מתילציה של DNA היא תהליך שבו קבוצת מתיל מחוברת לבסיס הציטוזין של מולקולת ה-DNA, ודרך עיקרית שבה DNA מסומן אפיגנטית. שינויים אפיגנטיים יכולים לשמש כמתגים הפעלה-כיבוי כדי לווסת את ביטוי הגנים ולעזור ליצור סוגי תאים מגוונים מבלי לשנות את רצף ה-DNA הבסיסי. כך הגוף מבטיח שגנים הקשורים למוח לא יופעלו בתאי הלב, למשל.
מסיבה זו, תחזוקה של דפוס המתילציה של ה-DNA חשובה כדי להבטיח את התפקוד הנכון והעקבי של כל סוג תא. אבל זה לא הישג קל: דפוס המתילציה של ה-DNA יכול להשתנות עם הזמן, וזה קשור למגוון מחלות. האחד הוא מצב גנטי נדיר הנקרא כשל חיסוני, חוסר יציבות צנטרומרית ותסמונת חריגות פנים (ICF), שתסמינים שלו כוללים זיהומים חוזרים בדרכי הנשימה, חריגות בפנים והאטה בגדילה וקוגניציה.
אמנם היה ידוע שמוטציות ב- CDCA7 הגנים גורמים לתסמונת ICF, מעט היה ידוע על התפקוד המולקולרי של הגן. כעת מעבדת Funabiki של אוניברסיטת רוקפלר, בשיתוף פעולה הדוק עם חוקרים מאוניברסיטת טוקיו ואוניברסיטת יוקוהמה סיטי, זיהתה תכונה פונקציונלית ייחודית של CDCA7 המבטיחה תורשה מדויקת של מתילציה של DNA.
החוקרים גילו ש-CDCA7 חש בהמימתילציה באאוקריוטים – ממצא חשוב, מכיוון שחישת ההמימתילציה כבר זמן רב נחשבה לביצוע אך ורק על ידי חלבון בשם UHRF1. הם פרסמו את התוצאות שלהם ב התקדמות המדע.
"זה ממצא די מדהים", אומרת הסופרת הראשונה איזבל ווסינג, פוסט-דוקטורט במעבדה לביולוגיה של כרומוזומים ותאי, בראשות הירו פונאביקי. "הלמידה ש-CDCA7 פועל גם כחיישן מסביר מדוע המוטציה שלו מובילה למחלות כמו תסמונת ICF וממלאת פער גדול בתחום האפיגנטיקה. אבל זה גם הציג שאלות חדשות. למה, למשל, התא צריך שתי המימתילציות שונות חיישנים?"
מצב מעבר
מחזורים עצומים של חלוקת תאים, שבהם תא הורי מפוצל לשני תאי בת זהים, מולידים את טריליוני התאים המרכיבים את גוף האדם. שכפול והפרדה קפדנית של מולקולת ה-DNA, ארוזה בכרומוזומים, מאפשרת הורשת מדויקת של הוראות גנטיות לכל תא בת חדש.
שכפול DNA הוא תהליך מסובך. בליבו של גרעין התא נמצא כרומטין, קומפלקס של מקרומולקולות המורכבות מ-DNA דו-גדילי וחלבוני היסטון, ש-DNA עוטף אותם כמו מחרוזת על יו-יו ליצירת נוקלאוזומים. במהלך השכפול, גדיל ה-DNA הדו-גדילי מתפרק מסביב להיסטון ומתפצל לשני גדילים בודדים; פולימראזות DNA לאחר מכן תופרים נוקלאוטידים משלימים על פני כל גדיל, וכתוצאה מכך שני עותקים של מולקולת ה-DNA הדו-גדילית.
