בקרת שעתוק

בביולוגיה מולקולרית ובגנטיקה, בקרת שעתוק כולל את מגוון הדרכים שבו תא מבקר את תהליך המרת ה-DNA ל-RNA (שעתוק), ובכך שותף בתהליך בקרת הגנים. גן בודד יכול להיות מבוקר בצורות רבות, כגון שליטה על כמות עותקי ה-RNA שמשועתקים וזמן השעתוק. שליטה זו מאפשר לתא ולאורגניזם להגיב למגוון אותות פנים וחוץ תאיים, כגון שעתוק גן המתאים לצריכת המזון הזמינה.
תהליך בקרת השעתוק חיוני לכל היצורים החיים. הוא מתווך על ידי גורמי שעתוק וחלבונים נוספים הפועלים יחד כדי לדייק את כמות ה-RNA הנוצר במגוון מנגנונים. לחיידקים ואיקריוטים יש אסטרטגיות שונות לבקרת שעתוק, אך חלק מן המנגנונים שמורים ביניהם.
מאפיין מרכזי של תהליך בקרת השעתוק הוא הבקרה הצירופית, לפיו כל גן בודד מבוקר על ידי סדרת חלבונים ייחודית. כך לדוגמה, גורמי שעתוק א וב יבקרו קבוצת גנים מסוימת, בעוד גורמי שעתוק א וג יבקרו קבוצת גנים אחרת. הבקרה הצירופית מאפשרת בקרה מורכבת הנוצרת על ידי גנים מועטים (כ-10%) המבקרים את השעתוק של התא כולו.

בחיידקים 
רוב המחקרים הראשונים שעסקו בבקרת שעתוק חקרו זאת בחיידקים, על אף שהיקף ומורכבות השעתוק ביצורים אלו פחותה מאשר באיקריוטים. בקרת שעתוק בחיידקים נשלטת על ידי שלושה מרכיבים רצפיים:
 קדמים הם חלקים ב-DNA אליהם יכול להיקשר RNA פולימראז וחלבונים נוספים כדי לאתחל את השעתוק סמוך לרצף הגן עצמו.
 מפעילים (operators) הם אזורי הכרות לחלבונים מדכאי שעתוק, ובאמצעות קישורם לאתרים אלו הם חוסמים שעתוק גנים.
 אתרי בקרה חיובית, אליהם נקשרים גורמים שונים המעלים את רמות הביטוי של הגן.
מרכיבים אלו קיימים גם באיקריוטים, אך שם התמונה מורכבת יותר וכוללת יותר חלבונים, רצפי DNA שונים (כגון אינטרונים) ואריזת ה-DNA להיסטונים.

תהליך השעתוק הבסיס של גן חיידקי תלוי בעוצמת הקדם שלו ובנוכחותם של חלבונים מפעילים ודכאנים. בהיעדרם של מרכיבי בקרה נוספים, טיב הקשר בין RNA פולימראז לקדם קובע את רמות השעתוק, והוא תלוי ברצף ה-DNA של קדם הגן. טיב הקשר קשור לרצפי ההסכמה שנמצאים בקדם, לפני אתר תחילת השעתוק. ככל שרצף זה דומה יותר לרצף ההסכמה, טיב הקשר עולה.

בהיעדרם של מרכיבי בקרה נוספים, ברירת המחדל של שעתוק חיידקים הוא מצב פעיל, שבו מתבצע שעתוק ברמה קבועה. חלבונים מפעילים יעלו את רמת השעתוק וחלבונים דכאנים יורידו אותו. לרוב דכאנים נקשרים לקדמים, ובכך חוסמים פיזית את הגישה ל-RNA פולימראז. דכאן יכול להיקשר לקדם במקביל לקישור של RNA פולימראז ולמנוע ממנו גישה לגדיל השלילי המשמש כתבנית לשעתוק. באיקריוטים לעומת זאת, ברירת המחדל הוא מצב לא פעיל, ונדרשת פעולתם של משלימי ההפעלה הייחודים לגן כדי לאתחל את תהליך השעתוק.

גורמי סיגמא הם חלבונים ייחודים לחיידקים הנקשרים ל-RNA פולימראז ושולטים על אתחול השעתוק. הם מתווכים שעתוק תלוי רצף, כך שגורם סיגמא שולט על קבוצת גנים מסוימת. לדוגמה, בתגובה לעקה מסוימת, פקטור סיגמא ספציפי יוביל לשעתוק של גנים הנדרשים להתמודדות החיידק עם עקה זו.

