Эта статья входит в число добротных статей

Парамутация

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Парамута́ция (англ. paramutation) — взаимодействие двух аллелей одного локуса, при котором один аллель вызывает наследуемые изменения в другом аллеле[1]. Эти изменения могут заключаться в изменении паттерна метилирования ДНК или модификации гистонов[2]. Аллель, индуцирующий эти изменения, называется парамутагенным, а тот аллель, который эпигенетически изменяется, называется парамутабельным[1]. Парамутабельный аллель может иметь изменённые уровни экспрессии, которые могут сохраняться у потомства, унаследовавшего этот аллель, даже в отсутствие парамутагенного аллеля[1]. Парамутации могут иметь место, например, у генетически идентичных растений, демонстрирующих совершенно разные фенотипы[3].

Хотя явление парамутации было изучено в основном на кукурузе, парамутации были описаны и у других организмов, включая таких животных, как плодовая мушка Drosophila melanogaster и мышь[1][4]. Несмотря на широкое распространение, примеры парамутаций немногочисленны, и их механизмы не до конца понятны.

История изучения[править | править код]

Первое описание явления, которое можно было бы назвать парамутацией, было сделано Уильямом Бэтсоном и Каролин Пеллью (англ. Caroline Pellew) в 1915 году. Они описали «карликовый» (англ. rogue) горох, который передавал свою «карликовость» потомству[5]. Однако первое формальное описание парамутации было выполнено Р. А. Бринком[en] (англ. R. A. Brink) из Висконсинского университета в Мадисоне в 1950 году у растений кукурузы[5]. Он заметил, что особые слабо экспрессируемые аллели локуса red1 (r1) у кукурузы, который кодирует транскрипционный фактор, который придаёт красный цвет зёрнам кукурузы, может вызывать наследуемые изменения в сильно экспрессируемых аллелях, которые превращают их в слабо экспрессируемые. Слабый уровень экспрессии сохраняется при передаче этих аллелей потомству, и они могут, в свою очередь, понижать уровень экспрессии других аллелей (это явление получило название вторичной парамутации). Бринк показал, что влияние парамутагенного аллеля может передаваться нескольким последующим поколениям[1].

Описание[править | править код]

Парамутация kit у мышей

Аллели, которые могут вызывать наследуемые изменения в других аллелях, называются парамутагенными, а изменяющеся аллели называются парамутабельными. Аллели, не принимающие участия в этих взаимодействиях, называют нейтральными. Когда парамутагенный и парамутабельный аллели имеются у одного и того же организма, парамутабельный аллель превращается в парамутагенный и сохраняет свою парамутагенность в нескольких поколениях. При описанной трансформации не происходит никаких изменений в ДНК, однако парамутагенные и парамутабельные аллели различаются по эпигенетическим признакам (в том числе по метилированию ДНК). Как правило, парамутабельный аллель активно транскрибируется, а парамутагенный аллель транскрибируется мало или не транскрибируется вовсе. Первым описанным и наиболее изученным примером парамутации является локус r1 кукурузы. Ген, расположенный в этом локусе, когда транскрибируется, даёт начало транскрипционному фактору, стимулирующему образование антоциана, в результате чего зёрна приобретают пурпурную окраску. Один аллель этого локуса, обозначаемый B', может вызывать метилирование другого аллеля, B-I. Метилирование снижает транскрипцию и, соответственно, уровень синтеза антоциана. Эти аллели не отличаются по последовательностям ДНК, однако различаются по степени метилирования ДНК. Как и в случае других парамутаций, превращение аллели B-I в аллель B' стабильно и наследуемо. Другие похожие примеры парамутаций имеют место в случае некоторых других локусов кукурузы, а также у модельного растения Arabidopsis thaliana и трансгенных петуний[6][7][8]. Парамутации также описаны у Drosophila melanogaster, червя Caenorhabditis elegans и мыши[1][4][9].

В качестве примера парамутаций можно рассмотреть парамутацию Kit у мышей. Ген Kit кодирует тирозинкиназный рецептор[en], который участвует в таких процессах развития, как гемопоэз, дифференцировка клеток зародышевой линии и меланогенез. Гомозиготная делеция Kit летальна, а гетерозиготные мыши имеют белый хвост. Белый хвост гетерозиготных родителей сохраняется у их потомков, имеющих генотип дикого типа (Kit+/+). Показано, что в этом случае парамутация обусловлена РНК: инъекция в оплодотворённое яйцо с генотипом дикого типа РНК из спермы белохвостой гомозиготы или РНК, образованной из транскрипта Kit, приводит к развитию белохвостого фенотипа[10].

Механизм[править | править код]

Хотя специфические механизмы осуществления парамутаций различаются у разных организмов, в их основе лежат эпигенетические модификации и РНК-сайленсинг[1].

В случае локуса r1 кукурузы для парамутагенного аллеля B' характерно ДНК-метилирование участка тандемных повторов рядом с кодирующей областью, и когда парамутабельный аллель B-I становится парамутагенным, он тоже приобретает характерный паттерн ДНК-метилирования[11]. Для успешного переноса ДНК-метилирования необходим ряд генов, кодирующих РНК-зависимые РНК-полимеразы[en] и другие белки пути РНК-сайленсинга, подтверждая тем самым, что парамутация осуществляется посредством эндогенного РНК-сайленсинга[en][1]. Эта гипотеза подтверждается наличием транскрипции малых интерферирующих РНК с участка тандемных повторов. У таких животных, как D. melanogaster, парамутации могут быть опосредованы piРНК[4]. Также было показано, что в некоторых случаях помимо ДНК-метилирования для осуществления парамутаций необходимы модификации гистонов метилированной ДНК, поэтому для парамутаций могут быть необходимы гистон-модифицирущие белки[2][9]. Было высказано предположение, что модификации гистонов могут быть необходимы для поддержания парамутаций[2]. Однако стоит отметить, что с помощью концепции РНК-сайленсинга невозможно объяснить все свойства парамутаций, поэтому в парамутациях могут быть задействованы и другие механизмы[7].

