Informacija

Genetinis įspaudas ir ląstelių diferenciacija

Genetinis įspaudas ir ląstelių diferenciacija


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Neatrodo įmanoma, kad šie du procesai gali egzistuoti kartu:

1) Genetinis įspaudas yra reiškinys, kai genai išreiškiami skirtingai, priklausomai nuo kilmės:

1a. Metilintos DNR atkarpos nėra transkribuojamos.

1b. Jei genų kopija, kilusi iš mamos, yra metilinta, bet tėčio kopija ne, tada bus išreikšta tik tėčio kopija (pvz., Praderio Willi sindromas).

1c. Metilinimas išsaugomas ląstelių dalijimosi metu.

1d. Metilinimas ištrinamas gametogenezės metu, kai patelės prieš mejozę ištrins tėčio atspaudus ir pakartotinai atspausdins pagal motinos įspaudą.

Bet dabar skaitau apie epigenetikos vaidmenį ląstelių diferenciacijoje ir atrandu:

2) Ląstelių diferenciacija vyksta su linijai būdingais metilinimo modeliais.

2a. Iš karto po apvaisinimo (iki pirmojo ląstelių dalijimosi) vyksta tėvo genomo demetilinimas.

2b. Motinos genomas per pirmuosius ląstelių dalijimosi procesus demetilinamas.

2c. Ląstelių diferenciaciją lydi ir galbūt net pasiekia laipsniškas pakartotinis metilinimas po šių „servetėlių“.

Šaltinis 2): http://labs.genetics.ucla.edu/fan/papers/HuangK_RM2010.pdf "DNR metilinimas ląstelių diferenciacijos ir perprogramavimo metu: naujas sisteminis požiūris" Huang & Fan (2010). Regen Med. 5(4):531-44.

Įtariu, kad konflikto nėra, ir aš tiesiog neteisingai suprantu vieną, kitą arba abu. Priešingu atveju, kaip metilinimo modelį galima ištrinti gametogenezės ir ankstyvųjų embriono stadijų metu ir vis tiek paveldėti?


Ką daryti, jei įspaustos sritys yra apsaugotos nuo nuvalymo? Be to, galite supainioti DNR metilinimą ir histono metilinimą (?). Klasikinė biochemija teigia, kad DNR metilinimo būsenos gali būti perduodamos iš besidalijančios motinos ląstelės į abi dukterines ląsteles, nes po DNR replikacijos abi dukterinės chromosomos bus pusiau metilintos, o DNR metilazė, radusi pusiau metilintą vietą, metilins kitą grandinę (kaip korekcinis redagavimo mechanizmas). Trečias dalykas, į kurį reikia atsižvelgti jūsų klausime, yra tai, kad tėvų įspaudas yra nustatytas gemalo linijoje. Kalbant apie kitų epigenetinių ženklų nuvalymą ankstyvosios embriogenezės metu, vieninteliai yra gametogenezėje dalyvaujantys. Kitaip tariant, kiek mes žinome, genai, aktyvuoti raumenų vystymuisi, niekada nėra išreikšti po apvaisinimo zigotinėse ląstelėse, dėl kurių atsiras pirmapradės lytinės ląstelės, todėl tų raumenų specifinių epigenetinių ženklų nereikia nušluostyti. embrionas. Nei spermatozoidas, nei kiaušinėlis niekada neišreiškė raumenų miozino ir pan.


Tikriausiai yra siaurų ir plačių atspaudų apibrėžimų. Spėju, kad tyrimų apie įspaudimą istorija būtų panaši į šiuos.

Iš pradžių buvo atpažįstamas motinos ar tėvo fenotipo perdavimas ir kai kurie iš tokių fenotipų atrodė todėl, kad motinos ar tėvo atsakingas genas neveikia. Kaip žinote, tai yra akivaizdus įspaudas.

Tada buvo atrastas DNR metilinimas ir paaiškėjo, kad jis yra atsakingas už aukščiau apibrėžtų atspaudų genų inaktyvavimą. Tačiau DNR metilinimas ir ekspresijos slopinimas metilinant atsiranda ir kitiems genams. ES ląstelės turi aiškų DNR metilinimo modelį, kuris tikriausiai bent iš dalies gali paaiškinti skirtingą genų ekspresijos modelį. Be to, kancerogenezės metu kai kurie naviko slopinimo genai slopinami metilinant. Atrodo, kad DNR metilinimas reguliuoja genų ekspresiją ir aukščiau apibrėžtą įspaudą. Žinau, kad žmonės visus genų reglamentus vadina DNR metilinimo įspaudu. Tai yra platus apibrėžimas.


Turinys

Diploidiniuose organizmuose (kaip ir žmonės) somatinėse ląstelėse yra dvi genomo kopijos, viena paveldėta iš tėvo, o kita - iš motinos. Todėl kiekvieną autosominį geną sudaro dvi kopijos arba aleliai, o viena kopija paveldima iš kiekvieno iš tėvų apvaisinimo metu. Išreikštas alelis priklauso nuo jo tėvinės kilmės. Pavyzdžiui, į insuliną panašų augimo faktorių 2 (IGF2/Igf2) koduojantis genas yra išreikštas tik iš alelio, paveldėto iš tėvo. Nors įspaudimas sudaro nedidelę žinduolių genų dalį, jie atlieka svarbų vaidmenį embriogenezėje, ypač formuojantis visceralinėms struktūroms ir nervų sistemai. [13]

Terminas „įspaudimas“ pirmą kartą buvo naudojamas apibūdinti vabzdžių įvykius Pseudococcus nipae. [14] Pseudokokidų (miltų vabzdžių) (Hemiptera, Coccoidea) patinai ir patelės vystosi iš apvaisinto kiaušinėlio. Moterims visos chromosomos išlieka euchromatinės ir funkcionalios. Embrionuose, kuriems lemta tapti patinais, vienas haploidinis chromosomų rinkinys tampa heterochromatinizuotas po šeštojo skilimo padalijimo ir taip išlieka daugumoje audinių, todėl patinai yra funkciškai haploidiniai. [15] [16] [17]

Kad įspaudimas gali būti žinduolių vystymosi ypatybė, buvo pasiūlyta atliekant veisimo eksperimentus su pelėmis, turinčiomis abipusę chromosomų translokaciją. [18] Devintojo dešimtmečio pradžioje branduolių transplantacijos eksperimentai su pelių zigotais patvirtino, kad normaliam vystymuisi reikia tiek motinos, tiek tėvo genomo indėlio. Didžioji dauguma pelių embrionų, gautų iš partenogenezės (vadinamų partenogenonais, turinčiais du motinos arba kiaušinių genomus) ir androgenezės (vadinamų androgenonų, turinčių du tėvo arba spermos genomus), miršta blastocistos / implantacijos stadijoje arba prieš ją. Retais atvejais, kai jie vystosi iki implantacijos stadijų, ginekologiniai embrionai rodo geresnį embriono vystymąsi, palyginti su placentos vystymusi, o androgenų atveju - atvirkščiai. Nepaisant to, pastarųjų atveju buvo aprašyta tik keletas (1984 m. Dokumente). [19] [20] [21]

Dėl įspaustų genų žinduoliams nėra natūraliai pasitaikančių partenogenezės atvejų. Tačiau 2004 m. Japonijos tyrinėtojai eksperimentiniu būdu manipuliavo tėvo metilinimo įspaudu, kontroliuojančiu Igf2 genas paskatino pelės (pavadintos Kaguya) gimimą su dviem motininių chromosomų rinkiniais, nors tai nėra tikras partenogenonas, nes buvo naudojamos dviejų skirtingų pelių patelių ląstelės. Mokslininkams pavyko pasiekti vieną kiaušinį iš nesubrendusių tėvų, taip sumažinant motinos įspaudą ir pakeitus jį, kad būtų išreikštas Igf2 genas, kuris paprastai išreiškiamas tik tėvo geno kopija.

