גנטיקה מולקולרית - כללי

מתוך ויקירפואה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
גנטיקה מולקולרית - כללי
'
יוצר הערך פרופ' מוטי שוחט
 

תוכן עניינים

חשיבות הגנטיקה המולקולרית

המטרה העיקרית של הגנטיקה המולקולרית היא לזהות את המחלות ברמה של הגן הפגוע ולאתר באופן כימי את המוטציה המדויקת. ברגע שמוטציה זו הוגדרה, מופנה המאמץ להבין את ההשלכות של המוטציה על תפקוד התא, הרקמה וכלל האדם.

בשנים האחרונות חל שינוי מהפכני באבחון ובזיהוי של מחלות תורשתיות רבות ברמת הגן. במאות ואף באלפי הפרעות שונות, כמו cystic fibrosis, דיסאוטונומיה משפחתית, דיסטרופיית שרירים על-שם דושן, אנמיה חרמשית, המופיליה, פנילקטונוריה ועוד, זוהה מקומו ומבנהו של הגן המעורב, ובאופן עקרוני ניתן כיום להשתמש בשיטות הגנטיקה המולקולרית לאבחון ישיר של המחלות ברמת הגן. בהפרעות גנטיות חשובות אלו ואחרות (אפילו במקרים שהפגם הביוכימי והגן טרם זוהו) ניתן להציע היום אבחון טרום-לידתי מוקדם, אם מצוי דנ"א מחולה קודם במשפחה. כתוצאה מכך ניתן היום לשפר את יכולת האבחון והמניעה של מחלות רבות אחרות.

פרט ליכולת האבחון והמניעה של מחלות גנטיות הנובעות מפגיעה בגן בודד, ישנה התפתחות גדולה גם בהבנה של הגנים המשחקים תפקיד במחלות מולטיפקטוריאליות שכיחות כמו סוכרת, מחלות נפש, סרטן וכד'. אין ספק שהמאמץ המושקע בגילוי הפגם והמכניזם למחלות אלו יתרום בעתיד הלא רחוק רבות להתפתחות המניעה והטיפול גם בהן.

אבחון וזיהוי של הפרעות תורשתיות שונות ברמת הדנ"א עדיפים מאבחון ברמות אחרות. פרט למקרים יוצאי דופן (כמו הגנים לאמונוגלובולין בלימפוציטים מסוג B) ידוע היום, שהדנ"א בכל התאים זהה, ולכן זיהוי הפגם בגן הסגולי אפשרי גם ברקמות שבהן הגן אינו מתבטא קלינית. דבר זה מאפשר אבחון טרום-לידתי של כל מחלה, תוך שימוש בפיברובלאסטים ממי השפיר או אף בתאי הסיסים הכוריוניים של השליה בשבועות הראשונים להיריון. משך הבדיקה קצר, ואין צורך להמתין לגדילת התאים בתרבית. זיהוי מחלות בשיטות דנ"א אפשרי היום אפילו מתא בודד, ולכן ניתן היום להציע למשפחות שבסיכון אבחון של המחלה בשלבי העובר הראשונים בתהליך הפריה חוץ-גופית ועוד בטרם החזרה לרחם. אבחון הפרעות ברמת הגן תורם גם להבנת הבסיס להיווצרות המחלות, להכרת הצורות השונות של הפגמים המתבטאים באותה הפרעה, ובעתיד יוכל אולי לסייע גם במניעה, בנטרול ובתיקון הפגמים. ואמנם הוחל לאחרונה בניסיון טיפולי, ובהצלחה, במספר מחלות גנטיות קשות, באמצעות "השתלת" גנים תקינים לתאים בעלי גן פגום.

גנום האדם

כל תא מכיל שני עותקים של הגנום, הכוללים כ-6 ביליון חומצות גרעין של דנ"א. הדנ"א מסודר בשרשרת דו-גדילית, ומחולק ב-23 כרומוזומים (22 אוטוזומלים וכרומוזום המין x, y). באדם, כמו ביונקים אחרים, בסך הכול כ-25,000 גנים מקודדים לתוצר (חלבון). חלק קטן מאוד מהגנים הפועלים בתא אחראים לתפקידו הספציפי של התא (גלובין בתאי דם אדומים ומיוזין בתאי שריר), והרוב אחראים לתפקוד הרגיל והשוטף של כל תא שהוא בגופנו (housekeeping). תאים "מתמחים" ביצירת תוצרים ספציפיים להם, באמצעות הפעלה וביטוי של גנים מיוחדים הדרושים לתא הספציפי ברקמה המסוימת, במנגנון שטיבו המדויק עדיין לא ברור.

