Эпигенетика эмбрионального развития человека






НазваниеЭпигенетика эмбрионального развития человека
страница15/23
Дата публикации16.03.2015
Размер1.3 Mb.
ТипДокументы
d.120-bal.ru > Документы > Документы
1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   23

6.2 Модели импринтинга


Важно отметить, что удаление ICRs обычно приводит к потере импринтинга нескольких генов в кластере. ICRs можно условно разделить на две категории: те, которые работают как инсуляторы и те, которые служат в качестве промотора для регулирующих некодирующих РНК (ncRNA).

Модель CTCF-зависимого инсулятора

Один из способов регуляции экспрессии импринтированных генов связан с наличием специфической последовательности нуклеотидов в пределах кластера. Эта последовательность, представленная повторами, выполняет функцию инсулятора, т. е. последовательности, определяющей границы транскрипционно активного и инертного хроматина. Действительно, транскрипционная активность гена в значительной степени детерминирована структурной организацией хроматина, которая, в свою очередь, связана со статусом метилирования ДНК. Так, специфические последовательности ДНК преимущественно взаимодействуют с метилтрансферазами, обеспечивающими процесс метилирования, что приводит к присоединению метилцитозин-связывающих белков и гистон-ацетилазного комплекса. Связь специфичных белков с метилированной ДНК приводит к стабилизации хроматина и невозможности присоединения транскрипционного комплекса и, как следствие, к инактивации транскрипции (Пендина и др., 2007).

Наиболее хорошо охарактеризованный кластер, который импринтируется с помощью инсуляторной модели, содержит матерински экспрессируемый H19 и отцовски экспрессируемый инсулиноподобный фактор роста 2 (Igf2). Этот кластер находится в 11p15.5 у человека и находится в консервативной синтении с дистальным плечом 7 хромосомы у мыши. В то время как большинство исследований по H19 и Igf2 были проведены на мышах, многие характеристики этих генов, включая их профиль экспрессии и регуляторные механизмы похожи у мыши и человека. Этот кластер и механизм импринтинга сохраняются у сумчатых, что делает его древнейшим из выявленных на сегодняшний день. Как у мыши, так и у человека, H19 и Igf2 широко экспрессируемые в ходе эмбрионального развития, после рождения подавляются в большинстве тканей. H19 кодирует полностью процессируемые 2,3 кб некодирующие РНК и первоначально был установлен в качестве супрессора опухолей. Однако, для него также были показаны онкогенные свойства. Igf2 кодирует белок, который играет важную роль в развитии эмбриона, роста и развития плаценты.

Как и во всех импринтированных кластерах, экспрессия H19 и IGF2 регулируется ICR [обозначенный центром импринтинга 1 (IC1) у человека и ICR или дифференциально метилируемые области (DMD) у мыши], расположенным между двумя генами. Этот регион примерно в 5 кб и 2 кб длиной у человека и мыши, соответственно (рис. 24). Он действует путем регулирования взаимодействия между промоторами H19 и IGF2 и их общих энхансеров, которые лежат «ниже по течению» H19 (рис. 24). Удаление ICR/DMD приводит к потере импринтинга (LOI) на H19 и Igf2. Правильный импринтинг H19 и Igf2 требует, чтобы ICR/DMD метилировались по отцовской аллели и оставались неметилированными по материнской аллели. Мутации в CpGs в ICR/DMD приводят к гипометилированию и последующей биаллельной экспрессии H19 и подавлению Igf2. Важный прорыв в определении механизма импринтинга в этом локусе был сделан при исследовании консервативных последовательностей в мышиных и человеческих ICRs. Будучи неметилированными, эти последовательности связываются с инсуляторным белком CCCTC-связывающего фактора (CTCF) (рис. 24).



Рисунок 24. Модель инсулятора для кластера Igf2 (Ideraabdullah et al., 2008). Показан паттерн экспрессии для энтодермы. На материнской хромосоме неметилированный ICE связывается с белком CTCF и формирует инсулятор, который не дает общим энхансерам энтодермы активировать Igf2. Вместо этого, энхансеры активируют близлежащий промотор ncRNAH19. На отцовской хромосоме метилированный ICE не может связываться с CTCF, инсулятор не образуется, вследствие чего ген иРНК Igf2 экспрессируется только на этой хромосоме. ncRNAH19 метилируется, скорее всего, из-за распространения с удаленного на 2 т.о. метилированного ICE и является «молчащей».

