قفل دو مرحله‌ای: متیلاسیون دی‌ان‌ای و تغییرات هیستون چگونه ژن‌ها را خاموش می‌کنند

در ۱۰ سپتامبر ۲۰۱۵، متخصصان ژنتیک گیاهی نقشه جامعی را در نشریه Frontiers in Plant Science منتشر کردند که نشان می‌داد محصولات تراریخته چگونه ژن‌های بیگانه را به طور فعال خاموش می‌کنند. این مطالعه ثابت کرد که ارگانیسم‌ها دی‌ان‌ای ناشناخته را صرفاً نادیده نمی‌گیرند، بلکه آن را به طور فعال قفل می‌کنند. این فرآیند به یک کار تیمی شیمیایی بسیار هماهنگ متکی است: متیلاسیون دی‌ان‌ای و تغییرات هیستون. این دو سیستم در کنار هم تعیین می‌کنند که کدام بخش‌های ژنوم خوانده شوند و کدام بخش‌ها برای همیشه بایگانی گردند.[2]

این مکانیسم به عنوان یک سیستم تأیید دو مرحله‌ای میکروسکوپی عمل می‌کند. در داخل هسته، دقیقاً ۱۴۷ جفت‌باز از دی‌ان‌ای به دور یک اکتامر (هشت‌تایی) از پروتئین‌هایی به نام هیستون می‌پیچند و کمپلکسی به نام کروماتین را تشکیل می‌دهند. زمانی که یک ژن باید خاموش شود — خواه یک توالی ویروسی در گیاه باشد یا یک ژن سرکوب‌گر تومور در سرطان انسان — سلول این قرقره را به یک فیبر متراکم ۳۰ نانومتری تبدیل می‌کند؛ چنان در هم فشرده که ماشین رونویسی نمی‌تواند به کد ژنتیکی دسترسی پیدا کند.[1][6]

اولین مرحله در این قفل‌گذاری شامل تغییرات هیستون، به ویژه استیل‌زدایی است. آنزیم‌هایی که به عنوان هیستون داستیلاز (HDAC) شناخته می‌شوند، گروه‌های استیل را از بقایای لیزین که از دم‌های هیستون امتداد یافته‌اند، حذف می‌کنند. در مدل‌های گیاهی، آنزیم HDA6 به عنوان آغازگر اصلی عمل می‌کند و نشانگرهای شیمیایی را که معمولاً کروماتین را باز و در دسترس ماشین خوانش سلول نگه می‌دارند، از بین می‌برد.[4][5]

حذف این گروه‌های استیل، بار مثبت روی پروتئین‌های هیستون را افزایش می‌دهد. از آنجا که اسکلت دی‌ان‌ای دارای بار منفی قوی است، این تغییر شیمیایی باعث می‌شود دی‌ان‌ای محکم‌تر به قرقره هیستون متصل شود. تراکم فیزیکی کروماتین اولین سد در برابر بیان ژن است، اما به شدت برگشت‌پذیر است. پایگاه داده NCBI StatPearls توضیح می‌دهد: «متیلاسیون دی‌ان‌ای و تغییرات هیستون، مکانیسم‌های اپی‌ژنتیک اولیه‌ای هستند که رونویسی ژن را تنظیم می‌کنند.» این پایگاه خاطرنشان می‌کند که این تغییرات، نحوه خوانش یک توالی توسط بدن را بدون تغییر در خود توالی دگرگون می‌کنند.[1]

برای دائمی کردن این خاموشی، سلول مکانیسم دومی را به کار می‌گیرد: متیلاسیون دی‌ان‌ای. آنزیم‌های دی‌ان‌ای متیل‌ترانسفراز (DNMT) یک گروه متیل منفرد — متشکل از یک اتم کربن و سه اتم هیدروژن — را مستقیماً به بازهای سیتوزین در رشته دی‌ان‌ای متصل می‌کنند. این اتفاق تقریباً منحصراً در مکان‌هایی رخ می‌دهد که سیتوزین در کنار گوانین قرار دارد (معروف به جایگاه‌های CpG) و این باز را به ۵-متیل‌سیتوزین تبدیل می‌کند.[6]

این تعامل تصادفی نیست؛ این دو سیستم از نظر فیزیکی و بیوشیمیایی به هم مرتبط هستند. حذف گروه‌های استیل توسط آنزیم‌هایی مانند HDA6، محیط کروماتینی لازم را برای جذب دی‌ان‌ای متیل‌ترانسفرازها به آن محل ایجاد می‌کند. بدون تغییرات اولیه هیستون، ماشین متیلاسیون دی‌ان‌ای برای ایجاد یک قفل دائمی روی ژن با مشکل مواجه می‌شود که این امر نشان‌دهنده یک وابستگی متوالی است.[4][5][7]

