معلومة

الطبع الجيني وتمايز الخلايا

الطبع الجيني وتمايز الخلايا


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.

لا يبدو من الممكن أن تتعايش هاتان العمليتان:

1) البصمة الجينية هي الظاهرة التي يتم فيها التعبير عن الجينات بشكل مختلف اعتمادًا على الوالد الأصلي:

1 أ. لا يتم نسخ الامتدادات الميثيلية للحمض النووي.

1 ب. إذا كانت نسخة الجين التي نشأت مع الأم ميثلة ولكن نسخة الأب ليست كذلك ، فسيتم التعبير عن نسخة الأب فقط (مثل متلازمة برادر ويلي).

1 ج. يتم الحفاظ على المثيلة أثناء انقسامات الخلية.

1 د. تُمسح الميثيل عند التولد الجيني ، عندما تمحو الإناث بصمات أبيها وتعيد البصمة وفقًا لبصمة الأم قبل الانقسام الاختزالي.

لكنني الآن أقرأ عن دور علم التخلق في تمايز الخلايا ، واكتشفت:

2) يحدث تمايز الخلايا مع الأنماط الخاصة بالنسب من المثيلة.

2 أ. مباشرة بعد الإخصاب (قبل الانقسام الخلوي الأول) ، يخضع جينوم الأب لنزع الميثيل.

2 ب. يخضع جينوم الأم لإزالة الميثيل خلال الانقسامات الخلوية القليلة الأولى.

2 ج. تمايز الخلايا يكون مصحوبًا وربما يتم من خلال إعادة مثيلة تدريجية بعد هذه "المناديل".

المصدر 2): http://labs.genetics.ucla.edu/fan/papers/HuangK_RM2010.pdf "مثيلة الحمض النووي في تمايز الخلايا وإعادة برمجتها: نظرة منهجية ناشئة" Huang & Fan (2010). ريجين ميد. 5 (4): 531-44.

أظن أنه لا يوجد صراع وأنا فقط أسيء فهم أحدهما أو الآخر أو كليهما. خلاف ذلك ، كيف يمكن محو نمط من المثيلة أثناء تكوين الأمشاج والمراحل الجنينية المبكرة ولا يزال موروثًا؟


ماذا لو كانت المناطق المطبوعة محصنة ضد المسح؟ أيضًا ، قد تخلط بين مثيلة الحمض النووي ومثيل هيستون (؟). تفترض الكيمياء الحيوية الكلاسيكية أن حالات مثيلة الحمض النووي يمكن أن تنتقل من الخلية الأم المنقسمة إلى كلتا الخليتين الابنتيتين لأنه بعد تكرار الحمض النووي ، فإن الكروموسومات الابنتيتين ستكونان ميثيلتين ، وميثيليز الحمض النووي الذي يعثر على موقع ميثيل نصفي سوف يقوم بميثيل الخيط الآخر. (مثل آلية التحرير التصحيحية). الشيء الثالث الذي يجب مراعاته في سؤالك هو أن البصمة الأبوية مثبتة في خط الجراثيم. فيما يتعلق بمسح العلامات اللاجينية الأخرى أثناء التطور الجنيني المبكر ، فإن العلامات الوحيدة الموجودة ستكون تلك التي تشارك في تكوين الأمشاج. بعبارة أخرى ، على حد علمنا ، لا يتم التعبير عن الجينات التي تنشط في نمو العضلات أبدًا بعد الإخصاب في الخلايا الملقحة التي ستؤدي إلى ظهور الخلايا الجرثومية البدائية ، لذلك لا يلزم محو هذه العلامات اللاجينية الخاصة بالعضلات في الجنين. لا الحيوانات المنوية ولا البويضة أبدت أبدًا الميوسين العضلي ، إلخ.


ربما ، هناك تعريفات ضيقة وواسعة للطباعة. أظن أن تاريخ الأبحاث حول البصمة سيكون مثل ما يلي.

في البداية ، تم التعرف على انتقال النمط الظاهري للأم أو الأب ، وبدا بعضًا من هذا النمط الظاهري لأن الجين المسؤول عن الأم أو الأب لا يعمل. كما تعلم ، من الواضح أن هذا بصمة.

بعد ذلك ، تم اكتشاف مثيلة الحمض النووي واتضح أنها مسؤولة عن تعطيل جينات البصمة المحددة أعلاه. ومع ذلك ، فإن مثيلة الحمض النووي وقمع التعبير عن طريق المثيلة تحدث للجينات الأخرى أيضًا. تتميز الخلايا الجذعية الجنينية بنمط مثيلة مميز للحمض النووي ، والذي يمكن أن يفسر على الأرجح نمط التعبير الجيني المتميز جزئيًا على الأقل ، على ما أعتقد. بالإضافة إلى ذلك ، يحدث كبت بعض الجينات الكابتة للورم عن طريق المثيلة أثناء عملية التسرطن. يبدو أن مثيلة الحمض النووي تنظم تعبيرات الجينات وكذلك الطباعة المحددة أعلاه. أعلم أن الناس يطلقون على جميع لوائح الجينات بصمة مثيلة الحمض النووي. هذا هو التعريف الواسع.


محتويات

في الكائنات ثنائية الصبغيات (مثل البشر) ، تمتلك الخلايا الجسدية نسختين من الجينوم ، واحدة موروثة من الأب والأخرى من الأم. لذلك يتم تمثيل كل جين جسمي بنسختين ، أو أليلات ، مع نسخة واحدة موروثة من كل والد عند الإخصاب. الأليل المعبر عنه يعتمد على أصله الأبوي. على سبيل المثال ، يتم التعبير عن الجين المشفر لعامل النمو الشبيه بالأنسولين 2 (IGF2 / Igf2) فقط من الأليل الموروث من الأب. على الرغم من أن البصمة تمثل نسبة صغيرة من جينات الثدييات ، إلا أنها تلعب دورًا مهمًا في تكوين الجنين خاصة في تكوين الهياكل الحشوية والجهاز العصبي. [13]

تم استخدام مصطلح "بصمة" لأول مرة لوصف الأحداث في الحشرة المكورات الكاذبة nipae. [14] في المكورات الكاذبة (البق الدقيقي) (Hemiptera ، Coccoidea) يتطور كل من الذكر والأنثى من البويضة المخصبة. في الإناث ، تظل جميع الكروموسومات متجانسة وعملية. في الأجنة المقدر أن تصبح ذكورًا ، تصبح مجموعة الكروموسومات أحادية الصبغيات مغايرة اللون بعد انقسام الانقسام السادس وتبقى كذلك في معظم الأنسجة ، وبالتالي يكون الذكور فرديًا وظيفيًا. [15] [16] [17]

قد تكون هذه البصمة سمة من سمات تطور الثدييات وقد تم اقتراح ذلك في تجارب التكاثر في الفئران التي تحمل انتقالات كروموسومية متبادلة. [18] أكدت تجارب زرع النواة في الفئران الملقحة في أوائل الثمانينيات أن التطور الطبيعي يتطلب مساهمة كل من جينومات الأم والأب. تموت الغالبية العظمى من أجنة الفئران المشتقة من التوالد العذري (تسمى parthenogenones ، مع اثنين من جينومات الأم أو البيض) والتكوين الذكوري (يسمى الأندروجين ، مع جينوم الأب أو الحيوانات المنوية) في أو قبل مرحلة الكيسة الأريمية / الانغراس. في الحالات النادرة التي تتطور فيها إلى مراحل ما بعد الانغراس ، تظهر الأجنة الوراثية تطورًا جنينيًا أفضل بالنسبة لتطور المشيمة ، بينما بالنسبة للأندروجين ، يكون العكس صحيحًا. ومع ذلك ، بالنسبة للأخير ، تم وصف عدد قليل فقط (في ورقة عام 1984). [19] [20] [21]

لا توجد حالات طبيعية للتكاثر العذري في الثدييات بسبب الجينات المطبوعة. ومع ذلك ، في عام 2004 ، التلاعب التجريبي من قبل الباحثين اليابانيين بصمة المثيلة الأبوية التي تتحكم في إيغف 2 أدى الجين إلى ولادة فأر (يُدعى Kaguya) بمجموعتين من الكروموسومات الأمومية ، على الرغم من أنه ليس بارثينوجينون حقيقي منذ أن تم استخدام خلايا من فئران مختلفة. تمكن الباحثون من النجاح باستخدام بويضة واحدة من أحد الوالدين غير الناضجين ، وبالتالي تقليل بصمة الأم وتعديلها للتعبير عن الجين Igf2 ، والذي يتم التعبير عنه عادةً فقط بواسطة النسخة الأبوية من الجين.