עם זאת, קבוצות המתיל אינן מועתקות אוטומטית לגדיל ה-DNA החדש שסונתז, מה שהופך אותו להמימתיל באופן זמני: גדיל ה-DNA ההורי הישן עובר מתיל, בעוד שהנוקלאוטידים החדשים ששולבו בגדיל ה-DNA הבת אינם, מה שמסמן כי נדרשת תחזוקה של מתילציה של DNA. . ואכן, זיהוי ההמימתילציה על ידי UHRF1 הוא הצעד הראשון המכריע; לאחר מכן החלבון מגייס ומפעיל את ה-DNA methyltransferase DNMT1, אשר מפקיד את סימן המתיל על גדיל ה-DNA החדש שסונתז.
ההימור גבוה, שכן ליכולת של התא לחוש בנוכחות ההמימתילציה יש דד-ליין קפדני: אם מצב ההמימתיל של ה-DNA אינו מזוהה לפני סבב השכפול הבא, סימן המתילציה האפיגנטי אובד לצמיתות.
בעיית הכרומטין
מדענים יודעים שהגישה של אנזימים רבים וחלבונים קושרים ל-DNA מוגבלת על ידי כרומטין, כולל אלה הדרושים להחדרת מתילציה ל-DNA. מחקר מוקדם יותר של מעבדת Funabiki הראה ש-CDCA7 יוצר קומפלקס עם החלבון המקודד על ידי גיהנום גן, שהמוטציות שלו גורמות גם לתסמונת ICF. HELLS הוא מה שנקרא משפץ נוקלאוזום, שיכול לפרק זמנית את מולקולת ה-DNA מהנוקלאוזום.
"חזינו שקומפלקס CDCA7-HELLS חשוב כדי לעזור לתא להתגבר על המחסום של הטרוכרומטין דחוס ולהפוך את מולקולת ה-DNA לנגישה לתצהיר של מתילציה", מסביר Funabiki. "אבל יש הרבה משפצי נוקלאוזומים שונים שמסוגלים לחשוף את מולקולת ה-DNA בדרך זו. נותרה לנו תעלומה מדוע CDCA7-HELLS הוא המתחם היחיד לשיפוץ נוקלאוזומים הקשור ישירות לתחזוקת מתילציה של DNA. כעת, לאחר שהראינו כי CDCA7 מגייס ספציפית את HELLS ל-DNA המומתיל, זה סוף סוף מספק הסבר."
במודל חדש זה, CDCA7 מזהה את ה-DNA ההמימתיל בכרומטין ומגייס את HELLS לאתר, אשר, בתור משפץ נוקלאוזום, מחליק את הנוקלאוזום מהדרך, וחושף את אתר ההמימתילציה ל-UHRF1.
מסירת חישת ההמימתילציה מצביעה על כך ש-CDCA7 טוב יותר בזיהוי המימתילציה בתוך ההטרוכרומטין הצפוף מאשר UHRF1. זה גם מסביר את הצורך של התא בשני חיישנים שונים.
כדי שהחיישנים הללו יזהו המימתילציה, עליהם לקשור באופן ישיר וסלקטיבי את מצע ה-DNA ההמימתיל. נראה ש-CDCA7 מסוגל לעשות זאת באופן ייחודי בזמן שה-DNA עטוף סביב הנוקלאוזום. בלעדיו, UHRF1 יהיה עיוור לאות ההמימתילציה בתוך חלקיקי הנוקלאוזום."
איזבל ווסינג, שותפה לסופרת הראשונה
הבנה חדשה זו עשויה לעזור להאיר את המנגנונים הבסיסיים של מחלות שנולדו מתילציה לא מתפקדת. בעתיד הם יחפשו פונקציות עבור חיישני המימתילציה מעבר לתחזוקת מתילציה של DNA.
"מכיוון שחלק מהאזורים הכרומוזומליים ידועים כמשמרים את מצב ההמימתילציה, להכרה שלהם על ידי CDCA7 עשויה להיות תפקידים הרבה יותר רחבים בוויסות הגנים ובארגון הכרומוזומים", אומר Funabiki. "זו אפשרות מרגשת".
