Wikipedia

Genomsko utiskavanje

÷Genomski imprinting ili genomsko utiskavanje je epigenetički fenomen koji uzrokuje da gen bude eksprimiran na način specifičan za roditeljsko porijeklo (od kojeg je roditelja naslijeđen).[1][2][3][4][5] Geni se također mogu i djelimično utiskati. Djelimični imprinting nastaje kada su aleli oba roditelja različito eksprimirani, a ne kao obosdtrano potpuna ekspresija i potpuna supresija alela od samo jednog roditelja.[6] Oblici genomskog utiskavanja demonstrirani su kod gljiva, biljaka i životinja.[7][8] U 2014. bilo je poznato oko 150 štapanih gena kod miševa i otprilike polovina od toga kod ljudi.[9] Do 2019. godine prijavljeno je 260 utisksanih gena kod miševa i 228 kod ljudi.[10]

Genomsko utiskavanje je proces nasljeđivanja nezavisan od klasičnog Mendelovskog nasljeđivanja. To je epigenetički proces koji uključuje DNK metilaciju i metilaciju histona, bez mijenjanja genske sekvence. Over epigenetičke determinante uspostavljaju se („imprintiraju“, utiskavaju, uštampavaju) u zametnoj liniji (spermatozoidi ili jajne ćelije) roditelja i održavaju se kroz mitotskuku ćelijsku diobu u somatskim ćelijama.[11]

Odgovarajuće utiskavanje određenih gena je važno za normalan razvoj. Ljudske bolesti koje uključuju genomski imprinting uključuju Angelmanov sindrom, Prader-Willijev sindrom i mušku neplodnost.[3]

Pregled

uredi

U diploidnim organizmima (poput ljudi), somatske ćelije posjeduju dvije kopije genoma, jednu naslijeđenu od oca, a drugu od majke. Svaki autosomni gen je stoga predstavljen sa dvije kopije ili alela, sa po jednom kopijom naslijeđenom od svakog roditelja u oplodnji. Eksprimirani alel zavisi od njegovog roditeljskog porekla. Naprimjer, gen koji kodira inzulinoliki faktor rasta 2 (IGF2 / Igf2) eksprimiran je samo iz alela naslijeđenog od oca. Iako imprintinzi čine mali udio gena sisara, imaju važnu ulogu u embriogenezi, posebno u formiranju visceralnih struktura i nervnog sistema.[12]

Termin "imprinting" je prvi put korišten za opisivanje pojava kod insekta Pseudococcus nipae.[13] U porodici Pseudococcidae (tvrdokrilci ) (Hemiptera, Coccoidea) i mužjak i ženka razvijaju se iz oplođenog jajeta. Kod ženki, svi hromosomi ostaju eukromatinski i funkcionalni. U embrionima koji su predodređeni da postanu mužjaci, jedan haploidni set hromosoma postaje heterohromatski, nakon šeste podjele cijepanja i ostaje takav u većini tkiva; mužjaci su stoga funkcionalno haploidni.[14][15][16]

Utiskani geni kod sisara

uredi

Da bi utiskavanje moglo biti odlika razvoja sisara sugerirano je u eksperimentima uzgoja na miševima koji nose recipročne hromosomske translokacije.[17] Eksperimenti transplantacije jedra kod mišjih zigota početkom 1980-ih potvrdili su da normalan razvoj zahtijeva doprinos i majčinog i očevog genoma. Velika većina mišjih embriona nastalih iz partenogeneze (zvani partenogenoni, sa dva genoma majke ili jajne ćelije) i androgeneze (zvani androgenoni, sa dva genoma oca ili sperme) ugibaju na ili prije faze blastociste/implantacije . U rijetkim slučajevima, kada se razviju do postimplantacijskih faza, ginogenetski embrioni pokazuju bolji embrionalni razvoj u odnosu na razvoj placente, dok je za androgenone obrnuto. Ipak, za potonje, samo nekoliko je opisano (u radu iz 1984.).[18][19][20]

