Upload
bioinformaticsinstitute
View
92
Download
2
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
Молекулярная биология для биоинформатиков
• Академический университет
• Ефимова Ольга Алексеевна
ЭпигенетикаГеномный импринтинг.
Интерференция РНК.
«Генетика предполагает, а эпигенетика располагает». P. Medawar & J. Medawar
Лекция № 1Лекция № 111
Организация генома человека
•Гены – участки ДНК•ДНК образует комплексы с белками и формирует хромосомы•Каждая хромосома представлена 2-мя копиями – отцовской и
материнской•Т.о. каждый ген также представлен 2-мя копиями (аллелями) –
отцовской и материнской
mat pat mat pat
Биаллельная экспрессия
Моноаллельная экспрессия
Экспрессия генов
Моноаллельный характер экспрессии устанавливается эпигенетически
Черепаховый окрас кошек - результат случайной инактивации хромосомы Х
Геномный импринтинг (ГИ) –дифференциальная модификация отцовского и материнского генетического материала в процессе созревания гамет, следствием чего являются различия в экспрессии родительских аллелей как в процессе раннего эмбриогенеза, так и у взрослых особей
Волны эпигенетического репрограммирования генома млекопитающих
ДНК примордиальных половых клеток значительно метилирована; при миграции клеток в недифференцированные гонады в них наблюдается резкое деметилирование;реметилирование (метилирование de novo) ДНК половых клеток происходит на поздних стадиях созревания.
После оплодотворения уровень метилирования остается высоким в импринтированных генах, но резко снижается в неимпринтипрованных отцовских и материнских генах. К стадии бластоцисты уровень метилирования ДНК повышается.
Импринтированный ген - ген, который
дифференциально экспрессируется в зависимости от
материнского или отцовского происхождения.
Импринтированные гены в диплоидной клетке
млекопитающих обычно экспрессируются только с
одного аллеля.
mat pat
Эпигенотип (импринт) - совокупность модификаций, которые по-разному
маркируют родительские аллели и обеспечивают моноаллельный характер
экспрессии импринтированных генов на хромосомах отцовского или
материнского происхождения.
Пример:Материнская аллель экспрессируется, отцовская – нет (она импринтирована)
Сколько импринтированных генов в геноме человека?
Предполагают около 200
Известно около 100
http://www.geneimprint.com
Характерные черты импринтированных генов
1. Кластеризация Общие черты кластеров: 1) находятся на достаточно большом расстоянии; 2) наличие в кластере генов, экспрессирующихся только с отцовской или материнской хромосомы; 3) наличие генов, которые продуцируют нетранслируемую РНК.
2. Консервативность импринтинга Характер импринтинга генов H19, IGF2, p57KIP и SNRPN идентичен у человека и мыши.
3. Асинхронность репликации ДНК импринтированных генов Импринтированные гены имеют асинхронную репликацию, показанную в кластерах импринтированных генов с использованием гибридизации in situ.
4. Онтогенетическая и тканевая регуляция импринтинга. KvLQT1 экспрессируется с материнской аллели во всех тканях кроме сердца; E6-AP - экспрессируется биаллельно во всех тканях, а в мозге - только с материнской аллели; IGF2 имеет отцовскую экспрессию в большинстве тканей, но обе аллели экспрессируются в определенных структурах в течение развития мозга и в зрелом состоянии. Кроме того, IGF2 в процессе развития экспрессируется с трех различных промоторов.
5. Импринтированные гены кодируют как белки, так и нетранслируемые РНК. H19 кодирует РНК, аккумулирующуюся в больших количествах в течение развития фетальных тканей мезодермального и эндодермального происхождения. XIST. Транскрипция гена с инактивированной отцовской Х-хромосомы в экстраэмбриональных тканях заставляет предполагать регуляторную роль импринтированной РНК. IPW, PAR-SN, PAR1 и PAR5 экспрессируются с отцовской хромосомы и их продуктом является нетранслируемая РНК.
Фенотипические проявления геномного импринтинга
Андрогенез (мужской партеногенез) - диплоидный, хромосомы только отцовского происхождения
Гиногенез (женский партеногенез) диплоидный, хромосомы женского происхождения
Пузырный занос
Эмбриональная тератома
Частичный пузырный занос – 2 мужских набора хромосом и 1 женский
10 н.б.
Однородительская дисомия (ОРД=UPD) – наличие у потомков в кариотипе фрагментов или целых хромосом одного (материнского или отцовского) происхождения
Гетеродисомия – наследование потомком двух разных гомологов от одного родителя
Изодисомия – наследование двух репликационных копий одной из хромосом
47 типов ОРД-44 типа ОРД по 22 аутосомамматеринская (mat) и отцовская (pat)-3 типа по половым хромосомам UPDХmat, UPDXpat, UPDXYpat
Нерасхождение хромосом в мейозе
Механизмы формирования ОРД
Механизмы формирования ОРД
Возможные варианты однородительской дисомии у человека
ОРД по целым хромосомам или их фрагментам выявлены при анализе наследственной патологии и у человека.
