Esse imprinting pode ser uma característica do desenvolvimento de mamíferos foi sugerido em experimentos de reprodução em camundongos carregando translocações cromossômicas recíprocas. Os experimentos de transplante de núcleo em zigotos de camundongos no início dos anos 1980 confirmaram que o desenvolvimento normal requer a contribuição dos genomas materno e paterno. A grande maioria dos embriões de camundongos derivados de partenogênese (chamados partenogenones, com dois genomas maternos ou de ovo) e androgênese (chamados androgenones, com dois genomas paternos ou espermatozoides) morrem antes ou no estágio de blastocisto / implantação. Nos raros casos em que se desenvolvem até os estágios pós-implantação, os embriões ginogenéticos apresentam melhor desenvolvimento embrionário em relação ao desenvolvimento da placenta, enquanto para os androgenones o inverso é verdadeiro. No entanto, para o último, apenas alguns foram descritos (em um artigo de 1984).
Nenhum caso natural de partenogênese existe em mamíferos por causa de genes impressos. No entanto, em 2004, a manipulação experimental por pesquisadores japoneses de uma impressão de metilação paterna controlando o gene Igf2 levou ao nascimento de um camundongo (chamado Kaguya) com dois conjuntos de cromossomos maternos, embora não seja uma partenogenona verdadeira, pois células de duas fêmeas diferentes ratos foram usados. Os pesquisadores conseguiram usar um óvulo de um pai imaturo, reduzindo assim o imprinting materno e modificando-o para expressar o gene Igf2, que normalmente é expresso apenas pela cópia paterna do gene.
Partenogenético / embriões ginogenéticos têm o dobro do nível de expressão normal de genes derivados da mãe e não têm expressão de genes expressos paternalmente, enquanto o inverso é verdadeiro para embriões androgenéticos. Sabe-se agora que existem pelo menos 80 genes impressos em humanos e camundongos, muitos dos quais estão envolvidos no crescimento e desenvolvimento embrionário e placentário. A descendência híbrida de duas espécies pode exibir um crescimento incomum devido à nova combinação de genes impressos.
Vários métodos têm sido usados para identificar genes impressos. Em suínos, Bischoff et al. comparou perfis transcricionais usando microarranjos de DNA para pesquisar genes diferencialmente expressos entre partenotas (2 genomas maternos) e fetos de controle (1 materno, 1 genoma paterno). Um estudo intrigante pesquisando o transcriptoma de tecidos cerebrais murinos revelou mais de 1300 loci de genes impressos (aproximadamente 10 vezes mais do que relatado anteriormente) por sequenciamento de RNA de híbridos F1 resultantes de cruzamentos recíprocos. O resultado, no entanto, foi contestado por outros que afirmaram que esta é uma superestimação em uma ordem de magnitude devido à análise estatística falha.
Em animais domésticos, polimorfismos de nucleotídeo único em genes impressos que influenciam o crescimento e desenvolvimento fetal têm foi demonstrado que está associado a características de produção economicamente importantes em bovinos, ovinos e suínos.
Mapeamento genético de genes impressosEdit
Ao mesmo tempo que a geração dos embriões ginogenéticos e androgenéticos discutidos acima, embriões de camundongos também estavam sendo gerados contendo apenas pequenas regiões derivadas de uma fonte paterna ou materna. A geração de uma série dessas desomias uniparentais, que juntas abrangem todo o genoma, permitiu a criação de um mapa de impressão. Aquelas regiões que quando herdadas de um único progenitor resultam em um fenótipo discernível contêm gene (s) impresso (s). Pesquisas posteriores mostraram que dentro dessas regiões havia muitos genes impressos. Cerca de 80% dos genes impressos são encontrados em grupos como esses, chamados de domínios impressos, sugerindo um nível de controle coordenado. Mais recentemente, telas de todo o genoma para identificar genes impressos usaram expressão diferencial de mRNAs de fetos de controle e fetos partenogenéticos ou androgenéticos hibridizados para microarrays de perfil de expressão gênica, expressão gênica específica de alelo usando microarrays de genotipagem SNP, sequenciamento de transcriptoma e pipelines de predição in silico .
Mecanismos de impressão Editar
A impressão é um processo dinâmico. Deve ser possível apagar e restabelecer impressões ao longo de cada geração para que os genes que são impressos em um adulto ainda possam ser expressos na prole desse adulto. (Por exemplo, os genes maternos que controlam a produção de insulina serão impressos em um macho, mas será expresso em qualquer prole do macho que herde esses genes.) A natureza da impressão deve, portanto, ser epigenética, e não dependente da sequência de DNA. Nas células da linha germinativa, a impressão é apagada e, em seguida, restabelecida de acordo com o sexo do indivíduo, ou seja, no esperma em desenvolvimento (durante a espermatogênese), uma impressão paterna é estabelecida, enquanto nos oócitos em desenvolvimento (oogênese), uma impressão materna é estabelecida. Esse processo de apagamento e reprogramação é necessário para que o status de impressão das células germinativas seja relevante para o sexo do indivíduo.Tanto em plantas quanto em mamíferos, há dois mecanismos principais envolvidos no estabelecimento da impressão; são metilação do DNA e modificações nas histonas.
Recentemente, um novo estudo sugeriu um novo mecanismo de impressão hereditária em humanos que seria específico do tecido placentário e que é independente da metilação do DNA (o mecanismo principal e clássico para impressão genômica). Isso foi observado em humanos, mas não em camundongos, sugerindo desenvolvimento após a divergência evolutiva de humanos e camundongos, ~ 80 Mya. Entre as explicações hipotéticas para este novo fenômeno, dois mecanismos possíveis foram propostos: ou uma modificação da histona que confere impressão em novos loci impressos específicos da placenta ou, alternativamente, um recrutamento de DNMTs para esses loci por um fator de transcrição específico e desconhecido que iria ser expresso durante a diferenciação trofoblástica inicial.
