מהי החתמה? תופעה אפיגנטית המביאה לביטוי חד אללי של גן, כתלות בהורה שממנו האלל הגיע. הביטוי יהיה רק מהאלל האבהי או מהאלל האימהי דפוס הביטוי של הגן יכול להיות תלוי רקמה ושלב התפתחותי

גילוי של החתמה תחילת שנות ה-80: ניסוים על עכברים: 1. יצירת עובר חד-הורי 2. יצירת כרומוזום חד-הורי (uniparental disomy) תחילת שנות ה-90: גילוי גנים מוחתמים

חיפוש אחרי גנים מוחתמים Reik W et al. Nat Rev Genet. 2001; 2: 21 1) גילוי אקראי (בעיקר בעכברי knockout) 2) מיקום גנומי (ליד גנים מוחתמים, באיזור עם פנוטיפ החתמה) 3) סריקות מכוונות

מפת גנים מוחתמים בעכבר

היכן בגנום מתבצעת החתמה?  על מספר קטן של הגנים (100~ גנים מוחתמים בעכבר).  ב-80% מהמקרים הם נמצאים בצברים.  החתמה מתבצעת בעזרת דפוסי מתילציה שונים על הכרומוזום האבהי לעומת האימהי.  בקרבת 88% מהגנים המוחתמים מוצאים איי CpG ורצפים. חוזרים

מאפיינים של גנים מוחתמים Reik W et al. Nat Rev Genet. 2001; 2: 21 אלל מושתק אלל פעיל DMR - Differentially Methylated Region

כיצד החתמה משנה ביטוי? 1) השתקת פרומוטר 2) הפעלת תעתיק antisense (15%) Reik W et al. Nat Rev Genet. 2001; 2: 21 3) מניעת קישור רפרסור אלל פעיל

כיצד החתמה משנה ביטוי? 4) מרכזי החתמה (IC – Imprinting Control elements) אלל פעיל

דפוס ההחתמה נקבע במהלך היווצרות הגמטות

דה-מתילציה גנומית לאחר הפרייה

החתמה במהלך ההתפתחות Reik W et al. Nat Rev Genet. 2001; 2: 21

מה המטרה של החתמה? פרדוקס - השתקה של אלל אחד פוגעת ביתרון של גנום דיפלואידי - הגנה ממוטציות רצסיביות. למה בכלל להשתיק אלל אחד ולהקנות לאורגניזם מצב של המיזיגוט?

החתמה באבולוציה: בנוסף - נמצאה במספר סוגי צמחים

תיאוריות להסברת ההחתמה:  Genetic conflict hypothesis  Ovarian time bomb hypothesis By Varmuza and Mann

Genetic conflict  האינטרס של האם: לחלק משאבים בין הצאצאים שונים שלה.  האינטרס של האב: לאם יכולים להיות צאצאים ממס' זכרים. לכן - יש להגדיל את המשאבים שצאצאיו יקבלו מהאם, גם על חשבון האם וצאצאים עתידיים שלה.  לכן: האם - דיכוי גנים המעודדים גדילה עוברית האב - דיכוי גנים המעכבים גדילה עוברית רוב הגנים המוחתמים משפיעים על גדילה של השלייה וגדילה עוברית היפותזה: מאבק גנטי על משאביה של האם

Ovarian time bomb  ביצית לא מופרית המתחילה התפתחות באופן ספונטני יכולה להתפתח לגידול סרטני (טרטומה). לכן, יש צורך להקטין את הסיכוי שזה יקרה ע"י: השתקה של גנים המעודדים גדילה בשלבים מוקדמים של ההתפתחות, והפעלה של גנים המעכבים גדילה. גידולים כאלו יהיו בד"כ שפירים ולא ייצרו רקמה פולשנית (טרופובלסטים).  כדי שלאחר ההפרייה העובר יוכל לגדול - יש לספק את הגנים המשלימים מהאב - מעודדי גדילה, ולהוריד את ביטוי הגנים המעכבים גדילה.

