emergence(of(novel(cpg(island(is(the(key(genomic(change ... · shunsuke(suzuki,(phd...

Emergence(of(novel(CpG(island(is(the(key(genomic(change(for(the(evolu9on(of(mammalian(genomic(imprin9ng(�

Shunsuke(Suzuki,(PhD

Assistant(Professor Epigenomics(Division

Fron<er(Agriscience(and(Technology(Center Faculty(of(Agriculture Shinshu(University

Japan�

Genomic(imprin9ng(produces(func9onal(difference(between(paternal(and(maternal(genomes(�

Paternal Allele�

Maternal Allele�

Paternally(Expressed(Genes (PEGs)

Maternally(Expressed(Genes (MEGs)

Mouse(imprinted(genes,(regions(and(phenotypes�

Pegs Megs


Pegs Megs

Igf2*H19.Domain

Imprin9ng(control(by(the(H19(DMR((differen9ally(methylated(region)�

Igf2

Igf2 H19

H19MaternalAllele

PaternalAllele

CTCFInsulator

Enhancer

Renfree(MB,(Suzuki(S,(KanekoLIshino(T.(Philos.Trans.R.Soc.Lond.B.Biol.Sci..2013�


Pegs Megs

Igf2*H19.Domain

Kcnq1(Domain

The(Kcnq1(imprinted(domain(is(controlled(by(the(kvDMR�

Osbpl5 Nap1l4

Slc22a18

Phlda2 Cdkn1c Kcnq1ot1

Kcnq1 Tssc4 Cd81

Ascl2

PEGs

MEGs

Igf2*H19.Domain 300(kb…

800(kb

Biallelic

˜˜ ̃

Erasure(and(reEestablishment(of(methyla9on(imprints(at(DMRs(�

d10.5 d12.5 d15.5 birthd7.5 3wimplantation

sperm

oocyte

fertilization

maintenance of imprint

maternal imprint

paternal imprint

ereasure of imprint

Dnmt3a/b, Dnmt3lDNA demethylation

Dnmt1

Only(viviparous(mammals(have(genomic(imprin9ng�

0

400

100

200

300

Cenozoic

Tertiary

Cretaceous

Jurassic

Triassic

Permian

Carboniferous

Devonian

Mesozoic

Palæozoic

No Genomic Imprinting?? Genomic Imprinting

Bird

s an

d R

eptil

es

Mon

otre

mes

Mar

supi

als

Euth

eria

ns

MillionYearsAgo

PrimitiveMammals

Spread of LTRRetrotransposons??

Renfree(MB,(Suzuki(S,(KanekoLIshino(T.(Philos.Trans.R.Soc.Lond.B.Biol.Sci..2013�


Pegs Megs

Igf2*H19.Domain

Kcnq1(Domain

Sgce*Peg10.Domain

Peg10(shares(homology(with(SushiEichi(retrotransposon�

CCHCGAG: 371 a.a.

DSG YLDD DAS HHCC DDEPOL: 1187 a.a.

ORF1: 376 a.a.ORF2: 556 a.a.

DSGCCHC

Sushi-ichi

Peg10

Sgce Peg10 Ppp1r9a Pon1 Pon3 Pon2 Asb4

800 kb

Peg10(is(essen9al(for(placental(development�

CCHCGAG: 371 a.a.

DSG YLDD DAS HHCC DDEPOL: 1187 a.a.

ORF1: 376 a.a.ORF2: 556 a.a.