تمتلك الأجنة المتولدة الوراثة / الوراثة ضعف مستوى التعبير الطبيعي للجينات المشتقة من الأم ، وتفتقر إلى التعبير عن الجينات المعبر عنها من قبل الأب ، في حين أن العكس صحيح بالنسبة للأجنة الذكورية. من المعروف الآن أن هناك ما لا يقل عن 80 جينًا مطبوعًا في البشر والفئران ، يشارك الكثير منها في نمو وتطور الجنين والمشيمة. [11] [22] [23] [24] قد يُظهر النسل الهجين من نوعين نموًا غير عادي بسبب التركيبة الجديدة من الجينات المطبوعة. [25]

تم استخدام طرق مختلفة لتحديد الجينات المطبوعة. في الخنازير ، بيشوف وآخرون. مقارنة ملفات تعريف النسخ باستخدام المصفوفات الدقيقة للحمض النووي لمسح الجينات المعبر عنها تفاضليًا بين parthenotes (2 جينوم للأم) والأجنة الضابطة (1 من جينوم الأم ، 1 جينوم الأب). [26] كشفت دراسة مثيرة للاهتمام استقصت نسخة أنسجة دماغ الفئران عن أكثر من 1300 موضع جيني مطبوع (حوالي 10 أضعاف أكثر مما تم الإبلاغ عنه سابقًا) عن طريق تسلسل الحمض النووي الريبي من الهجينة F1 الناتجة عن التهجينات المتبادلة. [27] ومع ذلك ، تم الطعن في النتيجة من قبل آخرين زعموا أن هذا تقدير مبالغ فيه بترتيب من حيث الحجم بسبب التحليل الإحصائي المعيب. [28] [29]

في الماشية المستأنسة ، ثبت أن تعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة في الجينات المطبوعة التي تؤثر على نمو الجنين وتطوره مرتبطة بصفات الإنتاج المهمة اقتصاديًا في الأبقار والأغنام والخنازير. [30] [31]

رسم الخرائط الجينية للجينات المطبوعة تحرير

في نفس الوقت الذي نوقش فيه توليد الأجنة الوراثية والذكورة أعلاه ، تم أيضًا إنتاج أجنة الفئران التي تحتوي فقط على مناطق صغيرة مشتقة إما من مصدر الأب أو الأم. [32] [33] إن توليد سلسلة من هذه الاضطرابات أحادية الوالدين ، والتي تمتد معًا على الجينوم بأكمله ، سمح بإنشاء خريطة مطبوعة. [34] تلك المناطق التي عندما يتم توريثها من أحد الوالدين ينتج عنها نمط ظاهري مميز تحتوي على جين (جينات) مطبوع. أظهر المزيد من الأبحاث أنه في هذه المناطق غالبًا ما كان هناك العديد من الجينات المطبوعة. [35] تم العثور على حوالي 80٪ من الجينات المطبوعة في مجموعات مثل هذه ، تسمى المجالات المطبوعة ، مما يشير إلى مستوى من التحكم المنسق. [36] في الآونة الأخيرة ، استخدمت الشاشات على مستوى الجينوم لتحديد الجينات المطبوعة تعبيرًا تفاضليًا للـ mRNAs من الأجنة المتحكمين والأجنة التوالدية أو الذكورية المهجنة إلى المصفوفات الدقيقة للتعبير الجيني ، [37] التعبير الجيني الخاص بالأليل باستخدام المصفوفات الدقيقة للتنميط الجيني SNP ، [38] ] تسلسل النسخ ، [39] وفي خطوط أنابيب التنبؤ بالسيليكو. [40]

آليات الطبع تحرير

عملية الطبع هي عملية ديناميكية. يجب أن يكون من الممكن محو وإعادة إنشاء البصمات من خلال كل جيل بحيث لا يزال من الممكن التعبير عن الجينات التي يتم طبعها في شخص بالغ في نسل ذلك الشخص البالغ. (على سبيل المثال ، جينات الأم التي تتحكم في إنتاج الأنسولين ستُطبع في الذكر ولكن سيتم التعبير عنها في أي من نسل الذكر الذي يرث هذه الجينات.) لذلك يجب أن تكون طبيعة البصمة متخلقة بدلاً من تسلسل الحمض النووي. في خلايا السلالة الجرثومية ، يتم مسح البصمة ثم إعادة إنشائها وفقًا لجنس الفرد ، أي في الحيوانات المنوية النامية (أثناء تكوين الحيوانات المنوية) ، يتم إنشاء بصمة الأب ، بينما في تطوير البويضات (تكوين البويضات) ، يتم إنشاء بصمة الأم. عملية المحو وإعادة البرمجة هذه [41] ضرورية بحيث تكون حالة طباعة الخلايا الجرثومية ذات صلة بجنس الفرد. في كل من النباتات والثدييات ، هناك آليتان رئيسيتان تشاركان في إنشاء البصمة وهما مثيلة الحمض النووي وتعديلات الهيستون.

في الآونة الأخيرة ، اقترحت دراسة جديدة [42] آلية طبع جديدة وراثية في البشر تكون خاصة بنسيج المشيمة وتكون مستقلة عن مثيلة الحمض النووي (الآلية الرئيسية والكلاسيكية لطبع الجينوم). لوحظ هذا في البشر ، ولكن ليس في الفئران ، مما يشير إلى التطور بعد الاختلاف التطوري للإنسان والفئران ،

80 ميا. من بين التفسيرات الافتراضية لهذه الظاهرة الجديدة ، تم اقتراح آليتين محتملتين: إما تعديل هيستون الذي يضفي بصمة على رواية مطبوعة خاصة بالمشيمة. مكان أو ، بدلاً من ذلك ، تجنيد DNMTs لهذه المواقع بواسطة عامل نسخ محدد وغير معروف يمكن التعبير عنه أثناء تمايز الأرومة الغاذية المبكرة.

تحرير اللائحة

يتيح تجميع الجينات المطبوعة داخل المجموعات لها مشاركة العناصر التنظيمية المشتركة ، مثل الحمض النووي الريبي غير المشفر والمناطق الميثيلية التفاضلية (DMRs). عندما تتحكم هذه العناصر التنظيمية في بصمة جين واحد أو أكثر ، فإنها تُعرف باسم مناطق التحكم في البصمة (ICR). التعبير عن RNAs غير المشفر ، مثل مضاد Igf2r RNA (هواء) على كروموسوم الفأر 17 و KCNQ1OT1 على الكروموسوم البشري 11p15.5 ، فقد ثبت أنهما ضروريان لطبع الجينات في المناطق المقابلة لها. [43]

المناطق الميثيلية التفاضلية هي بشكل عام أجزاء من الحمض النووي الغنية بالنيوكليوتيدات السيتوزين والجوانين ، مع ميثلة نيوكليوتيدات السيتوزين في نسخة واحدة ولكن ليس في النسخة الأخرى. على عكس التوقعات ، فإن المثيلة لا تعني بالضرورة إسكات بدلاً من ذلك ، فإن تأثير المثيلة يعتمد على الحالة الافتراضية للمنطقة. [44]

وظائف الجينات المطبوعة تحرير

يعتبر التحكم في التعبير عن جينات معينة عن طريق البصمة الجينية فريدًا بالنسبة للثدييات (الثدييات المشيمية والجرابيات) والنباتات المزهرة. تم الإبلاغ عن طبع الكروموسومات الكاملة في البق الدقيقي (جنس: المكورات الكاذبة). [14] [15] [16] [17] وفطر البعوض (سيارا). [٤٥] وقد ثبت أيضًا أن تعطيل الكروموسوم X يحدث بطريقة مطبوعة في الأنسجة الجنينية الإضافية للفئران وجميع الأنسجة في الجرابيات ، حيث يكون دائمًا كروموسوم X الأبوي الذي يتم إسكاته. [36] [46]

تم العثور على غالبية الجينات المطبوعة في الثدييات لأدوار في التحكم في نمو الجنين وتطوره ، بما في ذلك تطور المشيمة. [22] [47] تشارك جينات أخرى مطبوعة في تطور ما بعد الولادة ، مع أدوار تؤثر على الرضاعة والتمثيل الغذائي. [47] [48]

