Маълумот

Тафсири генетикӣ ва тафриқаи ҳуҷайраҳо

Тафсири генетикӣ ва тафриқаи ҳуҷайраҳо


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Чунин ба назар намерасад, ки ин ду раванд бо ҳам вуҷуд дошта бошанд:

1) Импринтинги генетикӣ падидаест, ки дар он генҳо вобаста ба волидайни пайдоиш ба таври гуногун ифода мешаванд:

1а. Қитъаҳои метилшудаи ДНК транскрипсия карда намешаванд.

1б. Агар нусхаи ген, ки аз модар сарчашма мегирад, метилизатсия шуда бошад, аммо нусхаи падар не, пас танҳо нусхаи падар ифода карда мешавад (масалан, синдроми Прадер Вилли).

1в. Метилизатсия ҳангоми тақсимоти ҳуҷайраҳо нигоҳ дошта мешавад.

1г. Метилизатсия ҳангоми гаметогенез нест карда мешавад, вақте ки духтарон осори падарро нест мекунанд ва аз рӯи нишони модарӣ пеш аз мейоз дубора чоп мекунанд.

Аммо ҳоло ман дар бораи нақши эпигенетика дар тафриқаи ҳуҷайраҳо хонда истодаам ва кашф мекунам:

2) Тафовути ҳуҷайраҳо бо шаклҳои хоси метилизатсия ба насл ба амал меояд.

2а. Дарҳол пас аз бордоршавӣ (пеш аз тақсимоти аввали ҳуҷайра) геноми падарӣ аз деметилизатсия мегузарад.

2б. Дар давоми якчанд тақсимоти ҳуҷайраҳо геноми модарон аз деметилизатсия мегузарад.

2c. Фарқияти ҳуҷайраҳо бо метемилизатсияи прогрессивӣ пас аз ин "дастмолҳо" ҳамроҳӣ карда мешавад ва шояд ҳатто анҷом дода шавад.

Манбаъ барои 2): http://labs.genetics.ucla.edu/fan/papers/HuangK_RM2010.pdf "Метилизатсияи ДНК дар тафовут ва барномасозии ҳуҷайра: назари систематикии пайдошаванда" Huang & Fan (2010). Реген Мед. 5 (4): 531-44.

Ман гумон мекунам, ки ихтилоф вуҷуд надорад ва ман танҳо якеро, дигареро ё ҳардуро нодуруст мефаҳмам. Дар акси ҳол, чӣ гуна метавон намунаи метилизатсияро ҳам дар давраи гаметогенез ва ҳам дар марҳилаҳои аввали ҷанин маҳв кард ва то ҳол мерос гирифта шавад?


Чӣ мешавад, агар минтақаҳои чопшуда аз пок кардани онҳо эмин бошанд? Инчунин, шумо метавонед метилизатсияи ДНК ва метилизатсияи гистонро (?) Иштибоҳ кунед. Биохимияи классикӣ бар он назар аст, ки ҳолати метилизатсияи ДНК метавонад аз ҳуҷайраи тақсимшавандаи модар ба ҳарду ҳуҷайраҳои духтар интиқол дода шавад, зеро пас аз репликатсияи ДНК ду хромосомаи духтар ҳар кадоми онҳо гемиметилизатсия мешаванд ва метилазаи ДНК, ки макони геми-метилонидашударо пайдо мекунад, риштаи дигарро метил мекунад. (ба монанди механизми таҳриркунӣ). Чизи сеюме, ки дар саволи шумо бояд ба назар гирифта шавад, ин аст, ки изи волидайн дар хати микробҳо муқаррар карда мешавад. Дар мавриди тоза кардани нишонаҳои дигари эпигенетикӣ дар давраи эмбриогенез, танҳо нишонаҳои ҳозираи онҳо гаметогенез мебошанд. Ба ибораи дигар, то ҷое ки мо медонем, генҳое, ки дар рушди мушакҳо фаъол шудаанд, ҳеҷ гоҳ пас аз бордоршавӣ дар ҳуҷайраҳои зиготикӣ ифода карда намешаванд, ки боиси ҳуҷайраҳои ҷинсии ибтидоӣ мешаванд, аз ин рӯ он нишонаҳои эпигенетикии хоси мушакҳоро нест кардан лозим нест. ҷанин. На нутфа ва на тухм ҳеҷ гоҳ миозини мушакҳоро ифода накардаанд ва ғайра.


Эҳтимол барои чоп таърифҳои тангу васеъ вуҷуд доранд. Ман тахмин мекунам, ки таърихи тадқиқот дар бораи чопкунӣ мисли зерин хоҳад буд.

Дар аввал, интиқоли фенотипи модар ё падар эътироф карда шуд ва баъзе аз чунин фенотип чунин ба назар мерасиданд, зеро гени масъули модар ё падар кор намекунад. Тавре ки шумо медонед, ин возеҳ аст.

Сипас, метилизатсияи ДНК кашф карда шуд ва маълум шуд, ки барои ғайрифаъол кардани генҳои дар боло тавсифшуда чоп карда мешавад. Аммо, метилизатсияи ДНК ва репрессияи ифода бо метилизатсия дар дигар генҳо низ рух медиҳад. Ба назари ман, ҳуҷайраҳои ES як шакли фарқкунандаи метилизатсияи ДНК доранд, ки эҳтимолан метавонад шакли ифодаи генҳои алоҳида қисман шарҳ дода шавад. Илова бар ин, дар натиҷаи канцерогенез баъзе генҳои супрессорҳои варам бо метилатсия ба амал меоянд. Чунин ба назар мерасад, ки метилизатсияи ДНК ифодаҳои генҳо ва инчунин чопи дар боло тавсифшударо танзим мекунад. Ман медонам, ки одамон ҳама қоидаҳои генро тавассути импринтинги метилизатсияи ДНК меноманд. Ин таърифи васеъ аст.


Мундариҷа

Дар организмҳои диплоид (ба монанди одамон), ҳуҷайраҳои соматикӣ ду нусхаи геномро доранд, ки яке аз падар ва дигаре аз модар ба мерос гирифта шудааст. Ҳамин тариқ, ҳар як гени аутосомалӣ бо ду нусха ё аллелҳо ифода карда мешавад, ки як нусха аз ҳар як волидайн ҳангоми бордоршавӣ ба мерос гирифта мешавад. Аллели ифодашуда аз пайдоиши волидайнаш вобаста аст. Масалан, ген, ки омили афзоиши ба инсулин монанд 2-ро рамзгузорӣ мекунад (IGF2/Igf2) танҳо аз аллели аз падар мерос гирифташуда ифода карда мешавад. Гарчанде ки импринтинг як қисми ками генҳои ширхӯронро ташкил медиҳад, онҳо дар эмбриогенез, махсусан дар ташаккули сохторҳои висцералӣ ва системаи асаб нақши муҳим доранд. [13]

Истилоҳи "чопкунӣ" бори аввал барои тавсифи рӯйдодҳо дар ҳашарот истифода шудааст Pseudococcus nipae. [14] Дар псевдококкҳо (хӯҷаҳо) (Hemiptera, Coccoidea) ҳам нар ва ҳам зан аз тухми бордоршуда инкишоф меёбанд. Дар духтарон, ҳама хромосомаҳо эвроматикӣ ва функсионалӣ боқӣ мемонанд. Дар ҷанинҳое, ки барои писар шудан таъин шудаанд, як маҷмӯи гаплоиди хромосомаҳо пас аз тақсимоти шашум гетерохроматизатсия мешаванд ва дар аксари бофтаҳо ҳамин тавр боқӣ мемонад, ки мардон аз ҷиҳати функсионалӣ гаплоид мебошанд. [15] [16] [17]

Ин чопкунӣ метавонад як хусусияти рушди ширхӯрон бошад, дар таҷрибаҳои парвариш дар мушҳо, ки транслоксияҳои мутақобилаи хромосомӣ доранд, пешниҳод карда шуд. [18] Таҷрибаҳои трансплантатсияи ядро ​​дар зиготаҳои муш дар аввали солҳои 1980 тасдиқ карданд, ки рушди мӯътадил саҳми ҳам геномҳои модарӣ ва ҳам падариро талаб мекунад. Аксарияти ҷанинҳои муш аз партеногенез (партеногенонҳо номида мешаванд, бо ду геномҳои модарӣ ё тухм) ва андрогенез (андрогенонҳо бо ду геномҳои падарӣ ё нутфа) ба даст омадаанд ё дар марҳилаи бластоцист/имплантатсия мемиранд. Дар ҳолатҳои нодире, ки онҳо то марҳилаҳои баъди имплантатсия ба вуҷуд меоянд, ҷанинҳои гиногенетикӣ нисбат ба рушди плаценталӣ беҳтар инкишофи ҷаниниро нишон медиҳанд, дар ҳоле ки барои андрогенонҳо баръакс дуруст аст. Бо вуҷуди ин, барои охирин, танҳо чанде тавсиф карда шудаанд (дар мақолаи 1984). [19] [20] [21]

Ҳеҷ як ҳолати табиии партеногенез дар ширхӯрон аз сабаби генҳои чопшуда вуҷуд надорад. Бо вуҷуди ин, дар соли 2004, коркарди таҷрибавӣ аз ҷониби муҳаққиқони Ҷопон оид ба изи метилизатсияи падарона, ки онро назорат мекунад Igf2 Ген ба таваллуди муш (номи Кагуя) бо ду маҷмӯи хромосомаҳои модарӣ оварда расонд, гарчанде ки он партеногенони ҳақиқӣ нест, зеро ҳуҷайраҳои ду муши гуногуни занона истифода мешуданд. Тадқиқотчиён тавонистанд бо истифода аз як тухм аз волидайни ноболиғ муваффақ шаванд ва ба ин васила имиҷи модаронро коҳиш диҳанд ва онро тағир диҳанд, то гени Igf2, ки маъмулан танҳо бо нусхаи падарии ген ифода карда мешавад.

