אי-יציבות הגנום

אי-יציבות הגנום (באנגלית: Genome instability) היא שכיחות גבוהה של שינויים בגנום במהלך מחזור התא, 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. תיאום בין הכפלת DNA למנגנוני תיקון וזיהוי נזקי DNA והמשכיות מחזור התא מבטיחים את יציבות הגנום במהלך חלוקות התא. אי-יציבות גנומית נובעת בעיקר מטעויות בהכפלת ה-DNA ובמנגנוני תיקון ה-DNA אך גם יכולה להיגרם כתגובה לסיגנלים התפתחותיים או סביבתיים. שכיחותם של אירועי אי-יציבות גנומית עולה בין היתר, באזורים של רצפי DNA חוזרים, אתרים שבירים, מבנים של ה-DNA שאינם סליל כפול ימני וחלבונים המהווים מחסום על גבי ה-DNA. 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 DNA עלולות להביא לביטוי של מחלות גנטיות נדירות. על אף ששינויים גנטיים עלולים להזיק לתא ולאורגניזם ולגרום למחלות באדם, הם הכרחיים לאבולוציה ותורמים לשונות הגנטית. אי-יציבות כרומוזומלית – מתייחס להוספה או הפחתה במספר הכרומוזומים. אי-יציבות של מיקרו/ מיני-סטלייטים – מיקרוסטלייטים הם רצפים חוזרים אשר אורך היחידה החוזרת הוא עד 15 זוגות בסיסים. לעומתם, מיניסטלייטים 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 DNA, הכפלות, היפוך של מקטע DNA ומחיקה של מקטע DNA. אי-יציבות הגנום יכולה לנבוע מכשלים בשלבים שונים של הכפלת ה-DNA, משלב ההכפלה ועד שלב ההפרדה (Segregation). עם זאת, כשלים בהכפלת ה-DNA ובתגובה לנזקי DNA הן הסיבות העיקריות לאי-יציבות הגנום. הכפלת ה-DNA 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 ל-DNA, חומרים כימיים הקשורים באופן קוולנטי ל-DNA‏ (DNA adduct), או מבנים שניוניים של ה-DNA כמו לולאות או DNA תלת-גדילי. עיכוב ממושך של מזלגות ההכפלה יכול להוביל לשבירה של DNA 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 DNA דו-גדילי אותו ניתן לראות באופן נורמלי ומבוקר באירועי שחלוף. נראה שבמקרים אלה הרפליזום מתפרק לפני השבירה ומתחיל לפעול מחדש. כאשר מזלג ההכפלה נתקל ברצף DNA שקשורה אליו מולקולה כימית, התא מפעיל מנגנוני תיקון נזקי DNA שמאפשרים להשלים את הכפלת ה-DNA. ניתן לעקוף הפרעות אלה על ידי DNA פולימראזות המאפשרות המשך הכפלה עם טעויות, ללא התחשבות בבסיסים המשלימים בגדיל הנגדי (Error-prone polymerases), או לחלופין, פולימראז המשלים בסיסים בהתאם לכרומטידה האחות. תיקון ה-DNA לאחר ההכפלה, אף על פי שעלול להכניס מוטציות, מונע אי-יציבות של הגנום, היכולה לבוא לידי ביטוי כשברים דו-גדיליים של ה-DNA, על ידי כך שהוא מאפשר השלמה של ההכפלה. כאשר נוצרים שברי DNA דו-גדיליים, אחד מהתהליכים המרכזיים לתיקון אשר מאפשר שחזור של המבנה הדו-גדילי של ה-DNA הוא שחלוף. שחלוף יכול להתקיים בשלבים S ו-G2 של מחזור התא כאשר הכרומטידות האחיות קרובות זו לזו וניתן להשתמש ברצף ה-DNA שלהן להומולוגיה של הרצפים בתהליך. שחלוף הכרחי, בהיעדר מנגנוני תיקון לאחר ההכפלה, לעקוף גורמים אשר חוסמים סינתזת DNA והמשכיות מזלגות ההכפלה. אם השחלוף לא מתפקד, שברי DNA דו-גדיליים יכולים להביא לשינויים מבניים של הכרומוזומים אשר עלולים להיווצר מתיקון DNA לא הומולוגי, אם מנגנון התיקון משתמש ברצפים מאזורים אחרים מהגנום. אי-יציבות של הגנום לא נוצרת באופן אקראי ברחבי הגנום, אלא נוצרת בתדירות גבוהה יותר באזורים ספציפיים. דוגמאות לאזורים מסוג זה: גנומים של איקריוטים מכילים מיליוני עותקים של רצפי DNA 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 מיקרוסטלייטים הם רצפי DNA עם יחידה חוזרת של 1 עד 4 זוגות בסיסים, מיניסטלייטים הם רצפי DNA עם יחידה חוזרת של 6 עד 64 זוגות בסיסים, סטלייטים הם רצפי DNA עם יחידה חוזרת של 5–171 זוגות בסיסים ומגה-סטלייטים הם רצפי DNA 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-גדיליים של הגדיל המאחר ולגרום להפרעה בסינתזת ה-DNA שתוביל להחלקה או עיכוב של מזלג ההכפלה. בנוסף, התארכות יכולה להיגרם כתוצאה מ-(Mismatch repair (MMR או (Base excision repair (BER, שברי DNA דו-גדילי או אזורים של DNA חד-גדילי הנוצרים מהכפלת DNA לקויה. אתרים ספציפיים על גבי הכרומוזום אשר מועדים לשברים או אזורים של DNA חד-גדילי בשלב המטאפזה לאחר עיכוב חלקי של סינתזת ה-DNA. ישנם שני סוגים עיקריים של אתרים שבירים הממוינים על פי התדירות שלהם באוכלוסייה ודפוס ההורשה – אתרים שבירים נפוצים ואתרים שבירים נדירים. שכיחותם של אתרים שבירים נדירים פחות מ-5%, ובדרך כלל הם מכילים חזרות של הנוקלאוטידים AT או CGG ומוּרׇשים באורח מנדלי. נטייה לשבירת DNA באתרים אלה לרוב נגרמת על ידי הארכה של חזרות ברצפים החוזרים שנובעת כתוצאה מעקה במהלך הכפלת ה-DNA 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 DNA שאינם B-DNA, הנוטים להוביל לעיכוב מזלג ההכפלה. אי-יציבות של הגנום יכולה לנבוע מחזרות של DNA ורצפים שונים היכולים ליצור מבנים מורכבים של DNA שאינם B-DNA, כמו Z-DNA (סליל כפול ימני) H-DNA (סליל תלת-גדילי), מבנה DNA ארבע-גדילי (G-quadruplex) ומבני 'גזע ולולאה' (Hairpins). בנוסף להשפעה האפשרית של המבנים על התקדמות מזלג ההכפלה, הם עלולים להוביל לשבירה של הכרומוזום וסידורו מחדש. בנוסף, אותם מבנים יכולים להוות אתר מועדף לפעילות של נוקלאזות ספציפיות. הוצע, שאם מבני DNA אלה לא נחתכים על ידי נוקלאזות, זה יכול להביא ליצירה של הכפלות מקטעי DNA בכרומוזומים, שעלולות להביא לשבירתם בשלב מאוחר יותר של המיטוזה. טלומרים הם רצף DNA חזרתי TTAGGG שאורכו כ-5 עד 10 אלף בסיסים בקצוות הכרומוזומים בבני אדם. הרצף החזרתי הזה יכול לגרום ליצירה של מבנה G-quadruplex. הרצף החזרתי נקשר על ידי קומפלקס חלבונים שמסדר אותו בצורת T-loop, השומרת על קצוות הכרומוזומים בין היתר מפירוק נוקלאוליטי, משינויים מבניים של הכרומוזומים ומאיחוי קצוות הטלומרים. הטלומרים מתקצרים עם כל חלוקה של התא אבל מתחדשים על ידי אנזים הנקרא טלומרז. רמות נמוכות של אותו אנזים נמצאות בקורלציה, בין היתר, עם אי-יציבות הגנום. אי-יציבות גנומית נחשבת לסימן ההיכר של סרטן ולמניע 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 מוּרׇשים, ישנן מוטציות בגנים של תיקון נזקי DNA. לעומת זאת, הבסיס המולקולרי של אי-יציבות הגנום בסרטן שאינו תורשתי (Sporadic cancer), עדיין אינו לגמרי ברור. ישנם מנגנונים מולקולריים שונים שנועדו להגן על ה-DNA ולתקנו. מוטציות הנגרמות מפגמים במנגנוני תיקון אלה, עלולות להביא לביטוי של מחלות גנטיות נדירות. מספר דוגמאות מייצגות למחלות: מנגנון ה-NER (‏Nucleotide excision repair) אחראי על הסרה של נזקי DNA 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. חלבונים ממשפחת RECQ-helicase משחקים תפקיד מרכזי בחישת נזקי DNA ותיקונם, על ידי סיוע בהרכבת קומפלקס חלבונים האחראי לתיקון ה-DNA או על ידי זיהוי ותיקון שינויים מבניים ספציפיים של ה-DNA. חלבונים אלה חשובים למנגנוני תיקון שברי DNA דו-גדיליים, 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 היא מחלה אוטוזומלית רציסיבית והיא לא נגרמת ממוטציה ספציפית בגנים אחראים לתיקון נזקי DNA. זוהי מחלה רב-מערכתית אך מאופיינת בעיקר על ידי סימפטומים נוירולוגיים. 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 DNA ובקרת מחזור התא. כאשר החלבון משופעל, הוא מתאם את התגובה התאית לשברי DNA דו-גדיליים על ידי זרחון של מספר חלבונים בתגובה התאית לנזקי DNA.  אף על פי ששינויים גנטיים עלולים להזיק 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 בגנום, האורגניזם לא יוכל לעבור התאמה (אדפטציה) לסביבתו המשתנה. לכן, על מנת לשמור על מצב אופטימלי של התאמה, חשוב שיהיה 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 איקריוטיים. עדויות מריצוף של גנומים שלמים ממספר הולך וגדל של אורגניזמים הראו שהכפלות של אזורים גדולים התרחשו בגנומים של יצורים איקריוטיים 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 משפחת גנים חדשה ונחשב למנגנון היעיל ביותר להיווצרות פונקציות חדשות שיכולות לתרום לשונות הפנוטיפית בין מינים שונים. Andrés Aguilera, Tatiana García-Muse, Causes of Genome Instability, Annual Review of Genetics 47, 2013-11-23, עמ' 1–32 doi: 10.1146/annurev-genet-111212-133232 Andrés Aguilera, Belén Gómez-González, Genome instability: a mechanistic view of its causes and consequences, Nature Reviews Genetics 9, 2008-03, עמ' 204–217 doi: 10.1038/nrg2268 Z. Shen, Genomic instability and cancer: an introduction, Journal of Molecular Cell Biology 3, 2011-01-30, עמ' 1–3 doi: 10.1093/jmcb/mjq057 B.C. Feltes, J. de Faria Poloni, K.N. Miyamoto, D. Bonatto, Genome Stability, Elsevier, 2016, עמ' 447–462 Brett S. Abrahams, Daniel H. Geschwind, Vogel and Motulsky's Human Genetics, Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2010, עמ' 699–714 Michael R. Lieber, The Mechanism of Double-Strand DNA Break Repair by the Nonhomologous DNA End-Joining Pathway, Annual Review of Biochemistry 79, 2010-06-07, עמ' 181–211 doi: 10.1146/annurev.biochem.052308.093131 A. P. Jason de Koning, Wanjun Gu, Todd A. Castoe, Mark A. Batzer, Repetitive Elements May Comprise Over Two-Thirds of the Human Genome, PLoS Genetics 7, 2011-12-01, עמ' e1002384 doi: 10.1371/journal.pgen.1002384 Tandem Repeats and Morphological Variation | Learn Science at Scitable, www.nature.com (באנגלית) Christopher E. Pearson, Kerrie Nichol Edamura, John D. Cleary, Repeat instability: mechanisms of dynamic mutations, Nature Reviews Genetics 6, 2005-10, עמ' 729–742 doi: 10.1038/nrg1689 Sandra G. Durkin, Thomas W. Glover, Chromosome Fragile Sites, Annual Review of Genetics 41, 2007-12, עמ' 169–192 doi: 10.1146/annurev.genet.41.042007.165900 Michal Irony-Tur Sinai, Batsheva Kerem, DNA replication stress drives fragile site instability, Mutation Research/Fundamental and Molecular Mechanisms of Mutagenesis 808, 2018-03, עמ' 56–61 doi: 10.1016/j.mrfmmm.2017.10.002 Albino Bacolla, Robert D. Wells, Non-B DNA Conformations, Genomic Rearrangements, and Human Disease, Journal of Biological Chemistry 279, 2004-08-23, עמ' 47411–47414 doi: 10.1074/jbc.r400028200 Aaron L. Moye, Karina C. Porter, Scott B. Cohen, Tram Phan, Telomeric G-quadruplexes are a substrate and site of localization for human telomerase, Nature Communications 6, 2015-07-09 doi: 10.1038/ncomms8643 Zuzana Storchova, David Pellman, From polyploidy to aneuploidy, genome instability and cancer, Nature Reviews Molecular Cell Biology 5, 2004-01, עמ' 45–54 doi: 10.1038/nrm1276 Simona Negrini, Vassilis G. Gorgoulis, Thanos D. Halazonetis, Genomic instability — an evolving hallmark of cancer, Nature Reviews Molecular Cell Biology 11, 2010-03, עמ' 220–228 doi: 10.1038/nrm2858 Sharon Biton, Ari Barzilai, Yosef Shiloh, The neurological phenotype of ataxia-telangiectasia: Solving a persistent puzzle, DNA Repair 7, 2008-07, עמ' 1028–1038 doi: 10.1016/j.dnarep.2008.03.006 Ingo Schubert, Giang T.H. Vu, Genome Stability and Evolution: Attempting a Holistic View, Trends in Plant Science 21, 2016-09, עמ' 749–757 doi: 10.1016/j.tplants.2016.06.003 Romain Koszul, Sandrine Caburet, Bernard Dujon, Gilles Fischer, Eucaryotic genome evolution through the spontaneous duplication of large chromosomal segments, The EMBO Journal 23, 2003-12-18, עמ' 234–243 doi: 10.1038/sj.emboj.7600024