اپی‌ژنتیک و تاثیر تغییرات آن بر سلامت و سلول‌ها

اپی‌ژنتیک تقریباً هر فرآیندی در بدن انسان را تنظیم می‌کند. با مطالعه اپی‌ژنتیک، دانشمندان به برخی از رازهای پیری، سرطان و بیماری‌های پیچیده پی برده‌اند. از زمان کشف اپی‌ژنتیک در اوایل دهه ۱۹۴۰، این علم به‌عنوان یکی از عوامل اصلی توسعه انسانی، سلامت، پیری و بیماری شناخته شده و اکنون به یک حوزه تحقیقاتی پررونق تبدیل شده است. در این مقاله، بررسی می‌کنیم که چگونه اپی‌ژنوم می‌تواند بدون تغییر در توالی DNA زیرین، بر فنوتیپ تأثیر بگذارد، انواع مختلف تغییرات اپی‌ژنتیکی چیست، چگونه نشان‌های اپی‌ژنتیکی به ارث می‌رسند، تأثیر آن‌ها بر پیری و بیماری چیست و چگونه می‌توان اپی‌ژنوم را برای اهداف درمانی تغییر داد.

اپی‌ژنتیک چیست؟

اپی‌ژنتیک مطالعه تغییرات وراثتی مختلفی است که بیان ژن را کنترل می‌کنند بدون آنکه توالی DNA تغییر کند. نام اپی‌ژنتیک از پیشوند یونانی “اپی” گرفته شده است که به معنی “بر روی” یا “علاوه بر” ژنتیک است. مجموعه نشان‌های اپی‌ژنتیکی در یک سلول یا موجود زنده به‌عنوان اپی‌ژنوم آن شناخته می‌شود.

برایان کازگروو^[۱]، مهندس زیستی و دانشمند ارشد در استارت‌آپ Tune Therapeutics می‌گوید: “اپی‌ژنتیک لایه‌ای از کنترل است که بر روی توالی DNA قرار دارد. این لایه تعیین می‌کند که آیا ژن‌ها فعال شوند یا خیر. به‌طور دیگر، می‌توان آن را به‌عنوان دستورالعملی تصور کرد که به شما می‌گوید با بلوک‌های ژن چه کنید.

با کنترل بیان ژن، اپی‌ژنوم تا حد زیادی مسئول تنظیم تمایز سلولی و فنوتیپ تخصصی و عملکرد سلول‌ها است. بسیاری از تغییرات اپی‌ژنتیکی برای توسعه انسانی ضروری هستند، به‌عنوان مثال در هنگام تشکیل سلول‌های جنسی و مراحل اولیه جنین‌زایی. با این حال، تأثیرات محیطی، عوامل سبک زندگی و گذر زمان می‌توانند اپی‌ژنوم را تحت تأثیر قرار داده و دچار اختلال کنند که ممکن است به بروز بیماری منجر شود.

تغییرات اپی‌ژنتیک

انواع مختلفی از نشانه‌ها یا تغییرات اپی‌ژنتیکی قابل انتقال وجود دارد که شناخته‌شده‌ترین و مورد پژوهش‌ترین آن‌ها شامل تغییرات هیستونی و متیلاسیون DNA می‌باشند. کازگروو اظهار داشت: «چیزی که در این حوزه هیجان‌انگیز است این است که دانش ما درباره عواملی که واقعاً اپی‌ژنوم را تنظیم می‌کنند در حال گسترش است. آنچه با یک فهرست کوچک و محدود آغاز شد، به‌تدریج با کشف تمام عوامل کنترلی مختلف درون سلول که بر روی DNA قرار دارند، در حال افزایش است».

