Кіріспе
Ата-анасының тегіне байланысты гендердің экспрессиясы
Геномдық импринтинг – гендердің әйел немесе еркек ата-анадан мұраға алған-алмауына қарай экспрессиялануына немесе экспрессияланбауына себеп болатын эпигенетикалық құбылыс. Геномдық импринтинг түрлері саңырауқұлақтарда, өсімдіктерде және жануарларда дәлелденген. 2014 жылы егесіктерде (тышқандарда) шамамен 150 ген, ал адамдарда одан жартысына жуық ген белгілі болды. 2019 жылға қарай егесіктерде 260, ал адамдарда 228 импринттелген гендер тіркелді. Геномдық импринтинг – классикалық мендельдік мұрагерлікке тәуелсіз мұрагерлік процесі. Бұл эпигенетикалық процесс, ол генетикалық тізбекті өзгертусіз ДНК метилирлеу және гистон метилирлеуді қамтиды. Бұл эпигенетикалық белгілер ата-ананың гермдық жасушаларында (сперматозоидтар немесе жұмыртқа жасушалары) қалыптасады («импринттеледі») және организмнің соматикалық жасушаларындағы митоздық бөліну арқылы сақталады. Метилирлеудің бұзылуы еркектердің сүексіздігімен де байланысты. «Импринтинг» термині алғаш рет Pseudococcus nipae жәндігіндегі оқиғаларды сипаттау үшін қолданылды. Pseudococcids (құмырсқалар) (Hemiptera, Coccoidea) –да еркек және әйел дамуы ұрықтанған жұмыртқадан басталады. Әйелдерде барлық хромосомалар эухроматин күйде және функционалды болып қалады. Еркекке айналуға дайындалған эмбриондарда хромосомалардың бір гаплоидты жиынтығы алтыншы бөлінуден кейін гетерохроматинге айналады және көптеген тіндерде солай қалады; еркектер осылайша функционалды түрде гаплоидты болады.
Genomic imprinting is an epigenetic phenomenon that causes genes to be expressed or not, depending on whether they are inherited from the female or male parent. Forms of genomic imprinting have been demonstrated in fungi, plants and animals. In 2014, there were about 150 imprinted genes known in mice and about half that in humans. As of 2019, 260 imprinted genes have been reported in mice and 228 in humans. Genomic imprinting is an inheritance process independent of the classical Mendelian inheritance. It is an epigenetic process that involves DNA methylation and histone methylation without altering the genetic sequence. These epigenetic marks are established ("imprinted") in the germline (sperm or egg cells) of the parents and are maintained through mitotic cell divisions in the somatic cells of an organism. Methylation defects have also been associated with male infertility. The term "imprinting" was first used to describe events in the insect Pseudococcus nipae. In Pseudococcids (mealybugs) (Hemiptera, Coccoidea) both the male and female develop from a fertilised egg. In females, all chromosomes remain euchromatic and functional. In embryos destined to become males, one haploid set of chromosomes becomes heterochromatinised after the sixth cleavage division and remains so in most tissues; males are thus functionally haploid.
Сүтқоректілердің импринттелген гендері
Импринтинг сүтқоректілердің дамуының бір ерекшелігі болуы мүмкін екендігі хромосомалық транслокациялардың өзара ауысуы бар тышқандарды селекциялау тәжірибелерінде болжалданған. 1980 жылдардың басында тышқан циготаларының ядросын ауыстыру тәжірибелері қалыпты даму үшін аналық және аталық геномдардың қатысуы қажет екенін растады. Партеногенезден (екі аналық немесе жұмыртқа геномдары бар партеногенондар деп аталады) және андрогенезден (екі аталық немесе сперма геномдары бар андрогенондар деп аталады) алынған тышқан эмбриондарының көп бөлігі бластоцист/имплантация кезеңінде немесе одан бұрын өледі. Имплантациядан кейінгі кезеңдерге жеткен сирек жағдайларда гиногендік эмбриондар плаценталық дамуға қарағанда жақсы эмбрионалды дамуды көрсетеді, ал андрогендер үшін керісінше. Соңғылары туралы тек бірнеше жағдай сипатталған (1984 жылғы мақалада). Дегенмен, 2018 жылы геномды өңдеу екі аталық және тірі екі аналық тышқандарды, тіпті (2022 жылы) партеногенезді жасауға мүмкіндік берді, бірақ бұл толық қайта импринтингтен әлі де алыс. Соңында, 2023 жылдың наурыз айында тірі екі аталық эмбриондар жасалды. Импринттелген гендердің болуына байланысты сүтқоректілерде партеногенездің табиғи жағдайлары жоқ. Алайда, 2004 жылы жапондық зерттеушілер Igf2 генін басқаратын аталық метилирлеу белгісін эксперименттік түрде өзгерткенінің нәтижесінде екі аналық хромосома жиынтығымен тышқан (Кагуя деп аталды) дүниеге келді, бірақ бұл шынайы партеногенон емес, өйткені екі түрлі аналық тышқанның жасушалары қолданылды. Зерттеушілер бір аналықтан алынған жетілмеген жұмыртқаны пайдаланып, аналық импринтингті азайту және әдетте тек аталық геннің көшірмесінде экспрессияланатын Igf2 генін экспрессиялау арқылы сәттілікке жетті. Партеногенетикалық/гиногенетикалық эмбриондар аналықтан алынған гендердің экспрессия деңгейі екі есе жоғары, ал аталықтан алынған гендердің экспрессиясы жоқ, ал андрогендік эмбриондарда керісінше. Қазіргі кезде адамдар мен тышқандарда кем дегенде 80 импринттелген ген бар екені белгілі, олардың көпшілігі эмбриондық және плаценталық өсу мен дамуға қатысады. Екі түрдің араласуынан туған ұрпақтар импринттелген гендердің жаңа комбинациясының нәтижесінде ерекше өсуді көрсетуі мүмкін. Импринттелген гендерді анықтау үшін әр түрлі әдістер қолданылды. Шошқаларда Бишофф және авторлар ДНК микромассивтерін пайдаланып, партеноталар (2 аналық геном) мен бақылау ұрықтары (1 аналық, 1 аталық геном) арасындағы экспрессиялану деңгейінің айырмашылықтарын зерттеу үшін транскрипциялық профильдерді салыстырды. Түйе миының тіндерінің транскриптомын зерттеудің қызықты зерттеуі өзара айқасқан F1 гибридтерінен алынған РНК реттілігі арқылы 1300-ден астам импринттелген гендік локустарды (бұрын хабарланғаннан шамамен 10 есе көп) анықтады. Алайда, бұл нәтиже басқа зерттеушілер тарапынан күмәндалған, олардың пікірінше, бұл қате статистикалық талдаудың нәтижесінде шамадан тыс бағалау. Шаруашылық малдарында ұрықтың өсуі мен дамуына әсер ететін импринттелген гендердегі бір нуклеотидтік полиморфизмдер ірі қара, қой және шошқаның экономикалық маңызды өндірістік қасиеттерімен байланысты екені көрсетілді.
Импринттелген гендердің генетикалық картасы
Жоғарыда талқыланған гиногендік және андрогендік эмбриондардың қалыптасуымен бірге, тек әкелік немесе аналық көзден алынған кішкентай аймақтарды ғана қамтитын егешқұйрық эмбриондары да жасалды. Мұндай бір ата-аналық диссомиялардың тізбегі, геномның барлық бөлігін қамтитындықтан, импринтинг картасын құруға мүмкіндік берді. Егер бір ата-анадан мұрагерлікке көшкенде анық фенотипті тудырса, онда сол аймақтарда импринттелген ген(дер) бар. Келесі зерттеулер көрсеткендей, осы аймақтарда көбінесе көптеген импринттелген гендер кездеседі. Импринттелген гендердің шамамен 80% осы кластерлерде табылады, олар импринттелген домендер деп аталады, бұл үйлесімді басқару деңгейін көрсетеді. Соңғы кезде импринттелген гендерді анықтау үшін геномдық скринингтер бақылаудағы ұрықтардан және партеногенетикалық немесе андрогендік ұрықтардан алынған мРНК-ның дифференциалдық экспрессиясын, гендік экспрессияны профильдеу микроарраяларын, SNP генотипі микроарраяларын, транскриптомдық секвенирлеу және *in silico* болжамдау жүйелерін пайдаланды.
Жазу механизмдері
Жазу – динамикалық процесс. Әр ұрпақтан кейін жазбаны жою және қайта орнату мүмкін болуы керек, сондықтан ересек организмдегі гендер сол ересек организмнің ұрпақтарында да экспрессиялана алады. (Мысалы, аналық гендер, инсулин өндірісін бақылайтын гендер еркек организмде жазылып, бірақ осы гендерді мұра еткен еркектің кез келген ұрпағында экспрессияланады.) Сондықтан импринтингтің мәні ДНК тізбегіне емес, эпигенетикалыққа байланысты болуы керек. Жыныс клеткаларында жазба жойылады, содан кейін жеке тұлғаның жынысына қарай қайта орнатылады, яғни дамитын сперматозоидтарда (сперматогенез кезінде) әкелік жазба, ал дамитын жұмыртқа клеткаларында (оогенез) аналық жазба қалыптасады. Бұл жою және қайта бағдарламалау процесі қажет, осылайша жатыр клеткасының импринтинг статусы жеке тұлғаның жынысына сәйкес келеді. Өсімдіктер мен сүтқоректілерде жазбаны орнатуға қатысатын екі негізгі механизм бар: ДНК метилирлеу және гистон модификациялары. Жақында жасалған жаңа зерттеулер адамдарда плацента тініне тән және ДНК метилирлеуге тәуелсіз (геномдық импринтингтің негізгі және классикалық механизмі) жаңа мұраға берілетін импринтинг механизмін көрсетті. Бұл адамдарда байқалды, бірақ егешқұйрықтарда емес, бұл адамдар мен егешқұйрықтардың эволюциялық айырылысынан кейін, шамамен 80 миллион жыл бұрын дамуын көрсетеді. Бұл жаңа құбылыстың гипотетикалық түсіндірмелерінің арасында екі мүмкін механизм ұсынылды: жаңа плацентаға тән импринтингтелген локустарда импринтингті қамтамасыз ететін гистон модификациясы немесе, балама ретінде, трафобласттардың ерте дифференциациясы кезінде экспрессияланатын белгілі және белгісіз транскрипция факторы арқылы осы локустарға DNMT-нің тартылуы.
Реттеу
Импринттелген гендердің кластерлерде топтасуы оларға кодталмайтын РНК және дифференциалды метилирленген аймақтар (ДМР) сияқты ортақ реттеуші элементтерді бөлісуге мүмкіндік береді. Бұл реттеуші элементтер бір немесе бірнеше геннің импринттеуін басқаратын болса, олар импринтті бақылау аймақтары (ICR) деп аталады. 17-ші тышқан хромосомасындағы антисенс Igf2r РНК (Air) және 11p15.5 адам хромосомасындағы KCNQ1OT1 сияқты кодталмайтын РНК-ның экспрессиясы, олардың сәйкес аймақтарындағы гендердің импринттелуі үшін қажет екені көрсетілді. Дифференциалды метилирленген аймақтар, әдетте, цитозин және гуанин нуклеотидтеріне бай ДНҚ сегменттері болып табылады, онда цитозин нуклеотидтері бір данасында метилирленген, ал екіншісінде – жоқ. Күтілмегендей, метилирлеу міндетті түрде үнсіздікке алып келмейді; керісінше, метилирлеудің әсері аймақтың бастапқы күйіне байланысты.
Импринттелген гендердің функциялары
Геномдық импринтинг арқылы белгілі бір гендердің экспрессиясын бақылау териан сүтқоректілеріне (плаценталық сүтқоректілер мен сумкалы жануарларға) және гүлді өсімдіктерге ғана тән. Мелибагтарда (туысы: Pseudococcus) толық хромосомалардың импринтілеуі тіркелген. Тышқанның жатырдан тыс эмбрионалдық тіндерінде және барлық сумкалы жануарлардың тіндерінде Х хромосомасының белсенділігінің жоғалуы импринттік жолмен жүзеқашалады, онда әрқашан аталық Х хромосомасы белсенділігінен айырылады. Сүтқоректілердегі импринттелген гендердің көпшілігі эмбрионалды өсу мен дамуды, оның ішінде плацентаның дамуын бақылауда маңызды рөл атқарады. Басқа импринттелген гендер туғаннан кейінгі дамуға қатысады, емізу және метаболизм процестеріне әсер етеді.
Импринтингтің пайда болуы туралы гипотезалар
Кеңінен қабылданған геномдық импринтинг эволюциясы гипотезасы – «ата-аналар арасындағы қақтығыс гипотезасы». Геномдық импринтингтің туыстық теориясы деп те белгілі бұл гипотеза, импринтингке байланысты ата-ана геномдары арасындағы теңсіздіктің себебі әрбір ата-ананың гендерінің эволюциялық сәйкестігі тұрғысынан әртүрлі мүдделерінде екенін көрсетеді. Әкесінің импринтингті кодтайтын гендері, анасының есебінен ұрпақтың табысы арқылы үлкен сәйкестікке ие болады. Ананың эволюциялық міндеті көбінесе – ағымдағы және келесі ұрпақтарға жеткілікті қоректік заттармен қамтамасыз ете отырып, өзінің тіршілігі үшін ресурстарды сақтау болып табылады. Сәйкесінше, әкеден берілген гендер өсуді ынталандырады, ал анадан берілген гендер өсуді шектеуге бейім. Ұрықтанғаннан кейін ресурстардың аз берілуі және нәтижесінде ата-аналар арасындағы қақтығыстың азаюы байқалады. Позитивті Дарвин таңдауының нәтижесінде, антагонистік коэволюцияға байланысты, импринттелген гендердің шағын тобы тез эволюциялайды. Импринттелген гендердің көпшілігі микросинтенияның жоғары деңгейін көрсетеді және плаценталық сүтқоректілердің эволюциялық тармақтарында өте сирек дупликацияланады. Тағы бір гипотеза, кейбір импринттелген гендер ұрықтың дамуын және ананың тамақтану мен күтімді жақсарту үшін бірлесіп бейімделеді. Онда әкеден берілген гендердің бір бөлігі плацентада да, ананың гипоталамусында да бірдей экспрессияланады. Бұл ата-ана мен баланың бірлескен бейімделуінен туындаған селективті қысым арқылы жүзеге асырылады, нәрестенің өмірге жарауына ықпал етеді. Әкеден берілген 3 (PEG3) гені осы гипотезаға қолданылатын ген болып табылады. Бұл аргумент хромосомаларға эпигенетикалық әсерлердің бар екендігіне негізделген, олар тікелей ген экспрессиясына әсер етпейді, бірақ хромосоманың қай ата-анадан шыққанына байланысты. Хромосоманың ата-аналық тегіне байланысты эпигенетикалық өзгерістердің (ген экспрессиясына әсер ететіндері де, әсер етпейтіндері де) жиынтығы ата-аналық тектік әсерлер деп аталады және балапандардағы әкелік Х-инактивациясы, папоротниктердегі ата-аналық хроматидтардың кездейсоқ емес таралуы және тіпті ашытқыдағы жұптасу түрінің өзгеруі сияқты құбылыстарды қамтиды. Импринттелген гендер арасында вирустардың геномға енгізген гендері, яғни ретротранспозицияланған гендердің көптеп кездесуі байқалады. Сондай-ақ, ретротранспозицияланған ген басқа импринттелген генге жақын орналасса, ол осы импринтті қабылдауы мүмкін деген болжам бар.
Жазулы локус фенотиптік белгілері
Өкінішке қарай, импринттелген гендердің фенотипі мен генотипі арасындағы байланыс тек қана тұжырымдамалық сипатта болады. Бұл идея бір локустағы екі аллель негізінде құрылған және генотиптердің үш түрлі класын қамтиды. Өзара гетерозигота генотиптік класы импринтингтің генотип-фенотип арақатынасына қалай әсер ететінін түсінуге көмектеседі. Өзара гетерозиготалар генетикалық тұрғыдан эквивалентті, бірақ фенотиптік тұрғыдан теңдес емес. Олардың фенотипі генотиптің эквиваленттілігіне тәуелді болмауы мүмкін. Бұл генетикалық кластардың әртүрлілігін арттырып, импринттелген гендердің икемділігін кеңейтуге мүмкіндік береді. Бұл арту импринтингтің болуын анықтау үшін қажетті сынақтардың көлемін және әртүрлілігін де арттырады. Локус импринттелген болып анықталғанда, екі түрлі класс әртүрлі аллельдерді экспрессиялайды. Фенотиптік үлгілер аталық және аналық генотиптерден күтілетін әртүрлі экспрессияларға байланысты өзгереді. Әр түрлі ата-аналардан мұрагерлікке көшкен әртүрлі аллельдер әртүрлі фенотиптік қасиеттерге ие болады. Бір аллельдің фенотиптік құндылығы жоғарырақ, ал екінші аллель белсенді емес. Ин витро ұрықтандыру, оның ішінде ИКСИ, импринтингтік бұзылулардың қаупін арттырады, бұл қауіп коэффициенті 3,7 (95% сенімділік интервалы 1,4-ден 9,7-ге дейін) құрайды.
Ерлер тұқымсыздығы
Еркектерде H19 импринттелген генінің эпигенетикалық бұзылыстары еркектердің сүйексіздігімен байланысты анықталды. Шындығында, H19 импринттелген генінің метилирленуінің жоғалуы, баласыз еркектердің сперма үлгілерінде МТФР генінің промоторының гиперметилирленуімен байланысты екені байқалды. Сондықтан, егер біржатырлық дисомия орын алса және адам анасынан екі хромосоманы мұра алса, ген экспрессияланбайды және адам сүт безі мен жұмыртқа безі қатерлі ісігіне шалдығу қаупі артады.
Басқа
Импринтингке байланысты басқа жағдайлар Беквитт-Видеман синдромы, Сильвер-Рассел синдромы және псевдогипопаратиреозді қамтиды. Уақытша жаңа туған нәрестелердің диабеті де импринтингке қатысты болуы мүмкін. "Ізбелген ми гипотезасы" импринтингтің теңгерімсіздігі аутизм мен психоздың себебі болуы мүмкін деп тұжырымдайды.
Басқа жануарларда импринттелген гендер
Жәндіктерде импринтинг бүкіл хромосомаларға әсер етеді. Кейбір жәндіктерде аталық геном еркек ұрпақтарында толығымен белсенділігін жояды, осылайша жыныс анықталуына қатысады. Импринтингтің әсері басқа жәндіктердегі механизмдерге ұқсас, олар атадан мұрагерлік хромосомаларды еркек ұрпақта жояды, соның ішінде архенотокияға дейін. Әлеуметтік бал араларында ата-ананың тегі және аллельге тән гендер агрессивті мінез-құлықтың негізінде жатқан эпигенетикалық механизмдерді зерттеу үшін өзара будандастыру арқылы зерттелді. Плаценталы түрлерде ата-ана және ұрпақ арасындағы қақтығыс геномдық импринтинг сияқты стратегиялардың эволюциясына әкелуі мүмкін, яғни эмбриондар аналық қоректік заттардың жеткізілуін өзгертеді. Оны табуға бірнеше әрекет жасалғанмен, геномдық импринтинг танапидта, бауырымен жорғалаушыларда, құстарда және балықтарда табылған жоқ. Плаценталық бауырымен жорғалаушы – Pseudemoia entrecasteauxii геномдық импринтингтің болмауы қызығушылық тудырады, себебі геномдық импринтинг тірі туу және плацента арқылы қоректік заттардың тасымалдануының эволюциясымен байланысты деп есептелген. Сүт және ет малдары сияқты үй жануарларындағы зерттеулер импринтингтелген гендердің (мысалы, IGF2) бірқатар экономикалық белгілерге қатысты екенін көрсетті.
Тышқанның азық іздеу мінез-құлқы
Тышқандарда зерттелген азық іздеу мінез-құлқы, жынысқа қарай өзгешеленетін аллельдің экспрессиясына байланысты, бұл бүкіл денеде әртүрлі жыныстық импринтинг әсерін көрсетеді және экспрессияны басып оздырып, мінез-құлқына қалыптастырушы күш түсіруі мүмкін.
Өсімдіктердегі импринт гендері
Бұған ұқсас импринтинг құбылысы гүлді өсімдіктерде (ангиоспермдерде) де сипатталған. Жұмыртқа жасушасының ұрықтандырылуы кезінде, екінші, бөлек ұрықтандыру оқиғасы эндоспермді құрайды – бұл эмбрионнан тыс құрылым, эмбрионды сүтқоректілердің плацентасы сияқты қоректендіреді. Эмбрионнан өзгеше, эндосперм көбінесе екі аналық жасушаның бір еркек гаметамен бірігуінен пайда болады. Бұл триплоидты геномға алып келеді. Тұқымның дамуы үшін аналық және аталық геномдардың 2:1 арақатынасы маңызды болып көрінеді. Кейбір гендер екі аналық геномнан да экспрессияланады, ал басқалары – тек аталық геномнан ғана. Осы импринттелген гендер гүлді өсімдіктердегі триплоидтық тоқтату әсеріне жауапты болуы мүмкін, бұл диплоидтар мен автотетраплоидтардың арасындағы будандастыруды болдырмайды. Өсімдіктерде импринтинг гендерін анықтау үшін өзара шағылыстыру арқылы бірнеше есептеу әдістері ұсынылған.