שתף קטע נבחר

הכי מטוקבקות
    התורשה שמעבר לדנ"א - חלק ג'
    לפני למעלה משישים שנה הוגדר לראשונה המושג "אפיגנטיקה" כחקר התהליכים בהם הגנוטיפ מכתיב את הפנוטיפ. כיום, עם השלמת פרויקט הגנום האנושי, התגבש המונח והפך לתחום נפרד בביולוגיה הקשור למידע העובר לצאצאים ושאיננו קשור לרצף בסיסי הדנ"א. חלק שלישי ואחרון

    • לחלק הראשון של המאמר לחצו כאן
    • לחלק השני של המאמר לחצו כאן

     

    הוספת זרחנים לחומצות האמינו סרין ותריאונין נעשית על-ידי אנזימי זירחון של חלבונים והופכת את הכרומוזום לדחוס יותר כהכנה לחלוקת התא.

     

    רמה נוספת של בקרה בכרומטין היא רמת הדחיסות הקובעת את זמינות הדנ"א לחלבוני בקרה ולאנזימים המשתתפים בשכפול הדנ"א ובשיעתוקו. ההטרוכרומטין בצורתו הדחוסה חוסם את שיעתוק הדנ"א לכל משך מחזור התא. באזור הדחוס אין בדרך כלל קבוצות אצטיל על זנבות ההיסטונים ובמקומות האחראים להשתקה קשורים מתילים.

     

    פעולת ההשתקה יכולה להתפשט לאורך הכרומוזום עד שהיא מגיעה למחסום. במחסום לעתים יש חלבונים המגייסים אנזימים המוסיפים קבוצות אצטיל, או שקיים מרווח של דנ"א חופשי מהיסטונים והתפשטות ההשתקה נעצרת.

     

    כדי שהאנזימים יוכלו לשעתק את הדנ"א חייב הכרומטין לעבור מצורת ההטרוכרומטין לצורת האוכרומטין, והאוכרומטין צריך לעבור מצורת הסיבים לצורת החרוזים על חוט. גם בצורה הפתוחה ביותר של הכרומטין גורמי השיעתוק מתקבצים בצורה שעוזרת להרחיק את אזור הפרומוטר מהנוקלאוזום כדי לאפשר גישה לגורם השיעתוק שאמור להתקשר אליו ולאנזים המשעתק -פולימרז II. עם התקדמות השיעתוק נע צֶבר החלבונים לפני האנזים ומאפשר את התקדמותו, ולאחר השיעתוק מחזיר את מבנה הנוקלאוזום לקדמותו.

     

    מבנה הכרומטין קובע גם את מיקומו של האזור בתוך הגרעין וגם למיקום תפקיד בבקרת השעתוק. התיאור נכון גם לגבי שכפול הדנ"א. תזמון שכפול הדנ"א מושפע גם הוא מהסמנים האפיגנטיים. האזורים שקשורות אליהם מולקולות רנ"א פעיל, שמעכב שיעתוק ואזורי ההטרוכרומטין משוכפלים בשלב מאוחר יותר במחזור התא (בסוף שלב ה-S) לעומת האזורים בהם הגנים משועתקים.

     

    לעומת ההרכב השמור של ההיסטונים שמרכיבים את ליבת הנוקלאוזום הרי המַחבר – המקטע שמחבר בין שני נוקלאוזומים – מורכב מדנ"א ואחת מ-8 צורות ההיסטונים 1H, בתלות בסוג התא, המיקום בזמן במחזור התא, ומצב ההתמיינות של התא. במספר מקרים צורה מסוימת של 1H נקשרת לגורמי שיעתוק שחוסמים את הזרז (enhancer) של גנים ייחודיים ומשתיקים את ביטוי הגנים.

     

    ככלל, ההיסטונים שנאגדים בתוך הדנ"א החדש שמסונתז בתהליך השכפול הם ההיסטונים ה"רגילים" שמרכיבים את הליבה שהוזכרו לעיל. מאוחר יותר הם מוחלפים בהתאם לרקמה ולתפקיד התא בהיסטונים הייחודיים.

     

    עבודת צוות

     

    המנגנונים האפיגנטיים עובדים בתיאום זה עם זה בכל הרמות: בהטרוכרומטין הדחוס יש רמת מתילציה גבוהה על הציטוזינים בצמדי ה- CpG שבדנ"א, רמה נמוכה של אצטילציה בהיסטונים, ורמה גבוהה של מתילציה בליזין-9 בהיסטון 3H המשמש אתר קישור ל 1HP שחוסם את דרכם של גורמי השעתוק הנחוצים לשעתוק. המצב הפוך באוכרומטין באזור בו הגנים פעילים.

