Лекция 8

Наличие импринтинга у человека определяется наследственными заболеваниями. Предположим, что заболевание определяется рецессивным аллелем (а) и выявляется в гомозиготном состоянии (аа). Если оба родителя являются носителями мутантного аллеля (гетерозиготы), который в норме (в доминантном состоянии) имринтирован (инактивирован) у отца, тогда заболевание выявиться не только у рецессивных гомозигот (генотип аа), но и у гетерозигот (генотип А*а), унаследовавших доминантную аллель от отца.

К числу болезней человека, обусловленных мутациями в генах, подвергающихся импринтингу (импринтированные гены локализованы в гомологичной хромосоме), относятся заболевания нервной системы, сопровождающиеся аномальным поведением.

В настоящее время хорошо изученным является кластер импринтированных генов, расположенный на длинном плече хромосомы 15 человека (участок q11–q13). Нарушение работы данных генов приводит к двум классическим болезням геномного импринтинга – СПВ (синдром Прадера – Вилли) и СЭ (синдром Энгельмана). Эти заболевания имеют разные клинические признаки (гипотония, ожирение, умственная отсталость, акромикрия, гипогонадизм при СПВ и атаксия, гиперкинезы, пароксизмальный смех, отсутствие речи при СЭ), но при цитогенетическом исследовании в обоих случаях у большинства больных выявляется делеция общего участка q11–q13 хромосомы 15.

Дефекты геномного импринтинга

Дефекты функционирующих аллелей, не инактивированных импринтингом, или отсутствие одного импринта могут приводить к наследственным заболеваниям Синдромы Ангельмана и Прадер-Вилли (1: 10000-15000) связаны с различными вариантами метилирования отцовских и материнских аллелей двух близкорасположенных локусов на длинном плече 15 хромосомы.

При анализе родительского происхождения хромосом обнаружено, что СПВ возникает в результате делеции отцовской хромосомы 15, а СЭ – материнской.

Этот факт свидетельствует о моноаллельной экспрессии отцовского гена при СПВ и материнского – при СЭ, делеция единственно активных копий которых приводит к функциональной нуллисомии соответствующих критических генов и развитию заболеваний.

Материнские и отцовские гены не одинаково экспрессированы и по-разному импринтированы. Импринтированные гены как у человека, так и у мыши в некоторых случаях находятся сравнительно недалеко друг от друга, расстояния между ними могут составлять около 100 тыс. нуклеотидных пар, но в целом импринтинг охватывает протяженный участок хромосомы.

В хромосомах имеются районы, регулирующие метилирование в генах, расположенных на расстоянии сотен тысяч нуклеотидных пар от предполагаемого центра распространения импринтинга. Этот вывод основан на обнаружении изменений метилирования генов при хромосомных перестройках. Установено, что при взаимном обмене участками хромосом 1 и 2 начинают метилироваться гены х и y хромосомы 2, перемещенные к центру распространения метилирования и инактивации генов в хромосоме 1.

направление распространения инактивации. x и y попадают в район экспрессии и перестали экспрессироваться (инактивация попадающих в локусы генов).

РОЛЬ ИМПРИНТИНГА:

1) невозможность партеногенеза.

2) потеря защиты от вредных мутаций (рецессивных) – функциональное следствие.

В настоящее время предложены, по крайней мере, две теории, объясняющие функцию геномного импринтинга. Первая из них – конфликтная теория отцовского и материнского геномов в регуляции роста плода. Происходит конфликт материнского и отцовского геномов. Увеличение плаценты и массы плода может обеспечить преимущественное размножение потомков по линии отца, но истощит ресурсы матери. Если рост плаценты и плода находится под контролем со

стороны материнского генома, тогда женская особь сможет обеспечить воспроизводство большего числа потомков по своей линии. В материнском геноме будут импринтированы или выключены гены, способствующие росту плаценты и плода, тогда как в геноме отца будут выключены гены, препятствующие этому росту. Вторая теория – защитная. Эта теория объясняет роль геномного импринтинга с точки зрения защиты генома хозяина от проникновения в него чужеродных элементов. Согласно этой теории импринтинг, и в частности метилирование ДНК, – это защитный механизм, обеспечивающий инактивацию паразитических последовательностей ДНК, таких как транспозоны и провирусная ДНК.

