Функция геномного импринтинга у млекопитающих
Могут ли анализы функции гена помочь нам понять, почему гены импринтированы у млекопитающих? Взгляд на геномный импринтинг у разных типов млекопитающих проливает некоторый свет на эту проблему. Плацентарные млекопитающие, такие как мыши и человек, и сумчатые, такие как опоссум и валлаби, демонстрируют геномный импринтинг. Яйцекладущие млекопитающие, такие как утконос и ехидна, по-видимому, не имеют импринтированных генов, хотя экстенсивные исследования все еще не были проведены. Плацентарные млекопитающие и сумчатые различаются в отношении их репродуктивной стратегии, которая позволяет зародышу непосредственно влиять на объем материнских ресурсов, используемых для его собственного роста. Напротив, эмбрионы, развивающиеся в яйце, не способны прямо влиять на материнские ресурсы. Большинство беспозвоночных и позвоночных используют репродуктивную стратегию, связанную с откладкой яиц. Важно отметить, что они могут также претерпевать партеногенез - форму репродукции, при которой женская гамета развивается в новую диплоидную особь без оплодотворения мужской гаметой (обратите внимание на то, что партеногенетические эмбрионы возникают в результате дупликации одного и того же материнского генома, тогда как гиногенетические эмбрионы, изображенные на рис. 19.3 , возникают из двух разных материнских геномов). Эта способность проходить партеногенез, вероятнее всего, указывает на полное отсутствие геномного импринтинга, поскольку она показывает, что без отцовского генома можно обойтись. У млекопитающих, однако, прямым следствием экспрессии импринтированного гена, контролирующего рост плода, является невозможность партеногенеза. Для того чтобы произвести жизнеспособное потомство, необходимы и мать, и отец, что делает млекопитающих в этом деле полностью зависимыми от полового воспроизведения ( рис. 19.4 ). У млекопитающих партеногенез пока еще не наблюдался, несмотря на противоположные заявления, хотя редкие мыши с диплоидным материнским геномом недавно были созданы путем манипулирования с экспрессией импринтированного кластера Igf2 ( Kono et al., 2004 ).
Почему геномный импринтинг развился лишь у некоторых млекопитающих, но не у позвоночных в целом? Три особенности геномного импринтинга - функция регуляции роста у многих импринтированных генов, ограничение импринтированных генов плацентарными и сумчатыми млекопитающими и, наконец, необходимость отцовского генома для развития плода - могут соответствовать двум в равной мере привлекательным гипотезам.
Первая гипотеза предполагает, что геномный импринтинг развился в ответ на ситуацию " родительского конфликта " ( Moore and Haig, 1991 ). Эта ситуация возникает в силу противоположных интересов материнского и отцовского геномов: эмбриональный рост зависит от одного родителя, но на него влияет эмбрион, чей геном происходит от двух родителей. Предполагается, что отцовски-экспрессируемые гены стимулируют эмбриональный рост, тем самым максимизируя конкуретноспособность индивидуального потомка, несущего конкретный отцовский геном. Матерински-экспрессируемые импринтированные гены, как предполагается, подавляют рост плода. Это могло бы сделать возможным более равномерное распределение материнских ресурсов между всеми потомками и увеличивало бы шансы на передачу материнского генома более многочисленным потомкам, которые могут иметь разные отцовские геномы.
Вторая гипотеза называется " трофобластная защита " ( Varmuza and Mann, 1994 ). Она предполагает, что материнский геном находится в условиях повышенного риска вследствие того, что мать анатомически приспособлена к внутриутробному воспроизведению; этот риск возникает, если спонтанная активация ооцита приводит к полному эмбриональному развитию. Поскольку у самцов отсутствуют необходимые анатомические предпосылки для внутриутробного воспроизведения, они не рискуют в той же мере, если происходит спонтанная активация сперматозоидов. Таким образом, предполагается, что импринтинг либо сайленсирует гены на материнской хромосоме, стимулирующие развитие плаценты, либо активирует гены, лимитирующие этот процесс. Те гены, которые необходимы для формирования плаценты, экспрессировались бы, следовательно, только с отцовского генома, после того как произошло оплодотворение.
Если хотя бы одна из этих гипотез является правильным объяснением эволюции геномного импринтинга у млекопитающих, то какая из них? Обе гипотезы указывают на роль импринтированных генов в регулировании развития и функции плаценты; однако ни модель родительского конфликта, ни модель трофобластной защиты не могут полностью объяснить все имеющиеся данные ( Wilkins and Haig, 2003 ). Интересно отметить, что импринтированные гены были также идентифицированы в эндосперме растений - ткани, которую сравнивали с плацентой эмбрионов у млекопитающих, поскольку она переносит пищевые ресурсы от родительского растения к зародышу (более подробно о геномном импринтинге у растений см. в главе " Транскрипционный сайленсинг, осуществляемый белками группы Polycomb "). Это открытие делает более сильными доводы в пользу того, что геномный импринтинг развился как средство регулирования переноса питательных веществ между родителем и потомством, но не объясняет, почему. Более полные или альтернативные объяснения функции геномного импринтинга у млекопитающих могли бы быть получены из двух источников. Первым таким источником могло бы быть исследование функции "импринтинга" по всему генному кластеру per se - в противоположность изучению фенотипа мышей, лишенных продукта какого-то одного импринтированного гена. Это потребовало бы умения ревертировать импринт и генерировать двуродительскую экспрессию генов по всему импринтированному кластеру. Второй подход заключается в том, чтобы узнать в деталях, как гены импринтируются. Возможно, что не все гены в кластере являются предумышленной мишенью для механизма импринтинга и что некоторые из них могут быть просто "безучастными свидетелями" процесса, так что их функция мало что говорила бы о роли геномного импринтинга. Существование генов - "безучастных наблюдателей", затрагиваемых механизмом импринтинга, может удовлетворительно объяснить странное обилие импринтированных генов без какой-либо очевидной биологической функции в развитии ( табл. 19.1 ).
