Această imprimare ar putea fi o caracteristică a dezvoltării mamiferelor a fost sugerată în experimentele de reproducere la șoareci care transportă translocații reciproce cromozomiale. Experimentele de transplant de nucleu la zigotii șoarecilor la începutul anilor 1980 au confirmat că dezvoltarea normală necesită contribuția atât a genomului matern, cât și a celui patern. Marea majoritate a embrionilor de șoarece derivați din partenogeneză (denumită partenogenoni, cu două genome materne sau din ouă) și androgeneză (denumită androgenoni, cu doi genomi paterni sau spermatozoizi) mor la sau înainte de stadiul de blastocist / implantare. În cazurile rare în care se dezvoltă până la stadiile postimplantare, embrionii ginogenetici prezintă o dezvoltare embrionară mai bună în raport cu dezvoltarea placentară, în timp ce pentru androgenoni, inversul este adevărat. Cu toate acestea, pentru acestea din urmă, doar câteva au fost descrise (într-o lucrare din 1984).
Nu există cazuri naturale de partenogeneză la mamifere din cauza genelor imprimate. Cu toate acestea, în 2004, manipularea experimentală de către cercetătorii japonezi a unei amprente paterne de metilare care controlează gena Igf2 a dus la nașterea unui șoarece (numit Kaguya) cu două seturi de cromozomi materni, deși nu este un adevărat partenogenon, deoarece celulele de la două femei diferite au fost folosiți șoareci. Cercetătorii au reușit să folosească un ou de la un părinte imatur, reducând astfel amprenta maternă și modificându-l pentru a exprima gena Igf2, care în mod normal este exprimată doar prin copia paternă a genei.
Parthenogenetic / embrionii ginogenetici au de două ori nivelul de expresie normal al genelor derivate matern și nu au expresia genelor exprimate paternal, în timp ce inversul este adevărat pentru embrionii androgenetici. Se știe acum că există cel puțin 80 de gene imprimate la oameni și șoareci, dintre care mulți sunt implicați în creșterea și dezvoltarea embrionară și placentară. Descendenții hibrizi ai două specii pot prezenta o creștere neobișnuită datorită combinației noi de gene imprimate.
Au fost folosite diverse metode pentru identificarea genelor imprimate. La porcine, Bischoff și colab. au comparat profilurile transcripționale utilizând microarrays-urile de ADN pentru a studia genele exprimate diferențial între partenote (2 genomi materni) și fetușii de control (1 matern, 1 genom patern). Un studiu interesant care a analizat transcriptomul țesuturilor cerebrale murine a dezvăluit peste 1300 de loci genetici imprimați (aproximativ de 10 ori mai mult decât s-a raportat anterior) prin secvențierea ARN de la hibrizii F1 rezultați din încrucișări reciproce. Rezultatul a fost totuși contestat de alții care au susținut că aceasta este o supraestimare cu un ordin de mărime datorită analizei statistice defectuoase.
La animalele domestice, polimorfismele cu un singur nucleotid în genele imprimate care influențează creșterea și dezvoltarea fetală au s-a dovedit a fi asociat cu trăsături de producție importante din punct de vedere economic la bovine, ovine și porcine.
Cartografierea genetică a genelor imprimateEdit
În același timp cu generarea embrionilor ginogenetici și androgenetici discutați mai sus, erau de asemenea generați embrioni de șoareci care conțineau doar regiuni mici care erau derivate fie dintr-o sursă paternă, fie maternă. Generarea unei serii de astfel de disomii uniparentale, care împreună acoperă întregul genom, a permis crearea unei hărți de imprimare. Acele regiuni care atunci când sunt moștenite de la un singur părinte au ca rezultat un fenotip discernibil conțin genă (gene) imprimate. Cercetările ulterioare au arătat că în aceste regiuni existau adesea numeroase gene imprimate. Aproximativ 80% din genele imprimate se găsesc în clustere precum acestea, numite domenii imprimate, sugerând un nivel de control coordonat. Mai recent, ecranele la nivelul genomului pentru a identifica genele imprimate au folosit expresia diferențială a ARNm-urilor de la fetuții de control și fetușii partenogenetici sau androgenetici hibridizați la microarrays de profilare a expresiei genice, expresia genelor specifice alelelor folosind microarrays de genotipare SNP, secvențierea transcriptomului și conductele de predicție in silico. .
Mecanisme de imprimare Editare
Imprimarea este un proces dinamic. Trebuie să fie posibilă ștergerea și restabilirea amprentelor prin fiecare generație, astfel încât genele care sunt imprimate la un adult să poată fi exprimate în urmașii acelui adult (de exemplu, genele materne care controlează producția de insulină vor fi imprimate într-un masculin, dar va fi exprimat în oricare dintre descendenții masculi care moștenesc aceste gene.) Natura amprentării trebuie deci să fie epigenetică mai degrabă decât dependentă de secvența ADN. În celulele germinale, amprenta este ștearsă și apoi restabilită în funcție de sexul individului, adică în spermatozoizii în curs de dezvoltare (în timpul spermatogenezei), se stabilește o amprentă paternă, în timp ce în ovocitele în curs de dezvoltare (oogeneza), se stabilește o amprentă maternă. Acest proces de ștergere și reprogramare este necesar astfel încât statutul de imprimare a celulelor germinale să fie relevant pentru sexul individului.Atât la plante cât și la mamifere există două mecanisme majore care sunt implicate în stabilirea amprentei; acestea sunt modificări ale metilării ADN și ale histonelor.
Recent, un nou studiu a sugerat un nou mecanism ereditar de imprimare la om, care ar fi specific țesutului placentar și care este independent de metilarea ADN (mecanismul principal și clasic pentru imprimare genomică). Acest lucru a fost observat la oameni, dar nu la șoareci, sugerând dezvoltarea după divergența evolutivă a oamenilor și șoarecilor, ~ 80 Mya. Printre explicațiile ipotetice pentru acest fenomen nou, au fost propuse două mecanisme posibile: fie o modificare a histonei care conferă imprimarea la noi loci imprimați placentari specifici sau, alternativ, o recrutare a DNMT-urilor la acești loci de către un factor de transcripție specific și necunoscut care ar să fie exprimată în timpul diferențierii timpurii a trofoblastelor.
RegulationEdit
Gruparea genelor imprimate în clustere le permite să împărtășească elemente de reglare comune, cum ar fi ARN-urile necodificate și regiunile metilate diferențial (DMR) . Atunci când aceste elemente de reglare controlează imprimarea uneia sau mai multor gene, acestea sunt cunoscute sub numele de regiuni de control de imprimare (ICR). Expresia ARN-urilor necodificatoare, cum ar fi ARN-ul antisens Igf2r (Aer) pe cromozomul șoarecelui 17 și KCNQ1OT1 pe cromozomul uman 11p15.5, s-a dovedit a fi esențială pentru imprimarea genelor în regiunile lor corespunzătoare.
Regiunile metilate diferențial sunt în general segmente de ADN bogat în nucleotide de citozină și guanină, cu nucleotidele de citozină metilate pe o copie, dar nu pe cealaltă. Contrar așteptărilor, metilarea nu înseamnă neapărat tăcere; în schimb, efectul metilării depinde de starea implicită a regiunii.
Funcțiile genelor imprimateEdit
Controlul expresiei genelor specifice prin imprimarea genomică este unic mamiferelor teriene (placentară mamifere și marsupiale) și plante cu flori. Amprentarea cromozomilor întregi a fost raportată la cocoșii (gen: Pseudococcus). și o muscă de ciuperci (Sciara). De asemenea, s-a stabilit că inactivarea cromozomului X are loc într-o manieră imprimată în țesuturile extra-embrionare ale șoarecilor și în toate țesuturile din marsupiale, unde întotdeauna cromozomul X paternal este redus la tăcere.
sa constatat că majoritatea genelor imprimate la mamifere au roluri în controlul creșterii și dezvoltării embrionare, inclusiv în dezvoltarea placentei. Alte gene imprimate sunt implicate în dezvoltarea post-natală, cu roluri care afectează alăptarea și metabolismul.
Ipoteze privind originile imprintingEdit
O ipoteză larg acceptată pentru evoluția imprimării genomice este „ipoteza conflictului părintesc”. Cunoscută și sub numele de teoria de rudenie a amprentării genomice, această ipoteză afirmă că inegalitatea dintre genomii părinți datorită amprentării este un rezultat al intereselor diferite ale fiecărui părinte în ceea ce privește aptitudinea evolutivă a genelor lor. Genele tatălui care codifică pentru imprimare câștigă o formă mai bună prin succesul descendenților, în detrimentul mamei. Imperativul evolutiv al mamei este adesea să-și păstreze resursele pentru propria supraviețuire, oferind în același timp hrană suficientă pentru portierele actuale și ulterioare. . În consecință, genele exprimate paternal tind să promoveze creșterea, în timp ce genele exprimate maternal tind să limiteze creșterea. În sprijinul acestei ipoteze, amprentarea genomică a fost găsită la toate mamiferele placentare, unde consumul de resurse post-fertilizare a descendenților în detrimentul mamei este ridicat; deși a fost găsit și la păsările ovipare în care există relativ puține transferuri de resurse post-fertilizare și, prin urmare, mai puține conflicte parentale. Un număr mic de gene imprimate evoluează rapid sub selecție darwiniană pozitivă posibil datorită co-evoluției antagoniste. Majoritatea genelor imprimate prezintă niveluri ridicate de conservare a micro-sinteniei și au suferit foarte puține dubluri în descendențele mamiferelor placentare.
Cu toate acestea, înțelegerea noastră despre mecanismele moleculare din spatele imprimării genomice arată că genomul matern este cel care controlează o mare parte din amprentarea atât a genelor proprii, cât și a celor derivate de la patern în zigot, ceea ce face dificilă explicarea de ce genele materne își vor renunța de bunăvoie la dominația lor față de genele derivate de la patern în lumina ipotezei conflictului.
O altă ipoteză propusă este că unele gene imprimate acționează coadaptativ pentru a îmbunătăți atât dezvoltarea fetală, cât și asigurarea maternă pentru nutriție și îngrijire. În el, un subset de gene exprimate paternal sunt co-exprimate atât în placentă, cât și în hipotalamusul mamei. Acest lucru se va produce prin presiunea selectivă din coadaptarea părinte-copil pentru a îmbunătăți supraviețuirea sugarului. Patern 3 exprimat (PEG3) este o genă pentru care se poate aplica această ipoteză.
Alții au abordat studiul originii amprentării genomice dintr-o altă parte, argumentând că selecția naturală operează pe rolul semnelor epigenetice ca mecanism de recunoaștere a cromozomilor omologi în timpul meiozei, mai degrabă decât pe rolul lor în expresie diferențială. Acest argument se concentrează pe existența efectelor epigenetice asupra cromozomilor care nu afectează direct expresia genelor, dar depind de care părinte a provenit cromozomul. Acest grup de modificări epigenetice care depind de părintele de origine al cromozomului (incluzând atât cele care afectează expresia genelor, cât și cele care nu) sunt numite efecte de origine parentală și includ fenomene precum inactivarea paternă a X-ului în marsupiale, cromatida parentală aleatorie distribuția în ferigi și chiar schimbarea tipului de împerechere în drojdie. Această diversitate a organismelor care prezintă efecte de origine parentală i-a determinat pe teoreticieni să plaseze originea evolutivă a amprentării genomice înaintea ultimului strămoș comun al plantelor și animalelor, cu peste un miliard de ani în urmă.
Selecția naturală pentru imprimarea genomică necesită variații genetice într-o populație. O ipoteză pentru originea acestei variații genetice afirmă că sistemul de apărare a gazdei responsabil cu reducerea la tăcere a elementelor ADN străine, cum ar fi genele de origine virală, au redus în mod eronat gene a căror silențiere sa dovedit a fi benefică pentru organism. Se pare că există o supra-reprezentare a genelor retrotranspuse, adică genele care sunt inserate în genom de către viruși, printre genele imprimate. De asemenea, s-a postulat că, dacă gena retrotranspusă este inserată aproape de o altă genă imprimată, aceasta poate dobândi doar această amprentă.