התורשה שמעבר לדנ"א - חלק א'

המונח אפיגנטיקה – מעל הגנטיקה – הוא מונח מדעי שהוטבע לראשונה על-ידי קונרד הל וודינגטון כבר בשנות ה-40 המוקדמות של המאה הקודמת. מאז עבר גלגולים שונים ומובנו של המונח השתנה לאורך ההיסטוריה המדעית עד שהגיע להגדרה הברורה והמדויקת המקובלת כיום. עם השלמת פרויקט הגנום האנושי גובשה ההגדרה ובעקבותיה התחום כנפרד בביולוגיה, והיא מתייחסת למידע שעובר מתא או מיצור רב-תאי לצאצאים ושאינו קשור לרצף הבסיסים שבדנ"א.

תוך כדי עיסוקו באמבריולוגיה הגדיר לראשונה בשנת 1942 את המושג אפיגנטיקה כ:חקר התהליכים בהם הגנוטיפ מכתיב את הפנוטיפ, כאשר הגנוטיפ מתייחס לכל המערך הגנטי של הזיגוטה (הביצית המופרית), והפנוטיפ מתייחס לכלל התכונות של האורגניזם הבוגר.

לפיכך, הוא ראה באפיגנטיקה את מכלול תהליכי ההתפתחות ההופכים זיגוטה ליצור בוגר, תהליכים הכוללים יחסי גומלין בין גנים לתוצריהם, והשפעות של גורמים סביבתיים, למרות שתפקיד הגנים בתהליכי ההתפתחות היה עדיין לוט בחשיכה ולמעשה גם שיוך הדנ"א עצמו לחומר התורשתי נקבע על-ידי אלפרד הרשי (Hershi) רק ב-1952, אם כי הדנ"א התגלה כחומר תאי כבר בשנת 1869.

שינוי בפנוטיפ, לדעתו, תלוי ברקע הגנטי בכללותו ובאינטראקציות עם גורמים סביבתיים, כמו בעת יצירת האיברים השונים אחד מהשני מבחינה מבנית ותפקודית, למרות הזהות הגנוטיפית. במונחים של היום, הוא התכוון לתהליכי ההתמיינות – הבקרה על התבטאותם של גנים ייחודיים בזמנים שונים וברקמות שונות.

וודינגטון טען אז שקיים קשר אמיץ בין תחומי הביולוגיה השונים כמו: ציטולוגיה, אמבריולוגיה, תורת האבולוציה והביולוגיה של התא. האפיגנטיקה, על פי השקפתו, מהווה את אזור החיתוך בין הגנטיקה וההתפתחות עם נגיעה באקולוגיה, כשכל התחומים יחד מהווים את שורשי האבולוציה.

אולם השקפתו של וודינגטון היתה תיאורטית ופילוסופית ללא שום מידע על המולקולות המשתתפות בתהליכים, לא כל שכן על אינטראקציות ביניהן. ההנחה היתה שהגנים והאינטראקציה בינם לסביבה הם האחראים הבלעדיים לקביעת התכונות של היצור החי. אחרי תגליתם של ג'יימס ווטסון (Watson) ופרנסיס קריק (Crick) ב-1953, הניחו שכל המידע הנחוץ לקביעת תכונה כלשהי גלום ברצף הדנ"א של הגן.

היא מצאה שהגורם לתופעה המוזרה היה עוד יותר מוזר: מקטעים של דנ"א שמשכפילים את עצמם ו"קופצים" ממקום למקום בדנ"א (transposable genetic elements), המכונים אפיזומים ובמקומות מסוימים עשויים לשנות באופן הפיך את הפנוטיפ של התא. תא כזה שנוצר אחרי ההפריה מעביר לצאצאיו את הפנוטיפ החדש, וכך כל התאים שמהווים את גרגיר התירס יבטאו אותה תכונה.

כמובן שהרעיון יוצא הדופן גרם למדענים בקהילה המדעית להרים גבות, להסתייג ואפילו להתעלם ממסקנותיה. רק עם התפתחות השיטות המולקולריות שאיפשרו את בידודם וזיהויים של האפיזומים, בנוסף לעובדה שאפיזומים נמצאו ביצורים אחרים כמו בזבוב הפירות ובשמרים, זכו מסקנותיה של מקקלינטוק להכרה, ובשנת 1983 קיבלה פרס נובל לפיסיולוגיה ורפואה על עבודתה זו, האשה הראשונה שזכתה בפרס לבדה.

ואם נחזור לענייננו מהסטייה הקלה, הרי שתופעה זו ענתה על דרישות הגדרתו של וודינגטון ונחשבה אז כתופעה אפיגנטית; מקקלינטוק סברה ששינוי מקומם של גנים עשוי להיות מנגנון חשוב בבקרה של התבטאות גנים בזמן ההתמיינות וההתפתחות.

מונו הסתמך על הידע שצבר בעבודה עם חיידקים שהם חד-תאיים. עם ההתפתחות של יצורים רב-תאיים מורכבים, בהם תא מופרה יחיד מתפתח ליְצור מעוצב לתלפיות המכיל - אם ניקח לדוגמה את האדם - טריליוני תאים בעלי תפקודים ייחודיים, ההנחה שאפשר להסביר את מכלול התכונות שנדרשות ליצירת מבנים ותפקודים מורכבים באמצעות מרכיב אחד או מספר מרכיבים מולקולריים ירדה מהפרק. התברר שרשת של אלפי מרכיבים מולקולריים, משפיעים ומושפעים, משתתפים ביצירה ועל כן נחוץ מנגנון-על שיפקח על המלאכה.