גנים מפוזרים בגנום באקראי, אם כי הם נוטים להופיע בקבוצות. לדוגמה: בגן לביתא-גלובין על כרומוזום 11 יש cluster של 6 גנים לגלובין, שכל אחד מתבטא בשלב שונה בהתפתחות העובר והינקות. עם זאת, רכיבים שונים של אותו חלבון יכולים להימצא בכרומוזומים שונים (שרשרת אלפא-גלובין על כרומוזום 16 וביתא-גלובין על 11).

מעניין, שכ-95% מגנום האדם מכיל דנ"א שאינו מקודד לתוצר כלשהו, ולמעשה הוא נותר בלא תפקיד ידוע. חלק זה מורכב בעיקר מרצפים החוזרים פעמים רבות; המוכר מכולם הינו הרצף ALU, שמופיע 500,000 פעם בגנום.

פרט לדנ"א העיקרי בגרעין, קיים במיטוכונדריות גם דנ"א המסודר בצורת טבעת (כמו בחיידקים), גם הוא דו-גדילי ובאורך של כ-16,500 חומצות גרעין בלבד. ישנן מספר מולקולות כאלו בכל מיטוכונדריה, ובתאים שונים יש מספר שונה של מיטוכונדריות (מאות או עשרות). כל התוצרים של הדנ"א המיטוכונדראלי הם חלבונים הבונים או מתפקדים במיטוכונדריה עצמה. אולם לא כל האנזימים/חלבונים במיטוכונדריה מסופקים מהדנ"א שבתוכה; חלק נכבד מקודד בדנ"א שבגרעין. כך יש דו-קיום הרמוני בין הדנ"א המיטוכונדראלי ובין הגרעיני. פגמים בדנ"א המיטוכונדראלי מורשים בצורה אימהית, שכן כל המיטוכונדריות בעובר מקורן בביצית ולא בזרע. צורת תורשה זו מיוחדת מאוד וקיומה הוכח במספר מחלות גדל והולך: נוירופתיה עינית מולדת על-שם Leber, מחלות שרירים מיטוכונדראליות (MELAS, קרדיומיופתיות, וכד'), חירשות מולדת במשפחה ערבית ישראלית, ויש אף הטוענים שצורת תורשה זו בעלת ביטוי מסוים גם במחלות שכיחות, כמו חלק ממקרי סוכרת וכו'.

מבנה הגנים באדם

יחידת הגן מהווה מערכת פונקציונלית המועתקת (transcription) לרנ"א שליח (m-RNA), ואחר-כך מתורגמת (translation) לחלבון. אורך הגן נע בין כמה מאות חומצות גרעין והוא אף יכול להגיע לכדי מיליון. האורך הממוצע של גן כ-10,000 חומצות גרעין (בסיסים). המערכת האנזימטית המעתיקה את הדנ"א לרנ"א היא הרנ"א פולימרז. זו מזהה רצף המסמן תחילת גן להעתקה ויודעת להפסיק את התהליך ברצף המסמן את סוף ההעתקה. בתוך הרנ"א הראשוני ישנם מקטעים "מיותרים" הנקראים intron; מקטעים אלה מוצאים (spliced out) על-ידי מערכת אנזים הנקראת splicing. הרנ"א הסופי שנוצר מכיל אפוא רק את אותם חלקים המתאימים בדיוק לרצף החלבון הסופי. לקטעי הדנ"א שאינם מוצאים קוראים exons. מערכת ה- splicing enzyme יודעת להכיר את האתרים של סוף exon אחד ותחילתו של הבא בתור.

