Skip to main content
Global

16.1: ויסות ביטוי גנים

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    205855

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    מיומנויות לפיתוח

    • דון מדוע כל תא אינו מבטא את כל הגנים שלו
    • תאר כיצד מתרחשת ויסות גנים פרוקריוטיים ברמת התעתיק
    • דון כיצד מתרחשת ויסות גנים אוקריוטיים ברמות האפיגנטיות, התעתיק, הפוסט-תעתיק, התרגום והפוסט-תרגום

    כדי שתא יתפקד כראוי, יש לסנתז חלבונים נחוצים בזמן המתאים. כל התאים שולטים או מווסתים את הסינתזה של חלבונים ממידע המקודד ב- DNA שלהם. תהליך הפעלת הגן לייצור RNA וחלבון נקרא ביטוי גנים. בין אם באורגניזם חד-תאי פשוט ובין אם באורגניזם רב-תאי מורכב, כל תא שולט מתי ואיך הגנים שלו באים לידי ביטוי. כדי שזה יקרה, חייב להיות מנגנון לשלוט מתי מתבטא גן לייצור RNA וחלבון, כמה מהחלבון מיוצר ומתי הגיע הזמן להפסיק לייצר את החלבון הזה מכיוון שהוא כבר לא נחוץ.

    ויסות ביטוי הגנים חוסך אנרגיה ומרחב. זה ידרוש כמות משמעותית של אנרגיה לאורגניזם לבטא כל גן בכל עת, ולכן יעיל יותר באנרגיה להפעיל את הגנים רק כאשר הם נדרשים. בנוסף, רק ביטוי תת-קבוצה של גנים בכל תא חוסך מקום מכיוון שיש לפרוק את ה-DNA מהמבנה המפותל שלו כדי לתמלל ולתרגם את ה-DNA. תאים יצטרכו להיות עצומים אם כל חלבון היה מתבטא בכל תא כל הזמן.

    השליטה בביטוי הגנים מורכבת ביותר. תקלות בתהליך זה מזיקות לתא ויכולות להוביל להתפתחות של מחלות רבות, כולל סרטן.

    ביטוי גנים פרוקריוטי מול אוקריוטי

    כדי להבין כיצד ביטוי גנים מוסדר, עלינו להבין תחילה כיצד גן מקודד לחלבון פונקציונלי בתא. התהליך מתרחש הן בתאים פרוקריוטים והן בתאים אוקריוטיים, רק באופנים מעט שונים.

    אורגניזמים פרוקריוטיים הם אורגניזמים חד-תאיים חסרי גרעין תא, ולכן ה-DNA שלהם צף בחופשיות בציטופלזמה של התא. כדי לסנתז חלבון, תהליכי התעתיק והתרגום מתרחשים כמעט בו זמנית. כאשר כבר אין צורך בחלבון המתקבל, התעתיק נפסק. כתוצאה מכך, השיטה העיקרית לשלוט באיזה סוג חלבון וכמה מכל חלבון מתבטא בתא פרוקריוטי היא ויסות שעתוק ה-DNA. כל השלבים הבאים מתרחשים באופן אוטומטי. כאשר נדרש יותר חלבון, מתרחש יותר שעתוק. לכן, בתאים פרוקריוטים, השליטה בביטוי הגנים היא בעיקר ברמת התעתיק.

    לתאים אוקריוטיים, לעומת זאת, יש אברונים תאיים המוסיפים למורכבותם. בתאים אוקריוטיים, ה- DNA נמצא בתוך גרעין התא ושם הוא מועתק ל- RNA. לאחר מכן מועבר ה-RNA המסונתז החדש אל מחוץ לגרעין לתוך הציטופלזמה, שם הריבוזומים מתרגמים את ה-RNA לחלבון. תהליכי השעתוק והתרגום מופרדים פיזית על ידי הממברנה הגרעינית; שעתוק מתרחש רק בתוך הגרעין, והתרגום מתרחש רק מחוץ לגרעין בציטופלזמה. ויסות ביטוי הגנים יכול להתרחש בכל שלבי התהליך (איור\(\PageIndex{1}\)). ויסות עשוי להתרחש כאשר ה-DNA אינו מפותל ומשוחרר מהנוקלאוזומים כדי לקשור גורמי שעתוק (רמה אפיגנטית), כאשר ה-RNA מתועתק (רמת תעתיק), כאשר ה-RNA מעובד ומיוצא לציטופלזמה לאחר שעתוק (רמה פוסט-תעתיק), כאשר ה-RNA מתורגם לחלבון (רמת תרגום), או לאחר ביצוע החלבון (רמת פוסט-תרגום).

    לתאים פרוקריוטים אין גרעין, וה- DNA ממוקם בציטופלזמה. ריבוזומים מתחברים ל-mRNA בזמן שהוא מתועתק מ-DNA. לפיכך, תמלול ותרגום מתרחשים בו זמנית. בתאים אוקריוטיים, ה- DNA ממוקם בגרעין, והריבוזומים ממוקמים בציטופלזמה. לאחר התעתיק, pre-mRNA מעובד בגרעין כדי ליצור את ה- mRNA הבוגר, אשר לאחר מכן מיוצא לציטופלזמה שם הריבוזומים נקשרים אליו ומתחיל התרגום.
    איור\(\PageIndex{1}\): שעתוק ותרגום פרוקריוטי מתרחשים בו זמנית בציטופלזמה, והוויסות מתרחש ברמת התעתיק. ביטוי גנים אוקריוטיים מוסדר במהלך שעתוק ועיבוד RNA, המתרחשים בגרעין, ובמהלך תרגום חלבונים, המתרחש בציטופלזמה. ויסות נוסף עשוי להתרחש באמצעות שינויים שלאחר התרגום של חלבונים.

    ההבדלים בוויסות ביטוי הגנים בין פרוקריוטים לאיקריוטים מסוכמים להלן. ויסות ביטוי הגנים נדון בפירוט במודולים הבאים.

    טבלה\(\PageIndex{1}\): הבדלים בוויסות ביטוי הגנים של אורגניזמים פרוקריוטים ואוקריוטיים

    אורגניזמים פרוקריוטיים אורגניזמים אוקריוטיים
    חסר גרעין מכילים גרעין
    DNA נמצא בציטופלזמה ה- DNA מוגבל לתא הגרעיני
    שעתוק RNA ויצירת חלבון מתרחשים כמעט בו זמנית שעתוק RNA מתרחש לפני היווצרות חלבון, והוא מתרחש בגרעין. תרגום של RNA לחלבון מתרחש בציטופלזמה.
    ביטוי גנים מוסדר בעיקר ברמת התעתיק ביטוי הגנים מוסדר ברמות רבות (אפיגנטי, תעתיק, הסעות גרעיניות, פוסט-תעתיק, תרגום ופוסט-תרגום)

    חיבור אבולוציה: אבולוציה של ויסות גנים

    תאים פרוקריוטים יכולים לווסת את ביטוי הגנים רק על ידי שליטה בכמות השעתוק. ככל שהתפתחו תאים אוקריוטיים, המורכבות של השליטה בביטוי הגנים גדלה. לדוגמה, עם האבולוציה של תאים אוקריוטיים הגיע מידור של רכיבים תאיים חשובים ותהליכים תאיים. נוצר אזור גרעיני המכיל את ה- DNA. תמלול ותרגום הופרדו פיזית לשני תאים סלולריים שונים. לכן ניתן היה לשלוט בביטוי הגנים על ידי ויסות השעתוק בגרעין, וגם על ידי שליטה ברמות ה- RNA ותרגום החלבון הקיימים מחוץ לגרעין.

    כמה תהליכים סלולריים נבעו מהצורך של האורגניזם להגן על עצמו. תהליכים סלולריים כגון השתקת גנים שפותחו כדי להגן על התא מפני זיהומים ויראליים או טפיליים. אם התא היה יכול לכבות במהירות את ביטוי הגנים לפרק זמן קצר, הוא יוכל לשרוד זיהום כאשר אורגניזמים אחרים לא יוכלו. לכן, האורגניזם פיתח תהליך חדש שעזר לו לשרוד, והוא הצליח להעביר את ההתפתחות החדשה הזו לצאצאים.

    סיכום

    בעוד שכל התאים הסומטיים בתוך האורגניזם מכילים את אותו DNA, לא כל התאים בתוך אותו אורגניזם מבטאים את אותם חלבונים. אורגניזמים פרוקריוטיים מבטאים את כל ה-DNA שהם מקודדים בכל תא, אך לא בהכרח כולם בו זמנית. חלבונים באים לידי ביטוי רק כאשר הם נחוצים. אורגניזמים אוקריוטיים מבטאים תת-קבוצה של ה-DNA המקודד בכל תא נתון. בכל סוג תא, סוג וכמות החלבון מוסדרים על ידי שליטה בביטוי הגנים. כדי לבטא חלבון, ה-DNA מועתק תחילה ל-RNA, שמתורגם לאחר מכן לחלבונים. בתאים פרוקריוטים, תהליכים אלה מתרחשים כמעט בו זמנית. בתאים אוקריוטיים, שעתוק מתרחש בגרעין והוא נפרד מהתרגום המתרחש בציטופלזמה. ביטוי גנים בפרוקריוטים מוסדר רק ברמת התעתיק, בעוד שבתאים אוקריוטיים, ביטוי הגנים מוסדר ברמות האפיגנטיות, התעתיק, הפוסט-תעתיק, התרגום והפוסט-תרגום.

    רשימת מילים

    אפיגנטי
    שינויים תורשתיים שאינם כרוכים בשינויים ברצף ה- DNA
    ביטוי גנים
    תהליכים השולטים בהפעלה או כיבוי של גן
    פוסט-תעתיק
    שליטה בביטוי הגנים לאחר יצירת מולקולת ה- RNA אך לפני שהיא מתורגמת לחלבון
    פוסט-תרגום
    שליטה בביטוי הגנים לאחר שנוצר חלבון