3.6. Два типа cis-действующего сайленсинга, идентифицированного в кластерах импринтированных генов

В настоящее время предполагается, что импринтингом в разных кластерах управляют два класса cis-действующих механизмов сайленсинга: это модель инсулятора, приложимая к кластеру Igf2, и модель опосредованного ncRNA сайленсинга, приложимая к кластерам Igf2r и Kcnq1. Хотя это еще не полностью определено, большинство кластеров, перечисленных в табл. 19.2, демонстрируют те или иные аспекты одной из двух моделей. Прорывом, приведшим к определению модели инсулятора в локусе Igf2, была делеция гаметического DMR, который локализован на расстоянии 2 т. о. «вверх по течению» от старта транскрипции Н19 и на расстоянии 80 т. о. «вниз по течению» от Igf2 (рис. 19.7) (Thorvaldsen et al., 1998). Будучи делетированы, Н19 и lgf2 обнаруживали утрату импринтинга безотносительно к тому, наследовалась ли эта делеция от матери или от отца, что позволяло идентифицировать этот DMR как ICE. Впоследствии было показано, что этот ICE связывается с CTCF — белком, который, как было показано, опосредует активность инсулятора в локусе beta-globin, и что сам ICE фунционирует как инсулятор (Bell and Felsenfeld, 2000; Hark et al., 2000). В этом контексте инсулятор определяется как элемент, который блокирует взаимодействия промотора и энхансера, будучи помешен между ними Таким образом, модель экспрессии импринтированного гена в этом локусе следующая: на материнской аллели CTCF связывается с ICE и блокирует доступ lgf2 и Ins2 к энхансерам, общим с ncRNA Н19, которые расположены «вниз по течению» от этих трех генов. Тем самым это предоставляет Н19 исключительный доступ к энхансерам (рис. 19.7). На отцовской аллели ICE приобретает метилирование ДНК в мужской зародышевой линии, предотвращая связывание CTCF с ним. Таким образом, на отцовской хромосоме Igf2 и Ins2 взаимодействуют с энхансерами и экспрессируются с этой хромосомы. Присутствие метилирования ДНК на отцовском ICE ведет ко вторичному метилированию промотора Н19 с помощью неизвестного механизма, и он становится сайленсированным на отцовской хромосоме. Участие CTCF в модели инсулятора привело к идентификации сайтов связывания CTCF в других импринтированных генах, таких как Rasgrfl, GrblOw Kcnq1otl, показывая тем самым, что модель инсулятора может работать в других импринтированных кластерах.

^{Рис. 7. Два cis-действующих механизма сайленсинга в кластерах импринтированных генов}

^{(а) Модель инсулятора для кластера Igf2. Показан паттерн экспрессии для эндодермы. На материнской хромосоме неметилированный ICE связывается с белком CTFC и формирует инсулятор, который не дает общим энхансерам эндодермы (Е) активировать Igf2 и Ins2. Вместо этого эти энхансеры активируют близлежащий промотор ncRNA Н19. На отцовской хромосоме метилированный ICE не может связываться с СТСЕ и инсулятор не образуется, вследствие чего гены иРНК Igf2 и Ins2 экспрессируются только на этой хромосоме. ncRNA Н19 метилируется, скорее всего, из-за распространения с удаленного на 2 т.о.метилированного ICE и является «молчащей», (б) модель ncRNA для кластера Igf2r. Показан паттерн экспрессии для плаценты. На материнской хромосоме метилированный ICE содержит промотор ncRNA Air, который прямо сайленсирован импринтом метилирования ДНК. Гены иРНК Igf2r, Slc22a2 и Slc22a3 экспрессируются только на этой хромосоме. Mas1 и Slc22a1 в плаценте не экспрессируются. На отцовской хромосоме промотор ncRNA Air, лежащий в неметилированном [СЕ, экспрессируется и сайленсирует Igf2r, Slc22a2 и Slc22a3 в cis. Заметьте, что в обеих моделях импринт метилирования ДНК сайленсирует ncRNA и делает возможной экспрессию иРНК: (ICE) — элемент контроля импринта (серый прямоугольник) — импринтированный ген иРНК, (ген-NC) — импринтированный ген ncRNA, (стрелка) экспрессированная аллель импринтированного гена, (черный запрещающий знак) — репрессированная аллель импринтированного гена, (заполненный ромб) — тканеспецифичныи ген, сайленсированныи на обеих родительских хромосомах, (серые стрелки) — удаленный эффект в cis-конфигурации}

ncRNA-класс моделей импринтинга может, однако, быть более обычным. Прорывом, приведшим к идентификации функциональных ncRNAs в импринтированных кластерах, явился эксперимент с укорочением ncRNA Air, имеющей длину 108 т. о., до 3 т. о. (Sleutels et al., 2002). Эта укороченная ncRNA сохраняла импринтированную экспрессию, и промотор Air сохранял импринтированное метилирование ДНК — тем не менее, сайленсинг всех трех генов иРНК в кластере Igf2r был утрачен (рис. 19.7). Сейчас было показано, что сайленсинг, опосредованный ncRNA, действует также в кластере Kcnq1 (Mancini-DiNardo. 2006) В настоящее время неизвестно, каким образом ncRNA Air или Kcnq1ot1 сайленсируют гены в соответсвующих импринтированных кластерах. Возможны многие модели, применимые к обоим кластерам. Две возможности возникают из факта перекрывания смысловой и антисмысловой последовательности иРНК и ncRNA, имеющего место в каждом кластере. Первая возможность заключается в том, что между иРНК и ncRNA может образовываться двунитевая РНК и индуцировать РНК-интерференцию (RNAi) (глава 8). Вторая возможность состоит в том, что это перекрывание смысловой и антисмысловой последовательности становится причиной одной из форм транскрипционной интерференции между двумя промоторами, которая затрагивает лишь транскрипцию с промотора иРНК. В обоих этих случаях первым событием был бы посттранскрипционный сайленсинг перекрывающейся иРНК, сопровождаемый накоплением репрессивного хроматина, способного распространяться и индуцировать транскрипционный сайленсинг генов во всем кластере.

Однако возможно также, что импринтированные ncRNAs действуют, покрывая локальный участок хромосомы и непосредственно рекрутируя репрессивные белки хроматина к репрессированному кластеру примерно таким же образом, как это описано для действия ncRNA Xist в инактивации Х-хромосомы (глава 17). Имеет место большое сходство между сайленсингом, опосредуемым импринтированной ncRNA, и сайленсингом, опосредуемым ncRNA Xist. Наиболее существенно, что оба эти случая представляют cis-действующие эпигенетические механизмы сайленсинга и оба демонстрируют положительную корреляцию между экспрессией ncRNA и сайленсингом множественных генов иРНК. Предположили также, что геномный импринтинг и Х-инактивация развились из общего эпигенетического механизма (Reik and Lewis, 2005). Если бы это было так, можно было бы предсказать, что импринтированные ncRNAs могут сайленсировать гены путем «нацеливания» репрессивного хроматина на кластер импринтированных генов Однако у нас все еще нет четкой информации относительно того, как импринтированные ncRNAs осуществляют свою сайленсирующую функцию. И мы все еще не знаем, сколько других импринтированных ncRNAs также играют функциональную роль в сайленсинге генов.