זרקור: אפיגנטיקה – תורשה לא רק בגנים / דורית פרנס

פרופסור חיים סידר, מאבות תחום האפיגנטיקה, שינה את הדרך שבה אנו מבינים כיצד גנים פועלים

“פעם כשרופאים לא ידעו מה מקורה של מחלה, הם אמרו שמדובר בווירוס, אחר כך עברו להאשים את מערכת החיסון והיום הם תולים את האשמה בשינויים במֶתילַצְיָה של הדנ”א,” צוחק פרופסור חיים סידר, מן המחלקה לביולוגיה התפתחותית וחקר הסרטן באוניברסיטה העברית בירושלים, שגילה לפני כ-30 שנה שרצף הדנ”א אינו הגורם היחיד המשפיע על ביטוי גנים. מהי אותה מתילציה וכיצד התגלתה?

נפגשנו עם סידר כדי לשמוע ממנו על תחום המחקר שאותו שפרץ ושזיכה אותו בפרסים יוקרתיים רבים, ובהם פרס ישראל, פרס א.מ.ת, פרס וולף, והשנה – פרס רוטשילד.

השאלה הבסיסית – לבטא או לא לבטא?

בכל התאים בגוף מצוי אותו מידע גנטי. ועם זאת, יש בגופנו מאות סוגי תאים שונים, שנוצרו כולם מתא יחיד – הביצית המופרית. ההבדלים בין התאים נוצרים במהלך התפתחות העובר, בתהליך המכונה התמיינות. מבחינה מולקולרית ההבדלים שההתמיינות יוצרת טמונים ב”התבטאות” הגנים: תא ברקמה מסוימת משתמש רק במקצת הגנים המצויים בגנום ומשתיק את כל השאר. כיצד נקבע במהלך ההתמיינות אילו גנים להפעיל ואילו להשתיק? זאת השאלה הבסיסית וכבדת המשקל שאותה חוקר סידר.

בדרך כלל, גן “פעיל” הוא גן שהחלבון המקודד בו אכן מיוצר בפועל בתא. הגן משועתק, כלומר נוצרות מולקולות רנ”א, הן נושאות את המידע אל הריבוזומים ואלה, בתורם, מתרגמים את המידע ובונים את החלבון (ראו “דובי קוטב וריבוזומים שיכורים”, סיינטיפיק אמריקן ישראל, דצמבר 2008). כשמנגנוני בקרת הגנים בתא משתיקים את הגן, החלבון לא נוצר.

כשסטודנטים לומדים על הנושא, הם מתחילים במחקריהם הקלאסיים של פרנסואה ג’קוב וז’ק מונו שזיכו אותם בפרס נובל ב-1965. הם גילו לראשונה חלבוני בקרה הנקשרים לרצפי דנ”א מסוימים בחיידקים ומסוגלים להשתיק גנים או להפעילם. “עד היום,” מחייך סידר, “רבים חושבים שזה המנגנון העיקרי האחראי על הפעלת גנים והשתקתם גם אצלנו.” אבל לחיים סידר ולשותפו הוותיק למחקר, פרופסור אהרון רזין, גם הוא מן המחלקה לביולוגיה התפתחותית וחקר הסרטן באוניברסיטה העברית, היה ברור שלא ייתכן שזה המנגנון העיקרי האחראי להתמיינות תאים בבני אדם.

יש לכך שתי סיבות עיקריות, מסביר סידר. ראשית, לבני האדם יש הרבה יותר גנים משיש לחיידקים. לרוב החיידקים יש רק כ-5,000 גנים, שרובם פעילים כל הזמן. החיידקים משתיקים רק כ-100 גנים ואפשר להקצות לשם כך 100 חלבוני בקרה. אבל אצלנו יש צורך להשתיק בכל תא יותר מ-12,000 גנים, ואין זה הגיוני שלכל אחד מהם יהיה חלבון בקרה ייחודי משלו. שנית, רמת ההשתקה של הגנים בחיידקים חלשה בהשוואה ליונקים. למשל, כשהגן שחקרו ג’קוב ומונו עובר השתקה, יורדת רמת הביטוי שלו פי 1,000. בתאי יונקים, לעומת זאת, השתקה בתאי כבד של הגן לחלבון גלובין, למשל, מורידה את פעילותו פי 10 מיליון לעומת תאי דם שבהם הגן פעיל.

