מבוא: הקשר בין מבנה לתפקוד
ארגון הגנום בגרעין התא מהווה את הבסיס להבנת תהליכי ביטוי הגנים. הגרעין, כאברון המרכזי בתא האוקריוטי, מכיל את החומר הגנטי ומספק סביבה מוגנת ומבוקרת לתהליכי שעתוק ועיבוד ראשוני של RNA. המעטפת הגרעינית משמשת לא רק כמחסום פיזי אלא גם כמרכיב פעיל בארגון המרחבי של הכרומטין, קביעת נגישות לגנים, ובקרה על ביטוי גנים בצורה ספציפית לרקמה.
הכרומטין מאורגן בשני מצבי צבירה עיקריים: יוכרומטין (כרומטין פתוח) המאפשר גישה למכונת השעתוק, והטרוכרומטין (כרומטין דחוס) הצמוד למעטפת הגרעין ומכיל גנים מושתקים. ארגון דינמי זה מאפשר לתא לווסת את ביטוי הגנים בהתאם לצרכיו ההתפתחותיים והפיזיולוגיים.
הגנום האנושי: מספרים ומשמעויות
הגנום האנושי מכיל כ-6 מיליארד זוגות בסיסים (בתא דיפלואידי), אך באופן מפתיע רק כ-1.5% ממנו מקודד לחלבונים - כ-21,000 גנים בלבד. מספר זה דומה למספר הגנים בתולעת C. elegans או בזבוב הפירות, מה שמעלה את השאלה כיצד נוצרת המורכבות הביולוגית האנושית.
כרומוזומי המין ומחלות גנטיות
מתוך 46 הכרומוזומים האנושיים, 44 הם אוטוזומים ו-2 הם כרומוזומי מין. כרומוזום X מכיל כ-900 גנים המקודדים לחלבונים, בעוד כרומוזום Y מכיל רק 64 גנים, ביניהם הגן SRY (Sex-determining Region Y) הקובע התפתחות זכרית.
הגן דיסטרופין: אחד הגנים הגדולים ביותר בגנום האנושי, נמצא על כרומוזום X. מוטציות בגן זה גורמות למחלת דושן (Duchenne Muscular Dystrophy) ומחלת בקר (Becker Muscular Dystrophy). הגן מקודד לחלבון המחבר את שלד התא לממברנה בתאי שריר ומגן עליהם מנזקי ROS (Reactive Oxygen Species). בהיעדר חלבון תקין, סיבי השריר מתפרקים וגורמים לחולשת שרירים פרוגרסיבית.
השכיחות הגבוהה של מחלות הקשורות לכרומוזום X בבנים נובעת מכך שיש להם עותק יחיד של הכרומוזום, בעוד לבנות יש שני עותקים המאפשרים פיצוי.
DNA ו-RNA: הבדלים מבניים ותפקודיים
הבדלים מולקולריים עיקריים
DNA (דאוקסיריבונוקלאית חומצה):
- דו-גדילי עם קשרי מימן בין הבסיסים
- מכיל דאוקסיריבוז כסוכר
- בסיסים: אדנין (A), גואנין (G), ציטוזין (C), תימין (T)
- יציב יחסית, משמש לאחסון מידע גנטי
RNA (ריבונוקלאית חומצה):
- חד-גדילי (אך יכול ליצור מבנים משניים)
- מכיל ריבוז כסוכר (קבוצת OH נוספת בפחמן 2’)
- בסיסים: אדנין, גואנין, ציטוזין, אורציל (U) במקום תימין
- פחות יציב, מאפשר תפקודים מגוונים
מינוח נוקלאוטידים
חשוב להבחין בין:
- בסיס בלבד: אדנין, גואנין, ציטוזין, תימין/אורציל
- נוקלאוזיד (בסיס + סוכר): אדנוזין, גואנוזין, ציטידין, תימידין/אורידין
- נוקלאוטיד (בסיס + סוכר + פוספט): היחידה הבסיסית של חומצות הגרעין
מוטציות ומנגנוני תיקון
דאמינציה ספונטנית
אחד המקורות העיקריים למוטציות הוא דאמינציה - אובדן קבוצת אמין מהבסיסים. בכל תא מתרחשים מדי יום 100-500 אירועי דאמינציה:
ציטוזין ← אורציל: השינוי הנפוץ ביותר. מכיוון שאורציל מזדווג עם אדנין (במקום גואנין), נוצרת מוטציה מסוג C:G ← T:A.
