אפיגנטיקה Epigenetics = outside conventional genetics

השינויים הללו לא כוללים שינוי ברצף בסיסי הDNA-. אפיגנטיקה שינויים יציבים בפוטנציאל ביטוי הגנים המתרחשים במהלך ההתפתחות או במהלך חלוקת תאים. השינויים הללו לא כוללים שינוי ברצף בסיסי הDNA-. השינויים מאפשרים הורשה של דגם ביטוי הגנים לאחר חלוקת התא. היציבות היא לטווח קצר- באורגניזם- השינוי נשמר בדור הבא של התאים (עם החלוקה) אך לא בדור הבא של הצאצאים.

שני מנגנונים אפיגנטיים עיקריים: מתילציית DNA מודיפיקציה של היסטונים

מודיפיקציה של היסטונים www.histonecode.com

מודיפיקציה של היסטונים http://chemistry.gsu.edu/faculty/Zheng/nucleosome.jpg

מתילציה של DNA: מבנה הכרומטין יציבות כרומוזומלית התפתחות עוברית השתקה של גנים תחזוקת אבטול של כרומוזום X החתמה (imprinting)

למנגנון המתילציה שני מרכיבים עיקריים: DNA methyltransferses (DNMTs) – האנזימים שמבצעים את המתילציה של CpG methyl-CpG binding proteins (MBDs) - חלבונים ה"קוראים" את סימני המתילציה

דגם המתילציה במהלך ההתפתחות: תאי המין: פרקורסרים של תאי המין (PGCs) עוברים דה-מתילציה כללית במהלך הבשלת תאי המין הם עוברים מתילציה de-novo לאחר ההפרייה: הגנום האבהי והאימהי עוברים דה-מתילציה מתילציה de-novo - מחזירה את דגם המתילציה הגלובלי לאחר ההשרשה החל משלב בלסטוציסט

דגם המתילציה במהלך ההתפתחות: Gosden R et al. Lancet. 2003; 361: 1975

שני סוגי מתילציה: תחזוקת מתילציה - שמירה על מצב המתילציה לאחר חלוקה תאית. בעיקר ע"י DNMT1. מאפשר העברה של המידע האפיגנטי בין חלוקות תאים. מתילציה de-novo - שינויים בדגם המתילציה בתא. בעיקר ע"י DNMT3A & DNMT3B Li e. Nat Rev Genet. 2002. 3: 662

פיזור המתילציה בגנום: תאים סומאטיים באדם - 80%-70 מרצפי ה-CpG - ממותלים. איי CpG - רצפים עשירים ב-CG. נמצאים upstream לגנים ובד"כ אינם ממותלים, ללא קשר לביטוי הגן. חלק קטן של איי CpG עובר מתילציה במהלך ההתפתחות. מתילציה שלהם גורמת להשתקה יציבה של השעתוק בתאים סומאטיים - חלק גדול מהמתילציה ממוקדת ברצפים חוזרים (סטליטים, SINEs, LINEs ורטרווירוסים) לא ברור כיצד מכוונת המתילציה לאזורים מסויימים בגנום

מתילציה של טרנספוזונים מתילציה של טרנספוזונים - שתי מטרות אפשריות: השתקה של הפרומוטרים למניעת הטרנספוזיציה – "הגנה על גנום" הפחתת השפעת הפרומוטרים של טרנספוזונים על גנים סמוכים – transcriptional noise

כיצד מתילציה של DNA מביאה להשתקה של ביטוי? ה-methyl CpG מושך אליו חלבונים ספציפיים שנקשרים לרצף ה-DNA רק כאשר הוא ממותל

חלבונים קושרי methyl-CpG: פועלים כמעכבים (רפרסורים) של שעתוק - בהיעדרם יש ביטוי של גנים מדווחים גם כאשר הם ממותלים מוטציה בגן MeCP2 פוגעת בקישור החלבון ל- methyl-CpG וגורמת למחלה נוירולוגית - סינדרום Rett

שינויים אפיגנטיים וסרטן: היפר-מתילציה: אפיגנטית: - השתקה של tumor suppressors - פגיעה בגנים מוחתמים גנטית: - עלייה במוטציות נקודתיות (שינוי של C->T ע"י דה-אמינציה של בסיס ממותל (ראה פרוגריה)) היפו-מתילציה: אפיגנטית: - איבוד החתמה - הפעלת אונקוגנים גנטית: - חוסר יציבות הגנום המנגנונים המובילים לשינויים אפיגנטיים בסרטן אינם ברורים עדיין

