Экспрессия моноаллельного гена
Моноаллельная экспрессия генов (МАЭ) — это явление экспрессии генов , когда только одна из двух копий гена ( аллелей ) активно экспрессируется ( транскрибируется ), а другая молчит. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Диплоидные организмы несут две гомологичные копии каждой хромосомы (по одной от каждого родителя), ген может экспрессироваться из обеих хромосом (биаллельная экспрессия) или только из одной (моноаллельная экспрессия). [ 4 ] MAE может представлять собой случайную моноаллельную экспрессию (RME) или конститутивную моноаллельную экспрессию (конститутивную) . Конститутивная моноаллельная экспрессия происходит от одного и того же конкретного аллеля во всем организме или ткани в результате геномного импринтинга . [ 5 ] RME — это более широкий класс моноаллельной экспрессии, который определяется случайным выбором аллелей в соматических клетках , так что разные клетки многоклеточного организма экспрессируют разные аллели.
Конститутивная моноаллельная экспрессия генов
[ редактировать ]Случайная моноаллельная экспрессия генов (RME)
[ редактировать ]Инактивация Х-хромосомы (XCI) является наиболее ярким и хорошо изученным примером РМО. XCI приводит к подавлению транскрипции одной из Х-хромосом в женских клетках, что приводит к экспрессии генов, расположенных на другой, остающейся активной Х-хромосоме . XCI имеет решающее значение для сбалансированной экспрессии генов у самок млекопитающих . Аллельный выбор XCI отдельными клетками происходит случайным образом в эпибластах предимплантационного эмбриона. [ 6 ] что приводит к мозаичной экспрессии генов отцовской и материнской Х-хромосомы в женских тканях. [ 7 ] [ 8 ] XCI представляет собой моноаллельную экспрессию всей хромосомы, которая включает экспрессию всех генов, расположенных на Х-хромосоме, в отличие от аутосомного RME (aRME) , который относится к одиночным генам, рассеянным по геному . aRME можно исправить [ 9 ] или динамический, в зависимости от того, сохраняется ли аллель-специфическая экспрессия в дочерних клетках после митотического деления клеток .
Виды АРМЭ
[ редактировать ]Фиксированные aRME устанавливаются либо путем подавления одной аллели, которая ранее экспрессировалась биаллельно, либо путем активации одной аллели из ранее молчащего гена. Активация экспрессии молчащего аллеля сочетается с механизмом обратной связи, который предотвращает экспрессию второго аллеля. Возможен и другой сценарий из-за ограниченного временного окна маловероятной инициации, что может привести к высокой частоте клеток с экспрессией одной аллели. Предполагается, что 2 [ 10 ] [ 11 ] -10 [ 12 ] % всех генов фиксированы aRME. Исследования фиксированных aRME требуют либо размножения моноклональных культур, либо прослеживания линий клеток in vivo или in vitro, которые являются митотическими.
Динамический aRME возникает вследствие стохастической экспрессии аллелей. Транскрипция происходит пакетно , в результате чего молекулы РНК синтезируются из каждой аллели отдельно. Таким образом, со временем обе аллели имеют вероятность инициировать транскрипцию. Транскрипционные всплески аллельно стохастические и приводят к накоплению в клетке либо материнского, либо отцовского аллеля. всплеска транскрипции гена Частота и интенсивность в сочетании со скоростью деградации РНК определяют форму распределения РНК в момент наблюдения и, следовательно, является ли ген би- или моноаллельным. Исследования, которые различают фиксированные и динамические aRME, требуют анализа отдельных клеток клонально родственных клеток. [ 13 ]
Механизмы АРМЕ
[ редактировать ]Аллельное исключение — это процесс экспрессии генов, когда один аллель экспрессируется, а другой молчит. Двумя наиболее изученными случаями аллельного исключения являются моноаллельная экспрессия иммуноглобулинов в В- и Т-клетках. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] и обонятельные рецепторы в сенсорных нейронах. [ 17 ] Аллельное исключение является специфичным для типа клеток (в отличие от XCI для всего организма), что увеличивает межклеточное разнообразие и, следовательно, специфичность по отношению к определенным антигенам или запахам .
Аллель-предвзятая экспрессия — это неравномерный уровень экспрессии одной аллели по сравнению с другой, но обе аллели все еще экспрессируются (в отличие от аллельного исключения). Это явление часто наблюдается в клетках иммунной функции. [ 18 ] [ 19 ]
Методы обнаружения
[ редактировать ]Методы обнаружения МАЕ основаны на различии аллелей, которые можно отличить либо по последовательности экспрессируемой мРНК, либо по структуре белка. Методы обнаружения MAE можно разделить на анализ MAE одного гена или всего генома. Полногеномный анализ MAE пока не может быть выполнен на основе структуры белка, поэтому эти методы полностью основаны на NGS .