Ҷанинҳои партеногенетикӣ/гиногенетикӣ сатҳи ифодаи муқаррарии генҳои аз модар гирифташуда ду маротиба зиёдтар доранд ва ифодаи генҳои аз ҷониби падарӣ ифодаёфта надоранд, дар ҳоле ки баръакс барои ҷанинҳои андрогенетикӣ дуруст аст. Ҳоло маълум аст, ки дар одамон ва мушҳо ҳадди аққал 80 генҳои чопшуда мавҷуданд, ки аксарияти онҳо дар афзоиш ва инкишофи ҷанин ва пласента иштирок мекунанд. [11] [22] [23] [24] Насли гибридии ду намуд метавонанд аз ҳисоби омезиши нави генҳои чопшуда афзоиши ғайриоддӣ нишон диҳанд. [25]

Барои муайян кардани генҳои чопшуда усулҳои гуногун истифода шудаанд. Дар хукҳо, Бишофф ва дигарон. профилҳои транскрипсиониро бо истифода аз микроортрейкҳои ДНК барои таҳқиқи генҳои гуногун ифодашуда дар байни партенотҳо (2 геномҳои модарӣ) ва ҳомилаи назоратӣ (1 геноми модарӣ, 1 геномии падарӣ) муқоиса карданд. [26] Тадқиқоти ҷолибе, ки транскриптомҳои бофтаҳои мағзи сарро таҳқиқ мекунанд, зиёда аз 1300 генҳои чопшудаи генҳо (тақрибан 10 маротиба бештар аз қаблан хабар додашуда) аз рӯи пайдарпаии РНК аз гибридҳои F1, ки дар натиҷаи салибҳои мутақобила ба вуҷуд омадаанд, ошкор шуд. [27] Бо вуҷуди ин, натиҷа аз ҷониби дигарон мавриди баҳс қарор гирифт, ки иддао карданд, ки ин баҳодиҳии аз ҳад зиёд аст, бинобар таҳлили нодурусти оморӣ. [28] [29]

Дар чорвои хонагӣ полиморфизмҳои як нуклеотидҳо дар генҳои чопшуда, ки ба афзоиш ва инкишофи ҳомила таъсир мерасонанд, бо хусусиятҳои истеҳсолии аз ҷиҳати иқтисодӣ муҳим дар чорвои калони шохдор, гӯсфанд ва хукҳо алоқаманд нишон дода шудаанд. [30] [31]

Харитаи генетикии генҳои чопшуда Таҳрир

Дар баробари насли ҷанинҳои геногенетикӣ ва андрогенетикӣ, ки дар боло баррасӣ шуданд, ҷанинҳои муш низ тавлид мешуданд, ки танҳо минтақаҳои хурде доштанд, ки аз манбаи падарӣ ё модарӣ гирифта шудаанд. [32] [33] Насли як қатор чунин дисомияи якпадарӣ, ки дар якҷоягӣ тамоми геномро фаро мегиранд, имкон доданд, ки харитаи чопгарӣ эҷод карда шавад. [34] Он минтақаҳое, ки ҳангоми мерос аз як волидайн боиси фенотипи намоён мешаванд, дорои ген(ҳо)-и чопшуда мебошанд. Таҳқиқоти минбаъда нишон доданд, ки дар дохили ин минтақаҳо аксар вақт генҳои сершумори чопшуда мавҷуданд. [35] Тақрибан 80% генҳои чопшуда дар кластерҳо ба монанди инҳо пайдо мешаванд, ки онҳоро доменҳои чопшуда меноманд ва аз сатҳи назорати ҳамоҳангшуда шаҳодат медиҳад. [36] Ба наздикӣ, экранҳои васеи геном барои муайян кардани генҳои чопшуда ифодаи дифференсиалии mRNA-ҳои ҳомилаи назоратӣ ва ҳомилаҳои партеногенетикӣ ё андрогенетикиро, ки барои ифодаи генофонди профилҳои микроэлементҳо истифода мешаванд, [37] ифодаи генҳои махсуси аллелӣ бо истифода аз микроореоти генотипсозии SNP, [38 ] пайдарпаии транскриптом, [39] ва дар лӯлаҳои пешгӯии кремний. [40]

Механизмҳои чопкунӣ Таҳрир

Импринтинг як раванди динамикӣ аст. Он бояд тавассути ҳар як насл нест кардан ва барқарор кардани осорҳо имконпазир бошад, то генҳое, ки дар калонсолон сабт шудаанд, то ҳол дар насли он калонсолон ифода карда шаванд. (Масалан, генҳои модарие, ки истеҳсоли инсулинро назорат мекунанд, дар як мард чоп карда мешаванд, аммо дар ҳама наслҳои мард, ки ин генҳоро мерос мегиранд, ифода карда мешаванд.) Аз ин рӯ, хусусияти чопкунӣ бояд на аз пайдарпаии ДНК вобаста бошад. Дар ҳуҷайраҳои ҷинсият нишона аз байн бурда мешавад ва баъд аз рӯи ҷинси фард барқарор мешавад, яъне дар нутфаҳои инкишофёбанда (ҳангоми сперматогенез) осори падарӣ, дар овоситҳо (ооогенез) бошад, осори модарӣ муқаррар карда мешавад. Ин раванди нест кардан ва аз нав барномарезӣ кардан [41] зарур аст, ки ҳолати импринтинги ҳуҷайраҳои ҳомила ба ҷинси шахс мувофиқат кунад. Дар ҳам растаниҳо ва ҳам ширхӯрон ду механизми асосӣ мавҷуданд, ки дар муайян кардани изи онҳо иштирок мекунанд, ин метилизатсияи ДНК ва тағирёбии гистон мебошанд.

Ба наздикӣ, як тадқиқоти нав [42] механизми нави меросии импринтингро дар одамон пешниҳод кард, ки хоси бофтаи пласента хоҳад буд ва аз метилизатсияи ДНК (механизми асосӣ ва классикии импринтинги геномӣ) новобаста аст. Ин дар одамон мушоҳида карда шуд, аммо на дар мушҳо, ки пешрафтро пас аз тафовути эволютсионии одамон ва мушҳо нишон медиҳад,

80 миллион. Дар байни тавзеҳоти фарзӣ барои ин падидаи нав, ду механизми имконпазир пешниҳод шудааст: ё тағир додани гистон, ки дар чопи чопшудаи махсуси пласенталӣ хос аст маҳал ё, алтернативӣ, ҷалби DNMTs ба ин локусҳо бо омили мушаххас ва номаълуми транскрипсия, ки ҳангоми тафриқаи барвақти трофобласт ифода карда мешавад.

