Genomic Imprinting

геномный импринтинг


Genomic Imprinting: Parental Influence On The Genome
Wolf Reik & Jorn Walter
Nature Reviews Genetics 2, 21 -32 (2001)

Карта импринтинга представляет на сегодня 14 импринтируемых эффекта, ассоциированные с 11 областями на 8 аутосомах мыши Геномный импринтинг ведет к аллель специфической экспрессии, зависимой от родительского происхождения аллеля.


(Рис.1.)
 |  Imprinting clusters in human and mouse genomes.

Наиболее существенным отличием аллеля импринтированного гена является метилирование ДНК. Кроме того импринтированные гены характеризуются другой конформацией хроматина, модификацией гистонов, временем репликации и скоростью рекомбинации. Причина, вызывающая эти отличия неизвестна.

(Рис.2.)
 |  Characteristics of imprinted genes.

Жизненный цикл of imprints связан с подавлением (erasure) во развития ранних зародышевых клеток, с появлением во время позднего развития зародышевых клетокили после оплодотворения и начинается опять с молчания (erasure) в зародышевых клетках эмбриона.

(Рис.3.)
 |  Life cycle of methylation imprints.

Геномный импринтинг ведет к импринтированной экспрессии генов. Механизмы, лежащие в основе этого считывания of the imprint м. использовать различные аспекты экспрессии генов: метилирование промотора, регуляцию антисмысловых транскриптов, поганичные элементы и сайленсеры (silencers).

(Рис.4.)
 |  Methylation reprogramming in the germ line and embryo.

Импринтируемые гены часто обнаруживаются в кластерах. Они могут регулироваться из центров импринтинга.
Нарушение регуляции импринтинга обнаруживается при многих заболеваниях: в виде дефектов роста и поведения (Beckwith-Wiedemann syndrome, Prader-Willi syndrome and Angelman syndrome) и опухолей (Wilms tumour).

(Рис.5.)
 |  Reading mechanisms in imprinted genes.

Импринтированные гены участвуют в физиологии взаимодействия плод-мать и согласно одной из теорий эволюции импринтинга (the conflict theory) импринтинг отражает конкурирующие интересы материнского и отцовского геномов за развивающийся эмбрион.

(Рис.6.)
 |  Control of imprinting clusters by imprinting centres.


Приложение.1. Finding imprinted genes
Приложение.2. DNA methylation and demethylation
The uniqueness of the imprinting mechanism
Frank Sleutels, Denise P Barlow, Robert Lyle
Current Opinion in Genetics & Development 2000, 10:№ 2. 229-233.

Механизм эпигенетического импринтинга, который базируется на гамет-специфическом метилировании импринтов, ограничивает экспрессию субнабора генов одной из родительских хромосом у млекопитающих. Считается, что импринты м. действовать лишь косвенно, индуцируя моноаллельную экспрессию кодирующих генов. И в самом деле, атипические некодирующие РНК являются, по-видимому, первичными мишенями импринтов (imprints), а их родитель-специфическая репрессия коррелирует с родитель-специфической экспрессией сцепленных кодирующих генов.
Хотя импринтированные tuys составляют всего 1% генов в геноме млекопитающих, они важны для понимания механизмов эпигенетического ограничения экспрессии одного из двух родительских аллелей.
Чтобы понять 'imprint', следует иметь в виду, что ''imprints are separate from mechanisms that use them as cues''. Импринты это эпигенетические модификации, делающими различающимися родительские аллели. Это должно происходить, когда родительские хромосомы находятся физически в разных компартментах (напр., во время гаметогенеза). Гаметические эпигенетические импринты обнаружены только для двух генов. В одном случае, метилирование импринта осуществляется во время сперматогенеза на неактивном H19 аллеле. В др. случае, метилирование импринта происходит во время оогенеза в активном Igf2r аллеле. Кажущийся парадокс м.б. объяснен тем, что импринты м. вызывать два эффекта: молчание или активирование, следовательно, неактивный или активный родительский аллель м.б. 'imprinted'.
Метилирование ДНК (эпигенетическая модификация CpG в 5-methyl-CpG) является прекрасным кандидатом для imprint. Однако, из-а того, что 5-methyl-CpG спонтанно мутируют в TpG, метилирование м.б. использовано только как сигнал, если сайты-мишени CpG сохранены. Это, как извесно, происходит только внутри CpG островков. Т. о., imprints д. происходить внутри CpG островков. Роль метилирования в импринтинга подтверждается демонстрацией того, что мыши без гена methyltransferase Dnmt1 теряют моноаллельную экспрессию большинства импринтируемых генов. Однако, роль Dnmt1, а также Dnmt3a и 3b de novo methyltransferase в метилировании импринтов в зародышевой линии до конца неисследована.
Неясно как и почему последовательности H19 и Igf2r локусов стимулируют de novo метилирование в гаметах самцов и самок. соотв. Оба гена ассоциированы с тандемными повторами, которые, как полагают, индуцируют состояние 'чужеродного' хроматина, распознаваемого гамет-специфическими de novo methyltransferase. Напротив, сиквенс-специфический элемент специфицирует de novo methyltransferase-связывающий сайт в Igf2r.
Imprints keep some genes repressed and others active
Imprints м. репрессировать путем модификации cis-действующего активатора (напр., промотора или энхансера) на репрессируемом родительском аллеле. Напротив, импринты м. активировать путем модификации cis-действующего репрессора (напр., сайт, связывающий репрессор) на экспрессируемом аллеле. В любом случае родительский аллель без импринта д. рассматриваться как нативное (default) состояние. На Рис. 1a такое default состояние экспрессии и импринты, выключающие гены; однако на Рис. 1b состоянием default является репрессия, а импринты подерживают гены.

