Посещений:
Эпигенетическое Наследование

Epigenetic germline inheritance
Suyinn Chong and Emma Whitelaw
Current Opinion in Genetics & Development 2004, 14:692–696

Our increased knowledge of epigenetic reprogramming supports the idea that epigenetic marks are not always completely cleared between generations. Incomplete erasure at genes associated with a measurable phenotype can result in unusual patterns of inheritance from one generation to the next. It is also becoming clear that the establishment of epigenetic marks during development can be influenced by environmental factors. In combination, these two processes could provide a mechanism for a rapid form of adaptive evolution.

A nuclear Argonaute promotes multigenerational epigenetic inheritance and germline immortality
Bethany A. Buckley, Kirk B. Burkhart, Sam Guoping Gu, George Spracklin, Aaron Kershner, Heidi Fritz, Judith Kimble, Andrew Fire & Scott Kennedy
Nature 489 (7416), 447–451 (20 September 2012) doi:10.1038/nature11352

Эпигенетическая информация часто стирается перед началом каждого нового поколения1. В некоторых случаях, однако, эпигенетическая информация может быть передана от родителей потомкам (эпигенетическое наследование через несколько поколений)2. Особенно впечатляющий пример этого типа эпигенетического наследования это двунитчатой РНК обеспечиваемое молчание генов у Caenorhabditis elegans. Это RNA-mediated interference (RNAi) может наследоваться у мышей более пяти поколений3-8. Чтобы понять этот процесс, мы проводили генетический скрининг для нематод, дефектных по передаче RNAi сигналов замалчивания следущим поколениям. Этот скрининг идентифицировал ген heritable RNAi defective 1 (hrde-1). Ген hrde-1 кодирует белок Argonaute, который ассоциирует с малыми интерферирующими РНК в потомстве животных, подвергшихся действию двунитчатой РНК. В ядрах этих зародышевых клеток, HRDE-1 задействует ядерный RNAi дефектный путь, чтобы управлять триметилированием гистона H3 по Lys9 (H3K9me3) в RNAi-затрагиваемых геномных локусах и способствовать наследованию RNAi. При нормальных условиях роста HRDE-1 ассоциирует с эндогенно экспрессируемыми короткими интерферирующими РНК, которые управляют молчанием ядерных генов в зародышевых клетках. У hrde-/- или дефицитных по ядерному RNAi животных, молчание зародышевой линии теряется в течение одного генерации. Одновременно эти животные обладают постоянно усиливающимися дефектами формирования и функционирования гамет, что в конечном счете ведет к стерильности. Эти результаты показывают, что Argonaute белок HRDE-1 управляет событиями замалчивания генов в ядрах зародышевых клеток, которые управляют RNAi наследованием в течение поколений и способствуют бессмертию клона зародышевой линии. Мы полагаем, что C. elegans использует аппарат RNAi наследования, чтобы передавать эпигенетическую информацию, накопленную в последнем поколении, будущим поколениям, чтобы регулировать важные бпологические процессы.
Рисунки к статье

Термин эпигенетика введен в 1940s Уоддингтоном [1] для описания способа действия генов во время развития организма от оплодотворенного яйца до взрослого. Термин был использован для описания включения или выключения генов, необходимых для продукции постоянных изменений, которые ассоциированы с дифференцировкой разных типов клеток. 30 лет спустя было предположено, что химические модификации ДНК м. составлять молекулярный механизм такого процесса [2-4]. Затем стали известны молекулярные события, ассоциированные с молчанием генов. Стало ясно, что модификации ДНК, такие как метилирование цитозиновых остатков, не являются единственным механизмом. Сложные изменения м. также происходить при упаковке ДНК в хроматин [5,6]. Такие изменения сегодня обозначаются как эпигенетические модификации.
Наследование эпигенетического состояния с помощью митотических циклов клеточных делений верно лишь относительно и в определенный период развития (эмбриогенез и гаметогенез) эпигенетическое состояние восстанавливается; т.е. стирается и восстанавливается вновь [7]. Длительное время считалось, что очистка эпигенетического состояния между генерациями необходимо для получения 'clean slate', на которой д. происходить процесс дифференцировки. Эта чистая грифельная доска д. коррелировать с тотипотентностью зигот. Идея, что в некоторых локусах эпигенетическое состояние м. передаваться неизменным через зародышевую линию (названо эпигенетическим наследованием), подтвердилась на многих примерах. Доказательства, что это происходит у растений, неопровержимы, хотя у млекопитающих это спорно. Эпидемиологические исследования предоставили некоторое подтверждение transgenerational эпигенетического наследования у людей. Однако, интерпретация этих исследований искажается культуральной и генетической гетерогенностью популяций.
Одной из причин интереса к transgenerational эпигенетическому наследованию является та, что оно указывает на механизм быстрой формы адаптивной эволюции [8-10].