در زیست‌شناسی انسان، دقیقاً همین توالی است که تمایز سلولی را کنترل می‌کند. یک سلول کبد و یک نورون دارای ژنوم کاملاً یکسانی هستند؛ تفاوت آن‌ها تنها در این است که کدام ژن‌ها توسط این تعامل متیلاسیون-هیستون برای همیشه خاموش شده‌اند. در طول رشد جنینی، تقریباً ۷۰ درصد از ۲۸ میلیون جایگاه CpG در ژنوم انسان متیله می‌شوند تا هویت سلولی تثبیت شده و از بیان نامناسب ژن‌ها جلوگیری شود.[1][6]

با این حال، زمانی که این سیستم دچار اختلال می‌شود، عواقب آن وخیم است. در سرطان‌شناسی انسانی، محققان «هایپرمتیلوم دی‌ان‌ای» را نقشه‌برداری کرده‌اند؛ چشم‌اندازی که در آن سلول‌های سرطانی این ماشین خاموش‌کننده را برای از کار انداختن ژن‌های سرکوب‌گر تومور می‌ربایند. به جای اینکه یک جهش ژنتیکی ژن را از بین ببرد، آنزیم‌های اپی‌ژنتیک خود سلول، آن را زیر کروماتین متراکم دفن می‌کنند.[3]

داده‌های بالینی نشان می‌دهد که در برخی از سرطان‌های روده بزرگ و سینه، تا ۴۰۰ ژن تنظیمی به جای جهش ساختاری، از طریق هایپرمتیلاسیون غیرطبیعی خاموش می‌شوند. از آنجا که توالی دی‌ان‌ای زیربنایی دست‌نخورده باقی می‌ماند، این موضوع یک آسیب‌پذیری درمانی منحصربه‌فرد را ارائه می‌دهد: اگر بتوان قفل‌های شیمیایی را برداشت، ژن‌های سرکوب‌گر تومور می‌توانند دوباره فعال شوند تا جلوی بدخیمی را بگیرند.[3][6]

شواهد مربوط به حفظ این مکانیسم در میان سلسله‌های مختلف جانداران بسیار قوی است، اما سینتیک دقیق اتصال هنوز تا حدودی مبهم است. در حالی که وابستگی متیلاسیون دی‌ان‌ای به استیل‌زدایی قبلی هیستون هم در گیاهان آرابیدوپسیس و هم در رده‌های سلولی سرطان انسان به خوبی مستند شده است، تعاملات دقیق پروتئین-پروتئین که این دو کمپلکس آنزیمی را به هم متصل می‌کنند، هنوز توسط زیست‌شناسان ساختاری در حال نقشه‌برداری است.[4][5][7]

علاوه بر این، دوام این قفل‌های شیمیایی به طور قابل‌توجهی متفاوت است. در حالی که متیلاسیون دی‌ان‌ای عموماً به عنوان یک مکانیسم خاموش‌کننده پایدار و بلندمدت در نظر گرفته می‌شود، مطالعات اخیر نشان می‌دهد که این فرآیند پویاتر از آن چیزی است که قبلاً تصور می‌شد؛ به طوری که فرآیندهای فعال متیل‌زدایی در طول پنجره‌های رشد خاص و در پاسخ به استرس‌های محیطی رخ می‌دهند.[1]

چالش اصلی برای کاربرد بالینی در دقت این مداخله نهفته است. داروهای اپی‌ژنتیک فعلی، مانند مهارکننده‌های دی‌ان‌ای متیل‌ترانسفراز که در حال حاضر در فاز دوم و سوم کارآزمایی‌های بالینی هستند، به صورت سراسری در کل ژنوم عمل می‌کنند. آن‌ها با موفقیت سرکوب‌گرهای تومور خاموش شده را دوباره فعال می‌کنند، اما در عین حال خطر باز کردن قفل توالی‌های ویروسی یا انکوژن‌هایی را به همراه دارند که سلول به درستی آن‌ها را پنهان کرده بود.[3][6]

مرز بعدی در این زمینه، ویرایش هدفمند اپی‌ژنتیک است. محققان با استفاده از آران‌ای‌های راهنمای مهندسی‌شده برای هدایت تغییردهنده‌های هیستون و دی‌ان‌ای متیل‌ترانسفرازها به جایگاه‌های ژنومی خاص، قصد دارند ژن‌های منفرد را بدون ایجاد اختلال در کل اپی‌ژنوم سلولی، خاموش یا فعال کنند.[4]

تا زمانی که این سیستم‌های دارورسانی هدفمند به کمال نرسند، کاربرد اصلی نقشه‌برداری از هایپرمتیلوم دی‌ان‌ای همچنان تشخیصی باقی می‌ماند. الگوهای خاص متیلاسیون دی‌ان‌ای و تغییرات هیستون یک اثر انگشت مولکولی بسیار دقیق را ارائه می‌دهند که به پزشکان اجازه می‌دهد بدخیمی‌ها را تشخیص داده و پاسخ‌های درمانی را مدت‌ها قبل از آشکار شدن جهش‌های ساختاری پیش‌بینی کنند.[3][6]