RegulationEdit
O agrupamento de genes impressos dentro de clusters permite que eles compartilhem elementos regulatórios comuns, como RNAs não codificantes e regiões diferencialmente metiladas (DMRs) . Quando esses elementos reguladores controlam a impressão de um ou mais genes, eles são conhecidos como regiões de controle de impressão (ICR). A expressão de RNAs não codificantes, como o RNA Igf2r antisense (Air) no cromossomo 17 de camundongo e KCNQ1OT1 no cromossomo humano 11p15.5, demonstrou ser essencial para a impressão de genes em suas regiões correspondentes.
As regiões diferencialmente metiladas são geralmente segmentos de DNA ricos em citosina e nucleotídeos guanina, com os nucleotídeos citosina metilados em uma cópia, mas não na outra. Ao contrário do que se esperava, a metilação não significa necessariamente silenciamento; em vez disso, o efeito da metilação depende do estado padrão da região.
Funções de genes impressosEditar
O controle da expressão de genes específicos por impressão genômica é exclusivo para mamíferos Therian (placentário mamíferos e marsupiais) e plantas com flores. Impressão de cromossomos inteiros foi relatada em cochonilhas (Gênero: Pseudococo). e um mosquito de fungo (Sciara). Também foi estabelecido que a inativação do cromossomo X ocorre de forma impressa nos tecidos extra-embrionários de camundongos e em todos os tecidos de marsupiais, onde é sempre o cromossomo X paterno que é silenciado.
O a maioria dos genes impressos em mamíferos tem papéis no controle do crescimento e desenvolvimento embrionário, incluindo o desenvolvimento da placenta. Outros genes imprinted estão envolvidos no desenvolvimento pós-natal, com papéis que afetam a sucção e o metabolismo.
Hipóteses sobre as origens do imprintingEdit
Uma hipótese amplamente aceita para a evolução do imprinting genômico é a “hipótese de conflito parental”. Também conhecida como teoria do parentesco do imprinting genômico, essa hipótese afirma que a desigualdade entre os genomas dos pais devido ao imprinting é resultado dos interesses divergentes de cada pai em termos da aptidão evolutiva de seus genes. Os genes do pai que codificam para imprinting ganham maior aptidão por meio do sucesso da prole, às custas da mãe. O imperativo evolucionário da mãe é muitas vezes conservar recursos para sua própria sobrevivência, fornecendo nutrição suficiente para as ninhadas atuais e subsequentes . Consequentemente, os genes expressos paternalmente tendem a ser promotores do crescimento, enquanto os genes expressos maternalmente tendem a ser limitantes do crescimento. Em apoio a esta hipótese, o imprinting genômico foi encontrado em todos os mamíferos placentários, onde o consumo de recursos da prole pós-fertilização às custas da mãe é alto; embora também tenha sido encontrado em aves ovíparas, onde há relativamente pouca transferência de recursos pós-fertilização e, portanto, menos conflito parental. Um pequeno número de genes impressos estão evoluindo rapidamente sob a seleção darwiniana positiva, possivelmente devido à coevolução antagônica. A maioria dos genes impressos exibe altos níveis de conservação de microssintenia e sofreu muito poucas duplicações em linhagens de mamíferos da placenta.
No entanto, nossa compreensão dos mecanismos moleculares por trás da impressão genômica mostra que é o genoma materno que controla grande parte da impressão de seus próprios genes e dos genes derivados do pai no zigoto, tornando difícil explicar por que os genes maternos cederiam voluntariamente seu domínio aos genes derivados do pai à luz da hipótese de conflito.
Outra hipótese proposta é que alguns genes impressos atuam coadaptivamente para melhorar o desenvolvimento fetal e o fornecimento materno de nutrição e cuidados. Nele, um subconjunto de genes expressos paternamente são co-expressos na placenta e no hipotálamo da mãe. Isso ocorreria por meio da pressão seletiva da coadaptação pai-bebê para melhorar a sobrevivência do bebê. Expressado paternamente 3 (PEG3) é um gene para os quais esta hipótese pode ser aplicada.
Outros abordaram seu estudo das origens da impressão genômica de um lado diferente, argumentando que a seleção natural está operando no papel das marcas epigenéticas como maquinário para o reconhecimento de cromossomos homólogos durante a meiose, ao invés de seu papel na meiose expressão diferencial. Esse argumento se concentra na existência de efeitos epigenéticos nos cromossomos que não afetam diretamente a expressão gênica, mas dependem de qual pai o cromossomo se originou. Este grupo de mudanças epigenéticas que dependem do pai de origem do cromossomo (incluindo aqueles que afetam a expressão do gene e aqueles que não) são chamados de efeitos de origem parental e incluem fenômenos como a inativação paterna do X nos marsupiais, cromátide parental não aleatória distribuição nas samambaias e até mesmo troca de tipo de acasalamento na levedura. Essa diversidade em organismos que mostram efeitos de origem parental levou os teóricos a colocar a origem evolutiva do imprinting genômico antes do último ancestral comum de plantas e animais, há mais de um bilhão de anos.
A seleção natural para impressão genômica requer variação genética em uma população. Uma hipótese para a origem dessa variação genética afirma que o sistema de defesa do hospedeiro responsável por silenciar elementos estranhos de DNA, como genes de origem viral, foi silenciado erroneamente genes cujo silenciamento acabou sendo benéfico para o organismo. Parece haver uma super-representação dos genes retrotranspostos, isto é, genes que são inseridos no genoma por vírus, entre genes impressos. Também foi postulado que se o gene retrotransposto for inserido próximo a outro gene impresso, ele pode apenas adquirir essa impressão.