وراثت اپی‌ژنتیک از طریق میتوز

وراثت اپی‌ژنتیک از طریق میتوز، تکثیر حالت‌های بیان ژن و پیکربندی‌های کروماتین از یک سلول مادر به دو سلول دختری آن در هر تقسیم سوماتیک است. این اساس هویت پایدار سلولی است: هنگامی که یک سلول تقسیم می‌شود، فرزندان آن نه تنها ژنوم را به ارث می‌برند، بلکه خاطره‌ای از اینکه کدام ژن‌ها فعال و کدام غیرفعال بوده‌اند را نیز به ارث می‌برند، به طوری که یک رده سلولی تمایزیافته، تمایزیافته باقی می‌ماند.

Definition

وراثت اپی‌ژنتیک از طریق میتوز، انتقال حالت‌های کروماتین ارثی یا برنامه‌های بیانی از یک سلول در حال تقسیم به سلول‌های دختری آن از طریق مکانیسم‌هایی غیر از تغییر توالی DNA است، به طوری که سلول‌های دختری، وضعیت تنظیمی والد را بازسازی می‌کنند.

Scope

این موضوع به چگونگی بقای حالت‌های کروماتین در برابر رویدادهای مخرب فاز S و میتوز – جابجایی و رقیق شدن هیستون، از دست دادن موقت رونویسی، و تراکم کروموزوم – و چگونگی بازسازی آن‌ها پس از آن می‌پردازد. این موضوع بر وراثت سوماتیک (میتوزی) تمرکز دارد و آن را به عنوان زیست‌شناسی مولکولی و تکوینی، نه مشاوره بالینی، بررسی می‌کند.

Core questions

• چگونه یک حالت کروماتین از همانندسازی DNA جان سالم به در می‌برد، در حالی که هیستون‌های والدینی به میزان دو برابر در دو رشته دختری رقیق می‌شوند؟
• چه چیزی به یک نشانه خودتکثیرشونده اجازه می‌دهد تا به جای از دست رفتن تدریجی در تقسیم‌های متوالی، بازسازی شود؟
• چگونه حافظه رونویسی در طول میتوز، زمانی که بیشتر رونویسی خاموش است، حفظ می‌شود؟

Key concepts

• وراثت‌پذیری میتوزی حالت‌های بیان
• بازیافت و رقیق شدن هیستون در همانندسازی
• بازسازی نشانه‌ها قبل از فاز S بعدی
• نشانه‌گذاری میتوزی
• پایداری در مقابل برگشت‌پذیری حافظه سلولی

Key theories

بازسازی خودالگوبردارانه نشانه‌های رقیق شده

از آنجا که هیستون‌های والدینی و تغییرات آن‌ها بین دو رشته دختری تقسیم شده و در نتیجه رقیق می‌شوند، تصور می‌شود که وراثت وفادارانه به آنزیم‌های نویسنده (writer enzymes) بستگی دارد که نشانه والدینی باقیمانده را تشخیص داده و آن را بر روی هیستون‌های تازه رسوب‌یافته کپی می‌کنند و الگوی کامل را قبل از تقسیم بعدی بازسازی می‌کنند.

Mechanisms

در طول فاز S، نوکلئوزوم‌های جلوی چنگال همانندسازی از هم جدا می‌شوند و هیستون‌های والدینی بین هر دو رشته دختری توزیع می‌شوند، جایی که با هیستون‌های تازه سنتز شده مخلوط می‌شوند؛ این امر چگالی هر گونه تغییر را به نصف کاهش می‌دهد. بنابراین، وراثت وفادارانه مستلزم آن است که نشانه‌های والدینی باقیمانده، الگویی برای تغییر هیستون‌های جدید باشند، اغلب از طریق آنزیم‌های نویسنده (writer enzymes) که توسط محصول خودشان جذب می‌شوند. در میتوز، تراکم و توقف بیشتر رونویسی، اطلاعات تنظیمی را تهدید می‌کند، و یک راه‌حل پیشنهادی، نشانه‌گذاری میتوزی (mitotic bookmarking) است که در آن عوامل یا نشانه‌های خاصی با جایگاه‌های کلیدی مرتبط باقی می‌مانند تا آن‌ها را برای فعال‌سازی مجدد سریع علامت‌گذاری کنند. در مجموع، بازسازی مرتبط با همانندسازی و نشانه‌گذاری به سلول‌های دختری اجازه می‌دهد تا حالت کروماتین والد را بازسازی کنند.

Clinical relevance

وراثت میتوزی وفادارانه، سلول‌های تمایزیافته را پایدار نگه می‌دارد، و شکست‌های این وفاداری در زمینه حالت‌های سلولی ناهنجار مورد بحث قرار می‌گیرد؛ بنابراین این موضوع در آموزش ژنتیک پایه مطرح می‌شود. این موضوع چگونگی تکثیر حافظه را توصیف می‌کند و مبنایی برای تشخیص یا درمان فردی نیست.

History

شواهد مبنی بر اینکه حالت‌های بیان می‌توانند از طریق تقسیم سلولی پایدار بمانند، از مطالعات مربوط به تغییرپذیری اثر موقعیت (position-effect variegation)، غیرفعال شدن کروموزوم X و خاموش‌سازی پلی‌کام (Polycomb silencing) در طول قرن بیستم جمع‌آوری شد. چارچوب‌بندی مولکولی با پیشنهاد کد هیستون و با مطالعات دقیق در مورد چگونگی رفتار نوکلئوزوم‌ها و نشانه‌های آن‌ها در چنگال همانندسازی، که وراثت میتوزی را به عنوان مشکلی در بازگرداندن اطلاعات رقیق شده در هر چرخه سلولی بازتعریف کرد، دقیق‌تر شد.

Debates

آیا تغییرات هیستون واقعاً حامل‌های ارثی حافظه هستند، یا پیامدهای سیگنال‌های دیگر؟

اینکه آیا نشانه‌های هیستون خود واحدهای خودتکثیرشونده وراثت هستند، یا در هر چرخه توسط عوامل توالی‌خاص و متیلاسیون DNA بازسازی می‌شوند، همچنان مورد بحث است؛ هم بازسازی توسط حلقه‌های خواندن-نوشتن (read-write loops) و هم بازآموزی توسط تنظیم‌کننده‌های بالادستی در سیستم‌های مختلف حمایت می‌شوند.

Key figures

• Genevieve Almouzni
• Danny Reinberg
• Robin Allshire
• C. David Allis

Seminal works

• allis-jenuwein-2001
• probst-2009
• margueron-reinberg-2011

Frequently asked questions

چگونه وضعیت فعال/غیرفعال یک ژن هنگام تقسیم سلول به خاطر سپرده می‌شود؟

نشانه‌های کروماتین و هیستون‌های والدینی بازیافت شده که به رشته‌های دختری منتقل می‌شوند، به عنوان الگو عمل می‌کنند و آنزیم‌های نویسنده (writer enzymes) الگوی کامل را پس از همانندسازی بازسازی می‌کنند تا هر سلول دختری وضعیت بیان والد را بازسازی کند.

نشانه‌گذاری میتوزی چیست؟

این حفظ عوامل یا نشانه‌های خاص در ژن‌های کلیدی در طول میتوز است، زمانی که بیشتر رونویسی متوقف می‌شود، به طوری که آن ژن‌ها می‌توانند به سرعت پس از خروج سلول از تقسیم، دوباره فعال شوند.