Ne postoje prirodni slučajevi partenogeneze kod sisara zbog utiskanih gena. Međutim, 2004. godine, eksperimentalna manipulacija japanskih istraživača otiskom metilacije oca koji kontroliše gen Igf2 dovela je do rođenja miša (nazvanog Kaguya) sa dva majčina seta hromosoma, iako to nije pravi partenogenon jer su korištene ćelije dvije različite ženke miševa. Istraživači su uspjeli koristeći jednu jajnu stanicu od nezrelog roditelja, čime su smanjili majčino utiskavanje i modificirali ga kako bi eksprimirao gen Igf2, koji se obično eksprimira samo u očevoj kopiji gena.

Partenogenetski/ginogenetski embrioni imaju dvostruko veći nivo od normalnog nivoa ekspresije od gena dobijenih od majke, i nedostaje im ekspresija gena eksprimiranih od strane oca, dok je obrnuto za androgene embrije. Sada je poznato da postoji najmanje 80 utiskanih gena kod ljudi i miševa, od kojih su mnogi uključeni u rast i razvoj embriona i placente.[11][21][22][23] Hibridno potomci dvije vrste može pokazati neobičan rast zbog nove kombinacije utiskanih gena.[24]

Za identifikaciju utiskanih genao krišteni su različiti metodi. Kod svinja, Bischoff et al. upoređivali su transkripcijske profile koristeći mikromrežu DNK, da bi ispitali različito eksprimirane gene između partenota (2 genoma majke) i kontrolnih fetusa (1 genom majke, 1 genom oca).[25] Intrigantna studija koja je istraživala transkriptom mišjeg moždanog tkiva otkrila je preko 1300 utiskanih genskih lokusa (otprilike 10 puta više nego što je ranije prijavljeno), sekvenciranjem RNK hibrida F1 generacije, koji su rezultat recipročnih ukrštanja.[26] Rezultat su, međutim, osporili drugi koji su tvrdili da je ovo precijenjeno po redu veličine, zbog pogrešne statističke analize.[27][28]

Kod domaće stoke pokazalo se da su jednonukleotidni polimorfizmi u utiskanim genima koji utiču na fetusni rast i razvoj povezani s ekonomski važnim proizvodnim osobinama goveda, ovaca i svinja.[29][30]

Genetičko mapiranje utiskanih gena

uredi

U isto vrijeme sa generiranjem ginegenetskih i androgenetskih embriona o kojima je gore raspravljano, generirani su i mišji embrioni koji su sadržavali samo male regije, izvedene bilo iz očevog ili majčinog izvora.[31][32] > Generiranje serije takvih jednoroditeljskih disomija, koje zajedno obuhvataju cio genom, omogućilo je stvaranje mape za utiskavanje.[33] One regije koje kada su naslijeđene od jednog roditelja rezultiraju uočljivim fenotipom sadrže utiskane gene). Dalja istraživanja pokazala su da su u ovim regijama često postojali brojni utiskani geni.[34] Oko 80% utiskanih gena nalazi se u klasterima poput ovih, koji se nazivaju utiskanim domenima, što sugerira nivo koordinirane kontrole.[35] U skorije vrijeme, skrininzi na cijelom genomu za identifikaciju utiskanih gena koristili su diferencijalnu ekspresiju iRNK iz kontrolnih fetusa i partenogenetskih ili androgenetskih fetusa hibridiziranih u profiliranje genske ekspresije mikromrežama,[36] alelsnopecifične ekspresije gena, pomoću SNP genotipizacije mikročipova,[37] sekvenciranja transkriptoma[38] i kanala predviđanja in silico .[39]

Mehanizmi utiskavanja

uredi

Uštampavanje je dinamičan proces. Mora postojati mogućnost brisanja i ponovnog uspostavljanja otisaka kroz svaku generaciju, tako da geni koji su utiskani u odraslu osobu i dalje mogu biti ni u potomstvu te odrasle osobe. (Naprimjer, majčinski geni koji kontroliraju proizvodnju insulina bit će utiskani u mužjaka, ali će biti izraženi u bilo kojem od muških potomaka koji naslijede ove gene.) Priroda utiskavanja mora stoga biti epigenetička prije nego DNK-zavisna sekvenca. U germlinijskim ćelijama imprint se briše, a zatim ponovo uspostavlja u skladu sa spolom jedinke, tj. u spermiju u razvoju (tokom spermatogeneze), uspostavlja se očinski imprint, dok u razvoj oocita (oogeneza), uspostavlja se majčin imprint. Ovaj proces brisanja i reprogramiranja[40] je neophodan, tako da status utiskavanja zametnih ćelija bude relevantan za spol jedinke. I kod biljaka i kod sisara postoje dva glavna mehanizma koja su uključena u uspostavljanje imprinta; to su DNK-metilacija i histonske modifikacije.

Nedavno, nova studija[41] predložila je novi nasljedni mehanizam utiskavanja kod ljudi koji bi bio specifičan za tkivo posteljice i koji je nezavisan od metilacija DNK (glavni i klasični mehanizam za genomsko utiskavanje). Ovo je uočeno kod ljudi, ali ne i kod miševa, što ukazuje na razvoj nakon evolucijske divergencije ljudi i miševa, prije ~80 miliona godina. Među hipotetskim objašnjenjima za ovaj novi fenomen, predložena su dva moguća mehanizma: ili histonska modifikacija koja ostavlja imprint na novim placentalnospecifičnim utiskanim lokusima ili, alternativno, regrutovanje DNMT za ove lokuse pomoću specifičnog i nepoznatog transkripcijskog faktora koji bi bio eksprimiran tokom rane diferencijacije trofoblasta.

Regulacija

uredi

Grupisanje utiskanih gena unutar klastera omogućava im da dijele zajedničke regulatorne elemente, kao što su nekodirajuća RNK i diferencijalno metilirane regije (DMR). Kada ovi regulatorni elementi kontrolišu utiskavanje jednog ili više gena, poznati su kao regije kontrole utiskavanja (ICR). Ekspresija nekodirajuće RNK, kao što je antisensna Igf2r RNK na mišjem hromosomu 17 i KCNQ1OT1 na ljudskom hromosomu 11 sekvenca p15.5, pokazalo se da su neophodni za utiskavanje gena u njihovim odgovarajućim regijama.[42]

Diferencijalno metilirani regioni su općenito segmenti DNK bogati citozinskim i guaninskim nukleotidima, pri čemu su nukleotidi citozina metilirani na jednoj kopiji, ali ne i na drugoj. Suprotno očekivanju, metilacija ne znači nužno utišavanje; umesto toga, efekat metilacije zavisi od podrazumijevanog stanja regije.[43]

