Dat imprinting een kenmerk van de ontwikkeling van zoogdieren zou kunnen zijn, werd gesuggereerd in kweekexperimenten bij muizen met reciproque chromosomale translocaties. Kerntransplantatie-experimenten in muis-zygoten in de vroege jaren 1980 bevestigden dat normale ontwikkeling de bijdrage vereist van zowel het moeder- als het vaderlijk genomen. De overgrote meerderheid van muizenembryo’s die zijn afgeleid van parthenogenese (parthenogenonen genaamd, met twee moeder- of eiergenomen) en androgenese (genaamd androgenonen, met twee paternale of sperma-genomen) sterven op of voor de blastocyst / implantatiefase. In de zeldzame gevallen dat ze zich ontwikkelen tot postimplantatiestadia, vertonen gynogenetische embryo’s een betere embryonale ontwikkeling in vergelijking met de ontwikkeling van de placenta, terwijl voor androgenonen het omgekeerde waar is. Desalniettemin zijn er voor de laatste slechts enkele beschreven (in een paper uit 1984).
Er bestaan geen natuurlijk voorkomende gevallen van parthenogenese bij zoogdieren vanwege ingeprinte genen. In 2004 leidde experimentele manipulatie door Japanse onderzoekers van een vaderlijke methyleringsafdruk die het Igf2-gen onder controle had, echter tot de geboorte van een muis (genaamd Kaguya) met twee maternale sets chromosomen, hoewel het geen echt parthenogenon is, aangezien cellen van twee verschillende vrouwelijke muizen werden gebruikt. De onderzoekers waren in staat om te slagen door één ei van een onvolgroeide ouder te gebruiken, waardoor de moederlijke imprinting werd verminderd en het werd aangepast om het gen Igf2 tot expressie te brengen, dat normaal gesproken alleen tot expressie wordt gebracht door de vaderlijke kopie van het gen.
Parthenogenetisch / gynogenetische embryo’s hebben tweemaal het normale expressieniveau van maternaal afgeleide genen en missen expressie van vaderlijk tot expressie gebrachte genen, terwijl het omgekeerde geldt voor androgenetische embryo’s. Het is nu bekend dat er ten minste 80 ingeprinte genen zijn bij mensen en muizen, waarvan er vele betrokken zijn bij de groei en ontwikkeling van embryo’s en placenta. Hybride nakomelingen van twee soorten kunnen een ongebruikelijke groei vertonen vanwege de nieuwe combinatie van geprinte genen.
Er zijn verschillende methoden gebruikt om geprinte genen te identificeren. Bij varkens, Bischoff et al. transcriptieprofielen vergeleken met behulp van DNA-microarrays om differentieel tot expressie gebrachte genen tussen parthenoten (2 moedergenomen) en controlefoetussen (1 moeder-, 1 vadergenoom) te onderzoeken. Een intrigerende studie waarin het transcriptoom van hersenweefsels van muizen werd onderzocht, onthulde meer dan 1300 ingeprinte genloci (ongeveer 10 keer meer dan eerder gerapporteerd) door RNA-sequencing van F1-hybriden die het resultaat waren van wederzijdse kruisingen. Het resultaat werd echter aangevochten door anderen die beweerden dat dit een grote overschatting is als gevolg van gebrekkige statistische analyse.
Bij gedomesticeerd vee hebben single-nucleotide polymorfismen in geprinte genen die de groei en ontwikkeling van de foetus beïnvloeden is aangetoond dat het verband houdt met economisch belangrijke productiekenmerken bij runderen, schapen en varkens.
Genetische mapping van geprinte genen Bewerken
Tegelijkertijd met het genereren van de gynogenetische en androgenetische embryo’s die worden besproken hierboven werden ook muizenembryo’s gegenereerd die alleen kleine regio’s bevatten die afkomstig waren van een vaderlijke of moederlijke bron. Door het genereren van een reeks van dergelijke uniparentale stoornissen, die samen het hele genoom omvatten, kon een afdrukkaart worden gemaakt. Die gebieden die, wanneer ze worden overgeërfd van een enkele ouder, resulteren in een waarneembaar fenotype, bevatten een of meer ingeprinte genen. Nader onderzoek toonde aan dat er binnen deze regio’s vaak veel ingeprent genen waren. Ongeveer 80% van de geprinte genen wordt gevonden in clusters zoals deze, de zogenaamde imprinted domeinen, wat duidt op een niveau van gecoördineerde controle. Meer recentelijk hebben genoombrede schermen om ingeprinte genen te identificeren differentiële expressie van mRNA’s van controlefoetussen en parthenogenetische of androgenetische foetussen gebruikt die zijn gehybridiseerd tot genexpressieprofilerende microarrays, allelspecifieke genexpressie met behulp van SNP-genotyperingsmicroarrays, transcriptoomsequencing en in silico-voorspellingspijplijnen .