מכיוון שה-exons הוא החלק ההופך בסופו של התהליך לחלבון/אנזים, יש שימור של הרצף שלו ובדרך-כלל שינויים בו יגרמו לשינוי בתפקוד התוצר. לעומת זאת, ה- introns וכל הקטעים שבין גן אחד למשנהו יכולים "לספוג" שינויים רבים, בלי שהדבר יתבטא בשינוי בתפקוד של תוצר הגן. לכן אפשר לראות את ה- exons או את הגנים כרצפים שמורים וקבועים השוחים באמבט של רצפים וריאביליים.

לא ברור מדוע נוצרה מערכת כה מורכבת, אולם נראה שמערכת ה- splicing מאפשרת לתא לייצר רנ"א סופי (ולכן חלבון) שונה מהדנ"א והרנ"א הראשוניים. למשל, תאי שריר הרנ"א הראשוני של טרופומיאוזין נחתך ליותר מ-10 תבניות שונות; כל אחת מהן מייצרת כמובן חלבון שונה. גם הגן לדיסטרופין (מחלת דושן) נחתך אחרת בשריר ובמוח. כך המערכת מאפשרת יצירת מספר שונה של חלבונים מאותו גן, בהתאם לצורכי הרקמה שבה נמצא התא. בצורה זו ה- splicing מקנה רמת בקרה נוספת ו"דחיסה" של כמות הדנ"א שצריכה להיכלל בגנום. פיצוח מערכת זו זיכתה את המגלים שלה בפרס נובל ב-1993.

הפיקוח על ביטוי של גן מסוים נעשה בעזרת מספר רמות בקרה
  1. רִצְפי RNA קצרים המכונים micro RNA, הממלאים תפקיד בפיקוח ובקרת הגנים, יכולים להפעיל ישירות העתקת גנים מסוימים על-ידי הפעלה ברצף של מספר חלבונים בתא;
  2. כמעט בכל גן יש בצד ה-'5 (אזור תחילת העתקה) אתר באורך של 20-10 חומצות גרעין הנקרא promotor, שאליו נקשרים חלבונים ספציפיים, או RNA קצרים, ההופכים את הגן ל"פתוח" ולזמין להעתקה;
  3. חלק מהגנים על גבי כרומוזום מסוים עוברים תהליך של "כיבוי" על-ידי מטילציה אפיגנטית של הנוקלאוטיס ציטוזין כשהוא מופיע בצמד עם גואנין
  4. רצפים מסוג (CpG) - ישנם גם אלמנטים נוספים, מרוחקים יותר מהגן, המפקחים על הפעלת הגן ספציפית ברקמה מסוימת הנקראים: enhancers. נוכחות אלמנט כזה באזור הגן או אפילו רחוק מאוד ממנו די בה כדי להפעיל את הגן ברקמה הנדונה.

שרשרת הדנ"א מקופלת בתוך הגרעין, ולו נמתחה הייתה מגיעה לאורך של 1 מטר. אחסון הדנ"א בגרעין סביב חלבונים (היסטונים ואחרים) לייצור כרומטין וכרומוזומים הוא מרשים ודורש פעולות של כיווץ מחד ולפרימה מהירה מאידך, לפי הצורך. כך הן המאפשרות "לפתוח" אזורים שצריכים לעבור העתקה.

שרשרת הרנ"א הבוגרת מועברת לתרגום לחלבון בריבוזומים (חלבונים הנשארים ופועלים בתא) וברטיקולום האנדופלזמטי. גופיף על-שם גולג'י אחראי להוספת שיירים קרבוהידרטים לחלק מהחלבונים. וסיקולות בתוך הציטופלזמה נושאות חלבונים מסוימים עד להפרשתם אל מחוץ לתא או עד להשתלבותם בממברנות השונות - בהתאם לתכונות החלבון.

מוטציות ווריאציות ברצף הגנטי והקשר למחלות גנטיות

שרשרת הדנ"א רצופה בווריאציות בין בני אדם שונים. וריאציות שפוגמות בתפקוד הגן נקראות מוטציות. לעומתן, וריאציות שאינן משפיעות על הבריאות ועל תפקוד האורגניזם נקראות פולימורפיזם.

