אפיגנטיקה: הגדרה, איך זה עובד, דוגמאות

המידע הגנטי של אורגניזם מקודד ב- DNA של הכרומוזומים של האורגניזם, אך ישנן השפעות אחרות בעבודה. ה רצפי DNA ייתכן שמרכיב גן אינו פעיל, או שהם עשויים להיחסם. המאפיינים של אורגניזם נקבעים על ידי הגנים שלו, אך האם הגנים באמת יוצרים את המאפיין המקודד נקראים ביטוי גנים.

גורמים רבים יכולים להשפיע על ביטוי גנים, ולקבוע אם הגן מייצר את המאפיין שלו בכלל או לפעמים רק באופן חלש. כאשר ביטוי גנים מושפע מהורמונים או אנזימים, התהליך נקרא ויסות גנים.

אפיגנטיקה חוקר את הביולוגיה המולקולרית של ויסות גנים והאחר השפעות אפיגנטיות על ביטוי גנים. בעיקרון כל השפעה שמשנה את ההשפעה של רצפי DNA מבלי לשנות את קוד ה- DNA היא נושא לאפיגנטיקה.

אפיגנטיקה הוא התהליך שבאמצעותו הוראות גנטיות הכלולות ב- DNA של אורגניזמים מושפעים מ גורמים שאינם גנטיים. השיטה העיקרית לתהליכים אפיגנטיים היא שליטה בביטוי גנים. חלק ממנגנוני הבקרה הם זמניים אך אחרים קבועים יותר וניתן לעבור בירושה באמצעות ירושה אפיגנטית.

גן מבטא את עצמו על ידי יצירת עותק של עצמו ושליחת העותק החוצה לתא כדי לייצר את החלבון המקודד ברצפי ה- DNA שלו. החלבון, לבד או בשילוב עם חלבונים אחרים, מייצר מאפיין אורגניזם ספציפי. אם הגן נחסם מייצור החלבון, המאפיין של האורגניזם לא יופיע.

אפיגנטיקה בודקת כיצד ניתן לחסום את הגן מייצור החלבון שלו, וכיצד ניתן להפעיל אותו מחדש אם הוא חסום. בין הרבים מנגנונים אפיגנטיים שיכולים להשפיע על ביטוי גנים הם הבאים:

• מבטל הגן.
• עוצר את הגן מ הכנת עותק.
• עצירת הגן המועתק מ ייצור החלבון.
• חסימת תפקוד החלבון.
• להיפרד את החלבון לפני שהוא יכול לעבוד.

אפיגנטיקה חוקרת כיצד גנים באים לידי ביטוי, מה משפיע על הביטוי שלהם והמנגנונים השולטים בגנים. הוא מסתכל על שכבת ההשפעה מעל השכבה הגנטית וכיצד קובעת שכבה זו שינויים אפיגנטיים איך נראה אורגניזם ואיך הוא מתנהג.

למרות שלכל התאים באורגניזם יש את אותו הגנום, התאים לוקחים פונקציות שונות על סמך האופן שבו הם מווסתים את הגנים שלהם. ברמה של אורגניזם, אורגניזמים עשויים להיות בעלי אותו קוד גנטי אך נראים ומתנהגים אחרת. במקרה של בני אדם למשל, לתאומים זהים יש את אותו הגנום האנושי אך ייראו ויתנהגו מעט אחרת, תלוי שינויים אפיגנטיים.

השפעות אפיגנטיות כאלה יכולות להשתנות בהתאם לגורמים פנימיים וחיצוניים רבים, כולל אלה:

• הורמונים
• גורמי גדילה
• משדרים עצביים
• גורמי תמלול
• גירויים כימיים
• גירויים סביבתיים
  

כל אחד מאלה יכול להיות גורמים אפיגנטיים המקדמים או משבשים את ביטוי הגנים בתאים. כגון שליטה אפיגנטית היא דרך נוספת לווסת את ביטוי הגנים מבלי לשנות את הקוד הגנטי הבסיסי.

בשני המקרים, ביטוי גנים כולל משתנה. הגורמים הפנימיים והחיצוניים נדרשים לביטוי גנים, או שהם עשויים לחסום את אחד השלבים. אם חסר גורם נדרש כגון אנזים הדרוש לייצור חלבון, לא ניתן לייצר את החלבון.

אם קיים גורם חוסם, שלב הביטוי הגנטי המקביל אינו יכול לתפקד, והביטוי של הגן הרלוונטי נחסם. אפיגנטיקה פירושה שתכונה המקודדת ברצפי ה- DNA של גן עשויה שלא להופיע באורגניזם.

הגנום מקודד במולקולות דקות וארוכות של רצפי DNA שיש לפצע אותן היטב במבנה כרומטין מסובך כדי להשתלב בגרעינים תאים זעירים.

