To, że imprinting może być cechą rozwoju ssaków, zasugerowano w eksperymentach hodowlanych na myszach przenoszących wzajemne translokacje chromosomów. Eksperymenty z przeszczepem jądra komórkowego u zygot myszy na początku lat osiemdziesiątych XX wieku potwierdziły, że prawidłowy rozwój wymaga udziału genomów zarówno matki, jak i ojca. Ogromna większość zarodków myszy pochodzących z partenogenezy (zwanych partenogenonami, z dwoma genomami matczynymi lub jajowymi) i androgenezy (zwanych androgenonami, z dwoma genomami ojca lub plemników) umiera na etapie blastocysty / implantacji lub przed nim. W rzadkich przypadkach, gdy rozwijają się do etapów po implantacji, zarodki gynogenetyczne wykazują lepszy rozwój embrionalny w porównaniu z rozwojem łożyska, podczas gdy w przypadku androgenonów jest odwrotnie. Niemniej jednak, w przypadku tego ostatniego, opisano tylko kilka (w artykule z 1984 roku).
Nie ma naturalnie występujących przypadków partenogenezy u ssaków z powodu wdrukowanych genów. Jednak w 2004 r. Eksperymentalna manipulacja przez japońskich naukowców odcisku ojcowskiej metylacji kontrolującego gen Igf2 doprowadziła do narodzin myszy (o imieniu Kaguya) z dwoma matczynymi zestawami chromosomów, chociaż nie jest to prawdziwy partenogenon, ponieważ komórki od dwóch różnych samic myszy. Naukowcom udało się odnieść sukces, wykorzystując jedno jajo od niedojrzałego rodzica, zmniejszając w ten sposób wdrukowanie matki i modyfikując je tak, aby wyrażało gen Igf2, który normalnie jest wyrażany tylko przez ojcowską kopię genu.
Partenogenetyczny / Zarodki gynogenetyczne mają dwukrotnie wyższy poziom ekspresji genów pochodzących od matki i nie wykazują ekspresji genów o ekspresji ojcowskiej, podczas gdy w przypadku embrionów androgenetycznych sytuacja jest odwrotna. Obecnie wiadomo, że u ludzi i myszy istnieje co najmniej 80 genów wdrukowanych, z których wiele bierze udział we wzroście i rozwoju embrionalnym i łożyskowym. Potomstwo hybrydowe dwóch gatunków może wykazywać niezwykły wzrost dzięki nowatorskiej kombinacji genów wdrukowanych.
Do identyfikacji genów wdrukowanych stosowano różne metody. W przypadku świń Bischoff i wsp. porównali profile transkrypcyjne przy użyciu mikromacierzy DNA w celu zbadania genów o różnej ekspresji między partenotami (2 genomy matki) a płodami kontrolnymi (1 genom matki, 1 genom ojca). Intrygujące badanie dotyczące transkryptomu mysich tkanek mózgowych ujawniło ponad 1300 imprintowanych loci genów (około 10-krotnie więcej niż wcześniej podawano) przez sekwencjonowanie RNA z hybryd F1 powstałych w wyniku wzajemnych krzyżowań. Wynik został jednak zakwestionowany przez innych, którzy twierdzili, że jest to przeszacowanie o rząd wielkości z powodu błędnej analizy statystycznej.
U zwierząt hodowlanych polimorfizmy pojedynczego nukleotydu w odciskanych genach wpływających na wzrost i rozwój płodu wykazały wykazano, że jest powiązany z ekonomicznie ważnymi cechami produkcyjnymi u bydła, owiec i świń.
Mapowanie genetyczne wdrukowanych genówEdytuj
W tym samym czasie, co omawiane generowanie zarodków gynogenetycznych i androgenetycznych powyżej, generowano również zarodki mysie, które zawierały tylko małe regiony pochodzące ze źródła ojcowskiego lub matczynego. Wytwarzanie serii takich jednorodzicielskich disomii, które razem obejmują cały genom, umożliwiło stworzenie mapy odcisku. Regiony, które odziedziczone od jednego rodzica dają dostrzegalny fenotyp, zawierają wdrukowany (e) gen (y). Dalsze badania wykazały, że w tych regionach często występuje wiele genów wdrukowanych. Około 80% genów wdrukowanych znajduje się w klastrach takich jak te, zwanych domenami imprintowanymi, co sugeruje poziom skoordynowanej kontroli. Niedawno badania przesiewowe całego genomu w celu identyfikacji genów imprintowanych wykorzystywały różnicową ekspresję mRNA z płodów kontrolnych i płodów partenogenetycznych lub androgenetycznych hybrydyzowanych z mikromacierzami profilującymi ekspresję genów, ekspresją genów specyficzną dla alleli przy użyciu mikromacierzy genotypujących SNP, sekwencjonowaniem transkryptomu i potokami przewidywania in silico .
