no11_epigenetika-2._genomnyy_imprinting._interferenciya_rnk

Молекулярная биология для
биоинформатиков
• Академический университет
• Ефимова Ольга Алексеевна
Лекция № 11
Эпигенетика
Геномный импринтинг.
Интерференция РНК.
«Генетика предполагает, а эпигенетика располагает».
P. Medawar & J. Medawar
Организация генома человека
•Гены – участки ДНК
•ДНК образует комплексы с белками и формирует хромосомы
•Каждая хромосома представлена 2-мя копиями – отцовской и
материнской
•Т.о. каждый ген также представлен 2-мя копиями (аллелями) –
отцовской и материнской
Экспрессия генов
Биаллельная экспрессия
Моноаллельная экспрессия
mat
pat
mat
pat
Моноаллельный характер экспрессии
устанавливается эпигенетически
Черепаховый окрас кошек - результат случайной
инактивации хромосомы Х
Геномный импринтинг (ГИ) –
дифференциальная
модификация
отцовского
и
материнского генетического материала в процессе
созревания гамет, следствием чего являются различия
в экспрессии родительских аллелей как в процессе
раннего эмбриогенеза, так и у взрослых особей
Волны эпигенетического репрограммирования генома
млекопитающих
ДНК примордиальных половых клеток значительно метилирована;
при миграции клеток в недифференцированные гонады в них наблюдается резкое
деметилирование;
реметилирование (метилирование de novo) ДНК половых клеток происходит на поздних
стадиях созревания.
После оплодотворения уровень метилирования остается высоким в импринтированных
генах, но резко снижается в неимпринтипрованных отцовских и материнских генах.
К стадии бластоцисты уровень метилирования ДНК повышается.
Импринтированный
ген
-
ген,
который
дифференциально экспрессируется в зависимости от
материнского
или
отцовского
происхождения.
Импринтированные гены в диплоидной клетке
млекопитающих обычно экспрессируются только с
одного аллеля.
mat
pat
Пример:
Материнская аллель экспрессируется,
отцовская – нет (она импринтирована)
Эпигенотип (импринт) - совокупность модификаций, которые по-разному
маркируют родительские аллели и обеспечивают моноаллельный характер
экспрессии импринтированных генов на хромосомах отцовского или
материнского происхождения.
Сколько импринтированных генов
в геноме человека?
Предполагают около 200
Известно около 100
http://www.geneimprint.com
Характерные черты импринтированных генов
1. Кластеризация
Общие черты кластеров:
1) находятся на достаточно большом расстоянии;
2) наличие в кластере генов, экспрессирующихся только с
отцовской или материнской хромосомы;
3) наличие генов, которые продуцируют нетранслируемую РНК.
2. Консервативность импринтинга
Характер импринтинга генов H19, IGF2, p57KIP и SNRPN идентичен у
человека и мыши.
3. Асинхронность репликации ДНК импринтированных генов
Импринтированные гены имеют асинхронную репликацию, показанную в
кластерах импринтированных генов с использованием гибридизации in situ.
4. Онтогенетическая и тканевая регуляция импринтинга.
KvLQT1 экспрессируется с материнской аллели во всех тканях кроме
сердца;
E6-AP - экспрессируется биаллельно во всех тканях, а в мозге - только с
материнской аллели;
IGF2 имеет отцовскую экспрессию в большинстве тканей, но обе аллели
экспрессируются в определенных структурах в течение развития мозга и в
зрелом состоянии. Кроме того, IGF2 в процессе развития экспрессируется с трех
различных промоторов.
5. Импринтированные гены кодируют как белки, так и
нетранслируемые РНК.
H19 кодирует РНК, аккумулирующуюся в больших количествах в течение
развития фетальных тканей мезодермального и эндодермального
происхождения.
XIST. Транскрипция гена с инактивированной отцовской Х-хромосомы в
экстраэмбриональных тканях заставляет предполагать регуляторную роль
импринтированной РНК.
IPW, PAR-SN, PAR1 и PAR5 экспрессируются с отцовской хромосомы и их
продуктом является нетранслируемая РНК.
Фенотипические проявления геномного импринтинга
Андрогенез (мужской партеногенез) диплоидный, хромосомы только
отцовского происхождения
Гиногенез (женский партеногенез)
диплоидный, хромосомы женского
происхождения
Эмбриональная тератома
Пузырный занос
Частичный пузырный занос – 2
мужских набора хромосом и 1 женский
10 н.б.
Однородительская дисомия (ОРД=UPD) – наличие у
потомков в кариотипе фрагментов или целых хромосом
одного (материнского или отцовского) происхождения
47 типов ОРД
-44 типа ОРД по 22 аутосомам
материнская (mat) и отцовская (pat)
-3 типа по половым хромосомам
UPDХmat, UPDXpat, UPDXYpat
Гетеродисомия – наследование потомком двух разных гомологов
от одного родителя
Изодисомия – наследование двух репликационных копий одной из
хромосом
Нерасхождение хромосом в мейозе
Механизмы формирования ОРД
Механизмы формирования ОРД
Возможные
варианты
однородительской
дисомии у человека
ОРД по целым хромосомам или их фрагментам выявлены при
анализе наследственной патологии и у человека.