Epigenetic inheritance in plants


Парамутации хорошо изученный феномен у растений. Термин впервые был использован для описания не-менделевского наследования некоторых фенотипов у кукурузы. Парамутации связаны с изменением экспрессии гена в отсутствие мутации, которая мейотически наследуема. Изменения м. происходить на стохастической основе или м.б. индуцированы с помощью транс-взаимодействия гомологичных аллелей [11]. Переключение с активного к неактивному состоянию коррелирует с изменением в структуре хроматина [11]. Кстати, гены, которые, как было установлено, обладают парамутациями у кукурузы, все были ассоциированы с пигментацией. Очень возможно, что и др. аллели с менее очевидными фенотипами ведут себя сходным образом. Более того, , behave in similar ways. Кроме того, стоит отметить, что два лучше всего охарактеризованных аллеля, которые обладают парамутациями, содержат тендемные повторы и было предположено, что это связано с их необычным поведением [11]. Chandler and Stam рассматривали эволюционные последствия парамутаций и они отметили два случая, в которых парамутации затрагивались средовой температурой [11]. В одном случае сдвиг в температуре во время специфической стадии развития менял переключение между активной и неактивной формами аллеля [12]. Учитывая, что растения родители и потомки росли скорее всего в одной и той же среде, то парамутации могли бы создавать пригодный адаптивный механизм в этом случае [11]. Сходный с парамутациями эффект на экспрессию генов описан и полиплоидных растений [13]. Полиплоидия важны для видообразования у растений. Аллополиплоидия или слияние геномов разных видов широко распространена у растений и дает варьирующее цветение и морфологические фенотипы, которые м. обеспечивать селективные преимущества в меняющихся условиях среды [14]. Понимание роли эпигенетики в этом процессе теперь очевидно [14]. Mittelsten Scheid et al. [13] показали, что тераплоиды, но не диплоиды растений Arabidopsis thaliana, несущие трансген hygromycin phosphotransferase (HPT), обнаруживают варьирующую резистентность к hygromycin, это коррелирует с изменениями в транскрипции HPT и метилировании ДНК. Чувствительный к hygromycin фенотип стабильно поддерживается даже после возвратного скрещивания в диплоидное состояние [13]. Интересно, что тетраплоидные F1 растения, несущие активный (резистентный) и молчащий (чувствительный) HPT аллели, продуцировали более значительные количества чувствительного к hygromycin F2 потомства, чем ожидалось [13]. Чувствительный к hygromycin фенотип наблюдался даже в F2 сеянцах, которые не унаследовали оригинальный молчащий родительский аллель, это указывает на аллельное молчание in trans, которое сохраняется в отсутствие инактивирующего аллеля [13]. Т.о., эти события, сходные с парамутациями, м. представлять механизм быстрого адаптивного изменения в экспрессии гена.

A possible role for transgenerational epigenetic inheritance in Linaria vulgaris


Естественно возникший морфологический мутант у широко распространенной льнянки, Linaria vulgaris, впервые был описан более 250 лет тому назад. Однако, молекулярная основа этого мутантного фенотипа, наз. peloric, не была установлена до 1999 [15]. Неожиданно Cubas и др. [15] установили отсутствие экспрессии предполагаемого транскрипционного фактора Lcyc, это коррелировало с мутантным фенотипом, обусловленным изменением состояния метилирования Lcyc скорее, чем изменением в первичных последовательностях ДНК. Др. словами, аномальный фенотип является результатом эпимутации, а не мутации. Более того, эпимутация и , следовательно, peloric фенотип передаются последующим поколениям довольно надежно (13% сеянцев обнаруживает фенотип). Случайные соматические ревертанты к дикому типу наблюдались в сочетании с деметилированием Lcyc [15]. Эти находки привели Cubas et al. к предположению, что эпигенетические мутации, хотя и менее стабильны, но м. вносить существенный вклад в эволюцию растений, в общем-то создавая метку для будущего изменения последовательностей ДНК. Отметим, что 5-methylcytosine обладает склонностью к спонтанному деаминированию в тимин и как результат оказывается представленным в меньшей степени в геноме позвоночных [16].
Надежная демонстрация transgenerational эпигенетического наследования требует исключения мутаций в первичных последовательностях ДНК при продукции наследуемого фенотипа. Переключение экспрессии Lcyc, эпигенетического состояния и фенотипа среди отдельных ветвей одного и того же растения подтверждает идею, что первичными изменениями являются эпигенетические, а не генетические. Более того, секвенирование 930 п.н. вышестоящих последовательностей и рестрикционное ферментное картирование области в 10 т.п.н. локуса Lcyc не выявили различий между мутантными и дикого типа растениями [15]. Однако, дальнейшее исчезновение мутации нельзя исключить. В этом случае не известно, действительно ли растения с peloric фенотипом продуцируют больше мутантных сеенцев, чем растения с фенотипом дикого типа.