Эпигенетические системы у более высокоразвитых видов могли произойти от бактериальных систем, защищающих геном хозяина от чужеродной ДНК.

Бактерии имеют ферменты рестрикции и модификации, которые расщепляют такую ДНК по специфическим сайтам. Сайты распознавания для этих ферментов в бактериальной хромосоме метилируются, что предотвращает ее разрушение. Метилированная ДНК защищена от разрезания. Высказано предположение, что эпигенетические механизмы могли предшествовать эволюции многоклеточности. Дифференцировка генетически идентичных клеток многоклеточного организма может быть обусловлена митотически наследуемыми эпигенетическими модификациями генома, относительно специфическими для клеток разных тканей и связанными с репрессией тех генов, которые не требуются в узкоспециализированных клетках.

Инактивация затрагивает или отдельные локусы, или всю хромосому. Дозовая компенсация (трисомики, трехцветные кошки) происходит по-разному: у насекомых (дрозофилы) достигается у самцов путем двукратного увеличения транскрипции генов единственной Х-хромосомы.

У нематод дозовая компенсация происходит у самок путем избирательного уменьшения транскрипции обеих Х-хромосом. У самок млекопитающих компенсация дозы генов возникает в результате глобальной инактивации одной из Х-хромосом в клетках, содержащих две Х-хромосомы, которая выключает транскрипцию большинства генов, локализованных на инактивированной Х-хромосоме. Дозовая компенсация – уравнивание Х-сцепленных генов между ХУ и ХХ полом.

Дозовая компенсация осуществляется через контроль структуры хроматина. У самцов дрозофилы особые MSL-белки (Male sex lethal) специфически присоединяются к единственной гипертранскрибируемой Х-хромосоме, изменяя структуру хроматина. У самок нематод дозовая компенсация осуществляется путем ассоциации белка DPY27 с Х-хромосомой, что приводит к конденсации данного участка и к уменьшению его транскрипции. У млекопитающих компенсация дозы генов возникает в результате экспрессии гена хist, расположенного в центре инактивации Х-хромосомы (Xic). Здесь же локализуется антисмысловой ген tsix.

Инактивация Х-хромосомы является многоступенчатым процессом (инактивация Х-хромосомы у млекопитающих):

1) подсчет числа Х-хромосом в клетке;

2) инициация инактивации с центра, контролирующего этот процесс;

3) распространение гетерохроматинизации вдоль всей длины Х-хромосомы;

4) поддержание неактивного состояния Х-хромосомы в ходе последующих митотических делений.

В ходе инактивации нетранслируемая РНК, продуцируемая геном хist, покрывает Х-хромосому, в результате чего она конденсируется и инактивируется. Ген tsix репрессирован на неактивной Х-хромосоме, но активирован на Х-хромосоме. Предполагается, что продукт гена tsix (РНК-транскрипт) блокирует РНК-транскрипт гена xist. На инактивированной Х-хромосоме отмечается гиперметилирование CpG-островков и недоацетилирование гистона Н4, однако взаимосвязь между этими модификациями хроматина и продуктом транскрипции гена xist остается неясной.

Между геномным импринтингом и инактивацией Х хромосомы есть некоторое сходство.

Геномный импринтинг – это способ регуляции отдельных генов (аутосомных), инактивация Х хромосомы – способ регуляции почти всех генов целой половой Х-хромосомы женского генома.

Импринтированные гены – это не один участок, а это целый класс или локус (кластер).

В основе геномного импринтинга и инактивации Х-хромосомы лежат сходные эпигенетические механизмы регуляции генной активности.