اپی ژنتیک چیست و چگونه باعث تغییرات ژنی می‌شود؟

اپی ژنتیک چیست؟ اپی ژنتیک مجموعه‌ای از ترکیبات شیمیایی است که می‌تواند به ژنوم بگوید چه کاری انجام دهد. ژنوم انسان مجموعه کاملی از DNA (دئوکسی‌ریبونوکلئیک اسید یا deoxyribonucleic acid) است – حدود ۳ میلیارد جفت‌باز ( base pair )- که هر فرد را منحصربه‌فرد می‌کند. DNA دستورالعمل‌هایی را برای ساخت پروتئین‌هایی که وظایف مختلفی را در یک سلول انجام می‌دهند، در خود نگه می‌دارد.

اپی ژنتیک از ترکیبات و پروتئین‌های شیمیایی تشکیل شده است که می‌توانند به DNA متصل شوند و اعمالی مانند روشن یا خاموش کردن ژن‌ها و کنترل تولید پروتئین‌ها در سلول‌های خاص را هدایت کنند. هنگامی که ترکیبات اپی ژنتیک به DNA متصل می‌شوند و عملکرد آن را تغییر می‌دهند، گفته می‌شود که ژنوم را “نشانه‌گذاری” کرده‌اند. این نشانه‌گذاری‌ها توالی DNA را تغییر نمی‌دهند. بلکه نحوه استفاده سلول‌ها از دستورالعمل‌های DNA را تغییر می‌دهند.

نشانه‌گذاری‌ گاهی اوقات با تقسیم سلولی از سلولی به سلول دیگر منتقل می‌شود. آن‌ها همچنین می‌توانند از نسلی به نسل دیگر نیز  منتقل شوند.

اپی ژنتیک چگونه عمل می کند؟

یک انسان دارای تریلیون‌ها سلول است که هر کدام از آن‌ها برای عملکردهای مختلف در عضلات، استخوان‌ها و مغز تخصص دارند و هر یک از این سلول‌ها اساساً ژنوم یکسانی را در هسته خود دارند. تفاوت بین سلول‌ها با نحوه و زمان روشن یا خاموش شدن مجموعه‌های مختلف ژن در انواع مختلف سلول‌ها تعیین می‌شود.

سلول‌های تخصصی در چشم، ژن‌هایی را فعال می‌کنند که پروتئین‌هایی را می‌سازند که می‌توانند نور را تشخیص دهند، در حالی که سلول‌های تخصصی در گلبول‌های قرمز، پروتئین‌هایی می‌سازند که اکسیژن را از هوا به بقیه بدن حمل می‌کنند.

اپی ژنوم بسیاری از این تغییرات در ژنوم را کنترل می‌کند.

Photo by Katerina Holmes from Pexels

اپی ژنوم از چه چیزهایی تشکیل شده است؟

اپی ژنوم مجموعه‌ای از تغییرات شیمیایی در DNA و پروتئین‌های مرتبط با DNA در سلول است که بیان ژن را تغییر می‌دهد و قابل وراثت است (از طریق میوز و میتوز). این تغییرات به‌عنوان یک فرآیند طبیعی رشد و تمایز بافت رخ می‌دهد و می‌تواند در پاسخ به قرار گرفتن در معرض عوامل محیطی یا بیماری تغییر یابد.

اولین نوع نشانه‌گذاری که متیلاسیون در‌ان‌ای (DNA methylation) نام دارد، مستقیماً بر روی DNA موجود در ژنوم تأثیر می‌گذارد. در این فرآیند، پروتئین‌ها برچسب‌های شیمیایی به نام گروه‌های متیل را به پایه‌های مولکول DNA در مکان‌های خاص متصل می‌کنند. گروه‌های متیل با تأثیر بر تعامل بین DNA و سایر پروتئین‌ها، ژن‌ها را روشن یا خاموش می‌کنند. به این ترتیب، سلول‌ها می‌توانند به خاطر بسپارند که کدام ژن‌ها روشن یا خاموش هستند.

نوع دوم نشانه‌گذاری که اصلاح هیستون (histone modification) نام دارد، به‌طور غیرمستقیم روی DNA تأثیر می‌گذارد. DNA در سلول‌ها در اطراف پروتئین‌های هیستون پیچیده شده است. پروتئین‌های هیستون ساختارهای قرقره‌مانندی را تشکیل می‌دهند که مولکول‌های بسیار طولانی DNA را قادر می‌سازند تا به‌طور منظم در کروموزوم‌های داخل هسته سلول پیچیده شوند.