במקביל לתהליכים המבקרים את שלב אתחול השעתוק, ייצור mRNA מבוקר גם על ידי קצב התארכות התעתיק. RNA פולימראז עושה הפוגות באופן תדיר, הנשלטות על ידי גורמי שעתוק (כגון NusG ו-NusA), צימוד השעתוק לתרגום ומבנה שניוני של mRNA.

באיקריוטים 
המורכבות של תא בעל גרעין נושאת עימה את הצורך במורכבות בקרת שעתוק. באיקריוטים ישנם מספר סוגים של RNA פולימראזות, שמתמחים בפעילות ובאתרי הבקרה. כל אחד מהם מבוקר באמצעות מנגנונים שונים. ניתן לסווג מנגנוני בקרה של פעילות פולימראזון לשלושה תחומים עיקריים:
 שליטה על נגישות פולימראזות לרצף ה-DNA. שליטה זו כוללת חלבונים מעצבי כרומטין, גורמי שעתוק, מעצמים, דכאנים ועוד גורמים רבים.
 התארכות תעתיק ה-RNA. לאחר ש-RNA פולימראז נקשר לקדם, נדרשים גורמים שונים כדי לאפשר לו להשתחרר מהקישור הזה ולנוע לתוך הגן עצמו.
 ניתוק הפולימראז. גורמים שונים נמצאו שולטים על איך ומתי הפולימראז יתנתק מה-DNA, ובכך נקבע גורל התעתיק.
שלוש מערכות אלו פועלים יחד כדי להגיב לאותות מהתא ולשנות את תוכנית השעתוק בהתאם.

בניגוד לשעתוק חיידקי, ברירת המחדל של שעתוק איקריוטי הוא מצב שאינו פעיל, ונדרשת התערבות של גורמים שונים כדי ליצור תעתיק RNA. ההבדל בברירת המחדל נובע בעיקר מהצורך לדחוס את ה-DNA בתוך גרעין התא, באמצעות ליפופו על גבי היסטונים. DNA הארוז כך אינו נגיש לחלבונים השונים, ואם קדם מלופף סביב היסטון נדרשת התערבותם של גורמים שונים כדי לחשוף את ה-DNA. לכן ארגון הכרומטין מהווה בקרת שעתוק. בדומה לגורם סיגמא בחיידקים, גורמי השעתוק הכלליים נדרשים באיקריוטים לשעתוק. תפקידם של גורמים אלו לייצב את הקשרים, לפתוח את הגדיל הכפול של ה-DNA כדי לאפשר גישה ל-RNA פולימראז לתבנית השעתוק, ולרוב לגורמים אלו אין העדפה לרצף DNA מסוים. חלק גדול מבקרת גנים מתווך באמצעות גורמי שעתוק שמגייסים או מעכבים את הקישור של מנגנון השעתוק הכללי או הפולימראז. גורמי השעתוק יכולים לפעול באמצעות מרכיבי הליבה של הקדם, או באמצעות מעצמים מרוחקים.

אחרי ש-RNA פולימראז נקשר לתבנית ה-DNA, לעיתים קרובות נדרש סיוע של חלבונים נוספים כדי לעזוב את הקומפלקס היציב בקדם ולעבור לשלב התארכות תעתיק ה-RNA. תהליך זה נקרא בריחת קדם, והוא יכול לעבור בקרה כדי להאיץ או להאט את השעתוק. באופן דומה, חלבונים וגורמים נוספים יכולים ליצור קשרים עם קומפלקס ההתארכות ולווסת את קצב התקדמות הפולימראז על גבי ה-DNA.

בקרה ברמת מצב הכרומטין 

באיקריוטים, DNA גנומי נדחס כדי שייכנס לגרעין התא. הדחיסה נעשית באמצעות ליפוף ה-DNA סביב שמונה חלבונים הנקראים היסטונים, מה שמונע את הגישה לחלקים נרחבים של ה-DNA בכל זמן נתון. חלקים נרחבים מה-DNA מושתקים באמצעות קוד היסטונים, ואינם נגישים לפולימראזות ולגורמים המשלימים. רמת הבקרה הגבוהה ביותר נעשית דרך עיצוב כרומטין, שבו ההיסטונים מוזזים כדי לחשוף או להסתיר אזורים מסוימים.

שינויים כימיים על זנבות ליבות ההיסטונים מעניקים להם תכונות ביוכימיות שונות המשפיעות על השעתוק. ישנן מודיפקציות רבות שמבוצעות על ידי אנזימים שונים, כגון היסטון אצילטרנספראזות (HAT), היסטון מתילטרנספראזות (HMT), היסטון דהאצטילזות (HDAC). אנזימים אלה יכולים להוסיף או להסיר קשרים קוולנטיים בין חומצות האמינו של זנב ההיסטון לבין מודפיקציות שונות, כגון קבוצות מתיל, אצטיל, זרחן ואוביקוויטין. קוד ההיסטונים יכול לגייס חלבונים שיסייעו לדחיסת הכרומטין ולהשתקת ביטוי גנים, או להגביר את הרווחים בין ההיסטונים ובכך לאפשר גישה לחלבונים שונים. לדוגמה, קומפלקס פוליקומב PRC2 מוסיף תלת-מתיל על ליזין בעמדה 27 של היסטון H3 (ולכן מסומן H3K27me3), אשר גורם לדחיסת ה-DNA ולהשתקת הגן. קוד ההיסטונים יכול להיווצר בתא עצמו, או שהוא מתקבל בתורשה אפיגנטית מההורים.

בקרה ברמת מתילציה על ציטוזין 

בקרת שעתוק בכ-60% מהקדמים נשלטת על ידי מתילציה של ציטוזין. ברוב האיקריוטים המתילציה מתבצעת על גבי ציטוזין שלאחריו נמצא גואנין, הנקרא אתר CpG. 5-מתילציטוזין (5-mC) הוא הסימון לנוקליאוטיד ציטוזין המכיל קבוצת מתיל בעמדה 5 במקום המימן שישנו שם בדרך כלל (ראו איור). mC-5 הוא סמן אפיגנטי שנמצא בעיקר באתרי CpG ביונקים. ישנם כ-28 מיליון אתרים כאלו בגנום האדם. ברוב רקמות היונקים, 70-80% מהציטוזינים הללו ממותלים, ופעמים רבות המתילציה נעשית על גבי אתרים סמוכים בגנום, עד ליצירת איי CpG. באדם, לכ-60% מהקדמים יש איי CpG בעוד לכ-6% מהמעצמים ישנם אתרים כאלו. איי CpG הם אתרי בקרה, מכיוון שמתילציה באתרים אלו יכולה להוריד את רמות הביטוי של הגן המבוקר על ידם.

מתילציה על גבי ה-DNA מבקר את שעתוק הגנים באמצעות חלבונים בעלי אתר קישור למתיל, כגון MeCP2, MBD1 ו-MBD2. חלבוני ה-MBD נקשרים באופן חזק לאיי CpG הממותלים ברמות גבוהות, ומלבד אתר הקישור למתיל מכילים גם אזור המדכא שעתוק. הם נקשרים ל-DNA ממותל ומכוונים לאיי ה-CpG קומפלקסי חלבונים בעלי יכולת עיצוב כרומטין אשר דוחסים את ה-DNA באזור, או חלבונים המשפיעים על קוד ההיסטונים באמצעות הוספת מודיפקציות מדכאות שעתוק.

המתילציה בקדמים משתנה כתוצאה מאותות שונים, ומתבצעת על ידי DNA מתילטרנספראזות. ישנם DNA מתילטרנספראזות אשר ממתלים גדיל אחד בהתבסס על גדיל ה-DNA השני, וישנם DNA מתילטרנספראזות הממתלים ציטוזינים שכלל לא היו ממותלים קודם לכן.

בקרה הנעשית באמצעות גורמי שעתוק ומעצמים

גורמי שעתוק 
גורמי שעתוק הם חלבונים שנקשרים לרצף ספציפי של DNA כדי לבקר רמת השעתוק של גן ספציפי. אורך רצף ההכרה הוא לרוב בסביבות 10 נוקליאוטידים. באדם ישנם כ-1,400 גורמי שעתוק שונים, המהווים כ-6% מכלל הגנים. באדם, כ-94% מהאתרים המכילים את רצפי הבקרה ממוקמים במעצמים, ויתר האתרים ממוקמים בקדמים. גורמי השעתוק יכולים להפעיל או לדכא גני מטרה רבים, והם עושים זאת בצורה צירופית בשלל מנגנונים. לדוגמה, מתליציה של ה-DNA משפיעה על הקישור של רוב גורמי השעתוק ל-DNA, מה שיכול להוביל לבקרה חיובית או שלילית על השעתוק. לעיתים קרובות זהו השלב האחרון במעבר אותות בתא, שקודם לו השפעה כלשהי על גורם השעתוק, כמו שינוי מיקומו בתא או פעילותו. מודיפקציות לאחר התרגום על גבי גורמי השעתוק יכולים לגרום להם לנוע מהציטוזול לגרעין התא, היכן שהם יכולים להיקשר לרצפי ההכרה ולפעול. גורמי שעתוק אחרים כבר נמצאים בגרעין התא, ועוברים מודיפקציות שהמאפשרות להם ליצור קשרים עם חלבונים נוספים. מודפיקציות אלו כוללות זירחון, אצטילציה, סומולציה ואוביקוויטינציה.

ניתן לחלק את גורמי השעתוק לשתי קבוצות עיקריות: מפעילי שעתוק ומדכאי שעתוק. בעוד מפעילי שעתוק לרוב יוצרים קשר ישירים או בלתי ישירים עם מרכיבי מנגנון השעתוק באמצעות קישור למעצמים, מדכאי שעתוק לרוב מגייסים קומפלקסים משלימי דכאנים שהמובילים לדיכוי שעתוק באמצעות דחיסת הכרומטין באזור המעצם. מנגנון נוסף בו משתמשים דכאנים הוא קישור פיזי לרצף הכרה משותף למפעלים ודכאנים, כך שקישור דכאן חוסם את האפשרות של מפעיל להיקשר. ישנם מנגנונים רבים השולטים על רמת הפעילות של גורמי שעתוק, כגון אלו ששולטים על מיקומו התוך תאי או על האפשרות שלהם להיקשר ל-DNA. דוגמה למנגנון בקרה ניתן לראות בחלבון HSF1, אשר נמצא בציטוזול וקשור לחלבון Hsp70. כאשר התא נחשף לעקה, כמו מכת חום, הוא נודד לגרעין ומפעיל קבוצת גנים שעוזרים לתא להתמודד עם העקה.

מעצמים 
מעצמים הם רצפי DNA שאינם מקודדים שמכילים אתרי קישור למפעילים ודכאנים. אורכם נע ממאות נמוכות ועד אלפי זוגות בסיסים, והם יכולים להיות מוקמים בכל מקום בגנום - לפני הקדם, בתוך אינטרונים - של הגן המבוקר או של גנים אחרים, באזורים של DNA לא מקודד שבו לא נמצאים גנים כלל. באמצעות התפתלות ה-DNA, מעצמים פעילים מתקרבים לקדם של הגן הרלוונטי. ההערכה היא שבאדם, קדם מבוקר בו זמנית על ידי 4–5 מעצמים, ויצירת הקשר הזה מאפשרת את בריחת הקדם של RNA פולימראז ומאפשרת לו לשעתק. מעצם אחד יכול לבקר גנים שונים, בלי שנדרש קשר או קרבה ביניהם. לעיתים מעצמים יכולים להיות ממוקמים על גבי כרומוזומים השונים מהכרומוזום בו נמצא הקדם.

בסרטן 
בחולייתנים, רוב הקדמים מכילים איי CpG המכילים אתרי CpG רבים. כאשר אתרים אלו ממותלים ברמות גבוהות, הגן מושתק. סרטן המעי הגס מאופיין ב-3–6 מוטציות שמובילות למחלה ועוד 33–66 מוטציות נוספות. עם זאת, ייתכן שהשתקת השעתוק חשובה יותר מאשר המוטציות במהלך התפתחות הסרטן. בסרטן המעי הגס, 600-800 גנים מושתקים על ידי איי CpG. דיכוי שעתוק בסרטן יכול להיגרם על ידי מנגנונים אפיגנטיים נוספים, כגון שינוי רמות הביטוי של microRNA. בסרטן השד, דיכוי השעתוק של BRCA1 נגרם לרוב בעקבות ביטוי ביתר של microRNA-182 ולא בגלל עלייה ברמות המתילציה בקדם.

קישורים חיצוניים 

ביולוגיה מולקולרית