«Это отличный пример межшкольного сотрудничества», — сказала соавтор исследования Мариса Бартоломей, доктор философии, профессор клеточной биологии и биологии развития в Медицинской школе Перельмана. Ее коллеги — соавтор Дженнифер М. Калиш, доктор медицинских наук, эксперт по редким нарушениям роста из Детской больницы Филадельфии, и соавтор Пол Гинарт, кандидат медицинских наук и соавтор Арджун Радж. , Доктор философии из Школы инженерии и прикладных наук в Пенсильвании, который разработал технологию визуализации отдельных генов в отдельных клетках.
Команда опубликовала свои выводы в Genes. Разработка.«С помощью этой новой техники мы теперь можем видеть, какие клетки какой геном экспрессируют», — сказал Бартоломей.
Молчание геновДля большинства генов люди наследуют две копии, одну материнскую и одну отцовскую.
Однако в случае явления, называемого импринтингом, потомство наследует только одну рабочую копию гена, и, в зависимости от его родительского происхождения, экспрессия гена контролируется добавленной метильной группой во время образования яйцеклетки или сперматозоидов для физического уплотнения ДНК, чтобы он не может быть прочитан, чтобы произвести РНК и, в конечном счете, белок.Отпечатывается небольшое количество генов, но они имеют решающее значение для нормального развития. Импринтированные гены обычно включаются либо материнской хромосомой, либо отцовской хромосомой, но не обеими сразу.
При расстройствах импринтинга человека импринтированные гены либо ненормально включаются как для материнского, так и для отцовского генома, либо аномально отключаются в обоих геномах. Аномальная экспрессия может быть связана с генетическими мутациями и ошибками в размещении метильной группы (функция эпигенетики).Вариабельность от клетки к клетке, в которой гены экспрессируются в одном и том же органе, может помочь объяснить, почему многие болезни проявляют «мозаичный» рисунок, когда разные части тела проявляют разную степень заболевания. Эта мешанина может случиться из-за ошибок в импринтинге.
Дефекты импринтинга могут привести к несоответствующей экспрессии обычно заглушенной версии гена, но остается неясным, каждая ли клетка в данном органе экспрессирует аномальную версию. «Если бы это было так, это имело бы серьезные последствия для расстройств импринтинга у человека», — сказал Калиш.Помощь из редких
Нарушения импринтинга встречаются редко. Калиш работает с двумя: синдромом Рассела-Сильвера, нарушением недостаточного роста, встречающимся примерно у 1 из 50 000 — из 100 000 рождений, с симптомами небольшого роста и асимметрии конечностей, тела или лица. Синдром включает недостаточное метилирование двух генов, H19 и IGF2.
H19 кодирует некодирующую РНК, которая ограничивает рост, тогда как IGF2 является фактором роста. В 50 процентах случаев синдром Рассела-Сильвера связан с ошибкой импринтинга на хромосоме 11, при которой человек получает две копии импринтингового знака от матери, а не по одной от каждого родителя. У детей Рассела-Сильвера слишком много сигнала «не расти» (H19) и слишком мало сигнала роста (IGF2).
Другое расстройство импринтинга — это синдром Беквита-Видемана, расстройство избыточного роста, обычно проявляющееся при рождении, характеризующееся повышенным риском детского рака и такими врожденными особенностями, как большой язык, большой вес при рождении и асимметрия конечностей, тела, органов и лица.Эти синдромы проявляют ряд симптомов, которые возникают из-за того, что одни клетки в данном органе экспрессируют материнские гены, а другие — отцовские. «Но именно гены мамы ограничивают рост клеток», — сказал Калиш. «Это означает, что мозаичный узор на самом деле представляет собой смесь нормальных клеток и аномальных клеток — с нарушенным балансом между сигналами мамы о том, что не растет, и сигналами папы о росте в одной и той же ткани. -маленький орган у одного и того же человека ". В некоторых случаях у пациентов могут быть даже пары почек разного размера.Используя мышей, команда сравнила клеточные геномы у нормальных мышей и мышей с синдромом Рассела-Сильвера.
На уровне клеточной популяции они спросили, какие отдельные клетки имеют правильный материнский импринтинг, а какие клетки имеют аномальный материнский импринтинг для гена H19. У мышей Russell-Silver экспрессируется как материнский, так и отцовский H19.Используя новую технологию Раджа, они разработали молекулярный зонд для обнаружения изменения одного нуклеотида в РНК, экспрессируемой в геномах мамы по сравнению с геномами папы, чтобы показать, какая из них экспрессируется клетка за клеткой.
Этот метод измерял специфическую экспрессию вариантов гена в отдельных клетках. В мышиной модели синдрома Рассела-Сильвера они обнаружили, что некоторые клетки имели РНК как материнской, так и отцовской версий (аномальная — как было замечено у пациентов с Расселом-Сильвером), в то время как другие клетки имели только материнскую РНК (нормальную).«Мы показали, что мутантные клетки фибробластов эмбриона мыши состоят из двух субпопуляций: те, которые экспрессируют как материнскую, так и отцовскую версии H19 [аномальные], и те, которые экспрессируют только материнскую копию [нормальные]», — сказал Бартоломей. «Только в последней нормальной популяции клеток обнаруживается экспрессия Igf2».У мышей Russell-Silver все клетки имели одинаковые генетические изменения, но не все клетки имели одинаковый паттерн метилирования ДНК, что объясняет мозаичное расположение экспрессии генов эпигенетикой — нормальное подавление версии гена добавленной метильной группой. во время образования яйцеклеток или сперматозоидов.
Две мутантные субпопуляции клеток проявляли различные паттерны метилирования в контролируемой импринтингом области их соответствующих геномов. Клетки, которые экспрессировали H19 только из материнского генома, имели правильный паттерн метилирования ДНК, в то время как клетки, которые экспрессировали H19 как из материнского, так и из родительского генома, демонстрировали потерю метилирования ДНК H19. Важно отметить, что они также наблюдали, что те же две субпопуляции также присутствуют в сердечной ткани мыши, показывая тот же дефект у целой живой мыши.«Это первый случай, когда эпигенетический мозаицизм продемонстрирован на уровне отдельной клетки», — сказал Бартоломей. "Это означает, что эпигенетика — баланс сжатия или ослабления ДНК для контроля того, какие гены экспрессируются, когда — является движущей силой мозаицизма на уровне клеточной популяции.
Наши результаты показывают, что импринтинговые расстройства могут демонстрировать поразительную одноклеточную гетерогенность. и предполагают, что такая неоднородность может лежать в основе эпигенетического мозаицизма при расстройствах импринтинга человека », — сказал Бартоломей.«Эпигенетический мозаицизм, показанный в этой работе, объясняет спектр клинических особенностей, которые мы видим у наших пациентов — все это имеет смысл», — сказал Калиш. «Теперь мы знаем, что происходит».