מעצם

המעצם בדרך כלל אינו ממוקם בסמוך לגן המטרה שלו, ולכן על מנת שיוכל לפעול, הכרומטין (ה-DNA והחלבונים העוטפים אותו) מתקפל כך שהמעצם יגיע לסביבת הקדם (פרומוטור) של גן המטרה. המעצם אינו מתאפיין ברצף נוקלאוטידים ספציפי המבדיל בינו לבין אלמנטים אחרים בגנום, אלא על ידי שינויים אפיגנטיים (מודיפיקאציות). שינויים אלה מאפשרים יצירת זמינות (פתיחת) הכרומטין באזור המעצם וקישור של גורמי תיעתוק שמסייעים בבקרת התיעתוק של גן המטרה.

המעצם הראשון בבני אדם התגלה בשנות ה-80 של המאה ה-20 בעת המחקר של בקרת משפחת גני הגלובין בחולת בטא-תלסמיה. בטא-תלסמיה היא מחלה תורשתית רצסיבית הנגרמת כתוצאה ממוטציות בגן המקודד לחלבון בטא-גלובין, המובילה לייצור מופחת של השרשרת החלבונית מסוג בטא - אחת משתי השרשראות החלבוניות (אלפא ובטא) המרכיבות את חלבון ההמוגלובין. החולים בבטא-תלסמיה סובלים מפגיעה בתאי הדם האדומים ובנשיאת החמצן אל תאי הגוף. בשנת 1989 תוארה חולת בטא-תלסמיה אשר נולדה להורים שלא נושאים את המוטציות בגן הבטא-גלובין, ממצא המצביע על כך שהחולה נושאת מוטציה חדשה (de-novo mutation). אנליזה שהתבצעה על הגנום של החולה חשפה חֶסר של מקטע DNA הממוקם לפני (בכיוון '5), אך לא בסמיכות, לגן הבטא-גלובין, ולכל משפחת גני הבטא גלובין. הירידה בייצור בטא-גלובין וכל הגנים ממשפחת הבטא גלובין (אפסילון, גמא ודלתא) והופעת תסמיני המחלה הובילו להבנה, שמקטע ה-DNA החסר משמש כאזור בקרה, והוא מעודד את התיעתוק של הגן המקודד לבטא-גלובין. כיוון שהמקטע היה מעורב בביטוי משפחת גני הגלובין ובקביעת התזמון של ביטויים במהלך ההתפתחות העוברית הוא זכה לכינוי locus control region ומאוחר יותר – מעצם על (super enhancer).

שינויים אפיגנטיים

 

מעצמים אינם מכילים רצף הסכמה ייחודי המבדיל בינם לבין אזורי בקרה אחרים או אזורים מקודדים, ולכן לעיתים קיים קושי לזהותם. עם זאת, קיימים מספר שינויים (מודיפיקאציות) אפיגנטיים שעשויים להעיד על כך שרצף DNA מסוים מתפקד כמעצם . ראשית, על מנת שרצף DNA יוכל לשמש כמעצם הוא מוכרח להיות נגיש לקישור של גורמי תיעתוק, ולכן הכרומטין באזור הרצף צריך להיות פתוח. בנוסף, הוספת מודיפיקאציות על גבי חלבוני היסטון הסמוכים לרצף עשויות להצביע גם הן על כך שהרצף מתפקד כמעצם. למשל, הסבירות לכך שמקטע DNA מתפקד כמעצם פעיל עולה, אם קיימת קבוצת אצטיל על החומצה האמינית ליזין בעמדה ה-27 על היסטון 3 (H3K27ac)^,. המודיפיקאציות הן דינאמיות, ומקטע ששימש כמעצם יכול לחדול מלתפקד כמעצם על ידי שינוי המודיפיקאציות האפיגנטיות שלו. לדוגמה, סגירת הכרומטין באזור או החלפת קבוצת האצטיל בשלוש קבוצות מתיל (H3K27me3) מעידה שהרצף אינו מתפקד כמעצם.