בקרה מסוג אחר

סידר ורזין יצאו אפוא לחפש את המנגנון האחראי להשתקת כמות כה גדולה של גנים ביונקים. כשהתחילו, בשנות ה-70, היה כבר ידוע שדנ”א עובר מתילציה: תהליך שבו נקשרת קבוצת מֶתיל (-CH3) לציטוזין, C, אחד מארבעת בסיסי הדנ”א המסומנים באותיות A, G, C ו-T. אז סברו המדענים שהמתילציה מגִנה על הדנ”א מפני פירוק עצמי, כפי שהראו מחקרים בחיידקים.

אבל סידר התחיל להבין שתפקיד המתילציה ביונקים שונה: היא מונעת ביטוי של גנים. לפניו, כבר הבחינו במתאם בין רמת המתילציה של גנים לבין רמת הפעילות שלהם, אך לא היה ברור אם יש קשר סיבתי בין הדברים. סידר גילה שהמתילציה ביונקים, בניגוד לחיידקים, נעשית אך ורק על בסיסי C המצויים על יד בסיסי G, כלומר רק בצמד CG. שכיחות הצמד בגנום האנושי אינה אקראית, ולמעשה, במרבית הגנום הוא מופיע הרבה פחות מן הרגיל. ואולם, אזורים מסוימים, הקרויים איי CG, עשירים מן הצפוי בצמד הזה, והם משמשים לרוב אזורי בקרה על ביטוי גנים.

עוד מאפיין המייחד את המתילציה ביונקים הוא הסימטריה שלה: על פי כללי זיווג הבסיסים בדנ”א, מול כל זוג CG ניצב בגדיל המשלים זוג GC, וגם שם יעבור ה-C מתילציה. סידר הראה שיש מנגנון אנזימתי מיוחד השומר על דגם המתילציה הזה גם כשהתא מתחלק. המנגנון מזהה רצפי CG שעברו מתילציה רק בגדיל הישן, ששימש תבנית לשכפול הדנ”א במהלך חלוקת התא, אך לא בגדיל החדש, ומתקן זאת. סידר גילה שרצף שעבר מתילציה יישאר מסומן בתווית כימית זו גם לאחר 50 ואף 100 חלוקות תא.

בסופו של דבר, סידר ושותפיו הוכיחו באופן ישיר שמתילציה מעכבת פעילות גנים, על ידי כך שהיא גורמת לדחיסת הדנ”א באזורים אלו באופן שמונע מאנזימי השעתוק גישה לגנים – וגן שלא עובר שעתוק, הוא גן מושתק. (ראו פירוט במאמר: “המתגים הסמויים של הנפש”, עמוד 54 בגיליון זה.)

סידר ועמיתיו גילו אפוא מנגנון חדש לבקרת ביטוי גנים, שאינו “כתוב” ישירות ברצף הדנ”א, אלא נובע משינויים כימיים של בסיסי הדנ”א. ברבות הזמן, קיבלה הבקרה הזאת את השם אֶפּיגֶנֶטיקה (מיוונית: מעל לגנטיקה), והיא כוללת גם מנגנונים מולקולריים אחרים ולא רק מתילציה.

הנצחה של החלטות

לאחר שאפיין את התופעה, פנה סידר לחקור את המתילציה בזמן התפתחות העובר – השלב שבו בקרת הגנים מכוונת את התמיינות הרקמות. סידר גילה שלאחר הפריית הביצית, כל המתילציות נמחקות, כדי לאפשר תכנות מחדש של התא. בזמן ההשרשה, כשבועיים לאחר ההפריה, כל אתרי ה-CG בגנום עוברים מתילציה, למעט איי CG. רבים מאיי CG אלו הם אזורי בקרת הפעילות של גנים הדרושים לתחזוקה כללית של כל התאים באשר הם, ללא קשר להתמיינות, ומכונים בשל כך “גנים של משק הבית”. דגם המתילציה משתנה במהלך ההתפתחות העוברית כדי לאפשר השתקה של גנים שתפקידם הסתיים ולאפשר הפעלה של גנים הדרושים להמשך ההתמיינות. בתאי אדם בוגר, למשל, מושתקת על ידי מתילציה סדרה שלמה של גנים המאפשרים לתאים לשמור על יכולת התמיינות בלתי מוגבלת, המאפיינת תאי גזע עובריים. הפעלה מחדש של אחד הגנים העיקריים האלה, Oct4, עומדת בבסיס יצירתם של תאי גזע מושרים, iPS (ראו “להחזיר אחורה את שעון התא”, סיינטיפיק אמריקן ישראל, פברואר-מארס 2009).

