Посещений:
МОНОАЛЛЕЛЬНЯ ГЕННАЯ ЭКСПРЕССИЯ
ЭПИГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ
|
Epigenetic regulation of monoallelic gene expression Hiroshi Shiba, Seiji Takayama Development, Growth & Differentiation
Special Issue: RNA and Development
Volume 54, Issue 1, pages 120–128, January 2012 |
Monoallelic expression from biallelic genes is frequently observed in diploid eukaryotic organisms. Classic examples of this phenomenon include the well-characterized cases of genomic imprinting and X-chromosome inactivation. However, recent studies have shown that monoallelic expression is widespread in autosomal genes. This discovery was met with great interest because it represents another mechanism to generate diversity in gene expression that can affect cell fate and physiology. To date, the molecular mechanisms underlying this phenomenon are largely unknown. In our original study describing the dominant/recessive relationships of pollen-determinant alleles in Brassica self-incompatibility, we found that the recessive allele was specifically methylated and silenced through the action of small RNA derived from the dominant allele. In this review, we focus on recent studies of monoallelic expression in autosomal genes, and discuss the possible mechanisms driving this form of monoallelic gene suppression.
Daniel A. Bose et al. RNA Binding to CBP Stimulates Histone Acetylation and Transcription. Cell, January 2017 DOI: 10.1016/j.cell.2016.12.020
Enhancers boost the rate of gene expression from nearby protein-coding genes so a cell can pump out more of a needed protein molecule. A mysterious subset of non-coding RNAs -- enhancer RNAs (eRNAs) are transcribed from enhancer sequences. Researchers showed that CBP, an enzyme that activates transcription from enhancers, binds directly to eRNAs to control patterns of gene expression by acetylation, a chemical mark that directs DNA tightly packed in the nucleus of cells to loosen to promote transcription. While these are important for boosting gene expression, how they achieve this has been completely unknown.
This work show an exciting new way that eRNAs produce these different patterns of gene expression. If eRNAs work directly with CBP, and found that they do. The region of CBP that binds to RNA also can regulate the ability of CBP to work with chemical mark. By binding to this region, eRNAs can directly stimulate CBPs' acetylation activity.
Defective enhancers can cause too much or too little of a protein to be made, or can cause the coding region to be turned off or on, or can make a protein at the wrong time. Knowing more about how enhancers and eRNAs function will help oncologists, since recent DNA sequencing of tumors from humans show that numerous mutations associated with cancers and other diseases occur in enhancer regions of the genome -- not in protein-coding regions.
Рисунки | см. в оригинале статьи
|
Диплоидные организмы имеют две копии каждого гена в геноме по одному от каждого родителя. Экспрессия обоих унаследованных генов иногда обнаруживает склонность к эффекту. наз. моноаллельной экспрессией, которая делает организм (или клетки внутри него) функционально гемизиготными. примеры моноаллельной генной экспрессии распределяются на три категории (Tarutani & Takayama 2011). Во-первых, это геномный импринтинг, эпигенетическая модификация матерински- и отцовски-наследуемых аллелей, которая ведет к дифференциальной экспрессии зависимым от родительского происхождения способом (Grossniklaus 2005). Во-вторых, это случайная моноаллельная экспрессия, например в результате инактивации Х хромосомы в женских клетках плацентарных млекопитающих (Lyon 1986). Этот феномен, как полагали, ограничен генами на Х хромосоме и некоторыми аутосомными генами со специфическими функциями, напр., генов обонятельных рецепторов и T-клеточных рецепторов. Но недавние исследования показали, что это происходит широко по всем аутосомным генам диплоидных организмов (Guo et al. 2004; Pastinen et al. 2004; Gimelbrant et al. 2007). Третья категория это доминантно/рецессивные взаимодействия, которые мы описываем в генах детерминантах пыльцы Brassica само-несовместимости. В этом случае моноаллельная экспрессия предопределяется с помощью доминантно/рецессивных взаимоотношений между двумя аллелями, а у гетерозигот, несущих эти два аллеля, рецессивный аллель всегда супрессируется независимо от родительского источника (Shiba et al. 2002).
