מתילציה

מתילציה היא הוספה של קבוצת מתיל (H3C) למולקולה, או החלפת אטום במתיל. זהו סוג של אלקילציה שבו מתיל מחליף מימן. בתאים ביולוגיים, התהליך מוּתוּך בדרך כלל על ידי אנזימים שנקראים מתיל-טרנספראז.


מתילציה ב-DNA התגלתה כבר ב־1925, והיא חשובה בבקרה על ביטוי גנים, בארגון הגנום, ברבייה ובהתפתחות העוברית. זהו שינוי אפיגנטי, כלומר שינוי שפועל על פעילות ה-DNA ללא שינוי ברצף ה-nucleotides (אבני הבניין של ה-DNA). מתילציה על פרומוטר של גן נוטה לשתק את התעתוק שלו, כלומר להקטין את הייצור של RNA מהגן.

כ־75% מאירועי המתילציה מתרחשים בתאים סומטיים (בגוף), ותבניות המתילציה תלויות ברקמה. דפוסי מתילציה שמורים באבולוציה ומתרחשים גם בצמחים, בחרקים ובמיקרואורגניזמים. נוקלאוטידים שעוברים מתילציה כוללים ציטוזין בדנ"א היונקי (5-methylcytosine) ולעתים אדנין בחיידקים.


מתילציה עשויה למנוע קישור של חלבוני בקרה כמו פקטורי תעתוק אל ה-DNA. אזורים של כרומטין פתוח (איאוכרומטין) מכילים פחות מתילציה מאשר אזורים סגורים (הטרוכרומטין). מתילציה על גופם של גנים שכיחית בגנים המועתקים לעתים קרובות, והיא עשויה להשפיע על שחבור (splicing) ולדכא רצפים ניידים כמו טרנספוזונים. בכך היא תורמת ליציבות הגנום.


האנזימים שמצמידים את קבוצת המתיל ל-DNA נקראים DNA מתילטרנספראז (DNMT). DNMT1 שומר דפוסי מתילציה לאחר שכפול ה-DNA (תחזוקה). DNMT3a ו-DNMT3b יוצרים אתרי מתילציה חדשים (de novo) בשלבי ההתפתחות המוקדמים. DNMT3L אינו פעיל קטליטית, אבל משפר את פעילות המתילטרנספראזים.


איי CpG הם מקטעים עשירים בציטוזין וגואנין (CpG). בדרך כלל הם ארוכים יותר מ־200 בסיסים ויש בהם יותר מ־50% C+G. בגנום האנושי קיימים כ־25,000 איי CpG; כ־50% מהם סמוכים לפרומוטורים של גנים. איי CpG ברוב המקרים אינם ממותלים, והם חשובים לבקרת ביטוי גנים.


בעת שכפול ה-DNA, הגדיל החדש נוצר ללא מתיל וקיים מצב hemi-methylation שבו רק גדיל התבנית ממותל. DNMT1 מזהה מצב זה ומשלים את המתילציה בגדיל החדש, וכך דפוסי המתילציה מועברים לתאי הבת.


ברבייה ובהתפתחות העוברית דפוסי המתילציה שנקלטו מההורים נמחקים ואז נכתבים מחדש. בתהליך זה איי CpG נשמרים בדרך כלל מוגנים ממחיקה. כתיבה מחדש של הדפוס קובעת אילו גנים יפעלו בתאים המתמיינים.

מתילציה חשובה בהשתקה של אללים בהחתמה גנומית ובדיכוי כרומוזום X בנקבות. חוסר תקין במתילציה בהתפתחות עלול להוביל למוות תאי עוברי.


מחקר על מינים שונים מצא חתימות מתילציה שמתקשרות לאורך חיים מקסימלי של המין. במינים ארוכי-חיים ראו דפוס שבו אתרי השתקה ממותלים גבוה יותר, ואתרי ביטוי ממותלים פחות. לא ברור אם יש כאן סיבה ותוצאה.


היסטונים הם חלבונים שמארזים את ה-DNA לנוקלאוזומים. גם להם מצמידים קבוצות מתיל על שיירי חומצות אמינו כמו ליזין וארגינין. המתילציה במקום מסוים ובמספר מסוים של קבוצות (מונו-, די- או טרי-מתילציה) קשורה להפעלת גנים או להשתקתם. לדוגמה: מתילציה באתרים H3K4, H3K48 ו-H3K79 קשורה לביטוי פעיל; H3K9 ו-H3K27 קשורים להשקה. במקרים שונים מספר המתילציות על שייר אחד משפיע על תפקידיו, כפי שנראה ב-H4K20.