סוגי המוטציות המוכרים

  1. missense: שינוי חומצת גרעין בודדת באקסון הגורם לשינוי בחומצת אמינו באותו אזור. השפעתה של חומצת הגרעין על תפקוד החלבון תלויה כמובן בחשיבות של אותו אתר (האם זהו אזור קריטי לתפקוד החלבון?) ובחומרת השינוי הנגרם (האם חומצת האמינו "החדשה" משנה באופן מהותי את המבנה המרחבי או את התפקוד של האתר?).
  2. nonssence: שינוי בחומצת גרעין אחת היוצר סיגנל של סוף העתקה - החלבון מסתיים שם, ולפעמים אף אינו נוצר.
  3. insertion/deletion: חוסר או תוספת של חומצת גרעין אחת עלולים לשנות באופן משמעותי את הסדר של כל חומצות האמינו בחלבון מנקודה זו והלאה, ובכך לגרום להפרעה ניכרת. כך גם כל תוספת של חומצות גרעין במספר שאינו כפולה שלמה של 3.
  4. translocation: במקרים של החלפת מקום (עקב ניתוק וחיבור מחדש בכרומוזום אחר). קיימת בדרך-כלל פגיעה קשה בהרכב ולכן גם בתפקוד החלבון.
  5. שינויים באזור החיבור intron ל- exon: יכולים לשנות את המבנה והאורך הסופי של החלבון בשל הפרעה למערכת ה- splicing.
  6. שינוי ברגולציה של הגן: למשל הפעלת אונקוגנים עקב הבאתו של הגן בסמיכות לגן אחר. לדוגמה: האונקוגן myc מופעל כשהוא מובא בסמיכות לגן לשרשרת כבדה של האימונוגלובולינים בגידולים לימפואידים.
המוטציות יכולות להביא לביטוי קליני במספר אופנים
  1. gain of function: זוהי צורת הנזק התפקודי שרואים במחלות המועברות בתורשה אוטוזומלית-דומיננטית. התוצר של הגן הפגום מתערב בבניית הרקמה ומקנה לה תכונות חדשות שאינן בריאות. לדוגמה באכונדרופלזיה, ב-CMT, במרפן ועוד.
  2. loss of function: זוהי צורת הנזק התפקודי שרואים במחלות המועברות בתורשה אוטוזומלית-רצסיבית – יש חסר של אנזים חשוב לחילוף חומרים. בצורה המכונה haploinsufficiency אנו מתארים ירידת כמות יצירת התוצר של הגן הפגום לכמות הבאה לידי ביטוי קליני, וזה אמנם לא הכלל אבל יכול להיות גם במחלות דומיננטיות.
  3. מוטציות הבאות לידי ביטוי רק בתנאים סביבתיים או מטבוליים מסוימים: בעיקר רואים אותן במחלות אוטוזומליות-רצסיביות כמו anemia-sickle-cell, קדחת ים-תיכונית (FMF), סרטן וכד'.

הקשר בין הגנוטיפ לפנוטיפ

הכוונה היא לקשר בין סוג השינוי הגנטי לפנוטיפ הקליני. הרבה מידע נִצבר בנושא זה, כעת כמוצאים בחולים את המוטציה האחראית למחלה. המידע גם נמצא באתרים ייעודיים שהוזכרו בתחילת הפרק. להלן מספר דוגמאות:

  1. מוטציות באזורים שונים של אותו הגן: במחלת ציסטיק-פיברוזיס ישנן מוטציות הגורמות לביטוי קלסי של CF, ומאידך אחרות שמתבטאות רק בחסימה מולדת של צינור הזרע, או רק של ברונכיטיס כרונית של הריאות בגיל מבוגר או רק של דלקות חוזרות של בלבלב. במחלת מרפן הביטוי יכל להיות קשה אם המוטציות תהיינה באקסונים 32-31 ו-27-24, ומאידך בצורה מאוד קלה אם הן באסונים: 60-59 או 41-37.
  2. מוטציות בגנים שונים המעורבים באותו מסלול המביא לאותה מחלה: לדוגמה long QT syndromes. ידועים לפחות ארבעה גנים שונים (מ-LQT1 ועד LQT4) האחראים לבעיית הולכה זו בלב – כולם מקודדים לתעלות להעברת יונים בתאי שריר הלב. הסיכון לאיבודי הכרה גבוה יותר ב-LQT1 (65% מהחולים עם פגם בגן זה עוברים אירוע כזה), פחות ב-LQT2 (45%), ועוד פחות ב-LQT3 (20%). גם במצב המגרה את איבודי ההכרה שונה, חולים עם פגם ב-LQT1 עושים זאת במאמץ ואילו בשאר הגנים זה דווקא במנוחה ושינה.
  3. גנים אחרים המשפיעים על הביטוי: במחלת ציסטיק-פיברוזיס, פרט לסוג המוטציה בגן ל-CF, ידועים גם modifier genes שיכולים להשפיע על החומרה של חולים עם אותן מוטציות.
  4. שילוב של מספר אפשרויות: בחירשות המולדת (הלא תסמונתית) ידועים גנים שונים האחראים לדרגת ביטוי שונה, ומאידך מוטציות שונות באותו גן גורמות לחומרת ביטוי שונה.