Također pogledajte

uredi

Reference

uredi
  1. ^ Ferguson-Smith AC (juli 2011). "Genomic imprinting: the emergence of an epigenetic paradigm". Nature Reviews Genetics. 12 (8): 565–75. doi:10.1038/nrg3032. PMID 21765458. S2CID 23630392. Šablon:Closed access
  2. ^ Bartolomei, MS (septembar 2009). "Genomic imprinting: employing and avoiding epigenetic processes". Genes & Development. 23 (18): 2124–33. doi:10.1101/gad.1841409. PMC 2751984. PMID 19759261.
  3. ^ a b Rotondo JC, Selvatici R, Di Domenico M, Marci R, Vesce F, Tognon M, Martini F (septembar 2013). "Methylation loss at H19 imprinted gene correlates with methylenetetrahydrofolate reductase gene promoter hypermethylation in semen samples from infertile males". Epigenetics. 9 (18): 990–7. doi:10.4161/epi.25798. PMC 3883776. PMID 23975186.
  4. ^ Patten MM, Ross L, Curley JP, Queller DC, Bonduriansky R, Wolf JB (august 2014). "The evolution of genomic imprinting: theories, predictions and empirical tests". Heredity. 113 (2): 119–28. doi:10.1038/hdy.2014.29. PMC 4105453. PMID 24755983.
  5. ^ Reik W, Walter J (januar 2001). "Genomic imprinting: parental influence on the genome". Nature Reviews Genetics. 2 (1): 21–32. doi:10.1038/35047554. PMID 11253064. S2CID 12050251. Šablon:Closed access
  6. ^ Morcos L, Ge B, Koka V, Lam KC, Pokholok DK, Gunderson KL, et al. (2011). "Genome-wide assessment of imprinted expression in human cells". Genome Biology. 12 (3): R25. doi:10.1186/gb-2011-12-3-r25. PMC 3129675. PMID 21418647.
  7. ^ Martienssen RA, Colot V (august 2001). "DNA methylation and epigenetic inheritance in plants and filamentous fungi". Science. 293 (5532): 1070–4. doi:10.1126/science.293.5532.1070. PMID 11498574.
  8. ^ Feil R, Berger F (april 2007). "Convergent evolution of genomic imprinting in plants and mammals". Trends in Genetics. 23 (4): 192–9. doi:10.1016/j.tig.2007.02.004. PMID 17316885.
  9. ^ Peters J (august 2014). "The role of genomic imprinting in biology and disease: an expanding view". Nature Reviews Genetics. 15 (8): 517–30. doi:10.1038/nrg3766. PMID 24958438. S2CID 498562.
  10. ^ Tucci V, Isles AR, Kelsey G, Ferguson-Smith AC, Erice Imprinting Group (2019). "Genomic Imprinting and Physiological Processes in Mammals". Cell. 176 (5): 952–965. doi:10.1016/j.cell.2019.01.043. PMID 30794780.
  11. ^ a b Wood AJ, Oakey RJ (novembar 2006). "Genomic imprinting in mammals: emerging themes and established theories". PLOS Genetics. 2 (11): e147. doi:10.1371/journal.pgen.0020147. PMC 1657038. PMID 17121465.
  12. ^ Butler, Merlin G. (oktobar 2009). "Genomic imprinting disorders in humans: a mini-review". Journal of Assisted Reproduction and Genetics. 26 (9–10): 477–486. doi:10.1007/s10815-009-9353-3. PMC 2788689. PMID 19844787.
  13. ^ Schrader, Franz (1921). "The chromosomes in Pseudococcus nipæ". Biological Bulletin. 40 (5): 259–270. doi:10.2307/1536736. JSTOR 1536736. Pristupljeno 1. 7. 2008.
  14. ^ Brown SW, Nur U (juli 1964). "Heterochromatic Chromosomes in the Coccids: The process of heterochromatization and the function of heterochromatin in coccid insects are reviewed". Science. 145 (3628): 130–6. Bibcode:1964Sci...145..130B. doi:10.1126/science.145.3628.130. PMID 14171547.
  15. ^ Hughes-Schrader S (1948). Cytology of coccids (Coccoïdea-Homoptera). Advances in Genetics. 35. str. 127–203. doi:10.1016/S0065-2660(08)60468-X. ISBN 9780120176021. PMID 18103373.