     

    משפחת החלבונים הנקשרים למתיל- CpG מאפשרים את קישור האנזים דה-אצטילז, שמוריד קבוצות אצטיל מההיסטונים באתר המתילציה, ובכך הופך את הכרומטין ממבנה פתוח המאפשר שיעתוק למבנה ההטרוכרומטין שאינו מאפשר גישה חופשית לכל גורמי השעתוק. ממחקרים נוספים התברר שגם ה-DNMT - האנזים הממתל- עצמו מאפשר קישור של דה-אצטילזות לאתר הדנ"א הממותל.

     

    דוגמה נוספת לעבודת צוות הוא התהליך שמשתק אחד מכרומוזומי X של הנקבה ביונקים: הנקבות נולדות עם שני כרומוזומי X בהשוואה לכרומוזום X אחד בזכרים. כדי למנוע כמות כפולה של תוצרי הגנים שעל כרומוזום X בנקבות יש לנטרל את כרומוזום X הנוסף בנקבה. בשלב עוברי מוקדם נקשר רנ"א פעיל, שמיוצר על-ידי גן שאינו מקודד חלבון, המכונה Xist, לאחד מכרומוזומי X באופן אקראי בכל אחד מהתאים.

     

    כרומוזום ה-X האחר שאמור להישאר פעיל מייצר רנ"א משלים (אנטי-סנס) נגד הרנ"א הפעיל ובכך מנטרל אותו ומונע את קישורו אליו. לכרומוזום שאמור להיות מנוטרל נקשרת מולקולת הרנ"א ובתגובת שרשרת רוב הדנ"א עובר מתילציה שמשתיקה את הגנים, ההיסטונים משילים מזנבותיהם את קבוצות האצטיל והכרומטין נדחס לגוש המכונה גופיף באר (Bar body). גופיף באר משוכפל ומועבר בחלוקה המיטוטית – לשני תאי הבת.

     

    המשימה העומדת בפני החוקרים לאחר השלמת פרויקט פענוח הגנום היא פענוח הצופן של המנגנונים האפיגנטיים. משימה זו קשה בהרבה, מכיוון שבבקרה האפיגנטית משחקים משתתפים רבים שיוצרים מגוון צירופים עצום ומשתנה – רק בהיסטון 3H.

     

    לדוגמה, אפשריות שלוש צורות של שינויים אפיגנטיים בכל היסטון מתוך לפחות 13 שינויים ידועים, ובכל ליבת נוקלאוזום משתתפים שלושה סוגי היסטונים נוספים. ואם מביאים את כל שאר רובדי הבקרה בחשבון הרי לפנינו עולם חדש, מופלא ומורכב שפענוח 30,000 הגנים הקשיחים והבלתי משתנים נראה לעומתו כמשחק ילדים.

     

     

     

    המורכבות של התורשה האפיגנטית היא כנראה זו שבעוכרי השכפול הגנטי, והופכת את השכפול הגנטי האנושי לבלתי אפשרי בעליל, בינתיים. בכל ניסויי השכפול שנעשו בבעלי-חיים עד כה אחוז ההצלחות היה נמוך, כמעט אפסי כשבדרך נוצרו עוברים רבים מאוד מעוותים עד פָלצות. התכנות מחדש שנעשה בגמטות ובביצית המופרית לאחר ההפריה עדיין לא ניתן לחיקוי.

     

    בלבול במערכת – מקור למחלות תורשתיות ולסרטן

     

    בעידן הגנטיקה והטכניקות החדשות והמשוכללות של ההנדסה הגנטית, שעברו עוד קפיצת דרך עם פרויקט הגנום, נפרצה הדרך לאיתור הגנים הפגועים – שעברו מוטציה או מוטציות – שגורמים למחלה (ראו מסגרת). בידיעת רצף הגנים שאותרו וידיעת הצופן הגנטי ניתן ללמוד רבות על החלבון שאותו הם מייצרים, ולחפש דרכי ריפוי.

     

    בשנים האחרונות נעשה ברור יותר שגם אם הרצף של גן מסוים נותר תמים וללא כל שינוי, הסמנים האפיגנטיים יכולים לגרום להתבטאותו או לחוסר התבטאותו ובהתאם לכך – להופעת מחלות תורשתיות וסרטן. תדירות השינויים האפיגנטיים עולה עם הגיל ומשערים שהסיבה לכך היא ביטוי בעודף או חוסר ביטוי של האנזימים האחראים למתילציה.