מתילציית DNA ומחלות באדם: מתילציה וסרטן - איבוד מתילציה גנומית הוא ארוע תכוף ומוקדם בסרטנים רבים, ונמצא בהתאמה לחומרת המחלה ופוטנציאל מטאסטטי מתילציה ומחלות של הרחבת/התקצרות חזרות - המנגנון המוביל להרחבת החזרות לא ברור לגמרי, אך ידוע שבחלק מהמחלות, מתילציה של החזרות מעורבת בפתולוגיה של המחלה (X-שביר) מחלות שבהן יש פגיעה באנזימים האחראים על מתילציה - ICF syndrome (DNMT3B) מחלות שבהן מנגנון קריאת דגם המתילציה פגוע - Rett syndrome (MeCP2)

הפריה חוץ גופית ופגיעה בדפוסי מתילציה: רוב הילדים שנולדים לאחר IVF הם ילדים נורמאליים אך, לאחרונה הועלתה ההשערה שתהליך זה יכול להביא לפגיעות אפיגנטיות: עלייה של פי 3-6 במחלות מסוימות של החתמה (imprinting) משקל לידה נמוך - תוצאה של הריונות מרובי עוברים? במודל עכברי - נמצא מושפע ממנגנונים אפיגנטיים והחתמה ייתכן ששינויים אפיגנטיים ייגרמו מזמן ממושך בתרבית? מצד שני - ייתכן שהפגיעות האפיגנטיות קיימות בהורים וקשורות לחוסר הפוריות.

האם סיגנלים סביבתיים יכולים להוביל לשינויים אפיגנטיים? בצמחים: Vernalization - זהו מצב של פריחה מוקדמת הנגרמת כתוצאה מחשיפה לטמפרטורות נמוכות. פעילות הגן העיקרי בתהליך זה - נקבעת עפ"י המתילציה שלו תגובה פיזיולוגית של הצמח לסביבה המתווכת ע"י מתילציה של ה-DNA. ביונקים: הקשר בין סביבה ושינויים אפיגנטיים פחות ברור אך: זיקנה - הראו הן מצב של היפר-מתילציה והן של היפו-מתילציה- לא ברורה המשמעות הפונקציונלית של השינוי. תזונה - גורם חשוב המשפיע על מחלות של גילאים מבוגרים. האם תזונה יכולה להשפיע על המצב האפיגנטי בתאים?

עדויות להשפעות סביבתיות על מצב מתילציה: Jaenisch R et al. Nat Genet. 2003. 33 Suppl: 245

עדויות להשפעות סביבתיות על מצב מתילציה: Agouti mice: צבע הפרווה מצביע על מצב המתילציה של המחדר הרטרוויראלי: עכבר wt - פרווה כהה עכבר עם פרומטר ויראלי ממותל - ביטוי של הגן רק בעור- צבע פרווה כהה כמו ב-wt עכבר עם פרומוטר ויראלי שאינו ממותל - ביטוי בכל הגוף - פרווה צהובה, העכברים שמנים וסובלים מגידולים עכברים בשני הצבעים - מוזאיקות מבחינת מתילציה - המתילציה של האלמנט הזה נקבעת בשלב מוקדם בהתפתחות

מה קובע את מצב המתילציה של האלמנט? האם גורמים סביבתיים (תזונה של אמא) יכולים לקבוע את מצב המתילציה? כאשר נותנים לעכברות בזמן ההיריון תזונה עשירה בתורמי methyl, אחוז גבוה יותר מהצאצאים מראה פנוטיפ של wt גורמים סביבתיים משנים ביטוי של הגנים ופנוטיפ של הפרט האם ייתכן שגם בבני אדם גורמים סביבתיים (כמו תזונה) יכולים לגרום לשינויים אפיגנטיים וכך לגרום להבדלים פנוטיפיים?

מאמר בית: "Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins”

תאומים מונוזיגוטים: גנוטיפ זהה שכיחות 1:250 לידות מקורם מאותה זיגוטה בחלק גדול מהמקרים - פנוטיפ שונה: נטייה למחלות של גיל מאוחר וגיל הופעתן הופעת מחלות פסיכיאטריות ועוד... למשל- זוג תאומות MZ שפיתחו שתיהן אלצהיימר - אחת בגיל 60 והשנייה בגיל 83 כאשר יש נטייה לפתח מחלה - מה משפיע על התוצאה הסופית? גנוטיפ זהה

יש מספר מנגנונים שיכולים להסביר הבדלים בין תאומים מונוזיגוטיים – הבדלים סביבתיים הבדלים במהלך ההריון - שלייה, זרימת דם ועוד... המאמר בודק אפשרות של הבדלים אפיגנטיים.