Mechanizmy nadrukuEdytuj
Nadruk jest procesem dynamicznym. Musi istnieć możliwość wymazania i ponownego ustanowienia śladów w każdym pokoleniu, tak aby geny, które są odciskane u dorosłego dorosłego, mogły być nadal wyrażane u jego potomstwa (na przykład geny matki, które kontrolują produkcję insuliny, zostaną odciśnięte w samiec, ale będzie wyrażany w jakimkolwiek potomstwie samca, które odziedziczy te geny.) Charakter wdrukowania musi zatem być raczej epigenetyczny niż zależny od sekwencji DNA. W komórkach linii zarodkowej odcisk jest usuwany, a następnie przywracany zgodnie z płcią osobnika, tj. W rozwijającym się plemniku (podczas spermatogenezy) powstaje odcisk ojcowski, natomiast w rozwijających się oocytach (oogeneza) ustalany jest odcisk matczyny. Ten proces wymazywania i przeprogramowywania jest konieczny, aby stan odciskania komórek rozrodczych był odpowiedni dla płci 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 (głównego i klasycznego mechanizmu imprintingu genomowego). Zaobserwowano to u ludzi, ale nie u myszy, co sugeruje rozwój po ewolucyjnej dywergencji ludzi i myszy, ~ 80 milionów lat temu. Wśród hipotetycznych wyjaśnień tego nowego zjawiska zaproponowano dwa możliwe mechanizmy: albo modyfikację histonów, która nadaje odcisk nowym loci swoistym dla łożyska, albo, alternatywnie, rekrutację DNMT do tych loci przez specyficzny i nieznany czynnik transkrypcyjny, który być wyrażane podczas wczesnego różnicowania trofoblastów.
RegulacjaEdit
Grupowanie genów wdrukowanych w klastry pozwala im dzielić wspólne elementy regulatorowe, takie jak niekodujące RNA i regiony metylowane różnicowo (DMR) . Kiedy te elementy regulatorowe kontrolują imprinting jednego lub większej liczby genów, są one znane jako regiony kontrolne imprintingu (ICR). Wykazano, że ekspresja niekodujących RNA, takich jak antysensowne RNA Igf2r (powietrze) na mysim chromosomie 17 i KCNQ1OT1 na ludzkim chromosomie 11p15.5, ma zasadnicze znaczenie dla wdrukowania genów w odpowiadających im regionach.
Regiony metylowane w sposób różnicowy są generalnie segmentami DNA bogatymi w nukleotydy cytozyny i guaniny, przy czym nukleotydy cytozyny są metylowane na jednej kopii, ale nie na drugiej. Wbrew oczekiwaniom, metylacja niekoniecznie oznacza wyciszenie; zamiast tego efekt metylacji zależy od domyślnego stanu regionu.
Funkcje wdrukowanych genówEdytuj
Kontrola ekspresji określonych genów przez wdrukowanie genomowe jest unikalna dla ssaków ssaki i torbacze) oraz rośliny kwitnące. Odcisk całych chromosomów odnotowano u wełnowców (rodzaj: Pseudococcus). i komara grzyba (Sciara). Ustalono również, że inaktywacja chromosomu X zachodzi w sposób nadrukowany w tkankach pozazarodkowych myszy i we wszystkich tkankach torbaczy, gdzie zawsze wyciszany jest ojcowski chromosom X.
stwierdzono, że większość genów wdrukowanych u ssaków odgrywa rolę w kontrolowaniu wzrostu i rozwoju zarodków, w tym rozwoju łożyska. Inne wdrukowane geny są zaangażowane w rozwój poporodowy, a ich role wpływają na ssanie i metabolizm.