فرضيات حول أصول الطباعة تحرير

الفرضية المقبولة على نطاق واسع لتطور البصمة الجينومية هي "فرضية الصراع الأبوي". [49] تُعرف هذه الفرضية أيضًا باسم نظرية القرابة في البصمة الجينومية ، وتنص على أن عدم المساواة بين جينومات الوالدين بسبب البصمة هو نتيجة للمصالح المختلفة لكل من الوالدين من حيث اللياقة التطورية لجيناتهم. [50] [51] تكتسب جينات الأب التي تكوّد للبصمة لياقة أكبر من خلال نجاح النسل على حساب الأم. غالبًا ما تكون الضرورة التطورية للأم هي الحفاظ على الموارد من أجل بقائها مع توفير الغذاء الكافي للمواليد الحالية واللاحقة. وفقًا لذلك ، تميل الجينات المعبر عنها من قبل الأب إلى تعزيز النمو بينما تميل الجينات المعبر عنها من قبل الأم إلى الحد من النمو. [49] دعماً لهذه الفرضية ، تم العثور على البصمة الجينية في جميع الثدييات المشيمية ، حيث يكون استهلاك موارد النسل بعد الإخصاب على حساب الأم مرتفعًا على الرغم من وجوده أيضًا في الطيور البويضات [52] [53] حيث هناك القليل نسبيًا من تحويل موارد ما بعد الإخصاب وبالتالي يكون هناك صراع أبوي أقل. يتطور عدد صغير من الجينات المطبوعة سريعًا في ظل الانتقاء الدارويني الإيجابي ربما بسبب التطور المشترك العدائي. [54] تعرض غالبية الجينات المطبوعة مستويات عالية من الحفاظ على التخليق الجزئي وخضعت لمضاعفات قليلة جدًا في سلالات الثدييات المشيمية. [54]

ومع ذلك ، فإن فهمنا للآليات الجزيئية وراء البصمة الجينومية يُظهر أن جينوم الأم هو الذي يتحكم في الكثير من بصمة كل من الجينات الخاصة به والمشتقة من الأب في البيضة الملقحة ، مما يجعل من الصعب تفسير سبب تخلي جينات الأم عن طيب خاطر. هيمنتهم على الجينات المشتقة من الأب في ضوء فرضية الصراع. [55]

تم اقتراح فرضية أخرى وهي أن بعض الجينات المطبوعة تعمل بشكل متكافئ لتحسين نمو الجنين وتزويد الأمهات بالتغذية والرعاية. [9] [55] [56] في ذلك ، يتم التعبير عن مجموعة فرعية من الجينات المعبر عنها أبويًا في كل من المشيمة وما تحت المهاد للأم. قد يحدث هذا من خلال الضغط الانتقائي من التكيف المشترك بين الوالدين والرضيع لتحسين بقاء الرضع. معبر أبويًا 3 (بيج 3) هو الجين الذي قد تنطبق عليه هذه الفرضية. [9]

اقترب آخرون من دراستهم لأصول البصمة الجينومية من جانب مختلف ، بحجة أن الانتقاء الطبيعي يعمل على دور العلامات اللاجينية كآلية للتعرف على الكروموسوم المتماثل أثناء الانقسام الاختزالي ، بدلاً من دورها في التعبير التفاضلي. [57] تركز هذه الحجة على وجود التأثيرات اللاجينية على الكروموسومات التي لا تؤثر بشكل مباشر على التعبير الجيني ، ولكنها تعتمد على الأصل الذي نشأ منه الكروموسوم. [58] هذه المجموعة من التغيرات اللاجينية التي تعتمد على أصل الكروموسوم (بما في ذلك تلك التي تؤثر على التعبير الجيني وتلك التي لا تؤثر) تسمى تأثيرات الأصل الأبوي ، وتشمل ظواهر مثل تعطيل الأبوين X في الجرابيات ، والوالد غير العشوائي توزيع الكروماتيد في السراخس ، وحتى تبديل نوع التزاوج في الخميرة. [58] هذا التنوع في الكائنات الحية التي تظهر تأثيرات الأصل الأبوي دفع المنظرين إلى وضع الأصل التطوري للطبع الجينومي قبل آخر سلف مشترك للنباتات والحيوانات ، منذ أكثر من مليار سنة. [57]

يتطلب الانتقاء الطبيعي لطبع الجينوم تنوعًا جينيًا في مجموعة سكانية. تنص الفرضية الخاصة بأصل هذا الاختلاف الجيني على أن نظام الدفاع المضيف المسؤول عن إسكات عناصر الحمض النووي الأجنبية ، مثل الجينات ذات الأصل الفيروسي ، قد قام عن طريق الخطأ بإسكات الجينات التي تبين أن إسكاتها مفيدة للكائن الحي. [59] يبدو أن هناك تمثيلًا زائدًا للجينات المنقولة إلى الوراء ، أي الجينات التي يتم إدخالها في الجينوم بواسطة الفيروسات ، بين الجينات المطبوعة. تم الافتراض أيضًا أنه إذا تم إدخال الجين المعاد نقله بالقرب من جين آخر مطبوع ، فقد يكتسب هذه البصمة فقط. [60]

لسوء الحظ ، فإن العلاقة بين النمط الظاهري والنمط الجيني للجينات المطبوعة هي علاقة مفاهيمية فقط. الفكرة هي أن الإطار يعمل باستخدام أليلين على موقع واحد ويستضيف ثلاث فئات محتملة مختلفة من الأنماط الجينية. [61] تساهم فئة التركيب الوراثي المتغايرة الزيجوت المتبادلة في فهم كيفية تأثير البصمة على النمط الجيني لعلاقة النمط الظاهري. المتغايرة الزيجوت المتبادل لها مكافئ وراثي ، لكنها غير متكافئة ظاهريًا. [62] قد لا يعتمد النمط الظاهري على تكافؤ النمط الجيني. يمكن أن يؤدي هذا في النهاية إلى زيادة التنوع في الفئات الجينية ، مما يؤدي إلى زيادة مرونة الجينات المطبوعة. [63] ستفرض هذه الزيادة أيضًا درجة أعلى في قدرات الاختبار وتشكيلة الاختبارات لتحديد وجود البصمة.

عندما يتم تحديد موقع على أنه مطبوع ، فإن فئتين مختلفتين تعبران عن أليلات مختلفة. [61] يُعتقد أن الجينات الموروثة المطبوعة للنسل هي تعبيرات أحادية الموازية. سينتج موضع واحد بالكامل النمط الظاهري للفرد على الرغم من أن أليلين يورثان. تسمى فئة النمط الجيني هذه بالطباعة الأبوية ، وكذلك البصمة السائدة. [64] تتنوع الأنماط الظاهرية عن التعبيرات الممكنة من الأنماط الجينية للأب والأم. الأليلات المختلفة الموروثة من آباء مختلفين سوف تستضيف صفات نمطية مختلفة. سيكون للأليل الواحد قيمة نمطية أكبر وسيتم إسكات الأليل الآخر. [61] السيطرة على الموضع هي احتمال آخر للتعبير الظاهري. سيكون لكل من الأنماط الظاهرية الخاصة بالأم والأب قيمة صغيرة بدلاً من احتواء أحدهما على قيمة كبيرة وإسكات الآخر.

تُستخدم الأطر الإحصائية ونماذج رسم الخرائط لتحديد آثار البصمة على الجينات والسمات المعقدة. يؤثر أصل أليلات على التباين في النمط الظاهري الذي ينشأ من بصمة فئات التركيب الوراثي. [61] تشتمل هذه النماذج لرسم الخرائط وتحديد تأثيرات البصمة على استخدام أنماط وراثية غير مرتبة لبناء نماذج رسم الخرائط. [63] ستُظهر هذه النماذج علم الوراثة الكمي الكلاسيكي وتأثيرات هيمنة الجينات المطبوعة.