Одногенный анализ
| Методы обнаружения | Краткое содержание |
|---|---|
| ОТ-кПЦР | может быть использован для обнаружения RME с использованием аллель-специфичных праймеров, SNP -чувствительных гибридизационных зондов или аллель-специфичных рестрикции сайтов . Может использоваться для одиночных клеток или популяции клональных клеток. |
| Зарождающаяся РНК- РЫБА | визуализирует зарождающуюся (которая в настоящее время синтезируется) РНК in situ . Показание представляет собой одну, две или ноль флуоресцентных точек, что указывает на моно-, диаллельность или отсутствие экспрессии соответственно при разрешении одной клетки. |
| Сортировка ячеек | если ген представляет собой поверхностный белок и имеется аллель-специфическое антитело , этот метод можно использовать для обнаружения присутствия или отсутствия фиксированного или динамического RME путем запуска одной и той же клетки в течение определенного времени. Разрешение одной ячейки. |
| Визуализация живых клеток | приводит к динамике выражения с течением времени. требуется вставка аллель-специфической метки флуоресцентного белка (например, GFP Для обнаружения сигнала ). |
Полногеномный анализ
| Методы обнаружения | Краткое содержание |
|---|---|
| SNP-чувствительные микрочипы | может использоваться для оценки фиксированного RME заранее определенного набора транскриптов для клонально размноженных популяций клеток. |
| РНК-секвенирование | аналогично предыдущему методу дает оценку фиксированного RME для клонально разросшихся популяций клеток, но для всех транскриптов . |
| Секвенирование одноклеточной РНК | аналогичен предыдущим методам, но превосходит их. Так как дает возможность анализа отдельных клеток. Если анализируются несколько клонально связанных клеток, можно различить фиксированные и динамические RME. [ 20 ] |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Шахматы А (ноябрь 2016 г.). «Экспрессия моноаллельных генов у млекопитающих». Ежегодный обзор генетики . 50 (1): 317–327. doi : 10.1146/annurev-genet-120215-035120 . ПМИД 27893959 .
- ^ Хамличи А.А., Фейл Р. (декабрь 2018 г.). «Параллели между механизмами экспрессии моноаллельных генов у млекопитающих». Тенденции в генетике . 34 (12): 954–971. дои : 10.1016/j.tig.2018.08.005 . ПМИД 30217559 . S2CID 52275718 .
- ^ Тарутани Ю., Такаяма С. (октябрь 2011 г.). «Экспрессия моноаллельных генов и ее механизмы». Современное мнение в области биологии растений . 14 (5): 608–13. дои : 10.1016/j.pbi.2011.07.001 . ПМИД 21807553 .
- ^ Монга И., Куреши А., Тхакур Н., Гупта А.К., Кумар М. (сентябрь 2017 г.). «ASPsiRNA: ресурс ASP-siRNA, обладающий терапевтическим потенциалом в отношении генетических нарушений человека, и алгоритм прогнозирования их ингибирующей эффективности» . Г3 . 7 (9): 2931–2943. дои : 10.1534/g3.117.044024 . ПМК 5592921 . ПМИД 28696921 .
- ^ Гарфилд А.С., Коули М., Смит Ф.М., Мурвуд К., Стюарт-Кокс Дж.Э., Гилрой К. и др. (январь 2011 г.). «Отличные физиологические и поведенческие функции родительских аллелей импринтированного Grb10» . Природа . 469 (7331): 534–8. Бибкод : 2011Natur.469..534G . дои : 10.1038/nature09651 . ПМК 3031026 . ПМИД 21270893 .
- ^ Монк М., Харпер М.И. (сентябрь 1979 г.). «Последовательная инактивация Х-хромосомы в сочетании с клеточной дифференцировкой у ранних эмбрионов мыши». Природа . 281 (5729): 311–3. Бибкод : 1979Natur.281..311M . дои : 10.1038/281311a0 . ПМИД 551278 . S2CID 4359976 .
- ^ Хаджантонакис А.К., Кокс Л.Л., Там П.П., Надь А. (март 2001 г.). «Х-связанный с Х-хромосомой трансген GFP обнаруживает неожиданную активность отцовской Х-хромосомы в гигантских трофобластических клетках плаценты мыши». Бытие . 29 (3): 133–40. дои : 10.1002/gen.1016 . ПМИД 11252054 . S2CID 40323375 .
- ^ Ву Х, Луо Дж, Ю Х, Раттнер А, Мо А, Ван Ю и др. (январь 2014 г.). «Карты клеточного разрешения инактивации Х-хромосомы: значение для развития, функций и заболеваний нейронов» . Нейрон . 81 (1): 103–19. дои : 10.1016/j.neuron.2013.10.051 . ПМК 3950970 . ПМИД 24411735 .