Таҳрири Низомнома

Гурӯҳбандии генҳои чопшуда дар дохили кластерҳо ба онҳо имкон медиҳад, ки унсурҳои умумии танзимро мубодила кунанд, ба монанди РНК-ҳои коднашаванда ва минтақаҳои дифференсиалии метилизатсияшуда (DMR). Вақте, ки ин унсурҳои танзимкунанда импринтинги як ё якчанд генҳоро назорат мекунанд, онҳо ҳамчун минтақаҳои назорати импринтинг (ICR) маълуманд. Ифодаи РНК-ҳои коднашаванда, ба монанди антисенси Igf2r РНК (Ҳаво) дар хромосомаи 17 муш ва KCNQ1OT1 дар хромосомаи инсон 11p15.5 нишон дода шудааст, ки барои импринтинги генҳо дар минтақаҳои мувофиқи онҳо муҳиманд. [43]

Минтақаҳои аз ҷиҳати метилизатсияшуда одатан қисмҳои ДНК мебошанд, ки аз цитозин ва гуанин нуклеотидҳо бой мебошанд ва нуклеотидҳои цитозин дар як нусха метилизатсия карда мешаванд, на дар дигараш. Бар хилофи интизорӣ, метилизатсия маънои онро надорад, ки хомӯш шавад, таъсири метилизатсия аз ҳолати пешфарзии минтақа вобаста аст. [44]

Вазифаҳои генҳои чопшуда Таҳрир

Назорати ифодаи генҳои мушаххас тавассути чопи геномӣ танҳо ба ширхӯронҳои терия (ширхӯронҳои плаценталӣ ва паррандагон) ва растаниҳои гул хос аст. Нашри тамоми хромосомаҳо дар хӯрокхӯрӣ гузориш дода шудааст (Насл: Псевдококк). [14] [15] [16] [17] ва пашшаи занбӯруғ (Сиара). [45] Ҳамчунин муайян карда шудааст, ки ғайрифаъолшавии X-хромосома дар бофтаҳои изофребронии мушҳо ва ҳама бофтаҳои қуттиҳои ҳайвонот ба таври чопшуда ба амал меояд, ки дар он ҳамеша X-хромосомаи падарӣ хомӯш карда мешавад. [36] [46]

Аксарияти генҳои чопшуда дар ширхӯрон дар назорати афзоиш ва инкишофи ҷанин, аз ҷумла рушди пласента нақш доштаанд. [22] [47] Дигар генҳои чопшуда дар рушди пас аз таваллуд иштирок мекунанд ва нақшҳо ба ширмаконӣ ва мубодилаи моддаҳо таъсир мерасонанд. [47] [48]

Гипотезаҳо дар бораи пайдоиши чопи таҳрир

Гипотезаи ба таври васеъ қабулшудаи эволютсияи импринтинги геномӣ "гипотезаи зиддияти волидайн" мебошад. [49] Инчунин бо номи назарияи хешовандии импринтинги геномӣ маъруф аст, ин фарзия изҳор мекунад, ки нобаробарӣ байни геномҳои волидайн аз сабаби импринтинг натиҷаи манфиатҳои мухталифи ҳар як волидайн дар робита ба мутобиқати эволютсионии генҳои онҳост. [50] [51] Генҳои падар, ки барои чопкунӣ рамз мегузоранд, тавассути муваффақияти насл аз ҳисоби модар қобилияти бештар пайдо мекунанд. Вазифаи эволютсионии модар аксар вақт ҳифзи захираҳо барои зинда мондани худ ва таъмини ғизои кофӣ ба партовҳои ҷорӣ ва минбаъда мебошад. Мутаносибан, генҳои аз ҷониби падар ифодаёфта ба афзоиш мусоидат мекунанд, дар ҳоле ки генҳои аз ҷониби модар ифодаёфта одатан афзоишро маҳдуд мекунанд. [49] Барои тасдиқи ин фарзия, импринтинги геномӣ дар ҳама ширхӯрони пласенталӣ пайдо шудааст, ки дар он ҷо истеъмоли захираҳои насли пас аз бордоршавӣ аз ҳисоби модар зиёд аст, гарчанде ки он дар паррандаҳои тухмдор низ пайдо шудааст [52] [53] ки дар он ҷо интиқоли захираҳои пас аз бордоршавӣ нисбатан кам аст ва аз ин рӯ ихтилофи волидайн камтар аст. Шумораи ками генҳои чопшуда дар интихоби мусбати дарвинӣ, эҳтимол аз сабаби эволютсияи антагонистӣ босуръат рушд мекунанд. [54] Аксарияти генҳои чопшуда сатҳи баланди ҳифзи микро синтезро нишон медиҳанд ва дар наслҳои ширмакҳои плаценталӣ хеле кам такрор шудаанд. [54]

Аммо, фаҳмиши мо дар бораи механизмҳои молекулавии паси импринтинги геномӣ нишон медиҳад, ки маҳз геноми модарӣ қисми зиёди импринтинги ҳам генҳои худ ва ҳам аз падарӣ дар зиготаро назорат мекунад ва шарҳ додани он ки чаро генҳои модарӣ бо хоҳиши худ даст кашиданд, душвор аст. бартарияти онҳо нисбат ба генҳои аз падар ба даст омада дар партави фарзияи ихтилофӣ. [55]

Гипотезаи дигаре, ки пешниҳод карда мешавад, ин аст, ки баъзе генҳои чопшуда барои беҳтар кардани рушди ҳомила ва таъмини модар барои ғизо ва нигоҳубин ҳамоҳангӣ мекунанд. [9] [55] [56] Дар он як маҷмӯи генҳои ифодаёфтаи падарона ҳам дар пласента ва ҳам дар гипоталамуси модар ифода карда мешаванд. Ин тавассути фишори интихобӣ аз ҳамоҳангсозии волидайн ва навзодон барои беҳтар кардани зиндамонии кӯдакон ба амал меояд. Падарона баён шудааст 3 (PEG3) генест, ки барои он ин гипотеза татбиқ шуда метавонад. [9]

Дигарон ба омӯзиши худ оид ба пайдоиши импринтатсияи геномӣ аз ҷониби дигар муроҷиат карда, исбот кардаанд, ки интихоби табиӣ на ба нақши тамғаҳои эпигенетикӣ ҳамчун мошини шинохти хромосомаҳои гомологӣ ҳангоми мейоз таъсир мерасонад, на нақши онҳо дар ифодаи дифференсиалӣ. [57] Ин далел ба мавҷудияти таъсири эпигенетикӣ ба хромосомаҳо асос ёфтааст, ки ба ифодаи генҳо мустақиман таъсир намерасонанд, аммо аз он вобастаанд, ки хромосома аз кадом волидайн ба вуҷуд омадааст. [58] Ин гурӯҳи тағйироти эпигенетикӣ, ки аз волидайни пайдоиши хромосома вобаста аст (аз ҷумла онҳое, ки ба ифодаи генҳо таъсир мерасонанд ва ҳам онҳое, ки ба онҳо таъсир намерасонанд) эффектҳои пайдоиши волидайн номида мешаванд ва падидаҳоро, аз қабили ғайрифаъолшавии падари X дар марсупиалӣ, волидайнии ғайритасодуфӣ дар бар мегиранд. тақсимоти хроматидҳо дар папоротникҳо ва ҳатто иваз кардани намуди ҷуфтшавӣ дар хамиртуруш. [58] Ин гуногунрангӣ дар организмҳо, ки таъсири пайдоиши волидайнро нишон медиҳанд, назариётчиёнро водор кардааст, ки пайдоиши эволютсионии изи геномиро дар назди гузаштагони охирини умумии растаниҳо ва ҳайвонот, зиёда аз як миллиард сол пеш гузоранд. [57]

Интихоби табиӣ барои чопи геномӣ тағирёбии генетикии аҳолиро талаб мекунад. Гипотеза дар бораи пайдоиши ин варианти генетикӣ нишон медиҳад, ки системаи муҳофизати мизбон, ки барои хомӯш кардани унсурҳои хориҷии ДНК масъул аст, ба монанди генҳои пайдоиши вирусӣ, иштибоҳан генҳоро хомӯш кард, ки хомӯшии онҳо барои организм фоидаовар буд. [59] Чунин ба назар мерасад, ки генҳои ретротранспозияшуда, яъне генҳое, ки тавассути вирусҳо ба геном ворид карда мешаванд, дар байни генҳои чопшуда. Инчунин тахмин карда шудааст, ки агар гени ретротранспозитсияшуда дар наздикии як гени дигар чопшуда ҷойгир карда шавад, он метавонад танҳо ин изро ба даст орад. [60]

Мутаассифона, муносибати байни фенотип ва генотипи генҳои чопшуда танҳо консептуалӣ аст. Идея бо истифода аз ду аллел дар як локус кор карда шудааст ва се синфи имконпазири генотипҳоро дар бар мегирад. [61] Синфи генотипи гетерозиготҳои мутақобила дар фаҳмидани он ки чӣ гуна чопкунӣ ба генотип ба муносибати фенотип таъсир мерасонад, мусоидат мекунад. Гетерозиготаҳои мутақобила аз ҷиҳати генетикӣ эквивалент доранд, аммо онҳо аз ҷиҳати фенотипӣ баробар нестанд. [62] Фенотипи онҳо метавонад аз эквивалентии генотип вобаста набошад. Ин дар ниҳоят метавонад гуногунрангии синфҳои генетикиро афзоиш дода, чандирии генҳои чопшударо васеъ кунад. [63] Ин афзоиш инчунин дараҷаи баландтари қобилияти санҷиш ва навъҳои санҷишҳоро барои муайян кардани мавҷудияти чопкунӣ маҷбур мекунад.

