7.2: גנים וגנומים

Last updated

Oct 31, 2023
Page ID
207545
Save as PDF
- 7.1: הקדמה לעיבוד מידע
- 7.3: שכפול DNA

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}$

מקור: BiochemFFA_7_1.pdf. ספר הלימוד כולו זמין בחינם מהמחברים בכתובת http://biochem.science.oregonstate.edu/content/biochemistry-free-and-easy

מבוא

במשך שנים רבות תהו מדענים לגבי אופי המידע שכוון את פעילות התאים. איזה סוג של מולקולות נשא את המידע, וכיצד הועבר המידע מדור לדור? ניסויים מרכזיים, שנעשו בין שנות העשרים לשנות החמישים, קבעו באופן משכנע שמידע גנטי זה נישא על ידי DNA. בשנת 1953, עם הבהרת מבנה ה- DNA, ניתן היה להתחיל לחקור כיצד מידע זה מועבר וכיצד משתמשים בו.

גנומים

אנו משתמשים במילה "גנום" כדי לתאר את כל החומר הגנטי של התא. כלומר, גנום הוא כל רצף הנוקלאוטידים ב- DNA שנמצא בכל הכרומוזומים של התא. כאשר אנו משתמשים במונח גנום ללא הסמכה נוספת, אנו מתייחסים בדרך כלל לכרומוזומים בגרעין של תא אוקריוטי. כידוע, לתאים אוקריוטיים יש אברונים כמו מיטוכונדריה וכלורופלסטים שיש להם DNA משלהם (איור 7.1 & 7.2). אלה מכונים הגנום המיטוכונדריאלי או הכלורופלסט כדי להבדיל אותם מהגנום הגרעיני.

החל משנות השמונים החלו מדענים לקבוע את הרצף המלא של הגנום של אורגניזמים רבים, בתקווה להבין טוב יותר כיצד רצף ה- DNA מציין תפקודים תאיים. כיום, רצפי הגנום המלאים נקבעו עבור אלפי מינים מכל תחומי החיים, ורבים נוספים נמצאים בתהליך עיבוד על ידי קבוצות מדענים ברחבי העולם.

איור 7.1 - המיטוכונדריה נושאות גנום משלהן

איור 7.2 - הגנום המיטוכונדריאלי האנושי - ויקיפדיה

יוזמת הגנום העולמית

יוזמת הגנום הגלובלית, מאמץ שיתופי לרצף לפחות מין אחד מכל אחת מ -9,500 משפחות חסרי החוליות, החולייתנים והצמחים המתוארים הוא אחד מני רבים מיזמים כאלה. המידע מהמאמצים השונים הללו נאסף במאגרים מקוונים עצומים, כך שהוא זמין באופן חופשי למדענים. ככל שמסדי הנתונים של הרצף אוספים מידע נוסף ויותר, התעוררו תחומי הביולוגיה החישובית והביואינפורמטיקה, כדי לנתח ולארגן את הנתונים באופן שיעזור לביולוגים להבין מה המשמעות של המידע ב-DNA בהקשר הסלולרי.

גנים

ידוע כבר שנים רבות שתכונות פנוטיפיות נשלטות על ידי אזורים ספציפיים ב- DNA שכונו "גנים". לפיכך, ה- DNA נתפס כמחרוזת ארוכה של נוקלאוטידים, שבהם אזורים מסוימים, הגנים, הופרדו על ידי אזורים שאינם מקודדים שפשוט נקראו רצפים בין-גניים (inter=בין; Genic = של גנים). ניסויים מוקדמים בביולוגיה מולקולרית הציעו קשר פשוט בין רצף ה-DNA של הגן לתוצר שלו, וגרמו למדענים להאמין שכל גן נושא את המידע לחלבון בודד. שינויים, או מוטציות ברצף הבסיס של הגן יבואו לידי ביטוי בשינויים בתוצר הגן, אשר בתורו יתבטא בפנוטיפ או בתכונה הנצפית. תמונה פשוטה זו, למרות שהיא עדיין שימושית, שונתה על ידי תגליות עוקבות שהוכיחו כי השימוש במידע גנטי על ידי תאים מסובך מעט יותר. ההגדרה שלנו לגן מתפתחת גם היא כדי לקחת בחשבון ידע חדש.

איור 7.4 - גנים אנושיים ממוינים לפי מחלקה

ענייני גודל

הנחת השכל הישר לגבי גנומים תהיה שאם גנים מציינים חלבונים, אז ככל שאורגניזם יוצר יותר חלבונים, כך הוא יצטרך לקבל יותר גנים, ולכן הגנום שלו יהיה גדול יותר. השוואה בין גנומים שונים מראה, באופן מפתיע, כי אין בהכרח קשר ישיר בין מורכבות האורגניזם לגודל הגנום שלו (איור 7.5). כדי להבין כיצד זה יכול להיות נכון, יש להכיר בכך שבעוד שגנים מורכבים מ- DNA, כל ה- DNA אינו מורכב מגנים (לצורך הדיון שלנו אנו מגדירים גן כקטע של DNA המקודד RNA או מוצר חלבון). בגנום האנושי נראה שפחות מ -2% מסך ה-DNA הוא סוג של רצף קידוד המכוון את סינתזת החלבונים. במשך שנים רבות, האמינו כי DNA שאינו מקודד בגנום הוא חסר תועלת, ותואר כ"DNA זבל" למרות שזה היה מביך שנראה שיש כל כך הרבה רצף "חסר תועלת". עם זאת, תגליות אחרונות הוכיחו שחלק ניכר מה- DNA הזבל הזה עשוי למלא תפקידים חשובים באבולוציה, כמו גם בוויסות ביטוי הגנים.

איור 7.5 - גדלים של גנומים שונים - ויקיפדיה

אינטרונים

אז מה כל ה- DNA הלא מקודד עושה שם? אנו יודעים שאפילו אזורי קידוד ב- DNA שלנו מופרעים על ידי רצפים שאינם מקודדים הנקראים אינטרונים. זה נכון לגבי רוב הגנום האיקריוטי. בחינת גנים באיקריוטים מראה שרצפי אינטרונים שאינם מקודדים יכולים להיות ארוכים בהרבה מקטעי הקידוד של הגן, או האקסונים. רוב האקסונים קטנים יחסית, ומקודדים פחות ממאה חומצות אמינו, בעוד שהאינטרונים יכולים להשתנות בגודלם מכמה מאות זוגות בסיסים ועד זוגות קילו-בסיס רבים (אלפי זוגות בסיס) באורך. עבור גנים רבים בבני אדם, יש הרבה יותר רצף אינטרונים מאשר רצף קידוד (aka אקסון). רצפי אינטרון מהווים כרבע מהגנום בבני אדם.

רצפים אחרים שאינם מקודדים

אילו סוגים אחרים של רצפים שאינם מקודדים קיימים? פונקציה אחת עבור כמה רצפי DNA שאינם מקודדים ל- RNA או לחלבונים היא לציין מתי ובאיזו מידה נעשה שימוש בגן, או מתבטא. אזורים כאלה של DNA נקראים אזורים רגולטוריים ולכל גן יש רצף רגולטורי אחד או יותר השולטים בביטוי שלו. עם זאת, רצפים רגולטוריים אינם מתייחסים גם לכל שאר ה- DNA בגנום שלנו.

רצפים הניתנים להחלפה

באופן מפתיע, נראה שכמעט מחצית מהגנום האנושי מורכב מכמה סוגים של רצפים שחוזרים על עצמם. ידוע שרבים מהרצפים החוזרים על עצמם הם אלמנטים הניתנים להעברה (טרנספוזונים), קטעי DNA שיכולים לנוע בתוך הגנום. לפעמים מכונים "גנים קופצים" אלמנטים הניתנים להעברה אלה יכולים לעבור ממיקום כרומוזומלי אחד למשנהו, בין אם באמצעות מנגנון פשוט של "חתוך והדבק" החותך את הרצף מאזור אחד של ה-DNA ומחדיר אותו למיקום אחר, או באמצעות תהליך הנקרא רטרוטרנספוזיציה הכולל ביניים של RNA.

קווים & סינוסים

ישנם מיליוני עותקים של כל אחת משתי מחלקות עיקריות של אלמנטים הניתנים להעברה כאלה, ה- LINEs (אלמנטים משולבים ארוכים) ו- SINEs (אלמנטים קצרים משולבים) בגנום שלנו.

LINEs ו- SINEs הם שניהם סוג של אלמנט הניתן להעברה הנקרא רטרוטרנספוזונים, רצפים המועתקים ל- RNA, ואז מועתקים לאחור ל- DNA לפני שהם מוכנסים למיקומים חדשים. תנועה זו בדרך כלל אינה ספציפית לרצף, כלומר ניתן להכניס את הטרנספוזונים באופן אקראי לגנום, במקרים רבים בתוך אזורי קידוד. כפי שניתן לצפות, הדבר עלול לשבש את תפקוד הגן. טרנספוזונים עשויים גם להכניס לאזורים רגולטוריים, ולשנות את הביטוי של הגנים שהם שולטים בהם. כגורם מרכזי למוטציה בגנום, טרנספוזונים ממלאים תפקיד חשוב באבולוציה.

לבסוף, ממצאים אחרונים הראו שחלק גדול מהגנום מועתק ל- RNA, למרות שרק כ -2% מקודדים לחלבונים. מהם ה- RNA שאינם מקודדים לחלבונים? RNAs ריבוזומליים (איור 7.7) ומעבירים RNA, יחד עם ה-RNA הגרעיני הקטן שמתפקדים בחבור, מהווים חלק מהתמלילים הלא מתורגמים הללו, אך לא את כולם. שאר ה- RNA הם RNA רגולטורי, מולקולות קטנות הממלאות תפקיד חשוב בוויסות ביטוי הגנים. ככל שאנו מבינים יותר על גנומים, מתברר כי מה שמכונה DNA "זבל" הוא הכל חוץ מזה.