si è dimostrata essenziale per l’imprinting dei geni nelle regioni corrispondenti.
Le regioni differenzialmente metilate sono generalmente segmenti di DNA ricchi di citosina e nucleotidi di guanina, con i nucleotidi di citosina metilati su una copia ma non sull’altra. Contrariamente alle aspettative, la metilazione non significa necessariamente silenziare; invece, l’effetto della metilazione dipende dallo stato predefinito della regione.
Funzioni dei geni impressiModifica
Il controllo dell’espressione di geni specifici mediante l’imprinting genomico è unico per i mammiferi therian (placentare mammiferi e marsupiali) e piante da fiore. L’imprinting di interi cromosomi è stato segnalato in cocciniglie (Genere: Pseudococcus). e un moscerino dei funghi (Sciara). È stato anche stabilito che l’inattivazione del cromosoma X avviene in modo impresso nei tessuti extra-embrionali dei topi e in tutti i tessuti dei marsupiali, dove è sempre il cromosoma X paterno che viene silenziato.
È stato scoperto che la maggior parte dei geni impressi nei mammiferi ha un ruolo nel controllo della crescita e dello sviluppo embrionale, compreso lo sviluppo della placenta. Altri geni impressi sono coinvolti nello sviluppo postnatale, con ruoli che influenzano la suzione e il metabolismo.
Ipotesi sulle origini dell’imprintingEdit
Un’ipotesi ampiamente accettata per l’evoluzione dell’imprinting genomico è il “ipotesi di conflitto genitoriale”. Conosciuta anche come teoria della parentela dell’imprinting genomico, questa ipotesi afferma che la disuguaglianza tra i genomi dei genitori dovuta all’imprinting è il risultato dei diversi interessi di ciascun genitore in termini di idoneità evolutiva dei propri geni. I geni del padre che codificano per l’imprinting acquisiscono una maggiore forma fisica attraverso il successo della prole, a spese della madre. L’imperativo evolutivo della madre è spesso quello di conservare le risorse per la propria sopravvivenza fornendo al contempo sufficiente nutrimento alle cucciolate attuali e successive . Di conseguenza, i geni espressi paternamente tendono a promuovere la crescita mentre i geni espressi dalla madre tendono a limitare la crescita. A sostegno di questa ipotesi, l’imprinting genomico è stato riscontrato in tutti i mammiferi placentari, dove il consumo di risorse della prole post-fecondazione a spese della madre è elevato; sebbene sia stato trovato anche negli uccelli ovipari dove c’è relativamente poco trasferimento di risorse dopo la fecondazione e quindi meno conflitti tra i genitori. Un piccolo numero di geni impressi si sta evolvendo rapidamente sotto una selezione darwiniana positiva, probabilmente a causa della coevoluzione antagonista. La maggior parte dei geni impressi mostra alti livelli di conservazione della micro-sintenia e ha subito pochissime duplicazioni nei lignaggi dei mammiferi placentari.
Tuttavia, la nostra comprensione dei meccanismi molecolari alla base dell’imprinting genomico mostra che è il genoma materno che controlla gran parte dell’imprinting dei geni propri e di derivazione paternale nello zigote, rendendo difficile spiegare perché i geni materni abbandonerebbero volontariamente il loro dominio a quello dei geni di derivazione paternale alla luce dell’ipotesi del conflitto.
Un’altra ipotesi proposta è che alcuni geni impressi agiscano in modo coadattivo per migliorare sia lo sviluppo fetale che l’approvvigionamento materno per nutrizione e cura. In esso, un sottoinsieme di geni espressi paternamente sono co-espressi sia nella placenta che nell’ipotalamo della madre. Ciò avverrebbe attraverso la pressione selettiva dal coadattamento genitore-bambino per migliorare la sopravvivenza del bambino. Paternally espresso 3 (PEG3) è un gene per cui questa ipotesi può applicarsi.
Altri hanno affrontato il loro studio delle origini dell’imprinting genomico da un lato diverso, sostenendo che la selezione naturale sta operando sul ruolo dei segni epigenetici come macchinario per il riconoscimento dei cromosomi omologhi durante la meiosi, piuttosto che sul loro ruolo nella espressione differenziale. Questo argomento è incentrato sull’esistenza di effetti epigenetici sui cromosomi che non influenzano direttamente l’espressione genica, ma dipendono da quale genitore ha avuto origine il cromosoma. Questo gruppo di cambiamenti epigenetici che dipendono dal genitore di origine del cromosoma (inclusi sia quelli che influenzano l’espressione genica che quelli che non lo fanno) sono chiamati effetti di origine genitoriale e includono fenomeni come l’inattivazione dell’X paterno nei marsupiali, cromatidi parentali non casuali distribuzione nelle felci e persino cambio del tipo di accoppiamento nel lievito. Questa diversità negli organismi che mostrano effetti di origine parentale ha spinto i teorici a collocare l’origine evolutiva dell’imprinting genomico prima dell’ultimo antenato comune di piante e animali, oltre un miliardo di anni fa.
La selezione naturale per l’imprinting genomico richiede una variazione genetica in una popolazione. Un’ipotesi per l’origine di questa variazione genetica afferma che il sistema di difesa dell’ospite responsabile del silenziamento di elementi del DNA estraneo, come i geni di origine virale, è stato erroneamente messo a tacere geni il cui silenziamento si è rivelato benefico per l’organismo. Sembra esserci una sovrarappresentazione dei geni retrotrasposti, vale a dire geni che vengono inseriti nel genoma dai virus, tra i geni impressi. È stato anche ipotizzato che se il gene retrotrasposto viene inserito vicino a un altro gene impresso, potrebbe semplicemente acquisire questa impronta.