Первоначально предполагалось, что CTCF блокирует активность инсулятора или энхансера на аналогичных последовательностях в локусеβ-глобина. Нынешняя модель регулирования импринтинга в H19/Igf2 локусе заключается в том, что CTCF связывается с неметилированным материнским ICR/DMD, что защищает локус от de novo метилирования и препятствует активации Igf2 ниже лежащими энхансерами, оставляя их доступными для активации транскрипции на H19 (рис. 24). CTCF не в состоянии связать метилированный отцовский ICR/DMD, что приводит к экспрессии Igf2, в то время как H19 сайленсируется. Целевые мутации сайтов CTCF показали, что эти сайты являются необходимыми для поддержания импринтинга, но не его создания.

Хотя в настоящее время хорошо известно, что ICR/DMD действует как блокатор CTCF-зависимого инсулятора/энхансера, механизм инсуляции остается не ясным. Результаты исследований на мышах с использованием метода захвата конформации хромосом (3С), определяющие физические взаимодействия между участками хромосом, предполагают, что в механизме импринтинга принимает участие хромосомное выпетливание, хотя точная природа и функции выпетливания обсуждаются. Есть общее мнение, что разделенные энхансеры физически взаимодействуют с промоторамиIgf2 на отцовской хромосоме, в то время как взаимодействия на материнской хромосоме остаются неясными. Karukuti и др.(2006) сообщают, что сайленсинг материнского Igf2 приводит к взимодействию ICR/DMD с S/MAR (Scaffold/Matrix Attachment Regions - специальные А-Т-богатые участки прикрепления к ядерному матриксу, служащие для заякоривания петель хроматина на белках ядерного матрикса) и с DMR (дифференциально метилированными областями) в локусе Igf2 для создания тугой петли вокруг Igf2 гена, и, тем самым, физического препятствия экспрессии Igf2. Напротив, Yoon и его коллеги (2007) показали, что ICR/DMD образует транскрипционно непродуктивный комплекс с энхансерами и не активными промоторами Igf2 на материнской хромосоме, что приводит к сайленсингу Igf2. Не ясно, как эта модель типа "ловушки" учитывает взаимодействие между энхансерами и промотором H19, которые необходимы для материнской экспрессии H19. Совсем недавно было показано, что на материнской аллели энхансеры контактируют со всей кодирующей частью H19 и промотером вплоть до ICR/DMD, но не за его пределами. Когда ICR/DMD или CTCF сайты связывания удалены на материнском аллеле, энхансеры взаимодействуют со всем локусом, что говорит о том, что энхансеры прокладывают путь вдоль хромосомы, пока не найдут подходящую последовательность промотора, а затем инсулятор блокирует дальнейшее движение. Есть несколько причин, почему эти 3C эксперименты дают разные результаты и модели. Во-первых, анализы были предназначены для тестирования различных взаимодействий (энхансеров в сравнении с ICR/DMD взаимодействиями). Во-вторых, чтобы расщепить ДНК были использованы различные ферменты рестрикции, которые могли несоразмерно разделить регуляторные последовательности. В-третьих, проанализированные клетки и ткани были разнообразны. Наконец, анализы не были проведены по всему H19/Igf2 домену во всех исследованиях и не могут считаться поддающимися количественной оценке. Таким образом, трудно определить правильность одной модели по сравнению с другой. Тем не менее, рассмотрение нескольких ICR/DMD мутантных аллелей демонстрирует, что дальнодействующие аллель-специфические взаимодействия в локусе H19/Igf2 зависят от ICR/DMD.

Независимо от точного механизма работы инсулятора, ясно, что взаимодействуют дистальные элементы. В соответствии с пониманием этих взаимодействий, недавние исследования показали, что когезины, которые соединяют сестринские хроматиды, колокализуются с CTCF. В частности, два когезина, RAD21 и SMC1, связаны с CTCF сайтом в H19/Igf2 DMD аллель-специфическим образом, что сопоставимо со связыванием CTCF, однако остается не известным, требуется ли связывание когезинов для связывния CTCF или наоборот. Дальнейшие исследования для определения времени связывания когезинов или дополнительных факторов с ICR/DMD и того, как оно относится к установлению импринтов в зародышевой линии и их сохранения в течение всего развития предоставят важную информацию в выяснении молекулярных механизмов импринтинга.

Модель импринтинга с помощью нкРНК

Для каждого кластера характерно наличие хотя бы одного гена, отвечающего за синтез некодирующей РНК. При этом для аллелей разного родительского происхождения экспрессия белок-кодирующих генов и гена(ов), отвечающего за синтез некодирующей РНК, происходит, как правило, реципрокно. В том случае, если с аллели осуществляется считывание мРНК и образуется белковый продукт, то транскрипция генов, отвечающих за синтез некодирующей РНК, репрессирована. Правомерна и обратная ситуация, когда синтез некодирующей РНК препятствует образованию мРНК (Пендина и др., 2007).

