Контроль импринтированных генов
Импринтированные гены собраны в кластеры и контролируются импринтными контрольными элементами.
На сегодня около 80 импринтированных генов картированы в десяти хромосомах мыши, и оказалось, что большинство из них собраны в кластеры ( Verona et al., 2003 ). Одиннадцать кластеров импринтированных генов были приписаны к восьми хромосомам (номера 2, 6, 7, 9, 11, 12, 15 и 17), тогда как одиночные импринтированные гены были идентифицированы лишь на трех хромосомах (номера 2, 14 и 18). Существование кластеров импринтированных генов - сильный аргумент в пользу того, что некий общий ДНК-элемент может регулировать импринтированную экспрессию множественных генов в cis-конфигурации . На сегодняшний день хорошо охарактеризованы только шесть импринтированных кластеров и они перечислены в табл. 19.2 по имени основного импринтированного гена иРНК в кластере (т.е. кластеры импринтированных генов Igf2r , Igf2 , Kcnq1 , Gnas , Dlk1 ) или по ассоциации с тем или иным заболеванием (кластер Pws - синдром Прадера-Вилли , более детально обсуждаемый в главе " Эпигенетика и болезни человека "). Эти шесть кластеров содержат от трех до десяти импринтированных генов и простираются на более чем 100-3000 т.п.н. ДНК.
На рис. 19.5 изображен специфичный в отношении родителя паттерн экспрессии в типичном кластере импринтированных генов. Общей чертой этих шести кластеров является присутствие нуклеотидной последовательности ДНК, несущей гаметический импринт метилирования, который известен как гаметический DMR (Differentially DNA-A/etylated Region). Гаметический импринт метилирования определяется как импринт метилирования, устанавливаемый в одной гамете и поддерживаемый в диплоидных клетках эмбриона только на одной родительской хромосоме. В четырех кластерах ( Igf2r , Kcnq1 , Gnas и Pws ) гаметический DMR имеет материнский импринт метилирования, приобретенный в оогенезе, тогда как в двух кластерах ( Igf2 и Dlk1 ) он имеет отцовский импринт метилирования, приобретенный во время сперматогенеза. Во всех шести примерах было показано, что гаметический DMR контролирует импринтированную экспрессию всего кластера или его части и поэтому обозначается как элемент контроля импринта ( ICE , imprint control element) для этого кластера ( Spahn and Barlow, 2003 ).
Табл. 19.2 показывает, что каждый кластер импринтированных генов содержит множественные иРНК и по меньшей мере одну ncRNA . Четыре кластера (Igf2r; Kcnq1, Igf2 и Dlk1) демонстрируют простой паттерн, в котором хромосома, несущая метилированный гаметический DMR, экспрессирует множественные иРНК, но не экспрессирует ncRNA (как показано на рис. 19.5 для материнского гаметического DMR). Хромосома, несущая неметилированный гаметический DMR, обнаруживает реципрокный паттерн экспрессии: репрессию множественных иРНК и экспрессию ncRNA. Остальные два кластера (Gnas и Pws) обладают сложным паттерном, где импринтированные иРНК экспрессируются с обеих хромосом, тогда как импринтированная ncRNA экспрессируется только с хромосомы, несущей неметилированный гаметический DMR. Табл. 19.2 показывает также, что в трех кластерах (Igrf2r; Kcnq1 и Gnas) промотор ncRNA расположен в интроне одной из импринтированных иРНК, в то время как в остальных кластерах промотор ncRNA отделен от импринтированных генов иРНК, хотя и лежит близко к ним. Это тесное перемешивание активных и "молчащих" генов в импринтированном кластере показывает, что механизмы сайленсинга и активации, влияющие на импринтированные гены, не распространяют свое действие и могут быть ограничены затрагиваемым геном. В частности, тот факт, что промотор "молчащей" ncRNA может находиться в интроне активно транскрибируемого гена, показывает, что механизмы сайленсинга, могут даже не распространять свое действие на всю длину гена, но могут быть ограничены лишь регуляторными элементами.
Какова же роль гаметического DMR? Несмотря на тот факт, что гаметические DMR могут матерински или отцовски метилироваться, эксперименты по удалению этих элементов дали в целом сходные результаты, хотя и за несколькими исключениями ( рис. 19.6 ). Что касается трех кластеров (Igf2r, Kcnq1, Dlk1), экспериментальная делеция метилированного гаметического DMR не дала никакого эффекта. Однако делеция неметилированного гаметического DMR полностью ревертировала картину специфичной в отношении родителя экспрессии, так что экспрессия ncRNA была утрачена, а биаллельная экспрессия иРНК была приобретена ( Lin et al., 1995 ; Zwart et al., 2001 ; Fitzpatrick et al., 2002 ). Два кластера (Gnas и Pws), оказывается, содержат более одного гаметического DMR и демонстрируют более ложное поведение, которое все еще обнаруживает некоторое сходство с этим паттерном ( Williamson et al., 2006 ). Кластер Igf2, однако, ведет себя иначе: делеция и метилированного, и неметилированного гаметического DMR вызывает изменения в экспрессии иРНК и ncRNA в cis-конфигурации ( Thorvaldsen et al., 1998 ).
Результаты вышеупомянутых экспериментов с делецией гаметического DMR, на первый взгляд, не указывают на общую функцию гаметических DMR. Однако понимание их точной функции зависит от знания положения DMR по отношению к импринтированным генам в каждом кластере. В этих трех кластерах с простейшим паттерном ( Igf2r ; Kcnq1 и Dlk1 ) гаметический DMR либо ограничивает, либо контролирует экспрессию ncRNA; так, делеция этого элемента явно приведет к утрате экспрессии ncRNA. Однако гаметический DMR в кластере Igf2 не прямо контролирует промотор Н19 , но изменяет взаимодействие между Igf2 и Н19 и их общими энхансерами и таким путем регулирует их экспрессию. Несмотря на эти различия, в целом неметилированный гаметический DMR рассматривается во всех шести кластерах как позитивный регулятор экспрессии ncRNA, а присутствие импринта метилирования ДНК ассоциируется с репрессией ncRNA. Данные, полученные в опытах с делениями гаметических DMR, четко идентифицируют эти районы как главные ICE , чья активность регулируется метилированием ДНК.
Хотя эти данные все еще находятся на ранней стадии, уже были сделаны попытки определить два типа импринтированных кластеров ( табл. 19.2 ). Кластеры типа I и типа II демонстрируют одинаковое общее поведение реципрокной специфичной в отношении родителя экспрессии между ncRNA и множественными генами иРНК, но могут быть дифференцированы трояким образом. Во-первых, кластеры типа I несут материнский импринт метилирования ДНК (Igf2r; Kcnq1, Pws и Gnas), тогда как кластеры типа II несут отцовский импринт метилирования ДНК (Igf2 и Dlk1). Во-вторых, кластеры типа I экспрессируют ncRNA с отцовской хромосомы, тогда как кластеры типа II экспрессируют ncRNA с материнской хромосомы. В-третьих, в кластерах типа I промотор ncRNA расположен в интроне и генерирует транскрипт в антисмысловой ориентации по отношению к одному из множественных импринтированных генов иРНК, тогда как в кластерах типа II промотор лежит "вниз по течению" и имеет смысловую ориентацию по отношению, по крайней мере, к одному импринтированному гену иРНК ( Regha et al., 2006 ).