מיקום

 

בשונה מהקדם (פרומוטור) הממוקם בסמיכות ולפני גן המטרה (בכיוון '5), המעצם יכול להימצא כמעט בכל מקום בגנום, לרבות אזורים מקודדים (אקסונים), אינטרונים ובין גנים. ברב המקרים הידועים, המעצם מופיע על אותו כרומוזום כמו גן המטרה שלו (בכיוון '5 או '3), ואך לעיתים הוא ממוקם על כרומוזום שונה. לעיתים קיימות בגנום קבוצות מעצמים המעודדות את ביטוי גן המטרה בזמן או ברקמה ספציפיים הנמצאים בסמיכות זה לזה על רצף ה-DNA; קבוצות המעצמים יכולה לבקר את ביטוי אותו הגן בזמן או ברקמה שונים יכולים להיות מקובצים במיקום גנומי אחר. בנוסף, ניתן למצוא בגנום אזורים המכילים מעצמים רבים וסמוכים המבקרים את ביטויים של גנים שונים. אזור כזה מכונה מעצם-על (למשל הדוגמה של בקרת גני הבטא גלובין).

מנגנוני פעילות

פעילות המעצמים בגנום חיונית לתפקוד התא, והיא ספציפית לזמן במהלך ההתפתחות העוברית, או לרקמה. כלומר, אם רצף מסוים מתפקד כמעצם ברקמה ספציפית המודיפיקציות האפיגנטיות האופייניות למעצם יופיעו על גבי ההיסטונים והאזור הגנומי הרלוונטי רק באותה הרקמה. באותו אופן, אם מקטע DNA מתפקד כמעצם בזמן התפתחותי מסוים, אותן המודיפיקציות יופיעו רק באותו שלב התפתחותי. להלן מספר דוגמאות:

• הגן Sonic Hedgehog‏ (SHH) מתבטא במערכת העצבים המרכזית, בתאי אפיתל ובגפיים. יש קבוצת מעצמים ייחודית המבקרת את ביטוי הגן בכל אחת מן הרקמות.
• כל נוירון חישה במערכת הריח מבטא גן יחיד המקודד לקולטן ריח מתוך כ-1400 גנים לקולטני ריח המצויים בגנום. בחירת הקולטן שיתבטא בכל תא מתבצעת על ידי בקרת פעילות באמצעות מעצמים.
• הגן ZEB2 מתבטא בשלב העוברי בו מתפתחת מערכת העצבים, וביטויו במוח הקדמי, במיתר הגב ועוד מבוקר על ידי מעצמים שונים.

קישור גורמי תיעתוק לרצף המעצם

 

על מנת שמעצם יוכל לבקר את תיעתוק גן המטרה שלו, חלבונים גורמי תיעתוק צריכים להיקשר אליו, ולגרום לקיפול פיזי וקירוב של המקטע בגנום המכיל את המעצם אל הקדם של גן המטרה (ראו מטה). קיימים שלושה מודלים לקישור גורמי תיעתוק למעצם והפעלתו:

• Enhanceosome: גורמי התיעתוק המגויסים אל המעצם נקשרים אליו בסדר מדויק וקפדני. רק לאחר שכל גורמי התיעתוק נקשרו לאתר ההכרה שלהם ברצף ה-DNA של המעצם תתחיל פעילותו. המודל דומה למתג הפעל/כבה, ובדרך-כלל חיוני כשדרושה תגובה מהירה להפעלת גנים, למשל בתגובה לזיהום נגיפי.
• Billboard: קבוצה של גורמי תיעתוק יכולה להיקשר למעצם, וגורמי תיעתוק נוספים יכולים להיקשר אליו בנוסף או באופן בלתי-תלוי. המודל דומה למתג ששולט בעוצמת הפעילות, והוא מאפשר את פעילות המעצם באופן פחות נוקשה (בהשוואה למודל ה-enhanceosome), גם כאשר לא כל גורמי התיעתוק נמצאים.
• TF collective: בשונה מהמודלים הקודמים המתארים הפעלת מעצם בודד, מודל זה מתאר מצב שבו קבוצת גורמי תיעתוק מפעילה מעצמים שונים. כמו כן, בנוסף לסדר הקישור של גורמי התיעתוק לרצף (שעשוי להשתנות בין מעצם למעצם), ייתכנו אינטראקציות חלבון-חלבון בין גורמי התיעתוק, שגם הן משתנות בין מעצמים שונים. עם זאת, לא ברור האם כל קבוצת גורמי התיעתוק דרושה להפעלת המעצמים (בדומה ל-enhanecosome) או שקישור חלקי מספיק (בדומה ל-billboard) .

אינטראקציות בין המעצם לקדם

 

כיוון שהמעצם אינו נמצא בסמוך לקדם של גן המטרה שלו, יש צורך בתקשורת ישירה ביניהם כדי להוליך לבקרת תיעתוק הגן. כאמור למעלה, ברוב המקרים דרוש קיפול פיזי של הכרומטין, כך שהמעצם יגיע לסביבת הקדם של גן המטרה. קיימים ארבעה מודלים לאינטראקציות בין המעצם לקדם (איור 4):

• Tracking: האנזים RNA פולימראז נקשר למעצם ונע לאורך הכרומטין עד שהוא מגיע לקדם, תוך משיכת המעצם עמו וכיפוף הכרומטין.
• Linking: גורמי תיעתוק נקשרים למעצם, וממשיכים להיקשר לאורך הכרומטין עד הגעה לקדם. רק בעת ההגעה לקדם נקשר רנ"א פולימראז.
• Short-range looping: אינטראקציות חלבון-חלבון בין גורמי תיעתוק הקשורים למעצם לבין גורמי תיעתוק הקשורים לקדם הן אלה הגורמות לקיפול הכרומטין וקירוב בין המעצם לקדם.
• Looping-tracking/linking: הכרומטין מתקפל כך שהמעצם נמצא בסביבת הקדם של גן המטרה, אך לא נוגע בו באופן פיזי. שימוש במודל ה-tracking או מודל ה-linking יכול לגשר על המרחק.

עם זאת, קיימות עדויות לכך שהמעצם לא חייב לבוא במגע פיזי עם הקדם, אלא מרחק של 100–300 ננומטרים ביניהם מספיקים כדי לבקר תיעתוק. המרחק בין אתרי הבקרה בגנום מאפשר את היווצרותם של אזורים בגנום בהם ישנן רמות תיעתוק גבוהות המכונים "מרכזי תיעתוק", והם עשירים באזורי בקרה וגורמי שעתוק. בצורה זו מעצם אחד מסוגל לבקר מספר קדמים, וקדם אחד יכול לעבור בקרה על ידי מספר מעצמים בו זמנית, או תוך פרק זמן קצר.

שימור אבולוציוני

שימור הרצף

אף על פי שמעצמים מתאפיינים במודיפיקציות אפיגנטיות ייחודיות לזמן ולרקמה ולא ברצף נוקלאוטידים קבוע המבדיל בינם לבין אלמנטים אחרים בגנום, קיימת חשיבות מסוימת לשימור הרצף הספציפי של המעצמים השונים. העיקרון לפיו אזורים בעלי תפקיד בגנום נמצאים תחת לחצי ברירה טבעית (סלקציה מטהרת) עשוי לעיתים להצביע על כך שאזור שמור בגנום באזור לא מקודד מתפקד כמקטע בקרתי, ופעמים רבות כמעצם. למשל, מקטע שמור באזור לא מקודד בגנום שלא אופיין כבעל תפקיד בעבר, נמצא כמעצם של הגן STIL בתאי עצב, המשחק תפקיד בבקרת ההפרדה של הכרומוזומים במהלך חלוקת התא. דוגמה נוספת היא אוסף של מקטעים שמורים ולא מקודדים שנמצאו כמעצמים של הגנים IL4, IL5 ו-IL13 הפועלים במערכת החיסון.

