2. Геномный импринтинг — эпигенетическая система регуляции генов

Определяющей характеристикой геномного импринтинга является то, что он действует в cis-конфигурации (см. врезку внизу). Таким образом механизм импринтинга действует только на одну хромосому. Это контрастирует с /гая5-действуюишми механизмами регуляции генов, которые могут воздействовать на любую хромосому в ядре. Две родительские хромосомы в норме обычно содержат многочисленные однонуклеотидные различия (известные как однонуклеотидные полиморфизмы, SNPs), если данная популяция является аутбредной, но они могут быть генетически идентичны, если используются инбредные линии мышей. Поскольку геномный импринтинг наблюдается у инбредных мышей, имеющих идентичные родительские хромосомы, этот процесс должен использовать некий эпигенетический механизм, чтобы модифицировать информацию, содержащуюся в нуклеотидной последовательности ДНК и создать различие в экспрессии между двумя родительскими копиями гена. Эти наблюдения показывают также, что работает cis-действующий механизм сайленсинга, который ограничен одной хромосомой, так что факторы сайленсинга не могут свободно диффундировать в ядре и достигать активную копию гена. Хотя импринтированные гены репрессированы на одной родительской хромосоме и активны на другой, мы не знаем a priori, что геномный импринтинг — это только механизм сайленсинга. Наоборот, мы должны также иметь в виду, что он может быть неким активирующим механизмом, направленным на ген, который «по умолчанию» является сайленсированным в геноме млекопитающих.

Стартовая точка для геномного импринтинга должна, следовательно, зависеть от эпигенетической системы, которая модифицирует, или «импринтирует» одну из двух родительских хромосом (рис. 19.3). Мы можем приводить доводы в пользу того, что этот импринт впоследствии используется для привлечения или отталкивания транскрипционных факторов и, таким образом, для изменения экспрессии импринтированного гена на одной родительской хромосоме. Поскольку мы знаем, что инбредные мыши с генетически идентичными хромосомами также обнаруживают геномный импринтинг, мы можем говорить, что родительские импринты не могут быть приобретены после того, как эмбрион становится диплоидным, потому что у эпигенетической машинерии клетки не было бы способа различить идентичные родительские копии генов. Таким образом, родительские импринты должны быть приобретены, когда два родительских хромосомных набора разделены, а это имеет место только во время формирования гамет и в течение примерно 12 часов после оплодотворения (рис. 19.3). Наиболее вероятный сценарий заключается в том, что гаметические импринты накладываются на отцовски-импринтированные гены во время образования спермиев и на матерински-импринтированные гены во время формирования яйцеклетки. Ключевая особенность «импринтированой» последовательности ДНК заключается в том, чтобы она была бы модифицирована только в одной из двух родительских гамет; таким образом, требуются системы узнавания двух типов, одна спермий-специфичная, а другая ооцит-специфичная, и каждая была бы направлена на другую нуклеотидную последовательность ДНК. Для импринта требуются еще несколько особенностей. Во-первых, будучи однажды установлен, он должен оставаться на той же самой родительской хромосоме после оплодотворения, когда эмбрион становится диплоидным. Во-вторых, этот импринт должен наследоваться той же родительской хромосомой после каждого клеточного деления у эмбриона и взрослого животного. Наконец, он должен «стираться». Последнее необходимо, потому что эмбрион примерно с середины своего развития последует либо по мужскому, либо по женскому пути развития, и его гонадам нужно будет производить только один тип импринтированных гаплоидных родительских гамет. Поскольку зародышевые клетки возникают из эмбриональных диплоидных клеток (рис. 19.3), они должны сперва потерять унаследованные ими материнские и отцовские импринты, прежде чем они приобретут импринты гамет.

Ключевые особенности геномного импринтинга у млекопитающих

¦ cis-действуютий механизм

¦ Результат особенностей наследования, а не пола.

¦ Импринты являются эпигенетическими модификациями, приобретаемыми одной родительской гаметой

¦ Импринтированные гены в основном собраны в кластеры вместе с некодирующей РНК.

¦ Импринты могут модифицировать удаленные регуляторные элементы, которые действуют на множественные гены.

¦ Импринтированные гены играют роль в развитии млекопитающих

^{Рис. 19.3. Приобретение и стирание импринтов в ходе развития млекопитающих}

^{Импринты приобретаются гаметами; таким образом, ооциты и спермин уже несут импринтированные хромосомы (импринты 1-й генерации). После оплодотворения, когда эмбрион становится диплоидным, данный импринт поддерживается на той же самой родительской хромосоме после каждого клеточного деления в клетках эмбриона, оболочках, плаценте, а также у взрослого животного. Зародышевые клетки формируются в эмбриональной гонаде, и импринты стираются только в этих клетках до детерминации пола. Коль скоро эмбрион развивается в самца, гонады дифференцируются в семенники, продуцирующие гаплоидные сперматозоиды, которые приобретают отцовский импринт на своих хромосомах. Аналогичным образом, у развивающихся самок хромосомы в яичниках приобретают материнские импринты (импринты 2-й генерации)}

Каким образом идентифицируются гаметические импринты? Не слишком вдаваясь в семантику, импринт можно определить как эпигенетическую модификацию, отличающую материнскую копию гена от отцовской копии гена Импринт, будучи однажды сформирован, должен также позволять транскрипционной машине по-разному обрабатывать материнскую и отцовскую копии гена, находящиеся в одном и том же ядре. Можно предсказать, что гаметический импринт будет непрерывно присутствовать на всех стадиях развития (рис. 19.3); таким образом, импринты можно обнаружить, сравнивая эпигенетические модификации на материнских и отцовских хромосомах в эмбриональных или взрослых тканях (с использованием стратегий, изображенных на рис. 19.1) и прослеживая их в развитии обратно, до одной из двух гамет. Гаметические импринты могли бы быть модификациями ДНК или гистоновых белков, которые упаковывают ДНК в хромосомы. Хотя у млекопитающих известен лишь один тип эпигенетических модификаций ДНК, а именно метилирование ДНК (глава 18), гистоны могут нести множественные типы модификаций, в том числе метилирование, ацетилирование, фосфорилирование. сумоилирование и убиквитилирование (дополнительные детали см. в главе 10). Они могут также замещаться вариантными гистонами со специфическими функциями (главы 3 и 13). Любые из этих эпигенетических модификаций можно было бы теоретически квалифицировать как импринт. Мы можем считать, что ферменты, ответственные за эти эпигенетические модификации, могли бы экспрессироваться в одной из двух гамет и специфически ассоциироваться с одной родительской хромосомой, чтобы скопировать данную модификацию, когда клетка делится. Однако, как описывается в разделе 3, лишь метилирование ДНК было четко продемонстрировано в качестве гаметического импринта для импринтированных генов у млекопитающих и, на сегодняшний день, является единственной наследуемой модификацией.

Каким образом действует гаметический импринт, чтобы контролировать импринтированную экспрессию? Как обсуждалось выше, нам необходимо «быть открытыми» в вопросе о том, ведет ли импринт к активации или же к репрессии одной родительской копии импринтированного гена. Чтобы понять, как действует импринт, нам нужна информация по трем вопросам: какая родительская хромосома несет данный импринт, какая родительская хромосома несет экспрессируемую аллель импринтированного гена и каково положение импринтированной последовательности по отношению к экспрессируемой или «молчащей» аллели импринтированного гена. Используя подходы этого типа, мы теперь знаем, что гаметические импринты могут действовать на целые кластеры генов сразу. Эти импринтированные кластеры содержат от 3 до 10 импринтированных генов и имеют протяженность от 100 т. п.н. до 3000 т. п.н. геномной ДНК (дополнительные детали см. http://www.mgu.har.mrc.ас.uk/research/imprinting/). Большинство генов в любом одном кластере — это импринтированные гены иРНК, кодирующих белки; однако по меньшей мере один из них — всегда ген импринтированной ncRNA (некодирующей РНК).

Из-за расположения импринтированных генов в виде кластеров, при том что некоторые гены экспрессируются с одной родительской хромосомы, а некоторые с другой, не всегда просто определить, как действует импринт. Можно исследовать влияние импринта на единичные гены в кластере, но может оказаться более информативным изучать влияние импринта на весь кластер. Более детально это описывается в разделе 3. Одно, тем не менее, очевидно. Природа не выбрала самую простую модель, по которой импринт направляется к промотору, чтобы преимущественно [preemptively] сайленсировать импринтированный ген в одной гамете. Вместо этого оказывается, что импринты, в целом, направляются к удаленным cis-действующим репрессорам, которые влияют на экспрессию множественных генов, локализованных на больших расстояниях на той же хромосоме.