Partenogenetiniai/gynogenetiniai embrionai turi dvigubai didesnį nei motinos genų ekspresijos lygį ir jiems trūksta tėviškai išreikštų genų, o atvirkščiai - androgenetiniai embrionai. Dabar žinoma, kad žmonėms ir pelėms yra bent 80 įspaustų genų, iš kurių daugelis yra susiję su embriono ir placentos augimu ir vystymusi. [11] [22] [23] [24] Dviejų rūšių hibridiniai palikuonys gali augti neįprastai dėl naujo įspaustų genų derinio. [25]

Įrašytiems genams nustatyti buvo naudojami įvairūs metodai. Kiaulėse, Bischoff ir kt. palygino transkripcijos profilius naudojant DNR mikroschemas, kad būtų galima ištirti skirtingai išreikštus genus tarp partenotų (2 motinos genomai) ir kontrolinių vaisių (1 motinos, 1 tėvo genomas). [26] Intriguojantis tyrimas, tiriantis pelių smegenų audinių transkriptą, atskleidė daugiau nei 1300 įspaustų genų lokusų (maždaug 10 kartų daugiau nei buvo pranešta anksčiau), nustatant RNR seką iš F1 hibridų, susidariusių dėl abipusių kryžių. [27] Tačiau rezultatą užginčijo kiti, teigdami, kad dėl klaidingos statistinės analizės tai yra pervertinimas. [28] [29]

Prijaukintiems gyvuliams buvo įrodyta, kad vieno nukleotido polimorfizmai įspaustuose genuose, darantys įtaką vaisiaus augimui ir vystymuisi, yra susiję su ekonomiškai svarbiais galvijų, avių ir kiaulių gamybos bruožais. [30] [31]

Įrašytų genų genetinis kartografavimas Redaguoti

Kartu su aukščiau aptartų ginekologinių ir androgenetinių embrionų generavimu taip pat buvo generuojami pelių embrionai, kuriuose buvo tik maži regionai, gauti iš tėvo ar motinos. [32] [33] Sukūrus seriją tokių nepaprastų disomijų, kurios kartu apima visą genomą, leido sukurti įspaudų žemėlapį. [34] Tuose regionuose, kuriuos paveldėjus iš vieno iš tėvų atsiranda pastebimas fenotipas, yra įspaustas genas (-ai). Tolesni tyrimai parodė, kad šiuose regionuose dažnai buvo daug įspaustų genų. [35] Maždaug 80% įspaustų genų randama tokiuose klasteriuose, kaip šie, vadinami įspaustais domenais, o tai rodo koordinuotos kontrolės lygį. [36] Visai neseniai viso genomo ekranuose, skirtuose įspaustiems genams identifikuoti, buvo naudojama skirtinga mRNR ekspresija iš kontrolinių vaisių ir partenogenetinių ar androgenetinių vaisių, hibridizuotų su genų ekspresijos profiliavimo mikrogardelėmis, [37] aleliui būdinga genų ekspresija naudojant SNP genotipų nustatymo mikrogardelius [38]. ] transkripto sekos nustatymas, [39] ir in silico prognozavimo vamzdynai. [40]

Įspaudų mechanizmai Redaguoti

Įspaudimas yra dinamiškas procesas. Turi būti įmanoma ištrinti ir atkurti atspaudus per kiekvieną kartą, kad genai, kurie yra įspausti į suaugusįjį, vis tiek būtų išreikšti to suaugusiojo palikuoniuose. (Pavyzdžiui, motinos genai, kontroliuojantys insulino gamybą, bus įspausti patinui, bet bus išreikšti bet kuriame patino palikuonyje, paveldėjusioje šiuos genus.) Todėl atspaudo pobūdis turi būti labiau priklausomas nuo epigenetinės, o ne nuo DNR sekos. Lytinių ląstelių ląstelėse antspaudas ištrinamas ir vėl nustatomas pagal asmens lytį, t. Y. Besivystančioje spermoje (spermatogenezės metu) nustatomas tėvo įspaudas, o besivystančiose oocituose (oogenezė) nustatomas motinos įspaudas. Šis ištrynimo ir perprogramavimo procesas [41] yra būtinas, kad lytinių ląstelių įspaudo būsena būtų susijusi su asmens lytimi. Tiek augaluose, tiek žinduoliuose yra du pagrindiniai mechanizmai, susiję su įspaudo nustatymu, tai yra DNR metilinimas ir histono modifikacijos.

Neseniai naujame tyrime [42] buvo pasiūlytas naujas paveldimas įspaudimo mechanizmas žmonėms, kuris būtų specifinis placentos audiniams ir nepriklauso nuo DNR metilinimo (pagrindinio ir klasikinio genomo įspaudimo mechanizmo). Tai buvo pastebėta žmonėms, bet ne pelėms, o tai rodo vystymąsi po žmonių ir pelių evoliucinio išsiskyrimo,

80 Mya. Tarp hipotetinių šio naujo reiškinio paaiškinimų buvo pasiūlyti du galimi mechanizmai: arba histono modifikacija, leidžianti įspausti naujus placentos būdingus įspaudus loci arba, kaip alternatyva, DNMT įdarbinimas į šiuos lokusus pagal specifinį ir nežinomą transkripcijos faktorių, kuris būtų išreikštas ankstyvos trofoblastų diferenciacijos metu.

Reguliavimas Redaguoti

Įspaustų genų grupavimas klasteriuose leidžia jiems dalytis bendrais reguliavimo elementais, tokiais kaip nekoduojančios RNR ir skirtingai metilinti regionai (DMR). Kai šie reguliavimo elementai kontroliuoja vieno ar kelių genų įspaudą, jie yra žinomi kaip atspaudų kontrolės regionai (ICR). Nekoduojančių RNR, pvz., antisensinės Igf2r RNR, ekspresija (Oras) pelės 17 chromosomoje ir KCNQ1OT1 žmogaus 11p15.5 chromosomoje yra būtini genams įspausti atitinkamuose jų regionuose. [43]

Diferencialiai metilinti regionai paprastai yra DNR segmentai, kuriuose gausu citozino ir guanino nukleotidų, o citozino nukleotidai yra metilinti vienoje kopijoje, bet ne kitoje. Priešingai nei tikėtasi, metilinimas nebūtinai reiškia tylėjimą, o metilinimo poveikis priklauso nuo numatytosios regiono būsenos. [44]

Atspausdintų genų funkcijos Redaguoti

Konkrečių genų ekspresijos kontrolė genominiu atspaudu yra būdinga tik žinduoliams (placentos žinduoliams ir pelkėms) ir žydintiems augalams. Buvo pranešta apie sveikų chromosomų įspaudą miltligėse (Genus: Pseudokokas). [14] [15] [16] [17] ir grybų grybelis (Sciara). [45] Taip pat nustatyta, kad X-chromosomų inaktyvavimas vyksta įspaustu būdu pelių ne embriono audiniuose ir visuose paukščių audiniuose, kur visada nutildoma tėvo X-chromosoma. [36] [46]

Nustatyta, kad dauguma žinduolių įspaustų genų atlieka embriono augimo ir vystymosi, įskaitant placentos vystymąsi, kontrolę. [22] [47] Kiti įspausti genai yra susiję su pogimdyminiu vystymusi, o jų vaidmuo turi įtakos žindymui ir medžiagų apykaitai. [47] [48]