Предполагается, что для моноаллельной экспрессии важны эпигенетические модифкации, такие как метилирование ДНК и модификации гистонов (Wang et al. 2007; Milani et al. 2009). Более того, мы установили, что взаимоотношения доминантности между аллелями само-несовместимости Brassica эпигенетически контролируются с помощью рецессивного аллель-специфичного метилирования ДНК (Shiba et al. 2006), которые индуцируется с помощью малой РНК, происходящей из доминантного аллеля (Tarutani et al. 2010).
Epigenetic regulation of random monoallelic gene expression
Инактивация Х хромосомы участвует в дозовой компенсации, которая уравнивает экспрессию Х-сцепленных генов у самцов и самок. Др. впечатляющим примером случайной моноаллельной экспрессии является аллельное исключение, известное для генов обонятельных рецепторов и некоторых классов генов иммунной системы. Этот феномен, как полагают, максимизирует комбинаторное разнообразие белковых продуктов и тем самым способность клеток отвечать на ненормально разнообразные внешние стимулы (Serizawa et al. 2004; Cedar & Bergman 2008). Моноаллельная экспрессия аутосом может также объяснить необычное наследование форм пигментного мозаицизма (Happle 2009). Кроме того, недавние геномные анализы показали, что 1-5% аутосомных генов мыши и человека обладают стохастической моноаллельной экспрессией (Gimelbrant et al. 2007; Wang et al. 2007).
Примеры моноаллельной экспрессии неимпринтируемых аутосомных генов описаны также у растений. У гибридов кукурузы, многие аллельные гены обнаруживают различия в экспрессии на уровне РНК, в пределах от неравной экспрессии двух аллелей до уникальной экспрессии одиночного аллеля. При демонстрации функционального значения моноаллельной экспрессии, было показано. что белковые продукты двух аллелей отвечают по-разному на абтотические стрессы (Guo et al. 2004). Сходные примеры моноаллельной экспрессии были описаны у риса, тополя, ячменя и Arabidopsis, и предполагается, что они вносят вклад в фенотипическое разнообразие (Zhuang & Adams 2007; von Korff et al. 2009; Takamiya et al. 2009; Zhang & Borevitz 2009).
Недавние исследования подтвердили, что примеры моноаллельной экспрессии часто сопровождаются различиями в состоянии хроматина двух аллелей. В случае случайной инактивации X хромосомы и аутосомных генов (напр., обонятельных рецепторов), два гомологичных аллеля, по-видимому, существуют в разных состояниях хроматина в эмбриональных стволовых (ES) клетках, до установления моноаллельной экспрессии. Два разных состояния могут быть выявлены как одиночный (singlet) и двойной сигналы на хромосоме с помощью fluorescence in situ hybridization (FISH), и нуждаются в белке группы Polycomb, Eed (Mlynarczyk-Evans et al. 2006; Alexander et al. 2007). Более того, в случае инактивации Х хромосомы участвуют сложные механизмы со многими слоями эпигенетических модификаций (Augui et al. 2011; Wutz 2011). Некодирующая РНК, X-inactivation specific transcript (Xist), транскрибируемая с X-сцепленного локуса, Xic, как было установлено, достаточна для запуска цис-инактивации Х хромосомы, с которой он экспрессируется во время промежутка в раннем развитии. Кроме того, активные исследования последнего времени выявили, что несколько транс-действующих факторов - включая факторы плюрипотентности - и несколько дальнодействующих цис-действующих элементов - включая антисмысловые транскрипционные единицы - участвуют в регуляции моноаллельной экспрессии Xist. Однако, точные механизмы, управляющие инактивацией только одной из двух Х хромосом в клетках самок, остаются неизвестными.
Геномные исследования подтвердили, что аллель-специфичное метилирование ДНК превалирует ит контролируется с помощью CpG-SNPs в геноме человека (Shoemaker et al. 2010). Паттерны экспрессии аллель-специфических генов в первичных лейкемических клетках продемонстрировали ассоциацию с метилированием сайтов CpG (Milani et al. 2009). Обнаружение дифференциального метилирования в некоторых моноаллельно экспрессирующихся генах подтвердило, что метилирование ДНК может участвовать в закреплении состояния экспрессии (Wang et al. 2007; Krueger & Morison 2008).
В противоположность ситуации у млекопитающих имеется немного исследований у цветковых растений по анализу молекулярных механизмов моноаллельной экспрессии, за исключением геномного импринтинга. Регуляция экспрессии импринтируемых генов в эндосперме установлена с помощью специфичной для материнских генов активации, которая зависит от деметилирования ДНК (Choi et al. 2002). Недавние исследования геномного импринтинга сообщили. что цветковые растения используют различные компоненты, включая энзимы метилирования/деметилирования ДНК, белки комплекса Polycomb и малые РНК, чтобы регулировать моноаллельную экспрессию (Mosher et al. 2009; Hsieh et al. 2011). Более того, геномный анализ эндосперма выявил существенную редукцию в метилировании CG, связанную с обширным локальным гипометилированием non-CG из последовательностей мишеней для малых интерферирующих РНК (Gehring et al. 2009; Hsieh et al. 2009).
Анализ внутривидовых гибридов у растений может предоставить указания на механизмы моноаллельной экспрессии (Zhang & Borevitz 2009). Так, внутривидовые гибриды между Arabidopsis thaliana были использованы в качестве модельной системы для исследования метилирования ДНК и паттернов гистоновых модификаций (Groszmann et al. 2011; Moghaddam et al. 2011). Геномный анализ гибридов показал снижение уровня 24-nucleotide (nt) малых РНК по сравнению с родительскими линиями, и скоррелированные изменения метилирования ДНК и уровней транскрипционной экспрессии (Groszmann et al. 2011). ChIP on chip анализ A. thaliana accessions выявил изменчивость в модификациях хроматина по H3K27me3 (типичная репрессивная метка) и H3K4me2 (типичная активная метка) среди accessions, и эти модификации были довольно стабильны в ответ на внутривидовую гибридизацию, с основном аддитивным наследованием в гибридном потомстве (Moghaddam et al. 2011). В двух подвидах риса и их реципрокных гибридах дифференциальные эпигенетические модификации (т.e. ДНК метилирование и как активирующие, так и репрессирующие гистоновые модификации) также коррелировали с изменениями в уровнях транскриптов среди гибридных и родительских линий (He et al. 2010). Эти данные открывают возможность, что аутосомное аллель-специфическое молчание у растений также сопровождается различиями в метилировании ДНК и гистоновых модификациях.
Dominance relationships between self-incompatibility alleles in Brassica
Доминирование одно из базовых свойств наследования, исследованное Менделем, в котором фенотипическое проявление одного из двух аллелей гетерозиготного локуса замаскировано. В простейшем случае, если ген существует в двух аллельных формах, A и a, при этом A аллель доминирует над аллелем a, фенотипическое проявление аллеля a маскируется и Aa гетерозиготы обладают тем же фенотипом, что AA гомозиготы. Несмотря на огромную важность взаимоотношений доминирования, которое предопределяет фенотип организма, лежащие в основе механизмы не были тщательно исследованы на молекулярном уровне. Единственный хорошо известный механизм это общая физиологическая модель, согласно которой доминантный и рецессивный аллель кодируют "функциональный" и "нефункциональный" белки. соотв. Напротив, недавно мы идентифицировали полностью отличный механизм взаимоотношений доминантности, при котором доминантный аллель моноаллельно экспрессируется у гетерозигот. Здесь мы опишем в деталях наши находки и обсудим аспекты механизма, который предстоит ещё прояснить.
Многие виды гермафродитных растений используют механизмы для предупреждения само-оплодотворения (de Nettancourt 1977; Takayama & Isogai 2005). Self-incompatibility (SI) является физиологическим способом избежать само-оплодотворения путем распознавания собственной пыльцы в или на пестике самок. SI у Brassicaceae, как известно, контролируется большим числом гаплотипов в S-локусе (S1, S2, S3, ... , Sn). Каждый S-гаплотип состоит из генов S-детерминант самцов и самок, наз. S-locus protein 11 (SP11, также изветен как SCR) и S-locus receptor kinase (SRK), соотв. SP11 является небольшим богатым цистеином белком, который функционирует как лиганд для соотв. SRK рецептора, а специфичное для S-гаплоида взаимодействие между SP11 и SRK запускает SI реакцию в stigmatic papillar клетках, приводя к отторжению собственной пыльцы (Fig. 1a; Stein et al. 1991; Suzuki et al. 1999; Schopfer et al. 1999; Takasaki et al. 2000; Takayama et al. 2000, 2001; Shiba et al. 2001).
SP11 белки преимущественно продуцируются в клетках тапетума спорофитного пыльника (2n), и затем откладываются на поверхности пыльцы во время созревания спор (Takayama et al. 2000; Shiba et al. 2001; Iwano et al. 2003). Следовательно, SI фенотип пыльцы детерминируется с помощью взаимоотношений доминирования между двумя S-гаплотипами, переносимыми клетками пыльника (Fig. 1b; Thomson & Taylor 1966; Hatakeyama et al. 1998). Тщательный анализ взаимоотношений доминирования между S-гаплотипами у Brassica rapa выявил, что они могут быть классифицированы на две группы, пыльца доминантных S-гаплотипов, наз. Class-I (e.g. S8, S9, S12, and S52), и пыльца рецессивных S-гаплотипов, наз. Class-II (e.g., S29, S40, S44, and S60, see Fig. 1c). Члены Class-I S-гаплотипа всегда доминируют над таковым Class-II. Внутри каждого класса, члены Class-II обнаруживают линейные взаимоотношения доминирования среди них. Следовательно, сложная иерархия доминирования может наблюдаться среди S-гаплотипов, напр., (S8 = S9 = S12 = S52) > (S44 > S60 > S40 > S29).
Мы избрали для исследования молекулярных механизмов этих взаимоотношений доминирования, поскольку все S-гаплотипы проявляли себя как "функциональные" в распознавании собственной пыльцы. Т.о., эта система, скорее всего, используется как новый механизм для генерации доминантно/рецессивных взаимоотношений. Первый важный намек был получен при анализе экспрессии самцовых детерминант SP11 генов. Поскольку SP11 гены экспрессировались во всех S-гомозиготах, уровни мРНК SP11 рецессивных S-гаплотипов были всегда сильно редуцированы у S-гетерозигот. Снижение мРНК SP11 было специфичным для рецессивных S-гаплотипов; уровни транскрипции доминантных S-гаплотипов не менялись у S-гетерозигот (Shiba et al. 2002; Kakizaki et al. 2003). Сходный феномен наблюдался у др. вида с само-несовместимостью, Arabidopsis lyrata, указывая, что взаимоотношения доминантности среди S-гаплотипов детерминируются в основном на уровнях мРНК генов SP11 в семействе Brassicaceae (Kusaba et al. 2002).
Следующим вопросом стал, как SP11 мРНК рецессивного аллеля специфически редуцируется. Механизм, как ожидалось, д. представлять новый тип моноаллельной экспрессии, поскольку супрессия аллея SP11 происходила неслучайно, а всегда появлялась в одном и том же аллеле в контексте определенных S-гаплотипных комбинаций и не зависела от родительского происхождения. Мы сначала вообразили модель, сходную с "enhancer imbalance", согласно которой доминантный SP11 аллель обладает более высоким связывающим сродством для ограничивающих транскрипционных факторов, а секвестрация критических транскрипционных факторов с помощью доминантного SP11 энхансера вызывает молчание рецессивного SP11. Однако, эта кинетическая модель плохо объясняет резкое снижение уровней рецессивной SP11 мРНК. Напр., уровни рецессивных S60-SP11 транскриптов в S52S60-гетерозиготах были снижены на 4 порядка величин по сравнению с уровнями. наблюдаемыми у S60S60-гомозигот. Более того, такая кинетическая модель абсолютно неспособна объяснить последовательное линейное доминирование среди аллелей (напр. S52 > S44 > S60 > S40 > S29).
Важный намек был получен, когда мы предсказали участие эпигенетических модификаций и проанализировали статус метилирования ДНК SP11 аллелей, используя процедуру bisulfite секвенирования. Первая попытка использовать ДНК приготовленную из интактных пыльников, не позволила выявить какое-либо очевидное метилирование SP11 аллелей. Однако, когда мы усовершенствовали метод экстрактов ДНК преимущественно из тапетума пыльников, выявилось достоверное увеличение метилирования ДНК в промоторном регионе рецессивных SP11 аллелей у S-гетерозигот. Тщательный анализ bisulfite секвенирования ряда S-гаплоидных комбинаций продемонстрировал достоверное метилирование ДНК только в рецессивных. но не в доминантных SP11 аллелях у S-гетерозигот. Такое метилирование не наблюдалось у S-гомозигот (напр., compare the S52S60 and S60S60 tracks of Fig. 3b; Shiba et al. 2006). Такое усиление метилирования SP11 обнаруживалось только в тапетуме пыльников, но не в др. тканях. Кроме того, такое метилирование, как было установлено, инициирует очень ранние стадии развития пыльников до индукции транскрипции SP11. Эти результаты указывают на то, что тапетум пыльников использует специфическое de novo метилирование тольков в SP11 промоторном регионе рецессивных аллелей у доминантно/рецессивных S-гетерозигот.
Почему же de novo метилирование происходит специфически в рецессивных SP11 аллелях в ткани мишени тапетуме. Недавно было установлено, что small interfering RNAs (siRNAs) регулируют молчание генов мишеней путем деградации их транскриптов или путем индукции метилирования de novo гомологичного геномного региона с помощью процесса. наз. RNA-directed ДНК methylation (RdDM; Pikaard et al. 2008; Chan 2008; Matzke et al. 2009). Метилированный 5' SP11 промотор рецессивных Class-II S-гаплотипов обнаруживает незначительную гомологию с таковым доминантных Class-I S-гапотипов, но метилирование было относительно консервативным в Class-II S-гаплотипов. Более того, в рецессивном 5' SP11 промоторном регионе, наблюдалось достоверное увеличение метилирования цитозина во всех трех контекстах последовательностей, т.е. в CpG, CpNpG и CpHpH сайтах, которые также являются признаками RdDM. Поэтому мы предположили, что рецессивных SP11 аллелей специфическое метилирование de novo может происходить у S-гетерозигот с помощью действия доминантной SP11 аллель-специфической малой РНК, расположенной внутри или вокруг локуса S. Такие малые рНК д. обладать высокой гомологией к рецессивным SP11 аллелям, чтобы обеспечить метилирование, но не доминантных SP11 аллелей, с которыми они ассоциируют.
Чтобы проверить эту гипотезу мы осуществили поиск in silico возможных малых РНК из 76- и 75-kb SP11 геномных регионов доминантных S9- и S12-гаплотипов, соотв. Эти поиски выявили, что последовательности с высокой гомологией к метилированному региону мишени, наз. SP11-methylation-inducer (Smi) оказались расположенными внутри этих регионов S-локуса, в котором супрессирована рекомбинация (Fig. 2a; Tarutani et al. 2010). Геномная структура Smi последовательностей показала, что эти предположительно малые РНК, которые были очень сходны с мишенями метилируемых регионов, могут быть преобразованы из предполагаемых несовершенных stem-loop предшественников. Сходные последовательности были также обнаружены в др. доминантных S гаплотипах (S8 and S52) с помощью геномной polymerase chain reaction (PCR), подтвердив, что Smi последовательности законсервированы среди доминантных Class-I S-гаплотипов.