והרי שתי דוגמאות "למארקיות" שנמצאו בבני אדם ובעכברים בהן מתבטאת השפעת תזונת האמהות על תכונות צאצאיהן.

בשלהי מלחמת העולם השנייה הטילו הגרמנים אמברגו על הכנסת מזון למערב הולנד – אזור צפוף אוכלוסיה שכבר סבל דיו מאספקה דלה ביותר של מוצרי מזון, הרס החקלאות וחורף קשה במיוחד – וכתוצאה מכך נגרם מותם מרעב של כ-30,000 אנשים.

פרטי התינוקות שנולדו באותה תקופה שכונתה "החורף של הרעב ההולנדי" נחקרו רבות על-ידי קבוצות שונות של חוקרים, ונמצא שבנוסף למגוון בעיות ההתפתחות מהן סבלו הילדים, כגון: משקל נמוך בלידה ובעקבות זאת התפתחות של סוכרת מסוג 2 (ראו מדור "תזונה" בגיליון 74), השמנת יתר, מחלות העורקים הכליליים של הלב, סרטן השד וסרטנים נוספים (מחלות המאפיינות שמנים-ביתר, כנראה בתגובה להפעלת מנגנוני ניצול מרבי של אנרגיה כתוצאה מתקופת המחסור), גם הנכדים והנינים נולדו במשקל נמוך מהממוצע.

הדוגמה השנייה פורסמה ב-2002 על-ידי חוקרים מאוניברסיטת דיוק (Duke) בצפון קרוליינה שבדקו את השפעת התזונה של עכברות מזן אגוטי (agouti) על צבע הפרווה של צאצאיהן.

קבוצת עכברות אגוטי בהריון קיבלה את מזונה הרגיל, ואילו קבוצת עכברות שנייה קיבלה מזון מועשר בתוספים. נמצא שצאצאי הקבוצה השנייה נולדו כשאת גופם עוטה פרווה כהה יותר וכן הם היו מועדים פחות להשמנת יתר, לסוכרת מסוג 2 ולסרטן בהשוואה לעכברים הזהים להם גנטית שנולדו לעכברות שלא קיבלו תוספת.

דוגמה נוספת נראתה בזני דרוזופילה – זבובי פירות – שהגיבו למצבים של עקה בהופעת פנוטיפ שבעיניו מזדקרים תוספתנים דמויי זיפים. האם צדק למארק? מובן שלא. התופעות נראות "למארקיות" לכאורה, אבל הסיבות הן, כפי שהוכח, ביוכימיות בעיקרן.

מרעיונות מופשטים לביוכימיה

עם חקירתם והכרתם של המנגנונים המולקולריים המבקרים את פעילותם של הגנים ואת התורשה הפנוטיפית חל שינוי במשמעות שניתנה לאפיגנטיקה. הנושא, כאמור, הפך לתחום בפני עצמו שגבולותיו תחומים וצרים.

הראשון שהגדיר את האפיגנטיקה במובנה הצר ב-1987, היה רובין הולידיי (Holliday), ובעקבותיו, ב-2001, במאמרו בעיתון סיינס, מיקד ג'יימס מוריס (Moriss) את ההגדרה לזו הרווחת כעת, אותה הגדרה שהזכרנו בתחילת המאמר והיא: חקר השינויים בתפקוד הגנים שעוברים בתורשה (אם במיטוזה: חלוקת תאים רגילה, או במיוזה: חלוקת הפחתה שחלה בזמן יצירת תאי מין) ושאינם קשורים לשינויים ברצף הדנ"א. הכוונה היא לכל אותם מנגנונים המבקרים את פעולת הגנים ברמה שמעל לרצף עצמו.

המנגנון הנחקר, הוותיק והמוכר ביותר הוא מנגנון המתילציה – הוספת קבוצות מתיל (CH3) למולקולת הדנ"א. המתילציה מתבצעת על-ידי משפחה של אנזימים שמכונים ציטוזין- (דנ"א – 5)- מתיל- טרנספרזות (DNMT) המעבירים קבוצת מתיל מהמולקולה S- אדנוזיל מתיונין לעמדה 5 של בסיס הציטוזין בדנ"א. המתילציה נעשית על ציטוזין שלצדו ה-'3 נמצא גואנין: ‘3 ‘ - CpG-5.

מתילציה של הדנ"א גורמת להשתקה של גנים (silencing) ולפיכך, מספרם של הציטוזינים הממותלים ותבנית המתילציה בדנ"א קובעים את מצב התפקוד של הגנים: רמה נמוכה של מתילציה מלמדת על רמת פעילות גבוהה וההיפך. כ-70% מהציטוזינים שבצמדי CpG, המצויים באזורים דלים בצמדים אלה, ביונקים, ממותלים.

שאר הצמדים מקובצים בצברים בני 500 זוגות בסיסים שתכולת ה- CpG בהם היא למעלה מ-55%, צברים אלה קרויים איי-CpG וממוקמים במעלה הגן קרוב לקצה ה-5 של הגנים, ליד הפרומוטר. מקטעים אלה מוגנים ברובם הגדול מפני מתילציה וקשורים לגנים האחראים על אחזקת "משק הבית" בכל תא ותא.

יוצאים מכלל זה הם איי-CpG הקשורים לגנים שעוברים הטבעה גנטית (ראו מסגרת), לאלה שממוקמים לפני הפרומוטרים של גנים בכרומוזום X הלא-פעיל אצל נשים (ראו בהמשך), ובאתרים של רצפי נגיפים ורצפים חוזרים באזור הדנ"א שאינו מקודד יצירת חלבונים.