Epigenetic inheritance in non-plant species


Первые убедительные доказательства эпигенетического наследования через зародышевую линию у нерастительных видов получены у делящихся дрожжей. В 1996, Grewal and Klar [17] показали, что эпигенетическая модификация репортерного гена, помещенного в область mating-type Schizosaccharomyces pombe, м. наследоваться в митозах и мейозе. Более того, они показали, что локусы, влияющие на этот процесс, или непосредственно или косвенно участвуют в организации гетерохроматина [17]. Установлено, что эти модификаторы включают histone deacetylases, histone methyltransferases и др. структурные белки, ассоциированные с теломерами и центромерами [18].
Самые ранние сообщения о transgenerational эпиогенетическом наследовании у Drosophila melanogaster связаны с трансгенами [19,20]. Cavalli and Paro помещали Fab-7, цис-регуляторный элемент, выше GAL4 UAS-индуцибельного lacZ репортера и mini-white гена. Они установили, что индуцированная хитшоком транскрипция GAL4 стабильно активирует lacZ и экспрессию mini-white. Эта хроматином-обусловленная транскрипционная активация наследуется в митозе и мейозе [19,20]. Fab-7 обычно регулирует пространственную экспрессию Abdominal-B, гомеозисного гена комплекса bithorax, который детерминирует судьбу клеток в время развития. Элементы, такие как Fab-7, называемые polycomb response elements, связывают белки группы Polycomb и группы trithorax и их количество определяется 100-200 копиями на геном, Они обнаруживаются в промоторах онтогенетических и генах клеточной пролиферации [21]. Поэтому их функция, по-видимому, заключается в поддержании качественных особенностей клеток во время дифференцировки и развития [21]. Хотя это исследование показало, что transgenerational эпигенетическое наследование возможно у Drosophila, но осталось неясным, м. ли Fab-7, в своем природном контексте обеспечивать подобные эффекты.
В недавних исследованиях эндогенного аллеля у Drosophila подтверждена идея transgenerational эпигенетического наследования. Снижение активности хитшокового белка Hsp90 приводит к наследуемому набору морфологических фенотипов, ведущих к предположению, что Hsp90 действует как усилитель фенотипической изменчивости и эволюции [22]. Работа Sollars et al. [23] предоставила доказательство эпигенетического компонента для Hsp90 capacitor функции, хотя точная природа эпигенетических модификаторов остаётся неясной. Они использовали сенсибилизированную линию Drosophila, несущую доминантный KruppelIrregular facets (KrIf-1)аллель, в которой эктопическая экспрессия давала аномальный глазной фенотип. Аномальный фенотип обнаруживал не полную пенетрантность. Изогенные KrIf-1 мухи, которым скармливали ингибитор Hsp90 geldanamycin, обнаруживали повышенную пенетрантность фенотипа [23]. Фенотип м. сохраняться до 13 поколений в отсутствие geldanamycin, если более пенетрантные мухи отбирались в каждом поколении. Фенотип исчезает спустя 2-3 поколения негативной селекции [23]. Когда позитивно селектируемое F6 потомство кормили ингибитором histone deacetylase, таким как trichostatin A и sodium butyrate, то фенотип аномальных глаз супрессировался, указывая на вовлечение хроматиновой структуры в Hsp90 capacitance [23]. Чтобы предупредить критику, что фенотипы, вызываемые с помощью Hsp90 capacitance являются вредными для организма и вряд ли предоставляют какие-либо преимущества, Ruden et al. [24] указывают, что их эксперименты были организованы для проверки, что такой механизм существует скорее, чем для показа, что возникающая в результате фенотипическая изменчивость обладает каким-либо определенным адаптивным достоинством.