تغییرات هیستونی

تغییرات هیستونی بر ساختار کلی کروماتین تأثیر می‌گذارند، که یک کمپلکس نوکلئوپروتئینی است که در آن بخش‌های کوتاهی از DNA به دور چهار پروتئین هسته‌ای اصلی می‌پیچند و نوکلوزوم‌ها را تشکیل می‌دهند، که توسط نواحی کوچکی از DNA لینک‌کننده به هم متصل می‌شوند. دم‌های N-ترمینال پروتئین‌های هیستونی، که از نوکلوزوم بیرون زده‌اند، می‌توانند تحت چندین نوع مختلف از تغییرات پساترجمه‌ای قرار گیرند. این تغییرات شامل استیلاسیون^[۲]، متیلاسیون^[۳]، فسفریلاسیون^[۴] و یوبیکویتیناسیون^[۵] هستند.

یکی از عملکردهای تغییرات هیستونی این است که DNA را برای رونویسی بیشتر یا کمتر در دسترس می‌سازد. هتروکروماتین به شدت فشرده است و مناطق غیرقابل دسترسی برای رونویسی را در ژنوم ایجاد می‌کند، در حالی که یوکروماتین کمتر فشرده است و نواحی را بسته‌بندی می‌کند که به مراتب بیشتر در دسترس ماشین‌آلات رونویسی هستند.

کازگروو اظهار داشت: «چیزی که به آن حلقه‌زدن کروماتین می‌گویند، این ایده است که می‌توانید DNA را در فضای سه‌بعدی خم کنید. این به تنظیم ژن‌ها مربوط می‌شود که توسط تماس‌های طولانی‌مدت چیزی که از نظر فاصله ژنومی بسیار دور است، اما از نظر فاصله فضایی، درست روی هم قرار دارند، هدایت می‌شود. بنابراین، این ایده کلی از بسته‌بندی و تا شدن کروماتین مطرح می‌شود، اینکه ژن‌ها در سلول کجا قرار دارند و چگونه به این روش تنظیم می‌شوند».

متیلاسیون DNA

طبق گفته کازگوو ، متیلاسیون DNA یک تغییر اپی‌ژنتیکی کلیدی است که در آن یک گروه متیل به موقعیت ‘۵ یک باز سیتوزین در دی‌نوکلئوتید CpG اضافه می‌شود. این فرایند در محل‌های CpG رخ می‌دهد که با یک گروه فسفات (“p”) به هم متصل شده‌اند و اغلب به صورت خوشه‌هایی متراکم به نام جزایر CpG یافت می‌شوند. این جزایر معمولاً در نواحی پروموتر ژن‌ها^[۶] قرار دارند و نقش مهمی در تنظیم بیان ژن ایفا می‌کنند.

واکنش متیلاسیون توسط DNA متیل‌ترانسفرازها^[۷] (DNMTs) انجام می‌شود، خانواده‌ای از آنزیم‌های محافظت‌شده که مسئول انتقال گروه متیل به سیتوزین هستند. محصول این واکنش، ۵-متیل‌سیتوزین (۵mC)، یک نشان اپی‌ژنتیکی است که اغلب با سرکوب ژنی همراه است. متیلاسیون در نواحی پروموتر معمولاً باعث خاموش شدن ژن‌ها از طریق فشرده‌سازی کروماتین می‌شود و به این ترتیب دسترسی ماشین‌آلات رونویسی محدود می‌شود. در مقابل، پروموترهای غیرمتیله معمولاً دسترسی‌پذیرتر و فعال از نظر رونویسی هستند.

وراثت اپی‌ژنتیکی

مانند ژنوم، اپی‌ژنوم نیز قابل وراثت است. هنگامی که یک تغییر اپی‌ژنتیکی تثبیت شد، برخی از اطلاعات اپی‌ژنتیکی در طی تقسیم سلولی حفظ می‌شود و به نسل‌های پایدار سلول‌های تمایز یافته کمک می‌کند.

برخی از نشانه‌های اپی‌ژنتیکی همچنین می‌توانند از والدین به فرزندان از طریق خط گامت (germline) منتقل شوند. خط گامت پدیده‌ای است که به تازگی به عنوان وراثت اپی‌ژنتیکی نسل به نسل شناخته شده است. اپی‌ژنوم فرزند نیز می‌تواند توسط شرایط خاص در دوران بارداری، تحت تأثیر قرار گیرد که بر خط گامت فرزند تأثیر می‌گذارد و بنابراین از طریق وراثت بین‌نسلی، بر نسل‌های بعدی تأثیر می‌گذارد.

