_ Dezvăluirea originii evolutive a genomicei amprentarea

Unele dintre genele noastre pot fi exprimate sau reduse la tăcere în funcție de faptul că le-am moștenit de la mama sau de la tatăl nostru. Mecanismul din spatele acestui fenomen, cunoscut sub numele de amprentare genomică, este determinat de modificările ADN-ului în timpul producției de ovule și spermatozoizi.

Laboratorul Burga de la Institutul de Biotehnologie Moleculară (IMBA) al Academiei Austriace de Științe a descoperit un roman proces de reglare a genelor, asociat cu tăcere a genelor egoiste, care ar putea reprezenta primul pas în evoluția imprimării. Descoperirea lor ar putea începe să rezolve misterul cum și de ce a evoluat prima dată imprimarea.

Alejandro Burga și laboratorul său de la IMBA, în colaborare cu laboratorul lui Eyal Ben-David de la Universitatea Ebraică, au raportat descoperirea. a primului efect de părinte de origine la nematozi, într-un studiu publicat în Nature pe 6 martie 2024.

În organismele diploide, un set de cromozomi este moștenit de la fiecare părinte. Cu toate acestea, nu toate genele conținute în interior vor fi exprimate în mod egal; în schimb, unele pot fi reduse la tăcere în funcție de faptul că au fost moștenite de la mamă sau de la tată. Acest fenomen, cunoscut sub numele de amprentare genomică, depinde de metilarea ADN-ului, un semnal epigenetic care este șters și rescris în fiecare generație.

Amprentarea genomică a apărut independent la mamifere și plante în urmă cu peste 100 de milioane de ani. Cu toate acestea, modul în care a evoluat acest mecanism a rămas până acum în mare măsură un mister. Cheia pentru rezolvarea acestei enigme este înțelegerea modului în care efectele de origine, substratul evoluției amprentarii, au evoluat în primul rând.

Cu treizeci de ani în urmă, Denise Barlow, un pionier în studiul imprimării. lucrând la IMP, situat și la BioCenter din Viena, a emis ipoteza că amprentarea ar putea fi legată evolutiv de mecanismele de apărare ale genomului care reduc la tăcere elementele ADN parazite numite elemente genetice egoiste.

Elementele egoiste și mecanismele de apărare împotriva lor participă la o cursă a înarmărilor: fiecare evoluează mai departe pentru a-l depăși pe celălalt. Deși s-au descoperit multe despre reducerea la tăcere a elementelor egoiste în cei 30 de ani de când Denise Barlow și-a postulat teoria, lipsea o legătură directă între mecanismele de apărare ale liniei germinale și originea efectelor părintelui de origine.

Descoperirile realizate de laboratorul Burga oferă primul exemplu clar al modului în care efectele părintelui de origine pot proveni din calea de apărare a genomului ARN mic al gazdei. Descoperirile lor indică potențiala origine evolutivă a imprimării.

Uneori, în știință, curiozitatea și atenția la detalii surprinzătoare pot duce la căi neașteptate și noi descoperiri. Acesta a fost cazul când primul autor Pinelopi Pliota studia elementele genetice egoiste într-un nou model de organism de nematod numit C. tropicalis, un văr apropiat al C. elegans mai studiat.

Pliota investiga antidotul-toxină. elemente (TA), un tip de element egoist care a dezvoltat un mecanism fascinant pentru a-și asigura propria moștenire. „Când o mamă poartă AT, își va „otrăvi” ouăle cu o toxină care poate fi contracarată doar de un antidot care este prezent și în AT”, explică ea, „în acest fel, toți descendenții care nu moștenesc AT fie va muri, fie va avea întârziere în dezvoltare."

"Pentru a genera mamele pe care le studiau, grupul a încrucișat întotdeauna o mamă C. tropicalis care poartă TA cu un tată care nu îl poartă. Pinelopi m-a întrebat dacă am făcusem vreodată aceste traversări invers”, explică Alejandro Burga, autor corespondent al publicației.

Curiozitatea ei a dus la o descoperire interesantă. "Spre surprinderea noastră, această încrucișare reciprocă a produs mame incapabile să-și otrăvească ouăle. Dintr-o dată, nu a avut niciun efect", explică Pliota. Fascinată de acest rezultat neașteptat, echipa a decis să studieze modul în care moștenirea AT de la mamă sau de la tată ar putea duce la efecte diferite. „Am vrut să înțelegem cum se întâmplă acest lucru, care este baza moleculară a acestui efect de părinte de origine”, spune Burga.

Pentru a afla mecanismul efectului de părinte de origine observat, Grupul Burga a decis să studieze principalul mecanism de apărare a liniei germinale împotriva elementelor genetice egoiste, cunoscut sub numele de calea piRNA. În calea piRNA, un efort coordonat al diferitelor molecule și proteine ​​mici de ARN reduce la tăcere expresia elementelor egoiste în timpul dezvoltării liniei germinale pentru a asigura stabilitatea genomului în reproducere.

Grupul, care colaborează cu laboratorul lui Julius Brennecke, de asemenea, la IMBA, au reușit să identifice moleculele de piRNA și proteinele implicate în reducerea la tăcere a elementului toxină-antidot. Cu toate acestea, toți acești factori singuri nu au explicat rezultatele specifice părintelui de origine pe care le-au observat. Cercetătorilor le lipsea o piesă din acest puzzle.

Din fericire, grupul Burga avea un ultim truc în mânecă. „Știam din cercetările anterioare că viermii au dezvoltat diferite moduri ingenioase de a-și discrimina propriile gene de elemente străine, cum ar fi un virus sau un element egoist”, spune Burga. „Ne-am dat seama că, în acest caz, elementul cheie lipsă a fost ARN-ul matern care este încărcat în ouă.”

Ei au demonstrat că, în moștenirea maternă, AT este însoțit de ARNm-ul toxinei, care este exprimat. în linia germinativă a mamei și încărcate în ou. Grupul Burga a arătat că acest ARNm marchează TA ca fiind „proprie”, evitând tăcere prin calea piRNA. Acest proces se numește licențiere epigenetică, iar echilibrul său cu calea piRNA determină dacă o genă este exprimată sau nu.

Pe de altă parte, atunci când TA este moștenită patern, lipsa ARNm matern înseamnă că există fără licență, ceea ce duce la o reprimare puternică a genei toxinei și la exprimarea unor niveluri foarte scăzute de toxină. În mod implicit, calea piRNA va reduce la tăcere gena toxinei explică Burga. Cu excepția cazului în care există ARNm matern care îl licențiază prin reprimarea căii piRNA. Această inhibare a inhibitorului este cea care face ca gena toxinei să fie activă, iar ouăle să fie otrăvite.

În mod interesant, s-a observat că acest model de tăcere a durat mai multe generații, ceea ce înseamnă că lipsa licenței într-o generație. le pot afecta chiar strănepotele. Acesta nu este cazul în amprentarea genomică, care se resetează în fiecare generație.

Rezultatele grupului Burga cimentează legătura evolutivă dintre expresia genelor specifice părinților și mecanismele de apărare ale gazdei, urmărind originile până la organisme. care nu dispun de metilare ADN și de imprimare canonică.

În ciuda diferențelor dintre aceste procese la viermi și mamifere, grupul Burga consideră că mecanismul pe care l-au descris ar putea reprezenta un prim pas evolutiv pentru forme mai avansate de tăcere moștenită. Aceste forme mai avansate de tăcere au ajuns să regleze expresia genelor endogene ale celulei, ducând la evoluția imprimării genomice.

(Fluierul)