Транскрипционный анализ Smi в доминантном S9-гаплотипе выявил, что область экспрессируется как 5' capped и полиаденилированный транскрипт в пыльниках на ранней стадии развития, когда клетки тапетума были полностью интактными. Более того, 24-nt малая РНК, предположительно происходящая из транскрипта, была идентифицирована в результате скрининга библиотеки кДНК на малые РНК пыльника. Анализ Smi последовательностей показал, что существует почти точная гомология с мишенью 5' метилированным регионом рецессивного SP11 аллеля (18 из 19 нуклеотидов, Fig. 2b), но не с таковым доминантных SP11 аллелей. Анализ гибридизации in situ показал, что Smi накапливается преимущественно в клетках тапетума пыльников на ранней стадии одноядерных спор, непосредственно перед инициацией транскрипции SP11.
В противоположность нашим ожиданиям рецессивные Class-II S-гаплотипы также обладали гомологичными последовательностями к Smi в фланкирующем геномном регионе SP11 (Fig. 2a). В дополнение к этому было показано, что эти геномные регионы транскрибируются и подвергаются процессингу в 24-nt малые РНК (наз. рецессивными Smi) сходным образом с теми, что доминантные Smis. Однако, все рецессивные Smis имели замену основания в позиции 10 (T на A), в месте, как известно, важном для miRNA-обусловленного расщепления транскриптов мишеней (Fig. 2b). Такая замена также снижала их сходство с мишенью метилируемой области (17 из 19 нуклеотидов).
Чтобы подтвердить, что Smi могут индуцировать метилирование de novo мишени метилируемой области рецессивных SP11 промоторов, геномные последовательности, содержащие доминантные Smi вносили в рецессивные Class-II S гомозиготы (S29S29, S40S40, S44S44, S60S60) Brassica rapa. Трансгенные растения, содержащие доминантную Smi область, теряли фенотип само-несовместимости пыльцы независимо от того, какие рецессивные S-гаплотипы они несли. Подобные фенотипические изменения, как было установлено, отражают снижение экспрессии SP11 и повышение метилирования SP11 5' промоторного региона (Fig. 3). Профиль метилирования рецессивных SP11 5' промоторных регионов у трансформантов, несущих Smi трансген, был почти идентичным тому, что наблюдался у доминантно/рецессивных S гетерозигот: метилирование цитозина наблюдалось во всех CpG, CpNpG и CpNpN контекстах последовательностей, распространяющееся от Smi гомологичного региона (Fig. 3b). Напротив, трансформанты, несущие рецессивного типа Smi трансген с несовпадением одного основания в 10th нуклеотиде, не теряли само-несовместимости , хотя уровень экспрессии рецессивного типа Smi был почти сравним с таковым доминантного Smi. Т.о., Smi, расположенных во фланкирующей области доминантного SP11 аллеля действует в транс-положении, чтобы индуцировать метилирование de novo и молчание рецессивного SP11 аллеля во взаимоотношениях доминирования в само-несовместимости у Brassica (Fig. 4).
Possible mechanisms of dominance relationships between alleles mediated by small RNA
Хотя доминантные взаимоотношения между аллелями встречаются часто у млекопитающих и растений, лежащие в основе механизмы, изучены слабо. Наша работа описывает новый механизм доминирования, при котором малая РНК, происходящая из из доминантного аллеля действует в транс-положении, чтобы индуцировать транскрипционное молчание рецессивного аллеля. Присутствие такого типа модификаторов доминирования, т.е. генетических элементов, контролирующих доминантные взаимоотношения, предполагались в качестве теоретической возможности уже более 80 лет, но модифицирующие элементы сами по себе оставались неуловимыми (Fischer 1928; Billiard & Castric 2011). Наше исследование показало, что малые РНК могут действовать как модификаторы доминирования и это может быть важным для детерминации распространенности этого механизма в др. системах.
