Парамутация
В эпигенетике парамутация — это взаимодействие между двумя аллелями в одном локусе , при котором одна аллель вызывает наследуемые изменения в другой аллели. [1] Изменение может заключаться в характере метилирования ДНК или модификациях гистонов. [2] Аллель, вызывающую изменение, называется парамутагенным, а аллель, подвергшаяся эпигенетическим изменениям, называется парамутагенной. [1] Парамутагенный аллель может иметь измененные уровни экспрессии генов , которые могут продолжаться у потомков, унаследовавших этот аллель, даже если парамутагенный аллель может больше не присутствовать. [1] Путем правильного разведения парамутация может привести к появлению братьев и сестер с одинаковой генетической последовательностью, но с совершенно разными фенотипами . [3]
Хотя парамутация изучалась в основном на кукурузе , она была описана и в ряде других систем, включая системы животных, такие как Drosophila melanogaster и мыши. [1] [4] Несмотря на широкое распространение, примеры этого явления немногочисленны, а его механизм до конца не изучен.
История
[ редактировать ]Первое описание того, что впоследствии стало называться парамутацией, было дано Уильямом Бейтсоном и Кэролайн Пелью в 1915 году, когда они описали «недобросовестный» горох , который всегда передавал свой «непослушный» фенотип своему потомству. [5] Однако первое формальное описание парамутации было дано Р. А. Бринком из Университета Висконсин-Мэдисон в 1950-х годах, который проводил свою работу на кукурузе ( Zea mays ). [5] Бринк заметил, что специфические слабовыраженные аллели локуса red1 (r1) у кукурузы, который кодирует фактор транскрипции , придающий красный пигмент зернам кукурузы , могут наследственно менять специфические сильно выраженные аллели на более слабое состояние экспрессии . [1] Более слабое состояние экспрессии, принятое измененным аллелем, передается по наследству и, в свою очередь, может изменить состояние экспрессии других активных аллелей в процессе, называемом вторичной парамутацией. [1] Бринк показал, что влияние парамутагенного аллеля может сохраняться на протяжении многих поколений. [1]
Описание
[ редактировать ]Аллели, вызывающие наследственные изменения аллелей, с которыми они контактируют, называются парамутагенными, а модифицированные ими аллели — парамутабельными. Аллели, не принимающие участия в этом взаимодействии, называются нейтральными. При совместном присутствии в организме парамутагенный аллель превращается в парамутагенный аллель и сохраняет свою парамутагенность в последующих поколениях. Эта трансформация не сопровождается никакими изменениями в последовательности ДНК, но вместо этого эпигенетические модификации (например, метилирование ДНК) дифференцируют парамутагенные аллели от парамутабельных. В большинстве случаев парамутагенный аллель хорошо транскрибируется, а парамутагенный аллель практически не подвергается транскрипции.
Первым описанным и наиболее тщательно исследованным примером является локус r1 кукурузы. Ген , в этом локусе при активной транскрипции кодирует фактор транскрипции который способствует выработке антоцианов , в результате чего ядра приобретают фиолетовый цвет. Одна аллель в этом локусе, называемая B', способна вызывать метилирование другой аллели, BI. Это метилирование приводит к снижению транскрипции и, как следствие, к снижению антоцианов продукции . Эти аллели не различаются по последовательности ДНК, но различаются по степени метилирования ДНК . Как и в других примерах парамутации, это изменение аллели BI на аллель B' стабильно и передается по наследству. Другие подобные примеры парамутации существуют в других локусах кукурузы , а также в других растениях, таких как модельная система Arabidopsis thaliana и трансгенные петунии . [6] [7] [8]
Парамутация также была зарегистрирована у таких животных, как плодовые мухи , C. elegans и мыши . [1] [4] [9]
Механизм
[ редактировать ]Хотя конкретные механизмы действия парамутации варьируются от организма к организму, все хорошо документированные случаи указывают на эпигенетическую модификацию и подавление РНК как на основной механизм парамутации. [1]
В случае локуса r1 кукурузы метилирование ДНК участка тандемных повторов вблизи кодирующей области гена характерно для парамутагенного аллеля B', а когда парамутагенный аллель BI становится парамутагенным, он тоже принимает ту же самую ДНК. образец метилирования. [10] Для успешного переноса этого метилирования необходим ряд генов, кодирующих РНК-зависимые РНК-полимеразы и другие компоненты путей РНК-замалчивания , что позволяет предположить, что парамутация опосредована через эндогенные пути РНК-замалчивания. [1] Транскрипция коротких интерферирующих РНК из областей тандемных повторов подтверждает это. В системах животных, таких как Drosophila , piRNAs также участвуют в обеспечении парамутаций. [4] В дополнение к характерным изменениям состояния метилирования ДНК , во многих системах также были отмечены изменения в паттернах модификации гистонов в метилированных областях ДНК и/или потребность в белках, модифицирующих гистоны, для осуществления парамутации. [2] [9] Было высказано предположение, что эти модификации гистонов играют роль в поддержании парамутированного состояния. [2] Упомянутая ранее область тандемных повторов в локусе r1 также типична для других локусов, демонстрирующих парамутацию или явления, подобные парамутации. [5]
Однако было отмечено, что невозможно объяснить все случаи и особенности парамутаций тем, что известно о RNAi-опосредованном подавлении транскрипции, что позволяет предположить, что другие пути и/или механизмы также играют роль. [7]
Подразумеваемое
[ редактировать ]Было высказано предположение, что в любой конкретной популяции относительно небольшое количество генов будет демонстрировать наблюдаемую парамутацию, поскольку высокая пенетрантность парамутагенных аллелей (например, B' в локусе r1 у кукурузы) приведет к фиксации либо парамутагенного, либо парамутагенного аллеля . [3] Однако парамутация в других локусах с парамутагенными аллелями с более низкой пенетрантностью может сохраняться, что, возможно, необходимо учитывать селекционерам растений . [3]
Поскольку существуют примеры парамутации или явлений, подобных парамутации, у таких животных, как плодовые мухи и мыши, было высказано предположение, что парамутация может объяснить возникновение некоторых заболеваний человека , которые демонстрируют неменделевские закономерности наследования . [11]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Чендлер, Вики Л. (23 февраля 2007 г.). «Парамутация: от кукурузы до мышей» . Клетка . 128 (4): 641–645. дои : 10.1016/j.cell.2007.02.007 . ISSN 0092-8674 . ПМИД 17320501 .