DSGCCHC

Sushi-ichi

Peg10

Sgce Peg10 Ppp1r9a Pon1 Pon3 Pon2 Asb4

800 kb

WT (e(10.5)�

KO (e(10.5)�

Ono(R(et.al..Nat.Genet..2006�

PEG10(is(found(in(marsupials,(but(not(in(monotremes�

Suzuki(S(et.al..PLoS.Genet.(2007�

0k 50k

100k

150k

200k

250k

Human

Mouse

Tammar&

Opossum

Chicken

Fugu

Platypus

SGCE PEG10 PPP1R9A

Sgce Peg10 Ppp1r9a

SGCE PEG10 PPP1R9A

SGCE PPP1R9A

SGCE PPP1R9A

SGCE PPP1R9A

Ch. 3

Ch. 3

Tammar(PEG10(locus�

Only(PEG10(is(imprinted(in(the(marsupial(PEG10(domain�

C T*

No. 1

100%

50%

0%

Limb

No. 11

C T

Limb

No. 10

100%

50%

0%

C T

Body

No. 12

C T

Head

No. 2

C T

Limb

ASB4

PPP1R9A

PEG10

SGCE

No. 3

C T

Limb

C T

Placen

ta

No. 4

C T

Limb

C T

Placen

ta

A* G

No. 6

Limb

No. 9

Limb

Placen

ta

Genom

e

A G*

No. 1

100%

50%

0%

Limb

No. 7

A G

Limb

A G

Placen

ta

No. 8

A G

Limb

A G

Placen

ta

No. 1

100%

50%

0%

C T

Limb

No. 4

A G

Limb

A G

Placen

ta

No. 5

Limb

Placen

ta

Genom

eMP


Only(PEG10(is(imprinted(in(the(marsupial(PEG10(domain�

C T*

No. 1

100%

50%

0%

Limb

No. 11

C T

Limb

No. 10

100%

50%

0%

C T

Body

No. 12

C T

Head

No. 2

C T

Limb

ASB4

PPP1R9A

PEG10

SGCE

No. 3

C T

Limb

C T

Placen

ta

No. 4

C T

Limb

C T

Placen

ta

A* G

No. 6

Limb

No. 9

Limb

Placen

ta

Genom

e

A G*

No. 1

100%

50%

0%

Limb

No. 7

A G

Limb

A G

Placen

ta

No. 8

A G

Limb

A G

Placen

ta

No. 1

100%

50%

0%

C T

Limb

No. 4

A G

Limb

A G

Placen

ta

No. 5

Limb

Placen

ta

Genom

eMP

SGCE PEG10

500 bp

M

P

M

P

Embryo

Placenta

Only(PEG10(side(is(differen9ally(methylated�


Insertion of PEG10

160 Mya

170 Mya

350 Mya

SGCE

SGCE

SGCE

SGCE

PEG10

PEG10

Sgce Peg10

20 %

CpG

0 %

20 %

CpG

0 %

20 %

CpG

0 %

20 %

CpG

0 %

20 %

CpG

0 %

1 kb

The(tammar(DMR(corresponds(to(the(extended(part(of(the(CpG(island(aIer(the(PEG10(inser9on�


SGCE PPP1R9A PON3 PON2 ASB4PEG10 PON1

DMR

SGCE PPP1R9A PON3 PON2 ASB4PEG10 PON1

DMR

SGCE PPP1R9A PON3 PON2 ASB4

PEG10(inser9on(was(the(origin(of(imprin9ng(of(the(SGCE0PEG10(domain�

PEG10(Inser<on(and(DMR(Emergence�

Extension(of(the(DMR(and(Imprinted(Region�


Pegs Megs

Peg13(CGI(emerged(aIer(the(Laurasiatheria(divergence(�

Human90 kb

Mouse80 kb

Elephant80 kb

10 %

0 %

Opossum80 kb

100 %

50 %

10 %

0 %

10 %

0 %100 %

50 %

10 %

0 %100 %

50 %

10 %

0 %100 %

50 %

Dog70 kb

Peg13Trappc9

Intron 16

Suzuki(S(et.al..Genome.Biol.Evol..2011�

Grb10(downstream(CGI(emerged(in(the(eutherian(ancestor�

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|||||| || ||| || | | ||| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||| || || || | | | |||| | | || | || | | | || | | | | | | ||||

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Human20 kb

Mouse20 kb

Elephant20 kb

Opossum20 kb

100 %

50 %

Cow20 kb

100 %

50 %

100 %

50 %

100 %

50 %

100 %

50 %

100 %

50 %

Wallaby20 kb

Platypus20 kb

Meg1/Grb10

1a 1c,1b1,1b2Exon


Plagl1(downstream(CGI(emerged(in(the(eutherian(ancestor�

Human130 kb

Mouse110 kb

Elephant160 kb

Opossum150 kb

Cow110 kb

Platypus80 kb

Plagl1/Zac1

A BTSS

10 %

0 %100 %

50 %

10 %

0 %100 %

50 %

10 %

0 %100 %

50 %

10 %

0 %100 %

50 %

10 %

0 %100 %

50 %

10 %

0 %

Sf3b5


Mcts2

Peg10

Nap1l5Inpp5f_v2

U2af1-rs1

NnatLit1/Kcnq1ot1Airn/AirPeg1/Mest

Snrpn

Impact

Peg3

Slc38a4

Gnas/Nesp

Plagl1/Zac1Meg1/Grb10

Peg13

Prototheria

Metatheria

Afrotheria

Laurasiatheria

Euarchonta

Lagomorpha

Rodentia

Many(DMRs(emerged(as(novel(CGIs(at(various(9me(points(during(mammalian(evolu9on�


Mcts2

Peg10

Nap1l5Inpp5f_v2

U2af1-rs1


Snrpn

Impact

Peg3

Slc38a4

Gnas/Nesp


Peg13

Prototheria

Metatheria

Afrotheria

Laurasiatheria

Euarchonta

Lagomorpha

Rodentia

Acquisi<on(of(novel(CGIs(is(a(key(genomic(change(for(the(evolu<on(of(genomic(imprin<ng(that(generally(occurred(in(the(maternal(DMR(loci.



Mcts2

Peg10

Nap1l5Inpp5f_v2

U2af1-rs1


Snrpn

Impact

Peg3

Slc38a4

Gnas/Nesp


Peg13

Prototheria

Metatheria

Afrotheria

Laurasiatheria

Euarchonta

Lagomorpha

Rodentia

Upon(DMR(acquisi<on,(the(gain(of(new(genes(or(alterna<ve(promoters(occurred,(not(the(simple(monoallelic(loss(of(exis<ng(gene(expression.((�



Acquisi<on(of(novel(CGIs(is(a(key(genomic(change(for(the(evolu<on(of(genomic(imprin<ng(that(generally(occurred(in(the(maternal(DMR(loci.

emergence(of(novel(cpg(island(is(the(key(genomic(change ... · shunsuke(suzuki,(phd...

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