שיבוט והחתמה Rideout WM 3rd et alRideout WM 3rd et al. Science. 2001; 293: 1093

Large offspring syndrome Rideout WM 3rd et alRideout WM 3rd et al. Science. 2001; 293: 1093 עכבר משובט

אחת הבעיות בחיות ששורדות לאחר שיבוט: ביטוי לא תקין של גנים מוחתמים האבנורמליות הנפוצה ביותר בחיות ששורדות: אבנורמליות בגידול, בעיקר גידול יתר של השלייה ומשקל לידה גבוה פנוטיפ שקיים גם בעכברים ובחולים עם בעיות בהחתמה. בעכברים שנוצרו לאחר שיבוט: כמעט כולם מראים דפוס לא תקין של ביטוי גנים מוחתמים.

החתמה ומחלות באדם: Morison IM et al. Trends Genet. 2005; 21: 457

מאמר בית: Paternal and maternal genomes confer opposite effects on proliferation, cell-cycle length, senescence and tumor formation

החתמה וחלוקת תאים:  במהלכה של התמרה סרטנית, שינויים נפוצים הם שינויים בביטוי גנים מוחתמים. (למשל,Igf2 ו-Igf2R)  עובר ממקור אבהי בלבד - העובר לא מתפתח, אך השלייה נוצרת ויכולה להפוך לגידול ממאיר (choriocarcinoma)  עובר ממקור אימהי בלבד - התפתחות פגומה ומוות מוקדם

התאים שנבדקו בעבודה:  A-MEFs- androgenetic MEFs.  גנום ממקור אבהי בלבד.  P-MEFs- parthenogenetic MEFs  גנום ממקור אימהי בלבד.  BP-MEFs- biparental MEFs  גנום משני הורים.  (MEFs = mouse embryonic fibroblasts)

יצירת עובר עם גנום אמהי

קצב חלוקת התאים:

מחזור התא:

דפוס הגידול המאפיין פיברובלסטים עובריים של עכבר:  שלב ראשון (4-5 העברות) - חלוקה מהירה  שלב שני (6-20 העברות) – senescent phase (הזדקנות)  שלב שלישי - (החל מ- 20העברות) - immortalization  תאים שעברו immortalization - תחילה אינם מותמרים

 תאים פרתנוגנטיים - לא שורדים, כולם מתים לאחר 13 העברות  תאים אנדרוגנטיים - אימורטליזציה מהירה הרבה יותר מתאי BP

האם התאים מותמרים? תאים ממקור אבהי עוברים התמרה בשלב מוקדם בהשוואה לתאים נורמלים

p57kip2ו- Igf2r:  מתבטאים מהאלל האימהי.  פגיעה בהם מובילה לגדילה מוגברת של העובר ולמוות. השפעת גנים מוחתמים על חלוקת תאים

יצירת עוברים עם גנום אמהי מוטנטים לגנים מוחתמים

פגיעה בגנים הללו בתאים: חלוקה מוגברת בהשוואה ל-P-MEFs נורמאליים

גם ההתנהגות לאורך הזמן משתנה: מסקנה: ביטוי שני הגנים האלו תורמים להזדקנות ולמוות של התאים בתרבית

גן המתבטא מהאלל האבהי: Igf2 BP-MEFs - מוטנטים לגן מתים לאחר זמן קצר בתרבית. A-MEFs - לא ניתן לגדל תאים מוטנטים בגן.

ביטוי יתר של Igf2:  קצב גדילת התאים מוגבר  מופיעה יכולת ליצור גידולים

סיכום  הגנום האבהי והגנום האימהי מקנים לתאים דפוסים ייחודיים של גדילה וחלוקה, וסיכויים שונים לאירוע של התמרה סרטנית.  דפוסים אלה מושפעים ע"י גנים מוחתמים. בהשוואה לתאים בעלי גנום משני הורים:  בנוכחות גנום אבהי בלבד - גדילה מוגברת וסיכוי גבוה יותר להתמרה סרטנית.  בנוכחות גנום אימהי בלבד - יכולת חלוקה מוגבלת וסיכוי נמוך מאוד להתמרה סרטנית.  התוצאות מתאימות לשתי התיאוריות המנסות להסביר את מטרת מנגנון ההחתמה.