- ^ Гимельбрант А., Хатчинсон Дж. Н., Томпсон Б. Р., Chess A (ноябрь 2007 г.). «Распространенная моноаллельная экспрессия на аутосомах человека». Наука . 318 (5853): 1136–40. Бибкод : 2007Sci...318.1136G . дои : 10.1126/science.1148910 . ПМИД 18006746 . S2CID 21114969 .
- ^ Джеффрис А.Р., Перфект Л.В., Леддероуз Дж., Шалквик Л.К., Брэй Нью-Джерси, Милл Дж., Прайс Дж. (сентябрь 2012 г.). «Стохастический выбор экспрессии аллелей в нервных стволовых клетках человека» (PDF) . Стволовые клетки . 30 (9): 1938–47. дои : 10.1002/stem.1155 . ПМИД 22714879 .
- ^ Ли С.М., Вало З., Ван Дж., Гао Х., Бауэрс К.В., Сингер-Сэм Дж. (2012). «Обследование транскриптома клеток, происходящих из ЦНС мыши, выявило моноаллельную экспрессию в новых семействах генов» . ПЛОС ОДИН . 7 (2): e31751. Бибкод : 2012PLoSO...731751L . дои : 10.1371/journal.pone.0031751 . ПМК 3285176 . ПМИД 22384067 .
- ^ Цвемер Л.М., Зак А., Томпсон Б.Р., Кирби А., Дейли М.Дж., Чесс А., Гимельбрант А.А. (февраль 2012 г.). «Аутосомная моноаллельная экспрессия у мышей» . Геномная биология . 13 (2): Р10. дои : 10.1186/gb-2012-13-2-r10 . ПМЦ 3334567 . ПМИД 22348269 .
- ^ Дэн К., Рамшёлд Д., Рейниус Б., Сандберг Р. (январь 2014 г.). «Секвенирование одноклеточной РНК выявляет динамическую, случайную экспрессию моноаллельных генов в клетках млекопитающих». Наука . 343 (6167): 193–6. Бибкод : 2014Sci...343..193D . дои : 10.1126/science.1245316 . ПМИД 24408435 . S2CID 206552108 .
- ^ Пернис Б., Кьяппино Дж., Келус А.С., Гелл П.Г. (ноябрь 1965 г.). «Клеточная локализация иммуноглобулинов с различной аллотипической специфичностью в лимфоидных тканях кролика» . Журнал экспериментальной медицины . 122 (5): 853–76. дои : 10.1084/jem.122.5.853 . ПМК 2138120 . ПМИД 4159057 .
- ^ Ходзуми Н., Тонегава С. (октябрь 1976 г.). «Доказательства соматической перестройки генов иммуноглобулинов, кодирующих вариабельные и константные области» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 73 (10): 3628–32. Бибкод : 1976PNAS...73.3628H . дои : 10.1073/pnas.73.10.3628 . ПМК 431171 . ПМИД 824647 .
- ^ Брэди Б.Л., Стайнель, Северная Каролина, Басинг CH (октябрь 2010 г.). «Исключение аллелей антигенных рецепторов: обновление и переоценка» . Журнал иммунологии . 185 (7): 3801–8. doi : 10.4049/jimmunol.1001158 . ПМК 3008371 . ПМИД 20858891 .
- ^ Шахматы А, Саймон I, Сидар Х, Аксель Р (сентябрь 1994 г.). «Аллельная инактивация регулирует экспрессию генов обонятельных рецепторов». Клетка . 78 (5): 823–34. дои : 10.1016/S0092-8674(94)90562-2 . ПМИД 8087849 . S2CID 19712526 .
- ^ Танамачи Д.М., Ханке Т., Такидзава Х., Джеймисон А.М., Раулет Д.Р. (февраль 2001 г.). «Экспрессия аллелей естественных киллерных рецепторов в разных локусах Ly49 происходит независимо и регулируется молекулами класса I главного комплекса гистосовместимости» . Журнал экспериментальной медицины . 193 (3): 307–15. дои : 10.1084/jem.193.3.307 . ПМК 2195928 . ПМИД 11157051 .
- ^ Го Л, Ху-Ли Дж, Пол ВЕ (июль 2005 г.). «Вероятностная регуляция в клетках TH2 обеспечивает моноаллельную экспрессию IL-4 и IL-13» . Иммунитет . 23 (1): 89–99. doi : 10.1016/j.immuni.2005.05.008 . ПМИД 16039582 .
- ^ Рейниус Б., Сандберг Р. (ноябрь 2015 г.). «Случайная моноаллельная экспрессия аутосомных генов: стохастическая транскрипция и регуляция на уровне аллелей». Обзоры природы. Генетика . 16 (11): 653–64. дои : 10.1038/nrg3888 . ПМИД 26442639 . S2CID 976795 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Сингер-Сэм, Джудит (2010). «Моноаллельная экспрессия» . Природное образование . 3 (3): 1.