אדנין ← היפוקסנטין: היפוקסנטין מזדווג עם ציטוזין, יוצר מוטציה A:T ← G:C.
גואנין ← קסנטין: משנה את דפוס הזיווג ויכול לגרום למוטציות.
5-מתילציטוזין ← תימין: מוטציה במיוחד בעייתית כי תימין הוא בסיס “לגיטימי” ב-DNA.
מנגנוני תיקון
התא מצויד במערכת מתוחכמת לזיהוי ותיקון נזקים:
DNA גליקוזילאזות: אנזימים המזהים בסיסים פגומים (כמו אורציל ב-DNA) וחותכים אותם. המנגנון הראשי הוא BER (Base Excision Repair).
מנגנון ה-Nonsense-Mediated Decay: מזהה מולקולות mRNA עם קודוני עצירה מוקדמים ומפרק אותן.
חשיפה לחומרים טוקסיים (פורמלדהיד, בנזופירן) מגבירה משמעותית את קצב המוטציות, מה שמסביר את הקשר בין זיהום סביבתי לסרטן - מחלה הנגרמת מהצטברות מוטציות.
מולקולות RNA כפולות-גדיל
למרות ש-RNA מוגדר כחד-גדילי, במציאות נמצאות מולקולות RNA כפולות-גדיל במספר מצבים:
- זיהום ויראלי
- ביטוי של רטרו-אלמנטים
- שחרור mtDNA (DNA מיטוכונדריאלי) לציטופלסמה בעקבות נזק
- מבנים משניים ב-RNA עצמו עקב זיווג תוך-מולקולרי
מולקולות אלה מזוהות על ידי מערכת החיסון כסמן לזיהום או נזק תאי.
סוגי RNA ותפקידיהם
RNA מקודד
mRNA (messenger RNA): מהווה רק 1.5% מכלל ה-RNA אך חיוני לסינתזת חלבונים.
RNA לא-מקודד (80% מה-RNA המשועתק)
rRNA (ribosomal RNA): מרכיב מבני ופונקציונלי של הריבוזום
tRNA (transfer RNA): מולקולות של 80-200 נוקלאוטידים הנושאות חומצות אמינו לריבוזום
snRNA (small nuclear RNA): מעורב בעיבוד mRNA, במיוחד בתהליך השחבור
snoRNA (small nucleolar RNA): מכוון מודיפיקציות של rRNA
lncRNA (long non-coding RNA): ויסות ביטוי גנים, ארגון כרומטין
miRNA ו-siRNA: ויסות תרגום והשתקת גנים באמצעות זיווג בסיסים
מנגנון השעתוק
RNA פולימראז - האנזים המרכזי
השעתוק מתבצע על ידי קומפלקסים גדולים של RNA פולימראז, המכילים לפחות 10 תת-יחידות חלבוניות. באאוקריוטים קיימים שלושה סוגי RNA פולימראז:
RNA Pol I: משעתק גנים של rRNA (למעט 5S rRNA)
RNA Pol II: משעתק את כל גני ה-mRNA, רוב ה-snRNA, miRNA, ו-lncRNA
RNA Pol III: משעתק גני tRNA, 5S rRNA, ו-U6 snRNA
שלבי השעתוק
פתיחת ה-DNA: הליקאזות פותחות את הסליל הכפול במקום הספציפי
התחלת השעתוק: RNA פולימראז נקשר לפרומוטר בעזרת גורמי שעתוק
התארכות: סינתזה של RNA בכיוון 5’←3’ במהירות 10-30 נוקלאוטידים לשנייה
סיום: שחרור ה-RNA והאנזים
בקרת השעתוק באאוקריוטים
השעתוק מבוקר על ידי מערכת מורכבת:
Enhancers: רצפים רגולטוריים המגייסים מתווכים (mediators)
Chromatin remodeling complexes: מסירים או מזיזים נוקלאוזומים
Transcription factors: מכוונים את RNA פולימראז לפרומוטר הנכון
הארגון התלת-ממדי של הכרומטין מאפשר לאנהנסרים רחוקים להשפיע על גנים באמצעות לולאות DNA.
