עיצוב כרומטין

עיצוב כרומטין (באנגלית: Chromatin remodeling) הוא תהליך דינמי שבו ארכיטקטורת הכרומטין משתנה - מבנה, הרכב ומיקום של נוקליאוזומים, כדי לאפשר או למנוע גישה של חלבונים לרצף ה-DNA, ובכך תהליך השעתוק מבוקר. תהליך עיצוב הכרומטין יכול להיות מתווך על ידי אנזימים מסוימים היוצרים שינויים קוולנטיים בקוד ההיסטונים (למשל, מתיל טרנספראז, קינאזות, היסטון אציל טרנספראז (ידוע בראשי התיבות HAT), ודה-אצטילאז, או על ידי קומפלקס של חלבונים מעצבי כרומטין התלווים ב-ATP אשר פועלים באמצעות הזזה, הסרה או שינוי מבני של נוקליאוזומים. מלבד הפעילות הבקרתית על שעתוק גנים, לעיצוב כרומטין תפקיד אפיגנטי חשוב בתהליכים ביולוגיים שונים, למשל באפופטוזה, בהתפתחות, בהפרדה בין כרומוזומים, בשכפול ובתיקון DNA בתאי ביצית. בעיות בבקרת עיצוב הכרומטין מובילה לשינוי תוכנית השעתוק, ובכך לפעילותו התקינה של התא. פגיעה בחלבונים מעצבי כרומטין קשורים למספר מחלות באדם, כולל סרטן, ולכן חלבונים אלו משמשים כמטרות לטיפול בסוגי סרטן שונים. בקרת שעתוק של גנום נעשה בעיקר בשלב האתחול, שבו נקשרים ל-DNA חלבוני הליבה של מנגנון השעתוק (הכולל RNA פולימראז, גורמי שעתוק וחלבונים מדכאי או מפעילי שעתוק) אל ליבת הקדם שנמצא סמוך לאזור המקודד של הגן. עם זאת, ה-DNA ארוז בדחיסות בתוך גרעין התא, בסיוע חלבוני היסטונים אשר מצטרפים יחד ליצירת מבנה חוזרני של נוקליאוזומים - היסטונים המלופפים ב-DNA. בצורת אריזה זו חלקים נרחבים מרצף ה-DNA אינם נגישים למנגנון השעתוק, ובכך נמנעת בקרה ישירה של חלבונים על אזורים אלו. בתא איקריוטי בוגר, בין 5-10% מהכרומטין בתא נגיש לגורמי השעתוק. בתהליך עיצוב הכרומטין, מבנה הנוקליאוזום עובר שינוי כדי לחשוף או לארוז רצפי DNA מסוימים, ולאפשר לחלבונים אחרים להיקשר או למנוע את קישורם לאזורים הללו. גישה ל-DNA ארוז מבוקרת באמצעות שני סוגים של קומפלקסים חלבוניים. ערך מורחב – קוד היסטונים קומפלקסים חלבוניים מסוימים מובילים להוספת או הסרת מודיפקציות כימיות מהיסטונים. שינויים אנזמתיים אלו כוללים אצטילציה, מתילציה, זירחון, אוביקוויטינציה וסומולציה, ומתרחשים בעיקר בקצה ה-N טרמינלי של זנבות ההיסטונים. שינויים אלו משפיעים על האפיניות שבין ההיסטון לרצף ה-DNA המלופף סביבו, ובכך מחזקות או מרופפות את הזיקה ביניהם. למשל, מתילציה של ליזין ספציפי על זנב היסטון H3 או H4 גורם ל-DNA להידחס יותר, ובכך מונע את קישורם של גורמי השעתוק לאזור זה. לעומת זאת, אצטלציה של ליזנים מסומים על זנב היסטון H3 יוביל להחלשות הזיקה בין ההיסטון ל-DNA, ובכך מתאפשרת הגישה לגורמי השעתוק השונים, ולרוב להגברת השעתוק של הגנים באזור. להלן סיכום בסיסי של השפעת קוד ההיסטונים על רמות ביטוי גנים (זהו פישוט, ואין הכרח שהמשמעות של ההשפעות זהה בין יצורים שונים) (ראו קוד היסטונים#נומנקלטורה להסבר על השיום): קומפלקסים אלו מבקרים שעתוק גנים באמצעות הזזה, הסרה או שינוי הרכב של נוקליאוזומים. לחלבונים אלו אזור ATP-אז, המשמש לפירוק ATP מאדנוזין תלת זרחני לאדנוזין דו זרחני, כדי לנצל את האנרגיה האצורה בקשר זה לצורך עיצוב הכרומטין. חלק מהחלבונים מעצבי הכרומטין מסוגלים להזיז את ה-DNA עצמו. כל הקומפלקסים של חלבונים מעצבי כרומטין מכילים תת-יחידה של ATP-אז השייכת למשפחת החלבונים SNF2, והקומפלקסים מסווגים לפי תת-היחידה הספציפית אותה הם מכילים. ישנן חמש משפחות ידועות: SWI/SNF ,ISWI ,CHD ,INO80 ו-SWR1. שתי הראשונות נחקרו רבות. על אף שהקומפלקסים חולקים אזורים משותפים, לכל משפחה ישנם מאפיינים הייחודיים לה וכן חלבונים שונים העובדים בשיתוף פעולה, אשר מאפשר לכל משפחה התמחות בתהליכים ביולוגיים שונים. דוגמאות לתהליכים שונים: ניסויים אין ויטרו הראו שמשפחת ISWI פועלת ליצירת מרחקים שווים בין נוקליאוזומים, בעוד שמשפחת SWI/SNF מפרה את הסדר. למשפחת ISWI תפקיד חשוב בהרכבת הכרומטין לאחר תהליך שכפול ושמירה על מבנה הכרומטין הכללי. משפחות INO80 ו-SWI/SNF משתתפות בתיקון נזקים ב-DNA, ולכן הם חיוניים לתהליכי תיקון DNA המתווכים על ידי P53. משפחת CHD פועלת בעיקר בתהליכי דיכוי שעתוק וחיוניים לשמירה על פלוריפוטנטיות של תאי גזע. לעיצוב כרומטין יש תפקיד מרכזי בבקרת השעתוק של גנים, מכיוון שכך מתאפשרת גישה ל-DNA שאחרת ארוז בצורה דחוסה. מעבר לכך, תזוזת נוקליאוזימים חיונית לתהליכים נוספים, כגון הרכבת והפרדת כרומוזומים, שכפול DNA ותיקונו, התפתחות עוברית ופלוריפוטנטיות, וחיונית למחזור התא. בעקבות נזק DNA, הכרומטין נפתח ומאפשר גישה לחלבונים מתקני DNA. תת-היחידה ההיסטונית H2A מוחלף ב-H2AX, שאליו מגויסים חלבונים מסוימים ששומרים על ה-DNA במצב פתוח. עיצוב כרומטין תקין מונע התפתחות של גידולים סרטניים. פגיעה בבקרה התקינה מובילה לשינוי קוד ההיסטונים, שמובילה לאספקה עצמית של גורמי גדילה ולהתחמקות מהאותות התאיים המבקרים את הגדילה התקינה - שני מאפיינים של תאים סרטניים. החלבון BRG1 ממשפחת SWI/SNF הוא מעצב הכרומטין שעובר מוטציות באופן התדיר ביותר בסרטן באדם. המוטציות הן לרוב מסוג מוטציית סלף באזור ה-ATPאז של החלבון. חלבון זה אחראי גם לגיוס חלבון מדכא התפתחות סרטנית בשם Rb, ומוטציות ב-BRG1 מונעות את גיוס Rb ובכך מאפשרות לגידול להתפתח. בלוקמיה מיאלואידית חריפה, נוצר חלבון מאוחה PML-RAR שמגייס חלבונים שמסירים אצטילציות מהיסטונים, מה שמוביל לדיכוי ביטוי של גנים הדרושים להתמיינות תאים מיאלואידים ולהתפתחות המחלה. אי-יציבות אפגניטית שנגרמת עקב פגיעה בעיצוב הכרומטין נחקר בסוגי סרטן רבים, כולל סרטן השד, סרטן המעי הגס וסרטן הלבלב. אי-היציבות גורמת להשתקה נרחבת של גנים מדכאי גידולים. לכן הגישה הטיפולית מנסה לעקוף את השתקת הגנים הללו באמצעות שימוש סינרגיסטי בחומרים המעכבים דה-אצטילציה של היסטונים וחומרים המסירים מתליציות מה-DNA. דוגמאות לתרופות מאושרות: חומצה ולפרואית, Romidepsin, Panobinostat, Belinostat. לעיצוב כרומטין תפקיד גם במחלות נוספות, כגון בתסמונת CHARGE ובתסמונת ATRX. בהזדקנות תאית (senescence), מחזור התא נעצר, והתא ממשיך להיות פעיל מבחינה מטבולית, אך אינו יכול להתחלק. הזדקנות יכולה לקרות בעקבות מחלות או פגיעות ב-DNA, למשל גיל, שחיקה של טלומרים ופרוגריה. במהלך ההזדקנות התא עובר שינויים שנועדו למנוע מצב של התרבות תאים פגומים, הכוללים שינויים בארגון הכרומטין, ברמות הביטוי של חלבונים מעצבי כרומטין ובמאפיינים אפיגנטיים נוספים. הטרוכרומטין, שבתא בעל יכולת מיטוטית ממוקם בשולי הגרעין נע כעת למרכזו, ומתחלף במיקומו עם האאוכרומטין. שינוי זה גורם לשינויים בארכיטקטורת הגנום, כולל ב-LADים וב-TADים ובמגעי הציס. יש איבוד של ההיסטונים הקאנוניים, H1, H3 ו-H4. באופן כללי ישנה ירידה ברמות המתילציה של ה-DNA, אך ישנם אזורים ספציפיים שבהם בתהליך ההזקנות רמות המתילציה עולות, לדוגמה, אזורי קדם או מעצמים של גנים המובילים לשגשוג תאי. בגנים אלו יעלו רמות הסמן מדכא השעתוק H3K27me3, ואילו בגנים המעורבים בדיכוי ביטוי וביצירת היסטונים לא קאנוניים תעלינה רמות הסמן הפעיל H3K4me3. מכיוון שבתהליך עיצוב הכרומטין אזורים מסוימים ב-DNA משנים את מידת נגישותם, ניתן למדוד את העיצוב באמצעות שימוש באנזימים אשר חותכים DNA בצורה לא ספציפית, כך שאזורים שאינם ארוזים ייחתכו בתדירות נמוכה יותר לעומת אזורים נגישים. השיטה הראשונה שאותה פיתחו חוקרים כדי למדוד את נגישות הכרומטין עושה שימוש ב-DNAseI, שהוא נוקליאוז לא ספציפי. עם ירידת מחיר ריצוף ה-DNA, מקובל לרצף את כלל המקטעים הקצרים שנוצרו לאחר החיתוך. לשיטה זו קוראים DNAse-seq. שיטות נוספות המתבססות על עיקרון זה הם ATAC-seq ו-MNase-seq. שיטה נוספת, המכונה FAIRE-seq, מתבססת על העיקרון לפיו אזורי DNA פתוחים פחות עוברים קיבוע באמצעות פורמאלדהיד. בכל השיטות הללו, ניתן להבחין בעיצוב שונה של הכרומטין באמצעות השוואת מצב הכרומטין בין סוגי תאים או מצבים שונים. אפיגנטיקה The biology of chromatin remodeling complexes