Figure 1 Imprints can (a) repress by modifying a promoter or enhancer or (b) activate by modifying a repressor-binding site. Arrows, expression; filled circles, repression. The parental allele lacking the imprint is assumed to represent the default state.
Imprinted expression of neighboring genes can be coordinated
Нулевые по Dnmt1 мыши (у которых заметно снижено геномное метилирование) подтверждают бифункциональную роль метилирования импринтов и указывают на то, что импринтированная экспрессия соседних генов м.б. скоординированной. У этих мышей молчащие аллели 4 импринтированных генов (H19, Xist, p57kip2, Snrpn) активированы,тогда как активные аллели 3 др. генов (Igf2r,Igf2, Kvlqt) репрессированы. Два из этих генов физически сцеплены и имеют реципрокную родитель-специфическую экспрессию, но обнаруживают противоположное поведение у этих мутантных мышей. Экспрессируемый отцовский ген Igf2 молчит на обоих аллелях, тогда как удаленныq на 90-kb матерински экспрессируемый H19 ген активирован (Рис. 2a).

Figure 2 Two examples of physically linked reciprocally expressed imprinted genes. (a) Igf2 is expressed while H19 is silent on the paternal allele, and vice versa on the maternal allele. (b) Igf2r is expressed while Air is silent on the maternal allele, and vice versa on the paternal allele. Arrows, expression; filled circle, repression; **,gametic methylation imprint.