قد يتسبب الدمغ في حدوث مشاكل في الاستنساخ ، حيث تحتوي الحيوانات المستنسخة على حمض نووي غير ميثيل في المواضع الصحيحة. من الممكن أن يكون هذا بسبب ضيق الوقت لإعادة البرمجة ليتم إنجازها بالكامل. عند إضافة نواة إلى البويضة أثناء نقل نواة الخلية الجسدية ، تبدأ البويضة في الانقسام في دقائق ، مقارنة بالأيام أو الأشهر التي تستغرقها إعادة البرمجة أثناء التطور الجنيني. إذا كان الوقت هو العامل المسؤول ، فقد يكون من الممكن تأخير انقسام الخلايا في الحيوانات المستنسخة ، وإعطاء الوقت لحدوث إعادة البرمجة المناسبة. [ بحاجة لمصدر ]

ينتج أليل من "callipyge" (من اليونانية لـ "الأرداف الجميلة") ، أو جين CLPG ، في الأغنام أردافًا كبيرة تتكون من عضلات قليلة الدهون جدًا. يحدث النمط الظاهري ذو الأرداف الكبيرة فقط عندما يكون الأليل موجودًا على نسخة الكروموسوم 18 الموروث من والد الخروف وهو ليس على نسخة الكروموسوم 18 الموروثة من أم تلك الخروف. [65]

يرتبط الإخصاب في المختبر ، بما في ذلك الحقن المجهري ، بزيادة خطر الإصابة باضطرابات البصمة ، بنسبة رجحان 3.7 (95٪ مجال ثقة 1.4 إلى 9.7). [66]

تحرير العقم عند الذكور

لوحظ أن إلغاء التنظيمات الوراثية في الجين المطبوع H19 في الحيوانات المنوية مرتبط بالعقم عند الذكور. [67] في الواقع ، فقد لوحظ أن فقدان الميثيل في الجين المطبوع H19 مرتبط بفرط الميثيل المحفز للجين MTHFR في عينات السائل المنوي من الذكور المصابين بالعقم. [68]

برادر ويلي / أنجلمان تحرير

كانت أول الاضطرابات الوراثية المطبوعة التي تم وصفها عند البشر هي متلازمة برادر ويلي ومتلازمة أنجلمان الموروثة بشكل متبادل. ترتبط كلتا المتلازمتين بفقدان منطقة الكروموسومات 15q11-13 (النطاق 11 من الذراع الطويلة للكروموسوم 15). تحتوي هذه المنطقة على الجينات المعبر عنها أبويًا SNRPN و NDN والجين المعبر عنه من الأم UBE3A.

  • يرتبط الميراث الأبوي لحذف هذه المنطقة بمتلازمة برادر ويلي (التي تتميز بنقص التوتر والسمنة وقصور الغدد التناسلية).
  • وترتبط وراثة الأم لنفس الحذف بمتلازمة أنجلمان (التي تتميز بالصرع والرعشة وتعبير وجه مبتسم دائمًا).

DIRAS3 (NOEY2 أو ARH1) تحرير

DIRAS3 هو جين معبر عنه أبويًا ومُطبع أموميًا يقع على الكروموسوم 1 في البشر. يرتبط انخفاض تعبير DIRAS3 بزيادة خطر الإصابة بسرطان المبيض والثدي في 41٪ من سرطانات الثدي والمبيض ، ولا يتم التعبير عن البروتين المشفر بواسطة DIRAS3 ، مما يشير إلى أنه يعمل كجينة مثبطة للورم. [69] لذلك ، إذا حدث اضطراب أحادي الوالدين ورث الشخص كلا الكروموسومات من الأم ، فلن يتم التعبير عن الجين وسيكون الفرد أكثر عرضة للإصابة بسرطان الثدي والمبيض.

تحرير آخر

تجادل "فرضية الدماغ المطبوعة" بأن البصمة غير المتوازنة قد تكون سببًا للتوحد والذهان.

في الحشرات ، يؤثر البصمة على الكروموسومات بأكملها. في بعض الحشرات ، يتم إسكات الجينوم الأبوي بأكمله في ذرية الذكور ، وبالتالي يشارك في تحديد الجنس. ينتج عن البصمة تأثيرات مشابهة للآليات الموجودة في الحشرات الأخرى التي تقضي على الكروموسومات الموروثة من الأب في نسل الذكور ، بما في ذلك arrhenotoky. [72]

في الأنواع المشيمية ، يمكن أن يؤدي الصراع بين الوالدين والنسل إلى تطور استراتيجيات ، مثل البصمة الجينية ، للأجنة لتخريب توفير المغذيات للأم. على الرغم من المحاولات العديدة للعثور عليه ، لم يتم العثور على البصمة الجينية في خلد الماء أو الزواحف أو الطيور أو الأسماك. يعد غياب البصمة الجينية في الزواحف المشيمية ، Pseudemoia entrecasteauxii ، أمرًا مثيرًا للاهتمام حيث كان يُعتقد أن البصمة الجينية مرتبطة بتطور الحياة ونقل المغذيات المشيمية. [73]

أشارت الدراسات التي أجريت على الماشية المستأنسة ، مثل أبقار الألبان ولحم البقر ، إلى وجود جينات مطبوعة (مثل IGF2) في مجموعة من الصفات الاقتصادية ، [74] [75] [30] بما في ذلك أداء منتجات الألبان في أبقار هولشتاين-فريزيان. [76]

كما تم وصف ظاهرة طبع مماثلة في النباتات المزهرة (كاسيات البذور). [77] أثناء إخصاب خلية البويضة ، يؤدي حدث إخصاب ثان منفصل إلى ظهور السويداء ، وهي بنية خارج المضغ تغذي الجنين بطريقة مماثلة لمشيمة الثدييات. على عكس الجنين ، غالبًا ما يتم تكوين السويداء من اندماج خليتين من الأم مع مشيج ذكر. ينتج عن هذا جينوم ثلاثي الصبغيات. يبدو أن نسبة 2: 1 من جينومات الأم إلى الأب مهمة لنمو البذور. تم العثور على بعض الجينات ليتم التعبير عنها من كل من جينومات الأم بينما يتم التعبير عن البعض الآخر حصريًا من نسخة الأب الوحيدة. [78] وقد تم اقتراح أن هذه الجينات المطبوعة هي المسؤولة عن تأثير الكتلة ثلاثية الصبغيات في النباتات المزهرة التي تمنع التهجين بين الصبغيات ثنائية الصبغيات والصفحات الصبغية الذاتية. [79]


إنشاء البصمات وصيانتها ومحوها

تحديد الجينات المطبوعة الأولى (Igf2r, إيغف 2 و H19) في 1991 (Barlow et al. ، 1991 Bartolomei et al. ، 1991 DeChiara et al. ، 1991) أثار جهودًا أولية نحو توضيح آليات إنشاء البصمة وصيانتها ومحوها ، والتي تتحكم معًا في توقيت ووضع البصمة الجينومية (الشكل . 1). تمت متابعة مثيلة الحمض النووي الخاصة بأليل لـ ICRs كأفضل آلية مرشح لمنح بصمات خاصة بالوالدين بعد الإخصاب. علاوة على ذلك ، فإن الفرضية القائلة بأن البصمات الخاصة بالوالدين تُفرض عندما يمكن تمييز جينومات الوالدين دفعت الباحثين إلى فحص اكتساب الميثيل أثناء تكوين الأمشاج ، عندما تكون جينومات الأم والأب في حجرات منفصلة ويمكن تعديلها بشكل مستقل. لقد ظهر في البداية أن مثيلة الأبوية الخاصة بـ H19/إيغف 2 يتم الحصول على ICR قبل الولادة في ازدهار الماشية قبل ظهور الانقسام الاختزالي في السلالة الجرثومية للذكور (Davis et al. ، 2000). على النقيض من ذلك ، تحدث مثيلة ICR الخاصة بالأم بعد الولادة في البويضات النامية ، مع ميثلة ICRs المختلفة في وقت مختلف قليلاً أثناء نمو البويضة (Lucifero et al. ، 2004). في كل من السلالات الجرثومية ، يتم إنشاء مثيلة الحمض النووي من خلال عمل من جديد DNA methyltransferase 3a (DNMT3A) والبروتين الإضافي DNMT3L (Bourc'his et al.، 2001 Hata et al.، 2002 Kaneda et al.، 2004 Okano et al.، 1999). على الرغم من عدم فهم كيفية اختيار متواليات محددة لمثيلة الحمض النووي الخاصة بالأليل في السلالة الجرثومية ، فقد أشار العمل الأخير إلى أن النسخ من خلال تسلسل ICR يوفر خطوة إرشادية أساسية لبروتينات ميثيل ترانسفيراز الحمض النووي (Chotalia et al. ، 2009 Henckel et al. ، 2012).

إنشاء وصيانة ومسح البصمات الجينومية أثناء نمو الماوس. يتم الحصول على البصمات بطريقة خاصة بالجنس في السلالة الجرثومية الناضجة (الدوائر الخضراء الفاتحة) أثناء التطور ، مع إنشاء بصمات الأب (الكروموسومات الزرقاء) قبل الولادة وتؤسس بصمات الأم (الكروموسومات الوردية) بعد الولادة. يتم الاحتفاظ بهذه البصمات على الرغم من التغيرات العالمية في مثيلة الحمض النووي التي تحدث بعد الإخصاب ، والتي تشمل إزالة الميثيل النشط لجينوم الأب وإزالة الميثيل السلبي لجينوم الأم. يتم الاحتفاظ بهذه البصمات في الأنسجة الجسدية طوال فترة البلوغ. في الخلايا الجرثومية البدائية (PGCs ، الدوائر الخضراء الداكنة) ، يتم مسح البصمات (الكروموسومات الرمادية) وإعادة تعيينها للجيل القادم.