שימור הפעילות

רצפי הנוקלאוטידים של המעצמים נתונים במקרים רבים לשינויים אבולוציוניים מהירים, מה שמקשה לעקוב אחרי מיקומם הגנומי באורגניזמים שונים. עם זאת, קיימות מספר עדויות לכך שמעצמים שנמצאו באורגניזמים קדומים מבחינה אבולוציונית מסוגלים להביא לביטוי גנים באופן ספציפי לסוג התא והרקמה באורגניזמים חדשים יותר מבחינה אבולוציונית, וזאת על אף שאין זהות מוחלטת בין רצפי המעצמים של האורגניזמים. לדוגמה, בחינת המעצם Islet שזוהה בספוג Amphimedon Queenslandica, גילה שאותו רצף מגנום הספוג ביקר ביטוי גנים ספציפי במוח בדגי זברה ובעכברים. השינויים האבולוציוניים המהירים של המעצמים יחד עם שימור הפעילות באורגניזמים רחוקים אבולוציונית עשויים להעיד על כך, שהמעצמים וגורמי התיעתוק הקושרים אותם עוברים שינויים מתואמים (קו-אבולוציה), כך שרצף של המעצם יכיל את אתר ההכרה של גורם התיעתוק הקושר אותו. באופן מעניין, בדומה למעצמים, גם רצפי הקדמים נתונים לשינויים אבולוציוניים מהירים, אך פעילותם בבקרת תיעתוק נשמרת במהלך האבולוציה. עם זאת ה'שפה' בה כתובים אלמנטי בקרה בכלל, ומעצמים בפרט, עדיין לא פוענחה.

Enhancer Assay

שיטה המשמשת לבחינת הפעילות בבעלי חיים ובתאים (in vivo) של מקטעים המועמדים לתפקד כמעצמים.

תחילה יש לזהות את הרצפים המועמדים בזמן וברקמה המתאימים לפי המודיפיקציות האפיגנטיות שלהם. על מנת לזהות אזורי כרומטין פתוחים ניתן להשתמש בשיטת ATAC-seq (אזורי הכרומטין הנגישים ניתנים לזיהוי על ידי פעילות של אנזים רקומביננטי המסוגל לחתוך אזורים לא מוגנים על ידי חלבונים - אזורי כרומטין פתוחים). על מנת לזהות את חלבוני היסטון 3 הנושאים קבוצת אצטיל (H3K27ac) ניתן להשתמש בשיטת ChIP-seq המשמשת לאיתור אינטראקציות בין DNA לחלבונים תוך שימוש בנוגדן ספציפי לחלבון והמודיפיקאציות שלו.

את המקטעים המועמדים משבטים לפלסמיד יחד עם קדם מינימלי (כשלעצמו אינו מספיק על מנת לבקר תיעתוק) וגן דווח. את הפלסמידים מזריקים לביצית מופרית של דג זברה או של עכבר ועוקבים אחר ביטוי גן הדווח. דפוס הביטוי של גן הדווח ברקמה ובזמן תהליך ההתפתחות העוברי יכול ללמד על הפעילות של הרצף כמעצם.

אמנם השיטה נוחה לביצוע, אך היא מתעלמת מהמרחק הפיזי בין המעצם לבין הקדם, ולא מספקת מידע אודות גן המטרה של המעצם.