Imprinting mechanismen Bewerken
Imprinting is een dynamisch proces. Het moet mogelijk zijn om afdrukken door elke generatie heen te wissen en opnieuw vast te stellen, zodat genen die zijn ingeprent bij een volwassene, nog steeds tot expressie kunnen worden gebracht in de nakomelingen van die volwassene. (De maternale genen die de insulineproductie regelen, zullen bijvoorbeeld worden geprint in een mannelijk, maar zal tot expressie komen in elk van de mannelijke nakomelingen die deze genen erven.) De aard van imprinting moet daarom epigenetisch zijn in plaats van afhankelijk van de DNA-sequentie. In kiembaancellen wordt de afdruk gewist en vervolgens hersteld volgens het geslacht van het individu, d.w.z. in het zich ontwikkelende sperma (tijdens spermatogenese) wordt een afdruk van de vader vastgesteld, terwijl bij zich ontwikkelende eicellen (oögenese) een afdruk van de moeder wordt vastgesteld. Dit proces van wissen en herprogrammeren is nodig zodat de status van het inprenten van geslachtscellen relevant is voor het geslacht van het individu.Bij zowel planten als zoogdieren zijn er twee belangrijke mechanismen die betrokken zijn bij het vaststellen van de afdruk; dit zijn DNA-methylatie en histon-modificaties.
Onlangs heeft een nieuwe studie een nieuw overerfbaar imprintmechanisme bij mensen gesuggereerd dat specifiek zou zijn voor placentaweefsel en dat onafhankelijk is van DNA-methylatie (het belangrijkste en klassieke mechanisme voor genomische imprinting). Dit werd waargenomen bij mensen, maar niet bij muizen, wat duidt op ontwikkeling na de evolutionaire divergentie van mensen en muizen, ~ 80 Mya. Onder de hypothetische verklaringen voor dit nieuwe fenomeen zijn twee mogelijke mechanismen voorgesteld: ofwel een histonmodificatie die imprinting verleent op nieuwe placenta-specifieke imprinted loci of, als alternatief, een rekrutering van DNMT’s naar deze loci door een specifieke en onbekende transcriptiefactor die zou worden uitgedrukt tijdens vroege trofoblastdifferentiatie.
RegulationEdit
Door de groepering van geprinte genen in clusters kunnen ze gemeenschappelijke regulerende elementen delen, zoals niet-coderende RNA’s en differentieel gemethyleerde regio’s (DMR’s) . Wanneer deze regulerende elementen de imprinting van een of meer genen regelen, staan ze bekend als imprinting controlegebieden (ICR). Het is aangetoond dat de expressie van niet-coderende RNA’s, zoals antisense Igf2r RNA (Air) op chromosoom 17 van de muis en KCNQ1OT1 op chromosoom 11p15.5 van de mens, essentieel is voor het inprenten van genen in hun overeenkomstige regio’s.
Differentiaal gemethyleerde gebieden zijn over het algemeen DNA-segmenten die rijk zijn aan cytosine- en guaninenucleotiden, waarbij de cytosinenucleotiden op de ene kopie zijn gemethyleerd maar niet op de andere. In tegenstelling tot de verwachting, betekent methylering niet noodzakelijk stilstand; in plaats daarvan hangt het effect van methylering af van de standaardtoestand van de regio.
Functies van ingeprinte genen Bewerken
De controle van de expressie van specifieke genen door genomische inprenting is uniek voor therian zoogdieren (placenta zoogdieren en buideldieren) en bloeiende planten. Inprenting van hele chromosomen is gemeld bij wolluizen (Genus: Pseudococcus). en een schimmelmug (Sciara). Er is ook vastgesteld dat X-chromosoominactivering op een geprinte manier plaatsvindt in de extra-embryonale weefsels van muizen en alle weefsels in buideldieren, waar het altijd het X-chromosoom van de vader is dat tot zwijgen wordt gebracht.
Van de meeste geprinte genen bij zoogdieren is gevonden dat ze een rol spelen bij de controle van de embryonale groei en ontwikkeling, inclusief de ontwikkeling van de placenta. Andere ingeprinte genen zijn betrokken bij de postnatale ontwikkeling, met rollen die het zogen en het metabolisme beïnvloeden.