הממצאים זורים אור על האסטרטגיה של המתילציה. לא מדובר בתורשה רגילה, המועברת מן ההורים ברצף הדנ”א, אלא בתכנית ביטוי של הגנום. וחשוב מכך, המתילציה מאפשרת לחתום החלטות שנעשו במהלך ההתפתחות ללא צורך בתחזוקת ההחלטות האלה באמצעות פעילות מתמדת של חלבוני בקרה כמו בחיידקים. כך למשל, מרגע שתא גזע “החליט” שהוא מאבד את יכולת ההתמיינות הבלתי מוגבלת שלו, אין צורך לחזור על ההחלטה בכל חלוקה. וגם להפך: כדי לשמור על גן במצב פעיל צריך פשוט להשאיר את הדנ”א באזורו רפוי ונגיש לחלבוני שעתוק. למעשה, חלבוני השעתוק נתקלים באזורים דחוסים שלמים בדנ”א החסומים בפניהם ורק פה ושם הם מגיעים לאזור פתוח שבו הם יכולים לפעול. באופן כזה, מרגע ההתמיינות אין צורך בחלבוני בקרה ספציפיים, לא להפעלה ולא להשתקה.

מחלות של מתילציה

כמו כל מנגנון ביולוגי, גם המתילציה מועדת לפגמים הגורמים למחלות תורשתיות שאינן נובעות ממוטציות בדנ”א. אחת הדוגמאות המוכרות היא תסמונת ה-X השביר המאופיינת בתווי פנים ייחודיים ובפיגור שכלי. התסמונת נובעת מכך שרצף מסוים, CGG, המצוי בגן FMR1 שעל כרומוזום X, חוזר על עצמו פעמים רבות מן הרגיל. החזרה גורמת להשתקה מיותרת של הגן אף על פי שהחלבון שלו תקין.

לאחרונה גוברת ההתעניינות גם בטעויות מתילציה בתאים סרטניים. סידר ואחרים הראו שבתאי סרטן יש מתילציה מכוונת של איי CG המבקרים שעתוק של גנים מדכאי סרטן. המתילציה משתיקה את הגנים האלה ומאפשרת לתא הסרטני להתרבות. למעשה, רוב התכונות של תאים סרטניים קשורות למתילציה, כמו יכולת החלוקה המהירה שלהם והיכולת לפלוש לרקמות אחרות או להפריש רעלים.

הקשר בין תאים סרטניים לבין מתילציה אינו חדש, אומר סידר, ומתאר ניסוי מדהים, לדבריו, שנערך כבר לפני 16 שנה. הניסוי נערך על עכברים בעלי מוטציה בגן APC (שהגרסה העכברית שלו מכונה MIN), המופיעה במרבית מקרי סרטן המעי הגס בבני אדם. העכברים המוטנטים מפתחים עשרות גידולים (רובם שפירים) כבר בגיל 4-5 חודשים, אך אם מטפלים בהם בחומר מעכב מתילציה, אין להם גידולים כלל. הטיפול אינו יעיל לאחר שיש כבר גידול, אבל הניסוי מעיד שכדאי לבחון טיפולים המשפיעים על מתילציה לפחות אצל אנשים בעלי מוטציות מולדות המגבירות באופן ניכר את הסיכון לפתח סרטן בגיל צעיר.

הגנום והמתילום

אף על פי שמתילציה היא אפיגנטית, עדיין כל החלטות המתילציה תלויות, כמובן, ברצף הדנ”א. וכעת סידר סבור שהגיע הזמן להבין כיצד רצף הדנ”א מכתיב את הדגם האפיגנטי, והוא עוסק בפיתוח מודלים ממוחשבים לצורך כך. בשלב הראשון מעבדתו מתמקדת בהבנת דגם המתילציה של איי CG, והם פיתחו כבר אלגוריתם שמצליח לזהות רצפים מוגנים מפני מתילציה.

היעד הסופי הוא לחזות הבדלים בדגם המתילציה בין תאים ברקמות שונות, בין תא עוברי לתא בוגר או בין תא סרטני לתא תקין. הבדלי מתילציה מצויים גם בין בני אדם שונים. אפילו בתאומים זהים התגלו, בממוצע, 5,000 הבדלים בדגם המתילציה (מתוך כ-30 מיליון מתילציות בגנום האנושי). ייתכנו גם השפעות אחרות על דגם המתילציה, כמו מחלות, גיל, ואולי אף השפעות סביבתיות.

כשסידר התחיל במחקרו, לא ייחסו חשיבות רבה למתילציה של דנ”א ביונקים. כיום, בעקבות מחקריו פורצי הדרך, מתפרסמים אלפי מאמרים בנושא מדי שנה. זהו בדרך כלל השלב בתחומים ביולוגיים שונים שבו יש צורך להתחיל “לעשות סדר בבלגן”, ואת זה בדיוק מנסה לעשות סידר בפרויקט המתילום שלו.

Post to Twitter