  16. ^ Nur U (1990). "Heterochromatization and euchromatization of whole genomes in scale insects (Coccoidea: Homoptera)". Development. 108: 29–34. doi:10.1242/dev.108.Supplement.29. PMID 2090427.
  17. ^ Lyon MF, Glenister PH (februar 1977). "Factors affecting the observed number of young resulting from adjacent-2 disjunction in mice carrying a translocation". Genetical Research. 29 (1): 83–92. doi:10.1017/S0016672300017134. PMID 559611.
  18. ^ Barton SC, Surani MA, Norris ML (1984). "Role of paternal and maternal genomes in mouse development". Nature. 311 (5984): 374–6. Bibcode:1984Natur.311..374B. doi:10.1038/311374a0. PMID 6482961. S2CID 4321070.
  19. ^ Mann JR, Lovell-Badge RH (1984). "Inviability of parthenogenones is determined by pronuclei, not egg cytoplasm". Nature. 310 (5972): 66–7. Bibcode:1984Natur.310...66M. doi:10.1038/310066a0. PMID 6738704. S2CID 4336389.
  20. ^ McGrath J, Solter D (maj 1984). "Completion of mouse embryogenesis requires both the maternal and paternal genomes". Cell. 37 (1): 179–83. doi:10.1016/0092-8674(84)90313-1. PMID 6722870.
  21. ^ Isles AR, Holland AJ (januar 2005). "Imprinted genes and mother-offspring interactions". Early Human Development. 81 (1): 73–7. doi:10.1016/j.earlhumdev.2004.10.006. PMID 15707717.
  22. ^ Morison IM, Ramsay JP, Spencer HG (august 2005). "A census of mammalian imprinting". Trends in Genetics. 21 (8): 457–65. doi:10.1016/j.tig.2005.06.008. PMID 15990197.
  23. ^ Reik W, Lewis A (maj 2005). "Co-evolution of X-chromosome inactivation and imprinting in mammals". Nature Reviews Genetics. 6 (5): 403–10. doi:10.1038/nrg1602. PMID 15818385. S2CID 21091004.
  24. ^ "Gene Tug-of-War Leads to Distinct Species". Howard Hughes Medical Institute. 30. 4. 2000. Arhivirano s originala, 28. 3. 2013. Pristupljeno 2. 7. 2008.
  25. ^ Bischoff SR, Tsai S, Hardison N, Motsinger-Reif AA, Freking BA, Nonneman D, Rohrer G, Piedrahita JA (novembar 2009). "Characterization of conserved and nonconserved imprinted genes in swine". Biology of Reproduction. 81 (5): 906–20. doi:10.1095/biolreprod.109.078139. PMC 2770020. PMID 19571260.
  26. ^ Gregg C, Zhang J, Weissbourd B, Luo S, Schroth GP, Haig D, Dulac C (august 2010). "High-resolution analysis of parent-of-origin allelic expression in the mouse brain". Science. 329 (5992): 643–8. Bibcode:2010Sci...329..643G. doi:10.1126/science.1190830. PMC 3005244. PMID 20616232.
  27. ^ Hayden EC (april 2012). "RNA studies under fire". Nature. 484 (7395): 428. Bibcode:2012Natur.484..428C. doi:10.1038/484428a. PMID 22538578.
  28. ^ DeVeale B, van der Kooy D, Babak T (2012). "Critical evaluation of imprinted gene expression by RNA-Seq: a new perspective". PLOS Genetics. 8 (3): e1002600. doi:10.1371/journal.pgen.1002600. PMC 3315459. PMID 22479196.
  29. ^ Magee DA, Spillane C, Berkowicz EW, Sikora KM, MacHugh DE (august 2014). "Imprinted loci in domestic livestock species as epigenomic targets for artificial selection of complex traits". Animal Genetics. 45 Suppl 1: 25–39. doi:10.1111/age.12168. PMID 24990393.
  30. ^ Magee DA, Sikora KM, Berkowicz EW, Berry DP, Howard DJ, Mullen MP, Evans RD, Spillane C, MacHugh DE (october 2010). "DNA sequence polymorphisms in a panel of eight candidate bovine imprinted genes and their association with performance traits in Irish Holstein-Friesian cattle". BMC Genetics. 11: 93. doi:10.1186/1471-2156-11-93. PMC 2965127. PMID 20942903. Provjerite vrijednost datuma u parametru: |date= (pomoć)
