החתמה גנומית

החתמה גנומית (באנגלית: genomic imprinting) היא תופעה אפיגנטית, העומדת בבסיס בקרת ביטוי גנים (תיעתוק ה-RNA), כך שיופעל עותק אחד של גן (אלל) על פי זהות ההורה המוריש (האם או האב). לפיכך, ישנם גנים בהם תמיד יופעל האלל ממקור האבהי וישנם גנים בהם תמיד יופעל האלל ממקור האימהי. ישנם גם מצבים של החתמה חלקית בהם אללים של הורים שונים מבוטאים באופן חלקי שונה במקום להיות מושתקים לחלוטין. בנוסף, ההחתמה הגנומית יכולה לבקר ביטוי גנים על פי מין ההורה באורח ייחודי לרקמה: רק ברקמה מסוימת יתבטא אלל ממקור הורי מסוים, בעוד שברקמות אחרות שני האללים יתבטאו. תופעת ההחתמה תוארה בפטריות, צמחים ובעלי חיים. בשל המחקר הנרחב בעכברים ובבני אדם ידועים מעל 200 גנים מוחתמים בכל אחד מהיצורים הללו, וחלקם אף נמצאים בתאחיזה יחד על אותו כרומוזום (סינתניה) בעכבר ובאדם. החתמה היא דוגמה לתופעה בה יש הורשה לא גנטית (ללא שינוי ברצף הגנטי). במקרה של החתמה ישנו סימון אפיגנטי באמצעות מודיפיקציה של ההיסטונים - מתילציה ואצטילציה (לרוב H3K27me3‏)(אנ'), ומתילציה של רצפים ב-DNA, באזורים מוגדרים בגנום לפי המקור ההורי שלהם. סימון זה עובר בתורשה לצאצא, כך שיושתק האלל שהגיע מההורה המסומן ויבוטא האלל מההורה הלא מסומן. המתילציה ברמת ה-DNA היא הוספה של קבוצת מתיל (CH3) לנוקלאוטיד ציטוזין במהלך יצירת תאי המין (הגמטות), אשר מתבצעת על ידי משפחת אנזימים הקרויים DNA מתיל טראנספראז (DNA methyltransferase או DNMT)(אנ'). הרכישה של מתילציה לפי מקור הורי מתרחשת באזור מועשר ברצפים CpG הנקרא אזור שליטת החתמה (ICR), שעשוי להיות מעורב בבקרת ביטוי של מספר גנים. שינויים אלה הכרחיים להבטחת ביטוי רק של אלל יחיד (בעל מקור הורי מסוים) ומהווה 'זיכרון אפיגנטי' גם לאחר ההפריה . המונח החתמה גנטית (imprinting) נטבע לראשונה ב-1960 על מנת לתאר את המצב בו רק אחד מכרומוזומי ה-X מבוטא בתאי נקבה ביונקים. ב-1970 דווח לראשונה על גן מוחתם בצמחי תירס, בהם נמצא שהאללים בגנים המעורבים בקביעת צבע בגרגרים, שנישאו על גבי הגמטות הנקביות השפיעו אחרת על ביטוי התכונה מהאללים לצבע שנישאו על הגמטות הזכריות . ב-1974 תועדה החתמה גנטית בעכברים בהם נמצא שחֶסֶר באזור הגנומי של הגן TME‏ (T-Associated Maternal Effect) גרם למות עובר כאשר החסר התקבל מגמטה ממקור אימהי, אך לא כאשר החסר הורש דרך הגמטות האבהיות . ב-1980 דווח לראשונה על השפעה של החתמה בבני אדם, באמצעות מחקר בעוברים, שהראה שבתהליך התפתחות העובר, בשלב הגסטרולציה צריך שיהיו עותקים של הגנום משני ההורים כדי שתימשך ההתפתחות. ב-1989 פורסם שדגם התורשה של תסמונת פראדר וילי קשור לתופעת ההחתמה הגנטית . ב-1991 נתגלו לראשונה גנים המוחתמים ביונקים. אחד מהם הוא Igf2r ‏(insulin-like growth factor 2 receptor)(אנ') אשר מבוטא רק מהכרומוזום המורש מהאם ומשפיע על התפתחות וגדילה. הגן השני, H19, הוא RNA לא מקודד שתפקודו בקרתי והוא מתבטא מהכרומוזום האבהי. במהלך שנות ה-90 של המאה ה-20 והעשור הראשון של המאה ה-21 פורסמו גילויים רבים הקשורים להחתמה ולמנגנון של ההחתמה; בין הגילויים אפשר למצוא את החשיבות של המתילציה במנגנון ההורשה של ההחתמה, זיהוי של נתיב ההורשה של ה-ICR בקווי הנבט והשפעתם של מתיל-טרספראזות (DNMT) על מנגנון ההחתמה. מתילציה של DNA מתווכת על ידי משפחה של DNA מתיל-טרנספרז (DNMT). התפתחות עוברית ביונקים מאופיינת בכך שיש הורדה והוספה של שיירי מתיל על גבי הנוקלאוטיד ציטוזין ב-DNA באתרים מסוימים. אחרי ההפריה מתרחשת מחיקה של המתילציה ברב האתרים שהגיעו ממותלים בגנום הגמטות של שני ההורים, פרט למקומות ספורים, ביניהם ה-ICRs ששומרים בצורה יציבה על דגם המתילציה ההורי. זהו בעצם הייחוד של ה-ICR – שמירה על יציבות השינוי האפיגנטי גם במהלך הארגון מחדש של המתילציה בעובר הראשוני, בשלבים שלאחר ההפריה. בגמטות של העובר המתפתח מתרחשת מחיקה של המתילציה גם באזורים אלה, ודגם מתילציה חדש 'נכתב' באזורים לפי סוג הגמטה ומין הפרט (זכר או נקבה). המתילציה בגמטות מתרחשת על ידי האנזים DNMT3A בסיועו של האנזים DMNT3L – חלבון חסר פעילות של מתיל טרנספראז . אזורים אלה DMR‏ (Differentially methylated region) משחקים תפקיד בשלב הראשוני ליצירתו של דגם המתילציה השונה (שמעורב בהחתמה). באדם תוארו שלושה אזורים כאלו בקו הנבט האבהי ויותר מ-20 בקו הנבט האימהי, וכל אזור משפיע על בקרת ביטוי של גן אחד או מספר גנים, אשר חלקם יכול לבקר בעצמו גנים נוספים. דוגמה לכך – החתמה של האזור המבקר את הביטוי של RNA שאינו מקודד לחלבון (כמו H19), אשר מעורב בבקרת ביטוי גנים. אחת התכונות שמבדילה את ה-ICRs משאר האזורים שעוברים מתילציה בגנום היא אתרי קישור של ZFP57‏ (KRAB-zinc finger protein)(אנ'). ישנם מאות אתרי קישור של ZFP57‏ בגנום, שתוארו כפעילים בשלב הבלסטוציסט בעובר יונקים, אבל רק אתרים מעטים שורדים בפעילותם עד השלב שלאחר ההשרשה ברחם. אותם אתרים ששרדו את שלב ההשרשה ברחם יהיו, בדרך כלל, מוחתמים (כלומר יהיו פעילים באלל אחד, ממוצא אבהי או אימהי). עוד מנגנון שמעורב בתהליך ההחתמה, מערב את פעילותו של חלבון דמוי יוביקוויטין המכיל פוספט דהידרוגינאז ואתרי UHRF1‏ (RING finger)(אנ'). חלבון זה מסייע בגיוס המתיל טרנספראז DNMT לאזורים הממותלים בחלקם (רק אלל אחד) כדי לשמר את דגם המתילציה שלהם. מבחינה אבולוציונית, התאוריה שמסבירה בצורה הטובה ביותר את התפתחות תופעת ההחתמה היא תאורית ה'שארות'‏ (kinship). לפי תאוריה זו, אם אלל מסוים מעניק יתרון הישרדותי לפרט נתון, הוא יעניק יתרון הישרדותי גם לקרוביו; הגיון זה מסביר את הסיבה להתפתחות המנגנון, שמטרתו להבטיח את ביטוי האלל המסוים בצאצאים, אשר יש ביניהם קרבה גנטית. לפי תאוריה זו צפוי הבדל ברמת הביטוי של האלל המוחתם אימהית לעומת אותו אלל שהוחתם בקו הנבט האבהי, שכן קיימים שני כוחות מנוגדים שפועלים להישרדות הפרט: 1. אללים מלוקוסים גנומיים שמבוטאים מהגנום האימהי יפעלו באופן מועדף כדי לתמוך בהישרדות האם על חשבון צאצאיה. 2. אללים מלוקוסים שמבוטאים מהגנום האבהי יפעלו באופן מועדף כדי להעניק יתרון הישרדותי לצאצאים על חשבון האם ובכך להגדיל את סיכויי העברת הגנים האבהיים לדורות הבאים. לפי עיקרון זה, לחצי הברירה הטבעית הפועלים על האורגניזם הבודד, אינם יכולים בו זמנית להעדיף באותה מידה את הכוחות הפועלים לביטוי אללים ממקור אבהי או אימהי. על כן, מתבצע 'מרוץ חימוש' בקנה מידה אבולוציוני המפעיל לחצי ברירה טבעית על בקרת ביטוי גנים שונים ברחבי הגנום; כך, קיבוע ההחתמה האבהית, או האימהית בלוקוס נתון במהלך האבולוציה נעשה בהתאם לתרומתו להישרדות האם, או הצאצא. אף על פי שהסבר זה נחשב מקובל בספרות, הוא עדיין לוקה בחסר ומתקשה להסביר את המצב שבו גן מסוים מוחתם הורית בצאצא וכשהצאצא יוריש את ההחתמה הוא יכול להעביר את האלל של ההורה ה'מושתק' ובכך להפוך אותו לאלל המוחתם. זאת אף על פי שאותו אלל, עם אותו רצףDNA היה מושתק בדור הקודם, ובדור הבא הוא זה שיתבטא. דגם ביטוי מוחתם יכול להיות ייחודי לרקמה או לשלבי ההתפתחות בחייו של האורגניזם. דוגמה לגן המבוקר בדגם של החתמה גנומית, ובעל תפקיד המהלך ההתפתחות העוברית, הוא הגן DLK1 ‏(Delta-like 1 homolog). גן זה נמצא תחת החתמה אבהית (האלל האבהי מושתק בעיקר במהלך החיים) ואימהית (האלל האימהי מושתק בעיקר בשלב ההיריון). כמו רוב הגנים המוחתמים מתחילה השפעת פעילותו אחרי שלב הגסטרולציה בהתפתחות העוברית. גן זה מקודד בכרומוזום 12 בעכבר, ומצוי באזור סינתני לאזור בכרומוזום 14 באדם, המרמז על בקרת ביטוי דומה באדם ובעכבר. במהלך ההתפתחות העוברית, פעילות הגן משפיעה על התמיינות תאי רקמת השומן. פגיעה בגן זה באדם תוארה בהקשר של פגמים בגדילה ונטייה להשמנה מוקדמת. תופעה מיוחדת הקשורה לגן היא, שבשל מעורבותו בהתפתחות נוירונים והמוח, פגיעה בו בשלבים שונים יכולה לגרום לפגיעה בהתפתחות נוירונים ותפקודם במוח. בגן זה קיים מצב של החתמה בררנית, כלומר קיימים שלבים התפתחותיים בהם באזור מסוים בגוף מתבטאים שני האללים (הן האבהי והן האימהי), ואזורים אחרים בהם הביטוי חד-אללי; ההבדל נובע מצרכים שונים למינון שונה של ביטוי הגן ברקמות שונות של הגוף. מספר מחלות באדם קשורות לגנים מוחתמים גנטית, או לתהליך ההחתמה עצמו. שתי מחלות שזכו לפרסום בהקשר זה הן תסמונת פראדר וילי המאופיינת ברפיון שרירים, איחור בהתפתחות, פיגור שכלי קל עד בינוני ופגיעה בבלוטות המין, ותסמונת אנגלמן המאופיינת בפנים קטנות, לקות שכלית קשה, הפרעה בדיבור, הפרעה ביציבה והפרעות שינה. בשני המקרים תואר חסר של מקטע בכרומוזום 15q11-q13 באדם. בשתי המחלות קיימת הפרעה בהתפתחות הנוירונים, אלא שהפנוטיפ תלוי במקור ההורי של החסר הכרומוזומי המורש. מחקר מולקולרי מעמיק של אזור החסר בכרומוזום 15 גילה, שתסמונת אנגלמן נגרמת על ידי חסר בביטוי הגן UBE3A, שפעילותו כ-E3-ligase מעורבת בתהליך מבוקר של פירוק חלבונים (מערכת היוביקוויטין). כשהאלל האימהי של גן זה אינו פעיל מתקבל פנוטיפ של התסמונת, שכן האלל האבהי מושתק בתהליך ההחתמה. תסמונת פראדר וילי נגרמת מאיבוד בביטוי של מספר גנים בהם האלל האבהי הוא זה שאמור להתבטא. שתי התסמונות מאופיינות בהפרעה בהתפתחות נוירונים אבל נבדלות בפנוטיפ. לאחרונה נתגלה כי האזור הגנומי החיוני יכול להופיע במספר עותקים משתנה (CNV)(אנ') בגנום באוכלוסיית האדם. שינוי במספר העותקים של האזור המבקר השתקה של אללים ממוצא אימהי (ולא האזור המבקר השתקה של אללים ממוצא אבהי) מצוי באסוציאציה עם הנטייה לפתח אוטיזם. מחקרים גילו גנים שביטויים מבוקר בהחתמה