Epigenetics = outside conventional geneticsEpigenetics = outside conventional genetics

אפיגנטיקהאפיגנטיקה

שינויים יציבים בפוטנציאל ביטוי הגנים שינויים יציבים בפוטנציאל ביטוי הגנים המתרחשים במהלך ההתפתחות או במהלך המתרחשים במהלך ההתפתחות או במהלך

חלוקת תאים. חלוקת תאים.

השינויים הללו לא כוללים שינוי ברצף בסיסי השינויים הללו לא כוללים שינוי ברצף בסיסי ..--DNADNAהה

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:

DNAמתילציית

מודיפיקציה של היסטונים

מודיפיקציה של היסטונים

www.histonecode.com

http://chemistry.gsu.edu/faculty/Zheng/nucleosome.jpg

מודיפיקציה של היסטונים

:DNAמתילציה של

מבנה הכרומטין

יציבות כרומוזומלית

התפתחות עוברית

השתקה של גנים

Xתחזוקת אבטול של כרומוזום

(imprintingהחתמה )

למנגנון המתילציה שני מרכיבים עיקריים:

DNA methyltransferses (DNMTs) האנזימים –

CpGשמבצעים את המתילציה של

methyl-CpG binding proteins (MBDs) חלבונים -

ה"קוראים" את סימני המתילציה

דגם המתילציה במהלך ההתפתחות:

( עוברים PGCs פרקורסרים של תאי המין )תאי המין:

דה-מתילציה כללית

de-novoבמהלך הבשלת תאי המין הם עוברים מתילציה

הגנום האבהי והאימהי עוברים לאחר ההפרייה:

דה-מתילציה

- מחזירה את דגם de-novo מתילציה

המתילציה

הגלובלי לאחר ההשרשה החל משלב

בלסטוציסט

דגם המתילציה במהלך ההתפתחות:

Gosden R et al. Lancet. 2003; 361: 1975

שני סוגי מתילציה:

- שמירה על מצב המתילציה לאחר תחזוקת מתילציה.DNMT1חלוקה תאית. בעיקר ע"י

מאפשר העברה של המידע האפיגנטי בין חלוקות תאים.

- שינויים בדגם המתילציה בתא. de-novoמתילציה DNMT3A & DNMT3B בעיקר ע"י

Li e. Nat Rev Genet. 2002. 3: 662

פיזור המתילציה בגנום:

- CpG מרצפי ה-70-80%תאים סומאטיים באדם - ממותלים.

לגנים upstream. נמצאים CG- רצפים עשירים ב- CpGאיי ובד"כ אינם ממותלים, ללא קשר לביטוי הגן.

עובר מתילציה במהלך CpGאיי חלק קטן של ההתפתחות.

מתילציה שלהם גורמת להשתקה יציבה של השעתוק

ברצפיםבתאים סומאטיים - חלק גדול מהמתילציה ממוקדת

ורטרווירוסים(SINEs, LINEs )סטליטים, חוזרים

לא ברור כיצד מכוונת המתילציה לאזורים מסויימים בגנום

מתילציה של טרנספוזונים

מתילציה של טרנספוזונים - שתי מטרות אפשריות:

השתקה של הפרומוטרים למניעת הטרנספוזיציה – 1("הגנה על גנום"

על גנים הפחתת השפעת הפרומוטרים של טרנספוזונים2(transcriptional noiseסמוכים –

מביאה להשתקה של DNAכיצד מתילציה של ביטוי?

המתיל מפריע לקישור של חלבון )למשל פקטור שעתוק(

DNAלרצף ההכרה ב-

מושך אליו חלבונים ספציפיים שנקשרים methyl CpGה-

רק כאשר הוא ממותלDNAלרצף ה-

: methyl-CpGחלבונים קושרי

פועלים כמעכבים )רפרסורים( של שעתוק - בהיעדרם יש ביטוי של גנים מדווחים גם כאשר הם

ממותלים

פוגעת בקישור החלבון ל- MeCP2מוטציה בגן methyl-CpG - סינדרום וגורמת למחלה נוירולוגית

Rett

שינויים אפיגנטיים וסרטן:

המנגנונים המובילים לשינויים אפיגנטיים בסרטן אינם ברורים עדיין

היפר-מתילציה::אפיגנטית

tumor suppressorsהשתקה של -

פגיעה בגנים מוחתמים-

:גנטית ע"י דה-אמינציה C->Tשינוי של עלייה במוטציות נקודתיות ) -

של בסיס ממותל )ראה פרוגריה((היפו-מתילציה:

:אפיגנטיתאיבוד החתמה-

הפעלת אונקוגנים-

:גנטיתחוסר יציבות הגנום -

ומחלות באדם:DNAמתילציית

איבוד מתילציה גנומית הוא ארוע תכוף ומוקדם מתילציה וסרטן -בסרטנים רבים, ונמצא בהתאמה לחומרת המחלה ופוטנציאל

מטאסטטי

המנגנון -הרחבת/התקצרות חזרותמתילציה ומחלות של

המוביל להרחבת החזרות לא ברור לגמרי, אך ידוע שבחלק

מהמחלות, מתילציה של החזרות מעורבת בפתולוגיה של המחלה

(X)שביר-

האחראים על מתילציה -פגיעה באנזימיםמחלות שבהן יש

ICF syndrome )DNMT3B(

Rett פגוע -קריאת דגם המתילציהמנגנון מחלות שבהן

syndrome )MeCP2(

האם סיגנלים סביבתיים יכולים להוביל לשינויים אפיגנטיים?

- זהו מצב של פריחה מוקדמת הנגרמת Vernalization :בצמחים

כתוצאה מחשיפה לטמפרטורות נמוכות. פעילות הגן העיקרי בתהליך

זה - נקבעת עפ"י המתילציה שלו תגובה פיזיולוגית של הצמח

. DNAלסביבה המתווכת ע"י מתילציה של ה-

הקשר בין סביבה ושינויים אפיגנטיים פחות ברור אך::ביונקים

- הראו הן מצב של היפר-מתילציה והן של היפו-מתילציה- לא זיקנה

ברורה המשמעות הפונקציונלית של השינוי.

- גורם חשוב המשפיע על מחלות של גילאים מבוגרים. האם תזונה

תזונה יכולה להשפיע על המצב האפיגנטי בתאים?

עדויות להשפעות סביבתיות על מצב מתילציה:

Jaenisch R et al. Nat Genet. 2003. 33 Suppl: 245

Agouti mice:

צבע הפרווה מצביע על מצב המתילציה של המחדר הרטרוויראלי:

- פרווה כההwtעכבר

עכבר עם פרומטר ויראלי ממותל - ביטוי של הגן רק בעור- צבע wtפרווה כהה כמו ב-

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

עדויות להשפעות סביבתיות על מצב מתילציה:

מה קובע את מצב המתילציה של מה קובע את מצב המתילציה של האלמנט?האלמנט?

האם גורמים סביבתיים )תזונה של אמא( יכולים לקבוע את האם גורמים סביבתיים )תזונה של אמא( יכולים לקבוע את מצב המתילציה?מצב המתילציה?

, methylכאשר נותנים לעכברות בזמן ההיריון תזונה עשירה בתורמי

wtאחוז גבוה יותר מהצאצאים מראה פנוטיפ של

גורמים סביבתיים משנים ביטוי של הגנים ופנוטיפ של הפרט

האם ייתכן שגם בבני אדם גורמים סביבתיים )כמו תזונה( האם ייתכן שגם בבני אדם גורמים סביבתיים )כמו תזונה( יכולים לגרום לשינויים אפיגנטיים וכך לגרום להבדלים יכולים לגרום לשינויים אפיגנטיים וכך לגרום להבדלים

פנוטיפיים?פנוטיפיים?

מאמר בית:

"Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins”

תאומים מונוזיגוטים:תאומים מונוזיגוטים: לידות1:250שכיחות

מקורם מאותה זיגוטה

בחלק גדול מהמקרים - פנוטיפ שונה:

נטייה למחלות של גיל מאוחר וגיל הופעתן

הופעת מחלות פסיכיאטריות

ועוד... 60 שפיתחו שתיהן אלצהיימר - אחת בגיל MZלמשל- זוג תאומות

83והשנייה בגיל

כאשר יש נטייה לפתח מחלה - מה משפיע על התוצאה הסופית?

יש מספר מנגנונים שיכולים להסביר הבדלים בין תאומים מונוזיגוטיים –

הבדלים סביבתיים

הבדלים במהלך ההריון - שלייה, זרימת דם ועוד...

.הבדלים אפיגנטייםהמאמר בודק אפשרות של

משתתפים במחקרמשתתפים במחקר

מתנדבים )זוגות תאומים מונוזיגוטיים( לבנים 80מספרד:

גברים30

נשים50

3-74בגילאים

במאמר נבדקו הבדלים של:

מתילציה

אצטילציה של היסטונים

Xאבטול )אינאקטיבציה( של כרומוזום

עיקר העבודה נעשתה על לימפוציטים של תאומים

תחילת העבודה:

5הוכחת מונוזיגוטיות של תאומים בעזרת 1(

מרקרים פולימורפיים )מיקרוסטליטים(

שאלונים על בריאות/תזונה/הרגלים של 2(

תאומים לקביעת הבדלים סביבתיים ביניהם

בנשיםXאבטול של כרומוזום

Allen RC et al. Am J Hum Genet. 1992; 51: 1229

human androgen receptor

בנשים:Xאבטול של כרומוזום בד"כ אקראי )חוץ מברקמות חוץ-עובריות מסוימות(.

זוגות תאומות שנבדקו - 16ב-( - אבטול אקראי11/16 - 69%רובן )

(.skewedמיעוט - אבטול לא אקראי )

( הייתה התאמה בתאומות בין 13/16 - 81% בד"כ )הכרומוזום המושתק.

אך- ברגע שאין התאמה: יכול להוביל להבדלים אפיגנטיים כבר בשלב מוקדם בהתפתחות.

מתילציה ומודיפיקציות של היסטונים:

מבוגרים יותר.MZהבדלים גדולים יותר נצפו בין תאומים ההבדלים נמצאים בהתאמה לזמן שהתאומים בילו יחד, ולהבדלים

בהיסטוריה רפואית.

מהזוגות:65% והן מבחינת אצטילציה של היסטונים.DNAדמיון גבוה הן מבחינת מתילציה של

Frigola J et al. Nucleic Acids Res. 2002

AIMS – Amplification of InterMethylated Sites

היכן ההבדלים האלו נמצאים בגנום?זיהוי מקטעים שממותלים רק באחד מהתאומים:

מקטעים שונים בכל זוג תאומים0.5-35%

ואצתילציה mC5 מראים שונות גם ב-AIMSזוגות עם שונות גדולה ב-גלובאליים

:AIMS מקטעי 53הרצפת

. Alu - מהשינויים במתילציה - ברצפי 43%

- רצפים חוזרים נוספים9%

34% - ESTs

- גנים ידועים13%

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.

מיפוי שונות במתילציה על כרומוזומים

שינויים גלובליים בביטוי גנים:האם השינויים האפיגנטיים אכן מובילים להבדלים בביטוי גנים?

יותר גנים עם ביטוי שונה בזוג תאומים מבוגרים4פי

סיכום: MZהמודיפיקציות האפיגנטיות בתאומים

נבדלות עם השנים.

הסיבה???? עישון, פעילות גופנית, דיאטה הם בין הגורמים פקטורים חיצוניים -

שהוצעו כאחראים לשינויים אפיגנטיים.

תאומים מבוגרים יותר, שבילו פחות מחייהם ביחד, והיו בעלי אורח חיים שונה הראו הבדלים משמעותיים יותר.

המתרחש עם ההזדקנות - )epigenetic driftסחיפה אפיגנטית (

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 האם אפיגנטיקה היא מנגנון המאפשר לנו להגיב לשינויים בסביבה ללא לנו להגיב לשינויים בסביבה ללא

פגיעה במידע הגנטי שאנו מעבירים פגיעה במידע הגנטי שאנו מעבירים לדור הבא?לדור הבא?