משתתפים במחקר 80 מתנדבים (זוגות תאומים מונוזיגוטיים) לבנים מספרד: 30 גברים 50 נשים בגילאים 3-74

במאמר נבדקו הבדלים של: מתילציה אצטילציה של היסטונים אבטול (אינאקטיבציה) של כרומוזום X עיקר העבודה נעשתה על לימפוציטים של תאומים

תחילת העבודה: הוכחת מונוזיגוטיות של תאומים בעזרת 5 מרקרים פולימורפיים (מיקרוסטליטים) שאלונים על בריאות/תזונה/הרגלים של תאומים לקביעת הבדלים סביבתיים ביניהם

human androgen receptor אבטול של כרומוזום X בנשים human androgen receptor Allen RC et al. Am J Hum Genet. 1992; 51: 1229

אבטול של כרומוזום X בנשים: בד"כ אקראי (חוץ מברקמות חוץ-עובריות מסוימות). ב-16 זוגות תאומות שנבדקו - רובן (69% - 11/16) - אבטול אקראי מיעוט - אבטול לא אקראי (skewed). בד"כ (81% - 13/16) הייתה התאמה בתאומות בין הכרומוזום המושתק. אך- ברגע שאין התאמה: יכול להוביל להבדלים אפיגנטיים כבר בשלב מוקדם בהתפתחות.

מתילציה ומודיפיקציות של היסטונים: 65% מהזוגות: דמיון גבוה הן מבחינת מתילציה של DNA והן מבחינת אצטילציה של היסטונים. הבדלים גדולים יותר נצפו בין תאומים MZ מבוגרים יותר. ההבדלים נמצאים בהתאמה לזמן שהתאומים בילו יחד, ולהבדלים בהיסטוריה רפואית.

AIMS – Amplification of InterMethylated Sites Frigola J et al. Nucleic Acids Res. 2002

היכן ההבדלים האלו נמצאים בגנום? זיהוי מקטעים שממותלים רק באחד מהתאומים: 0.5-35% מקטעים שונים בכל זוג תאומים זוגות עם שונות גדולה ב-AIMS מראים שונות גם ב-mC5 ואצתילציה גלובאליים

הרצפת 53 מקטעי AIMS: 43% - מהשינויים במתילציה - ברצפי Alu. 9% - רצפים חוזרים נוספים 34% - ESTs 13%- גנים ידועים

מיפוי שונות במתילציה על כרומוזומים תאומים עם מעט ההבדלים: ההבדלים מפוזרים על פני כל הגנום. תאומים עם הבדלים רבים: ההבדלים מרוכזים בכרומוזומים מסוימים באזורים מסוימים - כמעט בכל הטלומרים ובמס' אזורים עשירים בגנים.

שינויים גלובליים בביטוי גנים: האם השינויים האפיגנטיים אכן מובילים להבדלים בביטוי גנים? פי 4 יותר גנים עם ביטוי שונה בזוג תאומים מבוגרים

המודיפיקציות האפיגנטיות בתאומים MZ נבדלות עם השנים. סיכום: המודיפיקציות האפיגנטיות בתאומים MZ נבדלות עם השנים. הסיבה???? פקטורים חיצוניים - עישון, פעילות גופנית, דיאטה הם בין הגורמים שהוצעו כאחראים לשינויים אפיגנטיים. תאומים מבוגרים יותר, שבילו פחות מחייהם ביחד, והיו בעלי אורח חיים שונה הראו הבדלים משמעותיים יותר. סחיפה אפיגנטית (epigenetic drift) המתרחש עם ההזדקנות - תוצאה של העברה לא מדויקת של מידע אפיגנטי. תוצאה של תהליך סטוכסטי. הצטברות של שינויים אפיגנטיים מהירה יותר מזו של שינויים גנטיים, מכיוון שמוקדשים פחות מנגנונים לשמירה על המידע האפיגנטי.

המנגנון שבו נקבעות המודיפיקציות הגנטיות עדיין לא ברור. מחקרים עתידיים יוכלו אולי לבדוק כיצד נוצרים ההבדלים הנצפים עם העלייה בגיל וממה הם מושפעים. האם אפיגנטיקה היא מנגנון המאפשר לנו להגיב לשינויים בסביבה ללא פגיעה במידע הגנטי שאנו מעבירים לדור הבא?