     

    פגיעה באנזים מתילציה גוררת בעקבותיה פגיעות רבות בגנים שונים. מתילציה עודפת או חוסר מתילציה באיי ה- CpG , לדוגמה, גורמים להשתקת גנים או להפעלת גנים, בהתאמה.

     

    טעויות ברמת המתילציה גורמות לחוסר יציבות של הכרומוזום ובמקרים מספר לשינויים כרומוזומליים כמו שבירות או טרנסלוקציות שבעטיין נוצרות פגיעות תורשתיות הקשורות בפיגור. תסמונת ה-X השבור, לדוגמה, שתסמיניה נעים מליקויי למידה ועד לפיגור שכלי, נובעת ממתילציית יתר באזור הלא-מתורגם של הגן FMRI שאחראי לתסמונת ונמצא בזרוע הארוכה של כרומוזום X.

     

    אזור זה מורכב מרצפים חוזרים של CGG, כאשר לעתים בעת החלוקות המיוטיות נוספים עוד רצפים והמקטע הולך ומתארך, ונראה שמעל לאורך מסוים מתחילים הרצפים לעבור מתילציה-מחדש שמשתקת לחלוטין את הגן ומונעת את יצירת החלבון הנחוץ לגדילה ולהתפתחות פיזית ושכלית תקינה. הפגיעה באזור הגן גורמת לשבר נראה בכרומוזום.

     

    טעויות בהטבעת גנים – שבעטיין מושתקים גנים שאמורים היו להיות פעילים או משופעלים שני האללים של הגן, גם זה שמקורו מהאם וגם זה שמקורו מהאב – גורמות אף הן לתסמונות שחלקן קשורות בפיגור שכלי. אחת מהן, היא תסמונת בקווית'-ויידמן (Beckwith-Weidemann syndrome, BWS) שמתגלית באחת מכל 14,000 לידות.

     

    התסמונת מאופיינת בגידול יתר, לפני ואחרי הלידה, של הגוף והאיברים, כולל הקרביים, הלשון ודופן הבטן. התסמונת מלווה בהתפתחות גידולים ממאירים עובריים כמו גידול וילם (Whilm’s tumour) שמופיע בעיקר בכליות. התסמונת מופיעה כאשר במקום אלל אחד באים לידי ביטוי שני האללים של הגן המקודד ליצירת גורם גידול דמוי אינסולין מסוג 2 IGF2, שהוא גורם גידול עיקרי בתקופה העוברית ושאותר בכרומוזום 11.

     

    לא כל-כך ארוכה הדרך לסרטן

     

    טעויות במתילציה הן חזון נפרץ במקרי סרטן רבים באדם. בתאי סרטן, בהשוואה לתאים רגילים, מידת המתילציה לאורך הגנום נמוכה ומלווה ביתר מתילציה באתרים מוגדרים באיי ה- CpG. מתילציה לא מבוקרת גורמת לשפעול יתר של גנים מחוללי סרטן (אונקוגנים) בשל ירידה לא מבוקרת במתילציה של הפרומוטרים, או להשתקת גנים מדכאי סרטן (repressor genes) בשל עודף מתילציה בפרומוטרים של הגנים האמורים.

     

    כדי לשפעל אונקוגן מספיקה מוטציה באלל אחד על מנת שהתוצר החלבוני יהיה פעיל יותר, אולם כדי לשתק את פעולתם של הגנים מדכאי הסרטן – למנוע כליל את יצירת החלבון – פגיעה באלל אחד אינה מספיקה ונחוצות שתי מוטציות עוקבות בכל אחד מהאללים בנפרד.

     

    מקובל היה לחשוב שמוטציה באלל אחד גורמת בדרך מסוימת להגברת הסיכוי להיווצרות מוטציה גם בגן השני. עכשיו ברור שיש דרך נוספת. תהליך המתילציה מחליף את תהליך יצירת המוטציה והשילוב של מתילציות ומוטציות מאוד נפוץ במקרי סרטן שונים.

     

    כמו-כן, באתרים מועדים למוטציות לאורך הדנ"א נוצרת מוטציה כשבעקבות תהליך המתילציה של עמדה 5 בציטוזין, מורדת גם קבוצה אמינית מהציטוזין (בתהליך דה-אמינציה), כך שבתאי סרטן תורמת המתילציה לתהליך השתקת הגנים הן בתהליך גנטי (גרימת מוטציה) והן בתהליך אפיגנטי (המתילציה כשלעצמה).

