اپی ژنتیک (Epigenetics) مطالعه چگونگی کنترل فعالیت

ژن توسط سلول ها بدون تغییر توالی DNA است. "Epi-"در زبان یونانی به معنی بالا یا بالاتر است، و "اپی ژنتیک" عواملی فراتر از کد ژنتیکی را توصیف می کند. تغییرات اپی ژنتیکی تغییراتی در DNA هستند که روشن یا خاموش شدن ژن ها را تنظیم می کنند. این تغییرات به DNA متصل می شوند و توالی بلوک های سازنده DNA را تغییر نمی دهند. در مجموعه کاملی از DNA در یک سلول (ژنوم)، تمام تغییراتی که فعالیت (بیان) ژن ها را تنظیم می کنند به عنوان اپی ژنوم (Epigenome) شناخته می شوند. از آنجایی که تغییرات اپی ژنتیک به تعیین روشن یا خاموش بودن ژن ها کمک می کند، بر تولید پروتئین در سلول ها تأثیر می گذارد. این تنظیم کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که هر سلول فقط پروتئین هایی را تولید می کند که برای عملکرد آن ضروری هستند. به عنوان مثال، پروتئین هایی که باعث رشد استخوان می شوند در سلول های ماهیچه ای تولید نمی شوند. الگوهای پیرایش (modification) اپی ژنتیک در افراد مختلف، در بافت‌های مختلف درون یک فرد و حتی در سلول‌های مختلف درون یک بافت متفاوت است. تأثیرات محیطی، مانند رژیم غذایی فرد و قرار گرفتن در معرض آلاینده ها، می تواند بر اپی ژنوم تأثیر بگذارد. تغییرات اپی ژنتیکی را می توان از سلولی به سلول دیگر با تقسیم سلولی حفظ کرد و در برخی موارد می تواند در طول نسل ها به ارث برسد. یک نوع متداول پیرایش اپی ژنتیکی متیلاسیون DNA نامیده می شود. متیلاسیون DNA شامل اتصال گروه های شیمیایی کوچکی به نام گروه های متیل (هر کدام از یک اتم کربن و سه اتم هیدروژن) به بلوک های سازنده DNA است. هنگامی که گروه های متیل روی یک ژن وجود دارند، آن ژن خاموش یا خاموش می شود و هیچ پروتئینی از آن ژن تولید نمی شود [1]. 

یکی دیگر از تغییرات رایج اپی ژنتیک پیرایش هیستون است. هیستون ها پروتئین های ساختاری در هسته سلول هستند. DNA دور هیستون ها می پیچد و به کروموزوم ها شکل می دهد. هیستون ها را می توان با افزودن یا حذف گروه های شیمیایی، مانند گروه های متیل یا استیل (که هر کدام از دو اتم کربن، سه هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل شده است) پیرایش کرد. گروه‌های شیمیایی روی میزان محکمی که DNA در اطراف هیستون‌ها پیچیده شده است، تأثیر می‌گذارد، که بر روشن یا خاموش شدن یک ژن تأثیر می‌گذارد. 

اشتباهات در فرآیند اپی ژنتیک، مانند پیرایش ژن اشتباه یا عدم افزودن یک گروه شیمیایی به یک ژن یا هیستون خاص، می تواند منجر به فعالیت غیر طبیعی ژن یا عدم فعالیت شود. تغییر فعالیت ژن، از جمله فعالیت ناشی از خطاهای اپی ژنتیک، یکی از علل شایع اختلالات ژنتیکی است. شرایطی مانند سرطان، اختلالات متابولیک و اختلالات دژنراتیو (Degenerative disorders) مشخص شده است که با خطاهای اپی ژنتیک مرتبط هستند. 

از این رو، دانشمندان به بررسی رابطه بین ژنوم و ترکیبات شیمیایی که آن را تغییر می دهند، ادامه می دهند. به طور خاص، آنها در حال مطالعه اثراتی هستند که تغییرات و خطاهای اپی ژنتیکی بر عملکرد ژن، تولید پروتئین و سلامت انسان دارند. 

ChIP-sequencing 

 تکنیک توالی یابی رسوب ایمنی کروماتین (Chromatin ImmunoPrecipitation-sequencing) که به عنوان ChIP-Seq شناخته می شود، به منظور تجزیه و تحلیل برهمکنش های یک پروتئین خاص باDNA ، مکانهایی که متیله می شوند، و یا مدیفیکاسیون هیستونها مورد استفاده قرار می گیرد. در روش ChIP-seq، رسوب ایمنی کروماتین (ChIP) با تعیین توالی موازیDNA ، برای شناسایی محل های اتصال پروتئین های همراه DNA (به عنوان مثال فاکتورهای رونویسی) است که می توان از آن برای نقشه برداری جایگاه های عمومی اتصال برای پروتئین مورد نظر استفاده کرد. ChIP-seqدر درجه ی اول برای تعیین مکانیزم های تاثیر فاکتور رونویسی و پروتئین های دیگر وابسته به کروماتین بر فنوتیپ استفاده می شود. به عنوان نمونه، با توجه به اینکه گیرنده های استروئیدی، فاکتورهای رونویسی وابسته به لیگاند مانند گیرنده های استروژن وپروژسترون هستند، بنابراین تکنولوژی ChIP-seq می تواند برای تعیین چگونگی تعامل پروتئین ها با DNA که بیان ژن را تنظیم می کند مورد استفاده قرار گیرد [2] (شکل1). همچنین تغییرات ژنتیک و اپی ژنتیکی که بر روی ژنوم اتفاق می افتد، کمک بسیار زیادی نماید و برای درک کامل بسیاری از فرآیندهای بیولوژیکی و بیماری ها مورد استفاده قرار گیرد [3]. 

  شکل1: [2] 

علاوه بر اینها کشف موتیف (motif finding) DNA یک گام اولیه در بسیاری از سیستم ها برای مطالعه عملکرد ژن است. کشف موتیف نقش حیاتی در شناسایی مکان‌های اتصال فاکتور رونویسی دارد که به درک مکانیسم‌های تنظیم بیان ژن کمک می‌کند [4] ( شکل2). 

 شکل 2: [4] در دهه گذشته

با استفاده از تکنولوژی توالی یابی نسل بعدی (NGS: Next-generationsequencing)، محققان توانستند به رویکرد و جنبه های متفاوتی از برهمکنش های بین پروتئین ها و DNA و همچنین تغییرات ژنومیکی در بسیاری از بیماری ها از جمله سرطان ها دست یابند. مراحل انجام آزمایشگاهی مطالعات ChIP-seq در شکل 3 نشان داده شده است.