Большинство импринтированных локусов, по всей видимости, используют второй, ncRNA механизм регуляции импринтинга в кластерах. Первым и, пожалуй, лучше всего описанным, кластером этого класса является Igf2r кластер, который находится на хромосоме мыши 17A (рис. 25).



Рисунок 25. Импринтинг на проксимальном плече 17 хромосомы мыши. Igf2r, Slc22a2 и Slc22a3 экспрессируются с материнской хромосомы (розовые прямоугольники) и Air экспрессируется с отцовской хромосомы (синяя стрелка). Неимпринтированные гены в этой области включают Mas1, Plg и Slc22a1 (серые прямоугольники).ICR, который служит в качестве промотора в Air, показанв виде желтогопрямоугольника. ICR гиперметилированы на материнской цепи, предотвращая транскрипцию Air и допускаятранскрипцию Igf2r, Slc22a2 и Slc22a3. На отцовской хромосоме ICR неметилирован, Air экспрессируется, а окружающие гены (Igf2r, Slc22a2 и Slc22a3) подавляются (указано пунктирной стрелкой).

Igf2r и два соседних гена, Slc22a2 и Slc22a3, экспрессируются с материнской аллели. Этот регион также содержит один транскрипт, экспрессируемый с отцовского аллеля, Air (антисмысловая Igf2r РНК), который перекрывает Igf2r и экспрессия которого имеет решающее значение для сайленсинга матерински экспрессируемых генов в cis положении. Более того, как и другие импринтированные области, экспрессия Air регулируется ICR с эпигенетическими модификациями, специфичными к отцовскому происхождению. Однако, в отличие от других импринтированных локусов, геномная организация и паттерн импринтинга кластера Igf2r лишь частично сохраняется в синтенной области человека на хромосоме 6q26-27.

Другие локусы, которые экспрессируют длинные нкРНК, которые могут быть вовлечены в процесс импринтинга, включают Gnas локус, Dlk1/Gtl2 локус и Snrpn локус. Хотя локус KCNQ1 непосредственно примыкает к H19/Igf2 локусу как у мыши, так и человека, он регулируется независимо. Важно отметить, что многое из того, что известно о мышином локусе Kcnq1 справедлино для человека.

ncRNA и Kcnq1 локус

Локус Kcnq1 содержит один ген, экспрессируемый с отцовского аллеля, кодирующий длинные (> 60 кб) ncRNA, Kcnq1ot1 и, по крайней мере, 8 белок-кодирующих генов, экспрессируемых с материнского аллеля, в том числе Cdkn1c, Mash2, Phlda2 (рис. 26).



Рисунок 26. Импринтинг области Kcnq1 мыши. Матерински экспрессируемые гены показаны розовыми прямоугольниками, а отцовски экспрессируемая длинная ncRNA Kcnq1ot1 показана синей стрелкой. KvDMR1, который является ICR для этого региона и содержит в себе промотор для Kcnq1ot1, обозначен желтым прямоугольником и метилируется на материнском аллеле. Промотор Cdkn1c метилируется на отцовском аллеле после оплодотворения. Два CTCF сайта связывания в KvDMR1 обозначены вертикальными стрелками. Транскрипционная активность гена показана стрелками.

Локус (и ncRNA, в частности) регулируется матерински метилированным ICR, KvDMR1, который находится в интроне KCNQ1 гена. Промотор гена Kcnq1ot1 находится в пределах KvDMR1. Понижение уровня метилирования промотора на отцовской аллели связано с экспрессией Kcnq1ot1 и подавлением соседних белок-кодирующих импринтированных генов, в то время как гиперметилирование KvDMR1 на материнском аллеле связано с подавлением ncRNA и активацией соседних импринтированных генов. Удаление KvDMR1 с отцовского аллеля приводит к отсутствию экспрессии Kcnq1ot1 и к биаллельной экспрессии генов, которые обычно экспрессируются только на материнском аллеле, что говорит о том, что транскрипция ncRNA Kcnq1ot1 необходима для сайленсинга 8 белок-кодирующих генов в cis-положении. Кроме того, инсерция транскрипционных стоп-сигналов ниже по течению от промотора в отцовском аллеле приводит к активации генов, которые в норме сайленсированны. Таким образом, транскрипция Kcnq1ot1 необходима для двунаправленной репрессии генов в cis положении.