כדי לבטא גן, ה- DNA מועתק באמצעות מנגנון תעתיק. החלק של א סליל כפול DNA המכיל את הגן לביטוי נפרש מעט ומולקולת RNA יוצרת עותק של רצפי ה- DNA המרכיבים את הגן.

מולקולות ה- DNA מתפתלות סביב חלבונים מיוחדים הנקראים היסטונים. ניתן לשנות את ההיסטונים כך שה- DNA נפצע פחות או יותר בחוזקה.

כגון שינויים בהיסטון יכול לגרום למולקולות דנ"א להיפצע בצורה כה חזקה, עד שמנגנון התעתיק, המורכב מאנזימים וחומצות אמינו מיוחדות, אינו יכול להגיע לגן להעתקה. הגבלת הגישה לגן באמצעות שינוי היסטון מביאה לשליטה אפיגנטית בגן.

בנוסף להגבלת הגישה לגנים, ניתן לשנות חלבוני היסטון כך שייקשרו פחות או יותר חזק למולקולות ה- DNA הפצועות סביבם בתוך כרומטין מִבְנֶה. שינויים היסטוניים כאלה משפיעים על מנגנון התעתיק שתפקידו ליצור העתק RNA של הגנים לביטוי.

שינויים בהיסטון המשפיעים על ביטוי גנים בדרך זו כוללים את הדברים הבאים:

• מתילציה - מוסיף קבוצת מתיל להיסטונים, מגביר את הקישור ל- DNA ומפחית את ביטוי הגנים.
• זרחון - מוסיף קבוצות פוספט להיסטונים. ההשפעה על ביטוי גנים תלויה באינטראקציה עם מתילציה ואצטילציה.
• אצטילציה - אצטילציה של היסטון מפחיתה קשירה ומגבירה את ביטוי הגנים. קבוצות האצטיל מתווספות עם היסטון אצטיל טרנספרז (HAT).
• דה-אצטילציה - מסיר קבוצות אצטיל, מגביר את הכריכה ומפחית את ביטוי הגן בעזרת deacetylase היסטון.

כאשר משנים היסטונים כדי להגביר את הקישור, לא ניתן לתמלל את הקוד הגנטי לגן ספציפי, והגן לא מתבטא. כאשר הקישור מצטמצם, ניתן ליצור יותר עותקים גנטיים, או ליצור אותם ביתר קלות. הגן הספציפי מתבטא אז יותר ויותר מהחלבון המקודד שלו מיוצר.

לאחר רצפי ה- DNA של גן מועתקים ל- רצף RNA, ה מולקולת RNA עוזב את הגרעין. את החלבון המקודד ברצף הגנטי ניתן לייצר על ידי מפעלי תאים קטנים הנקראים ריבוזומים.

שרשרת הפעולות היא כדלקמן:

1. תעתיק DNA ל- RNA
2. מולקולת RNA עוזבת את הגרעין
3. RNA מוצא ריבוזומים בתא
4. תרגום רצף RNA לשרשראות חלבון
5. ייצור חלבונים

שתי פונקציות המפתח של מולקולת RNA הן תעתיק ותרגום. בנוסף ל- RNA המשמש להעתקה והעברת רצפי ה- DNA, תאים יכולים לייצר הפרעות RNA אוֹ iRNA. אלה קווצות קצרות של רצפי RNA הנקראים RNA שאינו מקודד כי אין להם רצפים המקודדים גנים.

תפקידם להפריע לשעתוק ותרגום, ולהפחית את ביטוי הגנים. באופן זה ל- iRNA יש השפעה אפיגנטית.

במהלך מתילציה של ה- DNA, אנזימים התקשרו מתיל טרנספרנס DNA לצרף קבוצות מתיל למולקולות DNA. כדי להפעיל גן ולהתחיל בתהליך השעתוק, חלבון צריך להיצמד למולקולת ה- DNA סמוך להתחלה. קבוצות המתיל ממוקמות במיקומים בהם בדרך כלל היה מצרף חלבון תעתיק ובכך חוסם את פונקציית השעתוק.

כאשר התאים מתחלקים, רצפי ה- DNA של הגנום של התא מועתקים בתהליך שנקרא שכפול הדנ"א. משתמשים בתהליך זהה ליצירה זֶרַע ותאי ביצה באורגניזמים גבוהים יותר.

רבים מהגורמים המווסתים את ביטוי הגנים הולכים לאיבוד בעת העתקת ה- DNA, אך הרבה מדפוסי המתילציה של ה- DNA משוכפלים במולקולות ה- DNA המועתקות. משמעות הדבר היא כי ויסות הביטוי הגנטי הנגרם על ידי ניתן לעבור בירושה מתילציה של DNA למרות שרצפי ה- DNA הבסיסיים נותרים ללא שינוי.

מכיוון שמתילציה של DNA מגיבה לגורמים אפיגנטיים כמו סביבה, תזונה, כימיקלים, לחץ, זיהום, בחירות אורח חיים והקרנות, התגובות האפיגנטיות מחשיפה לגורמים כאלה יכולות לעבור בירושה באמצעות DNA מתילציה. המשמעות היא שבנוסף להשפעות גנאלוגיות, אדם מעוצב על ידי התנהגות ההורים והגורמים הסביבתיים אליהם נחשפו.

לתאים יש גנים שמקדמים חלוקת תא כמו גם גנים המדכאים צמיחה מהירה ולא מבוקרת של תאים כמו בגידולים. נקראים גנים הגורמים לצמיחת גידולים אונקוגנים ואלה שמונעים גידולים נקראים גנים מדכאי גידולים.

סרטן אנושי יכול להיגרם על ידי ביטוי מוגבר של אונקוגנים יחד עם ביטוי חסום של גנים מדכאי גידולים. אם דפוס מתילציה של ה- DNA המתאים לביטוי גנטי זה עובר בתורשה, הצאצאים עשויים להיות בעלי רגישות מוגברת לסרטן.

במקרה של סרטן מעי גס, דפוס מתילציה דנ"א פגום עשוי להיות מועבר מההורים לצאצאים. על פי מחקר ונייר שנערך בשנת 1983 מאת א. פיינברג וב '. פוגלשטיין, דפוס המתילציה של ה- DNA של חולי סרטן המעי הגס הראה מתילציה מוגברת וחסימה של גנים מדכאי גידולים עם ירידה במתילציה של אונקוגנים.

ניתן להשתמש גם באפיגנטיקה כדי לעזור לטפל במחלות גנטיות. בתסמונת ה- X שביר חסר גן כרומוזום המייצר חלבון מווסת מרכזי. היעדר החלבון פירושו שחלבון BRD4, המעכב התפתחות אינטלקטואלית, מיוצר בעודף בצורה בלתי מבוקרת. ניתן להשתמש בתרופות המעכבות את הביטוי של BRD4 לטיפול במחלה.

לאפיגנטיקה יש השפעה רבה על מחלות, אך היא יכולה להשפיע גם על תכונות אורגניזם אחרות כמו התנהגות.

במחקר שנערך בשנת 1988 באוניברסיטת מקגיל, מייקל מייני הבחין כי חולדות שאמהותיהם דאגו להן על ידי ליקוק ותשומת לב אליהן התפתחו למבוגרים רגועים. חולדות שאמהותיהן התעלמו מהן הפכו למבוגרים מודאגים. ניתוח של רקמת המוח הראה כי התנהגותן של האמהות גרמה לשינויים ב מתילציה של תאי מוח בחולדות התינוקות. ההבדלים בצאצאי חולדות היו תוצאה של השפעות אפיגנטיות.

מחקרים אחרים בדקו את השפעת הרעב. כאשר אמהות נחשפו לרעב במהלך ההריון, כמו שהיה בהולנד ב -1944 וב -1945, שלהן אצל ילדים הייתה שכיחות גבוהה יותר של השמנת יתר ומחלות כליליות בהשוואה לאמהות שלא נחשפו אליהן רָעָב. הסיכונים הגבוהים יותר אותרו להפחתת מתילציה של DNA של גן המייצר גורם גדילה דמוי אינסולין. כגון השפעות אפיגנטיות יכול לעבור בירושה לאורך מספר דורות.

השפעות מהתנהגות שעשויות להיות מועברות מהורים לילדים ואילך יכולות לכלול את הדברים הבאים:

• דיאטת הורים יכולה להשפיע על בריאות הנפש של הצאצאים.
• חשיפה סביבתית לזיהום אצל הורים יכולה להשפיע על אסתמה של ילדים.
• ההיסטוריה של תזונת האם יכולה להשפיע על גודל לידת התינוק.
• צריכת עודף אלכוהול על ידי ההורה הגברי עלולה לגרום לתוקפנות אצל הצאצאים.
• חשיפה של הורים לקוקאין עלולה להשפיע על הזיכרון.

השפעות אלה הן תוצאות של שינויים במתילציה של ה- DNA שהועברו לצאצאים, אך אם גורמים אלה יכולים לשנות מתילציה של DNA אצל ההורים, הגורמים שהילדים חווים יכולים לשנות את ה- DNA שלהם מתילציה. בניגוד לקוד הגנטי, ניתן לשנות מתילציה של DNA בילדים על ידי התנהגות וחשיפה סביבתית בשלב מאוחר יותר.

כאשר מתילציה של DNA מושפעת מהתנהגות, סימני המתיל ב- DNA שבהם קבוצות המתיל עשויות להיצמד יכולים לשנות ולהשפיע על ביטוי גנים באופן זה. אף על פי שרבים מהמחקרים העוסקים בביטוי גנים הם מלפני שנים רבות, רק לאחרונה התוצאות נקשרו לא נפח הולך וגדל של מחקר אפיגנטי. מחקר זה מראה שתפקיד האפיגנטיקה עשוי להשפיע באותה מידה על אורגניזמים כמו הקוד הגנטי הבסיסי.