Применение[править | править код]

Существует предположение, что в отдельной популяции относительно немного генов демонстрируют парамутации ввиду того, что высокая пенетрантность парамутагенных аллелей может привести к закреплению или парамутагенного, или парамутабельного аллелей. Впрочем, парамутации могут сохраняться парамутации в локусах с низкой пенетрантностью парамутагенного аллеля. Это необходимо учитывать селекционерам растений[3].

Поскольку парамутации и явления, похожие на них, описаны у таких животных, как дрозофила и мышь, предполагается, что парамутации могут вносить свой вклад в развитие наследственных заболеваний человека с неменделевским наследованием[12].

Примечания[править | править код]

  1. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 8 Chandler V. L. Paramutation: from maize to mice. (англ.) // Cell. — 2007. — Vol. 128, no. 4. — P. 641—645. — doi:10.1016/j.cell.2007.02.007. — PMID 17320501. [исправить]
  2. ↑ 1 2 3 Haring Max, Bader Rechien, Louwers Marieke, Schwabe Anne, van Driel Roel, Stam Maike. The role of DNA methylation, nucleosome occupancy and histone modifications in paramutation // The Plant Journal. — 2010. — 29 апреля (т. 63, № 3). — С. 366—378. — ISSN 0960-7412. — doi:10.1111/j.1365-313X.2010.04245.x. [исправить]
  3. ↑ 1 2 Springer Nathan M., McGinnis Karen M. Paramutation in evolution, population genetics and breeding // Seminars in Cell & Developmental Biology. — 2015. — Август (т. 44). — С. 33—38. — ISSN 1084-9521. — doi:10.1016/j.semcdb.2015.08.010. [исправить]
  4. ↑ 1 2 3 de Vanssay Augustin, Bougé Anne-Laure, Boivin Antoine, Hermant Catherine, Teysset Laure, Delmarre Valérie, Antoniewski Christophe, Ronsseray Stéphane. Paramutation in Drosophila linked to emergence of a piRNA-producing locus // Nature. — 2012. — 26 августа (т. 490, № 7418). — С. 112—115. — ISSN 0028-0836. — doi:10.1038/nature11416. [исправить]
  5. ↑ 1 2 Stam M., Mittelsten Scheid O. Paramutation: an encounter leaving a lasting impression. (англ.) // Trends in plant science. — 2005. — Vol. 10, no. 6. — P. 283—290. — doi:10.1016/j.tplants.2005.04.009. — PMID 15949762. [исправить]
  6. ↑ Zheng Z., Yu H., Miki D., Jin D., Zhang Q., Ren Z., Gong Z., Zhang H., Zhu J. K. Involvement of Multiple Gene-Silencing Pathways in a Paramutation-like Phenomenon in Arabidopsis. (англ.) // Cell reports. — 2015. — Vol. 11, no. 8. — P. 1160—1167. — doi:10.1016/j.celrep.2015.04.034. — PMID 25981044. [исправить]
  7. ↑ 1 2 Arteaga-Vazquez M. A., Chandler V. L. Paramutation in maize: RNA mediated trans-generational gene silencing. (англ.) // Current opinion in genetics & development. — 2010. — Vol. 20, no. 2. — P. 156—163. — doi:10.1016/j.gde.2010.01.008. — PMID 20153628. [исправить]
  8. ↑ Meyer Peter, Heidmann Iris, Niedenhof Ingrid. Differences in DNA-methylation are associated with a paramutation phenomenon in transgenic petunia // The Plant Journal. — 1993. — Июль (т. 4, № 1). — С. 89—100. — ISSN 0960-7412. — doi:10.1046/j.1365-313X.1993.04010089.x. [исправить]
  9. ↑ 1 2 Sapetschnig A., Sarkies P., Lehrbach N. J., Miska E. A. Tertiary siRNAs mediate paramutation in C. elegans. (англ.) // PLoS genetics. — 2015. — Vol. 11, no. 3. — P. e1005078. — doi:10.1371/journal.pgen.1005078. — PMID 25811365. [исправить]
  10. ↑ Liebers Reinhard, Rassoulzadegan Minoo, Lyko Frank. Epigenetic Regulation by Heritable RNA // PLoS Genetics. — 2014. — 17 апреля (т. 10, № 4). — С. e1004296. — ISSN 1553-7404. — doi:10.1371/journal.pgen.1004296. [исправить]
  11. ↑ Belele C. L., Sidorenko L., Stam M., Bader R., Arteaga-Vazquez M. A., Chandler V. L. Specific tandem repeats are sufficient for paramutation-induced trans-generational silencing. (англ.) // PLoS genetics. — 2013. — Vol. 9, no. 10. — P. e1003773. — doi:10.1371/journal.pgen.1003773. — PMID 24146624. [исправить]
  12. ↑ Rassoulzadegan Minoo, Cuzin François. From paramutation to human disease: RNA-mediated heredity // Seminars in Cell & Developmental Biology. — 2015. — Август (т. 44). — С. 47—50. — ISSN 1084-9521. — doi:10.1016/j.semcdb.2015.08.007. [исправить]
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Парамутация&oldid=119970739