גנומית הקשורים לתופעת השעון הצירקדי (מחזור יממתי של 24 שעות הנקבע לפי שעות האור והחושך) ובקרת הומאוסטאזיס של שינה (כ-100 גנים מושפעים). גנים רבים המעורבים בקיום המחזור הצירקדי נמצאים תחת בקרה אפיגנטית ומתילציה. לדוגמה, נתגלה כי קביעת המחזור הצירקדי בעכברים מושפעת מרמת ביטוי הגן המוחתם 116 SNORD בקליפת המח. ההשפעה של ביטוי גן זה היא במיוחד בשלב השינה העמוקה – שלב חיוני בהתפתחות נוירונים וגדילה. גנים נוספים המעורבים בתהליך הם הגנים המוחתמים MAGEL2 ו-PEG3 בהם האללים ממקור אבהי הם המתבטאים במערכת העצבים המרכזית. החתמה גנומית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) M. S. Bartolomei, Genomic imprinting: employing and avoiding epigenetic processes, Genes & Development 23, 2009-09-15, עמ' 2124–2133 doi: 10.1101/gad.1841409 Valter Tucci, Anthony R. Isles, Gavin Kelsey, Anne C. Ferguson-Smith, Genomic Imprinting and Physiological Processes in Mammals, Cell 176, 2019-02, עמ' 952–965 doi: 10.1016/j.cell.2019.01.043 B. Kantor, Control elements within the PWS/AS imprinting box and their function in the imprinting process, Human Molecular Genetics 13, 2004-01-28, עמ' 751–762 doi: 10.1093/hmg/ddh085 Gavin Kelsey, Robert Feil, New insights into establishment and maintenance of DNA methylation imprints in mammals, Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 368, 2013-01-05, עמ' 20110336 doi: 10.1098/rstb.2011.0336 Crouse H.V, The controlling element in sex chromosome behavior in Sciara, Genetics Kermicle J.L, Dependence of the R-mottled aleurone phenotype in maize on mode of sexual transmission, Genetics . Johnson D.M, Hairpin-tail: a case of post-reductional gene action in the mouse egg, Genetics Eric Engel, A new genetic concept: Uniparental disomy and its potential effect, isodisomy, American Journal of Medical Genetics 6, 1980, עמ' 137–143 doi: 10.1002/ajmg.1320060207 Robert D. Nicholls, Joan H. M. Knoll, Merlin G. Butler, Susan Karam, Genetic imprinting suggested by maternal heterodisomy in non-deletion Prader-Willi syndrome, Nature 342, 1989-11, עמ' 281–285 doi: 10.1038/342281a0 Anne C. Ferguson-Smith, Genomic imprinting: the emergence of an epigenetic paradigm, Nature Reviews Genetics 12, 2011-08, עמ' 565–575 doi: 10.1038/nrg3032 Smallwood SA and Kelsey G., Genome-Wide Analysis of DNA Methylation in Low Cell Numbers by Reduced Representation Bisulfite Sequencing. In: Engel N. Genomic Imprinting, Methods in Molecular Biology (Methods and Protocols) Sébastien A. Smallwood, Gavin Kelsey, De novo DNA methylation: a germ cell perspective, Trends in Genetics 28, 2012-01, עמ' 33–42 doi: 10.1016/j.tig.2011.09.004 M. S. Bartolomei, A. C. Ferguson-Smith, Mammalian Genomic Imprinting, Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 3, 2011-07-01, עמ' a002592–a002592 doi: 10.1101/cshperspect.a002592 Simon Quenneville, Gaetano Verde, Andrea Corsinotti, Adamandia Kapopoulou, In Embryonic Stem Cells, ZFP57/KAP1 Recognize a Methylated Hexanucleotide to Affect Chromatin and DNA Methylation of Imprinting Control Regions, Molecular Cell 44, 2011-11, עמ' 361–372 doi: 10.1016/j.molcel.2011.08.032 Yingfeng Li, Zhuqiang Zhang, Jiayu Chen, Wenqiang Liu, Stella safeguards the oocyte methylome by preventing de novo methylation mediated by DNMT1, Nature 564, 2018-12, עמ' 136–140 doi: 10.1038/s41586-018-0751-5 Courtney W. Hanna, Maria S. Peñaherrera, Heba Saadeh, Simon Andrews, Pervasive polymorphic imprinted methylation in the human placenta, Genome Research 26, 2016-06, עמ' 756–767 doi: 10.1101/gr.196139.115 Jon F. Wilkins, David Haig, What good is genomic imprinting: the function of parent-specific gene expression, Nature Reviews Genetics 4, 2003-05, עמ' 359–368 doi: 10.1038/nrg1062 Jon F. Wilkins, GENOMIC IMPRINTING AND CONFLICT-INDUCED DECANALIZATION: IMPRINTING AND DECANALIZATION, Evolution 65, 2011-02, עמ' 537–553 doi: 10.1111/j.1558-5646.2010.01147.x Simao Teixeira da Rocha, Carol A. Edwards, Mitsuteru Ito, Tsutomu Ogata, Genomic imprinting at the mammalian Dlk1-Dio3 domain, Trends in Genetics 24, 2008-06, עמ' 306–316 doi: 10.1016/j.tig.2008.03.011 Mark Howard, Marika Charalambous, Molecular basis of imprinting disorders affecting chromosome 14: lessons from murine models, REPRODUCTION 149, 2015-05, עמ' R237–R249 doi: 10.1530/REP-14-0660 Dinko Relkovic, Christine M. Doe, Trevor Humby, Karen A. Johnstone, Behavioural and cognitive abnormalities in an imprinting centre deletion mouse model for Prader–Willi syndrome, European Journal of Neuroscience 31, 2010-01, עמ' 156–164 doi: 10.1111/j.1460-9568.2009.07048.x Gráinne I. McNamara, Anthony R. Isles, Dosage-sensitivity of imprinted genes expressed in the brain: 15q11–q13 and neuropsychiatric illness, Biochemical Society Transactions 41, 2013-06-01, עמ' 721–726 doi: 10.1042/BST20130008 Julio D. Perez, Nimrod D. Rubinstein, Catherine Dulac, New Perspectives on Genomic Imprinting, an Essential and Multifaceted Mode of Epigenetic Control in the Developing and Adult Brain, Annual Review of Neuroscience 39, 2016-07-08, עמ' 347–384 doi: 10.1146/annurev-neuro-061010-113708 Rochelle L. Coulson, Dag H. Yasui, Keith W. Dunaway, Benjamin I. Laufer, Snord116-dependent diurnal rhythm of DNA methylation in mouse cortex, Nature Communications 9, 2018-12, עמ' 1616 doi: 10.1038/s41467-018-03676-0 Aarti Jagannath, Lewis Taylor, Zeinab Wakaf, Sridhar R Vasudevan, The genetics of circadian rhythms, sleep and health, Human Molecular Genetics 26, 2017-10-01, עמ' R128–R138 doi: 10.1093/hmg/ddx240