Transgenerational epigenetic inheritance in mice


Эпигенетическое наследование у млекопитающих описано недавно [25] и привлекло к этому феномену новый интерес. Transgenerational наследование эпигенетических признаков наблюдалось для нескольких трансгенов мышей и и немногих эндогенных локусах, включая доминантный agouti viable yellow (Avy) и axin-fused аллели (rev. [26]). Экспрессия Avy участвует в детерминации окраски шерсти, а экспрессия axin-fused ассоциирует с kinky tail. У этих аллелей, обозначаемых как метастабильные эпиаллели, состояние экспрессии варьирует между животными (варьирующая экспрессивность) и по Avy, даже внутри одного животного (variegation). Различия в состоянии экспрессии коррелируют со степенью метилирования cytosine в локусе у животных, которые генетически идентичны [27,28]. Важно, что эти фенотипы м. проходить в последующие поколения [27,28]. Напр., паттерн метилирования ДНК, обнаруживаемый в соматических тканях родителей сохраняется в гаметах, наследуется зиготами и затем обычно, но не всегда исчезает и восстанавливается снова спустя некоторое время между оплодотворением и образование бластоциста [28](ME Blewitt, personal communication). Transgenerational эпигенетическое наследование, по-видимому, является результатом неспособности ступени очистки. Интересно, что и у Avy и axin-fused аллелей транскрипционная активность находится под контролем intracisternal A-particle (IAP) ретротранспозонов. Более того, установлено, что IAPs являются резистентными к эпигенетическому репрограммированию, которое имеет место в раннем развитии мышей [29]. Предполагается, что KrIf-1 аллель у Drosophila также является результатом инсерции транспозона, который затем завладевает экспрессией Kruppel expression [30]. В этом отношении Drosophila KrIf-1 и мышиные Avy и axin-fused аллели м.б. более сходны, чем принято думать. Растут доказательства, что среда м. влиять на эпигенетическое состояние некоторых промоторов. Напр., экспрессия аллеля Avy м. испытывать влияние со стороны материнского питания [31,32]. Потомство самок, которым скармливали methyl добавки во время беременности и лактации, обнаруживают существенно повышенное метилирование Avy во всех изученных тканях и сдвиг в окраске шерсти [32].
Поведение сходное с парамутациями описано и у мышей [33]. Чтобы проверить, являются ли цис-регуляторные элементы двух дифференциально импринтируемых генов результатом эктопической функции использовали подход генного таргетинга, чтобы модифицировать Rasgrf1 локус так, чтобы повторяющиеся элементы, которые обычно контролируют метилирование и экспрессию Rasgrf1, заместить областью 2 аллеля Igf2r. Igf2r region 2, как полагают, контролирует метилирование Igf2r. Были получены самки, которые несли передаваемый от отцов, модифицированный аллель Rasgrf1, названный Rasgrf1tm3.1Pds, и получаемый от матери аллель Rasgrf1 дикого типа. У таких самок экспрессия Rasgrf1tm3.1Pds активирует обычно молчащий материнский аллель Rasgrf1 в транс-положении [33]. Важно, что потомство таких самок сохраняет ре-активированный аллель Rasgrf1 дикого типа в отсутствие Rasgrf1tm3.1Pds, указывая на наследование этого эпигенетически измененного состояния в мейозе [33].