- ^ Jump up to: а б с Харинг, Макс; Бадер, Речиен; Лоуверс, Марике; Швабе, Энн; ван Дрил, Рул; Стам, Майке (01 августа 2010 г.). «Роль метилирования ДНК, занятости нуклеосом и модификаций гистонов в парамутации» . Заводской журнал . 63 (3): 366–378. дои : 10.1111/j.1365-313X.2010.04245.x . ISSN 1365-313X . ПМИД 20444233 .
- ^ Jump up to: а б с Спрингер, Натан М.; МакГиннис, Карен М. (01 августа 2015 г.). «Парамутации в эволюции, популяционной генетике и селекции» . Семинары по клеточной биологии и биологии развития . Факторы парамутации и транскрипции Pax. 44 : 33–38. дои : 10.1016/j.semcdb.2015.08.010 . ПМИД 26325077 .
- ^ Jump up to: а б с де Ванссе, Огюстен; Буже, Анн-Лора; Бойвен, Антуан; Германт, Екатерина; Тейссет, Лора; Дельмар, Валери; Антоньевский, Кристоф; Ронсере, Стефан (2012). «Парамутация у дрозофилы связана с появлением локуса, продуцирующего пиРНК» . Природы . 490 (7418): 112–115. Бибкод : 2012Natur.490..112D . дои : 10.1038/nature11416 . ПМИД 22922650 . S2CID 2369271 .
- ^ Jump up to: а б с Стам, Майке; Шайд, Ортрун Миттельстен (1 июня 2005 г.). «Парамутация: встреча, оставляющая неизгладимое впечатление». Тенденции в науке о растениях . 10 (6): 283–290. doi : 10.1016/j.tplants.2005.04.009 . ISSN 1360-1385 . ПМИД 15949762 .
- ^ Чжэн, Чжиминь; Мики, Дайсуке; Чжан, Цинчжу; Гун, Чжичжун; Чжу, Цзянь-Кан (26 мая 2015 г.) . - Пути молчания в парамутационном феномене у Arabidopsis» . Cell Reports . 11 (8): 1160–1167. doi : 10.1016/ . ISSN 2211-1247 . PMC 4484736. . PMID 25981044 j.celrep.2015.04.034
- ^ Jump up to: а б Артеага-Васкес, Марио Альберто; Чендлер, Вики Линн (2010). «Парамутация кукурузы: РНК-опосредованное подавление генов между поколениями» . Текущее мнение в области генетики и развития . 20 (2): 156–163. дои : 10.1016/j.где.2010.01.008 . ПМЦ 2859986 . ПМИД 20153628 .
- ^ Мейер, Питер; Хайдманн, Ирис; Ниденхоф, Ингрид (1 июля 1993 г.). «Различия в метилировании ДНК связаны с феноменом парамутации у трансгенной петунии» . Заводской журнал . 4 (1): 89–100. дои : 10.1046/j.1365-313X.1993.04010089.x . ISSN 1365-313X . ПМИД 8220478 .
- ^ Jump up to: а б Сапетшниг, Александра; Саркис, Питер; Лербах, Николя Дж.; Миска, Эрик А. (26 марта 2015 г.). «Третичные миРНК опосредуют парамутацию у C. elegans» . ПЛОС Генет . 11 (3): e1005078. дои : 10.1371/journal.pgen.1005078 . ISSN 1553-7404 . ПМЦ 4374809 . ПМИД 25811365 .
- ^ Белеле, Кристиана Л.; Сидоренко Людмила; Стам, Майке; Бадер, Речиен; Артеага-Васкес, Марио А.; Чендлер, Вики Л. (17 октября 2013 г.). «Конкретных тандемных повторов достаточно для вызванного парамутацией трансгенерационного молчания» . ПЛОС Генетика . 9 (10): e1003773. дои : 10.1371/journal.pgen.1003773 . ISSN 1553-7404 . ПМЦ 3798267 . ПМИД 24146624 .
- ^ Рассулзадеган, Мину; Кузен, Франсуа (01 августа 2015 г.). «От парамутации к болезни человека: РНК-опосредованная наследственность». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . Факторы парамутации и транскрипции Pax. 44 : 47–50. дои : 10.1016/j.semcdb.2015.08.007 . ПМИД 26335266 .