מקום ומועד היווצרות המוטציות או השינויים ברצף הגנטי

רוב המוטציות מתרחשות בתאים הגרמינטיביים בשלב המיוזיס, בתהליך ה- crossing over. אולם תיתכנה מוטציות גם בתאים הסומטיים (תאי הגוף הבשלים ברקמות האדם). אלו הן מוטציות סומטיות, שיכולות להיות אחראיות לקשת רחבה של מחלות גנטיות ובמיוחד סרטניות.

כיוון שרוב המוטציות מתרחשות בשלב מיוזיס, ותאי הזרע הם תוצר של stem cell שעבר שלבים רבים של מיוזיס, רוב המוטציות הספונטניות מקורן בזרע, ושכיחותן עולה עם גיל האב.

פולימורפיזם

כאמור, הגנים, ובמיוחד exons, אינם מכילים שינויים ברצף חומצות הגרעין שלהם. אולם האזורים בין הגנים, המהווים כ-95% מהגנום, מכילים רצפים משתנים בין אדם למשנהו, ובעצם באותו אדם בין כרומוזום אחד (אימהי) לשני (אבהי). אזורים וריאבילים אלו מנוצלים היום, כפי שיפורט בהמשך, למטרות רבות:

  1. לאבחנה בין גדיל אחד למשנהו בשני הכרומוזומים של האדם על-ידי קביעת ההפלוטיפ סביב הגן למחלה הנבדקת. בצורה זו ניתן, במשפחה שיש בה חולים, לזהות את ההפלוטיפ החולה בלי לבדוק את הגן או המוטציה עצמה. לדוגמה, בנוירופיברומטוזיס במשפחות שיש בהן מספר חולים.
  2. הכרת ההפלוטיפ באזורים שונים של הגנום מאפשרת לקבוע לכל אדם את "טביעת האצבעות הגנטית" שלו. בכך ניתן להפליל אנסים על-ידי השוואת דנ"א הנלקח במקום האונס לדנ"א בדם החשוד, להבדיל בין תאומים זהים לבין תאומים לא זהים, ועוד.
  3. עריכת תבחיני תאחיזה (linkage) כצעד ראשון למיפוי גן (קביעת מקומו במפת הכרומוזומים) כשלב חשוב במיצוי ובזיהוי הגן האחראי למחלה גנטית.
  4. כלי טוב למחקר אבולוציה, מקור גנטי של קבוצה אתנית מסוימת או של סדר התפתחות בבעלי חיים.

ביבליוגרפיה

  • Buyse ML. Birth Defects Encyclopedia. Center of Birth Defects Information Services, Inc.
  • Emery AE, Rimoin DL. Principles and Practice of Medical Genetics. Churchill Livingstone,
  • Harper PS. Practical Genetic Counseling.. Butterworth-Heinemann Ltd.
  • Jones KL. Smith's Recognizable Patterns of Human Malformation. W.B. Saunders Comp. Philadelphia.
מקורות נוספים

אנציקלופדיה גנופדיה - למידע המיועד לציבור הרחב: אנציקלופדיה גנטית לייעוץ גנטי, מחלות גנטיות ובדיקות גנטיות בשפה העברית ובצורה המתאימה גם למידע עבור המשפחות:

המידע שבדף זה נכתב על ידי פרופ' מוטי שוחט (יוצר\י הערך)