Diese Artikelserie zum Thema genomic imprinting und allel-specific expression in X chromosome inactivation ehrt Dr. Denise Barlow (1950-2017), die eine Wegbereiterin auf dem Gebiet der genomischen Prägung war. Dr. Barlow war einer der ersten, der geprägte Gene identifizierte, die in einer Parent-of-Origin–spezifischen Weise exprimiert und reguliert werden, und unter den ersten, die Mechanismen der koordinierten Regulation von geprägten Genen in Clustern etablierten.,

Elternspezifisches Chromosomenverhalten wurde bei Arthropoden und Beuteltieren vor mehr als 50 Jahren festgestellt. Bei Säugetieren deuteten Vererbungsmuster beobachtbarer Phänotypen auch auf parent-of-Origin–spezifische Effekte hin. Beim Menschen zum Beispiel waren zytologische Deletionen eines kleinen Teils des Chromosoms 15 mit Prader–Willi-und Angelman-Syndromen assoziiert,wobei das väterlich oder mütterlich abgeleitete Chromosom eine Deletion trug. In ähnlicher Weise erzeugten und untersuchten klassische Genetiker bei Mäusen Chromosomentranslokationen, um Gene abzubilden., Einige dieser Mausstämme zeigten eine elterliche spezifische Vererbung von Phänotypen. Aus diesen Studien kam die Haarnadel-Schwanz-Maus ans Licht, die eine große Deletion von Chromosom 17 trug und Midgestation überwachsen und Letalität zeigte, wenn mütterlich übertragen. Im Gegensatz dazu führte die väterliche Vererbung derselben Deletion zu lebensfähigen und fruchtbaren Mäusen . Dr. Barlow war aufschlussreich genug, um diese nicht-mendelschen Muster zu nutzen, um das Modell für das karrierelange Streben nach Genregulationsmechanismen an diesem Ort zu entwickeln. Diese Mäuse waren kritische Reagenzien, die von Dr .. , Barlow, um Igf2r zu klonen, eines der ersten identifizierten eingeprägten Gene . Seit dieser Zeit wurden Hunderte von eingeprägten Genen identifiziert, wobei die Mehrheit konservierte Expressionsmuster bei Säugetieren aufweist.

Studien, die sich auf die Regulation der Prägung konzentrierten, wurden durch die Beobachtung motiviert, dass ein aktives und inaktives Allel eines Gens im selben Kern vorhanden war und denselben Transkriptionsfaktoren ausgesetzt war, sich aber anders verhielt. Es wurde offensichtlich, dass Informationen entlang der DNA des Gens dafür verantwortlich waren, sich an den Ursprungseltern zu „erinnern“., Eingeprägte Gene haben viele bemerkenswerte Merkmale, die sie von der überwiegenden Mehrheit des Genoms unterscheiden. Erstens zeigen eingeprägte Gene eine parental-Allel-spezifische DNA-Methylierung an diskreten Elementen, die in die Keimlinie aufgenommen und durch eine Phase ausgedehnter Umprogrammierung aufrechterhalten wird, die nach der Befruchtung in anderen Teilen des Genoms auftritt. Diese Elemente werden als Imprinting Control Regions (ICR) oder Imprinting Control Elements (ICE) bezeichnet, wie sie von Barlow bezeichnet werden, und sind entscheidend für die geeignete allelspezifische Expression benachbarter Gens., Barlow war auch der erste, der sekundäre differentiell methylierte Regionen beschrieb, die nach der Fertilisation erworben wurden und als Folge der geprägten Genexpression etabliert sind. Die Entdeckung der DNA-Methylierung am ICRs eröffnete das Konzept der DNA-Methylierung als weit verbreitetes essentielles genomisches regulatorisches Gerät. 1993 schlug Denise Barlow die neuartige Idee vor, dass die genomische Prägung durch einen Wirtsverteidigungsmechanismus entstanden sein könnte, der zur Inaktivierung von Retrotransposons entwickelt wurde ., In dieser Sammlung überdenken Walsh und Kollegen dieses Modell und beschreiben die Maschinen zur Erfassung und Aufrechterhaltung der DNA-Methylierung an geprägten Orten .

Die überwiegende Mehrheit der eingeprägten Gene befindet sich in Clustern im gesamten Genom und wird gemeinsam reguliert, typischerweise durch gemeinsame ICRs. Die Deletion von ICRs oder die Störung ihrer allelischen DNA-Methylierungsmuster kann zum Verlust der Prägung mehrerer Gene in cis führen. Der Schlüssel zum Verständnis der Prägung in vielen Clustern ist das Vorhandensein von Long Noncoding (lnc) RNAs., Barlow und Kollegen identifizierten die erste lncRNA am Igf2r-Ort Airn, deren Transkript von mehr als 100 kb von der nicht methylierten ICR in einem Igf2r-Intron initiiert wird. lncRNAs haben mehrere Funktionen an eingeprägten (sowie anderen) Loci. In Bezug auf den Igf2r-Locus zeigten langjährige klinische Experimente des Barlow-Labors, dass die lncRNA nicht zum Prägen in den eigentlichen Embryo erforderlich war, sondern dass eine Airn-transkriptionelle Überlappung durch den Igf2r-Promotor die Rekrutierung von RNA-Polymerase-II ausschließt ., MacDonald und Mann beschreiben unser aktuelles Verständnis der lncRNA-Funktionen durch ihre Transkription sowie ihr RNA-Produkt . In Bezug auf ihr RNA-Produkt sind einige lncRNAs Vorläufer kleinerer RNAs oder dienen als Gerüste, Führungen oder architektonische Komponenten. Eine kürzlich durchgeführte Untersuchung von Airn zur Regulierung entfernter eingeprägter Gene in der Plazenta der Maus schließt einen Enhancer-und Transkriptionsinterferenzmechanismus aus . Dieses Ergebnis weist auf unterschiedliche Mechanismen hin, wie Airn das proximale Igf2r und weiter entfernte eingeprägte Gene reguliert.,