إنشاء وصيانة ومسح البصمات الجينومية أثناء نمو الماوس. يتم الحصول على البصمات بطريقة خاصة بالجنس في السلالة الجرثومية الناضجة (الدوائر الخضراء الفاتحة) أثناء التطور ، مع إنشاء بصمات الأب (الكروموسومات الزرقاء) قبل الولادة وتؤسس بصمات الأم (الكروموسومات الوردية) بعد الولادة. يتم الاحتفاظ بهذه البصمات على الرغم من التغيرات العالمية في مثيلة الحمض النووي التي تحدث بعد الإخصاب ، والتي تشمل إزالة الميثيل النشط لجينوم الأب وإزالة الميثيل السلبي لجينوم الأم. يتم الاحتفاظ بهذه البصمات في الأنسجة الجسدية طوال فترة البلوغ. في الخلايا الجرثومية البدائية (PGCs ، الدوائر الخضراء الداكنة) ، يتم مسح البصمات (الكروموسومات الرمادية) وإعادة تعيينها للجيل القادم.

بعد الإخصاب ، يجب الحفاظ على البصمات الخاصة بالوالدين على الرغم من إعادة برمجة الجينوم واسعة النطاق وإزالة ميثيل الحمض النووي التي تحدث في هذا الوقت (بارتولومي وفيرغسون سميث ، 2011). بالإضافة إلى عمل صيانة DNA methytransferase DNMT1 ، الذي يقوم بميثيل الخيط المركب حديثًا من الحمض النووي ، فمن المحتمل أن يكون التعرف على عنصر فريد من نوعه رابطة الدول المستقلة- تمثيل المتواليات بواسطة عبر- توفر عوامل التأثير الحماية من إعادة البرمجة بعد الإخصاب. على سبيل المثال ، يلعب عامل الأم PGC7 (المعروف أيضًا باسم STELLA أو DPPA3) دورًا عامًا في الحفاظ على مثيلة الحمض النووي في جنين الفأر المبكر ، حيث يعمل من خلال التفاعلات مع بقايا هيستون ثنائي الميثيل 3 ، ليسين 9 (ناكامورا وآخرون ، 2012). بالإضافة إلى ذلك ، يبدو أن متماثل بروتين إصبع الزنك 57 (ZFP57) يلعب دورًا أكثر تحديدًا في تنظيم الجينات المطبوعة. ZFP57 تم تحديد الطفرات في مرضى السكري حديثي الولادة العابرين وترتبط بخلل في مثيلة الحمض النووي في العديد من المواقع المطبوعة (Mackay et al. ، 2008). في الخط مع هذا، Zfp57 تظهر الفئران الفارغة فقدان البصمة في العديد من المواقع ، ولكن ليس كلها (Li et al. ، 2008). من الممكن أن البروتينات الأخرى التي لم يتم تحديدها بعد تحافظ أيضًا على مثيلة الحمض النووي في ICRs في الجنين المبكر.

أخيرًا ، لإكمال دورة البصمة ، يتم مسح النمط الجسدي للبصمات ثنائية الوالدين في الخلايا الجرثومية البدائية (PGCs) ، والتي يتم تجنيدها من الخلايا الجسدية في الجنين المبكر. على الرغم من أن عملية المحو هذه غير مفهومة جيدًا ، إلا أنه يبدو أن البصمات تضيع من خلال سلسلة من الأحداث النشطة والسلبية ، بما في ذلك تلك التي تنطوي على عمل عائلة الإزاحة العشرة 11 (Tet) من ميثيل سيتوزين ديوكسيجينازات ، والتي تحفز أكسدة 5. methylcytosine to 5-hydroxymethylcytosine (Dawlaty et al.، 2013 Hackett et al.، 2013 Yamaguchi et al.، 2013) ، وكذلك عمل آلات إصلاح الحمض النووي (Pastor et al.، 2013). علاوة على ذلك ، يتم قمع مثيلة الحمض النووي المنسوخ حديثًا بواسطة DNMT1 في الخلايا الجرثومية الأولية ، ربما عن طريق قمع Uhrf1، عامل أساسي لتجنيد DNMT1 في مفترق النسخ (Kagiwada et al. ، 2012).


المواد والأساليب

تم إنشاء الهجينة F1 عن طريق عبور سلالات الماوس C57Bl / 6J و PWK / PhJ بشكل متبادل. تم جمع أنسجة الغدة الثديية للفأر من الفئران F1 في LD-15 وتشريحها. في المجموع ، تم أخذ عينات من خمسة هجينة C57BL / 6 × PWK / PhJ F1 وأربعة هجينة PWK / PhJ × C57BL / 6 F1. تم تنفيذ جميع الإجراءات التجريبية والعناية بالحيوان والتعامل معها وفقًا للبروتوكولات المعتمدة من قبل لجنة الأخلاقيات في معهد كونمينغ لعلم الحيوان ، CAS.

استخراج وتسلسل الحمض النووي الريبي

تم استخراج مجموع الحمض النووي الريبي باستخدام كاشف TRIzol (تقنيات الحياة). تم قياس كمية تركيزات الحمض النووي الريبي ونسب A260 نانومتر / A280 نانومتر باستخدام مقياس الطيف الضوئي NanoDrop ND-1000 (علمي حراري). تم تسلسل عينات الحمض النووي الريبي على منصة Illumina X-Ten باتباع البروتوكولات المحددة لإعداد عينة تسلسل mRNA.

اقرأ المحاذاة والتعيين

تم التحكم في جودة القراءات المتسلسلة باستخدام Trimmomatic (الإصدار 0.36) (Bolger et al. ، 2014). لتحسين جودة المحاذاة وتقليل التحيز الناجم عن الاختلافات في المسافات الجينية بين جينومات الوالدين والتسلسل المرجعي ، قمنا بتكييف استراتيجية تحليل سابقة (Crowley et al. ، 2015) من خلال محاذاة القراءات المتسلسلة مع "الجينات الزائفة" الأبوية. في وقت لاحق ، استخدمنا pylapels و Suspenders لنقل إحداثيات كل نتيجة تعيين إلى الجينوم المرجعي mm10 وتحديد أصل القراءات الأبوي (Huang et al. ، 2014). تم تحديد IGs باستخدام البرنامج النصي ISoLDE باتباع سير العمل الموصى به مع الحد الأدنى و / أو الطرق الافتراضية (إذا توفر أكثر من 3 × 2 مكررات). تم وصف تخصيص قراءات الوالدين وتحديد IGs في المواد التكميلية.

تم تعيين بيانات RNA-seq من خط خلية HC11 مباشرة إلى جينوم الماوس (مم 10) باستخدام Hisat2 (Kim et al. ، 2019) مع ملف شرح الجين Ensembl (الإصدار 96) بعد قراءة مراقبة الجودة. تم استخدام خط أنابيب featureCounts لإنتاج جدول أعداد القراءة على مستوى الجينات (Liao et al. ، 2014). تم إجراء تحليل التعبير التفاضلي باستخدام edgeR (Robinson et al. ، 2010).

ملف التعليق التوضيحي

تم إنشاء ملف الشرح الجيني لتحديد IGs من خلال دمج ثلاثة مصادر توضيحية ، مثل Ensembl (Wang et al. ، 2011) ، RefSeq (Andergassen et al. ، 2017) ، والنصوص التي تم تجميعها حديثًا باستخدام بيانات RNA-seq من الأفراد المختلطون المتسلسلون. في هذه الدراسة وبيانات RNA-seq من Andergassen et al. (2017). التفاصيل موصوفة في المواد التكميلية.

تم استرداد IGs المسبقة من www.geneimprint.com و www.har.mrc.ac.uk/research/genomic_imprinting. تم استرجاع معلومات حول مصطلحات GOBP المرتبطة بالجينات المرتبطة بالبروتين من قاعدة بيانات Ensembl BioMarts لـ GSEA.

تحليل البيانات scRNA-seq

تم تنزيل بيانات scRNA-seq من قاعدة بيانات NCBI GEO الصادرة من مختبر وليد ت. خالد (باخ وآخرون ، 2017). تمت معالجة ملفات الإدخال مسبقًا باستخدام حزمة Seurat (الإصدار 3.1) (Stuart et al. ، 2019). تم التحكم في جودة الخلايا من خلال العدد الإجمالي للجينات ، والمعرفات الجزيئية الفريدة ، والنسبة المئوية للجزيئات المعينة لجينات الميتوكوندريا. خضعت الخلايا لتقليل الأبعاد الأولي (تم إجراء تخفيضات في الأبعاد الخطية وغير الخطية بواسطة RunPCA و RunUMAP ، على التوالي) لإزالة الخلايا غير الظهارية باستخدام علامات الخلايا المقابلة (مثل الخلايا الظهارية: Epcam و Cd24a و Cd29 و Krt14 و Krt18 الخلايا المناعية: الخلايا البطانية Cd74 و Cd72 و Cd54: الخلايا البطانية Eng و S1pr1 و Emcn و pericyte: Des و Cspg4). المجموعات التي أظهرت تعبيرًا عاليًا عن علامات النسب الظهارية المختلفة (على سبيل المثال المجموعات التي تعبر عن العلامات القاعدية واللامعة بشكل متزامن) تم تصنيفها على أنها مجموعات مزدوجة وتمت إزالتها لتقليل التأثير المحتمل على حسابات المعلوماتية الحيوية (باخ وآخرون ، 2017). أخيرًا ، تم تضمين خلايا MaSC ، والقاعدية ، والظهارة العضلية ، والخلايا اللمعية لتحليل المصب. تسلسل بيانات scRNA-seq جزءًا صغيرًا فقط من النصوص الموجودة في كل خلية ، مما قد يؤدي إلى تقدير كمية غير موثوق به للجينات ذات التعبير المنخفض أو المتوسط ​​، وبالتالي يمكن أن يعيق التحليل النهائي (Huang et al. ، 2018) ، بما في ذلك تحليل PCC بين الجين. أزواج. ومن ثم ، استخدمنا SAVER لاستعادة التعبير الجيني. لتقليل العبء الحسابي واستهلاك الوقت ، قمنا بإعادة أخذ عينات من 500 خلية من كل سلالة إذا كان ذلك ممكنًا. في المجموع ، تم استخدام 3843 خلية لاستعادة التعبير الجيني وحساب PCC المصب.

الشرح الوظيفي لـ IGs باستخدام GSEA

تم حساب PCCs بين كل جين في R باستخدام حزمة Hmisc. الجينات مرتبطة بشكل كبير (ص ≤ 0.01) مع IGs محددة تم تصنيفها بواسطة PCCs وتم اختيارها لتقييم تخصيب GO باستخدام حزمة fgsea (Sergushichev ، 2016) ، مما يعني استخدام PCCs المرتبة بدلاً من logFC المصنف لتحليل المصب. أنشأنا مصفوفة ارتباط بين IGs ومجموعات جينات GOBP المهمة (ص ≤ 0.01) ، حيث تقابل 1 و 1 و 0 ارتباط موجب وسالب ولا يوجد ارتباط معنوي ، على التوالي. تم رسم الخريطة الحرارية لتخصيب GO باستخدام خريطة pheatmap في R.

بناء IGN

تم تحليل وحدات التنظيم المشترك أو التعبير المشترك لـ IGs باستخدام Monocle-3 و WGCNA ، على التوالي. تم استخدام مصفوفة التعبير الجيني التي تم استردادها بواسطة SAVER لهذا التحليل. بالنسبة إلى Monocle-3 ، تم استخدام find_gene_modules لبناء الوحدة مع المعلمات الافتراضية. بالنسبة إلى WGCNA ، تم حساب ملف تعريف التعبير المشترك باستخدام المعلمات المناسبة (على سبيل المثال softPower = 12 ، النوع = "موقّع" ، MEDissThres = 0.7) باستخدام بناء الشبكة خطوة بخطوة واستراتيجيات الكشف عن الوحدة. ثم تم استرجاع IGs الموزعة في كل وحدة. تم حساب الاتصال بين كل IG بثلاث طرق: (1) مباشرة باستخدام قيمة قطع مناسبة (على سبيل المثال | PCCs | ˃ 0.4 و ص & lt 0.01) (2) إنشاء اتصال باستخدام WGCNA و "عتبة = 0.1" لتصدير الشبكة إلى Cytoscape (3) باستخدام قطع الرتبة المتبادلة (MR) (MR & lt 575). تم وصف حساب MR وبناء IGN في المواد التكميلية. تم عرض الاتصالات داخل الشبكة بواسطة Cytoscape. تم تحليل الوظائف البيولوجية للشبكات الفرعية باستخدام DAVID مع غير IGs المرتبط المقابل في كل شبكة فرعية ، على التوالي. لكل IG ، تم الاستدلال على الوظائف البيولوجية المشار إليها من قبل غير IGs المعبر عنها بشكل مشترك باستخدام وظائف richGO و richKEGG في الكتلة بروفيلير (Yu et al. ، 2012).

فحص تشكيل القبة

نمت خلايا HC11 في وسط RPMI-1640 مكملًا بنسبة 10 ٪ من مصل بقري جنيني (FBS) ، و 5 ميكروغرام / مل من الأنسولين ، و 5 ميكروغرام / مل من كبريتات الجنتاميسين ، و 10 نانوغرام / مل من عامل نمو البشرة (EGF). لفحص التمايز اللاكتوجيني ، تم تجويع خلايا التقاء HC11 لمدة 24 ساعة بدون EGF ، متبوعًا بإضافة وسط DIP (1 ميكرومتر ديكساميثازون ، 5 ميكروغرام / مل من الأنسولين ، و 5 ميكروغرام / مل برولاكتين).

تألق مناعي

تم إصلاح الغدد الثديية في مراحل نمو مختلفة في بارافورمالدهيد 4٪ (PFA) وتم تضمينها في البارافين. من أجل التألق المناعي ، تمت إعادة ترطيب المقاطع في كحول متدرج ، مع استرجاع المستضد ثم تم إجراؤه في محلول سيترات الصوديوم 10 ملي مولار لمدة 20 دقيقة. تم حظر الشرائح لمدة ساعتين في 10٪ من مصل الماعز ، ثم تم تحضينها بأجسام مضادة أولية عند 4 درجات مئوية طوال الليل. تم غسل الشرائح بالمحلول الملحي المخزن بالفوسفات (PBS) ثلاث مرات (5 دقائق في كل مرة) واحتضانها بأجسام مضادة ثانوية لمدة ساعة واحدة عند درجة حرارة الغرفة. كانت الأجسام المضادة الأولية المستخدمة هي Sgce (1: 100 ، Abcam) و Ube3a (1: 100 ، Proteintech) والجسم المضاد الثانوي المستخدم كان مضادًا للأرنب يحمل علامة الفلورسين (1: 200 ، KPL).

QRT-PCR

تم استخلاص إجمالي الحمض النووي الريبي باستخدام كاشف TRIzol ثم تحويله إلى cDNA باستخدام مجموعة كاشف PrimeScript ™ RT وفقًا للتعليمات المقدمة. بعد ذلك ، تم إجراء qRT-PCR على أداة QuantStudio 3 باستخدام SYBR Green PCR Master Mix. يتم سرد تسلسل التمهيدي المستخدم لتحليل qRT-PCR في الجدول التكميلي S4.

فحص تشكيل ماموسفير

يمكن الحفاظ على MaSCs وتمريرها في المختبر حيث يمكن أن تمثل المجالات المزروعة في تعليق وتعدادات الغلاف الجوي قدرة التجديد الذاتي (Guo et al. ، 2012). تمت زراعة الخلايا الظهارية في الغدة الثديية كما ورد سابقًا (تشاكرابارتي وآخرون ، 2012). تم نقل الخلايا الظهارية للغدة الثديية الأولية بواسطة نواقل ثم تم تغليفها في 96 لوحة ربط منخفضة للغاية بكثافة 20000 خلية / مل ثم تم تحضينها عند 37 درجة مئوية لمدة أسبوعين. بعد ذلك ، تم حساب عدد mammospheres.

فحص الزرع

تعليق خلية واحدة من الخلايا الظهارية الثديية مع Sgce تم تحضير ضربة قاضية للحقن في ضمادات دهنية نظيفة. تم إجراء مقايسة الزرع بأعداد مختلفة من Sgce تم إعادة تعليق الخلايا الأولية للثدي بضربة قاضية في 50 ٪ PBS و 50 ٪ Matrigel. تم حساب تردد MaSC باستخدام مقايسة التخفيف الحد الأقصى (ELDA) (Lim et al. ، 2010).

فحص ChIRP

تم استرداد معلومات تشكيل ثلاثي النوكليوتيد (TFO) من موقع LongTarget على الويب (http://lncrna.smu.edu.cn/show/download) (Liu et al. ، 2017). تم استخدام تسلسل RNA في الموضع 4-50 nt (TFO1) و1870-1926 nt (TFO2) لـ H19 المسمى بالبيوتين. تم إجراء هذا الاختبار باتباع البروتوكولات المنشورة مسبقًا (Postepska-Igielska et al. ، 2015) وأبحاثنا السابقة (Wang et al. ، 2018). في هذا الاختبار ، تم صوت نوى الخلية لخط خلية HC11 (20 دورة ، 30 ثانية تشغيل و 45 ثانية إيقاف) ولفها عند 10000 دورة في الدقيقة لمدة 5 دقائق عند 4 درجات مئوية.