Hipotezės apie imprintingo kilmę Edit

Plačiai pripažinta genomo atspaudo evoliucijos hipotezė yra „tėvų konflikto hipotezė“. [49] Ši hipotezė, dar vadinama genominio įspaudimo giminystės teorija, teigia, kad nelygybė tarp tėvų genomų dėl įspaudimo yra skirtingų tėvų interesų, susijusių su jų genų evoliuciniu tinkamumu, rezultatas. [50] [51] Tėvo genai, kurie koduoja įspaudą, įgyja didesnį tinkamumą dėl palikuonių sėkmės motinos sąskaita. Evoliucinis motinos reikalavimas dažnai yra tausoti išteklius savo išgyvenimui, tuo pačiu pakankamai maitinant esamas ir vėlesnes vadas. Atitinkamai, tėvo išreikšti genai linkę skatinti augimą, o motinos išreikšti genai linkę riboti augimą. [49] Šiai hipotezei pagrįsti genomo įspaudas buvo rastas visiems placentos žinduoliams, kur po apvaisinimo palikuonių ištekliai sunaudojami daug motinos sąskaita, nors taip pat buvo rasta kiaušialąsčių paukščių [52] [53]. po apvaisinimo išteklių perdavimas yra palyginti mažas, todėl tėvų konfliktų yra mažiau. Nedidelis skaičius atspausdintų genų greitai vystosi, kai teigiama Darvino atranka, galbūt dėl ​​antagonistinės evoliucijos. [54] Dauguma atspausdintų genų pasižymi dideliu mikro-sintezės išsaugojimo lygiu ir labai mažai dubliuojasi placentos žinduolių linijose. [54]

Tačiau mūsų supratimas apie genomo įspaudimo molekulinius mechanizmus rodo, kad būtent motinos genomas kontroliuoja didžiąją dalį tiek savo, tiek iš tėvo kilusių genų įspaudų zigotoje, todėl sunku paaiškinti, kodėl motinos genai noriai atsisakytų jų dominavimas iš tėvų kilusių genų, atsižvelgiant į konflikto hipotezę. [55]

Kita pasiūlyta hipotezė yra ta, kad kai kurie įspausti genai veikia kartu, kad pagerintų vaisiaus vystymąsi ir motinos aprūpinimą mityba bei priežiūra. [9] [55] [56] Joje tėviškai išreikštų genų pogrupis yra kartu ekspresuojamas tiek placentoje, tiek motinos pagumburyje. Tai įvyktų dėl selektyvaus tėvų ir kūdikių koadaptacijos spaudimo pagerinti kūdikių išgyvenimą. Tėviškai išreikštas 3 (PEG3) yra genas, kuriam ši hipotezė gali būti taikoma. [9]

Kiti kreipėsi į genomo atspaudų kilmės tyrimą iš kitos pusės, teigdami, kad natūrali atranka veikia epigenetinių ženklų, kaip homologinio chromosomų atpažinimo mechanizmo mejozės metu, vaidmenį, o ne jų vaidmenį diferencinėje išraiškoje. [57] Šis argumentas yra susijęs su epigenetinio poveikio chromosomoms egzistavimu, kuris neturi tiesioginės įtakos genų ekspresijai, tačiau priklauso nuo to, iš kurio iš tėvų kilusi chromosoma. [58] Ši epigenetinių pokyčių grupė, priklausanti nuo chromosomos pirminio kilmės (įskaitant ir tuos, kurie turi įtakos genų ekspresijai, ir tuos, kurie neturi įtakos), vadinama tėvų kilmės poveikiu ir apima tokius reiškinius kaip tėvo X inaktyvavimas paukščių, atsitiktinių tėvų chromatidų paplitimas paparčiuose ir net poravimosi tipo perjungimas mielėse. [58] Ši organizmų, rodančių tėvų kilmę, įvairovė paskatino teoretikus evoliucinę genomo atspaudų kilmę pateikti prieš paskutinį bendrą augalų ir gyvūnų protėvį, daugiau nei prieš milijardą metų. [57]

Natūrali atranka genominiam įspaudimui reikalauja genetinės populiacijos variacijos. Šios genetinės variacijos kilmės hipotezė teigia, kad šeimininko-apsaugos sistema, atsakinga už svetimų DNR elementų, pavyzdžiui, virusinės kilmės genų, nutildymą, klaidingai nutildė genus, kurių nutildymas pasirodė esąs naudingas organizmui. [59] Atrodo, kad tarp įspaustų genų yra per daug retrotransponuotų genų, ty genų, kuriuos į genomą įterpia virusai. Taip pat buvo teigiama, kad jei retrotransponuotas genas įterpiamas arti kito įspausto geno, jis gali tiesiog įgyti šį įspaudą. [60]

Deja, ryšys tarp įspaustų genų fenotipo ir genotipo yra tik konceptualus. Idėja sukurta naudojant du alelius viename lokuse ir apima tris skirtingas galimas genotipų klases. [61] Abipusė heterozigotų genotipo klasė padeda suprasti, kaip įspaudimas paveiks genotipo ir fenotipo ryšį. Abipusiai heterozigotai turi genetinį ekvivalentą, tačiau fenotipiškai jie nėra lygiaverčiai. [62] Jų fenotipas gali nepriklausyti nuo genotipo lygiavertiškumo. Tai galiausiai gali padidinti genetinių klasių įvairovę, išplėsti įspaustų genų lankstumą. [63] Šis padidėjimas taip pat privers aukštesnį testavimo galimybių ir bandymų asortimentą, kad būtų galima nustatyti įspaudų buvimą.

Kai nustatoma, kad lokusas yra įspaustas, dvi skirtingos klasės išreiškia skirtingus alelius. [61] Manoma, kad paveldėti palikuonių genai yra monoelektrinės išraiškos. Vienas lokusas visiškai sukuria savo fenotipą, nors du aleliai yra paveldimi. Ši genotipo klasė vadinama tėvų įspaudu, taip pat dominuojančiu įspaudu. [64] Fenotipiniai modeliai yra galimų tėvo ir motinos genotipų išraiškų variantas. Skirtingi aleliai, paveldėti iš skirtingų tėvų, turės skirtingas fenotipines savybes. Vienas alelis turės didesnę fenotipinę vertę, o kitas alelis bus nutildytas. [61] Lokuso dominavimas yra dar viena fenotipinės išraiškos galimybė. Tiek motinos, tiek tėvo fenotipai turės mažą vertę, o ne vieną, kuri turi didelę vertę ir nutildo kitą.

Statistinės sistemos ir kartografavimo modeliai naudojami genų ir sudėtingų bruožų įspaudų poveikiui nustatyti. Aleliniai kilmės tėvai daro įtaką skirtingiems fenotipams, atsirandantiems dėl genotipo klasių įspaudimo. [61] Šie kartografavimo ir atspaudų efektų nustatymo modeliai apima netvarkingų genotipų naudojimą kartografavimo modeliams kurti. [63] Šie modeliai parodys klasikinę kiekybinę genetiką ir įspaustų genų dominavimo poveikį.