материнская ОРД по хромосоме 2 => признаки дисэмбриогенеза и отставание в развитии;отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 6(q23 - q24) => неонатальный диабет;материнская ОРД по короткому плечу хромосомы 7 (GRB10) => синдром Сильвера – Рассела; материнская ОРД по хромосоме 14 => гипотония, черепно-лицевые аномалии, акромикрия, сколиоз, задержка физического, моторного и умственного развития;отцовская ОРД по хромосоме 14 => сильная умственная отсталость и скелетно- мышечные аномалии; материнская ОРД по хромосоме 16 => малый вес при рождении и врожденные аномалии; отцовская ОРД по длинному плечу хромосомы 20 (GNAS1) => псевдогипопаратироидизм
Залетаев Д.В.
Схема локуса 15q11-q13
Синдром Прадера-Вилли
(PWS, OMIM 176270)
•описан в 1956г.•неонатальная гипотония •ожирение•умственная отсталость•лицевые дисморфии•гипогонадизм
46 XX или ХУ,1 : 12000-15000
Синдром Ангельмана (AS, OMIM 105830)
•описан в 1965г.•умственная отсталость•отсутствие речи•нарушения сна•необычный смех•«кукольные» движения
46 XX или XY,1 : 10 000—20 000
Синдром Прадера-Вилли, синдром Ангельмана
Интерференция РНК и регуляция
экспрессии генов
Andrew Z. Fire Craig C. Mello
Нобелевская премия по физиологии и медицине
2006 год
"RNA interference – gene silencing by double-stranded RNA"
Предположение Fire & Mello:
Двуцепочечные РНК (dsRNA) – запускающий механизм (триггер)
системы интерференции РНК.
Интерференция РНК
– это замолкание (сайленсинг) генов, обеспечиваемое двуцепочечными молекулами РНК (dsРНК).
Явление интерференции РНК открыто в 1998 г. у Nematoda (Fire et al., 1998)
dsРНК в 10-100 раз более эффективно активируют систему интерференции РНК, по сравнению с ssРНК.
Инъекция в C.elegans РНК мышечного белка
Fire A., Xu S.Q., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver S.E., Mello C.C. Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391, 806–811 (1998).
Эффект генетического сайленсинга посредством интерференции РНК:
распространяется в тканях организма (!)
наследуется (!!!)
Механизм интерференции РНК
• при исследовании интерференции РНК у растений обнаружены короткие молекулы РНК, маркирующие ген, подверженный сайленсингу;
• в условиях in vitro воспроизведены биохимические реакции интерференции РНК.
Малые интерферирующие РНК (siRNAs – short interfering RNAs) – класс 21-22 нуклеотидных двуцепочечных РНК, образующихся из более длинных двуцепочечных РНК.
Общая схема регуляции генетической экспрессии за счет интерференции РНК (по Novina, Sharp, 2004)
Функции siРНК
1.Сайленсинг мобильных генетических элементов;
2.Сайленсинг гетерохроматиновых повторов;
3.Сайленсинг генетического материала вирусного
происхождения;
4.Ограничение степени экспрессии гена в
определенных тканях.
При выделение фракций коротких РНК (19-25
нуклеотидов) из различных организмов обнаружен
еще один класс малых РНК – микроРНК.
МикроРНК (miRNAs - micro RNAs) – класс
19-25 нуклеотидных одноцепочечных РНК,
закодированных в уникальных генах
геномов многоклеточных организмов.
Схема образования miРНК(по Novina, Sharp, 2004)
Функция miРНКОбеспечивают сайленсинг различных генов, обычно, за счет частично комплементарного связывания с мРНК, в результате которого блокируется ее трансляция.
• один тип miРНК может регулировать
трансляцию мРНК более 100 различных
генов;
• степень ингибирования зависит от
количества связывающихся miРНК (в
3’UTR мРНК содержится несколько
сайтов связывания).
• Продукт dsРНК, закодированных в уникальных генах геномов многоклеточных организмов (>1% от всех генов у человека);
• мРНК может не разрушаться;• Один тип miРНК регулирует
разные гены.
• Продукт dsРНК, образующихся в результате транскрипции транспозонов, гетерохроматиновых повторов или генетического материала вирусного происхождения ;
• мРНК разрушается;• Один тип siРНК обычно
регулирует только один тип мРНК.
miРНК siРНК
Отличия miРНК и siРНК
• созданы библиотеки коротких РНК и ДНК-
векторов, кодирующих короткие РНК,
мишенями которых является около 8000 генов
генома человека;
• внедряется в практику терапевтическое
применение синтетических коротких РНК для
целенаправленного подавления генетической
экспрессии при некоторых заболеваниях.