Esta serie de artículos sobre la impresión genómica y la expresión alélica específica en la inactivación del cromosoma X rinde homenaje a la Dra. Denise Barlow (1950-2017), pionera en el campo de la impresión genómica. El Dr. Barlow fue uno de los primeros en identificar genes impresos, que se expresan y regulan de una manera específica del padre-de-origen, y uno de los primeros en establecer mecanismos de regulación coordinada de genes impresos en grupos.,

el comportamiento cromosómico específico de los padres se observó en artrópodos y marsupiales hace más de 50 años. En los mamíferos, los patrones de herencia de fenotipos observables también sugirieron efectos específicos de los padres de origen. En humanos, por ejemplo, las deleciones citológicas de una pequeña parte del cromosoma 15 se habían asociado con los síndromes de Prader–Willi y Angelman, por lo que el cromosoma derivado paterno o materno llevaba una deleción, respectivamente. De manera similar, en ratones genetistas clásicos generaron y estudiaron translocaciones cromosómicas para map genes., Algunas de estas cepas de ratones mostraron una herencia de fenotipos específica de los padres. De estos estudios salió a la luz el ratón de cola de horquilla, que llevaba una gran deleción del cromosoma 17 y demostró crecimiento excesivo a mitad de la gestación y letalidad cuando se transmitía por vía materna. En contraste, la herencia paterna de la misma deleción resultó en ratones viables y fértiles . El Dr. Barlow fue lo suficientemente perspicaz como para aprovechar estos patrones no mendelianos para desarrollar el modelo para la búsqueda a lo largo de su carrera de mecanismos reguladores de genes en este lugar. Estos ratones eran reactivos críticos utilizados por el Dr., Barlow para clonar Igf2r, uno de los primeros genes impresos identificados . Desde entonces, se han identificado cientos de genes impresos, y la mayoría muestra patrones de expresión conservados entre los mamíferos.

Los estudios centrados en la regulación de la impronta fueron motivados por la observación de que un alelo activo e inactivo de un gen estaban presentes en el mismo núcleo y expuestos a los mismos factores de transcripción, pero se comportaban de manera diferente. Se hizo evidente que la información a lo largo del ADN del gen era responsable de «recordar» al padre de origen., Los genes impresos tienen muchas características notables que los distinguen de la gran mayoría del genoma. En primer lugar, los genes impresos exhiben metilación de ADN parental-alelo–específica en elementos discretos, que se agrega en la línea germinal y se mantiene a través de una fase de reprogramación extensa que ocurre después de la fertilización en otras partes del genoma. Estos elementos se denominan regiones de control de impresión (ICR) o elementos de control de impresión (ICE), como lo denota Barlow, y son críticos para la expresión alélica específica apropiada de genes adyacentes., Barlow también fue el PRIMERO en describir regiones metiladas diferencialmente secundarias, que se adquirieron después de la fertilización, y se establecen como consecuencia de la expresión génica impresa. El descubrimiento de la metilación del ADN en el ICRs abrió el concepto de metilación del ADN actuando como un dispositivo genómico Regulador esencial generalizado. En 1993, Denise Barlow propuso la novedosa idea de que la impresión genómica podría haber surgido de un mecanismo de defensa del huésped diseñado para inactivar los retrotransposones ., En esta colección, Walsh y sus colegas revisan este modelo y describen la maquinaria para la adquisición y el mantenimiento de la metilación del ADN en loci impresos .

la gran mayoría de los genes impresos se encuentran en grupos a lo largo del genoma y se regulan conjuntamente, típicamente a través de ICRs compartidos. La eliminación de ICRs o la perturbación de sus patrones de metilación de ADN alélico puede causar la pérdida de la impresión de múltiples genes en cis. La clave para entender la impresión en muchos clústeres es la presencia de ARN largos sin codificación (lnc)., Barlow y sus colegas identificaron el primer lncRNA en el locus Igf2r, Airn, cuya transcripción mayor de 100 kb se inicia desde el ICR no metilado que reside en un intrón Igf2r. Los LncRNAs tienen múltiples funciones en loci impresos (así como en otros). Con respecto al locus de Igf2r, muchos años de experimentos elegantes por el laboratorio de Barlow demostraron que el lncRNA no era requerido para la impresión en el embrión apropiado sino, más bien, que la superposición transcripcional de Airn a través del promotor de Igf2r impide el reclutamiento de la ARN polimerasa II ., MacDonald y Mann detallan nuestra comprensión actual de las funciones de lncRNA a través de su transcripción, así como su producto de ARN . Con respecto a su producto del ARN, algunos lncRNAs son precursores de RNAs más pequeños o sirven como andamios, guías, o componentes arquitectónicos. Una investigación reciente de Airn en la regulación de genes impresos distantes en la placenta de ratón descarta un mecanismo basado en la interferencia de transcripción y potenciador . Este resultado apunta a mecanismos distintos con respecto a cómo airn regula el igf2r proximal y genes más distantes impresos.,