עיבוד RNA באאוקריוטים
1. מבנה הגן האוקריוטי
גנים אוקריוטיים מורכבים מ:
- אקזונים: רצפים המקודדים לחלבון
- אינטרונים: רצפים מפרידים שאינם מקודדים
- 5’ UTR: אזור לא מתורגם לפני קודון ההתחלה
- 3’ UTR: אזור לא מתורגם אחרי קודון העצירה
2. Capping - הוספת “כיפה” ב-5’
התהליך כולל:
- הוספת 7-methylguanosine לנוקלאוטיד הראשון דרך קשר טריפוספטי יוצא דופן (5’-5’)
- מתילציה של הריבוז בנוקלאוטיד הראשון (ולעתים השני)
תפקידי ה-Cap:
- הגנה מפני פירוק על ידי אקסונוקלאזות
- סימון למערכת החיסון - הבחנה בין RNA עצמי לזר
- זיהוי על ידי הריבוזום להתחלת תרגום
- ייצוב המבנה התלת-ממדי של ה-RNA
- מאפשר יצוא מהגרעין לציטופלסמה
3. Splicing - הוצאת אינטרונים
תהליך מורכב המתרחש ב-spliceosome, קומפלקס המכיל snRNA וחלבונים רבים. האינטרונים מוסרים והאקזונים מחוברים בדיוק רב.
דוגמאות למורכבות:
- גן β-globin: 3 אקזונים בלבד
- גן Factor VIII: 26 אקזונים
טעויות בשחבור גורמות למחלות רבות, במיוחד נוירודגנרטיביות, כאשר אינטרונים נשארים או אקזונים מדולגים.
4. Polyadenylation - הוספת זנב poly(A)
בקצה 3’ של ה-mRNA מתווספים כ-200-250 אדנינים. תהליך זה:
- מגן מפני פירוק מהקצה 3’
- חיוני ליצוא מהגרעין
- משפיע על יציבות ה-mRNA
- מווסת תרגום
הבדלים אבולוציוניים
פרוקריוטים (חיידקים)
- אין אינטרונים - הגנים רציפים
- אין capping או polyadenylation
- שעתוק ותרגום מתרחשים בו-זמנית
מיטוכונדריה
- גנום מעגלי קטן ללא היסטונים
- עיבוד מינימלי - רק polyadenylation
- דמיון לפרוקריוטים מעיד על מקור אנדוסימביוטי
אברונים גרעיניים ועיבוד RNA
Nuclear speckles: מרכזי אחסון וריכוז של גורמי שחבור
Cajal bodies: מעורבים במודיפיקציה של snRNA
Nucleolus: מרכז סינתזת rRNA ועיבודו
אברונים אלה הם דינמיים - יכולים להתפרק ולהיווצר מחדש בהתאם לצורכי התא.
סיכום: מהגן לחלבון
המסלול מ-DNA לחלבון באאוקריוטים מורכב ומבוקר בקפידה:
- שעתוק על ידי RNA פולימראז ספציפי
- עיבוד משולב - capping, splicing, polyadenylation
- בקרת איכות והגנה מפני מוטציות
- יצוא סלקטיבי לציטופלסמה
- תרגום בריבוזומים
המורכבות הזו מאפשרת ויסות עדין של ביטוי גנים ויצירת מגוון חלבונים מגנום מצומצם יחסית, מה שמסביר את המורכבות הביולוגית האנושית למרות המספר הקטן של גנים מקודדים.
דור פסקלצפה בשיעור הקודם
קרא סיכומים נוספים בביולוגיה