В системе само-несовместимости Brassica идентифицированный Smi достаточен для объяснения доминантных взаимоотношений между (доминантным) Class-I и (рецессивным) Class-II S-гаплотипами. Остаются сюрпризом взаимоотношения линейного доминирования среди Class-II S-гаплотипов. Мы предвидели, что дополнительные типы модификаторов доминирования будут участвовать в регуляции взаимоотношений Class-II S-гаплотипов. Точные механизмы. с помощью которых Smi индуцирует метилирование мишени и молчание ещё предстоит установить. Напр., мы полагаем, что RdDM путь участвует в этом процессе, но многие аспекты этой гипотезы предстоит подтвердить экспериментально. В типичном RdDM пути транскрипты с транспозонов и др. повторяющихся элементов продуцируются с помощью Pol IV (Herr et al. 2005; Kanno et al. 2005; Onodera et al. 2005; Pontier et al. 2005), конвертируемые в двунитчатые РНК с помощью RDR2 (Chan et al. 2004; Xie et al. 2004; Alleman et al. 2006), и преобразуемые с помощью DCL3 в 24-nt siRNAs (Li et al. 2006; Pontes et al. 2006). Затем siRNAs инкорпорируются в белки в AGO4 clade, которые управляют метилированием ДНК с помощью de novo ДНК метилтрансферазы DRM2 (Qi et al. 2006; Mi et al. 2008). Однако, Smi, 24-nt малая РНК, как ожидается подвергается преобразованию из несовершенных stem-loop предшественников, включая полиаденилирванные последовательности, способом, аналогичным тому, что используется для биогенеза miRNA. Напротив, типичные miRNAs являются классом в 21-nt малых РНК, обычно преобразуемых с помощью DCL1, и инкорпорируемых в белки AGO1 clade , чтобы регулировать экспрессию генов мишеней, прежде всего, путем расщепления мРНК или ta-siRNA предшественников (Jones-Rhoades et al. 2006). В общем за небольшим исключением, неизвестно, как miRNAs регулируют экспрессию генов мишеней посредством метилирования ДНК (Bao et al. 2004; Kidner & Martienssen 2005). Возникает вопрос. как Smi может влиять на молчание моноаллельного гена. Один из механизмов, которые был предположен, является ta-siRNA-подобный путь, в котором доминантная Smi действует как miRNA, чтобы расщеплять предполагаемый некодирующий транскрипт с антисмысловой нити (relative to the SP11 coding sequence) рецессивного SP11 промотора. Затем расщепленный транскрипт превращается в двунитчатую РНК и преобразуется в siRNAs, которая управляет метилированием рецессивного SP11 промотора в цис-положении (Finnegan et al. 2011). Более того, геномный анализ с использованием высокопроизводительного секвенирования выявил присутствие 24-nt miRNAs (наз. long miRNAs, lmiRNAs) в дополнение к типичным 21-nt miRNAs у A. thaliana и у Oryza sativa (Dunoyer et al. 2004; Vazquez et al. 2008; Wu et al. 2010). lmiRNAs у риса генерируются с помощью DCL3, и инкорпорируются в белки AGO4 clade, чтобы управлять метилированием ДНК в своих собственных локусах в цис- а также в транс-положении в отношении собственных генов мишеней. В этом пути биогенез lmiRNAs не нуждается в RDR2, и непосредственно влияет на метилирование ДНК генов мишеней. Соответственно, lmiRNAs могут управлять генной регуляцией (Wu et al. 2010). Тестирование этих моделей д. выявить молекулярный механизм моноаллельной экспрессии локуса само-несовместимости Brassica и также предоставить информацию о др. примерах взаимоотношений доминирования.
Future prospects
We believe that our research will provide novel insights into the widespread phenomena of dominance relationships and monoallelic expression in heterologous organisms. Genome-wide analyses have revealed that around 5% of A. thaliana genes have methylated promoters, and that many genes are misexpressed in triple mutants defective in de novo methyltransferases (drm1, drm2, and cmt3 mutants) that are involved in RdDM (Zhang et al. 2006). This suggests that de novo methylation is important in regulating gene expression on a genome-wide scale, and that differences in the target promoter sequences of allelic genes leads to their monoallelic expression. Detailed and comparative analyses to profile gene transcription, ДНК methylation, histone modification, and small RNA production in the intraspecific hybrids and their parents could be an effective strategy to reveal the genome-wide status of monoallelic expression, its biological significance, and the underlying molecular mechanisms.
|