Геномної імпрінтінг - це явище, яке полягає у відмінності експресії деяких генів в залежності від того, яке вони мають походження - материнське чи батьківське. Тобто для частини генів активна тільки копія успадкована від матері (наприклад H19 і CDKN1C), для інших - тільки від батька (наприклад ІФР-2). Геномної імпрінтінг - це одна з форм неменделівського спадкування, воно пов'язане з епігенетичними явищами, тобто забезпечується метилування ДНК або модифікацією білків гістонів і не супроводжується зміною послідовності нуклеотидів.
Більше прикладів імпринтованих генів було виявлено у організмів, що мають так званий «плацентарний характер» ембріонального розвитку: в плацентраніх ссавців і квіткових рослин. Однак окремі випадки знайдені також і в комах (сциарід і плодової мушки), нематод (Caenorhabditis elegans).
Синдроми Ангельмана і Прадера-Віллі
Прикладом явища геномного імппрінтінгу у людини є успадкування синдромів Ангельмана і Прадера-Віллі. Перший проявляється в уповільненні фізичного та розумового розвитку, порушення сну, приступах, різких рухах, також хворі часто посміхаються, сміються і поводяться так, ніби вони взагалі щасливі. Другий синдром полягає у відсутності контролю за споживанням їжі, в результаті чого хворі часто переїдають і хворіють на ожиріння, а також в зниженому тонусі м'язів, сколіозі, підвищеної сонливості, зниженою активності статевих залоз і ін. Обидва синдроми викликаються однією і тією ж мутацією: делецией в області 15q11q13. У 1989 році Николлс і колеги з'ясували, що синдром Прадера-Віллі виникає внаслідок делеції в п'ятнадцятий хромосомі батьківського походження, в той час як Ангелмана - в хромосомі материнського походження.
Спадкування гена ІФР-2
Інший приклад геномного імпринтингу - успадкування гена інсуліноподібного чинника росту-2 (ІФР-2), необхідного для пренатального росту (миші, які не експресують цього гена народжуються вдвічі меншими за звичайні). Для фенотипу важлива тільки батьківська копія цього гена, оскільки тільки вона транскрибується. Таким чином миші, що успадкували дефектний ген від батька будуть карликовими, в той час як дефектний ген успадкований від матері ніяк не вплине на розмір потомства.
Імпрінтіг батьківського гена ІФР-2 забезпечується метилированием ДНК, хоча ця модифікація зазвичай викликає пригнічення експресії певного гена, в цьому випадку вона навпаки активує. Модифікується не один структурний ген і не його промотор, а так званий ізоляторний елемент поблизу структурного гена. До цієї послідовності в неметільованому стані приєднується білок CTCF, що перешкоджає взаємодії гена ІФР-2 з енхансерною послідовністю. Якщо ізоляторний елемент метильований, то така комунікація стає можливою, тому, що приєднання CTCF не відбувається, відповідно експресія гена ІФР-2 відбувається дуже активно.
Пояснення явища геномного імпринтингу
Діплоідність вважається еволюційно «вигідною» ознакою, оскільки у організму, що має дві копії певного гена, вони завжди «підстраховують» один одного, отримавши дефектний ген від одного з батьків особина все ще має шанс на нормальну життєдіяльність завдяки копії отриманої від іншого. Геномної імпрінтінг є формою моноалельоі експресії генів, при якій описана перевага диплоидности повністю нівелюється, а отже це явище має надавати організмам яку альтернативну - і сильну - виборче право, або мати інше еволюційне пояснення. Біологічна роль геномного імпринтингу до сих пір не з'ясована, по її пояснення було запропоновано кілька гіпотез.
Підвищення здатності до еволюціонування
Ця гіпотеза має ряд недоліків: по-перше, підвищення темпів еволюції вигідно тільки для цілої групи організмів, а не для кожної особини окремо, тому не зрозуміло, яким чином воно могло вперше встановитися в певній групі і може перешкоджати індивідуумам ревертувати до біалельноі експресії генів . По-друге, для алелей з рецесивними мутаціями геномної імпрінтінг не тільки не збільшує кількості поколінь, протягом яких вони не відчувають дії відбору, а навпаки - зменшують її. По-третє, ця гіпотеза не дозволяє передбачити які саме гени будуть підлягати імпринтингу і в який саме статі.
Бомба уповільненої дії яєчників
Сімейна теорія геномного імпринтингу
Найбільше визнання має так звана «сімейна теорія» або теорія конфлікту, яка стверджує, що це явище є наслідком «еволюційної битви підлог». Імпрінтінг характерний переважно для плацентраніх ссавців і квіткових рослин, причому йому підлягають в великій мірі гени необхідні для ембріонального розвитку. Передбачається, що геном батька більше «зацікавлений» у тому, щоб ембріони росли великими (адже з кожна особина намагається поширити свої гени, а великі і здорові діти матимуть більше шансів на виживання), геном матері більше «зацікавлений» у тому, щоб зародки НЕ виростали занадто великими, так як це може негативно позначитися на здоров'ї самої самки. Тому в батьківському геномі ген, який відповідає за ріст включений, а в материнському - вимкнений.
Якщо розглянути гени, експресуються в тканинах зародка і впливають на отримання ресурсів від матері, то вони одночасно будуть позитивний ефект для самої особини (B) і негативний ефект для інших нащадків тієї ж самки (C). Останні з більшою ймовірністю будуть нести аллели, які особина успадкувала від матері, ніж аллели, які вона успадкувала від батька, тому що самка може в майбутньому народжувати дітей і від інших самців. Так що в цьому випадку r m> r p, через що аллели успадковані від матері і від батька можуть вступати в конфлікт в питанні, брати додаткові ресурси від матері якщо B - r m C <0 C і знову ж можливий конфлікт між алелями зародка успадкованими від батька і успадкованими від матері, коли B - C ' <0
Обидва підходи припускають, що повинен спостерігатися импринтинг промоторів зростання материнського походження і інгібіторів росту батьківського походження, принаймні в умовах, коли самка може паруватися з більш ніж одним самцем, велика частина витрат, пов'язаних з виведенням потомства лягає саме на неї і нащадки можуть впливати на розподіл материнських ресурсів. Остання умова виконується тільки у організмів з постзіготічною турботою.
Розрахунки в області кількісної генетики і теорії ігор показали, що той з алелей (батьківського або материнського походження), який сприяє більшій кількості продукту певного гена, буде відповідати за всю продукцію цього гена в стані еволюційної рівноваги, інший буде повністю виключений, така особливість отримала назву принципу «голосніше голос торжествує» (англ. loudest-voice-prevails).
Критика сімейної теорії
Сімейна теорія геномного імпрінтігу піддалася критиці як щодо її теоретичного побудови, так і по відношенню до її застосування для пояснення конкретних феноменів.
Загалом еволюційне пояснення геномного імпринтингу є полем для активних наукових суперечок, але сімейна теорія є найбільш визнаною.