Делеция H19 гена + промотора + вышесоящей импринтированной области вызывает полную активацию материнского Igf2 промотора (Рис. 2a) подтверждает, что Igf2 репрессия м.б. прямым следствием экспрессии в cis промоторе H19. Эндодерм-специфическая экспрессия Igf2 и H19 зависит от общего энхансера, локализованного 3' по отношению H19(EE на Рис. 2a), она использовалась для подтверждения enhancer-competition модели, согласно которой Igf2 м. использовать только энхансеры на отцовском аллеле, если H19 молчит в результате гаметического метилирования импринта (в default состоянии материнский аллель H19 единственный достигающий энтодермальных энхансеров). Хотя и подтверждена роль вышестоящей импринтированной области при импринтинге Igf2 и H19, enhancer-competition модель в начтоящее время серьезно подвергается сомнению. Делеция H19 промотора + гена, но не левой импринтированной вышестоящей области и интактных энхансеров, не дерепрессирует Igf2 в cis состоянии в энтодерме, хотя она частично дерепрессирует Igf2 в мезодерме. Это указывает на то, что репрессия Igf2 не нуждается в экспрессии H19 с картированного промотора. Было высказано предположение, что вышестоящая импринтированная область H19 м. создавать типа 'пограничного' элемент, который контролирует доступ Igf2 к энхансеру в энтодерме. Предполагается, что H19 отцовский гаметический импринт облегчает доступ Igf2 к энхансерам, тогда как неметилированное состояние на материнском аллеле препятствует доступу Igf2 и H19 экспрессируется default.
Вторая пара генов, Igf2r и Air (Рис. 2b), на первый взгляд ведет себя сходным образом с Igf2 и H19. Igf2r матерински экспрессируется, а Air экспрессируется с отцовского аллеля. Установлено, что гаметическое метилирование импринтов (звездочка на Рис. 2b) перекрывает Air промотор на материнском аллеле. В состоянии default отцовский аллель, Air промотор неметилирован и экспрессируется, а Igf2r промотор молчит. Делеция импринтированной области, которая перекрывает Air промотор (звездочка на Рис. 2b) вызывает полную активацию cis-сцепленного отцовского Igf2r промотора, открывается возможность, что экспрессия с Air промотора или действие самой Air РНК вызывает Igf2r репрессию cis. Скординированный импринтинг этих двух промоторов подтверждается результатами, полученными на Dnmt1-нулевых мышах, у которых деметилирование замалчивает Igf2r на обоих родительских промоторах. Промотор Air еще не исследован у этих мутантных мышей, но должен активироваться при деметилировании.
Итак, соедние пары импринтируемых генов, ДНК метилирование(преимущественно действующее через определенное гаметическое метилирование импринтов) соответствуют своей ожидаемой роли и действуют, репрессируя транскрипцию H19 и Air промоторов, которые обычно экспрессируются на default хромосоме. В противоположность 'действию' метилирования, 'функция' метилированного импринта, по-видимому, активирует экспрессию сцепленных Igf2 и Igf2r генов, которые обычно репрессированы на default хромосоме (Рис. 2).
Обнаружены 3 кластера импринтируемых генов на хромосоме 7, но они находятся на отдельных хромосомах в геноме человека (Рис. 3). Гены Igf2/H19 локализуются на дистальном 7F4-telomere кластере, который содержит всего 11 импринтируемых генов и является синтеничным области 11p15 Beckwith-Weidemann syndrome (BWS) у человека. Известна важная вышестоящая импринтированная область H19, анализ мутаций, ассоциированных с BWS выявил дополнительные элементы, контролирующие импринты для IGF2 импринтинга.
Figure 3 The Igf2/H19 genes are contained within a cluster of 11 imprinted genes. Paternally expressed genes are underlined, maternally expressed genes are shown in bold. See web site: http://www.mgu.har.mrc.ac.uk/anomaly/anomaly.html
Синдром Beckwith-Weidemann является гетерогенным overgrowth нарушением, которое нарушает импринтированные гены, регулирующие рост, прежде всего в производных мезодермы тканях. Принципиально затрагиваемым импринтированным геном является IGF2; однако, лишь 50% спорадических случаев обнаруживает биаллельну экспрессию IGF2, BWS , как полагают, возникае в результате раздельного действия различных импринтированных генов в 11p15, или, посредством общих путей регуляции роста, затрагиваемых этими различными импринтируемыми генами. В случаях BWS обнаруживающих биаллельную экспрессию IGF2, только некоторые связаны с изменениями импринтинга в H19, следовательно, контроль импринтинга IGF2 является общим среди множественных cis-действующих элементов 11p15. Одним из таких элементов м.б. CpG island antisense RNA promoter, который расположен на 300 kb выше IGF2 в интроне 10 KVLQT гена. Ген KVLQT и KVLQT-AS РНК также обнаруживают реципрокную импринтированную экспрессию (Рис. 3), а в двух случаях биаллельной экспрессии IGF2 у BWS были связаны с потерей импринтинга KVLQT-AS РНК. Этот эффект не м.б. доминантным, однако, из-за того идентифицированы также случаи BWS которые поддерживают импринтинг IGF2 несмотря на потерю импринтинга РНК KVLQT-AS. Эти элементы скорее всего сосуществуют у мышей, основные механихмы импринтинга законсервированы у мышей и человека.
Предполагается, что множественные cis-действующие элементы участвуют в регуляции Igf2 импринтинга, вызывая различия в силе в энтодерме и мезодерме.