Chromosome conformation capture

מספר שיטות למציאת אינטראקציות בין אזורים שונים בגנום המבוססות על קיבוע (פיקסציה) של הכרומטין, חיתוכו למקטעים קטנים, ליגציה של אזורים סמוכים פיזית והסרת הפיקסציה של הכרומטין. השיטות משמשות למציאת סוגים שונים של אינטראקציות, ולכן קיים שוני ביניהן בשלבים שלאחר הליגציה. אופי שאלת המחקר ישפיע על בחירת השיטה:

• chromosome conformation capture‏ (3C): משמשת לאיתור אינטראקציות בין שני לוקוסים (one vs. one). יש לתכנן פריימרים (תֶּחֶלים) מתאימים לשני המקטעים אותם מעוניינים לבחון, ולבצע הגברה ב-PCR. השיטה יכולה לשמש לבחינת אינטראקציה משוערת בין קדם למעצם.
• chromosome conformation capture-on-chip‏ (4C): משמשת לאיתור אינטראקציות בין לוקוס ספציפי לבין כל שאר הלוקוסים בגנום (one vs. all). לאחר הליגציה יש לבצע ליגציה נוספת כדי ליצור מקטעים מעגליים. יש לתכנן פריימר מתאים למקטע אותו מעוניינים לבחון, ולבצע הגברה ב-inverse PCR (מאפשר הגברה של המקטע הלא ידוע שנמצא בסמיכות למקטע הידוע). לבסוף, המקטעים עוברים ריצוף. השיטה יכולה לשמש לבחינת אינטראקציות של מספר מעצמים עם קדם יחיד.
• chromosome conformation capture carbon copy‏ (5C): משמשת לאיתור כל האינטראקציות באזור גנומי מוגדר (many vs. many). לאחר הליגציה מתבצעת ליגציה נוספת של פריימרים אוניברסליים לכל המקטעים. לבסוף, כל המקטעים עוברים ריצוף. השיטה יכולה לשמש לבחינת אינטראקציות בין מספר קדמים למספר מעצמים.

בניגוד לשינויים ברצפים מקודדים הפוגעים בכל הרקמות בהן מתבטא גן נתון, שינויים ברצפי המעצמים יפגעו בביטוי הגן ברקמה בה פועלת בקרת הגן על ידי המעצם. להלן מספר דוגמאות לשינויים במעצמים אשר הוליכו לפנוטיפ:

• מוטציה במעצם LMBR1 הפועל בגפיים ומבקר את הגן SHH מובילה לריבוי אצבעות (polydactyly) . לעומת זאת, החסרה של המעצם LMBR1 מוביל לאי היווצרות של האצבעות. בנחשים למשל, קיים חסר של 17 נוקלאוטידים במעצם LMBR1, מה שככל הנראה תורם לכך שהם חסרי גפיים.
• SNPs (רב צורניות של נוקלאוטיד בודד) במעצמים המוחיים של הגן BIN1 המתפקד כגן מדכא סרטן נמצאו כקשורים להתפתחות מחלת האלצהיימר.
• TBX5 הוא גורם תיעתוק הפועל במהלך התפתחות הלב והגפיים הקדמיות. מוטציות במעצמים הפועלים בלב מובילים לתת-התפתחות של שריר הלב, בעוד שהגפיים לא נפגעות.
• תסמונת Mowat-Wilson מתאפיינת בהתקפים אפילפטיים, עיכוב גדילה ומוגבלות שכלית, והיא נמצאה כקשורה למוטציות בגן ZEB2. נמצא כי חסר במעצמים של ZEB2 הפועלים במערכת העצבים המרכזית עלולים לגרום להופעת תסמונת Mowat-Wilson.

• משתיק
• בקרת גנים
• רשת גנטית
• ביולוגיה התפתחותית

  מדיה וקבצים בנושא מעצם בוויקישיתוף

• JASPAR – מאגר מידע למציאת אתרי הכרה וקישור של גורמי שעתוק.

• EnhancerAtlas – מאגר מידע המכיל מקטעים שזוהו כמעצמים בגנום האנושי.

• 3D Genome Browser(הקישור אינו פעיל) – מאגר מידע למציאת אינטראקציות פיזיות בין אתרים שונים על הכרומטין.