     

    מתילציית-יתר בתאי סרטן משתקת, בנוסף לכך, גנים הנחוצים לבקרה על מחזור התא, גנים הקשורים לתיקון דנ"א, גנים הקשורים לאחזקה השוטפת של התאים וגם גנים הקשורים בתהליך האפופטוזיס – מוות מתוכנת של התאים. השתקת הגנים האלה (האחרונים) הופכת את התאים לעמידים לכימותרפיה.

     

    הירידה הכללית ברמת המתילציה לאורך הגנום גורמת לחוסר יציבות של הכרומוזומים – ולפיכך למועדות לשבירה ולטרנסלוקציות – וכן פוגעת בהטבעה הגנומית ומשפעלת מחדש את הטרנספוזומים ואת הרטרו-וירוסים שתורמים אף הם לתהליך יצירת הסרטן.

     

    דרכי אבחון וטיפול

     

    בניגוד לשינויים הגנטיים ברצף הדנ"א שהם משתנים וייחודיים לכל גן וגן וגם בתוך אותו גן, הרי שתהליך המתילציה הוא תהליך הפיך ובעל דגם קבוע למדי. עובדה זו מאפשרת אבחנה מוקדמת ורגישה בהתפתחות מחלת הסרטן, כאשר ידוע דגם המתילציה של גנים הקשורים בסרטן ואופייניים לסרטן המסוים.

     

    חוקרים פיתחו שיטת תגובת שרשרת של פולימרז (PCR), המגלה את דגם המתילציות בגן הנבדק. נמצא שבחולים בסרטן הריאות, לדוגמה, ניתן לאבחן את המחלה, באמצעות דגם המתילציה, בדגימת דנ"א שנלקחת מהכיח, כבר שלוש שנים לפני האבחון הרפואי. אבחנה באמצעות דגם מתילציה של גנים הקשורים לסרטן מספקת מידע מוקדם שאינו תלוי בממצאים אחרים.

     

    באשר לדרכי טיפול: כל עיכוב של מתילצית הדנ"א או של דה-אצטילציה של ההיסטונים יגרום להפחתה במידת דיכוי התבטאות הגנים. מעכב ייחודי וחזק של מתילצית הדנ"א הוא 5-אזא-דאוקסיציטידין, שנכנס במקום הציטוזין ואינו מאפשר מתילציה. מעכב זה אושר לשימוש על-ידי ה-FDA - מנהל המזון והתרופות הפדרלי בארצות הברית - ומשתמשים בו כמרכיב בטיפולים כימותרפיים במקרים של לוקמיות חריפות.

     

    באותה מידה מעכבים של דה-אצטילציה בהיסטונים כמו ה-טריקוסטטין A (trichostatin A) משפעלים מחדש גנים מושתקים ונמצאים כיום בשלב הניסויים הקליניים. שימוש משולב בשתי התרופות נוסה במבחנה בתאים שמקורם בסרטן השד והשפעת השילוב היתה סינרגיסטית וגרמה לשפעול הגנים המושתקים ולמות התאים הסרטניים. הקוץ שבאליה הוא חוסר הייחודיות של המעכבים והפעלת גנים מושתקים שתורמים לתהליך הממאירות. המחקרים העתידיים ינסו לפתח תרופות המכוונות לגנים ספציפיים.

     

    גם מחלות מורכבות כגון: סרטן, סוכרת מסוג 2 ומחלות לב נובעות כנראה מאוסף של שינויים במספר רב של גנים שרובם עדיין לא ידועים, ועליהם עוד יש להוסיף את נדבך השינויים האפיגנטיים.

     

    אכן עולם עצום ומרתק נגלה לנו ומי יודע אם הוא אחרון במערכת הבקרה של הגנים. לדברי אנדרו פיינברג(Feinberg) מבית ספר לרפואה באוניברסיטת: ג'ונס הופקינס, נחוצות השקעות אדירות בכסף ובגיוס כוחות ומאמצים של חוקרים רבים כדי ללמוד ולפענח קודם מהם הסמנים האפיגנטיים "הנורמליים". לדבריו, יידרשו משאבי עתק כדי לפתח שיטות מהירות ומדויקות – שלא קיימות עדיין – על מנת למפות את הגנום ולברר איזה מהסמנים האפיגנטיים נמצאים ולהכין מיפוי שיאפשר לימוד ופיצוח הצופן האפיגנטי.

     

     

    לפנייה לכתב/ת
     תגובה חדשה
    הצג:
    אזהרה:
    פעולה זו תמחק את התגובה שהתחלת להקליד
    אפיגנטיקה - התורשה שמעבר לדנ"א
    צילום: איי פי
    חקר התהליכים בהם הגנוטיפ מכתיב את הפנוטיפ
    צילום: איי פי
    מומלצים