אפיסטזיס

אפיסטזיס (בעברית: מיסוך גֵּן) הוא מנגנון תורשה גנטי הכולל אינטראקציה בין מספר גנים או לוקוסים (אתרים בגנום)(אנ') המשפיעים על מופע (פנוטיפ) יחיד. כלומר, תכונה אחת שמושפעת מיחסי גומלין בין מספר גנים ומהרקע הגנטי של הפרט. גנים אלו נקראים גם modifier genes ("גנים מגדירים"). זהו מונח רחב, ולא מעט מחקרים העוסקים בנושא מגדירים אותו בצורות שונות ובוחנים אותו בכלים שונים. אפיסטזיס נחקר בהקשר להורשה של תכונות כגון מחלות ותכונות מורכבות, גנטיקה של אוכלוסיות ואבולוציה. אינטראקציה בין גנים יכולה להסביר את השׁוֹנוּת במופע של תכונה מסוימת באוכלוסייה. לדוגמה, שוני בחומרת מחלה בין פרטים בעלי אותו גנוטיפ במחלות הנגרמות על ידי פגם בגן יחיד עיקרי (מונו-גניות) כמו לייפת כיסתית (סיסטיק פיברוזיס) ואנמיה חרמשית. רב התכונות בעולם החי בכלל וביונקים בפרט הן תכונות מורכבות, ולכן יש חשיבות רבה בחקר מנגנוני אפיסטזיס והבנתם, נוסף על הבנת האינטראקציה בתוך הגנים (כלומר בין האללים בגן יחיד). עם התפתחות מדע הגנטיקה והכלים המחקריים העומדים לרשות הביולוגיה המולקולרית, גדלה יכולתם של החוקרים להבחין בפרטים ולהגדיל את הדיוק בחקר מידע גנטי ופותחו מודלים מחקריים המתארים אפיסטזיס. שינויים אלה העלו משמעותית את המורכבות של מחקר אפיסטזיס- ככל שיותר גנים מעורבים בהורשת התכונה, המודל מורכב יותר. כיום התופעה נחקרת במיוחד במסגרת הבנת ההיררכיה של מסלולים ביוכימיים שונים ובקרתם, ובקישור דפוסי אפיסטזיס לתפקודים מטבוליים ומודלים שונים. המושג תואר לראשונה בתחילת המאה ה-20 על ידי ויליאם בייטסון, כהרחבה לגנטיקה מנדלית והתייחס לאפקט מיסוך בו אלל בלוקוס (אתר בגנום) אחד מונע ביטוי של אללים בלוקוס/ים אחר/ים. הגן הממסך נקרא אפיסטטי והגן הממוסך (שביטויו תלוי בגן הממסך) נקרא היפוסטטי. ייתכנו גם מקרים בהם גנים ממסכים האחד את פעילותו של השני באופן הדדי (אפיסטזיס כפול); ביטוי התכונה תלוי בכלל הגנים המעורבים בהורשתה ולכל אחד מהם ייתכן אפקט מיסוך על האחרים. למעשה אלו תופעות של סטייה מהיחסים המנדליים הצפויים בהכלאת הטרוזיגוטים לכל הגנים המעורבים בתכונה. במקרים כאלו אם לדוגמה בוחנים תורשה של תכונות המקודדות על ידי שני גנים, יחס המופעים (פנוטיפים) בצאצאים לא יהיה 9:3:3:1 כצפוי לפי חוקי התורשה של מנדל להפרדה בלתי תלויה. בחקר דפוסים אלו בוחנים מוטציות בגנים שונים ואת הפנוטיפ המקושר אליהם, עורכים ניסויים והכלאות (בחיות מודל). כל זאת מתאפשר כשמדובר בפנוטיפים בדידים ומובחנים, המערבים מס' קטן יחסית של גנים. מצב כזה ישקף מיסוך פעילות בפרטים הומוזיגוטים רצסיביים בגן האפיסטטי. נניח, שביטוי של תכונה מושפע משני גנים: A ו-B. הגן A אפיסטטי (ממסך) ו-B היפוסטטי (ממוסך, שביטויו תלוי בגן הממסך) ולכל גן שני אללים; דומיננטי (A) ורצסיבי (a). באפיסטזיס רצסיבי, הגנוטיפ a/a יוביל לפנוטיפ מסוים ללא תלות בגן B. האללים בגן B יבואו לידי ביטוי רק בפרטים בעלי אלל דומיננטי אחד לפחות בגן A. מכאן, כי בהכלאת פרטים הטרוזיגוטיים לשני הגנים (A/a B/b), הצאצאים יציגו יחס של 9:4:3. דוגמה לאפיסטזיס רצסיבי היא קביעת צבע הפרווה בכלבי לברדור רטריבר (ראו בסעיף "דוגמאות"). המיסוך יבוא לידי ביטוי כשלפרט נתון יהיה לפחות אלל דומיננטי אחד בגן האפיסטטי. אם שני גנים (A אפיסטטי ו-B היפוסטטי) מעורבים בקביעת הפנוטיפ, האללים בגן B יבואו לידי ביטוי רק בפרטים הומוזיגוטים רצסיביים בגן A (גנוטיפ a/a) ואילו פרטים בעלי אלל דומיננטי בגן האפיסטטי יציגו את אותו המופע. מכאן, כי בהכלאת פרטים הטרוזיגוטיים לשני הגנים (A/a B/b), נקבל יחס של 12:3:1 בין הצאצאים. דוגמה מוכרת לאפיסטזיס דומיננטי היא קביעת צבע הפרי בסוגים מסוימים של קישואים (Cucurbita pepo). נקרא גם "פעילות גנים משלימה" (complementary gene action), ובו מתקיים מיסוך הדדי בין מס' גנים על ידי האללים הרצסיביים. במנגנון זה תיתכן פעילות משלימה; כל הגנים צריכים לבוא לידי ביטוי כדי שנקבל פנוטיפ מסוים, ולכן בהיעדר עותק תקין של אחד מהגנים לפחות- לא תתקבל פעילות. נניח שתכונה מושפעת משני גנים אפיסטטיים: A ו-B, הגנוטיפ a/a ימסך את פעילות הגן B, אך גם הגנוטיפ b/b ימסך את פעילות הגן A לקבלת אותו מופע. לכן במקרים כאלה, יחס הפנוטיפים הצפוי בצאצאי הכלאת הטרוזיגוטים לשני הגנים יהיה 9:7. דוגמה לאפיסטזיס רצסיבי כפול היא קביעת צבע הפרחים באפונה ריחנית (Lathyrus odoratus). פנוטיפ זהה יתקבל בפרטים הנושאים לפחות אלל דומיננטי אחד בלפחות אחד מהגנים המעורבים בתכונה. נניח שתכונה מושפעת משני גנים אפיסטטיים; A ו-B, כל אחד מהגנוטיפים הבאים יגרום לפנוטיפ זהה: -/A/- B/-, A/- b/b, a/a B ואילו רק הגנוטיפ a/a b/b יוביל לפנוטיפ שונה. לכן במקרים כאלה, יחס הפנוטיפים הצפוי בצאצאי הכלאת הטרוזיגוטים לשני הגנים יהיה 15:1. דוגמה לכך היא קביעת צבע הגרעין בחיטה (ראו סעיף "דוגמאות"). ב-1918 תיאר רונלד פישר את תופעת האפיסטזיס כסטייה מסכום התרומה של כל האללים בגנים השונים המשפיעים על התכונה. כלומר, המופע (פנוטיפ) שונה ממה שצפוי כשכל האללים המעורבים בקביעתו באים לידי ביטוי. כיום, הגדרה זו משמשת בפיתוח מודלים מתמטיים המסבירים מס' רב של אינטראקציות. גילוי מנגנוני אפיסטזיס הוא יחסית פשוט כשמדובר בפנוטיפים איכותניים ומעטים במספר; תכונות כמו צבע פרווה או פרחים הן בעלות מספר מוגדר של מופעים בדידים, וניתן לאתר בהן דפוסי אפיסטזיס כפי שתואר לעיל. בתכונות כמותיות (כגון גובה ומשקל) מורכבות התכונות מקשה על איתור ופירוט דפוסי אפיסטזיס. מורכבותן של התכונות הללו והתפלגותן באופן רציף נובעת מהשפעות מצטברות של גנים רבים וכן מיחסי גומלין של גנים עם הסביבה; כל גן נוסף מגביר את השילוב האפשרי של האללים, ומספר הפנוטיפים האפשרי גדל באופן מעריכי. אדטיביות היא סכום התרומה של כל האללים המשפיעים על התכונה, ואללים שונים יכולים לתרום באופן שווה או שונה, או לא לתרום למופע כלל. אפיסטזיס הוא השוני ממה שהיינו מצפים אילו היינו סוכמים את השפעות הלוקוסים באופן בלתי תלוי. כלומר, סטייה מהאדיטיביות המתקבלת במודל סטטיסטי ליניארי. נניח שגובהו של צמח נקבע על ידי שלושה גנים ולכל אחד מהם אללים התורמים בממוצע או 2 ס"מ או 4 ס"מ לגובה. לכל גן יש שני אללים (ביצורים דיפלואידים), ולכן גובהם של הצמחים ינוע בין 12 ס"מ ל-24 ס"מ לפי ההרכב הגנטי והשפעות הסביבה. זוהי המחשה למודל הורשה אדיטיבי בלבד. בפועל, נדירות התכונות שמורשות כך, רב התכונות הכמותיות מערבות גם דומיננטיות ואינטראקציה עם גנים נוספים. בגרף למעלה אפשר לראות מודל לתכונה נתונה המורשת באופן אדיטיבי בלבד, כאשר כל אלל דומיננטי תורם 0.5 לפנוטיפ (יח' שרירותית) ואלל A לא תורם כלל. בגרף למטה- אפיסטזיס רצסיבי משנה את מגמת פיזור הפנוטיפים (b). כדי ליישם כלים סטטיסטיים על חקר אפיסטזיס, צריך לזהות את האתרים הגנטיים שתורמים לשׁוֹנוּת בתכונות כמותיות מורכבות ונקראים בקיצור QTLs ‏ (Quantitative Trait Loci) (אנ'). בחקר אפיסטזיס, בוחנים השפעה של זוגות אתרים ושילוביהם האפשריים על הפנוטיפ ולא רק אתרים בודדים, וכך מתחשבים בהשפעת הרקע הגנטי על הפנוטיפ. בחיות מודל, לרב עורכים הכלאות של זנים המראים פנוטיפים קיצוניים בתכונה הנחקרת (לדוגמה זני תרנגולות המטילות ביצים במשקל נמוך/ גבוה מאוד בממוצע). לאחר סדרת הכלאות יחקרו ויחפשו קשר מובהק בין שׁוֹנוּת בפנוטיפ לשׁוֹנוּת במספר אתרים גנטיים. בבני אדם, לא ניתן לערוך הכלאות מבוקרות מסיבות אתיות ולכן מסתמכים על מחקרים של משפחות, תאומים ומחקרים תצפיתיים של קישור גנומי (Genome-Wide Association Studies) במגוון אוכלוסיות ועל שושלות. מהימנות המחקרים ויכולתם לזהות אפיסטזיס תלויים למעשה בגודל המדגם, בהרכב האוכלוסייה הנדגמת, ובדיוק המדידה של הפנוטיפים. בבני אדם, יחסי גומלין בין גנים משפיעים על נטייה לפתח מחלות שכיחות, בהורשת תכונות פשוטות, וגם במחלות ובתכונות מורכבות כמו זאבת אדמנתית מערכתית, הפרעה דו-קוטבית ועוד. בעבר חשבו כי צבע עיניים היא תכונה פשוטה ומורשת לפי מנגנון מנדלי של דומיננטיות ורצסיביות, אך מחקרים חדשים יותר מראים כי יש לפחות 15 גנים המעורבים בקביעת צבע העיניים, כך שלמעשה דגם התורשה מורכב יותר מכפי ששוער ומערב אינטראקציות בין גנים רבים. דוגמה נוספת היא אפקט בומביי (אנ'): סוג הדם ABO נקבע לפי ביטוי גן יחיד, לו שלושה אללים (A, B ו-O) המקיימים ביניהם יחסי דומיננטיות וקו-דומיננטיות. אלה מקודדים לאנטיגנים A או B, המוצגים על מעטפת תאי הדם הלבנים. באופן רגיל, הגנוטיפים Ai או AA יובילו לייצור האנטיגן A; הגנוטיפ Bi או BB יובילו לייצור האנטיגן B; הגנוטיפ AB יוביל לייצור האנטיגנים A ו-B גם יחד; הגנוטיפ ii יוביל לאי ייצור אף אחד מהאנטיגנים A או B ומוגדר כסוג הדם O. נתגלה, כי מעורבות של גן נוסף הממסך על קבוצות הדם ABO מורשת בדגם תורשה אפיסטזיס רצסיבי. מנגנון זה נובע מפעילותו של הגן FUT1 (נקרא גם H), שמעורב בתהליך הביוכימי וקודם בהיררכיה לפעילות ABO. בהיעדר ביטוי תקין של FUT1 מתקבל סוג דם בומביי, בעל תכונות דומות לסוג דם O בבדיקת דם בסיסית (איור 1). למעשה, אפקט בומביי חשף, כי סוג הדם ABO נקבע על ידי אינטראקציה בין שני גנים שכוללת מיסוך של אחד על האחר - אפיסטזיס. ביונקים רבים (עכברים, כלבים, חתולים ועוד), צבע הפרווה נקבע על ידי יחסי גומלין בין מספר גנים. לדוגמה, בכלבי לברדור רטריבר יש מנגנון אפיסטזיס רצסיבי בו גן אחד משפיע על ביטוי של גן שני במורד המסלול הביוכימי (אנ'), כלומר בשרשרת תגובות ביוכימיות עוקבות המוליכות, בסופו של דבר, לייצור פיגמנט צבע הפרווה. הגן TYRP1 (לוקוס B) מקודד ליצירת פיגמנט ולו שני אללים המקודדים לצבע שחור (דומיננטי) או חום (רצסיבי). הפיגמנט יבוא לידי ביטוי בשערות הפרווה רק אם גן נוסף, Melanocortine receptor 1 (MC1R, לוקוס E) (אנ'), המקודד לחלבון במעטפת התא (ממברנה) שאחראי להכנסת הצבען לתעלת השערה, יתפקד כראוי. כך, צבע פרווה צהוב נובע ממוטציה רצסיבית בגן MC1R שפוגעת בהחדרת הפיגמנט לשערה. כלומר, פעילותו של הגן MC1R ממסכת על פעילות הגן TYRP1. בכלנית המצויה בישראל (Anemone coronaria) זוהו 3 גנים שונים שאחראים על צבע הפרחים ובכל גן יש יחסי דומיננטיות-רצסיביות בין האללים. למעשה, בתהליך יצירת הפיגמנט יש שלושה שלבים שתלויים זה בזה, וכל אחד מהם מערב גן אחר שפעילותו ממסכת על פעילות הגן הבא בתהליך: גן אחד מקודד ליצירת הצבע האדום- זהו המופע (פנוטיפ) הרצסיבי, אם יהיה בו לפחות אלל דומיננטי אחד- לא יהיה צבעו אדום, ואז ייקבע הצבע על-פי הגן הבא בתור. בגן השני, שני אללים רצסיביים יקודדו לצבע לבן, ואילו אלל דומיננטי אחד לפחות יוביל לקביעת הצבע לפי הגן השלישי בתור. בגן האחרון בתהליך, צבע סגול הוא הפנוטיפ הרצסיבי וצבע ורוד הדומיננטי. הגנים לא תמיד צריכים לפעול במסלול ביוכימי כדי שהאינטראקציה תהיה אפיסטטית. לפעמים, שני גנים שכל אחד מהם מקודד לחלבונים בעלי פעילות דומה, יכולים להחליף זה את זה. המנגנון שאחראי להורשת צבע גרעין החיטה הוא דוגמה למנגנון אפיסטזיס דומיננטי כפול: צבע הגרעין נקבע על ידי תגובה ביוכימית שממירה חומר ראשוני (precursor) לפיגמנט צהוב- זהו הפנוטיפ הדומיננטי. תגובה זו יכולה להתבצע על ידי תוצרים של שני גנים בעלי פעילות דומה. לפיכך, עותק של חלבון תקין (דומיננטי) אחד לפחות מייצר צבע צהוב, אך מחסור באלל דומיננטי בשני הגנים יוביל למופע של גרעין לבן נטול צבע. גן (ביולוגיה) יחסי דומיננטיות חוקי התורשה של מנדל גנטיקה של תכונות מורכבות סוג דם הגנטיקה של סוגי הדם והצצה על סוג הדם הנדיר "בומביי"- מכון דוידסון עלינו לרצף גנומים של חולי קורונה ושל מבריאים כדי לשפר את הטיפול ולפתח חיסון- הידען הגנים ש"עושים את האדם"- הידען מִסּוּך גֵּן במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית J. Arjan G. M. de Visser, Tim F. Cooper, Santiago F. Elena, The causes of epistasis, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences 278, 2011-12-22, עמ' 3617–3624 doi: 10.1098/rspb.2011.1537 Ronald L. Nagel, Epistasis and the genetics of human diseases, Comptes Rendus Biologies 328, 2005-07, עמ' 606–615 doi: 10.1016/j.crvi.2005.05.003 H. J. Cordell, Epistasis: what it means, what it doesn't mean, and statistical methods to detect it in humans, Human Molecular Genetics 11, 2002-10-01, עמ' 2463–2468 doi: 10.1093/hmg/11.20.2463 Patrick C. Phillips, Epistasis — the essential role of gene interactions in the structure and evolution of genetic systems, Nature Reviews Genetics 9, 2008-11, עמ' 855–867 doi: 10.1038/nrg2452 G. H. Shull, P. G. Heinemann, Progressus Rei BotanicaeThe Progress of Genetics Since the Rediscovery of Mendel's Papers. W. Bateson , P. R. Van Calcar, Botanical Gazette 44, 1907-08, עמ' 151–152 doi: 10.1086/329298 P. J. Russell, Extensions of and Deviations from Mendelian Genetic Principles, iGenetics : A Molecular Approach, 3, Pearson Education, 2010, עמ' 380–385 David L. Aylor, Zhao-Bang Zeng, From Classical Genetics to Quantitative Genetics to Systems Biology: Modeling Epistasis, PLoS Genetics 4, 2008-03-14, עמ' e1000029 doi: 10.1371/journal.pgen.1000029 Christopher B. Kaelin, Gregory S. Barsh, Genetics of Pigmentation in Dogs and Cats, Annual Review of Animal Biosciences 1, 2013-01, עמ' 125–156 doi: 10.1146/annurev-animal-031412-103659 Epistasis and Its Effects on Phenotype | Learn Science at Scitable, www.nature.com Timothy B. Sackton, Daniel L. Hartl, Genotypic Context and Epistasis in Individuals and Populations, Cell 166, 2016-07, עמ' 279–287 doi: 10.1016/j.cell.2016.06.047 Jason H Moore, A global view of epistasis, Nature Genetics 37, 2005-01, עמ' 13–14 doi: 10.1038/ng0105-13 Örjan Carlborg, Chris S. Haley, Epistasis: too often neglected in complex trait studies?, Nature Reviews Genetics 5, 2004-08, עמ' 618–625 doi: 10.1038/nrg1407 Caleb Webber, Epistasis in Neuropsychiatric Disorders, Trends in Genetics 33, 2017-04, עמ' 256–265 doi: 10.1016/j.tig.2017.01.009 ראו התייחסות בתגובות מאת גרטי, ארז, מה גורם לגן להיות דומיננטי או רצסיבי? (מה גורם לגן אחד להיות חזק יותר מהשני)?, באתר מכון דוידסון, ‏30 בדצמבר 2009 Understanding Genetics, genetics.thetech.org מייק לבנה, שלל הצבעים של פרחי הכלניות