پروتئین‌ها می‌توانند انواع مختلفی از برچسب‌های شیمیایی را به هیستون‌ها بچسبانند. پروتئین‌های دیگر موجود در سلول‌ها می‌توانند این برچسب‌ها را شناسایی کنند و تعیین کنند که آیا آن ناحیه از DNA باید در آن سلول استفاده یا نادیده گرفته شود.

آیا اپی ژنتیک ارثی است؟

ژنوم از والدین به فرزندان آن‌ها و از سلول‌ها، پس از تقسیم، به نسل بعدی منتقل می‌شود.  زمانی‌که والدین ژنوم خود را به فرزندان خود منتقل می‌کنند، بسیاری از اطلاعات اپی ژنتیک تنظیم مجدد می‌شوند. با این حال، تحت برخی شرایط، برخی از برچسب‌های شیمیایی روی DNA و هیستون‌های تخمک و اسپرم ممکن است به نسل بعدی منتقل شود. هنگامی‌که سلول‌ها تقسیم می شوند، اغلب بسیاری از اپی ژنوم به نسل بعدی سلول‌ها منتقل می شود و به سلول‌ها کمک می‌کند تا تخصصی بمانند.

نقش پذیری (imprinting) ژنی چیست؟

ژنوم انسان شامل دو نسخه از هر ژن است که یکی از آن‌ها از مادر و دیگری از پدر به ارث رسیده است. در تعداد کمی از ژن‌ها، فقط کپی ژنوم‌هایی که از مادر منتقل شده‌اند روشن می‌شوند. در برخی دیگر، فقط کپی ژنوم‌هایی که از پدر منتقل شده‌اند روشن می‌شوند. به این الگو، نقش‌پذیری ژنی می‌گویند.

اپی ژنتیک بین دو نسخه از یک ژن نقش‌پذیر تمایز قائل می‌شود و تعیین می‌کند که کدام یک روشن باشد. برخی از بیماری‌ها به دلیل نقش‌پذیری غیرطبیعی ایجاد می‌شوند. این بیماری‌ها عبارتند از سندرم بکویث-ویدمن (Beckwith-Wiedemann)، یک اختلال مرتبط با رشد بیش‌ازحد بدن و افزایش خطر ابتلا به سرطان، سندرم پرادر ویلی (Prader-Willi)، که با تون عضلانی ضعیف و گرسنگی مداوم، که منجر به چاقی می‌شود همراه است و سندرم آنجلمن (Angelman) که منجر به ناتوانی ذهنی و همچنین مشکلات حرکتی می‌شود.

آیا اپی ژنوم تغییر می کند؟

اگرچه همه سلول‌های بدن اساساً دارای ژنوم یکسانی هستند، اما زمانی‌که سلول‌ها تخصصی می‌شوند، DNA نشانه‌گذاری‌شده با برچسب‌های شیمیایی روی DNA و هیستون‌ها دوباره تنظیم می‌شوند. همچنین اپی ژنوم می‌تواند در طول زندگی فرد تغییر کند.

چه چیزی باعث تغییر اپی ژنوم می شود؟

شیوه زندگی و عوامل محیطی (مانند سیگار کشیدن، رژیم غذایی و بیماری‌های عفونی) می‌توانند فرد را در معرض فشارهایی قرار دهند که واکنش‌های شیمیایی بدن را تحریک می‌کند. پاسخ بدن به این عوامل محیطی به نوبه خود اغلب منجر به تغییراتی در اپی ژنوم می‌شوند که برخی از آن‌ها می‌توانند آسیب‌زا باشند. با این حال، به نظر می‌رسد توانایی اپی ژنوم برای سازگاری با فشارهای زندگی برای سلامت طبیعی انسان ضروری است. برخی از بیماری‌های انسانی به دلیل عملکرد نادرست پروتئین‌هایی هستند که نشانه‌گذاری اپی ژنتیک را “می‌خوانند” و “می‌نویسند” .

تغییرات در اپی ژنوم چگونه در سرطان دخیل است؟

سرطان‌ها در اثر تغییر در ژنوم، اپی ژنوم یا هر دو ایجاد می‌شوند. تغییرات در اپی ژنوم می‌تواند ژن‌های دخیل در رشد سلولی یا پاسخ سیستم ایمنی بدن را روشن یا خاموش کند. این تغییرات می‌تواند منجر به رشد کنترل‌نشده که نشانه اصلی سرطان است، یا ناتوانی سیستم ایمنی در از بین بردن تومورها شود.

در نوعی تومور مغزی به نام گلیوبلاستوما (glioblastoma)، پزشکان در درمان بیماران با داروی تموزولومید (temozolomide) که با افزودن گروه‌های متیل به DNA، سلول‌های سرطانی را از بین می‌برد، موفقیت هایی داشته‌اند. در برخی موارد، متیلاسیون یک اثر ثانویه خوشایند دارد: ژنی که با تموزولومید مقابله می‌کند را مسدود می‌کند. بیماران مبتلا به گلیوبلاستوما که تومورهای آن‌ها دارای چنین ژن‌های متیله شده‌ای هستند، نسبت به کسانی که ژن‌های متیله‌نشده دارند، با احتمال بیشتری به تموزولوماید پاسخ می‌دهند.

تغییرات در اپی ژنوم همچنین می‌تواند ژن‌های محرک رشد در سرطان معده، سرطان روده بزرگ و شایع‌ترین نوع سرطان کلیه را فعال کند. در برخی سرطان‌های دیگر، تغییرات در اپی ژنوم، ژن‌هایی را که معمولاً رشد سلولی را کنترل می‌کنند خاموش می‌کند.

برای تهیه فهرست کاملی از تغییرات احتمالی اپی ژنومیک که می‌تواند منجر به سرطان شود، در شبکه اطلس ژنوم سرطان (TCGA) که توسط موسسه ملی بهداشت (NIH) پشتیبانی می‌شود، محققان ژنوم و اپی ژنوم سلول‌های طبیعی را با هم مقایسه می‌کنند. محققان از این مقایسه به‌دنبال تغییرات در توالی DNA و تغییرات در تعداد گروه‌های متیل روی DNA هستند. درک همه تغییراتی که یک سلول طبیعی را به سلول سرطانی تبدیل می‌کند، تلاش‌ها برای ایجاد راه‌های جدید و بهتر برای تشخیص، درمان و پیشگیری از سرطان را سرعت می‌بخشد.

Photo by Katerina Holmes from Pexels

محققان چگونه اپی ژنتیک را بررسی می کنند؟

در زمینه مطالعاتی که به‌عنوان اپی ژنتیک شناخته می‌شود، محققان در تلاشند تا مکان‌ها را ترسیم کرده و عملکرد تمام برچسب‌های شیمیایی که ژنوم را مشخص می‌کنند، درک کنند.

تا همین اواخر، دانشمندان فکر می‌کردند که بیماری‌های انسانی عمدتاً به دلیل تغییر در توالی DNA، عوامل عفونی مانند باکتری‌ها و ویروس‌ها یا عوامل محیطی دیگر ایجاد می‌شوند. با این حال، اکنون محققان نشان داده‌اند که تغییرات در اپی ژنوم نیز می‌تواند باعث بیماری شود.

بنابراین، اپی ژنتیک به بخشی حیاتی از تلاش‌ها برای درک بهتر بدن انسان و بهبود سلامت انسان تبدیل شده است. نقشه‌های اپی ژنتیک ممکن است روزی پزشکان را قادر سازند تا وضعیت سلامتی فرد را تعیین کرده و پاسخ بیمار به درمان‌ها را شخصی‌سازی کنند.

به‌عنوان بخشی از پروژه ENCODE (دایره‌المعارف عناصر DNA) – که هدف آن فهرست‌نویسی بخش‌های کار ژنوم است – مؤسسه ملی تحقیقات ژنوم انسانی به محققان کمک مالی می‌کند تا نقشه‌های اپی ژنتیک انواع مختلف سلول را تهیه کنند. برخی از محققین تحت حمایت NIH (موسسه ملی سلامت آمریکا) تعدادی نقشه اپی ژنتیک از چند اندام و بافت انسانی تهیه کرده‌اند. این پروژه‌های NIH بخشی از یک تلاش بین‌المللی برای درک چگونگی تاثیر ژنتیک در پیشگیری، تشخیص و درمان بهتر بیماری است.

ترجمه اختصاصی توسط مجله قرمز

منبع: genome.gov