כניסה 
עקבו אחרינו בפייסבוק גנטיקה מולקולרית - כללי - Molecular genetics - general
הופניתם מהדף Molecular genetics לדף הנוכחי.
| גנטיקה מולקולרית - כללי | ||
|---|---|---|
| Molecular genetics – general | ||
| ||
| יוצר הערך | פרופ' מוטי שוחט | |
לערכים נוספים הקשורים לנושא זה, ראו את דף הפירושים – גנטיקה
חשיבות הגנטיקה המולקולרית
המטרה העיקרית של הגנטיקה המולקולרית היא לזהות את המחלות ברמה של הגן (Gene) הפגוע ולאתר באופן כימי את המוטציה (Mutation) 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, Familial dysautonomia, Duchenne muscular dystrophy, אנמיה חרמשית (Sickle cell anemia), Hemophilia, Phenylketonuria 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 DNA (DeoxyriboNucleic Acid) 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 (Multifactorial) שכיחות כמו סוכרת, הפרעה נפשית, סרטן וכדומה. אין ספק שהמאמץ המושקע בגילוי הפגם והמנגנון למחלות אלו יתרום בעתיד הלא רחוק רבות להתפתחות המניעה והטיפול גם בהן.
אבחון וזיהוי של הפרעות תורשתיות שונות ברמת ה-DNA עדיפים מאבחון ברמות אחרות. פרט למקרים יוצאי דופן (כמו הגנים ל-Immunoglobulin ב-Type B lymphocyes) ידוע היום, שה-DNA 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 ב-Fibroblasts ממי השפיר או אף בתאי הסיסים הכוריוניים של השליה (Chorionic villus cells) בשבועות הראשונים להיריון. משך הבדיקה קצר, ואין צורך להמתין לגדילת התאים בתרבית. זיהוי מחלות בשיטות DNA 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 (ביטול???) 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 (Genome), הכוללים כ-6 מיליארד חומצות גרעין של DNA. ה-DNA מסודר בשרשרת דו-גדילית, ומחולק ב-23 כרומוזומים (Chromosomes) (22 Autosomal 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 (Globin בתאי דם אדומים ו-Myosin 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 ל-Beta-globin על כרומוזום 11 יש Cluster של 6 גנים ל-Globin, שכל אחד מתבטא בשלב שונה בהתפתחות העובר והינקות. עם זאת, רכיבים שונים של אותו חלבון יכולים להימצא בכרומוזומים שונים (שרשרת Alpha-globin על כרומוזום 16 ו-Beta-globin על 11).
כ-95 אחוזים מגנום האדם מכיל DNA שאינו מקודד לתוצר כלשהו, ולמעשה הוא נותר בלא תפקיד ידוע. חלק זה מורכב בעיקר מרצפים החוזרים פעמים רבות; המוכר מכולם הוא הרצף ALU (Alanine, Leucine, Uracil), שמופיע 500,000 פעם בגנום.
פרט ל-DNA העיקרי בגרעין, קיים ב-Mitochondria גם DNA המסודר בצורת טבעת (כמו בחיידקים), גם הוא דו-גדילי ובאורך של כ-16,500 חומצות גרעין בלבד. ישנן מספר מולקולות כאלו בכל Mitochondria, ובתאים שונים יש מספר שונה של Mitochondria (מאות או עשרות). כל התוצרים של ה-DNA ה-Mitochondria הם חלבונים הבונים או מתפקדים ב-Mitochondria עצמה. אולם לא כל האנזימים (Enzymes)/חלבונים ב-Mitochondria מסופקים מה-DNA שבתוכה; חלק נכבד מקודד ב-DNA שבגרעין. כך יש דו-קיום הרמוני בין ה-DNA ה-Mitochondria ובין הגרעיני. פגמים ב-DNA ה-Mitochondria מורשים בצורה אימהית, שכן כל ה-Mitochondria בעובר מקורן בביצית ולא בזרע. צורת תורשה זו מיוחדת מאוד וקיומה הוכח במספר מחלות גדל והולך: Neuropathy עינית מולדת על-שם Leber, מחלות Mitochondria [MELAS (Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis, and Stroke-like episodes), Cardiomyopathy, וכדומה], חירשות מולדת במשפחה ערבית ישראלית, ויש אף הטוענים שצורת תורשה זו בעלת ביטוי מסוים גם במחלות שכיחות, כמו חלק ממקרי סוכרת וכדומה.
מבנה הגנים באדם
יחידת הגן מהווה מערכת תפקודית המועתקת (Transcription) ל-RNA (RiboNucleic Acid) שליח (Messenger-RNA, 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 ה-DNA ל-RNA היא ה-RNA polymerase. המערכת מזהה רצף המסמן תחילת גן להעתקה ויודעת להפסיק את התהליך ברצף המסמן את סוף ההעתקה. בתוך ה-RNA הראשוני ישנם מקטעים "מיותרים" הנקראים Intron; מקטעים אלה מוצאים (Spliced out) על-ידי מערכת אנזים הנקראת Splicing. ה-RNA הסופי שנוצר מכיל אפוא רק את אותם חלקים המתאימים בדיוק לרצף החלבון הסופי. לקטעי ה-DNA שאינם מוצאים קוראים Exons. מערכת ה-Splicing enzyme יודעת להכיר את האתרים של סוף Exon אחד ותחילתו של הבא בתור.
