Введение

Экспрессия генов в зависимости от родительского происхождения.
Геномный импринтинг – это эпигенетическое явление, которое определяет, будут ли гены экспрессироваться, в зависимости от того, унаследованы они от матери или от отца. Формы геномного импринтинга были продемонстрированы у грибов, растений и животных. В 2014 году было известно около 150 импринтированных генов у мышей и примерно вдвое меньше у людей. По состоянию на 2019 год у мышей было зарегистрировано 260 импринтированных генов, а у людей – 228. Геномный импринтинг – это процесс наследования, независимый от классического менделевского наследования. Это эпигенетический процесс, включающий метилирование ДНК и метилирование гистонов без изменения генетической последовательности. Эти эпигенетические метки устанавливаются ("отпечатываются") в зародышевой линии (сперматозоидах или яйцеклетках) родителей и поддерживаются в ходе митотических делений клеток в соматических клетках организма. Дефекты метилирования также связаны с мужским бесплодием. Термин "импринтинг" впервые был использован для описания явлений у насекомого *Pseudococcus nipae*. У псевдококцидов (меликокцидов) (Hemiptera, Coccoidea) и самцы, и самки развиваются из оплодотворенной яйцеклетки. У самок все хромосомы остаются эухроматическими и функциональными. В эмбрионах, предназначенных для развития в самцов, один гаплоидный набор хромосом становится гетерохроматинизированным после шестого деления и остается в таком состоянии в большинстве тканей; таким образом, самцы функционально гаплоидны.

Гены, отпечатанные у млекопитающих

Предполагалось, что импринтинг может быть особенностью развития млекопитающих, что было продемонстрировано в экспериментах по разведению мышей, несущих взаимные хромосомные транслокации. Эксперименты по трансплантации ядер в зиготы мышей в начале 1980-х годов подтвердили, что нормальное развитие требует вклада как материнского, так и отцовского геномов. Подавляющее большинство эмбрионов мыши, полученных в результате партеногенеза (называемых партеногенонами, с двумя материнскими или яйцеклеточными геномами) и андрогенеза (называемых андрогенонами, с двумя отцовскими или сперматозоидными геномами), погибают на стадии бластоцисты или имплантации, либо до нее. В редких случаях, когда они развиваются до стадий после имплантации, гиногенетические эмбрионы демонстрируют лучшее эмбриональное развитие по сравнению с развитием плаценты, в то время как для андрогенонов наблюдается обратная картина. Тем не менее, описано лишь небольшое количество последних (в статье 1984 года). Однако в 2018 году редактирование генома позволило получить жизнеспособных бипатерных и биматерных мышей, и даже (в 2022 году) добиться партеногенеза, хотя это все еще далеко от полного реимпринтинга. Наконец, в марте 2023 года были созданы жизнеспособные бипатерные эмбрионы. Естественных случаев партеногенеза у млекопитающих не существует из-за импринтированных генов. Тем не менее, в 2004 году экспериментальные манипуляции японских исследователей с отцовским метилированием, контролирующим ген Igf2, привели к рождению мыши (названной Кагуя) с двумя материнскими наборами хромосом, хотя это и не является истинным партеногеноном, поскольку использовались клетки двух разных самок. Исследователям удалось добиться успеха, используя яйцеклетку от незрелой самки, тем самым снизив материнский импринтинг, и модифицировав ее для экспрессии гена Igf2, который обычно экспрессируется только отцовской копией гена. Партеногенетические/гиногенетические эмбрионы имеют в два раза более высокий уровень экспрессии материнских генов и не экспрессируют отцовские гены, в то время как для андрогенетических эмбрионов наблюдается обратная ситуация. В настоящее время известно, что у человека и мыши насчитывается не менее 80 импринтированных генов, многие из которых участвуют в эмбриональном и плацентарном росте и развитии. Гибридное потомство двух видов может демонстрировать необычный рост из-за новой комбинации импринтированных генов. Для идентификации импринтированных генов используются различные методы. У свиней Bischoff и соавторы сравнили транскрипционные профили с помощью ДНК-микромассивов для изучения дифференциально экспрессируемых генов между партенотами (2 материнских генома) и контрольными плодами (1 материнский, 1 отцовский геном). Интересное исследование транскриптома тканей мозга мышей выявило более 1300 импринтированных генных локусов (примерно в 10 раз больше, чем сообщалось ранее) путем секвенирования РНК гибридов F1, полученных в результате взаимных скрещиваний. Однако этот результат был оспорен другими исследователями, которые утверждали, что это переоценка на порядок величины из-за ошибочного статистического анализа. У сельскохозяйственных животных однонуклеотидные полиморфизмы в импринтированных генах, влияющих на рост и развитие плода, были связаны с экономически важными продуктивными признаками у крупного рогатого скота, овец и свиней.

Генетическое отображение импринтированных генов

Одновременно с генерацией гиногенетических и андрогенетических эмбрионов, описанных выше, также генерировались эмбрионы мышей, содержащие лишь небольшие участки, происходящие либо от отцовского, либо от материнского источника. Создание серии таких унипарентальных дисомий, охватывающих в совокупности весь геном, позволило составить карту импринтинга. Участки, наследование которых от одного из родителей приводит к различимому фенотипу, содержат импринтированные гены. Последующие исследования показали, что в этих участках часто присутствует множество импринтированных генов. Около 80% импринтированных генов обнаруживаются в таких кластерах, называемых импринтированными доменами, что указывает на наличие скоординированного контроля. В последнее время для идентификации импринтированных генов широкомасштабные геномные скрининги использовали дифференциальную экспрессию мРНК из контрольных плодов и партеногенетических или андрогенетических плодов, гибридизированных к микроматрицам для профилирования экспрессии генов, аллель-специфическую экспрессию генов с использованием микроматриц генотипирования SNP, секвенирование транскриптома и алгоритмы in silico прогнозирования.

Механизмы отпечатков

Отпечатывание – это динамичный процесс. Должна быть возможность стирать и восстанавливать отпечатки из поколения в поколение, чтобы гены, отпечатанные у взрослого организма, могли экспрессироваться у его потомства. (Например, материнские гены, контролирующие продукцию инсулина, будут отпечатаны у самца, но будут экспрессироваться у любого из потомства самца, унаследовавшего эти гены.) Следовательно, природа импринтинга должна быть эпигенетической, а не определяться последовательностью ДНК. В зародышевых клетках отпечаток стирается и затем восстанавливается в соответствии с полом организма, то есть в развивающихся сперматозоидах (во время сперматогенеза) устанавливается отцовский отпечаток, а в развивающихся яйцеклетках (оогенезе) – материнский отпечаток. Этот процесс стирания и перепрограммирования необходим для того, чтобы статус импринтинга зародышевых клеток соответствовал полу организма. Как у растений, так и у млекопитающих, в установлении отпечатка участвуют два основных механизма: метилирование ДНК и модификации гистонов. Недавнее исследование предложило новый наследственный механизм импринтинга у человека, специфичный для ткани плаценты и не зависящий от метилирования ДНК (основного и классического механизма геномного импринтинга). Это было обнаружено у людей, но не у мышей, что указывает на развитие после эволюционного расхождения людей и мышей около 80 миллионов лет назад. Среди гипотетических объяснений этого нового явления предложено два возможных механизма: либо модификация гистонов, обеспечивающая импринтинг в новых, специфичных для плаценты отпечатанных локусах, либо, альтернативно, рекрутирование DNMT в эти локусы специфическим и неизвестным фактором транскрипции, который экспрессируется во время ранней дифференцировки трофобласта.

Регулирование

Группировка генов с импринтингом в кластеры позволяет им использовать общие регуляторные элементы, такие как некодирующие РНК и дифференциально метилированные области (ДМР). Когда эти регуляторные элементы контролируют импринтинг одного или нескольких генов, они называются областями контроля импринтинга (ICR). Показано, что экспрессия некодирующих РНК, таких как антисмысловая РНК Igf2r (Air) на 17-й хромосоме мыши и KCNQ1OT1 на 11p15.5 хромосоме человека, необходима для импринтинга генов в соответствующих регионах. Дифференциально метилированные области обычно представляют собой сегменты ДНК, богатые цитозином и гуанином, при этом цитозиновые нуклеотиды метилированы в одной копии, но не в другой. Вопреки ожиданиям, метилирование не обязательно приводит к репрессии; эффект метилирования зависит от исходного состояния региона.

Функции импринтированных генов

Контроль экспрессии определенных генов посредством геномного импринтинга уникален для террианских млекопитающих (плацентарных млекопитающих и сумчатых) и цветковых растений. Об импринтинге целых хромосом сообщалось у мучнистых червецов (род: Pseudococcus). Также установлено, что инактивация Х-хромосомы происходит импринтинго-зависимым образом в внезародышевых тканях мышей и во всех тканях сумчатых, где всегда замалчивается отцовская Х-хромосома. Большинство импринтированных генов у млекопитающих, как было обнаружено, участвуют в контроле эмбрионального роста и развития, включая развитие плаценты. Другие импринтированные гены вовлечены в постнатальное развитие, влияя на процессы вскармливания и метаболизм.

Гипотезы о происхождении импринтинга

Широко распространенной гипотезой эволюции геномного импринтинга является "гипотеза родительского конфликта". Также известная как теория родства в отношении геномного импринтинга, эта гипотеза утверждает, что неравенство между родительскими геномами, обусловленное импринтингом, является результатом различных интересов каждого родителя с точки зрения эволюционной приспособленности их генов. Гены отца, кодирующие импринтинг, получают большую приспособленность благодаря успеху потомства, в ущерб матери. Эволюционный императив матери часто заключается в сохранении ресурсов для собственного выживания, обеспечивая при этом достаточное питание текущему и последующим поколениям потомства. Соответственно, гены, экспрессируемые отцовским путем, как правило, стимулируют рост, в то время как гены, экспрессируемые материнским путем, как правило, ограничивают его. В ситуациях, когда после оплодотворения происходит относительно небольшой перенос ресурсов, и, следовательно, наблюдается меньший родительский конфликт. Небольшое число импринтированных генов быстро эволюционирует под действием положительного дарвиновского отбора, возможно, из-за антагонистической коэволюции. Большинство импринтированных генов демонстрируют высокий уровень сохранения микросинтении и подверглись очень небольшому количеству дупликаций в линиях плацентарных млекопитающих. Другая предложенная гипотеза заключается в том, что некоторые импринтированные гены действуют коадаптивно для улучшения как развития плода, так и материнского обеспечения питанием и заботой. В рамках этой гипотезы, подмножество отцовских экспрессируемых генов коэкспрессируется как в плаценте, так и в гипоталамусе матери. Это может быть результатом селективного давления со стороны родительско-детской коадаптации для повышения выживаемости потомства. Патернально экспрессируемый ген 3 (PEG3) – это ген, к которому может быть применима эта гипотеза. Данный аргумент основан на существовании эпигенетических эффектов на хромосомах, которые не влияют напрямую на экспрессию генов, но зависят от того, от какого родителя произошла хромосома. Эта группа эпигенетических изменений, зависящих от родительского происхождения хромосомы (включая как те, которые влияют на экспрессию генов, так и те, которые не влияют), называется эффектами родительского происхождения и включает такие явления, как инактивация отцовской Х-хромосомы у сумчатых, неравномерное распределение родительских хроматид у папоротников и даже переключение типа спаривания у дрожжей. Наблюдается избыточное представление ретротранспонированных генов, то есть генов, вставленных в геном вирусами, среди импринтированных генов. Также было предположено, что если ретротранспонированный ген вставляется рядом с другим импринтированным геном, он может просто приобрести этот импринт.

Печать локусов фенотипических сигнатур

К сожалению, связь между фенотипом и генотипом генов с отпечатками является исключительно концептуальной. Эта идея строится на основе двух аллелей в одном локусе, формируя три различных возможных класса генотипов. Класс генотипов реципрокных гетерозигот помогает понять, как отпечатывание повлияет на взаимосвязь между генотипом и фенотипом. Реципрокные гетерозиготы генетически эквивалентны, но фенотипически – нет. Их фенотип может не зависеть от эквивалентности генотипа. Это в конечном итоге может увеличить разнообразие генетических классов, расширяя гибкость генов с отпечатками. Это увеличение также потребует более широких возможностей и ассортимента тестов для определения наличия отпечатков. Когда локус идентифицируется как подверженный отпечатку, два различных класса экспрессируют разные аллели. Фенотипические проявления варьируются в зависимости от возможных экспрессий отцовских и материнских генотипов. Различные аллели, унаследованные от разных родителей, будут определять различные фенотипические признаки. Один аллель будет иметь большее влияние на фенотип, а другой будет подавлен. Экстракорпоральное оплодотворение, включая ИКСИ, связано с повышенным риском расстройств отпечатков, с отношением шансов 3,7 (95% доверительный интервал от 1,4 до 9,7).

Мужское бесплодие

Эпигенетические нарушения в гене H19 в сперме наблюдаются в связи с мужским бесплодием. Фактически, потеря метилирования гена H19 связана с гиперметилированием промотора гена MTHFR в образцах спермы от бесплодных мужчин. Следовательно, если происходит унипарентальная дисомия и человек наследует обе хромосомы от матери, ген не будет экспрессироваться, и у этого человека возрастает риск развития рака молочной железы и яичников.

Другое

Другие состояния, связанные с импринтированием, включают синдром Беквита-Видемана, синдром Сильвера-Рассела и псевдогипопаратиреоз. Транзиторный неонатальный диабет также может быть связан с импринтированием. "Гипотеза импринтированного мозга" предполагает, что нарушение баланса импринтирования может быть причиной аутизма и психоза.

Гены, отпечатанные у других животных

У насекомых импринтинг влияет на целые хромосомы. У некоторых насекомых весь отцовский геном у мужского потомства подавляется, и таким образом участвует в определении пола. Импринтинг производит эффекты, аналогичные механизмам у других насекомых, которые элиминируют отцовские хромосомы у потомства мужского пола, включая арренотокию. У социальных медоносных пчел родительское происхождение и аллель-специфичные гены изучались посредством реципрокных скрещиваний для исследования эпигенетических механизмов, лежащих в основе агрессивного поведения. У плацентарных видов конфликт между родителями и потомством может приводить к эволюции стратегий, таких как геномный импринтинг, позволяющих эмбрионам обходить материнское обеспечение питательными веществами. Несмотря на многочисленные попытки обнаружить его, геномный импринтинг не был найден у утконоса, рептилий, птиц или рыб. Отсутствие геномного импринтинга у плацентарной рептилии *Pseudemoia entrecasteauxii* интересно, поскольку считалось, что геномный импринтинг связан с эволюцией живорождения и транспорта питательных веществ через плаценту. Исследования на сельскохозяйственных животных, таких как молочный и мясной скот, показали, что импринтированные гены (например, IGF2) связаны с целым рядом хозяйственно-ценных признаков.

Поведение мыши в поисках пищи

На поведение поиска пищи у исследуемых мышей влияет полодиморфная экспрессия аллелей, указывающая на влияние перекрестного гендерного импринтинга, которое варьируется в разных тканях организма и может определять экспрессию и формировать поведение.

Гены, отпечатанные в растениях

Аналогичное явление импринтинга также описано у цветковых растений (ангиосперм). Во время оплодотворения яйцеклетки второе, отдельное событие оплодотворения приводит к образованию эндосперма – внезародышевой структуры, питающей эмбрион подобно плаценте у млекопитающих. В отличие от эмбриона, эндосперм часто формируется в результате слияния двух материнских клеток с мужской гаметой, что приводит к образованию триплоидного генома. Соотношение материнских и отцовских геномов 2:1, по-видимому, критически важно для развития семян. Некоторые гены экспрессируются из обоих материнских геномов, а другие – исключительно из единственной отцовской копии. Предполагается, что эти импринтированные гены ответственны за эффект триплоидного блока у цветковых растений, предотвращающий гибридизацию между диплоидами и автотетраплоидами. Было предложено несколько вычислительных методов для выявления генов импринтинга у растений на основе реципрокных скрещиваний.