Вақте ки локус ҳамчун тамға муайян карда мешавад, ду синфи гуногун аллелҳои гуногунро ифода мекунанд. [61] Гумон меравад, ки генҳои ба мерос гирифтаи насл ифодаҳои моноалелӣ мебошанд. Як локус ягона фенотипи шахсро ба вуҷуд меорад, гарчанде ки ду аллел ба мерос гирифта шудааст. Ин синфи генотипро импринтинги волидайн ва инчунин импринтинги доминантӣ меноманд. [64] Намунаҳои фенотипӣ варианти ифодаи эҳтимолии генотипҳои падарӣ ва модарӣ мебошанд. Аллелҳои гуногун, ки аз волидони гуногун мерос гирифтаанд, дорои сифатҳои гуногуни фенотипӣ мебошанд. Як аллел арзиши фенотипии калонтар хоҳад дошт ва аллели дигар хомӯш карда мешавад. [61] Камбудии локус як имконияти дигари ифодаи фенотипӣ мебошад. Ҳам фенотипҳои модарӣ ва ҳам падарӣ арзиши на он қадар калон хоҳанд дошт, на яке дорои арзиши калон ва хомӯш кардани дигараш.

Чаҳорчӯбаҳои оморӣ ва моделҳои харитасозӣ барои муайян кардани таъсири чоп дар генҳо ва хусусиятҳои мураккаб истифода мешаванд. Падари -аллигии аллелӣ ба гуногунии фенотипҳо, ки аз чопи синфҳои генотип бармеоянд, таъсир мерасонад. [61] Ин моделҳои харитасозӣ ва муайян кардани эффектҳои импринтинг истифодаи генотипҳои номунтазамро барои сохтани моделҳои харитасозӣ дар бар мегиранд. [63] Ин моделҳо генетикаи классикии миқдорӣ ва таъсири бартарияти генҳои чопшударо нишон хоҳанд дод.

Импринтинг метавонад дар клонкунӣ мушкилот эҷод кунад, зеро клонҳо дорои ДНК мебошанд, ки дар мавқеъҳои дуруст метилизатсия нашудаанд. Мумкин аст, ки ин бо сабаби набудани вақт барои аз нав барномарезӣ пурра ба даст овардан бошад. Вақте ки ядро ​​ҳангоми интиқоли ядрои соматикӣ ба тухм илова карда мешавад, тухм дар тӯли дақиқаҳо тақсим мешавад, дар муқоиса бо рӯзҳо ё моҳҳое, ки барои дубора барномарезӣ кардан ҳангоми рушди ҷанин лозим аст. Агар вақт омили масъул бошад, мумкин аст тақсими ҳуҷайраҳоро дар клонҳо ба таъхир андозад ва барои дубора барномарезии дуруст вақт диҳад. [ иқтибос лозим аст ]

Аллели "callipyge" (аз юнонӣ барои "бумҳои зебо") ё CLPG, ген дар гӯсфандҳо думҳои калонро ташкил медиҳад, ки аз мушакҳо фарбеҳи хеле кам доранд. Фенотипи калонҳаҷм танҳо вақте рух медиҳад, ки аллел дар нусхаи хромосомаи 18 аз падари гӯсфанд ба мерос мавҷуд бошад. не дар нусхаи хромосомаи 18, ки аз модари он гӯсфанд ба мерос гирифта шудааст. [65]

Бордоркунии in vitro, аз ҷумла ICSI, бо зиёд шудани хатари ихтилоли чопкунӣ алоқаманд аст ва таносуби коэффисиенти 3,7 (95% интервали эътимод аз 1,4 то 9,7). [66]

Таҳрири безурётии мардон

Дерегуляцияҳои эпигенетикӣ дар гени чопшудаи H19 дар нутфа, ки бо безурётии мардон алоқаманданд, мушоҳида шудааст. [67] Дар ҳақиқат, талафоти метилизатсия дар генҳои чопшудаи H19 мушоҳида шудааст, ки бо гиперметилизатсияи промоутерҳои гении MTHFR дар намунаҳои нутфа аз мардони безурётӣ алоқаманд аст. [68]

Прадер-Вилли/Ангелман Таҳрир

Аввалин бемориҳои генетикӣ, ки дар одамон тавсиф карда мешаванд, синдроми мутақобилаи меросии Прадер-Вилли ва синдроми Ангелман буданд. Ҳарду синдром бо гум шудани минтақаи хромосомаи 15q11-13 (банд 11-и бозуи дарози хромосомаи 15) алоқаманд аст. Ин минтақа дорои генҳои аз ҷониби падар ифодашудаи SNRPN ва NDN ва генҳои ифодаи модарона UBE3A мебошад.

  • Мероси падарии нестшавии ин минтақа бо синдроми Прадер-Вилли (бо гипотония, фарбеҳӣ ва гипогонадизм тавсиф мешавад) алоқаманд аст.
  • Мероси модари ҳамон ҳазф бо синдроми Ангелман алоқаманд аст (бо эпилепсия, ларзиш ва ифодаи доимии табассум тавсиф мешавад).

DIRAS3 (NOEY2 ё ARH1) Таҳрир

DIRAS3 як генест, ки аз ҷониби падар ифода ва аз ҷониби модар чоп карда шудааст, ки дар хромосомаи 1 дар одамон ҷойгир аст. Кам шудани ифодаи DIRAS3 бо зиёд шудани хатари саратони тухмдон ва сина дар 41% -и саратони сина ва тухмдон протеини рамзкардаи DIRAS3 ифода карда нашудааст ва аз он шаҳодат медиҳад, ки он ҳамчун як генаи супрессорҳои варамҳо амал мекунад. [69] Аз ин рӯ, агар дисомияи яктарафа ба вуҷуд ояд ва шахс ҳарду хромосомаро аз модар ба мерос гирад, ген ифода карда намешавад ва фард ба хатари саратони сина ва тухмдон таҳдид мекунад.

Дигар таҳрир

"Гипотезаи мағзи сар" баҳс мекунад, ки изофаи номутаносиб метавонад сабаби аутизм ва психоз бошад.

Дар ҳашарот, чопкунӣ ба тамоми хромосомаҳо таъсир мерасонад. Дар баъзе ҳашаротҳо тамоми геноми падарӣ дар насли нар хомӯш карда мешавад ва аз ин рӯ дар муайян кардани ҷинс иштирок мекунад. Импринтинг эффектҳоеро ба вуҷуд меорад, ки ба механизмҳои дигар ҳашаротҳо монанданд, ки хромосомаҳои аз падар мерос гирифтаро дар насли нар, аз ҷумла арренотоки нест мекунанд. [72]

Дар намудҳои плаценталӣ, муноқишаи наслҳои волидайн метавонад боиси таҳаввули стратегияҳо, ба монанди импринтатсияи геномӣ, барои ҷанинҳо барои таъмини ғизои модарон гардад. Сарфи назар аз кӯшишҳои чандинкаратаи пайдо кардани он, дар платипус, хазандагон, паррандагон ва моҳӣ геномӣ пайдо нашудааст. Набудани импринтатсияи геномӣ дар хазандаҳои плаценталӣ, Pseudemoia entrecasteauxii, ҷолиб аст, зеро тахмин мезананд, ки геномикӣ бо эволютсияи вивипаритет ва интиқоли маводи ғизоии пласенталӣ алоқаманд аст. [73]

Таҳқиқотҳо дар чорводории ватанӣ, ба монанди говҳои ширӣ ва гӯшти гов, дар як қатор хусусиятҳои иқтисодӣ генҳои чопшуда (масалан, IGF2), [74] [75] [30] -ро дар бар мегиранд, аз ҷумла иҷрои шир дар говҳои Ҳолштейн-Фриз. [76]

Ҳодисаи ба ин монанд дар растаниҳои гулдор (ангиоспермҳо) тавсиф карда шудааст. [77] Ҳангоми бордоркунии ҳуҷайраи тухм, як ҳодисаи дуюмдараҷаи бордоршавӣ эндоспермро ба вуҷуд меорад, ки сохтори экстембрионалӣ аст, ки ҷанинро ба тарзи шабеҳи пласентаи ширхӯрон ғизо медиҳад. Баръакси ҷанин, эндосперма аксар вақт аз омезиши ду ҳуҷайраи модарӣ бо гаметаи нарина ба вуҷуд меояд. Ин боиси пайдоиши геноми триплоид мегардад. Таносуби 2:1 геномҳои модарӣ ва падарӣ барои рушди тухмӣ муҳим аст. Баъзе генҳо аз ҳарду геноми модарӣ, дар ҳоле ки дигарон танҳо аз нусхаи ягонаи падарӣ ифода карда мешаванд. [78] Пешниҳод шудааст, ки ин генҳои чопшуда барои таъсири блоки триплоид дар растаниҳои гулдор масъуланд, ки гибридизатсияро байни диплоидҳо ва автотетраплоидҳо пешгирӣ мекунанд. [79]