Evidence for germline epigenetic inheritance in humans


Доказательства эпигенетического наследования через зародышевую линию у юдей получены исключительно в эпидемиологических исследованиях. Ассоциации между малым весом при рождении и началом болезни у взрослых выявили неожиданную пластичность раннего развития млекопитающих, при котором внешнесредовые сигналы, такие как недостаточное питание, такие модификации плодов, что они оказывали влияние на здоровье взрослых. Это известно как плодное программирование (foetal programming) [34]. Предполагается, что общение с внематочной средой между матерью и плодом лучше всего подготавливает дитё к выживанию после рождения. Описаны примеры плодного программирования у людей в ответ на воздействие во время беременности у женщин голодания или избыточного питания дедушки по отцовской линии во время детского периода [35,36]. Некоторые исследования показали, что эффекты плодного программирования м. распространяться на следующее поколение [37]. Более того работы на крысах подтвердили, что плодное программирование м. влиять на последующие поколения, даже если внешнесредовой индуктор отсутствует [37]. Механизм(ы) плодного программирования остается неясным. Однако, возможность, что действует эпигенетическое молчание генов, является привлекательной [38] и имеются некоторые доказательства, подтверждающие эту идею.
Вообще-то самые строгие доказательства эпигенетического наследования через зародышевую линию получены Horsthemke и др. [39]. Они показали. что присутствие эпимутаций, но не мутаций, в локусе SNURF-SNRPN коррелирует с потерей импринтинга у некоторых пациентов с синдромом Prader-Willi или Angelman [39]. Во всех 19 информативных случаях эпимутации, ассоциированные с синдромом Prader-Willi локализовались на хромосоме специфического родительского и выше происхождения. Так, хромосомы отцовского происхождения, несущие аберрантный материнский признак по SNURF-SNRPN наследовались отцами от их матерей [39]. Разумным объяснением этого дефекта импринтинга является неполное стирание у бабушкиного признака в отцовской зародышевой линии [39]. Это исследование открывает интересную возможность, что имеются семьи, у которых эпигенетические признаки не эффективно вычищаются между поколениями.
Suter и др. [40] продемонстрировали эпимутацию гена ДНК mismatch репарации MLH1 у двух индивидов (TT и VT) с историей в семье множественных раков. Находка, что эпимутация присутствует в тканях, произошедших от всех трех зародышевых слоев (энтодермы, мезодермы и эктодермы) и в низкой пропорции (1%) спермиев у TT's, указывает на то, что эпимутация возникает или очень рано в развитии или в зародышевой линии одного из родителей TT's [40]. К сожалению родительские ткани были не доступны, а проверка одного из потомков TT's не выявила наследования эпимутации [40].
Интересный пример стабильно наследуемой эпимутации в одной семье описан у людей. Группа Douglas Higgs' показала, что наследственная форма α-thalassemia, болезни, обычно ассоциированной с с мутациями локуса α-globin, м.б. вызвана делецией в соседнем гене LUC7L [41,42]. LUC7L транскрибируется в противоположном направлении по отношению к α-globin а делеция устраняет его polyA сайт и это ведет к продукции антисмыслового (по отношению к гену α-globin) транскрипта [42]. Это, в свою очередь, приводит к эпигенетическому молчанию и гиперметилированию CpG островка промотора α-globin, несмотря на тот факт, что α-globin цис-регуляторные последовательности остаются неизменными [41,42]. Хотя эпимутация, в локусе α-globin обнаруживается у затронутых матери и сына, это не обязательно указывает на эпигенетическое наследование. Хорошо бы посмотреть, что произойдет, если последовательности ДНК в нижестоящем гене будут ревертированы в их исходную форму. Будет ли эпигенетическое изменение продолжать стабильно наследоваться в следующих поколениях даже в отсутствие инициальной причины, мутации ДНК или эпигенетическое состояние будет ревертировать к состоянию дикого типа локуса перед мутацией?

Conclusions


Transgenerational epigenetic inheritance has now been convincingly demonstrated in several different eukaryotic organisms, for example, maize, yeast, Drosophila and mice. Nevertheless, the idea that an epigenetic state that is established in the parent, either stochastically or in response to the environment, can then be inherited by the offspring has a distinctly Lamarckian flavour and continues to meet with resistance. When it has been identified, epigenetic germline inheritance appears to occur preferentially, possibly exclusively, at transgenes and genes under the transcriptional control of retrotransposons or other repetitive elements. Repeat elements are generally concentrated at telomeres and centromeres and play a critical role in chromosome function. The maintenance of the epigenetic state at these structures during meiosis may be necessary for segregation and pairing. Perhaps the epigenetic inheritance seen at chromosomal positions other than at telomeres and centromeres is the by-product of a recent genomic rearrangement, such as the insertion of a retrotransposon, which then confers a meiotically heritable form of epigenetic control to this new location. The metastable phenotypes resulting from these random mutations may sometimes impart a selective advantage to some individuals within a population. It would certainly provide a rapid mechanism for the production of various novel phenotypes in a genetically isolated group. However, strong support for the notion that this is a directed mechanism for adaptive evolution awaits more concrete examples in natural populations.
Сайт создан в системе uCoz