Įspaudas gali sukelti klonavimo problemų, nes klonai turi DNR, kuri nėra metilinta tinkamose vietose. Gali būti, kad taip yra dėl to, kad trūksta laiko visiškai perprogramuoti. Kai somatinių ląstelių branduolio perkėlimo metu į kiaušinį pridedamas branduolys, kiaušinėlis pradeda dalytis minutėmis, palyginti su dienomis ar mėnesiais, kurių reikia perprogramuoti embriono vystymosi metu. Jei laikas yra atsakingas veiksnys, gali būti įmanoma atidėti ląstelių dalijimąsi klonuose, suteikiant laiko tinkamai perprogramuoti. [ reikalinga citata ]

„Kalipyge“ (iš graikų kalbos „gražūs sėdmenys“) arba CLPG geno aleliai avims gamina didelius sėdmenis, sudarytus iš raumenų ir labai mažai riebalų. Fenotipas su dideliu užpakaliuku atsiranda tik tada, kai alelio yra 18-os chromosomos kopijoje, paveldėtoje iš avies tėvo, ir ne ant 18 chromosomos kopijos, paveldėtos iš tos avies motinos. [65]

Apvaisinimas mėgintuvėlyje, įskaitant ICSI, yra susijęs su padidėjusia atspaudų sutrikimų rizika, kai koeficientas yra 3,7 (95% pasikliautinasis intervalas nuo 1,4 iki 9,7). [66]

Vyrų nevaisingumas Redaguoti

Pastebėta, kad Hpi įspausto geno spermoje panaikinimas epigenetiškai susijęs su vyrų nevaisingumu. [67] Iš tiesų buvo pastebėtas metilinimo praradimas ties H19 įspaustu genu, susijęs su MTHFR geno promotoriaus hipermetilinimu nevaisingų vyrų spermos mėginiuose. [68]

Prader-Willi/Angelman Redaguoti

Pirmieji žmonėms aprašyti genetiniai sutrikimai buvo abipusiškai paveldėtas Praderio-Willi sindromas ir Angelmano sindromas. Abu sindromai yra susiję su chromosomų srities 15q11-13 (15 chromosomos ilgosios rankos 11 juosta) praradimu. Šiame regione yra tėvo išreikšti genai SNRPN ir NDN ir motinos išreikštas genas UBE3A.

  • Šio regiono delecijos paveldėjimas iš tėvo yra susijęs su Prader-Willi sindromu (būdinga hipotonija, nutukimu ir hipogonadizmu).
  • Tos pačios ištrynimo paveldėjimas motinai yra susijęs su Angelmano sindromu (kuriam būdinga epilepsija, drebulys ir amžinai besišypsanti veido išraiška).

DIRAS3 (NOEY2 arba ARH1) Redaguoti

DIRAS3 yra tėvo išreikštas ir motinos įspaustas genas, esantis žmonių 1 chromosomoje. Sumažėjusi DIRAS3 ekspresija yra susijusi su padidėjusia kiaušidžių ir krūties vėžio rizika 41% krūties ir kiaušidžių vėžio atvejų, DIRAS3 koduojamas baltymas nėra išreikštas, o tai rodo, kad jis veikia kaip naviko slopinimo genas. [69] Todėl, jei įvyks vienpusė disomija ir žmogus paveldės abi chromosomas iš motinos, genas nebus išreikštas, o individui bus didesnė krūties ir kiaušidžių vėžio rizika.

Kita Redaguoti

„Įspausta smegenų hipotezė“ teigia, kad nesubalansuotas įspaudas gali būti autizmo ir psichozės priežastis.

Vabzdžiuose įspaudimas paveikia visas chromosomas. Kai kurių vabzdžių patinų palikuonys nutildo visą tėvo genomą ir taip dalyvauja nustatant lytį. Įspaudas sukelia panašius į kitų vabzdžių mechanizmus, pašalinančius tėviškai paveldėtas vyrų palikuonių chromosomas, įskaitant arrhenotoky. [72]

Placentos rūšyse tėvų ir palikuonių konfliktas gali lemti strategijų, tokių kaip genomo įspaudas, raidą, kad embrionai pakenktų motinos maistinių medžiagų tiekimui. Nepaisant kelių bandymų jį surasti, plekšnėse, ropliuose, paukščiuose ar žuvyse nebuvo rasta genomo. Genominio įspaudo nebuvimas placentos roplyje, Pseudemoia entrecasteauxii, yra įdomus, nes buvo manoma, kad genomo įspaudas yra susijęs su gyvybingumo ir placentos maistinių medžiagų transportavimo raida. [73]

Naminių gyvulių, tokių kaip pieniniai ir mėsiniai galvijai, tyrimai parodė, kad įspausti genai (pvz., IGF2) yra susiję su įvairiais ekonominiais bruožais, [74] [75] [30], įskaitant Holšteino-Fryzų galvijų pieno produktyvumą. [76]

Panašus įspaudimo reiškinys aprašytas ir žydinčiuose augaluose (angiospermuose). [77] Kiaušinių ląstelės apvaisinimo metu antras atskiras apvaisinimo įvykis sukelia endospermą - ekstraembrioninę struktūrą, kuri maitina embrioną analogiškai žinduolių placentai. Skirtingai nuo embriono, endospermas dažnai susidaro susiliejus dviem motinos ląstelėms su vyriška lytine liauka. Dėl to susidaro triploidinis genomas. Motinos ir tėvo genomų santykis 2: 1 yra labai svarbus sėklų vystymuisi. Nustatyta, kad kai kurie genai yra ekspresuojami iš abiejų motinos genomų, o kiti ekspresuojami tik iš vienišos tėvo kopijos. [78] Buvo pasiūlyta, kad šie įspausti genai yra atsakingi už žydinčių augalų triploidų bloko efektą, kuris neleidžia hibridizuotis tarp diploidų ir autotetraploidų. [79]


Įspaudų nustatymas, priežiūra ir trynimas

Pirmųjų įspaustų genų identifikavimas (Igf2r, Igf2 ir H191991 m. (Barlow ir kt., 1991 Bartolomei ir kt., 1991 DeChiara ir kt., 1991) paskatino pradines pastangas išsiaiškinti atspaudų sukūrimo, priežiūros ir ištrynimo mechanizmus, kurie kartu kontroliuoja genomo atspaudų laiką ir vietą (1 pav.). . 1). Aleliams būdingas ICR metilinimas buvo laikomas geriausiu kandidato mechanizmu, kuris po apvaisinimo suteikia konkrečių tėvų atspaudus. Be to, hipotezė, kad tėvams būdingi atspaudai yra dedami, kai galima atskirti tėvų genomus, paskatino tyrėjus ištirti metilinimo gavimą gametogenezės metu, kai motinos ir tėvo genomai yra atskiruose skyriuose ir gali būti nepriklausomai modifikuoti. Iš pradžių buvo įrodyta, kad tėvui būdingas metilinimas H19/Igf2 ICR įgyjamas prieš gimdymą esant prospermatogonijai prieš prasidedant mejozei vyrų lytinėje linijoje (Davis ir kt., 2000). Priešingai, motinai būdingas ICR metilinimas vyksta po gimdymo augančiose oocituose, o skirtingi ICR yra metilinami šiek tiek skirtingu metu oocitų augimo metu (Lucifero ir kt., 2004). Abiejose gemalo linijose DNR metilinimas nustatomas veikiant de novo DNR metiltransferazė 3a (DNMT3A) ir papildomas baltymas DNMT3L (Bourc'his ir kt., 2001 Hata ir kt., 2002 Kaneda ir kt., 2004 Okano ir kt., 1999). Nors tebėra menkai suprantama, kaip specifinės sekos parenkamos aleliui specifiniam DNR metilinimui gemalo linijoje, neseniai atliktas darbas parodė, kad transkripcija per ICR sekas yra pagrindinis pamokantis žingsnis DNR metiltransferazės baltymams (Chotalia ir kt., 2009 Henckel ir kt. , 2012).

Genominių atspaudų nustatymas, priežiūra ir ištrynimas pelių vystymosi metu. Įspaudai įgyjami lyčiai būdingu būdu brandžioje gemalo linijoje (šviesiai žali apskritimai) vystymosi metu, tėvo atspaudai (mėlynos chromosomos) nustatomi prieš gimdymą, o motinos atspaudai (rožinės chromosomos) nustatomi po gimdymo. Šie atspaudai išsaugomi nepaisant pasaulinių DNR metilinimo pokyčių, kurie atsiranda po apvaisinimo, įskaitant aktyvų tėvo genomo demetilinimą ir pasyvų motinos genomo demetilinimą. Šie įspaudai somatiniuose audiniuose išlieka visą pilnametystę. Pirminėse lytinėse ląstelėse (PGC, tamsiai žali apskritimai) atspaudai ištrinami (pilkosios chromosomos) ir iš naujo nustatomi kitai kartai.

