אפיגנטיקה

1. אפיגנטיקה

2. 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 (סביבה!)

3. שני מנגנונים אפיגנטיים עיקריים: • מתילציית DNA • מודיפיקציה של היסטונים

4. מודיפיקציה של היסטונים www.histonecode.com

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

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

7. פריצת הדרך:טכנולוגיות חדשות Methylation: Bisulfite sequencing. CpG Arrays (bisulfite treated) CpG-Seq (“The methylome”) M-DIP-arrays. M-DiP Sequencing. Histone modifications: ChIP (chromatin immunpercipitation ChIP on ChIP ChiP-Seq

8. Bisulfite Sequencing C הפך ל-T (לא ממותל) C נישאר C ולכן ממותל טיפול בכל הדנ"א ע"י המרה של C ל-T. כל מה שממותל לא יומר ל-T ויופיע כ-C לאחר ריצוף כל מה שלא ממותל יופיע כ-T

9. The human Methylome None CpG methylation? Lister et al., nature 2009

10. 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

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

12. Buthani et al Dec 2009, nature

13. 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 ברצפיםחוזרים (סטליטים, SINEs, LINEs ורטרווירוסים) • לא ברור כיצד מכוונת המתילציה לאזורים מסוימים בגנום

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

15. מתילציית DNA ומחלות באדם: • מתילציה וסרטן - איבוד מתילציה גנומית הוא אירוע תכוף ומוקדם בסרטנים רבים, ונמצא בהתאמה לחומרת המחלה ופוטנציאל מטאסטטי • מתילציה ומחלות של הרחבת/התקצרות חזרות -, 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)

16. 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- יותר היפומתילציה מאשר היפר מתילציה. • תזונה - גורם חשוב המשפיע על מחלות של גילאים מבוגרים. האם תזונה יכולה להשפיע על המצב האפיגנטי בתאים?

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

18. 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

19. 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 גן ומשפיעים בכך על פנוטיפ של הפרט האם ייתכן שגם בבני אדם גורמים סביבתיים (כמו תזונה) יכולים לגרום לשינויים אפיגנטיים וכך לגרום להבדלים פנוטיפיים?

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

21. תאומים מונוזיגוטים: 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

22. יש מספר מנגנונים שיכולים להסביר הבדלים בין תאומים מונוזיגוטיים – סביבה- הבדלים סביבתיים (אורח חיים שונה) הבדלים במהלך ההריון - שלייה, זרימת דם ועוד... המאמר בודק אפשרות של הבדלים אפיגנטיים.

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

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

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

26. מתילציה ומודיפיקציות של היסטונים: 65% מהזוגות: דמיון גבוה הן מבחינת מתילציה של DNA והן מבחינת אצטילציה של היסטונים. ב-35% נצפו הבדלים ברמת המתילציה והאצטילציה. הבדלים גדולים יותר נצפו בין תאומים MZ מבוגרים יותר. ההבדלים נמצאים בהתאמה לזמן שהתאומים גדול יחד, ולהבדלים בהיסטוריה רפואית.

27. היכן ההבדלים האלו נמצאים בגנום? זוגות עם שונות גדולה ב-AIMS מראים שונות גם ב-mC5 ואצתילציה גלובאליים

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

29. שינויים גלובליים בביטוי גנים: האם השינויים האפיגנטיים אכן מובילים להבדלים בביטוי גנים? פרופיל ביטוי גני שונה (פי 4 יותר גנים עם ביטוי שונה) בין תאומים מבוגרים לעומת צעירים

30. 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.

31. We detected a large degree of MZ DNA methylation" variation in all tissues investigated” • Also- less variation of epigenomes between MZ compared to DZ (attributed to different zygote).

32. 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?

33. Epigenetics and maternal care Grooming and licking by the mother effect the Epigenome (methylation levels in specific areas in the brain) of the pups (less stressful mice in adulthood.)

34. 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.

35. 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.