וְאָנֹכִי תוֹלַעַת וְלֹא-אִישׁ; חֶרְפַּת אָדָם, וּבְזוּי עָם

מגזין Nature מפרסם בהתלהבות רבה שמדענים מ-MIT הצליחו לפצח את הקוד כיצד מנגנוני התא מחליטים האם וכיצד לשחבר את הרנ"א בשחבור חליפי (Alternative splicing).

אוסקר פיטרסון ונמטודות

אוסקר פיטרסון ונמטודות - דומה לא? (צילום: andres musta, רשיון: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.0 Generic)

לאחר הרצפת רצף הדנ"א ביצורים שונים וגם באדם התגלה כי בסה"כ רק 5% מהדנ"א שלנו מקודד לחלבונים. בפועל יש לנו כ-22,000 גנים בלבד המקודדים לחלבונים. אפשר להשוות את המספר הזה למספר הגנים ביצורים אחרים כמו תולעת הנמטודה המיקרוסקופית C. Elegans ויתוש האנופלס גמביזי, לראשונה יש כ-20,000 גנים, ולשני כ-13,000 גנים.

כיצד הבדל קטן כל־כך במספר הגנים יכול ליצור יצורים שונים כל־כך? לאט לאט הסתבר שבחלק מהגנים יכולים יכולים להיווצר כמה וכמה חלבונים שונים מגן בודד אחד. בניגוד למחשבה הראשונית ש"גן אחד = חלבון אחד". שאלת מיליון הדולר הייתה כיצד מחליטים מנגנוני התא היכן לשחבר את הרנ"א? והאם באמת המנגנון הזה יכול לפתור את בעיית האנוש והתולעת?

דנ"א מועתק לרנ"א מתורגם לחלבון

[הקדמה מקוצררת, פשטנית ולא מדוייקת למי שלא מכיר את המושגים הבסיסיים שבכותרת: דנ"א, רנ"א, חלבון]

סוסי עבודה

סוסי עבודה (צילום: laughingbird, רשיון: Attribution-Noncommercial-Share Alike 2.0 Generic)

נתחיל מהסוף, החלבונים הם משפחה של מולקולות גדולות ומאוד מגוונות. חלבון דומה לשרשרת המורכבת מחוליות שונות. המבנה הבסיסי של החוליה זהה אך כל חוליה גם שונה אחת מהשניה. כל חוליה כזו נקראת חומצה־אמינית ויש 20 סוגי חומצות־אמיניות. המולקולה הקווית מתקפלת מספר קיפולים למבנה תלת־ממדי מאוד מסויים. צורת הקיפול תלויה ברצף חומצות־האמינו, הקשרים הכימיים בינם לבין עצמם, הסביבה בה נמצא החלבון וגורמים נוספים. כאשר חלבון מתקפל לצורה המדוייקת והנכונה שלו הוא יכול לעשות כל מיני דברים: להיות זרז כימי שמאפשר קיום של תהליכים חשובים לתא כמו למשל: עיכול סוכרים; חלבון אחר יכול לשאת חמצן בדם; חלבון אחר יכול להיות חלק מהשלד הפנימי של התא; להיצמד לחלבונים אחרים ולשנות את הפעילות שלהם; להיצמד לדנ"א ולחסום העתקת גנים; להיות הורמון; להיות נוגדן ועוד מגוון אדיר של תפקידים. החלבונים ידועים בכינויי ההולם "סוסי העבודה" של התא.

כיצד מקודד התא מתי ואיזה חלבון לייצר? כיצד מקודד התא את הרצף של כל חלבון וחלבון? התא הדנ"א מכיל את שני סוגי המידע. הגנים – קידוד רצף הקבוצות הכימיות בכל חלבון וחלבון (כאמור 5% מהדנ"א וכ-22,000 גנים כאלה) ובקרה – קטעי דנ"א המבקרים בתגובה לְמָה, כמה ומתי יווצר כל חלבון מכל גן 1.

בפועל, מכונה חלבונית מורכבת אחת משתמשת בדנ"א כתבנית להעתקת המידע למולקולה מתווכת הנקראת רנ"א. הרנ"א עצמו משתמש תבנית ליצירת החלבון בעזרת מכונה חלבונית אחרת – הריבוזום.

שחבור חליפי הוא התשובה?

לחתוך כאן, לקפל כאן

לחתוך כאן, לקפל כאן וקיבלנו בנאדם (צילום: bjornmeansbear, רשיון: Attribution-Share Alike 2.0 Generic)

לאט לאט התגלה שאין התאמה בין מספר סוגי רנ"א בתא לבין מספר הגנים ויש יותר רצפי רנ"א שונים מרצפי גנים שונים. בחלק מהגנים יכול הרנ"א שנוצר לעבור קיטוע ואיחוד מחדש של הרנ"א תוך השמטת חלקים מהרנ"א בדומה לעריכה ספרותית. השמטות אלו משנות את רצף חומצת־האמינו בחלבון ויוצרות חלבון שונה בעל תפקיד שונה. למשל אם מוחסר קטע שהיה אחראי על תקשורת בינו לבין חלבון אחר או אם מוחסר קטע שהיה אחראי על מיקום החלבון באזור אחד בתא וכדומה.

כמה גנים עוברים שחבור חליפי? לא ברור עדיין, הממעיטים טוענים שלא יותר מ-5% מהגנים עוברים שחבור חליפי בעל פעילות (ולדעתם יש גם שגיאות שחבור שאין בהם תועלת) והמרבים טוענים שעד כ-95% מהגנים עוברים עשרות שחבורים חליפיים וכדי לקבל מענקים הם טוענים כי כ-15%-50% מהמחלות הגנטיות האנושיות מתרחשות בגלל הפרעה בשחבור החליפי.

לטענת חלק מהביולוגים אותו שחבור חליפי יכול להסביר כיצד נבדלים כל־כך יצורים בעלי מספר גנים דומה יחסית. פשוט ישנם הרבה יותר שחבורים חליפיים אצלנו מאשר אצל התולעת. האם זו התשובה? עדיין לא ברור.

הידע שלנו כל־כך זעום ויש עוד כל־כך הרבה מה לגלות. מתברר שאין עדיין שום דרך יעילה שיכולה לצפות כיצד יתקפל רנ"א למבנה השלישוני למרות שהרנ"א היא מולקולה קצרה יחסית.

המדענים מ-MIT אימנו תוכנת מחשב ע"י הזנתה במידע רב על רצפי דנ"‎א ורצפי רנ"א שנוצרו מהם בארבעה סוגי תאים שונים בעכבר. בסוף התהליך הם קיבלו אלגוריתם מורכב המצרף 200 אלמנטים שונים כדי להחליט האם וכיצד ישוחבר הרנ"א בכל סוג של תא. לדעתם בכך הם פיענחו את הצופן הקובע כיצד משוחבר הרנ"א למספר מולקולות רנ"א שונות. העובדה שהמדענים נאלצו להשתמש באלגוריתם שעבר התפתחות מעוררת תהיות, כמה הבנה וידיעה אנושית יש כאן בכלל? יש כלי שעובד נהדר אבל מה הקשר בינו לבין מנגנון השחבור הפיזי עצמו? החוקרים עצמם מודעים לפערים האלה ומנסים לשפר את המודל. נראה שאין דרך אחרת לפלס דרך בהררי המידע כדי לחלץ מתוכן תבניות, חוקתיות ומשמעות בלי להשתמש במחשב.

מקורות וקריאה נוספת

  1. אם בכלל, למעשה חלק מהגנים "מושתק" ולא מייצר חלבון אלא בתאים מסוגים מסויימים, בכל תא ותא יש תבנית השתקה והפעלה שונים.
פורסם בקטגוריה מדע, מחשבים, עם התגים , , , , , , , , , , , . אפשר להגיע לכאן עם קישור ישיר.

5 תגובות בנושא וְאָנֹכִי תוֹלַעַת וְלֹא-אִישׁ; חֶרְפַּת אָדָם, וּבְזוּי עָם

  1. מעניין מאוד. תודה אריאל.

  2. מאת חתול‏:

    בתור בור מוחלט בתחום, קראתי את הפוסט ורק התבלבלתי.

    • מאת אריאל‏:

      המממ…

      כשכתבתי את הרשומה התלבטתי באיזה רמה לכתוב אותה, התלבטתי מי יקרא אותה ומה הוא כבר יודע. ניסיתי לענות על הצורך של הקוראים חסרי הרקע בעזרת הפיסקה האמצעית – דנ"א מועתק לרנ"א מתורגם לחלבון.

      אני מבין שלא הצלחתי, אולי אם תשאל אצליח להבהיר את העניינים?

  3. מאת אליהו החמוץ‏:

    דווקא די ברור.
    אהבתי את ההומור המזוקק ("כדי לקבל מענקים" וכו').

השאר תגובה