الدخول الى البيانات

تم إيداع بيانات التسلسل الأولي الواردة في هذه الورقة في أرشيف تسلسل الجينوم (Wang et al. ، 2017a) في مركز البيانات BIG ، ومعهد بكين لعلم الجينوم (BIG) ، والأكاديمية الصينية للعلوم ، تحت أرقام الانضمام CRA001791 و CRA002258 ، والتي متاحة للجمهور على http://bigd.big.ac.cn/gsa. أرقام الانضمام للبيانات الأخرى المعتمدة من مستودع بيانات NCBI GEO و SRA هي GSE106273 و SRP067322 ، على التوالي.


تتحكم الجينات المطبوعة في تخصيص موارد الأمهات أثناء الحمل والرضاعة

هذا الضغط الانتقائي لطبع الجين قد عمل بشكل حصري تقريبًا في واجهة الأم والنسل ، مما أعطى الجينات المطبوعة دورًا فريدًا في التأثير على تخصيص موارد الأمهات. يعتمد تخصيص موارد الأمهات على كل من المفهوم والأم ، ويعكس دور الجينات المطبوعة هذا الأمر ، حيث يؤثر عمل الجين المطبوع على كلاهما ويشارك في الاتصال بين الاثنين. يمكن تقسيم الجينات المطمورة التي تعمل في المفهوم لتعديل إمدادات الطاقة للأم إلى مزيد من الجينات التي تعمل في المشيمة وتلك التي تعمل في الجنين.

الحصول على الموارد الجنينية عن طريق المشيمة

يعتمد المعدل الذي يمكن به توفير العناصر الغذائية للجنين النامي على المشيمة. الركيزة الأساسية لنمو الجنين هي الجلوكوز. يتم نقل الجلوكوز من الأم إلى الجنين بواسطة عدة عوامل ، بما في ذلك تدرج تركيز جلوكوز الدم بين الأم والجنين ، ومعدل تدفق الدم وكثافة نقل الجلوكوز في المشيمة (هاي ، 1991). يعمل نقل الأحماض الأمينية المشيمية إلى الجنين من الدورة الدموية للأم ضد تدرج تركيز وهي عملية تعتمد على الطاقة وتتطلب بروتينات نقل متخصصة (هاي ، 1991).

تمت دراسة البصمة على نطاق واسع في البشر والفئران. تشترك هذه الكائنات في فسيولوجيا المشيمة المتشابهة: كلاهما يستخدم المشيمة الدموية حيث ينتقل دم الأم عبر الفراغات الجيبية المبطنة بخلايا الأرومة الغاذية ، بدلاً من البطانة ، مما يسمح بنقل المغذيات بشكل أكثر كفاءة (تمت المراجعة في Rai and Cross ، 2014). تتمايز المجموعات المتميزة من الخلايا في المشيمة ، الأرومة الغاذية والأديم المتوسط ​​خارج الأغشية ، مبكرًا في مرحلة التطور الجنيني مع خلايا الأرومة الغاذية التي تغزو ساقط الرحم الأمومي بعد الإخصاب. في الفئران ، في منتصف الحمل ، تتشكل المشيمة النهائية عن طريق إقحام الأديم المتوسط ​​خارج الأغشية (الذي سيشكل الأوعية الدموية الجنينية) مع خلايا الأرومة الغاذية التي تنقل تدفق دم الأم عبر المشيمة. يُعرف جزء المشيمة الذي يتعارض فيه دوران الأم والجنين بشدة باسم المتاهة عند الفئران. تتمايز الأرومة الغاذية أيضًا إلى أنواع خلايا متعددة لها خصائص تخزين الطاقة والغدد الصماء (Rai and Cross ، 2014).

إن تأثير الجينات المطبوعة على نمو المشيمة وقدرة نقل المغذيات راسخ وتمت مراجعته على نطاق واسع (Fowden et al.، 2011 Monk، 2015). يتم التعبير عن معظم الجينات المطبوعة بشكل أحادي في المشيمة ، وقد ثبت أنها تتحكم في عمليات النمو المبكرة التي تؤسس العضو [على سبيل المثال ربط 10 (أونو وآخرون ، 2006)]. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمنتجات الجينية المطبوعة تعديل حجم المتاهة ومساحة السطح للتبادل [إيغف 2 (سيبلي وآخرون ، 2004) و البروتين المرتبط بعامل النمو 10 (Grb10 Charalambous et al. ، 2010)] وكذلك كثافة تفرع الأوعية الدموية [أكوابورين (Guo et al. ، 2016)]. يمكن أيضًا أن تؤثر الجينات المطبوعة في المشيمة بشكل مباشر على فسيولوجيا الأم من خلال التحكم في تمايز خلايا الغدد الصماء المشتقة من الأرومة الغاذية (تمت المراجعة في John ، 2017).

الجينات المطبوعة تشارك في اكتساب موارد الجنين

إن امتصاص المغذيات من أنسجة الأم ومعدلات نمو الجنين هما عمليتان مترابطتان (هاي ، 1991). يمكن أن تعمل الجينات المطبوعة مباشرة على مسارات تعزيز نمو الجنين ، وبالتالي زيادة الطلب على موارد الأمهات. مسار IGF هو مسار رئيسي لتعزيز نمو الجنين ويتضمن عنصرين رئيسيين مشفرين بواسطة جينات مطبوعة (إيغف 2 و Igf2r DeChiara et al. ، 1991 Lau et al. ، 1994 Wang et al. ، 1994). يتم تقييد نمو الجنين أيضًا عن طريق الجينات المطبوعة ، بما في ذلك مثبط كيناز 1C المعتمد على السيكلين [Cdkn1c (Tunster et al.، 2011)] و Grb10 (Charalambous et al. ، 2003). Grb10 يشفر بروتين محول يعمل في اتجاه مجرى مستقبلات التيروزين كيناز لمنع الإشارات ، وهو عنصر تنظيمي تلقائي مهم للهدف الميكانيكي لاستشعار المغذيات لمسار الراباميسين (mTOR) (Hsu et al.، 2011 Yu et al.، 2011 ). Grb10 قد يعمل في نفس مسار الإشارات مثل محفز نمو الجنين متماثل يشبه دلتا 1 (Dlk1 Madon-Simon et al. ، 2014). Dlk1 هو جين معبر عنه من قبل الأب يقوم بترميز بروتين عبر الغشاء أحادي التمرير والذي يمكن شقه لإنتاج شكل قابل للذوبان يدور في الدم (Smas et al. ، 1997). Dlk1 ترتبط مستويات التعبير في الجنين ارتباطًا إيجابيًا بالكتلة الجنينية في النصف الثاني من الحمل (Cleaton et al. ، 2016). Dlk1 يتسبب الحذف في تأخر النمو (Cleaton et al. ، 2016 Moon et al. ، 2002) والإفراط في التعبير يسبب فرط النمو بشكل مستقل عن المشيمة (دا روشا وآخرون ، 2009). مسار الإشارات الذي يعمل به DLK1 لم يتم توضيحه بعد. ومع ذلك ، يتم إفراز DLK1 من الجنين في الدورة الدموية للأم ويعمل على تعديل الاستجابة الخاصة بالحمل لتقييد المغذيات (Cleaton et al. ، 2016).

باختصار ، تنتج الجينات المطبوعة في المفهوم منتجات تغير تخصيص موارد الأم من خلال: (1) تغيير قدرة النقل للمشيمة (2) زيادة طلب الجنين على الموارد من خلال عملها على معدل النمو الجوهري و (3) الإشارة إلى الأم عن طريق إنتاج هرمونات الجنين / المشيمة التي تعدل التمثيل الغذائي للأم.

توازن الطاقة وتخصيص الموارد أثناء الحمل

يتم توزيع التكلفة النشطة للحمل على ثلاث أقسام ، أي الطاقة المستثمرة في منتجات الحمل ، والطاقة المودعة كأنسجة دهنية في الأم ، والطاقة اللازمة للحفاظ على هذه الأنسجة الجديدة (Thomson and Hytten ، 1961). يتراكم البشر والقوارض الذين يتمتعون بتغذية جيدة احتياطيات الأنسجة الدهنية أثناء الحمل في النصف الأول من الحمل (Herrera and Ortega-Senovilla، 2014 King، 2000). ترتبط التكلفة الإجمالية للحمل بدهن ما قبل الحمل - فالأفراد الذين لديهم مؤشر كتلة جسم أعلى (BMI) يكتسبون وزنًا أكبر أثناء الحمل ، سواء من الأنسجة الدهنية الاحتياطية أو كتلة الحمل (Prentice and Goldberg ، 2000). يشير هذا إلى أن احتياطيات الدهون في الأم يمكن أن تنتج إشارة إلى الجسم توجه مستوى التخصيص الغذائي بعد الحمل (Prentice and Goldberg ، 2000). يعتبر اللبتين والأديبوكينات الأخرى مرشحين مثاليين لجزيئات الإشارة هذه.

