Эпигенетика Геномный импринтинг Интерференция РНК Генетика предполагает а

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

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.

mat pat Импринтированный ген - ген, который дифференциально экспрессируется Пример: в Материнская аллель экспрессируется, или отцовского происхождения. зависимости от материнского Импринтированные гены в диплоидной клетке млекопитающих обычно отцовская – нет (она импринтирована) экспрессируются только с одной аллели. 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 H 19, IGF 2, p 57 KIP 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. Kv. LQT 1 экспрессируется с материнской аллели во всех тканях кроме сердца; E 6 -AP - экспрессируется биаллельно во всех тканях, а в мозге - только с материнской аллели; IGF 2 имеет отцовскую экспрессию в большинстве тканей, но обе аллели экспрессируются в определенных структурах в течение развития мозга и в зрелом состоянии. Кроме того, IGF 2 в процессе развития экспрессируется с трех различных промоторов. 5. Импринтированные гены кодируют как белки, так и нетранслируемые РНК. H 19 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, PAR 1 и PAR 5 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

Биопсия хориона или плаценты Аутосомная трисомия (полная или мозаичная форма) Кордоцентез Получение образцов крови от родителей для цитогенетического и ДНК-анализа УЗИ 2 уровня Нормальный кариотип и фенотип у плода Анеуплоидия Тестирование на ОРД исключена. Плацентарный мозаицизм ОРД по хромосомам, для которых исключены “болезни импринтинга” Пролонгирование беременности УЗИ с допплерометрией Профилактика ФПН и акушерских осложнений ОРД у плода ОРД по хромосомам, для которых установлены “болезни импринтинга” Прерывание беременности

Группы риска ОРД • носители структурно аномальных хромосом, включая семейные сбалансированные реципрокные и робертсоновские транслокации, изохромосомы, инверсии, маркерные хромосомы • носители мозаичных трисомий • плоды с пренатально подтвержденным диагнозом ограниченного плацентарного мозаицизма • больные с моногенным рецессивным заболеванием или гетерозиготным носительством мутантного гена у одного из родителей

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(q 23 - q 24) => неонатальный диабет; материнская ОРД по короткому плечу хромосомы 7 (GRB 10) => 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 (GNAS 1) => псевдогипопаратироидизм Залетаев Д. В.

Схема локуса 15 q 11 -q 13

Синдром Прадера-Вилли (PWS, OMIM 176270) • описан в 1956 г. • неонатальная гипотония • ожирение • умственная отсталость • лицевые дисморфии • гипогонадизм 46, XX или ХУ, 1 : 12000 -15000

Синдром Ангельмана (AS, OMIM 105830) • описан в 1965 г. • умственная отсталость • отсутствие речи • нарушения сна • необычный смех • «кукольные» движения 46, XX или XY, 1 : 10 000— 20 000

Синдром Прадера-Вилли, синдром Ангельмана

«В последние годы … установлен особый класс заболеваний человека, обусловленный дефектами структуры и модификаций хроматина - так называемые «хроматиновые болезни» . С. Назаренко, 2005 г.

Синдром Ретта (OMIM 312750) Частота 1 на 10000 -15000 детей женского пола Впервые описан Реттом в 1966 г (Rett, 1966), повторно в 1983 Хогбергом ( Hagberg, 1993). Мутация в гене Me. CP 2 (Me. C binding protein), расположенном на Xq 28 http: //www. mississippichallenge. or g/rettsyndrome. html http: //www. rodim. ru/conference/in dex. php? s=0 b 8265 fee 36 f 1322 b 6 da b 8 dae 8 f 038 a 7&showtopic=83503& pid=4926083&st=765&#entry 49260 83 • регрессия развития • аутизм • стереотипные движения рук http: //swimpig. blogspot. com/200 7_02_01_archive. html

Синдром ICF (OMIM 242860) (Immunodeficiency, Centromere instability and Facial anomalies syndrome ) Luciani et al. , 2005 Мутации в гене DNMT 3 B (DNA metiltransferase), расположенном на хромосоме 20 q 11. 2 Синдром ICF (иммунодефицит, хромосомная нестабильность, аномалии лицевого черепа) Гетерохроматиновые районы хромосом 1, 9 и 16 неметелированы, вследствие чего растянуты и имеют ветвистую структуру Впервые синдром описан в 1978 году (Hulten, 1978)

Синдром Коффина – Лоури (OMIM 303600) Мутация гена RSK (ribosomal S 6 kinase), расположенном на Хp 21. 1 -21. 2 RSK 2 - регулируемая ростовыми факторами серинтреониновая киназа Частота встречаемости 1: 40 000 - 50 000 http: //www. ncbi. nlm. nih. gov/bookshelf/br. fcgi? book=gene&part=cls&rendertype=figure&id=cl s. F 1 Впервые был описан 1966 Коффином (Coffin et al. , 1966), позже Лоури отметил другие характерные особенности в 1972 году (Lowry et al. , 1972). http: //clsf. info/Welcome. htm

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 (ds. RNA) – запускающий механизм (триггер) системы интерференции РНК.

Интерференция РНК – это замолкание (сайленсинг) генов, обеспечиваемое двуцепочечными молекулами РНК (ds. РНК). Явление интерференции РНК открыто в 1998 г. у Nematoda (Fire et al. , 1998)

Инъекция в C. elegans РНК мышечного белка ds. РНК в 10 -100 раз более эффективно активируют систему интерференции РНК, по сравнению с ss. РНК.

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 (si. RNAs – 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 si. РНК 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 – микро. РНК. Микро. РНК (mi. RNAs - micro RNAs) – класс 19 -25 нуклеотидных одноцепочечных РНК, закодированных в уникальных генах геномов многоклеточных организмов.

Схема образования mi. РНК (по Novina, Sharp, 2004)

Функция mi. РНК Обеспечивают сайленсинг различных генов, обычно, за счет частично комплементарного связывания с м. РНК, в результате которого блокируется ее трансляция. • один тип mi. РНК может регулировать трансляцию м. РНК более 100 различных генов; • степень ингибирования зависит от количества связывающихся mi. РНК (в 3’UTR м. РНК содержится несколько сайтов связывания).

Отличия mi. РНК и si. РНК mi. РНК si. РНК • Продукт ds. РНК, закодированных в уникальных генах геномов многоклеточных организмов (>1% от всех генов у человека); • Продукт ds. РНК, образующихся в результате транскрипции транспозонов, гетерохроматиновых повторов или генетического материала вирусного происхождения ; • м. РНК может не разрушаться; • Один тип mi. РНК регулирует разные гены. • м. РНК разрушается; • Один тип si. РНК обычно регулирует только один тип м. РНК.

• 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.