אי-יציבות הגנום

אי-יציבות הגנום (באנגלית: Genome instability), מוגדרת כמגוון שינויים בגנום במהלך מחזור התא, כאשר שינויים אלה יכולים להיות החל ממוטציות נקודתיות ועד לשינויים מבניים של הכרומוזומים.
תאים משתמשים במנגנונים שונים בשביל לשמור על יציבות הגנום ולהבטיח את הכפלתו המדויקת עד כמה שניתן וחלוקתו לתאי הבת. תאום בין הכפלת דנ"א למנגנוני תיקון וזיהוי נזקי דנ"א והמשכיות מחזור התא מבטיחים יציבות הגנום במהלך חלוקות התא. אי-יציבות גנומית נובעת בעיקר מטעויות בהכפלת הדנ"א ובמנגנוני תיקון הדנ"א אך גם יכולה להיגרם כתגובה לסיגנלים התפתחותיים או סביבתיים. שכיחותם של אירועי אי יציבות גנומית עולה בין היתר, באזורים של רצפי דנ"א חוזרים, אתרים שבירים, מבנים של הדנ"א שאינם סליל כפול ימני וחלבונים המהווים מחסום על גבי הדנ"א. כמו כן, אי-יציבות גנומית היא מאפיין מרכזי של כמעט כל סוגי הסרטן, בהם בעיקר ניתן לגלות אי-יציבות כרומוזומלית, המתבטאת במצב, בשינויים במבנה ומספר הכרומוזומים בתאים סרטניים לעומת תאים שאינם סרטניים. בנוסף, מוטציות הנגרמות מפגמים במנגנוני תיקון דנ"א עלולות להביא לביטוי של מחלות גנטיות נדירות אף על פי ששינויים גנטיים יכולים להיות מזיקים לתא ולאורגניזם ועלולים לגרום למחלות באדם, הם הכרחיים לאבולוציה ותורמים לשונות גנטית.

סוגים של אי-יציבות הגנום

אי-יציבות כרומוזומלית – מתייחס להוספה או הפחתה במספר הכרומוזומים.
אי-יציבות של מיקרו/ מיני-סטליטים – מיקרוסטליטים הם רצפים חוזרים אשר אורך היחידה החוזרת הוא עד 15 זוגות בסיסים. לעומתם, מיניסטליטים הם רצפים אשר אורך היחידה החוזרת בהם היא בין 15 ל-500 זוגות בסיסים. אי-יציבות זו יכולה להביא להארכה או התקצרות של הרצפים.
אי-יציבות הגנום המאופיינת בתדירות גבוהה של מוטציות – כוללת מוטציות של החלפת בסיס, מיקרו-הוספה/ החסרה של בסיסים, כלומר, הוספה או החסרה של עד 20 זוגות בסיסים.
אי-יציבות המביאה לשינויים מבניים של הכרומוזומים – שינויים אלה עלולים להביא לשינוי בתאחיזה הגנטית של שני לוקוסים. יכול להוביל בסופו של דבר לשינויים מבניים של הכרומוזומים, הכוללים שינוי במיקומי מקטעי דנ"א, הכפלות, היפוך של מקטע דנ"א ומחיקה של מקטע דנ"א.

תפקוד לקוי של מנגנון הכפלת הדנ"א

אי-יציבות הגנום יכולה לנבוע מכשלים בשלבים שונים של הכפלת הדנ"א, משלב ההכפלה ועד שלב ההפרדה (Segregation). עם זאת, כשלים בהכפלת הדנ"א ובתגובה לנזקי דנ"א הן הסיבות העיקריות לאי-יציבות הגנום. הכפלת הדנ"א הוא תהליך רגיש ביותר במהלך מחזור התא ולכן הוא מבוקר בכל שלביו. ברגע שהתחיל שלב הכפלה, מזלגות ההכפלה עלולים לעצור באופן זמני. מכלול החלבונים האחראים על התקדמות תהליך השכפול וסינתזה של גדילים חדשים (רפליזום), לרוב נשארים יחד, כך שההכפלה יכולה להמשיך ברגע שהמחסום המעכב את מזלגות ההכפלה יוסר. מחסום כזה יכול להיות חלבונים אחרים הקשורים בחוזקה לדנ"א, חומרים כימיים הקשורים באופן קוולנטי לדנ"א (DNA adduct), או מבנים שניוניים של הדנ"א כמו לולאות או דנ"א תלת-גדילי. עיכוב ממושך של מזלגות ההכפלה יכול להוביל לשבירה של דנ"א דו-גדילי שזה עתה נוצר באותו אזור, או לחלופין, יצירה לא מבוקרת של מבנה דמוי Holiday Junction, מבנה מסועף של חומצות גרעין אשר מכיל ארבע זרועות של דנ"א דו-גדילי אותו ניתן לראות באופן נורמאלי ומבוקר באירועי שחלוף. נראה שבמקרים אלה הרפליזום מתפרק לפני השבירה ומתחיל לפעול מחדש.

כשל במנגנוני תיקון דנ"א לאחר ההכפלה

כאשר מזלג ההכפלה נתקל ברצף דנ"א אשר קשורה אליו מולקולה כימית, התא מפעיל מנגנוני תיקון נזקי דנ"א אשר מאפשרים את ההשלמה של הכפלת הדנ"א. ניתן לעקוף הפרעות אלה על ידי דנ"א פולימרזות המאפשרות המשך הכפלה עם טעויות, ללא התחשבות בבסיסים המשלימים בגדיל הנגדי (Error-prone polymerases), או לחלופין, פולימרז המשלים בסיסים בהתאם לכרומטידה האחות. תיקון הדנ"א לאחר ההכפלה, אף על פי שעלול להכניס מוטציות, מונע אי יציבות של הגנום, היכולה לבוא לידי ביטוי כשברים דו-גדילים של הדנ"א, על ידי כך שהוא מאפשר השלמה של ההכפלה.

תפקוד לקוי של שחלוף (רקומבינציה הומולוגית)

כאשר נוצרים שברי דנ"א דו-גדילים, אחד מהתהליכים המרכזיים לתיקון אשר מאפשר שחזור של המבנה הדו-גדילי של הדנ"א הוא שחלוף. שחלוף יכול להתקיים בשלבים S ו-G2 של מחזור התא כאשר הכרומטידות האחיות קרובות זו לזו וניתן להשתמש ברצף הדנ"א שלהן להומולוגיה של הרצפים בתהליך. שחלוף הכרחי, בהיעדר מנגנוני תיקון לאחר ההכפלה, לעקוף גורמים אשר חוסמים סינתזת דנ"א והמשכיות מזלגות ההכפלה. אם השחלוף לא מתפקד, שברי דנ"א דו-גדילים יכולים להביא לשינויים מבניים של הכרומוזומים אשר עלולים להיווצר מתיקון דנ"א לא הומולוגי, אם מנגנון התיקון משתמש ברצפים מאזורים אחרים מהגנום.

אתרים המועדים לאי-יציבות הגנום

אי-יציבות של הגנום לא נוצרת באופן אקראי ברחבי הגנום, אלא נוצרת בתדירות גבוהה יותר באזורים ספציפיים. דוגמאות לאזורים מסוג זה:

חזרות רצף דנ"א

גנומים אאוקריוטים מכילים מיליוני עותקים של רצפי דנ"א חזרתי שונים. רצפים אלה יכולים להשתנות באורכם בין בני-אדם. חזרות של שלושה נוקלאוטידים וסוגיהם השונים של הטרנספוזונים, נחשבים לאלמנטים הטבעיים המשמעותיים ביותר אשר מועדים לחוסר יציבות הגנום. מספר העותקים של רצפים אלה יכול להשתנות, כאשר מיקרוסטליטים הם רצפי דנ"א עם יחידה חוזרת של 1 עד 4 זוגות בסיסים, מיניסטליטים הם רצפי דנ"א עם יחידה חוזרת של 6 עד 64 זוגות בסיסים, סטליטים הם רצפי דנ"א עם יחידה חוזרת של 5–171 זוגות בסיסים ומגה-סטליטים הם רצפי דנ"א עם יחידה חוזרת של מספר אלפי זוגות בסיסים. התארכות של רצפים אלה יכולה להיווצר על ידי של מבנים שאינם B-DNA הנוצרים בעיקר באזורים חד-גדילים של הגדיל המאחר ולגרום להפרעה בסינתזת הדנ"א שתוליך להחלקה או עיכוב של מזלג ההכפלה. בנוסף, התארכות יכולה להיגרם כתוצאה מ- (Mismatch repair (MMR או (Base excision repair (BER, שברי דנ"א דו-גדילי או אזורים של דנ"א חד-גדילי הנוצרים מהכפלת דנ"א לקויה.

אתרים שבירים

אתרים ספציפיים על גבי הכרומוזום אשר מועדים לשברים או אזורים של דנ"א חד-גדילי בשלב המטאפזה לאחר עיכוב חלקי של סנתזת הדנ"א. ישנם שני סוגים עיקריים של אתרים שבירים הממוינים על פי התדירות שלהם באוכלוסייה ודפוס ההורשה – אתרים שבירים נפוצים ואתרים שבירים נדירים. תדירותם של אתרים שבירים נדירים פחות מ-5%, ובדרך כלל הם מכילים חזרות של הנוקלאוטידים AT או CGG ומורשים באורח מנדלי. נטייה לשבירת דנ"א באתרים אלה לרוב נגרמת על ידי הארכה של חזרות ברצפים החוזרים שנובעת כתוצאה מעקה במהלך הכפלת הדנ"א באותו אתר גנומי (לוקוס). אתרים שבירים נפוצים נמצאים בקרב כל הפרטים באוכלוסייה ולכן זו הקבוצה הגדולה ביותר של אתרים שבירים והם מועשרים בנוקלאוטידים A ו-T. בשונה מאתרים שבירים נדירים, אתרים אלה מציגים מבנה כרומוזומלי תקין והם לא נוצרים ממוטציות של התארכות החזרות ברצפים החוזרים. אתרים שבירים נפוצים מכילים מוטיבים שנוטים ליצירת מבנים מורכבים של דנ"א שאינם B-DNA, הנוטים להוליך לעיכוב מזלג ההכפלה.

מבנים מורכבים של דנ"א

אי-יציבות של הגנום יכולה לנבוע מחזרות של דנ"א ורצפים שונים היכולים ליצור מבנים מורכבים של דנ"א שאינם, B-DNA, כמו Z-DNA (סליל כפול ימני) H-DNA (הליקס תלת גדילי), מבנה דנ"א ארבע-גדילי (G-quadruplex) ומבני 'גזע ולולאה' (Hairpins). בנוסף להשפעה האפשרית של המבנים על התקדמות מזלג ההכפלה, הם עלולים להוליך לשבירה של הכרומוזום וסידורו מחדש. בנוסף, אותם מבנים יכולים להוות אתר מועדף לפעילות של נוקלאזות ספציפיות. הוצע, שאם מבני דנ"א אלה לא נחתכים על ידי נוקלאזות, זה יכול להביא ליצירה של הכפלות מקטעי דנ"א בכרומוזומים, אשר עלולות להביא לשבירתם בשלב מאוחר יותר של המיטוזה.

טלומרים

טלומרים הם רצף דנ"א חזרתי TTAGGG שאורכו כ-5 עד 10 אלף בסיסים בקצוות הכרומוזומים בבני אדם.  אותו רצף חזרתי יכול לגרום ליצירה של מבנה G-quadruplex. אותו רצף חזרתי נקשר על ידי קומפלקס חלבונים אשר מסדר אותו בצורה של T-loop אשר שומר על קצוות הכרומוזומים בין היתר מפירוק נוקלאוליטי, שינויים מבניים של הכרומוזומים ואיחוי קצוות הטלומרים. הטלומרים מתקצרים עם כל חלוקה של התא אבל מתחדשים על ידי אנזים הנקרא טלומרז. רמות נמוכות של אותו אנזים נמצא בקורלציה, בין היתר, עם אי-יציבות הגנום.

אי- יציבות הגנום וסרטן

אי-יציבות גנומית נחשבת לסימן ההיכר של סרטן והמניע המרכזי לטרנספורמציה סרטנית. התהליך המולקולרי של טרנספורמציה סרטנית מלווה בהצטברות של שינויים גנטיים רבים במהלך חלוקות התא ושינויים של גנים חשובים עלול להביא להתפתחות תאים טרום-סרטניים. סוגים שונים של שינויים גנטיים, יכולים להצטבר בתת-אוכלוסיות של תאים במהלך טרנספורמציה סרטנית והם תורמים להטרוגניות הנצפית בתאים סרטניים. אי-יציבות הגנום הנפוצה ביותר ברוב סוגי הסרטן היא אי-יציבות כרומוזומלית. בנוסף לאי-יציבות זו, בסוגי סרטן מורשים, ישנן מוטציות בגנים של תיקון נזקי דנ"א. לעומת זאת, הבסיס המולקולרי של אי-יציבות הגנום בסרטן שאינו תורשתי (Sporadic cancer), עדיין אינו לגמרי ברור.

מחלות גנטיות נדירות של אי-יציבות הגנום

ישנם מנגנונים מולקולריים שונים שנועדו להגן על הדנ"א ולתקנו. מוטציות הנגרמות מפגמים במנגנוני תיקון אלה, עלולות להביא לביטוי של מחלות גנטיות נדירות. מספר דוגמאות מייצגות למחלות:

מחלות הקשורות למנגנון מנגנון התיקון המבוסס על הוצאת נוקלאוטיד

מנגנון ה-NER (‏Nucleotide excision repair) אחראי על הסרה של נזקי דנ"א שנגרמים על ידי קרינה אולטרה-סגולה (UV), לרוב, דימרים בין שתי קבוצות פירימידין. קבוצה זו של מחלות כוללת את קסרודרמה פיגמנטוזום, Trichothiodystrophy ותסמונת קוקיין. אלו הן מחלות אוטוזומליות המאופיינות בין היתר ברגישות-יתר לחשיפה לשמש, הזדקנות מואצת ואורך חיים קצר.

מחלות הקשורות ל-RECQ

חלבונים ממשפחת RECQ-helicase משחקים תפקיד מרכזי בחישת נזקי דנ"א ותיקונם, על ידי סיוע בהרכבת קומפלקס חלבונים האחראי לתיקון הדנ"א או על ידי זיהוי ותיקון שינויים מבניים ספציפיים של הדנ"א. חלבונים אלה חשובים למנגנוני תיקון שברי דנ"א דו-גדילים, למנגנון ה-BER וכן הם מגויסים אם מזלג ההכפלה מתעכב. מכיוון שמשפחת חלבונים זו נחוצה לתחזוקה השוטפת של הגנום, מוטציות בגנים אלה יכולות לגרום לליקויים באותם מנגנוני תיקון, מה שעלול להוביל לאי-יציבות הגנום. מוטציות במשפחת החלבונים RECQ כוללות את תסמונת רוטמונד תומסון, תסמונת ורנר  ותסמונת בלום. מחלות אלה הן בעלות דגם תורשה אוטוזומלי רציסיבי והן מאופיינות בטווח רחב של סימפטומים שביניהם נטייה מוגברת לפתח סרטן.

תסמונת אטקסיה טלנגיאקטזיה

תסמונת אטקסיה טלנגיאקטזיה היא מחלה אוטוזומלית רציסיבית והיא לא נגרמת ממוטציה ספציפית בגנים אחראים לתיקון נזקי דנ"א. זוהי מחלה רב-מערכתית אך מאופיינת בעיקר על ידי סימפטומים נוירולוגים. סימפטומים אלה מחמירים עם הזמן, כאשר לרוב מתחילים בקואורדינציה לקויה (אטקסיה), הופעה של תנועות לא רצוניות (Choreoathetosis) והרחבה של כלי דם (Telangiectasias). המחלה נגרמת ממוטציה בגן (Ataxia Telangiectasia-mutated (ATM, המביאה לאיבוד החלבון או השתקה שלו. החלבון מקודד לקינאז של סרין/ תראונין והוא עובר שפעול על ידי תהליכים ביולוגים שונים כמו התגובה לנזקי דנ"א ובקרת מחזור התא. כאשר החלבון משופעל, הוא מתאם את התגובה התאית  לשברי דנ"א דו-גדילים על ידי זרחון של מספר חלבונים בתגובה התאית לנזקי דנ"א.  

אי-יציבות הגנום באבולוציה

 אף על פי ששינויים גנטיים יכולים להיות מזיקים לתא ולאורגניזם, הם הכרחיים לאבולוציה וליצירה של השונות הגנטית. יציבות גנומית חשובה לשמירה על פנוטיפים שעברו התאמה בצורה אופטימלית. עם זאת, אם התא ישמור על יציבות מושלמת ולא יהיו שינויים גנומים, האורגניזם לא יוכל לעבור התאמה (אדפטציה) לסביבתו המשתנה. לכן, על מנת לשמור על מצב אופטימלי של התאמה, חשוב שיהיה יהיה שיווי משקל בין שמירה על יציבות גנום שעבר אדפטציה לבין רמה מסוימת של שונות באוכלוסייה. בנוסף, נמצא שלהכפלות בגנום יש תפקיד חשוב באבולוציה של יצורים אאוקריוטים. עדויות מריצופים של גנומים שלמים ממספר הולך וגדל של אורגניזמים הראו שהכפלות של אזורים גדולים התרחשו בגנומים של יצורים אאוקריוטים רבים. מחקרים השוואתיים הציעו כי הכפלות גנומיות אלה היו תהליך מתמשך במהלך האבולוציה. שינוי של מספר עותקים של גן מסוים כתוצאה מהכפלה, נחשב לשלב הראשון המוביל ליצירה של משפחות גנים חדשות ונחשב למנגנון היעיל ביותר להיווצרות פונקציות חדשות שיכולות לתרום לשונות הפנוטיפית בין מינים שונים.