Каждый из нас наследует по две копии каждого гена — одну от матери и одну от отца. Для большинства генов обе копии активны и работают. Однако в небольшом количестве генов одна копия отключена в зависимости от ее родительского происхождения.
Эти гены называются импринтированными, потому что одна копия была помечена или импринтирована посредством модификаций ДНК либо в яйцеклетке, либо в сперме. Механизмы импринтинга до конца не изучены, но они включают модификации ДНК, которые удаляются, а затем перезагружаются «de novo» во время создания яйцеклеток и сперматозоидов.
Эти модификации называются эпигенетическими модификациями, поскольку сама последовательность ДНК не изменяется.Обычно у нас есть только одна копия гена с молчанием.
Если в процессе импринтинга возникает ошибка, мы можем получить две активные копии гена или две неактивные или заглушенные копии. Это может привести к аномальному развитию, поведенческим расстройствам, раку и различным синдромам заболеваний, таким как расстройства поведения и психического развития, синдромы Прадера-Вилли и Ангельмана.
Нарушения импринтинга также связаны, например, с диабетом.Как сообщается в последнем томе журнала Development, группа ученых из Университета Цукуба, Института биологических наук и технологий Нагахама, Университета Осаки и Национального исследовательского института здоровья и развития детей исследовала, когда и как отпечатались отпечатки пальцев. Гены Igf2 / H19 у мышей модифицируются на раннем этапе развития, чтобы лучше понять механизмы, лежащие в основе процесса импринтинга. Гены Igf2 / H19 у мышей являются двумя из наиболее охарактеризованных импринтированных генов, и такой же паттерн импринтинга был обнаружен у их эквивалентов у человека, что делает их идеальными кандидатами для дальнейших исследований.
Отпечатанные гены контролируются близлежащими последовательностями ДНК, так называемыми контролирующими импринтинг-областями (ICR), которые имеют специфичные для родителей модификации, включая метилирование ДНК. Метилирование — это химическая реакция, при которой небольшие молекулы, называемые метильными группами, присоединяются к определенным сегментам ДНК. В генах, которые подвергаются геномному импринтингу, метилирование — это один из способов, которым родительский источник гена маркируется во время образования яйцеклеток и сперматозоидов.
ICR метилируются белками, называемыми ДНК-метилтрансферазами (DMT), во время развития яйцеклеток и сперматозоидов. Это метилирование точно сохраняется в импринтированном гене на протяжении всего развития, даже в ранних эмбрионах, где геномы подвергаются обширному перепрограммированию, включая удаление метилирования из ДНК.
ICR H19 у мыши метилируется ДНК двумя DMT, Dnmt3a и Dnmt3L, во время образования сперматозоидов. Это метилирование сохраняется на отцовской копии генов Igf2 / H19 после оплодотворения, делая эти гены «импринтированными». Исследовательская группа была заинтересована в том, чтобы выяснить, когда и как это метилирование поддерживается так точно.Используя элегантную генетическую стратегию, включающую скрещивание нескольких линий трансгенных мышей, команда обнаружила, что отцовское метилирование H19 ICR начинается вскоре после оплодотворения и что для этого процесса необходимы ДНК-метилтрансферазы Dnmt3a и Dnmt3L, поставляемые от матери.
Это первый пример, демонстрирующий роль Dnmt3L во время раннего эмбриогенеза.Даже когда метилирование ICR мышиного H19 было частично затруднено в сперме, отцовское H19 ICR также обнаруживало метилирование после оплодотворения.
Следовательно, кажется вероятным, что H19 ICR приобрел неизвестную эпигенетическую метку или метку, отличную от метилирования ДНК, во время образования сперматозоидов, и после оплодотворения аппарат метилирования ДНК de novo распознал эту метку. Возможными кандидатами на роль эпигенетических меток, приобретенных во время образования сперматозоидов, являются модификации или варианты гистонов, белков, вокруг которых обернута ДНК.
Затем команда смогла сузить последовательность внутри ICR, отвечающую за приобретение метилирования после оплодотворения, до последовательности, расположенной в самом начале ICR, так называемой 5′-области. Удаление этой 5′-области из ICR мышиного H19 приводит к частичной потере метилирования отцовской копии гена, аномальной экспрессии H19 и соседнего импринтированного гена, Igf2 и задержке роста.
Это первый пример регуляторной последовательности ДНК, которая способна регулировать метилирование отцовского H19 ICR, поскольку все другие регуляторные последовательности на сегодняшний день функционируют для поддержания неметилированного состояния материнского H19 ICR после имплантации.Доктор Танимото заключает, что «эти результаты демонстрируют, что этот сегмент H19 ICR важен для его метилирования ДНК после оплодотворения de novo, и что эта активность вносит вклад в поддержание импринтированного метилирования в H19 ICR во время раннего эмбриогенеза».Один из следующих шагов — найти первичную метку, которая дает команду метилированию импринтированной ДНК у ранних эмбрионов в генах, ответственных за нарушения импринтинга у людей.
Это знание может иметь терапевтические преимущества в будущем, позволяя нам, например, индуцировать повторную экспрессию молчаливых копий родительского гена у пациентов с целью улучшения их симптомов.