מכיוון שה-Exon הוא החלק ההופך בסופו של התהליך לאנזים/חלבון, ישנו שימור של הרצף שלו ובדרך-כלל שינויים בו יגרמו לשינוי בתפקוד התוצר. לעומת זאת, ה-Intron 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 משתנים.
לא ברור מדוע נוצרה מערכת כה מורכבת, אולם נראה שמערכת ה- Splicing מאפשרת לתא לייצר RNA סופי (ולכן חלבון) שונה מה-DNA וה-RNA הראשוניים. למשל, תאי שריר ה-RNA הראשוני של Tropomyosin נחתכים ליותר מ-10 תבניות שונות; כל אחת מהן מייצרת כמובן חלבון שונה. גם הגן ל-Dystrophin (מחלת Duchenne) 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 ה-DNA 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
- רִצְפי RNA קצרים המכונים MicroRNA, הממלאים תפקיד בפיקוח ובקרת הגנים, יכולים להפעיל ישירות העתקת גנים מסוימים על-ידי הפעלה ברצף של מספר חלבונים בתא
- כמעט בכל גן יש בקצה ה-'5 (אזור תחילת העתקה) אתר באורך של 20-10 חומצות גרעין הנקרא Promotor, שאליו נקשרים חלבונים מסויימים, או RNA קצרים, ההופכים את הגן ל"פתוח" ולזמין להעתקה
- חלק מהגנים על גבי כרומוזום מסוים עוברים תהליך של "כיבוי" על-ידי Epigenetic methylation של ה-Cytosine nucleotide כשהוא מופיע בצמד עם Guanine
- רצפים מסוג CpG ('3-Guanine-Cytosine-Phoaphate-'5) - ישנם גם מרכיבים נוספים, מרוחקים יותר מהגן, המפקחים על הפעלת הגן ברקמה מסוימת הנקראים: Enhancers. נוכחות מרכיב כזה באזור הגן או אפילו רחוק מאוד ממנו די בה כדי להפעיל את הגן ברקמה הנדונה
שרשרת ה-DNA מקופלת בתוך הגרעין, ולו נמתחה הייתה מגיעה לאורך של 1 מטר. אחסון ה-DNA בגרעין סביב חלבונים (Histones ואחרים) לייצור Chromatine וכרומוזומים הוא מרשים ודורש פעולות של כיווץ מחד ולפרימה מהירה מאידך, לפי הצורך. כך הן המאפשרות "לפתוח" אזורים שצריכים לעבור העתקה.
שרשרת ה-RNA הבוגרת מועברת לתרגום לחלבון ב-Ribosoms (חלבונים הנשארים ופועלים בתא) וב-Endoplasmic reticulum. גופיף על-שם Golgi אחראי להוספת שיירי Carbohydrates לחלק מהחלבונים. בועיות (Vesicles) בתוך ה-Cytoplasm נושאות חלבונים מסוימים עד להפרשתם אל מחוץ לתא או עד להשתלבותם בקרומים (Membranes) השונים - בהתאם לתכונות החלבון.
מוטציות ווריאציות (Variations) ברצף הגנטי והקשר למחלות גנטיות
שרשרת ה-DNA רצופה בווריאציות בין בני אדם שונים. וריאציות שפוגמות בתפקוד הגן נקראות מוטציות. לעומתן, וריאציות שאינן משפיעות על הבריאות ועל תפקוד ה-Organism נקראות Polymorphism.
סוגי המוטציות המוכרים
- Missense: שינוי חומצת גרעין בודדת ב-Exon הגורם לשינוי בחומצת אמינו באותו אזור. השפעתה של חומצת הגרעין על תפקוד החלבון תלויה כמובן בחשיבות של אותו אתר (אזור קריטי לתפקוד החלבון) ובחומרת השינוי הנגרם (חומצת האמינו "החדשה" משנה באופן מהותי את המבנה המרחבי או את תפקוד האתר)
- Nonssence: שינוי בחומצת גרעין אחת היוצר Signal של סוף העתקה - החלבון מסתיים שם, ולפעמים אף אינו נוצר
- 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
- Translocation: במקרים של החלפת מקום (עקב ניתוק וחיבור מחדש בכרומוזום אחר). קיימת בדרך-כלל פגיעה קשה בהרכב ולכן גם בתפקוד החלבון
- שינויים באזור חיבור ה-Intron ל-Exon: יכולים לשנות את המבנה והאורך הסופי של החלבון בשל הפרעה למערכת ה- Splicing
- שינוי ב-Regulation של הגן: למשל הפעלת Oncogenes עקב הבאתו של הגן בסמיכות לגן אחר. לדוגמה: ה-Oncogene myc מופעל כשהוא מובא בסמיכות לגן לשרשרת כבדה של ה-Immunoglobulines בגידולים לימפואידים (Lymphoid)
המוטציות יכולות להביא לביטוי קליני במספר אופנים
- Gain of function: זוהי צורת הנזק התפקודי שרואים במחלות המועברות בתורשה Autosomal-dominant. התוצר של הגן הפגום מתערב בבניית הרקמה ומקנה לה תכונות חדשות שאינן בריאות. לדוגמה ב-Achondroplasia, ב-CMT (Charcot-Marie-Tooth), בתסמונת Marfan ועוד
- Loss of function: זוהי צורת הנזק התפקודי שרואים במחלות המועברות בתורשה Autosomal-recessive – 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 Dominant
- מוטציות הבאות לידי ביטוי רק בתנאים סביבתיים או מטבוליים מסוימים: בעיקר רואים אותן במחלות Autosomal-recessive כמו Sickle-cell anemia, קדחת ים-תיכונית (Familial Mediteranean Fever, FMF), סרטן וכדומה
הקשר בין ה-Genotype ל-Phenotype
הכוונה היא לקשר בין סוג השינוי הגנטי ל-Phenptype הקליני. הרבה מידע נִצבר בנושא זה, כעת כמוצאים בחולים את המוטציה האחראית למחלה. המידע גם נמצא באתרים ייעודיים שהוזכרו בתחילת הפרק. להלן מספר דוגמאות:
- מוטציות באזורים שונים של אותו הגן: במחלת CF) Cystic fibrosis) ישנן מוטציות הגורמות לביטוי קלאסי של CF, ומאידך אחרות שמתבטאות רק בחסימה מולדת של צינור הזרע, או רק של Chronic bronchitis של הריאות בגיל מבוגר או רק של דלקות חוזרות של הלבלב. בתסמונת Marfan הביטוי יכל להיות קשה אם המוטציות תהיינה ב-Exons 32-31 ו-27-24, ומאידך בצורה מאוד קלה אם הן ב-Exons: 60-59 או 41-37
- מוטציות בגנים שונים המעורבים באותו מסלול המביא לאותה מחלה: לדוגמה LQT) Long QT syndromes). ידועים לפחות ארבעה גנים שונים (מ-LQT1 ועד LQT4) האחראים לבעיית הולכה זו בלב – כולם מקודדים לתעלות להעברת Ions בתאי שריר הלב. הסיכון לאובדן הכרה גבוה יותר ב-LQT1 65 אחוזים מהחולים עם פגם בגן זה עוברים אירוע כזה), פחות ב-LQT2 (45 אחוזים), ועוד פחות ב-LQT3 (20 אחוזים). גם במצב המגרה את איבודי ההכרה שונה, חולים עם פגם ב-LQT1 עושים זאת במאמץ ואילו בשאר הגנים זה דווקא במנוחה ושינה
- גנים אחרים המשפיעים על הביטוי: במחלת CF, פרט לסוג המוטציה בגן ל-CF, ידועים גם Modifier genes שיכולים להשפיע על החומרה של חולים עם אותן מוטציות
- 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 ה-Germinative בשלב ה-Myosis, בתהליך ה-Crossing over. אולם תיתכנה מוטציות גם בתאים ה-Somatic (תאי הגוף הבשלים ברקמות האדם). אלו הן מוטציות Somatic, שיכולות להיות אחראיות לקשת רחבה של מחלות גנטיות ובמיוחד סרטניות.
כיוון שרוב המוטציות מתרחשות בשלב Myosis, ותאי הזרע הם תוצר של Stem cell שעבר שלבים רבים של Myosis, רוב המוטציות הספונטניות מקורן בזרע, ושכיחותן עולה עם גיל האב.
Polymorphism
כאמור, הגנים, ובמיוחד Exons, אינם מכילים שינויים ברצף חומצות הגרעין שלהם. אולם האזורים בין הגנים, המהווים כ-95 אחוזים מהגנום, מכילים רצפים משתנים בין אדם למשנהו, ובעצם באותו אדם בין כרומוזום אחד (אימהי) לשני (אבהי). אזורים וריאבילים (Variable) אלו מנוצלים היום, כפי שיפורט בהמשך, למטרות רבות:
- לאבחנה בין גדיל אחד למשנהו בשני הכרומוזומים של האדם על-ידי קביעת ה-Haplotype סביב הגן למחלה הנבדקת. בצורה זו ניתן, במשפחה שיש בה חולים, לזהות את ה-Haplotype החולה בלי לבדוק את הגן או המוטציה עצמה. לדוגמה, ב-Neurofibromatosis במשפחות שיש בהן מספר חולים
- הכרת ה-Haplotype באזורים שונים של הגנום מאפשרת לקבוע לכל אדם את "טביעת האצבעות הגנטית" שלו. בכך ניתן להפליל אנסים על-ידי השוואת DNA הנלקח במקום האונס ל-DNA בדם החשוד, להבדיל בין תאומים זהים לבין תאומים לא זהים, ועוד
- עריכת תבחיני תאחיזה (Linkage) כצעד ראשון למיפוי גן (קביעת מקומו במפת הכרומוזומים) כשלב חשוב במיצוי ובזיהוי הגן האחראי למחלה גנטית
- כלי טוב למחקר Evolution, מקור גנטי של קבוצה אתנית (Ethnic) 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: