מתילציה

מתילציה (באנגלית: Methylation; בעברית לעיתים: מיתוּל) היא תהליך בו מתרחשת הוספה של קבוצות מתיל (H3C) למולקולת סובסטרט, או החלפה של אטום (או מולקולה) על ידי קבוצת מתיל. המתילציה היא צורה של אלקילציה, כאשר קבוצת מתיל מחליפה אטום מימן (איור 1).

מתילציה במערכות ביולוגיות היא תהליך המתווך על ידי אנזים - בדרך כלל מתיל טרנספראז. המתילציה עשויה להיות מעורבת בבקרה על ביטוי גנים ברמת תעתוק ה-RNA, בבקרה על פעילות חלבון לאחר התרגום ובבקרה על RNA לאחר התעתוק.

התהליך ההפוך למתילציה הוא דה-מתילציה, ובו מתרחשת הסרה או החלפה של קבוצת המתיל מהמולקולה. לרוב, מתבצעת החלפה של קבוצת המתיל במולקולת מימן.

מתילציה של חנקן לייצור חנקן רבעוני נעשית על ידי תגובת SN2 על מתיל-יודיד. תגובה זו ניתנת לזירוז על ידי כסף כלורי (AgCl). זה מגדיל את מסיסות האמוניום במים, ומשומש בתעשיית התרופות בין השאר.

מתילציה ב-DNA ביונקים 
המתילציה של נוקלאוטידים במולקולת ה-DNA התגלתה לראשונה בשנת 1925 בחיידקים, ומאז היא נחקרה רבות ביצורים שונים בהקשרים הבאים: בקרת ביטוי גנים, בקרת ארגון הגנום, רבייה, התפתחות עוברית, הבסיס המולקולרי של מחלות ותהליך ההזדקנות.

המתילציה היא השינוי (מודיפיקציה) הראשון שנתגלה על גבי החומר הגנטי, שיש לו השפעה על פעילות המידע הגנטי, והיא מעורבת במנגנון הבסיסי של בקרת הפעילות של חומר התורשה בצורה שאינה 'כתובה' באבני הבניין של החומר התורשתי - האפיגנטיקה.

המתילציה עשויה להשפיע על זמינות מקטע ה-DNA לבקרת פעילות, ללא שינוי ברצף הנוקלאוטידים שלו. כאשר המתילציה מתרחשת על פרומוטר של גן, לרוב היא מסמנת את השתקת התעתוק של אותו הגן.

כ-75% מאירועי המתילציה מתרחשים בתאים ברחבי הגוף, והנם ספציפיים לרקמה (סומטיים). בגנום, ישנם אזורים ממותלים שבהם תדירות המוטציות הספונטניות גבוהה יותר מאשר תדירותן באזורים לא ממותלים, מה שמעיד על הבדל בלחצי הסלקציה הפועלים על אזורים אלה.

תהליך המתילציה על ה-DNA שמור אבולוציונית, ומתרחש לא רק ביונקים אלא גם בצמחים, בחרקים, בפטריות ובאאקריוטים נוספים. נכון ל-2016, נמצא כי הנוקלאוטידים אדנין וציטוזין הם העוברים מתילציה ברמת הרנ״א: N6-methyladenine, או בעמדה N1, וברמת הדנ״א: 5-methylcytosine, ו- N4- methylcytosine (איור 2). ב-DNA של איאוקריוטים, הנוקלאוטיד הממותל הוא בדרך כלל ציטוזין, בעוד שבחיידקים, הבסיס הממותל הוא בדרך כלל אדנין.

ביטוי גנים 
המתילציה מעורבת בעיכוב תעתוק גנים. בהתאם, מתילציה של הנוקלאוטיד ציטוזין, במיוחד בצמד הנוקלאוטידים CpG באזור הפרומוטר, קשורה לבקרה שלילית על ביטוי גנים. כאשר פרומוטר של גן אינו ממותל, הכרומטין באזור הגנומי של הגן יהיה זמין (פתוח) למנגנון בקרת התעתוק ויוכל לעבור תעתוק. כאשר הפרומוטר ממותל, הכרומטין באזור הגן נמצא במצב סגור: לא יתאפשר תעתוק של אותו הגן, ולכן הביטוי שלו ירד. אזורים נרחבים בגנום, שבהם יש זמינות גבוהה לתעתוק (איאוכרומטין), יכילו פחות אזורים ממותלים מאשר אזורים בגנום, אשר בהם יש זמינות נמוכה לתעתוק (הטרוכרומטין).

בגנום ישנם אתרים אשר לרוב יעברו מתיליציה, אתרים אשר לעולם לא יעברו מתילציה, ואתרים שיעברו מתילאציה רק ברקמות מסוימות, בסוגי תאים מסוימים או בתנאים פיזיולוגיים מסוימים.

מעבר למתילציה באזורי בקרה של ביטוי גנים, קיימים גם אתרים ממותלים בתוך גופם של גנים (האזור המקודד). לרוב, אתרים כאלה ימצאו בגנים אשר מתועתקים באופן תדיר. התפקיד של מתילציה בגוף הגן עדיין נחקר, אם כי קיימת סברה כי המתילציה מעורבת בבקרה על תהליך השחבור (splicing). מתילציה בגופם של גנים עשויה לדכא את הפעילות של רצפים חוזרים ו'קופצים' (טרנספוזונים) - רצפי DNA נייד, המסוגלים לנוע בין אתרים שונים בגנום של אותו התא. לפיכך, היציבות של אתרים ממותלים, הן בגוף גנים והן מחוצה להם, תורמת ליציבות הגנום ומגנה עליו מפני פעילות של טרנספוזונים. שינוי דגם המתילציה על טרנספוזונים קשור לצמיחת גודל הגנום, ולכן קיים מתאם בין גודלו של הגנום לבין תכולת רצפי ה-CpG שבו.

ככל הנראה, המנגנון המקשר בין מתילציה על ה-DNA לבין בקרת התעתוק של הגנים, הוא עיכוב קישור של חלבוני בקרה ל-DNA, כגון פקטורי תעתוק. לחלופין, קיימים חלבונים בעלי יכולת קישור רצפי DNA המכילים מתילציה על זוג הנוקלאוטידים CpG הממותל דרך אזור בחלבון הקרוי Methyl CpG binding domain – MBD's. לאחר הקישור לרצף ה-DNA הממותל, חלבונים אלה מגייסים חלבונים נוספים לאזור בגנום אותו קשרו, מה שיוביל לשינוי הזמינות של אזור זה גם ברמת חלבוני ההיסטון הקושרים אותו. שינוי זה יהפוך את האינטראקציה שבין החלבונים ל-DNA (כרומטין) למבנה דחוס יותר של הכרומטין, אשר מעכב ביטוי גנים.

דנ"א מתילטרנספראז (DNA methyl transferase) 
האנזים המבצע את המתילציה על גבי מולקולת ה-DNA נקרא DNA מתילטרנספאז (DNMT), והוא שייך למשפחה של אנזימים המתווכים את הצמדת קבוצת המתיל לצמד הנוקלאוטידים CpG ב-DNA. לרוב, מתילציה של DNA מתרחשת על עמדה C5 של צמד הנוקלאוטידים CpG, והיא מבוצעת על ידי פעילות אנזימטית של תחזוקת מתילציה קיימת או יצירת מתילציה חדשה (de novo).

תחזוקת האתרים הממותלים הכרחית במיוחד לאחר הכפלת ה-DNA בתא. ללא האנזים DNA מתילטרנספראז, מנגנון ההכפלה ייצור גדיל DNA שאינו ממותל, אשר עשוי להשפיע על בקרת ביטוי גנים המקודדים בו.

האנזים DNMT1 אחראי להעתקת דפוסי המתילציה שעל ה-DNA במהלך הכפלת הגנום של התא. האנזימים DNMT3a ו-DNMT3b אחראים ליצירת אתרי מתילציה חדשים, הקובעים את דפוסי המתילציה כבר בשלבי ההתפתחות המוקדמים. האנזים DNMT3L חסר פעילות קטליטית, אך מעלה את יכולת הקישור של אנזים המתילטרנספראז ל-DNA, והמגביר את פעילותו.

איי CPG 

ברחבי הגנום קיימים מקטעים עשירים ברצפי CpG, הנקראים "איי CpG". לרוב, מקטעים אלה אינם עוברים מתילציה. לאיי CpG שני מאפיינים עיקריים: הראשון - אורכם עולה בדרך כלל על 200bp, והשני - החלק היחסי של הנוקלאוטידים גואנין וציטוזין (C+G) גדול באיים אלה מ-50%. בגנום האנושי, ישנם כ-25,000 איי CpG, ואורכם של כ-75% מהם קצר מ-850kb. איי CpG מהווים יחידות בקרתיות לביטוי גנים, ובהתאם, כ-50% מהם ממוקמים בפרומוטורים של גנים. 25% נוספים מהם נמצאים בתוך גוף הגנים, שלעיתים משמשים כפרומוטרים אלטרנטיביים.

לכ-60-70% מהגנים באדם איי CpG באזור הפרומוטור. לרוב, גם פרומוטורים של גנים פעילים (מתועתקים), שאינם מכילים איי CpG, מכילים ריבוי של רצפי CpG - בדרך כלל, בלתי-ממותלים. עם זאת, גנים אשר מושתקים מבחינת תעתוק ברקמה מסוימת, לא בהכרח יהיו בעלי פרומוטור ממותל - ודבר זה מדגים את העיקרון שעל פיו הקשר בין מתילאציה להשתקת ביטוי אינו מוחלט (איור 3).

דפוסי מתילציה בגנום 
במהלך הכפלת ה-DNA, הגדיל החדש נותר בלתי ממותל, בעוד גדיל התבנית (template) שומר על תבנית המתילציה שלו. תופעה זו נקראת Hemi methylation, והיא מהווה תבנית לפעילות ה-DNA מתילטרנספראז, המשלים את הוספת קבוצת מתיל בגדיל החדש של ה-DNA. בהתאם, שיירי CpG בלתי ממותלים לא יזוהו על ידי ה-DNA מתיל טרנספראז כדי לשמור על תבנית המתילציה. באופן זה, דפוס המתילציה שהיה בתא-האם יועתק אל תאי-הבת לאחר החלוקה. הבסיס למנגנון זה הוא הסימטריה של שיירי ה-CpG, המאפשרים את קיום המתילציה על גדיל אחד של ה-DNA, המשמש כתבנית למתילציה שתתבצע בגדיל השני בעזרת מתילטרנספראז DNMT1.

מתילציה ב-DNA במהלך ההתפתחות העוברית 
במהלך ההתפתחות העוברית, דפוסי המתילציה על ה-DNA שהורשו מן ההורים נמחקים כמעט לגמרי ומתבססים מחדש. למעשה, כמעט כל האתרים הממותלים שהושרו מן ההורים יאבדו את שיירי המתיל (דה-מתילציה) עוד במהלך יצירת תאי המין (הגמטות) של ההורים, עם איבוד שיירי המתיל שוב במהלך ההתפתחות העוברית. לאחר תחילת ההתפתחות העוברית, דגם המתילציה בגנום "נכתב" מחדש. במהלך השרשת העובר ברחם, מתרחש גל של אירועי מתילציה על גבי ה-DNA, בעוד שאיי ה-CpG נשארים מוגנים ממתילציות. גל מתילציות זה מביא לכך שגנים הדרושים לתחזוקת התא (Housekeeping genes) יבוטאו. לאחר ההשרשה, דפוסי המתילציות תלויים בשלב ההתפתחות, וספציפיות לרקמה עם שינויים בביטוי אשר יגדירו את ההבדלים בין סוגי התאים.

מתילציית ה-DNA הכרחית עבור תאים שעוברים התמיינות, לעומת תאים ממוינים. בהתאם, השתקה של DNA מתילטרנספראז מובילה למוות בתאים עובריים.

מתילציה על ה-DNA מסמנת מצב שבו התעתוק אינו פעיל בלוקוס גנומי מסוים, אך אינה גורמת בהכרח להשתקה של התעתוק. המתילציה קריטית במיוחד בהשתקה של אלל יחיד בהקשר של החתמה גנומית ובהשתקה של כרומוזום X - תופעות, המתרחשות במהלך ההתפתחות העוברית. במקרים אלה, המתילציה משפיעה על הביטוי של אללים מסוימים ועל השתקת האלל בכרומוזום הומולוגי. בכרומוזום X ביונקים, אובדן המתילציה עלול לשבש את מנגנון ההשתקה של אחד הכרומוזומים בתאים נקביים. תופעה זו קשורה בביטוי מחדש של הגן XIST , שהוא מולקולת RNA בעלת פעילות בקרתית, ומתבטאת באופן נורמאלי רק מכרומוזום ה-X המושתק בתאים הסומאטים.

מתילציה על חלבוני היסטון 
מתילציית היסטונים היא תהליך שבו קבוצת המתיל מוצמדת לחומצת אמינו בחלבוני ההיסטון המעורבים באריזת הגנום. מיקום המתילציה על חומצות האמינו בחלבוני ההיסטון, ומספר המתילציות, קשורים לשינויים בתעתוק הגנים המקודדים ברצף הנבדק. ההיסטונים יכולים לעבור מתילציה על שיירי חומצות האמינו ליזין או ארגינין, והמתילציה הנפוצה ביותר היא על שייר הליזין של זנב חלבוני ההיסטון H3 ו-H4. חומצת האמינו ליזין יכולה לעבור מתילציה בודדת (מונו-מתילציה), שני אירועי מתילציה (די-מתילציה) או שלושה אירועי מתילציה (טרי-מתילציה), כאשר כל קבוצת מתיל יכולה להחליף מימן מקבוצת ה-NH3. החומצה האמינית ארגינין יכולה לעבור מונו-מתילציה או די-מתילציה על קבוצת NH2 ו-NH2+ בהתאמה.

אירועי מתילציה על זנבות היסטונים בשיירי חומצות אמינו שונות מהווים סמנים לגיוס מגוון חלבונים המבקרים כרומטין פעיל או לא פעיל. ידוע כי באתרים H3K4, H3K48 ו-H3K79, המתילציה מקושרת לפעילות של גנים. לעומת זאת, מתילציה באתרי H3K9 ו-H3K27 בחלבוני ההיסטון קשורה לחוסר פעילות של גנים.

מספר המתילציות על שייר חומצה אמינית מסוים משפיע על הפונקציה שלו. לדוגמה כאשר השייר H4K20 ממותל פעם אחת, הוא מעורב בדחיסה של הכרומטין, ולכן מעורב בהורדת רמות תעתוק. כאשר שייר זה ממותל פעמיים, הוא מתפקד כמתווך לחלבון אשר אחראי לתיקון נזקי DNA - שבר דו גדילי. כאשר שייר זה ממותל 3 פעמים, הוא נפוץ בעיקר באזורים דחוסים של ההטרוכרומטין. לכן, מתילציה שלישית זו מעורבת בהשתקת הכרומטין. 

היחידה הבסיסית של הכרומטין היא הנוקלאוזום הבנוי מ-8 תת-יחידות של חלבוני היסטון: H2A, H2B, H3 ו-H4, כאשר כל אחד מהם נמצא בשני עותקים (איור 4). לכל אחד מחלבונים אלה זנב, המהווה מטרה למתילציה על הנוקלאוזום המסתיים בקצה ה-N, אשר נמצא בחלק הרחוק מליבת ההיסטון. מתילציה אשר מחלישה את עצמת הקישור (אפיניות) בין זנב ההיסטון לבין מולקולת ה-DNA תביא לעלייה בתעתוק גנים, מפני שכך ה-DNA אינו עוטף עוד את הנוקלאוזום, ועל כן הוא נגיש לחלבוני תעתוק ול - RNA פולימראז. זהו הליך מהותי לבקרת ביטוי גנים.

היסטון מתילטראנספרז 
הגנום נמצא במבנה דחוס של כרומטין, ועל מנת שניתן יהיה לתעתק אותו, יש צורך לפתוח את מבנה הכרומטין ולהפוך אזור נתון לזמין למנגנון התעתוק. בהתאם, על מנת לעצור תעתוק של גן מסוים יש לדחוס את הכרומטין - פעולה, שנעשית דרך מעורבות של מתילציה בהיסטונים. היסטון מתילטרנספראזות הם אנזימים המסוגלים להצמיד קבוצת מתיל לשיירי ליזין או ארגינין בחלבוני היסטון H3 ו-H4.

מתילציה על שייר של ארגינין נעשית על ידי קומפלקס הכולל את החלבון ארגינין מתילטרנספראז (PRMT), בעוד מתילציה על שייר של ליזין נעשית באמצעות היסטון מתילטרנספראז (HMT) המכיל לרוב SET domain השמור אבולוציונית. על כן, היסטון מתילטרנספראז מעורב בבקרת ביטוי של גנים שונים בתאים מסוגים שונים.

מתילציה ב-RNA 
מתילציה על ה-RNA היא בקרה שמתבצעת לאחר תרגומה של מולקולת ה-mRNA. נכון לתחילת שנות ה-20 של המאה ה-21, ידועים למעלה מ-150 סוגים של מודיפקציות על mRNA, tRNA, rRNA, small non-coding RNA (sncRNA) - long-chain non-coding RNA) lncRNA) המשחקים תפקיד בקרתי בביטוי גנים. פגמים במתילציות RNA משקפים מגוון רחב של שינויים פיזיולוגים ופתולוגיים בגוף. שינויים במתילציות על RNA תוארו בסוגי סרטן שונים, מחלות במערכת החיסון, סכרת, מחלות נוירולוגיות וזהומים ויראלים. המתילציה הנפוצה ביותר על mRNA היא m6A בתאים אאוקריוטים. מתילציה זו מעורבת בבקרה אפיגנטית על גנים, ושינוי בה יכול להוביל להתפתחותם של גידולים סרטניים. שינויים דינאמיים במתילציה זו משחקים תפקיד בקרתי בהתפתחותה של מערכת העצבים המרכזית, ופגם בה מעורב בניוון תאי מערכת העצבים במחלות כמו אלצהיימר.

מתילציות על RNA מתרחשות גם על חלבונים כמו מתילטרנספראזות ודה-מתילזות, ועל חלבוני הכרה למתילציות של RNA.

מרביתן של המתילציות של m6A על ה-mRNA נעשות על ידי methyltransferase-like 3 (METTLE3)

בעל פעילות קטליטית, בעוד METTL14 מסייע בקשירת סובסטרט ה-RNA.

מעורבות המתילציה במחלות ותסמונות 
תוארו תסמונות הנגרמות כתוצאה מפגם ספציפי במתילציה. במסגרת כך, ייתכנו פגיעה המשפיעה באופן ישיר על הפנוטיפ, או פגם עקיף שעלול להשפיע על דפוס מתילציה כחלק מפנוטיפ רחב יותר. להלן מספר דוגמאות:

סינדרום Rett: תסמונת נוירו-התפתחותית, המאופיינת בעצירת הגדילה של הפרט בגיל שבין 6 ל-18 חודשים; בנסיגה במיומנויות בנרכשות; באובדן יכולת הדיבור; ובלקויות שכליות. תסמונת זו משפיעה בעיקר על נקבות, בתדירות של אחת לעשרת אלפים לידות. בתסמונת זו, תוארה מוטציה בגן המקודד לחלבון הקושר קבוצת מתיל ברצף CpG (MeCP2).

תסמונת (Beckwith Wiedeman (BWS: תסמונת זו מורשת לרוב מהאם, ומעורבת בגדילת-יתר של העובר לפני ואחרי הלידה. בלוקים בתסמונת זו, תוארה נטייה לפתח גידולים סרטניים בעובר, כגון נפרובלסטומה. הלוקוס בתאחיזה לתסמונת זו מתפרש על פני 1Mb, וכולל בתוכו מספר גנים העוברים החתמה גנומית. אזור זה כולל שני תתי-אזורים, העוברים בקרה עצמאית. השינוי הנפוץ ביותר בתסמונת זו הוא היעדרות של המתילציה באלל ממוצא אימהי באתר KvDMR1, הנמצא בתוך אי CpG בגןKCNQ1, וכן שינוי בדגמי מתילציה באזורי בקרה של הגניםH19, IGF2.

תסמונת גדילת יתר: הפרעות המקושרות לגדילת יתר מאופיינות במוגבלות שכלית, בשינויי גובה ובעיוותים בפנים. התסמונת נגרמת ממוטציות ברצף של דנ"א מתילטרנספראז DNMT3A, המשנות שייר באתר החלבון (domain) ומפריעות ביצירת קשר בין ההיסטונים.

במסגרת זו, תסמונת Weaver גורמת לגדילת יתר, ומאופיינת במבנה גוף גבוה, בגיל עצם מתקדם, בעיוותים בפנים ובלקויות שכליות. תסמונת זו נגרמת כתוצאה ממוטציה הטרוזיגוטית באנהנסר של zeste homolog 2 (EZH2), המהווה חלק מקומפלקס PRC2 האחראי על ארגון הכרומטין ועל המתילציה על היסטון H3 בעמדה של ליזין 27 (H3K2me3).

סרטן: שינויים במתילציה ברחבי הגנום זוהו כבעלי תפקיד משמעותי בהתפתחות של סוגי סרטן שונים. שינויים אלה משפיעים על בקרת ביטוי הגנים ממצב תקין למצב של מחלה. אי ה-CpG בפרומוטר של גן עובר מתילציות יתר, אירוע המוביל להשתקת התעתוק, שעשוי להיות מורש לתאי הבת במהלך חלוקות התא. בשלבים מוקדמים של התהליך הסרטני מתרחשת הפחתה במתילציות ברחבי הגנום, בנוסף לחוסר יציבות כרומוזומלית - כל זאת במיוחד בלוקוסים גנומים, המכילים אונקוגנים.

התקדמות התהליך הסרטני קשורה גם בשינויים בדפוס המתילציות כתוצאה ממוטציות במתיל טרנספראזות ובדה-מתיל טרספראזות, המשפיעים על מתילציית יתר בגנים המדכאים גידולים סרטניים, ובחוסר מתילציות בגנים אונקוגנים.

טרשת עורקים: שינויים אפיגנטים כדוגמת מתילציות על ה-DNA קושרו למחלות בלב ובכלי הדם, כולל טרשת עורקים. בטרשת עורקים ניתן לראות ירידה כללית ברמת המתילציה באזורים ספציפיים בגן, שבהם מתקיימת מתילציית יתר באופן נורמלי. ניתן לראות שונות של מתילציות על ה-DNA בתאי מונוציטים ולימפוציטים, אשר עוברים ירידה במתילציה, שגורמת מצדה לרמות גבוהות של הומוציסטאין, הידוע כגורם המעלה את הסיכון למחלות לב. רמות גבוהות של הומוציסטאין מעכבות את ה-DNA מתילטרנספראז, מה שמסביר ירידה במתילציה המשפיעה על גנים הקשורים לגידול ולהתחלקות של תאי שריר חלקים.

תסמונת ה-X השביר: תסמונת זו מתרחשת אחת ל-400 לידות של זכרים, ומאופיינת בפיגור שכלי מורש. מוטציה באזור ה-5' UTR בגן FMR1 מביאה להגדלת מספר החזרות של מקטע CGG. כאשר מספר החזרות גדול מאוד (מעל כ-200 לעומת מצב רגיל שבו מתקיימות עד 50 חזרות) מתקבלת תסמונת זו. בחלק מן הלוקים בתסמונת זו, מופיעה מתילציה דה נובו על מספר החזרות המורחב, המשתיקה את התעתוק של הגן FMR1.

זאבת אדמנתית (SLE): מחלה אוטואימונית, הנפוצה יותר בקרב נשים, והמופיעה אחת ל-2000 פרטים באוכלוסייה. מחלה זו מאופיינת ביצור של נוגדנים כנגד ה-DNA ותאי T-cell שבהם היה אובדן של מתילציות ברחבי הגנום.

Immunodeficiency, centromeric region instability, and facial anomalies syndrome - ICF: תסמונת נדירה ורצסיבית, הנובעת מפגם במערכת החיסונית. התסמונת מורשת באופן מנדלי. היא מאופיינת בכשל חיסוני חמור, הנגרם מחוסר באימונוגלובולין, ובתווי פנים לא סטנדרטים. המחלה נגרמת כתוצאה מירידה במתילציה, אשר מצדה, נגרמת כתוצאה ממוטציה מורשת בדנ"א מתילטרנספרז DNMT3B.

ראו גם 
 קוד היסטונים
 כרומטין
 נוקלאוזום
 אצטילציה
 החתמה גנומית
 השתקה של כרומוזום X
 דנ"א מתילטרנספראז
 ביטוי גנים
 אפיגנטיקה
 בקרת שעתוק

קישורים חיצוניים

 האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים - אפיגנטיקה בשירות הבקרה על ביטוי גנים

הערות שוליים 

גנטיקה מולקולרית