Hypothesen over de oorsprong van inprenten Bewerken
Een algemeen aanvaarde hypothese voor de evolutie van genomische inprenting is de “ouderlijke conflicthypothese”. Deze hypothese, ook bekend als de verwantschapstheorie van genomische inprenting, stelt dat de ongelijkheid tussen ouderlijke genomen als gevolg van inprenting het resultaat is van de verschillende belangen van elke ouder in termen van de evolutionaire geschiktheid van hun genen. De genen van de vader die coderen voor het inprenten, worden fit door het succes van het nageslacht, ten koste van de moeder. De evolutionaire noodzaak van de moeder is vaak om middelen te sparen voor haar eigen overleving en tegelijkertijd voldoende voeding te geven aan huidige en volgende nesten. . Dienovereenkomstig hebben vaderlijk tot expressie gebrachte genen de neiging groeibevorderend te zijn, terwijl maternaal tot expressie gebrachte genen de neiging hebben om de groei te beperken. Ter ondersteuning van deze hypothese is genomische imprinting gevonden bij alle zoogdieren van de placenta, waar het verbruik van hulpbronnen na de bevruchting ten koste van de moeder hoog is; hoewel het ook is aangetroffen bij eierleggende vogels, waar er na de bevruchting relatief weinig hulpbronnen worden overgedragen en dus minder ouderlijke conflicten. Een klein aantal geprinte genen evolueert snel onder positieve darwinistische selectie, mogelijk als gevolg van antagonistische co-evolutie. De meerderheid van de geprinte genen vertonen een hoge mate van micro-syntenieconservering en hebben zeer weinig duplicaties ondergaan in de afstammelingen van zoogdieren van de placenta.
Ons begrip van de moleculaire mechanismen achter genomische inprenting toont echter aan dat het het moedergenoom is dat beheert een groot deel van de inprenting van zowel de eigen als de vaderlijk afgeleide genen in de zygote, waardoor het moeilijk is uit te leggen waarom de moederlijke genen hun dominantie vrijwillig zouden opgeven aan die van de vaderlijk afgeleide genen in het licht van de conflicthypothese.
Een andere hypothese die wordt voorgesteld, is dat sommige ingeprent genen co-adaptief werken om zowel de ontwikkeling van de foetus als de voorziening van de moeder voor voeding en zorg te verbeteren. Daarin wordt een subset van vaderlijk tot expressie gebrachte genen samen tot expressie gebracht in zowel de placenta als de hypothalamus van de moeder. Dit zou tot stand komen door selectieve druk van de co-adaptatie van ouder en kind om de overleving van de baby te verbeteren. Paternaal uitgedrukt 3 (PEG3) is een gen waarvoor deze hypothese kan gelden.
Anderen hebben hun onderzoek naar de oorsprong van genomische inprenting van een andere kant benaderd, met het argument dat natuurlijke selectie werkt op de rol van epigenetische kenmerken als machinerie voor homologe chromosoomherkenning tijdens meiose, in plaats van op hun rol in differentiële uitdrukking. Dit argument concentreert zich op het bestaan van epigenetische effecten op chromosomen die de genexpressie niet rechtstreeks beïnvloeden, maar wel afhankelijk zijn van welke ouder het chromosoom afkomstig is. Deze groep van epigenetische veranderingen die afhankelijk zijn van de oorspronkelijke ouder van het chromosoom (inclusief zowel die welke de genexpressie beïnvloeden als degene die dat niet doen) worden ouderlijke oorsprongseffecten genoemd, en omvatten verschijnselen zoals X-inactivering van de vader bij de buideldieren, niet-willekeurige ouderchromatide verspreiding in de varens, en zelfs omschakeling van het paringstype in gist. Deze diversiteit in organismen die effecten van ouderlijke oorsprong vertonen, heeft theoretici ertoe aangezet om de evolutionaire oorsprong van genomische inprenting te plaatsen vóór de laatste gemeenschappelijke voorouder van planten en dieren, meer dan een miljard jaar geleden. / p>
Natuurlijke selectie voor genomische inprenting vereist genetische variatie in een populatie. Een hypothese voor de oorsprong van deze genetische variatie stelt dat het verdedigingssysteem van de gastheer dat verantwoordelijk is voor het tot zwijgen brengen van vreemde DNA-elementen, zoals genen van virale oorsprong, ten onrechte het zwijgen oplegt genen waarvan de uitschakeling gunstig bleek te zijn voor het organisme. Er lijkt een oververtegenwoordiging te zijn van opnieuw getransponeerde genen, dat wil zeggen genen die door virussen in het genoom worden ingebracht, onder ingeprinte genen. Er is ook gepostuleerd dat als het opnieuw getransponeerde gen wordt ingevoegd in de buurt van een ander geprint gen, het deze afdruk mogelijk krijgt.