No11 epigenetika 2.-genomnyy_imprinting._interferenciya_rnk

Молекулярная биология для биоинформатиков

• Академический университет

• Ефимова Ольга Алексеевна

ЭпигенетикаГеномный импринтинг.

Интерференция РНК.

«Генетика предполагает, а эпигенетика располагает». P. Medawar & J. Medawar

Лекция № 1Лекция № 111

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

mat pat mat pat

Биаллельная экспрессия

Моноаллельная экспрессия

Экспрессия генов

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

Эпигенотип (импринт) - совокупность модификаций, которые по-разному

маркируют родительские аллели и обеспечивают моноаллельный характер

экспрессии импринтированных генов на хромосомах отцовского или

материнского происхождения.

Пример:Материнская аллель экспрессируется, отцовская – нет (она импринтирована)

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

Пузырный занос

Эмбриональная тератома

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

Гетеродисомия – наследование потомком двух разных гомологов от одного родителя

Изодисомия – наследование двух репликационных копий одной из хромосом

47 типов ОРД-44 типа ОРД по 22 аутосомамматеринская (mat) и отцовская (pat)-3 типа по половым хромосомам UPDХmat, UPDXpat, UPDXYpat

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 скелетно- мышечные 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

Andrew Z. Fire Craig C. Mello

Нобелевская премия по физиологии и медицине

2006 год

"RNA interference – gene silencing by double-stranded RNA"

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)

dsРНК в 10-100 раз более эффективно активируют систему интерференции РНК, по сравнению с ssРНК.

Инъекция в C.elegans РНК мышечного белка

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 miРНКОбеспечивают 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).

• Продукт dsРНК, закодированных в уникальных генах геномов многоклеточных организмов (>1% от всех генов у человека);

• мРНК может не разрушаться;• Один тип miРНК регулирует

разные гены.

• Продукт dsРНК, образующихся в результате транскрипции транспозонов, гетерохроматиновых повторов или генетического материала вирусного происхождения ;

• мРНК разрушается;• Один тип siРНК обычно

регулирует только один тип мРНК.

miРНК siРНК

Отличия miРНК и siРНК

• 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.