אנזימי היסטון מתילטרנספראז (HMT) מצמידים מתיל לליזין או לארגינין בזנבות ההיסטונים. מתילציה על ארגינין נעשית על ידי PRMT, ובליזין על ידי HMT בדרך כלל עם תחום SET שמור אבולוציונית. אנזימים אלה משפיעים על ארגון הכרומטין ובכך על ביטוי גנים.


קיימות מעל 150 סוגי מודיפיקציות ב-RNA. המתילציה הנפוצה ביותר על mRNA בתאים אאוקריוטיים היא m6A. שינוי ברמות m6A מעורב בבקרה אפיגנטית, בהתפתחות מערכת העצבים ובמחלות כמו סרטן וניוון עצבים. רוב מתילציות m6A נעשות על ידי METTL3, בעוד METTL14 מסייע בקשירת ה-RNA.


שיבושים במתילציה קשורים למחלות רבות. דוגמאות חשובות:
- Rett: מוטציה ב-MeCP2, חלבון שקושר CpG, גורמת לתסמונת נוירו-התפתחותית.
- Beckwith, Wiedemann: קשורה לשינויים בדפוסי מתילציה באזורים עם חתימה אימהית ואבנית; מעלה סיכון לגידולים עובריים.
- מוטציות ב-DNMT3A וב-EZH2 (חלק מ-PRC2) קשורות לתסמונות גדילה חולפת כמו Weaver.
- סרטן: שינויים מקומיים וכלליים במתילציה תורמים להשתקה של מדכאי גידול ולפעולה של אונקוגנים.
- טרשת עורקים: ירידות מקומיות במתילציה וביחסי הומוציסטאין עשויות להשפיע על סיכוני לב.
- Fragile X: הרחבת חזרת CGG ויצירת מתילציה מדכאת את הביטוי של FMR1.
- זאבת (SLE): אובדן מתילציה ב-T cells משפיע על אוטואימוניות.
- ICF: מוטציות ב-DNMT3B גורמות לירידה במתילציה ולבעיות חיסון ותווי פנים.

בכל מקרה, מתילציה פועלת כבקרת שכבה נוספת על ה-DNA, שמשפיעה על התאים מבלי לשנות את הרצף הגנטי עצמו.

מתילציה היא הוספת חתיכה כימית קטנה בשם קבוצת מתיל (H3C). זה לא משנה את אותיות ה-DNA. המתיל משפיע על השימוש בגן.


ב-DNA יש אתרים שמקבלים מתיל. זה עוזר לקבוע אילו גנים יפעלו.


כאשר פרומוטר (חלק שמתחיל גן) ממותל, הגן פעמים רבות מופעל פחות. מתילציה עוזרת גם להשאיר רצפים ניידים שקטים ולשמור על ה-DNA.


אנזימים שנקראים DNMT מוסיפים מתיל ל-DNA. DNMT1 שומר דפוסים אחרי שכפול. DNMT3a ו-DNMT3b יוצרים דפוסים חדשים.


איי CpG הם מקטעים עשירים ב-C וב-G. יש בערך 25,000 איים כאלה בבני אדם. רבים מהם ליד פרומוטורים.


בחלוקת תא, הגדיל החדש בדרך כלל אינו ממותל. DNMT1 משלים את המתילציה כדי לשמור על הדגם.


לפני ובעקבות הרבייה, דפוסי המתילציה של ההורים נמחקים ונכתבים מחדש. זה עוזר לתאים להפוך לסוגים שונים.


היסטונים עוזרים לקפל את ה-DNA. גם להם מצמידים מתיל. מתיל באתרים שונים יכול להדליק או לכבות גנים.


אנזימים מיוחדים מצמידים מתיל להיסטונים. הם עוזרים לקבוע אם אזור בגנום זמין לתעתוק.


גם RNA יכול לקבל מתיל. הסוג הנפוץ על mRNA נקרא m6A. הוא משפיע על חיי התא ועל גדילת תאים.


שגיאות במתילציה יכולות לגרום לבעיות ובריאות לקויה. דוגמאות:
- Rett: בעיה בחלבון שקושר מתיל גורמת לקשיים בהתפתחות.
- Fragile X: מתילציה משנה גן חשוב וגורמת לפיגור.
- סרטן: שינויים במתילציה משפיעים על גנים ששומרים על התא.
- זאבת ו־ICF: מצבים שבהם יש פחות מתילציה ומערכת החיסון נפגעת.

מתילציה היא דרך חשובה ששומרת על סדר בשימוש ב-DNA.