Таъсис, нигоҳдорӣ ва нест кардани осорҳо

Шиносоии аввалин генҳои чопшуда (Igf2r, Igf2 ва H19) дар соли 1991 (Барлоу ва дигарон, 1991 Бартоломей ва дигарон, 1991 ДеЧиара ва дигарон, 1991) кӯшишҳои аввалро дар самти фаҳмонидани механизмҳои таъсис, нигоҳдорӣ ва нест кардани изҳо, ки якҷоя вақт ва ҷойгиркунии импринтинги геномиро назорат мекунанд, ба вуҷуд овард. 1). Метилизатсияи ДНК-и аллелии ICRҳо ҳамчун беҳтарин механизми номзад барои додани осори мушаххаси волидайн пас аз бордоршавӣ пайгирӣ карда шудааст. Гузашта аз ин, гипотезае, ки изҳои хоси волидайн ҳангоми фарқ кардани геномҳои волидайн гузошта мешаванд, муфаттишонро водор месозад, ки дар давоми гаметогенез ба даст овардани метилизатсия, вақте ки геномҳои модару падар дар қисмҳои алоҳида ҷойгиранд ва онҳоро мустақилона тағир додан мумкин аст. Дар аввал нишон дода шуд, ки метилизатсияи хоси падар H19/Igf2 ICR пеш аз таваллуд дар превратматогония пеш аз фарорасии мейоз дар гермлинии мард пайдо мешавад (Дэвис ва дигарон, 2000). Баръакс, метилизатсияи ICR-и хоси модар пас аз таваллуд дар афзояндаи ооцитҳо ба амал меояд ва ICR-ҳои гуногун дар вақти каме дигар ҳангоми афзоиши ооцит метилизатсия мешаванд (Люсиферо ва дигарон, 2004). Дар ҳарду хати герм, метилизатсияи ДНК тавассути амали онҳо муқаррар карда мешавад де ново ДНК метилтрансфераза 3a (DNMT3A) ва протеини ёрирасон DNMT3L (Бурчис ва дигарон, 2001 Хата ва дигарон, 2002 Канеда ва дигарон, 2004 Окано ва дигарон, 1999). Гарчанде ки то ҳол омӯхта нашудааст, ки чӣ гуна пайдарпаии мушаххас барои метилизатсияи хоси аллелӣ дар гермлин интихоб карда мешавад, кори охирин нишон дод, ки транскрипт тавассути пайдарпаии ICR барои сафедаҳои метилтрансферазаи ДНК як қадами ибратбахш аст (Chotalia et al., 2009 Henckel et al. , 2012).

Таъсис, нигоҳдорӣ ва нест кардани изҳои геномӣ ҳангоми таҳияи муш. Нишонҳо ба таври ҷинсӣ хоси дар germline баркамол (доираҳои сабзи сабз) ҳангоми рушд ба даст оварда мешаванд, бо изҳои падарӣ (хромосомаҳои кабуд) пеш аз таваллуд ва изҳои модарон (хромосомаҳои гулобӣ) пас аз таваллуд муқаррар карда мешаванд. Ин осорҳо сарфи назар аз тағироти глобалии метилизатсияи ДНК, ки пас аз бордоршавӣ ба амал меоянд, нигоҳ дошта мешаванд, ки онҳо деметилизатсияи фаъоли геноми падарӣ ва деметилизатсияи пассивии геноми модариро дар бар мегиранд. Ин изҳо дар бофтаҳои соматикӣ дар тӯли камолот нигоҳ дошта мешаванд. Дар ҳуҷайраҳои ҷинсии ибтидоӣ (PGCs, доираҳои сабзи торик), изҳо нест карда мешаванд (хромосомаҳои хокистарӣ) ва барои насли оянда барқарор карда мешаванд.

Таъсис, нигоҳдорӣ ва нест кардани изҳои геномӣ ҳангоми таҳияи муш. Изҳо бо усули мушаххаси ҷинс дар хати баркамол (давраҳои сабзи сабз) ҳангоми рушд ба даст оварда мешаванд, бо осори падарӣ (хромосомаҳои кабуд) ҳангоми таваллуд ва осори модарӣ (хромосомаҳои гулобӣ) пас аз таваллуд муқаррар карда мешаванд. Ин осорҳо сарфи назар аз тағироти глобалии метилизатсияи ДНК, ки пас аз бордоршавӣ ба амал меоянд, нигоҳ дошта мешаванд, ки онҳо деметилизатсияи фаъоли геноми падарӣ ва деметилизатсияи пассивии геноми модариро дар бар мегиранд. Ин изҳо дар бофтаҳои соматикӣ дар тӯли камолот нигоҳ дошта мешаванд. Дар ҳуҷайраҳои ҷинсии ибтидоӣ (PGCs, доираҳои сабзи торик), изҳо нест карда мешаванд (хромосомаҳои хокистарӣ) ва барои насли оянда барқарор карда мешаванд.

Пас аз бордоршавӣ, сарфи назар аз дубора барномарезии васеи геном ва деметилизатсияи ДНК, ки дар ин вақт рух медиҳад, изҳои хоси волидайн бояд нигоҳ дошта шаванд (Бартоломей ва Фергюсон-Смит, 2011). Илова ба амали нигоҳдории ДНК methytransferase DNMT1, ки риштаи нав синтезшудаи ДНК -ро метилизатсия мекунад, эҳтимол дорад эътирофи беназир cis- пайдарпаии амал аз ҷониби транс-омилҳои амалкунанда муҳофизатро аз дубора барномарезии пас аз бордоршавӣ таъмин мекунанд. Масалан, омили модарии PGC7 (инчунин бо номи STELLA ё DPPA3 маълум аст) дар нигоҳ доштани метилизатсияи ДНК дар ҷанини барвақтии муш нақши умумӣ мебозад, ки бо таъсири мутақобила бо гистони диметилизатсияшуда 3, лизини 9 амал мекунад (Накамура ва дигарон, 2012). Илова бар ин, ба назар мерасад, ки протеини ангушти гомолог 57 (ZFP57) дар танзими генҳои чопшуда нақши мушаххасе мебозад. ZFP57 мутатсияҳо дар беморони муваққатии диабети навзод муайян карда шуданд ва бо метилизатсияи ноқиси ДНК дар якчанд ҷойҳои чопшуда алоқаманданд (Mackay et al., 2008). Дар асоси ин, Zfp57 мушҳои бефоида нишон медиҳанд, ки дар бисёре аз одамон, аммо на ҳама, маҳалли ҷойгиршавӣ сабт шудааст (Ли ва дигарон, 2008). Эҳтимол аст, ки дигар протеинҳои ҳанӯз муайяннашуда низ метилизатсияи ДНК-ро дар ICR дар ҷанини барвақт нигоҳ доранд.

Ниҳоят, барои анҷом додани давраи импринтинг, намунаи соматикии осори дупадарӣ дар ҳуҷайраҳои ҷанини ибтидоӣ (PGCs), ки аз ҳуҷайраҳои соматикӣ дар ҷанини аввали ҷанин гирифта мешаванд, нест карда мешавад. Гарчанде ки ин раванди тозакунӣ ба таври кофӣ дарк карда нашудааст, чунин ба назар мерасад, ки осорҳо тавассути як қатор рӯйдодҳои фаъол ва ғайрифаъол, аз ҷумла онҳое, ки бо таъсири оилаи даҳ-ёздаҳ транслокатсияи (Тет) диоксигеназаҳои метилцитозин, ки оксидшавии 5-ро катализ мекунанд, гум мешаванд. метилцитозин ба 5-гидроксиметилцитозин (Dawlaty et al., 2013 Hackett et al., 2013 Yamaguchi et al., 2013), инчунин амали техникаи таъмири ДНК (Пастор ва дигарон, 2013). Ғайр аз он, метилизатсияи ДНК-и нав репликашуда аз ҷониби DNMT1 дар PGCs, эҳтимолан бо фишори Uhrf1, омили муҳим барои ҷалби DNMT1 ба фокусҳои такрорӣ (Kagiwada et al., 2012).


Мавод ва усул

Гибридҳои F1 тавассути убури мутақобилаи штампҳои муши C57Bl/6J ва PWK/PhJ тавлид шудаанд. Бофтаҳои ғадуди шир аз мушҳои F1 дар LD-15 ҷамъоварӣ ва ҷудо карда шуданд. Дар маҷмӯъ, панҷ гибриди C57BL/6 × PWK/PhJ F1 ва чор гибридии PWK/PhJ × C57BL/6 F1 интихоб карда шуданд. Ҳама расмиёти таҷрибавӣ ва нигоҳубини ҳайвонот ва коркарди он тибқи протоколҳое, ки Кумитаи этикаи Институти зоологияи Кунминг тасдиқ кардааст, анҷом дода шуданд.

Истихроҷ ва пайдарпайии РНК

РНК -и умумӣ бо истифода аз реагенти TRIzol (Life Technologies) истихроҷ карда шуд. Консентратсияи РНК ва таносуби A260 nm/A280 nm бо спектрофотометр NanoDrop ND-1000 (Thermo Scientific) чен карда шуданд. Намунаҳои РНК дар платформаи Illumina X-Ten мувофиқи протоколҳои муайяншуда барои омодасозии намунаи mRNA пайдарпай ҷойгир карда шуданд.