Хромосомный контекст Igf2r/Air транскриптов отличается заметно от описанного выше. Физическое картирование 500-kb contig около Igf2r/Air идентифицировало 8 дополнительных генов, но ни один из них не импринтируется. Ген Mas первоначально считался импринтируемым, но теперь известно, что он не импринтируется. Нет доказательсьтв множественных импринтируемых элементов, а модель конкурентной экспрессии все еще применима к этой области, но нуждается в дальнейшей проверке. Хотя Igf2r/Air являются единственными импринтируемыми транскриптами, для которых продемонстрирован большой эффект специфичного для родителей домена. Все локусы, обнаруженные на Рис.4 находятся в домене асинхронной репликации, причем отцовские аллели являются рано реплицирующимися примерно у 30% клеток в S фазе. Сходные асинхронно реплицирующиеся домены идентифицированы для других импринтируемых генов и это, по-видимому, совпадает с присутствием гаметического метилирования. Однако занчение этого феномена неясно и неизвестно, он причина или следствие импринтинга.
Figure 4 The Igf2r/Air genes are not flanked by other imprinted genes. Paternally expressed genes are underlined, maternally expressed genes are shown in bold. See http://www.mgu.har.mrc.ac.uk/anomaly/anomaly.html

Non-coding atypical RNAs are often imprinted
Основной находкой последних лет является обнаружение превалирования импринтируемых некодирующих РНК, с большими экзонами, но маленькими или отвутствующими интронами, что связывает их импринтируемыми кодирующими генами. Эти атипичные РНК м.б. разбиты на 3 категории (Table 1). Гены H19 и Air являются двумя примерами атипичных РНК, которые продуцируют многочисленные и стабильные транскрипты, легко обнаружимые с помощью northern blot (H19, 3.5 kb; Air, 108 kb). В 4-х известных случаях (H19, Air, UBE3A-AS и KVLQT-AS), атипичные РНК обнаруживают реципрокную родитель-специфичную экспрессию, связанную с кодирующей мРНКa (Igf2, Igf2r, UBE3A и KVLQT соответственно).

Table 1. Three types of atypical non-coding RNAs are linked to imprinted coding genes.
Imprinted atypical RNA Transcription overlap Reciprocal expression of coding mRNA Functional test Reference
I H19 - + + [4•]
IPW - - - [28]
Par1, Par5 - - - [29]
         
II Igf2-AS + - - [30]
ZN127-AS + - - [31]
Tsix (overlaps Xist*) + - + [32•]
         
III Air + + + (a)
UBE3A-AS + + - [33•]
KVLQT-AS + + - [20•]
        [34•]
 
*Xist is a non-coding RNA responsible for X inactivation, an imprinted process in mouse extra-embryonic tissues. (a) R Lyle, DP Barlow, unpublished data.

Основным вопросом является определение роли этих атипичных РНК. Имеется несколько возможностей: они м. играть регуляторную роль как cis-действующие репрессоры (в соответствии с моделью expression-competition). Или они м.б. просто 'spurious' транскриптами, не играющими никакой роли, чья экспрессия происходит из-за открытого состояния хроматина и из-за относительной многочисленности промотор-подобных элементов в геноме млекопитающих, которые являются просто следствием механизма импринтинга. Наконец, эти транскрипты м.б. 'настоящими' генами; однако, они атипичны, т.к. бедны интронами и не кодируют и вряд ли выполняют структурную функцию, т.к. некоторые из них содержат разбросанные повторы.

Conclusions
Некоторые признаки импринтированных генов кажутся необычными, однако, ни один из них не является уникальным. Не импринтируемые гены, напр., также продуцируют некодирующие РНК . Уникальность импринтирующего механизма заключается, возможно, в способности приобретать gamete-specific methylation imprint overlapping a cis-regulatory element. Когда такой импринт присутствует, то стандартные эпигенетические механизмы (напр., метилирование ДНК и модификации хроматина используются для поддержания импринта на одном из родительских аллелей. Хотя, как было показано выше, метилирование м. сделать молчащей импринтированную некодирующую РНК, но многочисленные доказательства указывают на то, что 'функцией' метилированного импринта является активация сцепленных кодирующих гена(ов). Т.о., ключом к механизму импринтинга д. стать понимание, как обычные аллели транскрипционно регулируются, в частности в случае, когда репресся является привычным состоянием.
Сайт создан в системе uCoz