Совсем недавно Хиггинс и его коллеги (2008) сообщили о новом укороченном аллеле Kcnq1ot, подтверждающем, что отсутствие полного транскрипта Kcnq1ot приводит к потере импринтинга генов с одним важным исключением. В собственно эмбрионе Cdkn1c еще импринтирован во множестве тканей. Это исследование показало, что Cdkn1c импринтинг можно регулировать с помощью механизма, не зависящего от Kcnqt1ot1 ncRNA. Учитывая, что удаление KvDMR1 приводит к потере импринтинга Cdkn1c во всех тканях, ncRNA-независимый механизм может зависеть от элемента(ов) в KvDMR1. Таким образом, было выявлено два CTCF сайта связывания в KvDMR1, активны in vivo только на неметилированном отцовском аллеле. Таким образом, не исключено, что для Cdkn1c гена, также как для роста эмбриона, важны резервные механизмы, чтобы обеспечить его соответствующий импринтинг и, следовательно, его дозировку.

Хотя роль длинных нкРНК обязательна для импринтинга аутосомных локусов, а также инактивации Х-хромосомы, до сих пор не ясно, почему некоторые сайленсированные гены находятся на расстоянии нескольких сотен килобаз, в некоторых локусах, таких как Igf2r, более близко расположенные гены избегают сайленсинга. Несколько моделей были предложены для объяснения этой сложной регуляции. Во-первых, модель, основанная на РНК-интерференции предполагает, что длинные антисмысловые ncRNA образуют двухцепочечные интермедиаты РНК, комплементарные к сайленсируемым генам, которые затем запускают сайленсинг (с помощью деградации РНК, репрессии трансляции или формирования гетерохроматина). Второй возможный механизм - Xist модель сайленсинга, в котором Xist РНК окутывает неактивную Х-хромосому. Сайленсинг в этом случае будет гораздо более ограниченным (то есть, захватывается не вся Х-хромосома). Наконец, была предложена модель сайленсинга с помощью транскрипции локуса. В этом случае, для сайленсинга необходима транскрипция, а не ее продукт. Здесь, транскрипция может помешать активаторам или активировать репрессоры. Данный класс моделей требует выявления цис-действующих регуляторных элементов, которые остаются неизвестными для большинства импринтированных областей (Ideraabdullah et al., 2008).

1   ...   11   12   13   14   15   16   17   18   ...   23

Похожие:

Эпигенетика эмбрионального развития человека icon«закономерности размножения и эмбрионального развития животных и человека»
Понятие онтогенеза, его типы, периоды. Характерные особенности онтогенеза животных и человека

Эпигенетика эмбрионального развития человека iconЦитогенетическая характеристика и эпигенетические механизмы формирования...
Работа выполнена в Учреждении Российской академии медицинских наук Научно-исследовательском институте медицинской генетики Сибирского...

Эпигенетика эмбрионального развития человека iconРабочая программа Дисциплины «Психология развития»
Возрастосообразность в психологическом сопровождении развития человека. Психологическое консультирование родителей с учетом возрастных...

Эпигенетика эмбрионального развития человека iconВопросы для вступительной экзаменационной беседы по специальности 14. 01. 08- педиатрия
Современные знания о свойствах грудного молока. Эпигенетика. Понятие. Значение для ребенка

Эпигенетика эмбрионального развития человека iconУрок-лекция: «Генетика человека: проблемы, поиски, развития»
Фенотип человека, формирующийся на различных стадиях его развития, является в первую очередь продуктом реализации наследственной...

Эпигенетика эмбрионального развития человека icon► Закономерности роста и развития
Предметом изучения морфологии человека является изменчивость формы и внутреннего строения человека. Данные морфологии человека используются...

Эпигенетика эмбрионального развития человека iconПостэмбриональный период развития. Прямое и непрямое развитие. Онтогенез человека
Обучающая: Обеспечить в ходе урока усвоение особенностей постэмбрионального периода развития через заполнение схем с использованием...

Эпигенетика эмбрионального развития человека iconВводный урок
Возраст развития — понятие, отражающее степень морфологического и физиологического развития организма. Введение понятия «биологический...

Эпигенетика эмбрионального развития человека iconПрограмма социально-экономического развития Арского муниципального района
Целью Программы является повышение качества жизни населения Арского муниципального района на основе устойчивого, динамичного развития...

Эпигенетика эмбрионального развития человека icon«Качество воды и его влияние на здоровье человека»
Воду, драгоценный дар природы, академик А. Н. Карпинский назвал живой кровью, которая создает жизнь там, где ее не было. Вода – основа...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:


медицина


При копировании материала укажите ссылку © 2016
контакты
d.120-bal.ru
..На главную