חזרה: מבנה הגנום
היררכיית המידע הגנטי
Genome → Chromosomes (23 pairs = 46) → Genes → Nucleotides
הגדרת גן
גן = מקטע DNA עם:
- פרומוטור - נקודת התחלה (אזור בקרה)
- רצף מקודד - המידע עצמו
- סטופ קודון - נקודת סיום
חשוב: רוב הגנים מקודדים לחלבונים, אבל יש גנים שמקודדים ל-RNA שלא הופך לחלבון (tRNA, rRNA, microRNA).
אריזת ה-DNA
- DNA נכרך סביב היסטונים (8 היסטונים = נוקלאוזום)
- כרומטין צפוף (Heterochromatin) ← DNA לא נגיש לשעתוק
- כרומטין פרוס (Euchromatin) ← DNA נגיש לשעתוק
- מודיפיקציות אפיגנטיות (מתילציה, אצטילציה) משפיעות על הצפיפות
שונות גנטית בין בני אדם
כמה אנחנו דומים?
| מדד | ערך |
|---|---|
| דמיון גנטי בין בני אדם | 99.9% |
| שונות גנטית | 0.1% |
| תדירות השוני | בסיס אחד שונה לכל ~1,500 בסיסים |
סוגי השונות הגנטית
1. אללים (Alleles)
- גרסאות שונות של אותו גן
- מקודדים לחלבונים שונים מעט
- דוגמה: אללים A ו-B בסוג דם
2. פולימורפיזם (Polymorphism)
- הבדלים ברצף ה-DNA שלא בהכרח מתבטאים בפנוטיפ
- רוב השינויים באזורים לא מקודדים
- פעם קראו לאזורים האלה “Junk DNA” - היום יודעים שיש להם תפקידים
הערה: בפרק של פודקאסט מומלץ ששמעתי (גיקונומי), המרואיין סיפר שמי שבחר את השם במכוון בחר “Junk” ולא “Garbage”, כי “Garbage” זה משהו שאין לו שום תפקיד, בעוד ש”Junk” זה משהו שאולי יהיה לו תפקיד כלשהו אבל אנחנו בעיקר שומרים במחסן. כלומר, הוא לא בהכרח בחר את השם מתוך מחשבה שהמקטעים האלה חסרי ערך, ממה שהבנתי.
3. מוטציות (Mutations)
- שינויים ברצף ה-DNA כתוצאה מגורם חיצוני או פנימי
- עשויים לגרום לפגיעה בתפקוד
- יכולים להיות גם שליליים וגם חיוביים (התאמה לסביבה)
סוגי פולימורפיזם
SNP - Single Nucleotide Polymorphism
הגדרה: שינוי של נוקלאוטיד בודד בין אנשים שונים באוכלוסייה.
מאפיינים:
- כ-18 מיליון אתרי SNP בגנום האנושי
- יכול להיות באזור מקודד או לא מקודד
- לרוב אין פנוטיפ בולט
דוגמה:
person A: ...ATCGATCG...
person B: ...ATCAATCG...
↑
SNP
VNTR - Variable Number of Tandem Repeats
הגדרה: מספר משתנה של רצפים חזרתיים באוכלוסייה.
מאפיינים:
- מעל 40% מהגנום מכיל רצפים חזרתיים
- Microsatellites (STR) - פחות מ-10 בסיסים
- Minisatellites - 10-60 בסיסים
- השוני הוא במספר החזרות, לא ברצף עצמו
דוגמה:
person A: ...(CAG)₇... ← 7 repetitions
person B: ...(CAG)₁₃... ← 13 repetitions
person C: ...(CAG)₁₆... ← 16 repetitions
הערה: כאשר VNTR מופיע באזור מקודד או באזור בקרה חשוב, זה יכול לגרום למחלה (למשל: תסמונת X השביר).
מוטציות
גורמים למוטציות
גורמים חיצוניים
| גורם | סוג הנזק |
|---|---|
| קרינת UV | דימרים של T |
| קרינת רנטגן | שברים בגדיל |
| חומרים כימיים (קרצינוגנים) | שינויים בבסיסים |
| וירוסים | הכנסת רצפים זרים |
גורמים פנימיים
| גורם | הסבר |
|---|---|
| טעויות בשכפול | הגורם מספר 1! |
| רדיקלים חופשיים | נזק חמצוני |
| דלקות כרוניות | שינויים בסביבה התאית |
חשוב: לא ניתן להימנע לחלוטין ממוטציות. טעויות בשכפול הן הגורם העיקרי (כ-10¹⁸ מוטציות ביום לאדם!).
למה חשיפת עוברים לקרינה מסוכנת במיוחד?
- תאים בחלוקה מהירה
- מוטציה בתא אחד ← כל התאים שיתפתחו ממנו יהיו עם הנזק
- פחות זמן לתיקון
סוגי מוטציות
לפי סוג השינוי
| סוג | תיאור |
|---|---|
| Substitution | החלפת בסיס אחד באחר |
| Insertion | הוספת בסיס/ים |
| Deletion | חסר של בסיס/ים |
| T-Dimer | קשר לא תקין בין שני T על אותו גדיל |
מוטציות נקודתיות - ההשלכות
1. Silent Mutation (מוטציה שקטה)
\[\ce{UGC (Cys) -> UGU (Cys)}\]שתיהן מקודדות ל-Cysteine ← אין שינוי בחלבון.
2. Missense Mutation (מוטציה חסרת הגיון)
\[\ce{UGC (Cys) -> UCG (Ser)}\]שינוי בחומצה אמינית אחת ← עשוי לפגוע בתפקוד החלבון.
3. Nonsense Mutation (מוטציה ללא הגיון)
\[\ce{UGC (Cys) -> UGA (STOP)}\]יצירת סטופ קודון מוקדם ← חלבון קצר/לא מתפקד.
4. Read-through Mutation (מוטציית פריצת דרך)
\[\ce{UGA (STOP) -> UGC (Cys)}\]סטופ קודון הופך לחומצה אמינית ← חלבון ארוך מדי.
Frame Shift Mutation (הזזת מסגרת קריאה)
כאשר יש הוספה או חסר של בסיס/ים (לא כפולה של 3):
original: AUG-GCA-UGC-UAA
adding A: AUG-AGC-AUG-CUA-A...
↑
כל הקודונים השתנו!
הנזק הכי חמור: כל הרצף מנקודת המוטציה משתבש.
השפעת מוטציות על תפקוד
Loss of Function (אובדן פעילות)
- החלבון לא מתפקד או לא נוצר
- בדרך כלל רצסיבי - צריך ששני האללים יהיו פגומים
- דוגמה: מוטציה שמשבשת אתר פעיל של אנזים
Gain of Function (עודף פעילות)
- החלבון פעיל יתר על המידה
- בדרך כלל דומיננטי - מספיק אלל אחד פגום
- דוגמה: מוטציה באזור בקרה שמונעת קישור רפרסור
| סוג | דומיננטיות | דרישה |
|---|---|---|
| Loss of Function | רצסיבי | שני אללים פגומים |
| Gain of Function | דומיננטי | אלל אחד פגום |
מוטציות לא תמיד רעות
יתרון אבולוציוני
מוטציות הן הבסיס לאבולוציה ולהתאמה לסביבה.
דוגמה מחיידקים: חשיפה למוטגנים ← מוטציות ← חלקן מקנות עמידות לאנטיביוטיקה.
דוגמה: אנמיה חרמשית (Sickle Cell Anemia)
המוטציה:
- שינוי נקודתי בגן ההמוגלובין
- Glutamic Acid → Valine
- משנה את צורת כדוריות הדם האדומות לצורת חרמש
החיסרון:
- כדוריות דם לא תקינות
- סיכון לחסימות בכלי דם
- אנמיה
היתרון:
- עמידות למלריה!
- טפיל המלריה לא יכול להתפתח בתאים עם המוטציה
- שכיחות גבוהה באזורים עם מלריה אנדמית
עסקת חבילה: יתרון אבולוציוני אחד יכול לבוא עם חיסרון אחר.