Ҳамоҳангсозӣ ва супоришро хонед

Хонишҳои пайдарпай бо истифода аз Trimmomatic (v0.36) сифат назорат карда шуданд (Болгер ва дигарон, 2014). Барои беҳтар кардани сифати ҳамоҳангсозӣ ва кам кардани ғаразҳое, ки дар натиҷаи фарқият дар масофаҳои генетикӣ байни геномҳои волидайн ва пайдарпаии истинод ба вуҷуд омадаанд, мо стратегияи таҳлили қаблиро мутобиқ кардем (Кроули ва дигарон, 2015) тавассути мувофиқ кардани хонишҳои пайдарпай ба “псевдогеномҳои” волидайн. Баъдтар, мо пилапелҳо ва таваққуфкунандагонро истифода бурдем, то координатаҳои ҳар як натиҷаи харитаро ба геномаи истинод mm10 интиқол диҳем ва пайдоиши волидайнро муайян кунем (Хуанг ва дигарон, 2014). IG -ҳо бо истифодаи скрипти ISoLDE мувофиқи ҷараёни кории тавсияшуда бо остона ва/ё усулҳои пешфарз муайян карда шуданд (агар зиёда аз 3 × 2 нусха мавҷуд бошанд). Таъиноти хондани волидайн ва муайян кардани IG дар маводи иловагӣ тавсиф шудааст.

Маълумоти RNA-seq аз хати ҳуҷайраи HC11 мустақиман бо геномаи муш (mm10) бо истифода аз Hisat2 (Kim et al., 2019) бо файли аннотатсияи генҳои Ensembl (Варақаи 96) пас аз назорати сифати хониш харит карда шуд. Қубури featureCounts барои тавлиди ҷадвали ҳисобҳои хондан дар сатҳи ген истифода мешуд (Liao et al., 2014). Таҳлили ифодаи дифференсиалӣ бо истифода аз edgeR гузаронида шуд (Робинсон ва дигарон, 2010).

Файли тавзеҳи транскриптом

Gene annotation file for IGs identification was generated by merging three annotation sources, i.e. the Ensembl ( Wang et al., 2011), RefSeq ( Andergassen et al., 2017), and transcripts newly assembled using RNA-seq data from the hybrid individuals sequenced in this study and RNA-seq data from Andergassen et al. (2017). Details are described in the Supplementary material .

The priori IGs were retrieved from www.geneimprint.com and www.har.mrc.ac.uk/research/genomic_imprinting. Information on protein coding gene-associated GOBP terms was retrieved from the Ensembl BioMarts database for GSEA.

ScRNA-seq data analysis

The scRNA-seq data were downloaded from the NCBI GEO database released from Walid T. Khaled’s lab ( Bach et al., 2017). The input files were preprocessed using the Seurat package (v3.1) ( Stuart et al., 2019). Cells were quality controlled by the total number of genes, unique molecular identifiers, and percentage of molecules mapped to mitochondrial genes. Cells underwent preliminary dimensionality reduction (linear and non-linear dimensional reductions were performed by RunPCA and RunUMAP, respectively) to remove non-epithelial cells using corresponding cell markers (e.g. epithelial cells: Epcam, Cd24a, Cd29, Krt14, and Krt18 immune cells: Cd74, Cd72, and Cd54 endothelial cells: Eng, S1pr1, and Emcn and pericyte cells: Des and Cspg4). Clusters that showed high expression of different epithelial lineage markers (e.g. clusters that expressed basal and luminal markers concurrently) were classified as doublet clusters and were removed to reduce potential impact on bioinformatics calculations ( Bach et al., 2017). Finally, the MaSC, basal, myoepithelium, and luminal cells were included for downstream analysis. The scRNA-seq data only sequenced a small fraction of transcripts present in each cell, which can result in unreliable quantification of genes with low or moderate expression and can thus hinder downstream analysis ( Huang et al., 2018), including PCC analysis between gene pairs. Hence, we used SAVER to recover gene expression. To reduce computational burden and time consumption, we re-sampled 500 cells from each lineage if feasible. In total, 3843 cells were used for gene expression recovery and downstream PCC calculation.

Functional annotation of IGs using GSEA

PCCs between each gene were calculated in R using the Hmisc package. Genes significantly correlated (П ≤ 0.01) with specific IGs were ranked by PCCs and were chosen for GO enrichment assessment using the fgsea package ( Sergushichev, 2016), which meant using the ranked PCCs instead of ranked logFC for downstream analysis. We established an association matrix between the IGs and significant GOBP gene sets (П ≤ 0.01), with 1, −1, and 0 corresponding to positive, negative, and no significant correlation, respectively. The heatmap of GO enrichment was plotted using pheatmap in R.

IGN construction

The co-regulation or co-expression modules of IGs were analyzed using Monocle-3 and WGCNA, respectively. The gene expression matrix recovered by SAVER was used for this analysis. For Monocle-3, find_gene_modules were used for module construction with default parameters. For WGCNA, the co-expression profile was calculated with appropriate parameters (e.g. softPower = 12, type=‘signed’, MEDissThres = 0.7) using step-by-step network construction and module detection strategies. The IGs distributed in each module were then retrieved. The connectivity between each IG was calculated three ways: (i) Directly using an appropriate cut-off value (e.g. |PCCs| ˃ 0.4 and П < 0.01) (ii) Constructing connectivity using WGCNA and ‘threshold = 0.1’ to export the network to Cytoscape (iii) Using mutual rank (MR) cut-off (MR < 575). The calculation of MR and construction of IGN is described in the Supplementary material . The connections within the network were demonstrated by Cytoscape. The biological functions of the sub-networks were analyzed using DAVID with the corresponding linked non-IGs in each sub-network, respectively. For each IG, the indicated biological functions were inferred by co-expressed non-IGs using the enrichGO and enrichKEGG functions in clusterProfiler ( Yu et al., 2012).

Dome formation assay

The HC11 cells were grown in RPMI-1640 medium supplemented with 10% fetal bovine serum (FBS), 5 μg/ml insulin, 5 μg/ml gentamicin sulfate, and 10 ng/ml epidermal growth factor (EGF). For lactogenic differentiation assay, confluence HC11 cells were starved for 24 h without EGF, followed by the addition of DIP medium (1 μM dexamethasone, 5 μg/ml insulin, and 5 μg/ml prolactin).

Иммунофлуоресцент

Mammary glands at different developmental stages were fixed in 4% paraformaldehyde (PFA) and embedded in paraffin. For immunofluorescence, sections were rehydrated in graded alcohol, with antigen retrieval then carried out in 10 mM sodium citrate buffer for 20 min. The slides were blocked for 2 h in 10% goat serum, then incubated with primary antibodies at 4°C overnight. Slides were washed with phosphate-buffered saline (PBS) three times (5 min each time) and incubated with secondary antibodies for 1 h at room temperature. The primary antibodies used were Sgce (1:100, Abcam) and Ube3a (1:100, Proteintech) and the secondary antibody used was fluorescein-labeled anti-rabbit (1:200, KPL).

QRT-PCR

Total RNA was extracted using TRIzol reagent and then converted to cDNA using a PrimeScript™ RT reagent kit in accordance with the provided instructions. After this, qRT-PCR was performed on a QuantStudio 3 instrument using SYBR Green PCR Master Mix. Primer sequences used for qRT-PCR analysis are listed in Supplementary Table S4 .

Mammosphere formation assay

MaSCs can be maintained and passaged in vitro as spheres cultured in suspension and mammosphere counts can represent self-renewal ability ( Guo et al., 2012). Mammary gland epithelial cells were cultured as is reported previously ( Chakrabarti et al., 2012). The primary mammary gland epithelial cells were transfected with vectors and then plated into 96-well, ultra-low attachment plates at a density of 20000 cells/ml and then incubated at 37°C for 2 weeks. After this, the number of mammospheres was counted.

Transplantation assay

The single-cell suspension of mammary epithelial cells with Sgce knockdown was prepared for injection into cleared fat pads. The transplantation assay was performed with different numbers of Sgce knockdown mammary primary cells re-suspended in 50% PBS and 50% Matrigel. The MaSC frequency was calculated using extreme limiting dilution assay (ELDA) ( Lim et al., 2010).

ChIRP assay

Triplex forming oligonucleotide (TFO) information was retrieved from the LongTarget website (http://lncrna.smu.edu.cn/show/download) ( Liu et al., 2017). The RNA sequences at position 4–50 nt (TFO1) and 1870–1926 nt (TFO2) of H19 labeled with biotin were used. This assay was performed following previously published protocols ( Postepska-Igielska et al., 2015) and our earlier research ( Wang et al., 2018). In this assay, cell nuclei of HC11 cell line were sonicated (20 cycles, 30 sec ON and 45 sec OFF) and spun at 10000 rpm for 5 min at 4°C.