Genų atspaudų sukūrimas, priežiūra ir ištrynimas pelės vystymosi metu. Įspaudai įgyjami lyčiai būdingu būdu brandžioje gemalo linijoje (šviesiai žali apskritimai) vystymosi metu, tėvo atspaudai (mėlynos chromosomos) nustatomi prieš gimdymą, o motinos atspaudai (rožinės chromosomos) nustatomi po gimdymo. Šie atspaudai išsaugomi nepaisant pasaulinių DNR metilinimo pokyčių, kurie atsiranda po apvaisinimo, įskaitant aktyvų tėvo genomo demetilinimą ir pasyvų motinos genomo demetilinimą. Šie įspaudai išlaikomi somatiniuose audiniuose visą pilnametystę. Pirminėse lytinėse ląstelėse (PGC, tamsiai žali apskritimai) įspaudai ištrinami (pilkos chromosomos) ir atkuriami kitai kartai.

Po apvaisinimo, nepaisant to, kad šiuo metu vyksta didelis genomo perprogramavimas ir DNR demetilinimas, turi būti išsaugoti specifiniai tėvų atspaudai (Bartolomei ir Ferguson-Smith, 2011). Be palaikomosios DNR metitransferazės DNMT1, metilinančios naujai susintetintą DNR grandinę, tikėtina, kad atpažįstama unikali cis-veikimo sekos pagal trans-veikiantys veiksniai apsaugo nuo perprogramavimo po apvaisinimo. Pavyzdžiui, motinos faktorius PGC7 (taip pat žinomas kaip STELLA arba DPPA3) atlieka bendrą vaidmenį palaikant DNR metilinimą ankstyvame pelės embrione, veikiant sąveikaujant su dimetilinto histono 3 ir lizino 9 liekanomis (Nakamura ir kt., 2012). Be to, atrodo, kad cinko pirštų baltymų homologas 57 (ZFP57) atlieka specifiškesnį vaidmenį reguliuojant įspaustus genus. ZFP57 mutacijos buvo nustatytos trumpalaikiams naujagimių cukriniu diabetu sergantiems pacientams ir yra susijusios su netinkamu DNR metilinimu keliuose įspaustose vietose (Mackay ir kt., 2008). Atsižvelgiant į tai, Zfp57 nulinės pelės praranda atspaudus daugelyje, bet ne visuose lokusuose (Li ir kt., 2008). Gali būti, kad kiti dar nenustatyti baltymai taip pat palaiko DNR metilinimą ICR ankstyvajame embrione.

Galiausiai, norint užbaigti atspausdinimo ciklą, dvipusio atspaudo somatinis modelis ištrinamas pirmapradėse lytinėse ląstelėse (PGC), kurios yra įdarbintos iš somatinių ląstelių ankstyvame embrione. Nors šis ištrynimo procesas yra menkai suprantamas, atrodo, kad atspaudai prarandami dėl daugybės aktyvių ir pasyvių įvykių, įskaitant tuos, kurie susiję su metilcitozino dioksigenazių šeimos, kuri katalizuoja 5- metilcitozino į 5-hidroksimetilcitoziną (Dawlaty ir kt., 2013 Hackett ir kt., 2013 Yamaguchi ir kt., 2013), taip pat DNR remonto mašinų veikimas (Pastor ir kt., 2013). Be to, naujai replikuotos DNR metilinimas DNMT1 yra slopinamas PGC, tikriausiai slopinant Uhrf1, veiksnys, būtinas įdarbinant DNMT1 į replikacijos šakutę (Kagiwada ir kt., 2012).


Medžiagos ir metodai

F1 hibridai buvo sukurti kryžminant kryžmines C57Bl/6J ir PWK/PhJ pelių padermes. F1 pelių pelių pieno liaukų audiniai buvo surinkti LD-15 ir išpjauti. Iš viso buvo atrinkti penki C57BL/6 × PWK/PhJ F1 hibridai ir keturi PWK/PhJ × C57BL/6 F1 hibridai. Visos eksperimentinės ir gyvūnų priežiūros bei tvarkymo procedūros buvo atliekamos pagal protokolus, patvirtintus Kunmingo zoologijos instituto, CAS, etikos komiteto.

RNR išskyrimas ir sekos nustatymas

Bendra RNR buvo ekstrahuota naudojant TRIzol reagentą (Life Technologies). RNR koncentracijos ir A260 nm/A280 nm santykiai buvo kiekybiškai įvertinti naudojant NanoDrop ND-1000 spektrofotometrą (Thermo Scientific). RNR mėginiai buvo suskirstyti į „Illumina X-Ten“ platformą, laikantis nurodytų mRNR sekos nustatymo mėginio paruošimo protokolų.

Skaitykite derinimą ir priskyrimą

Nuoseklių skaitymų kokybė buvo kontroliuojama naudojant „Trimmomatic“ (v0.36) (Bolger ir kt., 2014). Norėdami pagerinti derinimo kokybę ir sumažinti šališkumą, kurį sukelia genetiniai atstumai tarp tėvų genomų ir etaloninės sekos, mes pritaikėme ankstesnę analizės strategiją (Crowley ir kt., 2015), suderindami nuoseklius skaitymus su tėvų „pseudogenomomis“. Vėliau mes panaudojome pilapelius ir pakabas, kad perkeltume kiekvieno kartografavimo rezultato koordinates atgal į mm10 etaloninį genomą ir nustatytume tėvų kilmę (Huang ir kt., 2014). IG buvo identifikuoti naudojant ISoLDE scenarijų, laikantis rekomenduojamos darbo eigos, naudojant slenksčio ir (arba) numatytuosius metodus (jei buvo daugiau nei 3 × 2 pakartojimų). Tėvų skaitymų priskyrimas ir IG identifikavimas aprašytas papildomoje medžiagoje.

RNR-seq duomenys iš HC11 ląstelių linijos buvo tiesiogiai susieti su pelės genomu (mm10), naudojant Hisat2 (Kim ir kt., 2019) su „Ensembl“ geno anotacijos failu (96 leidimas), perskaičius kokybės kontrolę. „FeatureCounts“ vamzdynas buvo naudojamas genų lygio skaitymų skaičiaus lentelei sukurti (Liao ir kt., 2014). Diferencinės išraiškos analizė buvo atlikta naudojant edgeR (Robinson ir kt., 2010).

Transkripto anotacijos failas

Genų anotacijų failas IG identifikavimui buvo sukurtas sujungiant tris anotacijų šaltinius, ty „Ensembl“ (Wang ir kt., 2011), „RefSeq“ (Andergassen ir kt., 2017) ir nuorašus, naujai surinktus naudojant sekos nustatytų hibridinių asmenų RNR-seq duomenis. in this study and RNA-seq data from Andergassen et al. (2017). Details are described in the Supplementary material .

The priori IGs were retrieved from www.geneimprint.com and www.har.mrc.ac.uk/research/genomic_imprinting. Information on protein coding gene-associated GOBP terms was retrieved from the Ensembl BioMarts database for GSEA.

ScRNA-seq data analysis

The scRNA-seq data were downloaded from the NCBI GEO database released from Walid T. Khaled’s lab ( Bach et al., 2017). The input files were preprocessed using the Seurat package (v3.1) ( Stuart et al., 2019). Cells were quality controlled by the total number of genes, unique molecular identifiers, and percentage of molecules mapped to mitochondrial genes. Cells underwent preliminary dimensionality reduction (linear and non-linear dimensional reductions were performed by RunPCA and RunUMAP, respectively) to remove non-epithelial cells using corresponding cell markers (e.g. epithelial cells: Epcam, Cd24a, Cd29, Krt14, and Krt18 immune cells: Cd74, Cd72, and Cd54 endothelial cells: Eng, S1pr1, and Emcn and pericyte cells: Des and Cspg4). Clusters that showed high expression of different epithelial lineage markers (e.g. clusters that expressed basal and luminal markers concurrently) were classified as doublet clusters and were removed to reduce potential impact on bioinformatics calculations ( Bach et al., 2017). Finally, the MaSC, basal, myoepithelium, and luminal cells were included for downstream analysis. The scRNA-seq data only sequenced a small fraction of transcripts present in each cell, which can result in unreliable quantification of genes with low or moderate expression and can thus hinder downstream analysis ( Huang et al., 2018), including PCC analysis between gene pairs. Hence, we used SAVER to recover gene expression. To reduce computational burden and time consumption, we re-sampled 500 cells from each lineage if feasible. In total, 3843 cells were used for gene expression recovery and downstream PCC calculation.