מנגנוני תיקון DNA
עקרונות כלליים
כל מנגנון תיקון כולל שלושה שלבים:
- זיהוי ועצירה - זיהוי הנזק ועצירת מחזור התא
- תיקון - תיקון הנזק בהתאם לסוג
- אפופטוזיס - אם התיקון נכשל ← מוות תאי מתוכנת
נקודות בקרה במחזור התא
| נקודה | שלב | מה נבדק? |
|---|---|---|
| G1 Checkpoint | לפני S | האם התא גדול מספיק? יש נוטריאנטים? |
| G2 Checkpoint | אחרי S | האם ה-DNA החדש תקין? |
| M Checkpoint | מיטוזה | האם הכרומוזומים מחוברים לציר? |
P53 - “שומר הגנום”
חלבון P53 יושב על הצומת של שלושת המנגנונים:
- זיהוי נזק ועצירת מחזור התא
- גיוס מנגנוני תיקון
- הפעלת אפופטוזיס אם התיקון נכשל
מנגנוני תיקון לנזק חד-גדילי
1. BER - Base Excision Repair
מתי: נזק לבסיס בודד (קרינת רנטגן, רדיקלים חופשיים)
שלבים:
- DNA Glycosylase - מזהה ומוציא את הבסיס השגוי
- Nuclease - מפרק עוד כמה בסיסים משני הצדדים
- DNA Polymerase - מסנתז רצף חדש
- Ligase - מדביק את הרצף החדש
נזק ← זיהוי ← הוצאת בסיס ← פירוק נוסף ← סינתזה ← הדבקה
2. NER - Nucleotide Excision Repair
מתי: דימרים של T (קרינת UV), עיוותים מבניים
מאפיינים:
- מתקן קטעים של 32-24 בסיסים
- בעיקר באאוקריוטים
- יכול לפעול גם על גנים בזמן שעתוק
שלבים:
- זיהוי העיוות המבני
- פתיחת הקשרים בין הגדילים
- חיתוך האזור הפגום על ידי Endonuclease
- סינתזה על ידי DNA Polymerase
- הדבקה על ידי Ligase
בחיידקים: UvrA, UvrB, UvrC
בבני אדם: XPA, RPA, XPG, TF2H ועוד
מחלה: Xeroderma Pigmentosum (XP)
- מוטציה בגנים של מסלול NER
- רגישות יתר לקרינת UV
- סיכון פי 2,000 לסרטן עור
- אוטוזומלית רצסיבית
3. MMR - Mismatch Repair
מתי: טעויות אי-התאמה אחרי שכפול (שלא תוקנו ב-Proofreading)
האתגר: איך יודעים איזה גדיל לתקן?
הפתרון - מתילציה:
- הגדיל הישן ממותל (יש עליו מתילציה)
- הגדיל החדש לא ממותל (עדיין לא הספיק)
- התיקון מתרחש לפני שהדגם האפיגנטי מועבר לגדיל החדש
שלבים:
- MutS - מזהה את אי-ההתאמה
- MutL - נקשר ל-MutS
- MutH - מזהה רצף GATC ממותל בגדיל הישן
- Endonuclease - חותך את הגדיל החדש
- Exonuclease - מפרק את האזור הפגום
- DNA Polymerase III - מסנתז רצף חדש
- Ligase - מדביק
מחלה: HNPCC (סרטן מעי תורשתי)
- מוטציה ב-MSH2, MLH1 (ההומולוגים האנושיים של MutS, MutL)
- סיכון מוגבר לסרטן מעי
- המעי מתחלק מהר + חשוף לחומרים רבים ← הרבה טעויות
מנגנוני תיקון לשבר דו-גדילי
שבר דו-גדילי הוא הנזק הכי חמור - שני הגדילים נשברים!
1. HR - Homologous Recombination
מתי: רק כשיש כרומוזום הומולוגי זמין (אחרי שכפול, בחלוקה)
עיקרון: שימוש בכרומוזום ההומולוגי כתבנית לתיקון
יתרון: תיקון מדויק - יש תבנית להשוואה
מגבלה: רק בשלבי S ו-G2 של מחזור התא
הערה: אותו מנגנון משמש גם ל-Crossing Over במיוזה!
2. NHEJ - Non-Homologous End Joining
מתי: כשאין כרומוזום הומולוגי (תא לא בחלוקה)
עיקרון: זיהוי קצוות חשופים והדבקתם ישירות
שלבים:
- Ku70/Ku80 - מזהים קצוות חשופים
- יצירת קומפלקס שמקרב את הקצוות
- Ligase - הדבקה
חסרונות:
- יכול לחבר קצוות לא נכונים
- יכולים לחסור בסיסים
- כיווניות עלולה להיות שגויה
BRCA1 ו-BRCA2
תפקיד:
- BRCA1 - פעיל ב-HR וב-NHEJ
- BRCA2 - פעיל בעיקר ב-NHEJ
מוטציה:
- סיכון מוגבר לסרטן שד ושחלות
- שברים דו-גדיליים לא מתוקנים
- הנזק מצטבר ויכול להוביל להתפתחות סרטנית
טרנסלוקציות כרומוזומליות
כאשר NHEJ מחבר קצוות של כרומוזומים שונים:
דוגמה: כרומוזום פילדלפיה
מה קורה:
- קטע מכרומוזום 9 (גן ABL) מתחבר לכרומוזום 22 (גן BCR)
- נוצר כרומוזום לא תקין - “כרומוזום פילדלפיה”
- גן היתוך BCR-ABL פעיל יתר על המידה
- מעודד חלוקה לא מבוקרת
תוצאה: CML - Chronic Myeloid Leukemia
טרנסלוקציות נוספות
| טרנסלוקציה | מחלה |
|---|---|
| t(9;22) | CML |
| t(14;21) | Burkitt Lymphoma |
| אחרות | סוגי לוקמיה שונים |
התפתחות סרטנית
סרטן = תהליך רב-שלבי
לא מספיקה מוטציה אחת! נדרשת צבירת מוטציות במספר מערכות:
שלבי ההתפתחות
תא נורמלי
↓ מוטציה בגני חלוקה
תא עם חלוקה לא מבוקרת
↓ מוטציה במנגנוני תיקון DNA
תא עם נזק מצטבר
↓ מוטציה במנגנון אפופטוזיס
תא שלא מת
↓ מוטציה בהתחמקות ממערכת החיסון
תא שלא מזוהה
↓ מוטציה ביכולת אנגיוגנזה
גידול עם אספקת דם
↓ מוטציה ביכולת תנועה
גרורות
למה סרטן לוקח זמן?
כל שלב דורש:
- מוטציה ספציפית
- שהמוטציה תהיה בתא שיתחלק
- שהתא ישרוד את מנגנוני הבקרה
כדור שלג: ככל שיש יותר מוטציות, יש יותר חלוקה, יש יותר סיכוי למוטציות נוספות.
דרגות סרטן (Staging)
| דרגה | מצב |
|---|---|
| Adenoma קטנה | גידול התחלתי |
| Adenoma גדולה | יותר מוטציות |
| Carcinoma | גידול סרטני |
| Metastasis | גרורות |
האם סרטן תורשתי?
התשובה המורכבת:
- 90% מהמקרים - לא תורשתי (מקרים חדשים)
- 10% מהמקרים - יש רקע משפחתי
מה כן עובר בתורשה:
- מוטציות בגני בקרה (כמו BRCA1/2)
- לא סרטן עצמו, אלא סיכון מוגבר
תנאי לתורשה:
- המוטציה חייבת להיות בתא נבט (ביצית/זרע)
- מוטציה בתא סומטי לא עוברת לדור הבא
ארבעת מנגנוני ההגנה
- עצירת חלוקה - נקודות בקרה במחזור התא
- תיקון DNA - מנגנוני BER, NER, MMR, HR, NHEJ
- אפופטוזיס - מוות תאי מתוכנת
- מערכת החיסון - זיהוי והרס תאים חריגים
סיכום - נקודות מפתח
שונות גנטית
- 99.9% דמיון בין בני אדם
- SNP = שינוי נקודתי
- VNTR = מספר חזרות משתנה
מוטציות - סוגים והשפעות
- גורם מספר 1: טעויות בשכפול
- סוגים: Silent, Missense, Nonsense, Frame Shift
- Loss/Gain of Function ← רצסיבי/דומיננטי
מנגנוני תיקון
| מנגנון | סוג נזק | מאפיין |
|---|---|---|
| BER | בסיס בודד | תיקון נקודתי |
| NER | דימרים, עיוותים | 24-32 בסיסים |
| MMR | טעויות שכפול | מבוסס מתילציה |
| HR | שבר דו-גדילי | צריך הומולוג |
| NHEJ | שבר דו-גדילי | ללא הומולוג |
סרטן
- תהליך רב-שלבי של צבירת מוטציות
- רוב המקרים לא תורשתיים
- מה שעובר בתורשה = סיכון מוגבר, לא המחלה עצמה