يعتبر اللبتين ، وهو سيتوكين يفرز حصريًا عن طريق الأنسجة الدهنية بما يتناسب مع الكتلة الدهنية ، محددًا رئيسيًا يشارك في الإشارة إلى حالة احتياطي الطاقة إلى المسارات المركزية التي تتحكم في الشهية وإنفاق الطاقة والسلوك الإنجابي (van Swieten et al. ، 2014). يعتبر عمل اللبتين على التحكم في الوطاء في توازن الطاقة معقدًا ، والوصف التفصيلي خارج نطاق هذه المراجعة. باختصار ، إشارات اللبتين إلى مستقبلاته معبراً عنها على سطح الخلايا العصبية من الدرجة الأولى في النواة المقوسة لمنطقة ما تحت المهاد (ARH). تم تحديد مجموعتين من الخلايا العصبية في ARH جيدًا - الخلايا العصبية الببتيدية العصبية Y (NPY) / الببتيد المرتبطة بـ Agouti ، والتي يتم تثبيطها بواسطة اللبتين ، والخلايا العصبية المؤيدة لأفيوميلانوكورتين (POMC) ، والتي يتم تنشيطها بواسطة اللبتين (تمت مراجعته في van Swieten et al. ، 2014). تقوم هذه الخلايا العصبية بإسقاط مواقع تحت المهاد الثانوية ، مثل النواة المجاورة للبطين (PVN) ، التي تتحكم في سلوك التغذية ، ومنطقة ما تحت المهاد الظهري (DMH) ، التي تنظم مستوى النشاط العصبي الودي. جزيء الإشارات الوسيطة الحاسمة هو هرمون الببتيد العصبي α-melanocyte (αMSH) ، والذي تفرزه الخلايا العصبية POMC ويعمل على مستقبلات الميلانوكورتين للتوسط في إجراءات المصب من اللبتين (van Swieten et al. ، 2014). AGRP يعاكس αMSH. ببساطة ، يؤدي ارتفاع مستوى اللبتين من مخازن الدهون الكافية إلى تثبيط الشهية عن طريق تعطيل مسارات الخلايا العصبية المنشأ ، ويزيد من إنفاق الطاقة عن طريق زيادة النشاط والنشاط العصبي الودي. يؤدي زيادة النشاط العصبي الودي بدوره إلى زيادة درجة حرارة الجسم عن طريق تنشيط التعبير عن الجينات المولدة للحرارة في الأنسجة الدهنية البني والبيج (van Swieten et al. ، 2014). ينتج عن انخفاض مخزون الدهون في سلسلة معاكسة من الاستجابات. مجتمعة ، تحافظ هذه الآليات على "نقطة ضبط" استتبابية تحافظ على وزن الجسم ضمن نطاق ضيق.

يمكن أن تتسبب التعديلات الجينية والبيئية لمكونات مسار إشارات اللبتين في حدوث تغييرات في قيمة نقاط التحديد هذه ، أو تسبب فشلًا في تحقيق التوازن. على سبيل المثال ، فشلت الفئران الصغيرة التي تعرضت لنظام غذائي عالي الدهون للأم خلال فترة ما حول الولادة في إنشاء اتصال عصبي بين ARH و PVN ، مما أدى إلى تغيير تكوين الجسم والاستعداد لمرض التمثيل الغذائي عند البالغين (Vogt et al. ، 2014 ). نقص اللبتين (ob / ob) الفئران والأشخاص الذين لديهم طفرات في مكونات مسار الميلانوكورتين المركزي يعانون من فرط البلع والسمنة - الحفاظ على نقطة ضبط أعلى لوزن الجسم بسبب نقص الليبتين أو المقاومة (راجعه فاروقي وأورايلي ، 2014).

دراسات أنيقة تستخدم العلاج ببدائل اللبتين في الوقت المناسب ob / ob أثبتت الفئران أن هذا الأديبوكين له دور واسع في التكاثر (مالك وآخرون ، 2001). إشارات اللبتين مطلوبة للخصوبة [عن طريق التحكم في إطلاق الغدد التناسلية (باديلا وآخرون ، 2017)] ، والحمل والغرس. علاوة على ذلك ، فإن اللبتين مطلوب خلال فترة ما حول الولادة من أجل الإرضاع ولسلوكيات الأم المناسبة بعد الولادة (مالك وآخرون ، 2001).

يرتبط الحمل بمقاومة اللبتين. ترتفع مستويات اللبتين المنتشرة في دم الأم في النصف الثاني من الحمل ، ومع ذلك ، يظل التعبير عن الببتيدات الأصلية NPY و AGRP في ARH مستقرًا. علاوة على ذلك ، فإن حقن الجرذان الحوامل باللبتين لا يثبط تناول الطعام أو ينشط مسارات αMSH في اتجاه مجرى النهر (Ladyman et al. ، 2010). يُعتقد أن مقاومة اللبتين في أواخر الحمل يتم توسطها عن طريق إفراز المشيمة للهرمونات ، وتحديداً عائلة جزيئات البرولاكتين واللاكتوجين المشيمي. حقن البرولاكتين داخل البطين في إناث الجرذان يحاكي مقاومة اللبتين للحمل ، وينتشر التعبير عن مستقبلات البرولاكتين على نطاق واسع في المناطق تحت المهاد المرتبطة باستتباب الطاقة (Ladyman et al. ، 2010). باستمرار ، الحذف الشامل لمستقبلات البرولاكتين في الفئران يسبب تغيرات في توازن الجلوكوز أثناء الحمل ، ومع ذلك ، فإن مساهمة إشارات اللبتين في هذا النمط الظاهري لم يتم اختبارها بشكل صريح (Rawn et al. ، 2015). لذلك ، فإن التفاعلات بين إفراز هرمون المشيمة وحساسية اللبتين المركزية ضرورية لاستجابة الأم المناسبة للحمل.

يلعب الأديبوكين الثاني ، وهو الأديبونكتين ، وظائف مهمة أثناء الحمل. يُفرز الأديبونكتين من الخلايا الشحمية وفقًا لحجمها ويعمل على أنسجة متعددة ، في الغالب لزيادة حساسية الأنسولين (ستيرن وآخرون ، 2016). تنخفض مستويات Adiponectin في كل من القوارض والحمل البشري وتبقى منخفضة أثناء الرضاعة (Combs et al. ، 2003 Howell and Powell ، 2017). يُعتقد أن مستويات الأديبونكتين المنخفضة خلال النصف الثاني من الحمل تزيد من مقاومة الأم للأنسولين ، وبالتالي تقلل من امتصاص الأم للجلوكوز وتزيد من تدرج تركيز جلوكوز الأم والجنين لصالح امتصاص الجنين. تمشيا مع هذا ، تلد النساء الحوامل البدينات والقوارض التي تقاوم الأنسولين أطفالًا كبيرًا وتقلل من مستويات الأديبونكتين (Howell and Powell ، 2017). علاوة على ذلك ، يمكن لمكملات الفئران البدينة بالأديبونكتين أثناء الحمل عكس مقاومة الأنسولين لدى الأمهات وزيادة نمو الجنين (Aye et al.، 2015).

أظهرت التجارب التي تستخدم نماذج الحذف والإفراط في التعبير في الفئران أن الجينات المطبوعة لها أدوار مهمة في استتباب الطاقة - مما يؤدي إلى تغيير مستويات الحالة المستقرة من السمنة ، وإنتاج الدهون الدهنية والحساسية. ومع ذلك ، فإن العديد من هذه التعديلات المظهرية لم يتم اختبارها بعد بشكل مباشر لمساهماتها في نتيجة الحمل ، وقد تم قياس مستويات الأديبوكين أثناء الحمل لعدد قليل جدًا من عمليات التلاعب بالجينات المطبوعة (تم تلخيص البيانات المتاحة لنماذج الفئران المنشورة حتى الآن في الجدول. 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 والعكس صحيح.

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 من جديد 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 من جديد 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.


شاهد الفيديو: Regulatory Hierarchies in Development, including Hox Genes (كانون الثاني 2023).