Functional annotation of IGs using GSEA

PCCs between each gene were calculated in R using the Hmisc package. Genes significantly correlated (P ≤ 0.01) with specific IGs were ranked by PCCs and were chosen for GO enrichment assessment using the fgsea package ( Sergushichev, 2016), which meant using the ranked PCCs instead of ranked logFC for downstream analysis. We established an association matrix between the IGs and significant GOBP gene sets (P ≤ 0.01), with 1, −1, and 0 corresponding to positive, negative, and no significant correlation, respectively. The heatmap of GO enrichment was plotted using pheatmap in R.

IGN construction

The co-regulation or co-expression modules of IGs were analyzed using Monocle-3 and WGCNA, respectively. The gene expression matrix recovered by SAVER was used for this analysis. For Monocle-3, find_gene_modules were used for module construction with default parameters. For WGCNA, the co-expression profile was calculated with appropriate parameters (e.g. softPower = 12, type=‘signed’, MEDissThres = 0.7) using step-by-step network construction and module detection strategies. The IGs distributed in each module were then retrieved. The connectivity between each IG was calculated three ways: (i) Directly using an appropriate cut-off value (e.g. |PCCs| ˃ 0.4 and P < 0.01) (ii) Constructing connectivity using WGCNA and ‘threshold = 0.1’ to export the network to Cytoscape (iii) Using mutual rank (MR) cut-off (MR < 575). The calculation of MR and construction of IGN is described in the Supplementary material . The connections within the network were demonstrated by Cytoscape. The biological functions of the sub-networks were analyzed using DAVID with the corresponding linked non-IGs in each sub-network, respectively. For each IG, the indicated biological functions were inferred by co-expressed non-IGs using the enrichGO and enrichKEGG functions in clusterProfiler ( Yu et al., 2012).

Dome formation assay

The HC11 cells were grown in RPMI-1640 medium supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS), 5 μg/ml insulin, 5 μg/ml gentamicin sulfate, and 10 ng/ml epidermal growth factor (EGF). For lactogenic differentiation assay, confluence HC11 cells were starved for 24 h without EGF, followed by the addition of DIP medium (1 μM dexamethasone, 5 μg/ml insulin, and 5 μg/ml prolactin).

Imunofluorescencija

Mammary glands at different developmental stages were fixed in 4% paraformaldehyde (PFA) and embedded in paraffin. For immunofluorescence, sections were rehydrated in graded alcohol, with antigen retrieval then carried out in 10 mM sodium citrate buffer for 20 min. The slides were blocked for 2 h in 10% goat serum, then incubated with primary antibodies at 4°C overnight. Slides were washed with phosphate-buffered saline (PBS) three times (5 min each time) and incubated with secondary antibodies for 1 h at room temperature. The primary antibodies used were Sgce (1:100, Abcam) and Ube3a (1:100, Proteintech) and the secondary antibody used was fluorescein-labeled anti-rabbit (1:200, KPL).

QRT-PCR

Total RNA was extracted using TRIzol reagent and then converted to cDNA using a PrimeScript™ RT reagent kit in accordance with the provided instructions. After this, qRT-PCR was performed on a QuantStudio 3 instrument using SYBR Green PCR Master Mix. Primer sequences used for qRT-PCR analysis are listed in Supplementary Table S4 .

Mammosphere formation assay

MaSCs can be maintained and passaged in vitro as spheres cultured in suspension and mammosphere counts can represent self-renewal ability ( Guo et al., 2012). Mammary gland epithelial cells were cultured as is reported previously ( Chakrabarti et al., 2012). The primary mammary gland epithelial cells were transfected with vectors and then plated into 96-well, ultra-low attachment plates at a density of 20000 cells/ml and then incubated at 37°C for 2 weeks. After this, the number of mammospheres was counted.

Transplantation assay

The single-cell suspension of mammary epithelial cells with Sgce knockdown was prepared for injection into cleared fat pads. The transplantation assay was performed with different numbers of Sgce knockdown mammary primary cells re-suspended in 50% PBS and 50% Matrigel. The MaSC frequency was calculated using extreme limiting dilution assay (ELDA) ( Lim et al., 2010).

ChIRP assay

Triplex forming oligonucleotide (TFO) information was retrieved from the LongTarget website (http://lncrna.smu.edu.cn/show/download) ( Liu et al., 2017). The RNA sequences at position 4–50 nt (TFO1) and 1870–1926 nt (TFO2) of H19 labeled with biotin were used. This assay was performed following previously published protocols ( Postepska-Igielska et al., 2015) and our earlier research ( Wang et al., 2018). In this assay, cell nuclei of HC11 cell line were sonicated (20 cycles, 30 sec ON and 45 sec OFF) and spun at 10000 rpm for 5 min at 4°C.

Prieiga prie duomenų

The raw sequence data reported in this paper were deposited in the Genome Sequence Archive ( Wang et al., 2017a) in the BIG Data Center, Beijing Institute of Genomics (BIG), Chinese Academy of Sciences, under accession numbers CRA001791 and CRA002258, which are publicly accessible at http://bigd.big.ac.cn/gsa. The accession numbers of other data adopted from the NCBI GEO and SRA data repository are GSE106273 and SRP067322, respectively.


Imprinted genes control maternal resource allocation during pregnancy and lactation

This selective pressure for the imprinting of a gene has acted almost exclusively at the maternal–offspring interface, giving imprinted genes a unique role in influencing maternal resource allocation. Maternal resource allocation is dependent on both the conceptus and the mother, and the role of imprinted genes reflects this, with imprinted gene action affecting both and involved in communication between the two. Imprinted genes that act in the conceptus to modulate maternal energy supply can be further subdivided into those acting in the placenta and those acting in the fetus.

Fetal resource acquisition via the placenta

The rate at which nutrients can be supplied to the developing fetus is dependent upon the placenta. The primary substrate for fetal growth is glucose. Maternal–fetal glucose transfer is mediated by multiple factors, including the maternal–fetal blood glucose concentration gradient, the rate of blood flow and the placental glucose transporter density (Hay, 1991). Placental amino acid transport to the fetus from the maternal circulation operates against a concentration gradient and is an energy-dependent process requiring specialised transporter proteins (Hay, 1991).

Imprinting has been most extensively studied in humans and mice. These organisms share similar placental physiology: both use a hemochorial placenta where the maternal blood travels through sinusoidal spaces lined by trophoblast cells, rather than an endothelium, allowing for more efficient nutrient transfer (reviewed in Rai and Cross, 2014). The distinct populations of cells in the placenta, the trophoblast and the extraembryonic mesoderm, differentiate early in embryogenesis with the trophoblast cells invading the maternal uterine decidua following fertilisation. In mice, at mid-gestation the definitive placenta is formed by intercalation of the extraembryonic mesoderm (which will form the embryonic vasculature) with trophoblast cells that channel maternal blood flow through the placenta. The portion of the placenta where maternal and fetal circulation is closely opposed is known as the labyrinth in mice. The trophoblast further differentiates into multiple cell types that have both endocrine and energy-storage properties (Rai and Cross, 2014).

