Молекулярная биология для биоинформатиков

1. Молекулярная биология для биоинформатиков • Академический университет • Ефимова Ольга Алексеевна

2. Лекция № 11 Эпигенетика Геномный импринтинг. Интерференция РНК. «Генетика предполагает, а эпигенетика располагает». P. Medawar & J. Medawar

3. Организация генома человека

4. 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

5. mat pat Экспрессия генов Биаллельная экспрессия Моноаллельная экспрессия mat pat

7. Моноаллельный характер экспрессии устанавливается эпигенетически

8. Черепаховый окрас кошек - результат случайной инактивации хромосомы Х

9. 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

10. 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.

12. mat pat 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. Пример: Материнская аллель экспрессируется, отцовская – нет (она импринтирована) Эпигенотип (импринт) - совокупность модификаций, которые по-разному маркируют родительские аллели и обеспечивают моноаллельный характер экспрессии импринтированных генов на хромосомах отцовского или материнского происхождения.

13. Сколько импринтированных генов в геноме человека? Предполагают около 200 Известно около 100 http://www.geneimprint.com

14. 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.

15. 4. Онтогенетическая и тканевая регуляцияимпринтинга. 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.

16. Фенотипические проявления геномного импринтинга Андрогенез (мужской партеногенез) - диплоидный, хромосомы только отцовского происхождения Гиногенез (женский партеногенез) диплоидный, хромосомы женского происхождения Эмбриональная тератома Пузырный занос

18. 10 н.б. Частичный пузырный занос – 2 мужских набора хромосом и 1 женский

19. Однородительская дисомия (ОРД=UPD) – наличие у потомков в кариотипе фрагментов или целых хромосом одного (материнского или отцовского) происхождения • 47 типовОРД • -44 типа ОРД по 22 аутосомам • материнская (mat) и отцовская (pat) • 3 типа по половым хромосомам • UPDХmat, UPDXpat, UPDXYpat Гетеродисомия – наследование потомком двух разных гомологов от одного родителя Изодисомия– наследование двух репликационных копий одной из хромосом

20. Нерасхождение хромосом в мейозе

21. Механизмы формирования ОРД

22. Механизмы формирования ОРД

23. Возможные варианты однородительской дисомии у человека

24. 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.

25. Схема локуса 15q11-q13

26. Синдром Прадера-Вилли (PWS, OMIM 176270) • описан в 1956г. • неонатальная гипотония • ожирение • умственная отсталость • лицевые дисморфии • гипогонадизм 46 XX или ХУ, 1 : 12000-15000

27. 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

28. Синдром Прадера-Вилли, синдром Ангельмана

29. Интерференция РНК и регуляция экспрессии генов

30. Нобелевская премия по физиологии и медицине 2006 год "RNA interference – gene silencing by double-stranded RNA" Andrew Z. Fire Craig C. Mello

31. Предположение Fire & Mello: Двуцепочечные РНК (dsRNA) – запускающий механизм (триггер) системы интерференции РНК.

32. Интерференция РНК – это замолкание (сайленсинг) генов, обеспечиваемое двуцепочечными молекулами РНК (dsРНК). Явление интерференции РНКоткрыто в1998 г. у Nematoda(Fire et al., 1998)

33. Инъекцияв C.elegans РНК мышечного белка dsРНК в 10-100 раз более эффективно активируют систему интерференции РНК, по сравнению с ssРНК.

34. 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. Nature391, 806–811 (1998). Эффект генетического сайленсинга посредством интерференции РНК: распространяется в тканях организма (!) наследуется (!!!)

35. 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.

36. Общая схема регуляции генетической экспрессии за счет интерференции РНК (по Novina, Sharp, 2004)

37. Функции siРНК • Сайленсинг мобильных генетических элементов; • Сайленсинг гетерохроматиновых повторов; • Сайленсинг генетического материала вирусного происхождения; • Ограничение степени экспрессии гена в определенных тканях.

38. 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.

39. Схема образования miРНК (по Novina, Sharp, 2004)

40. Функция miРНК Обеспечивают 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).

41. 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. Отличия miРНК и siРНК miРНК siРНК

42. 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.