Frühzeitig deuteten Modelle, die erklären wollten, warum diploide Säugetiere die funktionelle Haploidie bei eingeprägten Genen unterstützen würden, darauf hin, dass diese Gene eine wichtige Rolle beim Wachstum des Fötus spielen und zum Teil die Konflikte zwischen Mutter und Vater ausgleichen. Es wird immer deutlicher, dass eingeprägte Gene einzigartige Funktionen in der Plazenta haben, von denen einige Gene nur in der Plazenta exprimiert und/oder eingeprägt sind. Darüber hinaus kann sich ihre Regulation von Genen unterscheiden, die im Soma eingeprägt sind., In dieser Sammlung diskutiert Courtney Hannah die Funktion und Regulation von eingeprägten Genen in der Plazenta, wobei die Rolle endogener Retroviren (ERVs) bei der Vermittlung plazentaspezifischer Prägungen besonders berücksichtigt wird .

Aufgrund der Ungewöhnlichkeit der Prägung hat die Identifizierung und Untersuchung von eingeprägten Genen die Anpassung und Modifikation von Methoden vorangetrieben und in einigen Fällen die Entwicklung neuer Technologien erforderlich gemacht., Denise Barlow umfasste die Technologie von den Anfängen des positionellen Klonens von Genen über die Verwendung von Maus-Knockout-Strategien zur Untersuchung regulatorischer Elemente und die Anforderung von lncRNAs bis hin zur Verwendung von Mikroarrays zur Identifizierung neuartiger lncRNAs und zur Charakterisierung der Chromatinstruktur bei eingeprägten Genclustern. Wie von Li und Li beschrieben, verwendeten die frühesten Studien zur Prägung elegante embryologische und genetische Werkzeuge . Anfänglich, Diese Werkzeuge wurden verwendet, um die funktionelle Nichtäquivalenz der elterlichen Genome zu zeigen und mutmaßliche Chromosomenorte eingeprägter Gene abzubilden., Letztendlich stützte sich die Identifizierung geprägter Gene auf uniparentale Embryonen und Technologien, die elterliche Allele bei Hybridtieren unterscheiden. In jüngerer Zeit haben Technologien mit hohem Durchsatz die Untersuchung epigenetischer Prozesse erleichtert und von einer zusätzlichen Lesetiefe und der Fähigkeit zur Untersuchung von DNA-Modifikationen profitiert. Darüber hinaus haben Kerntransplantationen, haploide embryonale Stammzellen in Kombination mit standortgerichteten Deletionen in jüngerer Zeit gezeigt, dass der Hauptblock für die Entwicklung uniparentaler Embryonen durch eine geprägte Genexpression verursacht wird.,

Wichtig ist, dass das Feld der genomischen Prägung reifte, ebenso wie Studien zur Inaktivierung von X-Chromosomen, einem Mechanismus für Säugetiere, um eine Dosiskompensation zwischen Frauen mit zwei X-Chromosomen und Männern mit einem zu erreichen. Bei Mäusen und Beuteltieren wurde vor der Identifizierung von eingeprägten Genen eine eingeprägte Expression des X-Chromosoms festgestellt. Obwohl die meisten Säugetiere eine zufällige X-Inaktivierung in somatischen Zellen aufweisen, wird eine väterliche spezifische Inaktivierung eines der beiden X-Chromosomen in allen Zellen weiblicher Beuteltiere und in Mausplazenta beobachtet., Aufgrund von Überschneidungen und Ähnlichkeiten, einschließlich der Rolle der Master-Regulierungsbehörde lncRNAs Xist und Rsx, würden die Ermittler in diesen Bereichen voneinander lernen und häufig ähnliche Technologien und Strategien anwenden, um Mechanismen aufzuklären. In dieser Sammlung beschreiben Loda und Heard die Rolle der Xist-RNA und wie sie funktioniert, um ein X-Chromosom in cis zum Schweigen zu bringen .

Obwohl die genomische Prägung selbst ein kritisches und faszinierendes Thema mit wichtigen Implikationen für die menschliche Krankheit ist, argumentierte Denise Barlow immer, dass die genomische Prägung ein einflussreiches Modell für die epigenetische Regulation von Säugetieren sei., Erkenntnisse aus eingeprägten Genen helfen auch, andere wichtige Mechanismen der monoallelischen Expression zu verstehen, einschließlich der immun-und olfaktorischen Rezeptorgenexpression, die eher zufällig als bei Säugetieren spezifisch ist. Angesichts der Notwendigkeit, die elterliche Identität von eingeprägten Genen aus den Gameten über viele Zellteilungen in der Entwicklung aufrechtzuerhalten, sind epigenetische Mechanismen für solche Prozesse unerlässlich. Obwohl viel gelernt wurde, bleibt im Bereich der Prägung noch viel zu bestimmen., Der Zugang zu Embryonen in sehr frühen Stadien sowie Technologien, die die Einzelzellenanalyse erleichtern, werden zweifellos dazu beitragen, viele verbleibende Fragen in diesem Bereich zu beantworten. Die Manuskripte in dieser Reihe werden historische Perspektiven sowie Erkenntnisse aus dem Studium der Prägung liefern, die breite Implikationen für die Biologie haben. Es gibt absolut keinen Zweifel an dem bleibenden Erbe von Denise Barlow.