توالی‌یابی اپی‌ژنوم

دانشمندان از روش‌های مختلف توالی‌یابی نسل بعدی برای اندازه‌گیری و نقشه‌برداری از نشانه‌هایی که اپی‌ژنوم را تشکیل می‌دهند، استفاده می‌کنند. توالی‌یابی بی‌سولفیت^[۸] پیش‌تر به عنوان استاندارد طلایی برای توالی‌یابی متیلاسیون DNA شناخته می‌شد، اما واکنش شیمیایی شدید آن باعث آسیب به DNA می‌شود. این مسئله منجر به توسعه روش‌های جدید بدون بی‌سولفیت مانند توالی‌یابی متیل‌آنزیمی (EM-Seq) و توالی‌یابی با کمک TET و پیریدین بوران^[۹] (TAPS) شد.

برای توالی‌یابی تغییرات هیستونی، بسیاری از پژوهشگران اکنون به روش‌های (CUT&RUN^[10]) یا (CUT&Tag^[11]) روی آورده‌اند. این روش‌های کارآمدتر می‌توانند جایگزین فناوری‌های قدیمی‌تری مانند توالی‌یابی ایمونوپریسپیتاسیون کروماتین (^[۱۲]ChIP-seq) شوند که بسیار زمان‌برتر است، نرخ بالاتری از مثبت‌های کاذب دارد و به ورودی سلول‌های بیشتری نیاز دارد.

کازگروو گفت: «ایده این است که شما سلول‌ها را به طور شیمیایی تثبیت می‌کنید تا همه چیز در جای خود ثابت بماند، سپس DNA را به قطعات کوچکتر تقسیم می‌کنید، و بعد آنتی‌بادی برای [تری‌متیلاسیون هیستون ۳ لیزین ۲۷] یا ویژگی‌های دیگر پروتئینی را انتخاب می‌کنید و سپس فقط قطعات DNA که آن پروتئین به آن‌ها متصل است، غنی‌سازی می‌کنید».

توسعه اخیر آزمایش برای کروماتین قابل دسترسی با توالی‌یابی (^[۱۳]ATAC-seq)، یک روش توالی‌یابی ساده که فقط به تعداد کمی سلول برای ورودی نیاز دارد، به پژوهشگران این امکان را داده است که دسترسی به کروماتین در سرتاسر ژنوم را تعیین کنند. در مقابل، پژوهشگران می‌توانند از روش‌های جدیدی مانند Micro Capture-C یا Hi-C برای مطالعه تعاملات کروماتینی استفاده کنند.

کازگروو افزود: «این روش‌ها به مردم این امکان را می‌دهند که بررسی کنند کجاها به صورت فضایی حلقه‌زده‌اند و کجا نواحی دور از هم DNA به یکدیگر تماس پیدا می‌کنند».

اپی‌ژنتیک: درمان و سلامت انسان

اختلالات تنظیم اپی‌ژنتیک یکی از عوامل کلیدی در ایجاد طیف گسترده‌ای از بیماری‌ها است. کازگروو توضیح داد: «تقریباً هر فرآیندی در بدن، به نوعی، به‌صورت اپی‌ژنتیکی تنظیم می‌شود». دانشمندان در جستجوی درمان‌های اپی‌ژنتیکی برای بیماری‌ها هستند که بتوانند با استفاده از داروها یا ویرایش اپی‌ژنوم، نشانه‌های اپی‌ژنتیکی را تغییر داده یا حذف کنند. ویرایش اپی‌ژنوم، نوعی از فناوری ویرایش ژنی CRISPR-Cas9 است.

اپی‌ژنتیک سرطان

اختلال در تنظیم اپی‌ژنوم، به‌ویژه متیلاسیون DNA، اکنون به عنوان یک ویژگی مشخص سرطان شناخته شده و در ایجاد تومورها نقش دارد.  DNAمتیله‌شده حاصل از تومورها به‌طور معمول در خون بیماران سرطانی به صورت DNA آزاد سلولی (^[۱۴]cfDNA) یافت می‌شود، که این ویژگی آن را برای آزمایش‌های غیرتهاجمی سرطان، معروف به بیوپسی مایع، مفید می‌سازد.

از آنجا که cfDNA  حاصل از تومورها پروفایل اپی‌ژنتیکی بافت مبدأ خود را حفظ می‌کند، پزشکان می‌توانند از آن برای شناسایی محل تومور استفاده کنند. چندین دارو وجود دارند که به عنوان اصلاح‌کننده‌های اپی‌ژنتیکی در درمان سرطان عمل می‌کنند؛ اما این داروها محدودیت‌های قابل توجهی دارند.

کازگروو اظهار داشت: «این داروهای تأیید شده بالینی وجود دارند که در شرایط خاص می‌توانند مؤثر و قابل تحمل باشند، اما بسیار پلیوتروپیک^[۱۵] هستند. خاموش کردن تمام این مسیرها دشوار است و بسیاری از موارد در پاسخ به آن تغییر خواهند کرد».

پیری اپی‌ژنتیک

تغییرات اپی‌ژنتیکی، مانند متیلاسیون DNA، از عوامل اصلی در فرآیند پیری در انسان هستند. پژوهشگران حوزه طول عمر از تجمع این تغییرات در طول زمان به عنوان ساعت‌های زیستی یا اپی‌ژنتیکی استفاده می‌کنند.

کازگروو بیان کرد که ویرایش اپی‌ژنوم برای بازگرداندن سن زیستی سلول‌ها و بافت‌ها به یک ایده نوظهور و بحث‌برانگیز تبدیل شده است. او اظهار داشت: «می‌توانید تصور کنید که اگر بتوانید یک سلول مسن را بازبرنامه‌ریزی کنید و آن را تنها با تغییر حالت اپی‌ژنتیکی و دسترسی به کروماتین، به یک سلول جوان‌تر تبدیل کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟».

سخن پایانی

اپی‌ژنتیک مطالعه تغییرات قابل‌وراثت در بیان ژن‌ها است که بدون تغییر در توالی DNA رخ می‌دهند. این تغییرات شامل متیلاسیون DNA، اصلاحات هیستونی و تغییرات در دسترسی کروماتین است که نقش کلیدی در تنظیم فرایندهای سلولی ایفا می‌کنند. اختلالات اپی‌ژنتیکی به عنوان عوامل مهم در بروز بسیاری از بیماری‌ها، از جمله سرطان، اختلالات عصبی و بیماری‌های قلبی، شناسایی شده‌اند. همچنین، این تغییرات نقش برجسته‌ای در پیری و بیماری‌های چندعاملی دارند.

توسعه فناوری‌های پیشرفته مانند توالی‌یابی اپی‌ژنوم، بیوپسی مایع، و ویرایش اپی‌ژنوم با استفاده از فناوری‌های جدید نظیر CRISPR، ابزارهای نوینی برای تشخیص و درمان ارائه داده‌اند. پتانسیل‌های درمانی، از جمله بازبرنامه‌ریزی سلول‌ها و تنظیم بیان ژن‌ها، فرصت‌های جدیدی برای درمان‌های هدفمند و شخصی‌سازی‌شده فراهم می‌کند.

با این حال، چالش‌هایی مانند تأثیرات غیرقابل پیش‌بینی و نیاز به دقت بیشتر در ویرایش اپی‌ژنوم همچنان باقی است. پژوهش‌های بیشتر در این حوزه می‌تواند منجر به درک بهتر و استفاده گسترده‌تر از اپی‌ژنتیک در پزشکی مدرن شود.

واژه نامه: