סקירה כללית של אפיגנטיקה

תחום האפיגנטיקה, שהגדרתו שנויה במחלוקת רבה, מתייחס באופן נרחב לחקר הבדלים תמציתיים בתפקוד הגנים שלא ניתן להסבירם על ידי שינויים ברצף הדנ"א. המונח "אפיגנטיקה" הוצג לראשונה על ידי קונרד וודינגטון בשנות החמישים, כדי להסביר כיצד סוגי תאים מגוונים בגוף יכולים לנבוע מסט אחד של חומר גנטי. חוקרים זיהו תהליכים רבים שנחשבו כבסיס אפיגנטי, אך עדיין קיים ויכוח משמעותי על עקרונות יסוד רבים של התחום.

בסרטון זה, נדגיש תגליות חשובות באפיגנטיקה, שאלות מרכזיות שנדונות על ידי אפיגנטיקה, כלים נפוצים המשמשים כדי לענות על שאלות אלה, ולבסוף, כמה מחקרים עכשוויים בתחום.

ראשית, בואו נסקור כמה רגעי מפתח בהיסטוריה של האפיגנטיקה.

בשנות ה-30 של הרמן ג'יי מולר הבחין בתופעה הידועה בשם שינוי אפקט תנוחה בדרוסופילה. הוא מצא זבובים מוטנטיים עם עיניים מנומרות, וקשר את הפנוטיפ הזה להתפשטות המשתנה של "הטרוקרומטין" מרוכז שהשתיק את הגן האחראי על צבע העיניים. זו תהיה התופעה "האפיגנטית" המזוהה הראשונה שבה נצפה שינוי פנוטיפי ללא שינוי מקביל ברצף הגנטי.

בשנת 1959, סוסומו אוהנו הבחין בתאי כבד חולדה נקבה שאחד משני כרומוזומי X היה מרוכז. שנתיים לאחר מכן, מרי ליון שיערה כי כרומוזום X מרוכז זה אינו מומת גנטית, כי הבחירה של איזה כרומוזום X להיות מומת הוא אקראי, וכי חוסר פעילות זו עוברת בירושה יציבה על ידי צאצאי התא. תהליך זה, הנקרא כיום אי-אקטיבית X-כרומוזום או XCI, גורם לנקבות להיות פסיפסים ביולוגיים.

בשנת 1964 פרסם אלפרד מירסקי את העבודה המוקדמת ביותר על תפקידם של שינויים בהיסטון בוויסות הגנים. היסטונים מהווים את הליבה של נוקלאוזומים, שהם היחידה הבסיסית החוזרת של הכרומטין בתאים אאוקריוטים. מירסקי חקר כיצד מתילציה ואצטילציה של היסטונים השפיעו על סינתזת RNA, וכיום ידוע כי שינויים רבים משנים את "מצב הפעילות" של אזורים כרומוזומאליים סמוכים.

בשנת 1975, רובין הולידיי ותלמידו ג'ון פיו, ובאופן עצמאי ארתור ריגס, הציעו כי מתילציה של דינוקלאוטידים CpG ב- DNA עשויה להיות מעורבת בהשתקה אפיגנטית יציבה, למשל במהלך XCI. אדריאן בירד ועמיתיו העניקו אמון נוסף ברעיון זה בשנת 1985 על ידי זיהוי אשכולות של אתרי CpG לא ממותנים ברחבי הגנום שהיו קשורים מאוחר יותר עם מקדמים פעילים תמלול. מאוחר יותר הוא גם יגלה חלבונים רגולטוריים הקושרים דנ"א מתילציה, ובסופו של דבר מדכאים את התמלול.

בשנת 1984 הבחינו דאבור סולטר, עזים סורני ואחרים כי עוברים של עכברים המכילים רק חומר גנטי אימהי או אבהי – שנוצר באמצעות ניסויי השתלה גרעינית – לא התפתחו כרגיל. זה סימן את הגילוי של הטבעה גנומית, או ביטוי גנים ספציפיים של הורה המוצא.

הגנים המוטבעים הראשונים התגלו בשנת 1991, כאשר רק העותק שירש מהאב או מהאם מתבטא אי פעם. אחד הגנים האלה, H19, מתגלה כקריג למדי – המוצר הסופי שלו הוא רנ"א במשקל 2.3 קילו-בסיס שאינו מתורגם לחלבונים.

עוד "RNAs ארוכים" או lncRNAs התגלו במהרה, כולל Xist, אשר נדרש לכיבוי כרומוזום X במהלך XCI. הראיות הנוכחיות מצביעות על כך ש-RNAs אלה עשויים לתפקד כפיגומים כדי לגייס גורמים רגולטוריים. כיום, החוקרים ממשיכים להבין כיצד אינטראקציות בין lncRNAs, מתילציה DNA, ושינויים histone לווסת תהליכים אפיגנטיים.

עכשיו, בואו נפנה לכמה שאלות שנשאלות על ידי אפיגנטיקאים.

ברמה הבסיסית ביותר, מדענים עדיין חוקרים באופן פעיל את המנגנונים שבאמצעותם נוצרים, מסירים ומפורשים סימנים אפיגנטיים, כגון שינויים בהיסטון ומתילציה של ה- DNA. החוקרים ממשיכים לאפיין את האנזימים שמבצעים פונקציות אלה, כמו גם כיצד הסימנים מתקשרים עם מכונות שעתוק כדי להפעיל או להדחיק ביטוי גנים.

שאלה עמוקה יותר שעולה היא האם קיים "קוד אפיגנטי", הדומה ל"קוד הגנטי" המוגדר היטב, המכתיב כיצד מידע בדנ"א מתורגם לרצף חלבונים. חוקרים מנסים לקבוע אם השילוב של סימנים אפיגנטיים יוצר קוד חיזוי דומה שיאפשר יום אחד להסיק את דפוס הביטוי של כל גן.

לאחרונה, מדענים התעניינו בתפקידים הביולוגיים של lncRNAs. בעוד המודל השורר הוא כי lncRNAs לעזור לגייס גורמים אפיגנטיים למקומות גנומיים ספציפיים, המנגנונים המדויקים שלהם, והאם כל lncRNAs לתפקד באופן דומה, עדיין נחקרים.

לבסוף, מכיוון שסימנים אפיגנטיים הם "תוספים" כימיים שאינם משוכפלים רק יחד עם DNA, מדענים עדיין מנסים ללמוד כיצד הסימנים נמשכים לאורך דורות תאיים. שנויה במחלוקת עוד יותר היא הירושה הטרנס-דורית הפוטנציאלית של תהליכים אפיגנטיים מסוימים. מכיוון שהוא ציין כי סימנים אפיגנטיים נמחקים באופן דרמטי או "מתוכנתים מחדש" בשלב מוקדם בעובר, ושוב במהלך היווצרות gamete, כיצד והאם תופעות טרנס-דוריות אלה מתרחשות בפועל נשאר שנוי במחלוקת.

בואו נסתכל עכשיו על כמה כלים המשמשים בחקר האפיגנטיקה.

מתילציה DNA מזוהה בדרך כלל על ידי ניתוח bisulfite, תהליך כדי לשנות שאריות ציטוסין unmethylated uracil, אשר מזוהים לאחר מכן כמו טימין בתגובות רצף. השוואת רצפים לפני ואחרי טיפול ביסולפיט מאפשרת לחוקרים לזהות את מיקומי הדנ"א המתילציה. שיטה נוספת כדי בדיקת מצב מתילציה DNA היא לעכל DNA עם אנזימי הגבלה רגישים למתילציה, אשר יכול רק לחתוך DNA ללא תערובת.

אימונופרציפיטציה, או טכניקות משיכה כלפי מטה, משמשות לזיהוי רצפי DNA או RNA המשויכים לתכונות ספציפיות. אימונופרציפיטציה של כרומטין, או ChIP, מבודדת דנ"א הכרוך בגורמי חלבון מסוימים או בשינויים בהיסטון, שמידע הרצף שלהם יכול להיות מנותח על ידי PCR או רצף.

מצד שני, אימונופרציפיטציה DNA מתיל, או MeDIP, משמש לבידוד והעשרת DNA מתילציה. אימונופרציפיטציה של RNA, או RIP, ובידוד כרומטין על ידי טיהור RNA, או ChIRP, יכולים בהתאמה לקבוע את שותפי החלבון של RNA שאינו מקודד או מיקומי הכריכה הגנומית שלו.

טכניקות מבוססות. בניסוי זה, פלואורסצנטיות בהכלאה במקום עבור RNA Xist שולב עם אימונופלואורסצנטיות נגד שינויים הייסטון ידועים. לאחר מכן, ניתן יהיה "שיתוף פעולה" בסימני lncRNA ו- histone כדי לחשוף קשרי גומלין פונקציונליים אפשריים.

הרגע צפית בסקירה הכללית של ג'וב על אפיגנטיקה. בסרטון זה בחנו את ההיסטוריה של תחום האפיגנטיקה, כמה מהשאלות והכלים הבולטים של התחום, ודוגמאות ספציפיות למחקר אפיגנטי. כמו תמיד, תודה שצפית!