Questa serie di articoli sull’imprinting genomico e sull’espressione allele-specifica nell’inattivazione del cromosoma X onora la dott. ssa Denise Barlow (1950-2017), che è stata una trail blazer nel campo dell’imprinting genomico. Barlow è stato uno dei primi a identificare i geni impressi, che sono espressi e regolati in modo specifico per il genitore-di-origine, e tra i primi a stabilire meccanismi di regolazione coordinata dei geni impressi nei cluster.,

Il comportamento cromosomico specifico dei genitori è stato notato negli artropodi e nei marsupiali più di 50 anni fa. Nei mammiferi, i modelli di ereditarietà dei fenotipi osservabili hanno anche suggerito effetti specifici del genitore-di-origine. Nell’uomo, ad esempio, le delezioni citologiche di una piccola parte del cromosoma 15 erano state associate alle sindromi di Prader–Willi e Angelman, per cui il cromosoma di origine paterna o materna portava una delezione, rispettivamente. Allo stesso modo, nei topi i genetisti classici hanno generato e studiato le traslocazioni cromosomiche per mappare i geni., Alcuni di questi ceppi murini hanno mostrato un’eredità genitoriale specifica dei fenotipi. Da questi studi è venuto alla luce il topo a coda di cavallo, che ha portato una grande delezione del cromosoma 17 e ha dimostrato la crescita eccessiva e la letalità a trasmissione materna. Al contrario, l’eredità paterna della stessa delezione ha portato a topi vitali e fertili . Barlow è stato abbastanza perspicace da cogliere questi modelli non mendeliani per sviluppare il modello per la ricerca di meccanismi di regolazione genica in questo luogo. Questi topi erano reagenti critici usati dal Dott., Barlow per clonare Igf2r, uno dei primi geni impressi identificati . Da quel momento, centinaia di geni impressi sono stati identificati, con la maggior parte esibendo modelli di espressione conservati tra i mammiferi.

Gli studi incentrati sulla regolazione dell’imprinting sono stati motivati dall’osservazione che un allele attivo e inattivo di un gene erano presenti nello stesso nucleo ed esposti agli stessi fattori di trascrizione ma si comportavano in modo diverso. Divenne evidente che le informazioni lungo il DNA del gene erano responsabili del” ricordo ” del genitore di origine., I geni impressi hanno molte caratteristiche notevoli che li distinguono dalla stragrande maggioranza del genoma. In primo luogo, i geni impressi mostrano metilazione del DNA parentale-allele–specifica a elementi discreti, che viene aggiunto nella linea germinale e mantenuto attraverso una fase di riprogrammazione estesa che si verifica dopo la fecondazione in altre parti del genoma. Questi elementi sono definiti regioni di controllo dell’imprinting (ICR) o elementi di controllo dell’imprinting (ICE), come indicato da Barlow, e sono fondamentali per l’espressione appropriata allele-specifica del gene adiacente(s)., Barlow inoltre è stato il primo a descrivere le regioni differenzialmente metilate secondarie, che sono state postfertilization acquisito e sono stabilite come conseguenza di espressione genica impressa. La scoperta della metilazione del DNA presso l’ICRs ha aperto il concetto di metilazione del DNA che agisce come un dispositivo di regolazione genomica essenziale diffuso. Nel 1993, Denise Barlow propose la nuova idea che l’imprinting genomico potesse derivare da un meccanismo di difesa dell’ospite progettato per inattivare i retrotrasposoni ., In questa collezione, Walsh e colleghi rivisitano questo modello e descrivono i macchinari per l’acquisizione e il mantenimento della metilazione del DNA nei loci impressi .

La stragrande maggioranza dei geni impressi si trova in cluster in tutto il genoma e sono regolati congiuntamente, in genere attraverso ICR condivisi. La delezione di ICR o la perturbazione dei loro modelli allelici di DNA-metilazione possono causare la perdita di imprinting di geni multipli in cis. La chiave per comprendere l’imprinting in molti cluster è la presenza di RNA non codificanti lunghi (lnc)., Barlow e colleghi hanno identificato il primo lncRNA nel locus Igf2r, Airn, la cui trascrizione superiore a 100 kb viene avviata dall’ICR non metilata che risiede in un introne Igf2r. LncRNAs hanno molteplici funzioni a impresso (così come altri) loci. Per quanto riguarda il locus di Igf2r, molti anni di esperimenti eleganti dal laboratorio di Barlow hanno dimostrato che il lncRNA non era richiesto per imprinting nell’embrione corretto ma, piuttosto, che la sovrapposizione trascrizionale di Airn attraverso il promotore di Igf2r preclude il reclutamento della RNA polimerasi II ., MacDonald e Mann dettagliano la nostra attuale comprensione delle funzioni di lncRNA attraverso la loro trascrizione e il loro prodotto di RNA . Per quanto riguarda il loro prodotto RNA, alcuni LNCRNA sono precursori di RNA più piccoli o fungono da impalcature, guide o componenti architettonici. Una recente indagine su Airn nella regolazione dei geni a distanza impressi nella placenta del topo esclude un meccanismo basato sull’interferenza di enhancer e trascrizione . Questo risultato indica meccanismi distinti per quanto riguarda il modo in cui Airn regola l’Igf2r prossimale e i geni impressi più distanti.,

All’inizio, i modelli che cercavano di spiegare perché i mammiferi diploidi avrebbero supportato l’aploidia funzionale nei geni impressi hanno suggerito che questi geni svolgono un ruolo importante nella crescita del feto, in parte bilanciando i conflitti tra madre e padre. È diventato sempre più chiaro che i geni impressi hanno funzioni uniche nella placenta, alcuni geni dei quali sono solo espressi e / o impressi nella placenta. Inoltre, la loro regolazione può differire dai geni che sono impressi nel soma., In questa raccolta, Courtney Hannah discute la funzione e la regolazione dei geni impressi nella placenta, con particolare attenzione al ruolo dei retrovirus endogeni (ERV) nella mediazione dell’imprinting placentare-specifico .

A causa della natura insolita dell’imprinting, l’identificazione e lo studio dei geni imprintati hanno guidato l’adattamento e la modifica dei metodi e, in alcuni casi, hanno reso necessario lo sviluppo di nuove tecnologie., Denise Barlow ha abbracciato la tecnologia dai primi giorni della clonazione posizionale dei geni, all’uso di strategie di knockout del mouse per lo studio degli elementi regolatori e il requisito degli LNCRNA, all’uso di microarray per identificare nuovi LNCRNA e caratterizzare la struttura della cromatina nei cluster di geni impressi. Come descritto da Li e Li, i primi studi sull’imprinting impiegavano eleganti strumenti embriologici e genetici . Inizialmente, questi strumenti sono stati utilizzati per mostrare la nonequivalenza funzionale dei genomi parentali e per mappare le posizioni cromosomiche putative dei geni impressi., In definitiva, l’identificazione dei geni impressi si basava sugli embrioni uniparentali e sulle tecnologie che distinguono gli alleli parentali negli animali ibridi. Più recentemente, le tecnologie ad alto throughput hanno facilitato lo studio dei processi epigenetici e hanno beneficiato di una maggiore profondità di lettura e della capacità di studiare le modificazioni del DNA. Inoltre, il trapianto nucleare, le cellule staminali embrionali aploidi combinate con delezioni site-directed hanno recentemente dimostrato che il blocco principale allo sviluppo embrionale uniparentale è causato dall’espressione genica impressa.,

È importante sottolineare che, man mano che il campo dell’imprinting genomico maturava, anche gli studi sull’inattivazione del cromosoma X, un meccanismo per i mammiferi per ottenere una compensazione del dosaggio tra femmine con due cromosomi X e maschi con uno. Nei topi e nei marsupiali, l’espressione impressa del cromosoma X è stata notata prima dell’identificazione dei geni impressi. Sebbene la maggior parte dei mammiferi esibisca un’inattivazione X casuale nelle cellule somatiche, l’inattivazione paterna-specifica di uno dei due cromosomi X è osservata in tutte le cellule dei marsupiali femminili e nelle placenti di topo., A causa di sovrapposizioni e somiglianze, incluso il ruolo del regolatore principale lncRNAs Xist e Rsx, gli investigatori in questi campi imparerebbero gli uni dagli altri, spesso impiegando tecnologie e strategie simili per chiarire i meccanismi. In questa raccolta, Loda e Heard descrivono il ruolo dell’RNA Xist e come funziona per silenziare un cromosoma X in cis .

Sebbene l’imprinting genomico sia di per sé un argomento critico e affascinante, con importanti implicazioni per le malattie umane, Denise Barlow ha sempre sostenuto che l’imprinting genomico fosse un modello influente per la regolazione epigenetica dei mammiferi., L’intuizione acquisita dai geni impressi aiuta anche a comprendere altri importanti meccanismi di espressione monoallelica, tra cui l’espressione genica del recettore immunitario e olfattivo, che è casuale piuttosto che genitore-di-origine specifica nei mammiferi. Data la necessità di mantenere l’identità parentale dei geni impressi dai gameti su molte divisioni cellulari in fase di sviluppo, i meccanismi epigenetici sono essenziali per tali processi. Anche se molto è stato imparato, molto rimane da determinare nel campo dell’imprinting., L’accesso agli embrioni in fase molto precoce e le tecnologie che facilitano l’analisi delle singole cellule contribuiranno senza dubbio a rispondere a molte domande rimanenti in questo campo. I manoscritti di questa serie forniranno una prospettiva storica e intuizioni dallo studio dell’imprinting che hanno ampie implicazioni per la biologia. Non c’è assolutamente alcun dubbio sull’eredità duratura di Denise Barlow.