  31. ^ Cattanach BM, Kirk M (1985). "Differential activity of maternally and paternally derived chromosome regions in mice". Nature. 315 (6019): 496–8. Bibcode:1985Natur.315..496C. doi:10.1038/315496a0. PMID 4000278. S2CID 4337753.
  32. ^ McLaughlin KJ, Szabó P, Haegel H, Mann JR (januar 1996). "Mouse embryos with paternal duplication of an imprinted chromosome 7 region die at midgestation and lack placental spongiotrophoblast". Development. 122 (1): 265–70. doi:10.1242/dev.122.1.265. PMID 8565838. Arhivirano s originala, 7. 6. 2020. Pristupljeno 22. 12. 2021.
  33. ^ Beechey C, Cattanach BM, lake A, Peters J (2008). "Mouse Imprinting Data and References". MRC Harwell. Arhivirano s originala, 3. 7. 2012. Pristupljeno 2. 7. 2008.
  34. ^ Bartolomei MS, Tilghman SM (1997). "Genomic imprinting in mammals". Annual Review of Genetics. 31: 493–525. doi:10.1146/annurev.genet.31.1.493. PMC 3941233. PMID 9442905.
  35. ^ Reik W, Walter J (januar 2001). "Genomic imprinting: parental influence on the genome". Nature Reviews Genetics. 2 (1): 21–32. doi:10.1038/35047554. PMID 11253064. S2CID 12050251.
  36. ^ Kobayashi H, Yamada K, Morita S, Hiura H, Fukuda A, Kagami M, Ogata T, Hata K, Sotomaru Y, Kono T (maj 2009). "Identification of the mouse paternally expressed imprinted gene Zdbf2 on chromosome 1 and its imprinted human homolog ZDBF2 on chromosome 2". Genomics. 93 (5): 461–72. doi:10.1016/j.ygeno.2008.12.012. PMID 19200453.
  37. ^ Bjornsson HT, Albert TJ, Ladd-Acosta CM, Green RD, Rongione MA, Middle CM, Irizarry RA, Broman KW, Feinberg AP (maj 2008). "SNP-specific array-based allele-specific expression analysis". Genome Research. 18 (5): 771–9. doi:10.1101/gr.073254.107. PMC 2336807. PMID 18369178.
  38. ^ Babak T, Deveale B, Armour C, Raymond C, Cleary MA, van der Kooy D, Johnson JM, Lim LP (novembar 2008). "Global survey of genomic imprinting by transcriptome sequencing". Current Biology. 18 (22): 1735–41. doi:10.1016/j.cub.2008.09.044. PMID 19026546. S2CID 10143690.
  39. ^ Luedi PP, Dietrich FS, Weidman JR, Bosko JM, Jirtle RL, Hartemink AJ (decembar 2007). "Computational and experimental identification of novel human imprinted genes". Genome Research. 17 (12): 1723–30. doi:10.1101/gr.6584707. PMC 2099581. PMID 18055845.
  40. ^ Reik W, Dean W, Walter J (august 2001). "Epigenetic reprogramming in mammalian development". Science. 293 (5532): 1089–93. doi:10.1126/science.1063443. PMID 11498579. S2CID 17089710.
  41. ^ Court F, Tayama C, Romanelli V, Martin-Trujillo A, Iglesias-Platas I, Okamura K, Sugahara N, Simón C, Moore H, Harness JV, Keirstead H, Sanchez-Mut JV, Kaneki E, Lapunzina P, Soejima H, Wake N, Esteller M, Ogata T, Hata K, Nakabayashi K, Monk D (april 2014). "Genome-wide parent-of-origin DNA methylation analysis reveals the intricacies of human imprinting and suggests a germline methylation-independent mechanism of establishment". Genome Research. 24 (4): 554–69. doi:10.1101/gr.164913.113. PMC 3975056. PMID 24402520.
  42. ^ Mancini-Dinardo D, Steele SJ, Levorse JM, Ingram RS, Tilghman SM (maj 2006). "Elongation of the Kcnq1ot1 transcript is required for genomic imprinting of neighboring genes". Genes & Development. 20 (10): 1268–82. doi:10.1101/gad.1416906. PMC 1472902. PMID 16702402.
  43. ^ Jin B, Li Y, Robertson KD (juni 2011). "DNA methylation: superior or subordinate in the epigenetic hierarchy?". Genes & Cancer. 2 (6): 607–17. doi:10.1177/1947601910393957. PMC 3174260. PMID 21941617.

Vanjski linkovi

uredi
Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Genomsko_utiskavanje&oldid=3551305"