материнская ОРД по хромосоме 2 => признаки дисэмбриогенеза и отставание в
развитии;
отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 6(q23 - q24) => неонатальный
диабет;
материнская ОРД по короткому плечу хромосомы 7 (GRB10) => синдром
Сильвера – Рассела;
материнская ОРД по хромосоме 14 => гипотония, черепно-лицевые аномалии,
акромикрия, сколиоз, задержка физического,
моторного и умственного развития;
отцовская ОРД по хромосоме 14 => сильная умственная отсталость и скелетномышечные аномалии;
материнская ОРД по хромосоме 16 => малый вес при рождении и врожденные
аномалии;
отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 20 (GNAS1) =>
псевдогипопаратироидизм
Залетаев Д.В.
Схема локуса 15q11-q13
Синдром Прадера-Вилли
(PWS, OMIM 176270)
•описан в 1956г.
•неонатальная гипотония
•ожирение
•умственная отсталость
•лицевые дисморфии
•гипогонадизм
46 XX или ХУ,
1 : 12000-15000
Синдром Ангельмана
(AS, OMIM 105830)
•описан в 1965г.
•умственная отсталость
•отсутствие речи
•нарушения сна
•необычный смех
•«кукольные» движения
46 XX или XY,
1 : 10 000—20 000
Синдром Прадера-Вилли, синдром Ангельмана
Интерференция РНК
и регуляция
экспрессии генов
Нобелевская премия
по физиологии и медицине
2006 год
"RNA interference – gene silencing by double-stranded RNA"
Andrew Z. Fire
Craig C. Mello
Предположение Fire & Mello:
Двуцепочечные РНК (dsRNA)
– запускающий механизм (триггер) системы
интерференции РНК.
Интерференция РНК
– это замолкание (сайленсинг) генов,
обеспечиваемое двуцепочечными
молекулами РНК (dsРНК).
Явление интерференции РНК открыто
в 1998 г. у Nematoda (Fire et al., 1998)
Инъекция в C.elegans РНК мышечного белка
dsРНК в 10-100 раз более эффективно активируют
систему интерференции РНК, по сравнению с ssРНК.
Fire A., Xu S.Q., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver
S.E., Mello C.C. Potent and specific genetic interference by
double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature
391, 806–811 (1998).
Эффект генетического сайленсинга
посредством интерференции РНК:
распространяется в тканях организма (!)
наследуется (!!!)
Механизм интерференции РНК
•
при исследовании интерференции РНК у растений
обнаружены короткие молекулы РНК, маркирующие ген,
подверженный сайленсингу;
•
в условиях in vitro воспроизведены биохимические
реакции интерференции РНК.
Малые интерферирующие РНК (siRNAs – short
interfering RNAs) – класс 21-22 нуклеотидных
двуцепочечных РНК, образующихся из более
длинных двуцепочечных РНК.
Общая схема регуляции генетической экспрессии за счет
интерференции РНК (по Novina, Sharp, 2004)
Функции siРНК
1. Сайленсинг мобильных генетических элементов;
2. Сайленсинг гетерохроматиновых повторов;
3. Сайленсинг генетического материала вирусного
происхождения;
4. Ограничение степени экспрессии гена в
определенных тканях.
При выделение фракций коротких РНК (19-25
нуклеотидов) из различных организмов обнаружен
еще один класс малых РНК – микроРНК.
МикроРНК (miRNAs - micro RNAs) – класс
19-25 нуклеотидных одноцепочечных РНК,
закодированных в уникальных генах
геномов многоклеточных организмов.
Схема образования miРНК
(по Novina, Sharp, 2004)
Функция miРНК
Обеспечивают сайленсинг различных генов,
обычно, за счет частично комплементарного
связывания с мРНК, в результате которого
блокируется ее трансляция.
• один тип miРНК может регулировать
трансляцию мРНК более 100 различных
генов;
• степень ингибирования зависит от
количества связывающихся miРНК (в
3’UTR мРНК содержится несколько
сайтов связывания).
Отличия miРНК и siРНК
miРНК
siРНК
• Продукт dsРНК,
закодированных в уникальных
генах геномов многоклеточных
организмов (>1% от всех генов
у человека);
• Продукт dsРНК,
образующихся в результате
транскрипции транспозонов,
гетерохроматиновых
повторов или генетического
материала вирусного
происхождения ;
• мРНК может не разрушаться;
• Один тип miРНК регулирует
разные гены.
• мРНК разрушается;
• Один тип siРНК обычно
регулирует только один тип
мРНК.
• созданы библиотеки коротких РНК и ДНК-
векторов,
кодирующих
короткие
РНК,
мишенями которых является около 8000 генов
генома человека;
• внедряется в практику терапевтическое
применение синтетических коротких РНК для
целенаправленного подавления генетической
экспрессии при некоторых заболеваниях.