Дастрасии маълумот

The raw sequence data reported in this paper were deposited in the Genome Sequence Archive ( Wang et al., 2017a) in the BIG Data Center, Beijing Institute of Genomics (BIG), Chinese Academy of Sciences, under accession numbers CRA001791 and CRA002258, which are publicly accessible at http://bigd.big.ac.cn/gsa. The accession numbers of other data adopted from the NCBI GEO and SRA data repository are GSE106273 and SRP067322, respectively.


Imprinted genes control maternal resource allocation during pregnancy and lactation

This selective pressure for the imprinting of a gene has acted almost exclusively at the maternal–offspring interface, giving imprinted genes a unique role in influencing maternal resource allocation. Maternal resource allocation is dependent on both the conceptus and the mother, and the role of imprinted genes reflects this, with imprinted gene action affecting both and involved in communication between the two. Imprinted genes that act in the conceptus to modulate maternal energy supply can be further subdivided into those acting in the placenta and those acting in the fetus.

Fetal resource acquisition via the placenta

The rate at which nutrients can be supplied to the developing fetus is dependent upon the placenta. The primary substrate for fetal growth is glucose. Maternal–fetal glucose transfer is mediated by multiple factors, including the maternal–fetal blood glucose concentration gradient, the rate of blood flow and the placental glucose transporter density (Hay, 1991). Placental amino acid transport to the fetus from the maternal circulation operates against a concentration gradient and is an energy-dependent process requiring specialised transporter proteins (Hay, 1991).

Imprinting has been most extensively studied in humans and mice. These organisms share similar placental physiology: both use a hemochorial placenta where the maternal blood travels through sinusoidal spaces lined by trophoblast cells, rather than an endothelium, allowing for more efficient nutrient transfer (reviewed in Rai and Cross, 2014). The distinct populations of cells in the placenta, the trophoblast and the extraembryonic mesoderm, differentiate early in embryogenesis with the trophoblast cells invading the maternal uterine decidua following fertilisation. In mice, at mid-gestation the definitive placenta is formed by intercalation of the extraembryonic mesoderm (which will form the embryonic vasculature) with trophoblast cells that channel maternal blood flow through the placenta. The portion of the placenta where maternal and fetal circulation is closely opposed is known as the labyrinth in mice. The trophoblast further differentiates into multiple cell types that have both endocrine and energy-storage properties (Rai and Cross, 2014).

The action of imprinted genes on placental development and nutrient transport capacity is well established and has been reviewed extensively (Fowden et al., 2011 Monk, 2015). Most imprinted genes are monoallelically expressed in the placenta, and have been shown to control early developmental processes that establish the organ [e.g. Peg10 (Ono et al., 2006)]. In addition, imprinted gene products can modulate labyrinth size and the surface area for exchange [Igf2 (Sibley et al., 2004) and Growth factor bound protein 10 (Grb10 Charalambous et al., 2010)] as well as vascular branching density [Aquaporin (Guo et al., 2016)]. Placental imprinted genes can also directly influence maternal physiology by controlling the differentiation of the trophoblast-derived endocrine cells (reviewed in John, 2017).

Imprinted genes involved in fetal resource acquisition

Nutrient uptake from maternal tissues and fetal growth rates are interconnected processes (Hay, 1991). Imprinted genes can act directly on fetal growth-promoting pathways and, thus, increase the demand for maternal resources. The IGF pathway is a major fetal growth-promoting pathway and includes two key components encoded by imprinted genes (Igf2 ва Igf2r DeChiara et al., 1991 Lau et al., 1994 Wang et al., 1994). Fetal growth is also restrained by imprinted genes, including the Cyclin-dependent kinase inhibitor 1C [Cdkn1c (Tunster et al., 2011)] and Grb10 (Charalambous et al., 2003). Grb10 encodes an adapter protein that acts downstream of tyrosine-kinase receptors to inhibit signalling, and is a crucial auto-regulatory component of the nutrient-sensing mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway (Hsu et al., 2011 Yu et al., 2011). Grb10 may act in the same signalling pathway as the fetal growth promoter Delta-like homologue 1 (Dlk1 Madon-Simon et al., 2014). Dlk1 is a paternally expressed gene encoding a single-pass transmembrane protein that can be cleaved to produce a soluble form that circulates in the blood (Smas et al., 1997). Dlk1 expression levels in the embryo are positively correlated to embryonic mass in the second half of gestation (Cleaton et al., 2016). Dlk1 deletion causes growth retardation (Cleaton et al., 2016 Moon et al., 2002) and overexpression causes overgrowth independently of the placenta (da Rocha et al., 2009). The signalling pathway by which DLK1 acts has yet to be elucidated. However, DLK1 from the fetus is secreted into the maternal circulation and acts to modify the pregnancy-specific response to nutrient restriction (Cleaton et al., 2016).

In summary, imprinted genes in the conceptus produce products that alter maternal resource allocation by: (i) altering the transport capacity of the placenta (ii) increasing fetal demand for resources by their action on the intrinsic growth rate and (iii) signalling to the mother by the production of fetal/placental hormones that modify maternal metabolism.

Energy homeostasis and resource allocation during pregnancy

The energetic cost of pregnancy is distributed amongst three compartments, i.e. the energy invested in the products of conception, the energy deposited as adipose tissue in the mother and the energy required to maintain these new tissues (Thomson and Hytten, 1961). Well-nourished humans and rodents accumulate adipose tissue reserves during pregnancy in the first half of gestation (Herrera and Ortega-Senovilla, 2014 King, 2000). The total cost of pregnancy is correlated with pre-pregnancy fatness – individuals with a higher body mass index (BMI) gain more weight during pregnancy, both the adipose tissue reserve and conceptus mass (Prentice and Goldberg, 2000). This suggests that adipose reserves in the mother can produce a signal to the body that directs the level of nutritional allocation after conception (Prentice and Goldberg, 2000). Leptin and other adipokines are ideal candidates for such signalling molecules.

Leptin, a cytokine secreted exclusively by adipose tissue in proportion to adipose mass, is a major determinant involved in signalling the status of the energy reserve to central pathways controlling appetite, energy expenditure and reproductive behaviour (van Swieten et al., 2014). The action of leptin on the hypothalamic control of energy homeostasis is complex, and a detailed description is beyond the scope of this Review. Briefly, leptin signals to its receptors expressed on the surface of first-order neurons in the arcuate nucleus of the hypothalamus (ARH). Two populations of neurons in the ARH have been well defined – the orexigenic neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AGRP) neurons, which are inhibited by leptin, and the anorexigenic pro-opiomelanocortin (POMC) neurons, which are activated by leptin (reviewed in van Swieten et al., 2014). These neurons project to secondary hypothalamic sites, such as the paraventricular nucleus (PVN), which controls feeding behaviour, and the dorsomedial hypothalamus (DMH), which regulates the level of sympathetic neuronal activity. A crucial intermediate signalling molecule is the neuropeptide α-melanocyte-stimulating hormone (αMSH), which is secreted by POMC neurons and acts on melanocortin receptors to mediate downstream actions of leptin (van Swieten et al., 2014). AGRP antagonises αMSH. Simply, a high leptin level from adequate adipose stores suppresses appetite by deactivating orexigenic neuronal pathways, and increases energy expenditure by increasing activity and sympathetic neuronal activity. Increased sympathetic neuronal activity in turn increases body temperature by activating the expression of thermogenic genes in brown and beige adipose tissue (van Swieten et al., 2014). Low stores of adipose result in an opposite series of responses. Taken together, these mechanisms maintain a homeostatic ‘set point’ that maintains body weight within a narrow range.

Genetic and environmental modulations of leptin signalling pathway components can cause alterations to the value of these set points, or cause a failure to achieve homeostasis. For example, the pups of mice exposed to a high-fat maternal diet during the perinatal period fail to establish neuronal connectivity between the ARH and PVN, resulting in altered body composition and a predisposition to metabolic disease as adults (Vogt et al., 2014). Leptin-deficient (об/об) mice and people with mutations in components of the central melanocortin pathway are hyperphagic and obese – maintaining a higher body weight set point owing to leptin deficiency or resistance (reviewed by Farooqi and O'Rahilly, 2014).

Elegant studies utilising timed leptin-replacement therapy in об/об mice have demonstrated that this adipokine has a broad role in reproduction (Malik et al., 2001). Leptin signalling is required for fertility [by controlling gonadotrophin release (Padilla et al., 2017)], conception and implantation. Moreover, leptin is required during the perinatal period for lactation and for appropriate maternal behaviours following parturition (Malik et al., 2001).

Pregnancy is associated with leptin resistance. Circulating levels of leptin rise in the maternal blood in the second half of pregnancy however, the expression of orexigenic peptides NPY and AGRP in the ARH remain stable. Moreover, injecting pregnant rats with leptin does not suppress food intake or activate downstream αMSH pathways (Ladyman et al., 2010). The leptin resistance of late pregnancy is thought to be mediated by placental secretion of hormones, specifically the prolactin and placental lactogen family of molecules. Intracerebroventricular injection of prolactin into female rats mimics the leptin resistance of pregnancy, and prolactin receptor expression is widespread in the hypothalamic areas associated with energy homeostasis (Ladyman et al., 2010). Consistently, global deletion of the prolactin receptor in mice causes changes to glucose homeostasis during pregnancy however, the contribution of leptin signalling to this phenotype has yet to be explicitly tested (Rawn et al., 2015). Therefore, interactions between placental hormone secretion and central leptin sensitivity are crucial for an appropriate maternal response to pregnancy.

A second adipokine, adiponectin, has important functions during pregnancy. Adiponectin is secreted from adipocytes according to their size and acts on multiple tissues, predominantly to increase insulin sensitivity (Stern et al., 2016). Adiponectin levels drop in both rodent and human pregnancy and remain low during lactation (Combs et al., 2003 Howell and Powell, 2017). Low adiponectin levels during the second half of gestation are thought to increase maternal insulin resistance, thus reducing maternal glucose uptake and increasing the maternal–fetal glucose concentration gradient in favour of fetal uptake. Consistent with this, obese pregnant women and rodents who are insulin resistant give birth to large babies and have further reduced adiponectin levels (Howell and Powell, 2017). Furthermore, supplementing obese mice with adiponectin during pregnancy can reverse both maternal insulin resistance and fetal overgrowth (Aye et al., 2015).

Experiments utilising deletion and overexpression models in mice have demonstrated that imprinted genes have important roles in energy homeostasis – resulting in altered steady-state levels of adiposity, adipokine production and sensitivity. However, many of these phenotypic alterations have not yet been tested directly for their contributions to the outcome of pregnancy, and adipokine levels during pregnancy have been measured for only very few imprinted gene manipulations (available data for murine models published to date are summarised in Table 2).

Murine models of imprinted gene regulation with details of energy homeostasis and maternal reproductive phenotypes and adipokine levels


Questions to answer & to ponder:

  • How might asymmetries be generated in the zygote?
  • How could two cells that express the same set of transcription factors, express different genes?
  • In terms of transcription factors and chromatin packing, why is it difficult to reverse differentiation?
  • Why might the organism want to reduce the number of stem cells it contains?
  • Based on your understanding of the control of gene expression, outline the steps required to reprogram a nucleus so that it might be able to support embryonic development.
  • What is necessary for cells to become different from one another - for example how do muscle cells and skin cells come to be different from one another?
  • What are the main ethical objections to human cloning? What if the clone were designed to lack a brain, and destined to be used for "spare parts"?

EPIGENETIC REGULATION AND MAMMALIAN GENOMIC IMPRINTING

Epigenetic mechanisms are heritable modifications to DNA and chromatin that do not involve changes in the DNA sequence itself but which can modulate gene expression and genome function [20, 21]. At the molecular level, epigenetic regulation involves chemical modifications to DNA such as methylation and hydroxymethylation, and to the histone proteins around which the DNA is wrapped, including acetylation, methylation, phosphorylation, and ubiquitylation and noncoding RNA (ncRNAs) action. It is becoming apparent that epigenetic modifications to developmental genes are very important cell-intrinsic programs that can interact with transcription factors and environmental cues to modulate cell maintenance and differentiation [22]. Indeed, epigenetic mechanisms seem to provide means for coordinately activating and repressing arrays of genes at specific steps in a differentiation pathway [23, 24].

During mammalian development, the vast majority of genes are expressed or repressed from both alleles. However, there are a small number of genes known as imprinted genes that are expressed monoallelically from either the maternally or paternally inherited chromosome [25]. Approximately 150 imprinted genes have been described in mammals (for a complete list, see http://www.mousebook.org/mousebook-catalogs/imprinting-resource) and are generally organised in clusters, although examples of singleton imprinted genes do exist [26, 27]. These clusters typically contain at least one ncRNA and both maternally and paternally expressed imprinted genes. An imprinting cluster is usually under the control of a DNA element called the imprinting control region (ICR), which consists of a differentially DNA-methylated region (DMR) on the two parental chromosomes (Fig. 2a). Thus, ICRs can be divided into those which are methylated on the paternally-inherited copy and those with maternally-inherited methylation. Imprints are usually established in the germline [28] and the deletion of a germline-derived ICR results in a loss of imprinting of multiple genes in the cluster [25] (Fig. 2b).

Imprinted genes are located in clusters that are under the control of the imprinting control region (ICR). (a) Mammalian somatic cells contain a maternally-inherited chromosome (pink) and a paternally-inherited chromosome (blue). Imprinted genes are located in clusters and can be expressed in the maternally-inherited chromosome and repressed from the paternally-inherited chromosome (green box A), or expressed in the paternally-inherited chromosomes and repressed from the maternally inherited chromosome (red box B). Imprinting in the cluster is regulated by a DNA element called the imprinting control region (ICR) that has differentially-methylated regions (DMRs) on the two parental chromosomes. (b) Mutations in the ICR can modify imprinting, thus affecting several genes in the cluster and resulting in a switch in the expression patterns with the paternally-inherited chromosome, thereby acquiring an epigenotype typical in the maternally-inherited chromosome, or vice versa.

There are also somatic or secondary DMRs that acquire their DMR status after fertilization. Somatic DMRs directly depend on the presence of a germline DMR [28]. Mapping experiments and germline DMR deletion experiments in mice demonstrate that the primary ICRs are essential to establish monoallelic expression and the secondary somatic DMRs play important roles in maintaining imprints [29–31].

It is well established that these parental-specific marks are assigned in the germline. At this time, both genomes are in distinct compartments and the modifications can be performed according to the sex of the transmitting gametes. During embryogenesis, the primordial germ cells (PGCs), which will give rise to the gametes, have the methylation patterns characteristic of somatic cells. However, in the genital ridges the imprints are erased during gamete formation to allow for re-establishment of new parental-specific marks (Fig. 3). After demethylation and differentiation of the PGCs, methylation is established at the ICRs in an allele-specific manner depending on whether the developing gamete is in the male or female germline. This occurs by a де ново methylation process catalysed by the DNMT3a DNA methyltransferase. DNMT3L is a regulatory co-factor of DNMT3a and is also required [32]. Maternal germline DMRs are found in gene promoters, whereas paternal germline DMRs are found in intergenic regions [28]. In male and female germ cells, DNA re-methylation occurs at different times of development. Paternal-specific methylation occurs prenatally in prospermatogonia before meiosis in the germline [33]. In contrast, maternal-specific ICR methylation takes place postnatally in growing oocytes [34]. We now know that many differentially-methylated regions are established in the germline. However, unlike imprints, they are not sustained after fertilisation [35]. Following fertilisation, a rapid, extensive reprogramming of the parentally-inherited genomes occurs and most DNA methylation is lost. However, the parental-specific imprint must be maintained during this period of dynamic epigenetic change and a memory of parental origin is propagated into daughter cells during somatic cell division (Fig. 3). Critical factors such as the Kruppel-like zinc finger protein ZFP57 protect imprints during the post-fertilisation epigenetic reprogramming period [36]. Somatic heritability is conferred by the DNMT1 DNA methyltransferase. DNMT1 acts with a maintenance function that recognizes newly replicated hemi-methylated DNA and places methylation on the newly replicated strand [37]. Indeed, DNMT1 and ZFP57 are repressed in PGCs, allowing new imprints to be established during gamete formation [38].

Establishment and maintenance of imprints during development. DNA methylation is erased in PGCs in the genital ridge. However, imprints are maintained in somatic cells throughout the organism’s lifetime. Imprints are acquired in a sex-specific manner in the germline: maternally and paternally-methylated ICRs gain DNA methylation in oocytes and sperm respectively for transmission to the next generation. Following fertilisation, the parental-specific imprints are maintained in the developing organism despite genome-wide reprogramming elsewhere. ZFP57 protects imprints during the post-fertilization epigenetic reprogramming period. DNMT3a and DNMT3L catalyse the де ново methylation process and DNMT1 participates in maintaining imprints in somatic tissues.


Teaching Resources & Other Classroom Activities

We believe that understanding the core concepts of epigenetic regulation discussed above is a critical learning objective for students, and below we discuss specific teaching strategies to achieve this. Most of the concepts covered in this review can be used to design a curriculum specific to epigenetics, as a unit in a college biology or human genetics course. This epigenetics unit will be most useful to students who have basic knowledge of chromatin structure and regulation of gene expression from introductory biology courses. Pedagogical tools such as in-class activities are excellent in helping students unpack some of the more challenging concepts in epigenetics. Several examples are provided here and can be scaled down in complexity for lower-division or introductory college courses. Finally, we believe that this review can also aid secondary biology teachers in designing an epigenetic unit and integrating it into their current curriculum.