Al principio, los modelos que buscaban explicar por qué los mamíferos diploides apoyarían la haploidía funcional en los genes impresos sugirieron que estos genes juegan un papel importante en el crecimiento del feto, en parte equilibrando los conflictos entre la madre y el padre. Se ha vuelto cada vez más claro que los genes impresos tienen funciones únicas en la placenta, algunos de los cuales solo se expresan y/o se imprimen en la placenta. Además, su regulación puede diferir de los genes que están impresos en el soma., En esta colección, Courtney Hannah discute la función y regulación de los genes impresos en la placenta, con especial consideración dada al papel de los retrovirus endógenos (ERV) en la mediación de la impresión específica de la placenta .

debido a la naturaleza inusual de la impresión, la identificación y el estudio de genes impresos han impulsado la adaptación y modificación de métodos y, en algunos casos, han requerido el desarrollo de nuevas tecnologías., Denise Barlow adoptó la tecnología desde los primeros días de la clonación posicional de genes, hasta el uso de estrategias knockout de ratón para el estudio de elementos reguladores y el requisito de lncRNAs, hasta el uso de microarrays para identificar lncRNAs nuevos y caracterizar la estructura de la cromatina en grupos de genes impresos. Según lo descrito por Li y Li, los primeros estudios de impresión emplearon elegantes herramientas embriológicas y genéticas . Inicialmente, estas herramientas se utilizaron para mostrar la noequivalencia funcional de los genomas parentales y para mapear ubicaciones cromosómicas putativas de genes impresos., En última instancia, la identificación de genes impresos se basó en embriones uniparentales y tecnologías que distinguen los alelos parentales en animales híbridos. Más recientemente, las tecnologías de alto rendimiento han facilitado el estudio de los procesos epigenéticos y se han beneficiado de una mayor profundidad de lectura y la capacidad de estudiar las modificaciones del ADN. Además, el trasplante nuclear, las células madre embrionarias haploides combinadas con deleciones dirigidas al sitio han demostrado más recientemente que el bloqueo principal para el desarrollo embrionario uniparental es causado por la expresión génica impresa.,

Es importante destacar que, a medida que el campo de la impresión genómica maduró, también lo hicieron los estudios de inactivación del cromosoma X, un mecanismo para que los mamíferos logren una compensación de dosis entre las hembras con dos cromosomas X y los machos con uno. En ratones y marsupiales, la expresión impresa del cromosoma X se observó antes de la identificación de genes impresos. Aunque la mayoría de los mamíferos exhiben inactivación x aleatoria en células somáticas, la inactivación Paterna específica de uno de los dos cromosomas X se observa en todas las células de marsupiales femeninos y en placentas de ratón., Debido a la superposición y similitudes, incluido el papel del regulador maestro lncRNAs Xist y Rsx, los investigadores en estos campos aprenderían unos de otros, a menudo empleando tecnologías y estrategias similares para dilucidar los mecanismos. En esta colección, Loda y Heard describen el papel del ARN Xist y cómo funciona para silenciar un cromosoma X en cis .

aunque la impresión genómica es en sí misma un tema crítico y fascinante, con implicaciones importantes para las enfermedades humanas, Denise Barlow siempre argumentó que la impresión genómica era un modelo influyente para la regulación epigenética de los mamíferos., La información obtenida de los genes impresos también ayuda a comprender otros mecanismos importantes de la expresión monoalélica, incluida la expresión génica del receptor inmune y olfativo, que es aleatoria en lugar de Específica del padre de origen en los mamíferos. Dada la necesidad de mantener la identidad parental de los genes impresos de los gametos en muchas divisiones celulares en desarrollo, los mecanismos epigenéticos son esenciales para tales procesos. Aunque se ha aprendido mucho, queda mucho por determinar en el campo de la impresión., El acceso a los embriones en etapas muy tempranas, así como las tecnologías que facilitan el análisis de una sola célula, sin duda contribuirán a responder a muchas preguntas pendientes en este campo. Los manuscritos de esta serie proporcionarán una perspectiva histórica, así como ideas del estudio de la impresión que tienen amplias implicaciones para la biología. No hay absolutamente ninguna duda sobre el legado duradero de Denise Barlow.