The action of imprinted genes on placental development and nutrient transport capacity is well established and has been reviewed extensively (Fowden et al., 2011 Monk, 2015). Most imprinted genes are monoallelically expressed in the placenta, and have been shown to control early developmental processes that establish the organ [e.g. Peg10 (Ono et al., 2006)]. In addition, imprinted gene products can modulate labyrinth size and the surface area for exchange [Igf2 (Sibley et al., 2004) and Growth factor bound protein 10 (Grb10 Charalambous et al., 2010)] as well as vascular branching density [Aquaporin (Guo et al., 2016)]. Placental imprinted genes can also directly influence maternal physiology by controlling the differentiation of the trophoblast-derived endocrine cells (reviewed in John, 2017).

Imprinted genes involved in fetal resource acquisition

Nutrient uptake from maternal tissues and fetal growth rates are interconnected processes (Hay, 1991). Imprinted genes can act directly on fetal growth-promoting pathways and, thus, increase the demand for maternal resources. The IGF pathway is a major fetal growth-promoting pathway and includes two key components encoded by imprinted genes (Igf2 ir Igf2r DeChiara et al., 1991 Lau et al., 1994 Wang et al., 1994). Fetal growth is also restrained by imprinted genes, including the Cyclin-dependent kinase inhibitor 1C [Cdkn1c (Tunster et al., 2011)] and Grb10 (Charalambous et al., 2003). Grb10 encodes an adapter protein that acts downstream of tyrosine-kinase receptors to inhibit signalling, and is a crucial auto-regulatory component of the nutrient-sensing mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway (Hsu et al., 2011 Yu et al., 2011). Grb10 may act in the same signalling pathway as the fetal growth promoter Delta-like homologue 1 (Dlk1 Madon-Simon et al., 2014). Dlk1 is a paternally expressed gene encoding a single-pass transmembrane protein that can be cleaved to produce a soluble form that circulates in the blood (Smas et al., 1997). Dlk1 expression levels in the embryo are positively correlated to embryonic mass in the second half of gestation (Cleaton et al., 2016). Dlk1 deletion causes growth retardation (Cleaton et al., 2016 Moon et al., 2002) and overexpression causes overgrowth independently of the placenta (da Rocha et al., 2009). The signalling pathway by which DLK1 acts has yet to be elucidated. However, DLK1 from the fetus is secreted into the maternal circulation and acts to modify the pregnancy-specific response to nutrient restriction (Cleaton et al., 2016).

In summary, imprinted genes in the conceptus produce products that alter maternal resource allocation by: (i) altering the transport capacity of the placenta (ii) increasing fetal demand for resources by their action on the intrinsic growth rate and (iii) signalling to the mother by the production of fetal/placental hormones that modify maternal metabolism.

Energy homeostasis and resource allocation during pregnancy

The energetic cost of pregnancy is distributed amongst three compartments, i.e. the energy invested in the products of conception, the energy deposited as adipose tissue in the mother and the energy required to maintain these new tissues (Thomson and Hytten, 1961). Well-nourished humans and rodents accumulate adipose tissue reserves during pregnancy in the first half of gestation (Herrera and Ortega-Senovilla, 2014 King, 2000). The total cost of pregnancy is correlated with pre-pregnancy fatness – individuals with a higher body mass index (BMI) gain more weight during pregnancy, both the adipose tissue reserve and conceptus mass (Prentice and Goldberg, 2000). This suggests that adipose reserves in the mother can produce a signal to the body that directs the level of nutritional allocation after conception (Prentice and Goldberg, 2000). Leptin and other adipokines are ideal candidates for such signalling molecules.

Leptin, a cytokine secreted exclusively by adipose tissue in proportion to adipose mass, is a major determinant involved in signalling the status of the energy reserve to central pathways controlling appetite, energy expenditure and reproductive behaviour (van Swieten et al., 2014). The action of leptin on the hypothalamic control of energy homeostasis is complex, and a detailed description is beyond the scope of this Review. Briefly, leptin signals to its receptors expressed on the surface of first-order neurons in the arcuate nucleus of the hypothalamus (ARH). Two populations of neurons in the ARH have been well defined – the orexigenic neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AGRP) neurons, which are inhibited by leptin, and the anorexigenic pro-opiomelanocortin (POMC) neurons, which are activated by leptin (reviewed in van Swieten et al., 2014). These neurons project to secondary hypothalamic sites, such as the paraventricular nucleus (PVN), which controls feeding behaviour, and the dorsomedial hypothalamus (DMH), which regulates the level of sympathetic neuronal activity. A crucial intermediate signalling molecule is the neuropeptide α-melanocyte-stimulating hormone (αMSH), which is secreted by POMC neurons and acts on melanocortin receptors to mediate downstream actions of leptin (van Swieten et al., 2014). AGRP antagonises αMSH. Simply, a high leptin level from adequate adipose stores suppresses appetite by deactivating orexigenic neuronal pathways, and increases energy expenditure by increasing activity and sympathetic neuronal activity. Increased sympathetic neuronal activity in turn increases body temperature by activating the expression of thermogenic genes in brown and beige adipose tissue (van Swieten et al., 2014). Low stores of adipose result in an opposite series of responses. Taken together, these mechanisms maintain a homeostatic ‘set point’ that maintains body weight within a narrow range.

Genetic and environmental modulations of leptin signalling pathway components can cause alterations to the value of these set points, or cause a failure to achieve homeostasis. For example, the pups of mice exposed to a high-fat maternal diet during the perinatal period fail to establish neuronal connectivity between the ARH and PVN, resulting in altered body composition and a predisposition to metabolic disease as adults (Vogt et al., 2014). Leptin-deficient (ob/ob) mice and people with mutations in components of the central melanocortin pathway are hyperphagic and obese – maintaining a higher body weight set point owing to leptin deficiency or resistance (reviewed by Farooqi and O'Rahilly, 2014).

Elegant studies utilising timed leptin-replacement therapy in ob/ob mice have demonstrated that this adipokine has a broad role in reproduction (Malik et al., 2001). Leptin signalling is required for fertility [by controlling gonadotrophin release (Padilla et al., 2017)], conception and implantation. Moreover, leptin is required during the perinatal period for lactation and for appropriate maternal behaviours following parturition (Malik et al., 2001).

Pregnancy is associated with leptin resistance. Circulating levels of leptin rise in the maternal blood in the second half of pregnancy however, the expression of orexigenic peptides NPY and AGRP in the ARH remain stable. Moreover, injecting pregnant rats with leptin does not suppress food intake or activate downstream αMSH pathways (Ladyman et al., 2010). The leptin resistance of late pregnancy is thought to be mediated by placental secretion of hormones, specifically the prolactin and placental lactogen family of molecules. Intracerebroventricular injection of prolactin into female rats mimics the leptin resistance of pregnancy, and prolactin receptor expression is widespread in the hypothalamic areas associated with energy homeostasis (Ladyman et al., 2010). Consistently, global deletion of the prolactin receptor in mice causes changes to glucose homeostasis during pregnancy however, the contribution of leptin signalling to this phenotype has yet to be explicitly tested (Rawn et al., 2015). Therefore, interactions between placental hormone secretion and central leptin sensitivity are crucial for an appropriate maternal response to pregnancy.

A second adipokine, adiponectin, has important functions during pregnancy. Adiponectin is secreted from adipocytes according to their size and acts on multiple tissues, predominantly to increase insulin sensitivity (Stern et al., 2016). Adiponectin levels drop in both rodent and human pregnancy and remain low during lactation (Combs et al., 2003 Howell and Powell, 2017). Low adiponectin levels during the second half of gestation are thought to increase maternal insulin resistance, thus reducing maternal glucose uptake and increasing the maternal–fetal glucose concentration gradient in favour of fetal uptake. Consistent with this, obese pregnant women and rodents who are insulin resistant give birth to large babies and have further reduced adiponectin levels (Howell and Powell, 2017). Furthermore, supplementing obese mice with adiponectin during pregnancy can reverse both maternal insulin resistance and fetal overgrowth (Aye et al., 2015).

Experiments utilising deletion and overexpression models in mice have demonstrated that imprinted genes have important roles in energy homeostasis – resulting in altered steady-state levels of adiposity, adipokine production and sensitivity. However, many of these phenotypic alterations have not yet been tested directly for their contributions to the outcome of pregnancy, and adipokine levels during pregnancy have been measured for only very few imprinted gene manipulations (available data for murine models published to date are summarised in Table 2).

Murine models of imprinted gene regulation with details of energy homeostasis and maternal reproductive phenotypes and adipokine levels


Questions to answer & to ponder:

  • How might asymmetries be generated in the zygote?
  • How could two cells that express the same set of transcription factors, express different genes?
  • In terms of transcription factors and chromatin packing, why is it difficult to reverse differentiation?
  • Why might the organism want to reduce the number of stem cells it contains?
  • Based on your understanding of the control of gene expression, outline the steps required to reprogram a nucleus so that it might be able to support embryonic development.
  • What is necessary for cells to become different from one another - for example how do muscle cells and skin cells come to be different from one another?
  • What are the main ethical objections to human cloning? What if the clone were designed to lack a brain, and destined to be used for "spare parts"?

EPIGENETIC REGULATION AND MAMMALIAN GENOMIC IMPRINTING

Epigenetic mechanisms are heritable modifications to DNA and chromatin that do not involve changes in the DNA sequence itself but which can modulate gene expression and genome function [20, 21]. At the molecular level, epigenetic regulation involves chemical modifications to DNA such as methylation and hydroxymethylation, and to the histone proteins around which the DNA is wrapped, including acetylation, methylation, phosphorylation, and ubiquitylation and noncoding RNA (ncRNAs) action. It is becoming apparent that epigenetic modifications to developmental genes are very important cell-intrinsic programs that can interact with transcription factors and environmental cues to modulate cell maintenance and differentiation [22]. Indeed, epigenetic mechanisms seem to provide means for coordinately activating and repressing arrays of genes at specific steps in a differentiation pathway [23, 24].

During mammalian development, the vast majority of genes are expressed or repressed from both alleles. However, there are a small number of genes known as imprinted genes that are expressed monoallelically from either the maternally or paternally inherited chromosome [25]. Approximately 150 imprinted genes have been described in mammals (for a complete list, see http://www.mousebook.org/mousebook-catalogs/imprinting-resource) and are generally organised in clusters, although examples of singleton imprinted genes do exist [26, 27]. These clusters typically contain at least one ncRNA and both maternally and paternally expressed imprinted genes. An imprinting cluster is usually under the control of a DNA element called the imprinting control region (ICR), which consists of a differentially DNA-methylated region (DMR) on the two parental chromosomes (Fig. 2a). Thus, ICRs can be divided into those which are methylated on the paternally-inherited copy and those with maternally-inherited methylation. Imprints are usually established in the germline [28] and the deletion of a germline-derived ICR results in a loss of imprinting of multiple genes in the cluster [25] (Fig. 2b).

Imprinted genes are located in clusters that are under the control of the imprinting control region (ICR). (a) Mammalian somatic cells contain a maternally-inherited chromosome (pink) and a paternally-inherited chromosome (blue). Imprinted genes are located in clusters and can be expressed in the maternally-inherited chromosome and repressed from the paternally-inherited chromosome (green box A), or expressed in the paternally-inherited chromosomes and repressed from the maternally inherited chromosome (red box B). Imprinting in the cluster is regulated by a DNA element called the imprinting control region (ICR) that has differentially-methylated regions (DMRs) on the two parental chromosomes. (b) Mutations in the ICR can modify imprinting, thus affecting several genes in the cluster and resulting in a switch in the expression patterns with the paternally-inherited chromosome, thereby acquiring an epigenotype typical in the maternally-inherited chromosome, or priešingai.

There are also somatic or secondary DMRs that acquire their DMR status after fertilization. Somatic DMRs directly depend on the presence of a germline DMR [28]. Mapping experiments and germline DMR deletion experiments in mice demonstrate that the primary ICRs are essential to establish monoallelic expression and the secondary somatic DMRs play important roles in maintaining imprints [29–31].

It is well established that these parental-specific marks are assigned in the germline. At this time, both genomes are in distinct compartments and the modifications can be performed according to the sex of the transmitting gametes. During embryogenesis, the primordial germ cells (PGCs), which will give rise to the gametes, have the methylation patterns characteristic of somatic cells. However, in the genital ridges the imprints are erased during gamete formation to allow for re-establishment of new parental-specific marks (Fig. 3). After demethylation and differentiation of the PGCs, methylation is established at the ICRs in an allele-specific manner depending on whether the developing gamete is in the male or female germline. This occurs by a de novo methylation process catalysed by the DNMT3a DNA methyltransferase. DNMT3L is a regulatory co-factor of DNMT3a and is also required [32]. Maternal germline DMRs are found in gene promoters, whereas paternal germline DMRs are found in intergenic regions [28]. In male and female germ cells, DNA re-methylation occurs at different times of development. Paternal-specific methylation occurs prenatally in prospermatogonia before meiosis in the germline [33]. In contrast, maternal-specific ICR methylation takes place postnatally in growing oocytes [34]. We now know that many differentially-methylated regions are established in the germline. However, unlike imprints, they are not sustained after fertilisation [35]. Following fertilisation, a rapid, extensive reprogramming of the parentally-inherited genomes occurs and most DNA methylation is lost. However, the parental-specific imprint must be maintained during this period of dynamic epigenetic change and a memory of parental origin is propagated into daughter cells during somatic cell division (Fig. 3). Critical factors such as the Kruppel-like zinc finger protein ZFP57 protect imprints during the post-fertilisation epigenetic reprogramming period [36]. Somatic heritability is conferred by the DNMT1 DNA methyltransferase. DNMT1 acts with a maintenance function that recognizes newly replicated hemi-methylated DNA and places methylation on the newly replicated strand [37]. Indeed, DNMT1 and ZFP57 are repressed in PGCs, allowing new imprints to be established during gamete formation [38].

Establishment and maintenance of imprints during development. DNA methylation is erased in PGCs in the genital ridge. However, imprints are maintained in somatic cells throughout the organism’s lifetime. Imprints are acquired in a sex-specific manner in the germline: maternally and paternally-methylated ICRs gain DNA methylation in oocytes and sperm respectively for transmission to the next generation. Following fertilisation, the parental-specific imprints are maintained in the developing organism despite genome-wide reprogramming elsewhere. ZFP57 protects imprints during the post-fertilization epigenetic reprogramming period. DNMT3a and DNMT3L catalyse the de novo methylation process and DNMT1 participates in maintaining imprints in somatic tissues.


Teaching Resources & Other Classroom Activities

We believe that understanding the core concepts of epigenetic regulation discussed above is a critical learning objective for students, and below we discuss specific teaching strategies to achieve this. Most of the concepts covered in this review can be used to design a curriculum specific to epigenetics, as a unit in a college biology or human genetics course. This epigenetics unit will be most useful to students who have basic knowledge of chromatin structure and regulation of gene expression from introductory biology courses. Pedagogical tools such as in-class activities are excellent in helping students unpack some of the more challenging concepts in epigenetics. Several examples are provided here and can be scaled down in complexity for lower-division or introductory college courses. Finally, we believe that this review can also aid secondary biology teachers in designing an epigenetic unit and integrating it into their current curriculum.


Žiūrėti video įrašą: What are stem cells? How can they be used for medical benefit? (Spalio Mėn 2022).