Hipotezy na temat pochodzenia imprintinguEdytuj
Powszechnie akceptowaną hipotezą dotyczącą ewolucji wdrukowania genomowego jest „hipoteza konfliktu rodzicielskiego”. Hipoteza ta, znana również jako teoria pokrewieństwa genomowego imprintingu, stwierdza, że nierówność między genomami rodzicielskimi spowodowana wdrukowaniem jest wynikiem różnych interesów każdego z rodziców pod względem ewolucyjnej sprawności ich genów. Geny ojca, które kodują do wdrukowania, zyskują większą sprawność dzięki sukcesowi potomstwa, kosztem matki. Ewolucyjnym imperatywem matki jest często zachowanie zasobów niezbędnych do własnego przetrwania, zapewniając jednocześnie wystarczające pożywienie obecnym i kolejnym miotom . W związku z tym geny ekspresji ojcowskiej mają tendencję do promowania wzrostu, podczas gdy geny ekspresji matczynej mają tendencję do ograniczania wzrostu. Na poparcie tej hipotezy stwierdzono, że odcisk genomowy stwierdzono u wszystkich ssaków łożyskowych, u których zużycie zasobów przez potomstwo po zapłodnieniu kosztem matki jest wysokie; chociaż stwierdzono również u ptaków jajorodnych, u których występuje stosunkowo niewielki transfer zasobów po zapłodnieniu, a zatem mniej konfliktów rodzicielskich. Niewielka liczba odciśniętych genów szybko ewoluuje w ramach pozytywnej selekcji darwinowskiej, prawdopodobnie z powodu antagonistycznej koewolucji. Większość wdrukowanych genów wykazuje wysoki poziom zachowania mikro-syntenii i przeszła bardzo niewiele duplikacji w liniach łożyskowych ssaków.
Jednak nasze zrozumienie mechanizmów molekularnych stojących za wdrukowaniem genomu pokazuje, że to genom matki kontroluje znaczną część nadruku zarówno własnych genów, jak i genów pochodzenia ojcowskiego w zygocie, co utrudnia wyjaśnienie, dlaczego geny matki dobrowolnie zrzekłyby się dominacji genów pochodzenia ojcowskiego w świetle hipotezy konfliktu.
Inna zaproponowana hipoteza głosi, że niektóre wdrukowane geny działają koadaptacyjnie, poprawiając zarówno rozwój płodu, jak i matczyne zaopatrzenie w odżywianie i opiekę. W nim podzbiór genów wyrażanych ojcowsko ulega koekspresji zarówno w łożysku, jak i podwzgórzu matki. Byłoby to wynikiem selektywnej presji ze strony koadaptacji rodzica i niemowlęcia w celu poprawy przeżycia niemowlęcia. do których może mieć zastosowanie ta hipoteza.
Inni podeszli do swoich badań nad początkami odcisku genomu z innej strony, argumentując, że dobór naturalny działa na roli znaczników epigenetycznych jako mechanizmu rozpoznawania homologicznych chromosomów podczas mejozy, a nie na ich roli w wyrażenie różnicowe. Ten argument koncentruje się na istnieniu efektów epigenetycznych na chromosomach, które nie wpływają bezpośrednio na ekspresję genów, ale zależą od tego, od którego rodzica pochodzi chromosom. Ta grupa zmian epigenetycznych, które zależą od rodzica chromosomu, z którego pochodzi chromosom (w tym zarówno te, które wpływają na ekspresję genów, jak i te, które nie mają) nazywane są efektami pochodzenia rodzicielskiego i obejmują takie zjawiska, jak inaktywacja chromosomu u ojca dystrybucja w paprociach, a nawet zmiana typu kojarzenia u drożdży. Ta różnorodność organizmów, które wykazują wpływ na pochodzenie rodzicielskie, skłoniła teoretyków do umieszczenia ewolucyjnego pochodzenia genomowego odcisku przed ostatnim wspólnym przodkiem roślin i zwierząt, ponad miliard lat temu.
Naturalna selekcja do wdrukowania genomowego wymaga zmienności genetycznej w populacji. Hipoteza dotycząca pochodzenia tej zmienności genetycznej głosi, że system obrony gospodarza odpowiedzialny za wyciszanie obcych elementów DNA, takich jak geny pochodzenia wirusowego, został omyłkowo wyciszony geny, których wyciszenie okazało się korzystne dla organizmu. Wydaje się, że istnieje nadreprezentacja genów z retrotranspozycją, to znaczy geny, które są wstawiane do genomu przez wirusy, wśród genów wdrukowanych. Postulowano również, że jeśli retrotranspozycja genów zostanie wstawiona blisko innego wdrukowanego genu, może po prostu nabyć ten odcisk.