בקרת על ביטוי גנים - 2

(The Control of Gene Expression in Eukaryotes)

המצגת מבוססת על ספר הלימוד "גנטיקה", יהודית עתידיה

בקרה גנים באוקריוטים

בקרה על ביטוי גנים בפרוקיוטים - חזרה

למדנו פרוקריוטיים ביצורים גנים ביטוי של לבקרה כדוגמא על מודל האופרון:

176עתידיה, גנטיקה, עמ'

מוגבר או מעוכב התיעתוק בתגובה לאות, או לאותות, מהסביבהשל גנים, וכתוצאה מכך משתנה כמות החלבון המתאים.

בקרה על ביטוי גנים באוקריוטים יותר מורכבים הינם רב-תאיים אוקריוטיים יצורים מהפרוקריוטיים, ובהתאמה, גם מורכבות הבקרה על פעילות

הגנים מורכבת יותר.

176עתידיה, גנטיקה, עמ'

בגרעין התא האוקריוטי נמצא כל המידע הגנטי של היצור

176עתידיה, גנטיקה, עמ'

מניסויים כמו אלה של גורדון בצפרדעים, או משיבוט הכבשה דולי, למדנו כי בגרעין התא נמצא כל המידע הגנטי של היצור.

גרעין

בגרעין התא האוקריוטי נמצא כל המידע הגנטי של היצור

176עתידיה, גנטיקה, עמ'

מכלל הגנים.10% ל-5%מעריכים כי בתא מסוים פעילים רק בין

גרעין

בקרה על ביטוי גנים באוקריוטים

במחזור חייו של יצור רב-תאי בקרת הגנים היא בשתי רמות:

167עתידיה, גנטיקה, עמ'

גנים יופעלו בתא?אילו רמת ההתמיינות:1.התשובה לשאלה זו ניתנת פעם אחת - בתהליך

ההתמיינות.

יופעלו הגנים?מתי רמת פעילות התא לאחר ההתמיינות:2.התשובה לשאלה זו ניתנת פעמים רבות בחיי התא,

בהתאם לצרכי התא בתהליכי החיים השונים.

לתיאום בין גן מסוים לבין תא מסוים, מסוים, התפתחותי בשלב ואף וכל ביותר, מדויקת בקרה נדרשת

שגיאה בה עלולה להיות הרסנית.

בקרה על ביטוי גנים באוקריוטים

ניתן לחלק את הגנים הפעילים בתאים לשתי קבוצות גדולות:

176עתידיה, גנטיקה, עמ'

Housekeepingגנים הקשורים לאחזקה שוטפת של התא )1.genes.)

גנים אלה מתבטאים בכל תא ותא.לדוגמא – גנים הקשורים למבנה קרום התא, גנים

המקודדים לאנזימים של הנשימה התאית.

גנים שהתבטאותם מוגבלת לתאים, לרקמות או לאיברים 2.לדוגמא – גנים המקודדים לייצור חלבוני חלב, ייחודיים.

לייצור אנזימי עיכול.

חלוקה כזו אינה אפשרית ביצורים פרוקיוטיים שהינם מדוע?חד-תאיים.

בקרה על ביטוי גנים באוקריוטים

האוקריוטי ביצור גנים פעילות של הבקרה דרכי מהכרת הרב-תאי ניתן ללמוד על דרך התפתחותו של היצור, בה יש המתאים בזמן גנים, של ולהשתקה להפעלה מרכזי תפקיד

ובמקום המתאים.

176עתידיה, גנטיקה, עמ'

דוגמאות למבנים בגוף האדם אשר לבקרת הגנים יש תפקיד חשוב בהתפתחותם:

.הסימטריה הדו-צדדית של הגוף

.מיקומו של הראש

.גמישותן של האצבעות

בקרה על ביטוי גנים

ביטוי של הגן יכולה להיות ברמות שונות:הבקרה של

. פירוק של החלבון.6

)בדומה למנגנון האופרון בפרוקריוטים(.. תיעתוק הגן לרנ"א 2הרנ"א 3 עריכת )באוקריוטים .

בלבד(.. תרגום הרנ"א שליח לחלבון.4

. תפקוד החלבון.5

. הדנ"א.1

בקרה על ביטוי גנים פעילותו של גן אחד יכולה להיות מבוקרת בכל אחד

מהדנ"א המקודד לחלבון ועד לפירוקו של מהשלביםהחלבון

לדוגמא – בקרה גם בשלב התיעתוק וגם בשלב השיחבור.

178עתידיה, גנטיקה, עמ'

למדנו על דוגמאות לבקרה על ביטוי גנים

בשיעור נשים דגש על מנגנוני בקרה בשתי רמות:

178עתידיה, גנטיקה, עמ'

הרנ"א )עריכת בדנ"א בסיסים רצפי באירגון שינויים בקרה המתרחשת בשלב השיחבורשליח( -

כרומוזום שיתוק )למשל בדנ"א כימיים -Xשינויים ) בקרה המתרחשת בשלב הדנ"א.

. שינויים ברמת התיעתוק

. שינויים בפירוק החלבון

אך נזכיר גם שני מנגנוני בקרה רמת פעילות החלבון:

. שינויים במבנה החלבון

שינויים כימיים בדנ"א

הדנ"א, ברמת גם מבוקרת להיות יכולה גן של פעילותו כלומר ברמת הכרומוזמים בתא, עוד לפני תהליך התיעתוק.

182עתידיה, גנטיקה, עמ'

שינויים כימיים בדנ"א – שיתוק Xכרומוזום

לבקרה של דוגמא התופעה היא הדנ"א שיתוק ברמת . בנקבות יונקיםXכרומוזום

182עתידיה, גנטיקה, עמ'

זיהה M. L. Barr נצפתה לראשונה בחתולים, כאשר Xתופעת שיתוק כרומוזום לראשונה גופיף דחוס הסמוך לקרום הגרעין בתא הנקבות בלבד.

שלה, Xלחוקרים התברר כי בכל נקבה משותק אחד משני כרומוזומי ה-ואינו עובר תיעתוק כלל. תופעה זו מאזנת, ככל הנראה בין תוצרי הגנים

כרומוזום יש, Xשל שלהם תא שבכל הזכרים, של אלה לבין בנקבות יחיד. Xכזכור, כרומוזום

שינויים כימיים בדנ"א – שיתוק Xכרומוזום

אינה באה לידי ביטוי בקריוטיפ של האשה )ושל Xתופעת השיתוק של כרומוזום ושיתוק הכרומוזומים משפיע על התיעתוק, אך היונקים בכלל(, מאחר נקבות

אינו פוגע בשכפול הדנ"א )ולכן לא נפגע תהליך המיטוזה(.

כרומוזום כאשר Xשיתוק מוקדם, עוברי )בשלב ההפריה, לאחר מתרחש בה הנקבה )בגוף הפיך בלתי והוא תאים, של אחדות מאות מכיל העובר

התרחש(.

182עתידיה, גנטיקה, עמ'

שינויים כימיים בדנ"א – שיתוק , ומעורב Xעד כה לא הובהר לגמרי המנגנון המולקולרי של שיתוק כרומוזם ה- Xכרומוזום

ברצף שינוי שיתרחש מבלי ברנ"א, המשותק הכרומוזום ציפוי היתר, בין בו, הבסיסים עצמו.

כרומוזום ושיתוק מכילים Xמאחר הנקבה מתאי מחצית הרי אקראי, הינו השני. מצב זה יוצר X פעיל אחד, ובמחצית השניה פעיל כרומוזום ה-Xכרומוזום

לשני המאפשר מצב כרומוזומי, שני פעילים ואיבר רקמה בכל בו תשבץ, מעין הכרומוזומים להשפיע על הפנוטיפ.

שינויים כימיים בדנ"א – שיתוק ה- Xכרומוזום כרומוזום ששיתוק כי מאחר לציין מתאי Xחשוב כמחצית הרי הוא אקראי,

פעיל אחד, והמחצית השנייה מכילה את כרומוזום Xהנקבה מכילים כרומוזום הפעיל השני. Xה-

פנוטיפ לה מקנים בנקבה הפעילים מהכרומוזומים אחד כל תוצרי החלבונים נושא אלל מוטנטי, כגון אלל הגורם לעיוורון X נורמלי, גם אם אחד מכרומוזומי

צבעים, או אלל למחלת הדממת )המופיליה(, המתבטאת בקרישה נמוכה של דם.

משותק, אין השפעה על תדירות הפנוטיפים Xאם כך, לתופעה של כרומוזום באוכלוסיית הנקבות.

הורשת הגן להמופיליה בשתי משפחות – אב חולה

המופיליה ואמא לא נשאית )משמאל( ואמא

נשאית המופיליה ואב /שאינו נשא )מימין(

בקרת התיעתוק

ההתבטאות של רוב הגנים ביצורים האוקריוטיים מבוקרת, ככל הנראה, ברמת התיעתוק.

186עתידיה, גנטיקה, עמ'

אתרים חוקרים מצאו שבדנ"א של האוקריוטיים קיימים .המשפיעים על עוצמת פעילותם של אתרים מקדמים

עוצמת התיעתוק ועל תזמוןברמת התיעתוק יש בקרה על התיעתוק )מספר העותקים של רנ"א שליח שיווצרו ביחידת

זמן(.

בקרת התיעתוק

186עתידיה, גנטיקה, עמ'

- המגבירים את פעילות האתר המקדם, (Enhancersאתרים מעצמים )כלומר מגבירים את תהליך התיעתוק.

אתר מקדם

- המפחיתים את התיעתוק.(Silencersאתרים משתיקים )

אתרים המשפיעים על עוצמת פעילותם של אתרים מקדמים:

בקרת התיעתוק

188עתידיה, גנטיקה, עמ

וכמה מעצמים אתרים כמה מעורבים להיות יכולים גן תיעתוק על בפיקוח אתרים משתיקים, וכך יכול להתקבל טווח רחב של רמת תיעתוק, ויש אפשרות

למעורבות של גורמים רבים בקביעת רמת התיעתוק.

כך ניתן להסביר את העובדה שאותו גן מתועתק בעוצמה שונה ברקמות שונות, ובאותה רקמה - בתנאים שונים.

זה מסייע להסביר את תהליכי ההתפתחות העוברית בזבוב הדרוזופילה: מודל על משפיע באחורי( ונמוך הקדמי בצד )גבוה בקרה חלבון של שונה ריכוז

התמיינות שונה של תאי העובר.

בקרת התיעתוק

188עתידיה, גנטיקה, עמ

וכמה מעצמים אתרים כמה מעורבים להיות יכולים גן תיעתוק על בפיקוח אתרים משתיקים, וכך יכול להתקבל טווח רחב של רמת תיעתוק, ויש אפשרות

למעורבות של גורמים רבים בקביעת רמת התיעתוק.

כך ניתן להסביר את העובדה שאותו גן מתועתק בעוצמה שונה ברקמות שונות, ובאותה רקמה - בתנאים שונים.

זה מסייע להסביר את תהליכי ההתפתחות העוברית בזבוב הדרוזופילה: מודל על משפיע באחורי( ונמוך הקדמי בצד )גבוה בקרה חלבון של שונה ריכוז

התמיינות שונה של תאי העובר.

בקרה בשלב השחבור )עריכת הרנ"א(

פעילותו של גן יכולה להיות מבוקרת לאחר תהליך , "שחבור"התיעתוק, ולפני תהליך התרגום, בתהליך הנקרא

רצפים שאינם שלב שבמהלכו מסולקים ממולקולת הרנ"אמקודדים לחלבון.

178עתידיה, גנטיקה, עמ'

בקרה בשלב השיחבור )עריכת הרנ"א(

?(Splicingהשחבור )מהו, למעשה, תהליך

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

בתהליך השחבור, המתרחש לאחר התיעתוק, רצפים שאינם מסולקים ממולקולת הרנ"א

מקודדים לחלבון )אקסונים ורצפי בקרה(והקטעים המקודדים )אינטרונים( מחוברים זה

לזה.

בקרה בשלב השיחבור )עריכת הרנ"א(

אינטרונים גם לכלול עשוי מסויימת תורשתית לתכונה גן ורצפי בקרה שאינם מקודדים.

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

בקרה בשלב השיחבור )עריכת הרנ"א(

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

למולקולת הדנ"א ממולקולת שבגן המידע העתקת לאחר שליח, התרגום,הרנ"א תהליך ממולקולת ולפני להוציא יש

החומצות לרצף מקודדים שאינם הרצפים את שליח הרנ"א . )אינטרונים ורצפי בקרה(האמיניות שבחלבון

, כולל הוצאה )השמטה( של "שחבור"תהליך העריכה, הנקרא קטעים שאינם מקודדים לרצף החומצות האמיניות וחיבורם זה

לזה של הקטעים המקודדים.

שלבי השחבור

2אקסון אינטרון 1אקסון דנ"א

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

שלבי השחבור

תיעתוק

2אקסון אינטרון 1אקסון

2אקסון אינטרון 1אקסון

דנ"א

רנ"א שליח לא

ערוך

תיעתוק

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

שלבי השחבור

2אקסון אינטרון 1אקסון

2אקסון אינטרון 1אקסון

2אקסון 1אקסון

עריכת הרנ"א )שחבור(

תיעתוק

דנ"א

רנ"א שליח לא

ערוך

רנ"א שליח ערוך

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

שלבי השחבור

2אקסון אינטרון 1אקסון

2אקסון אינטרון 1אקסון

2אקסון 1אקסון

עריכת הרנ"א )שחבור(

תיעתוק

תרגום

דנ"א

רנ"א שליח לא

ערוך

רנ"א שליח ערוך

חלבון

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

שחבור חלופי

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

אחת שחבור מצורת יותר מתבצעת שבהם רבים מקרים יש יחיד בסיסים שרצף היא והתוצאה רנ"א, מולקולת לאותה

בדנ"א משמש מקור לכמה מולקולות רנ"א שונות.

אקסון אקסון אקסון אקסון

שחבור חלופי

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

אחת שחבור מצורת יותר מתבצעת שבהם רבים מקרים יש יחיד בסיסים שרצף היא והתוצאה רנ"א, מולקולת לאותה

בדנ"א משמש מקור לכמה מולקולות רנ"א שונות.

mRNA

גן

אקסון אקסון אקסון אקסון

mRNA

גן

mRNA

אקסון אקסון אקסון אקסון

שחבור חלופי

67עתידיה, גנטיקה, עמ'

אחת שחבור מצורת יותר מתבצעת שבהם רבים מקרים יש יחיד בסיסים שרצף היא והתוצאה רנ"א, מולקולת לאותה

בדנ"א משמש מקור לכמה מולקולות רנ"א שונות.

אפשרויות חלופיות של שחבור

חלבון א

חלבון ב

התרגום בתהליך נוצרים שונות שליח רנ"א ממולקולות חלבונים שונים!

שחבור חלופי

180עתידיה, גנטיקה, עמ'

בשחבור שונים חלבונים יצירת של הביולוגית החשיבות מהי החלופי?

השחבור החלופי מאפשר ליצור מגוון רב של חלבונים ממספר מצומצם יחסית של גנים.

, חלבון המעורב בתהליך התכווצות טרופוניןלדוגמא – שתי וריאציות של החלבון השרירים. כל אחד משני החלבונים הדומים האלה פעיל בשלבי התפתחות שונים יצירת ידוע כיצד מתבצעת הבקרה לכיוון של של שרירים שונים בגוף. עדיין לא

אחד משני החלבונים.

שחבור חלופי

180עתידיה, גנטיקה, עמ'

דוגמא מורכבת אף יותר היא יצירתם של החלבונים המרכיבים את הנוגדנים השונים הנוצרים בגוף. בתהליך השחבור נוצרים לגוף המאפשרים שונים, חלבונים של מאד רבים צירופים שונים מחלות גורמי כנגד נוגדנים, של עצום מגוון ליצור

העלולים לאיים עליו.הוא חלבון הנוצר בגוף כתגובה לחדירת גורם חלבון זר )כגון (Antibodyנוגדן )

מולקולת חלבון(, או מיקרואורגניזם.

לנוגדנים תפקיד חשוב בניטרול גורמי מחלה, ובסילוקם.

לדוגמא: נוגדנים נקשרים לחיידקים , מצמידים אותם זה לזה )פעולה המנטרלת את תפקודם( ומסמנים אותם לתאים בולענים.

חיידק נוגדן

שחבור חלופי

180עתידיה, גנטיקה, עמ'

דוגמא מורכבת אף יותר היא יצירתם של החלבונים המרכיבים את הנוגדנים השונים הנוצרים בגוף. בתהליך השחבור נוצרים לגוף המאפשרים שונים, חלבונים של מאד רבים צירופים שונים מחלות גורמי כנגד נוגדנים, של עצום מגוון ליצור

העלולים לאיים עליו.

נוגדנים המצמיתים זה לזה חיידקים

האות דמוי מבנה נוגדן חלבון: Yלכל שרשראות מארבע מורכב והוא ,שתי שרשראות ארוכות, הזהות זו לזו, ושתי שרשראות קצרות, הזהות זו לזו. חלקו הייחודי של הנוגדן )"החלק המשתנה"( הן קצות זרועותיו של

הנוגדן, והן הנקשרות למולקולת האנטיגן.

חיידק נוגדן

האיזור המשתנה בשרשרת הארוכה של

הנוגדןהאיזור הקבוע בשרשרת

הארוכה של הנוגדן

שחבור חלופי

180עתידיה, גנטיקה, עמ'

דוגמא מורכבת אף יותר היא יצירתם של החלבונים המרכיבים את הנוגדנים השונים הנוצרים בגוף. בתהליך השחבור נוצרים לגוף המאפשרים שונים, חלבונים של מאד רבים צירופים שונים מחלות גורמי כנגד נוגדנים, של עצום מגוון ליצור

העלולים לאיים עליו.

הדגמה של שלבים ביצירת האזור

המשתנה בשרשרת הארוכה של נוגדן

בעכבר, איזור המקנה לו את

הייחודיות בהתקשרות לאנטיגן

האיזור המשתנה בשרשרת

הארוכה של הנוגדן

שחבור חלופי

180עתידיה, גנטיקה, עמ'

מאפשר החוקרים מעריכים שמנגנון השחבור ביצירת הנוגדנים יותר של יצירתם מיליוןאת שוניםמעשרים נוגדנים בשעה ,

שמספר הגנים באדם אינו עולה על חמישים אלף!

מהי החשיבות הביולוגית של תופעה זו להשרדות?

הדגמה של שלבים ביצירת האזור

המשתנה בשרשרת הארוכה של נוגדן

בעכבר, איזור המקנה לו את

הייחודיות בהתקשרות לאנטיגן

האיזור המשתנה בשרשרת

הארוכה של הנוגדן

שחבור חלופי

180עתידיה, גנטיקה, עמ'

לקולטנים המקודדים גנים בתעתיקי נפוץ חלופי שחבור גנים בתעתיקי וכן התאים, קרומי שעל )רצפטורים(

המתפקדים במערכת העצבים ובמערכת החיסון.

בין כי ל-40%מעריכים עוברים 60% האדם של מהגנים שחבור חלופי לאחר תהליך התיעתוק.

שחבור חלופי

מאותה מולקולת רנ"א

מאותה מולקולת דנ"א יכול להיווצר מגוון מולקולות רנ"א...

סילוק האינטרונים – זהה תמיד

... שמשמעותן יצירת חלבונים שונים רבים!

בקרת התרגום האמיניות החומצות לרצף שליח הרנ"א תרגום על הבקרה וכמה שליח הרנ"א יתורגם מתי לקבוע עשויה החלבון של

פעמים יתורגם.

178עתידיה, גנטיקה, עמ'

רנ"א שליח

ריבוזום

רנ"א מוביל

חומצה

אמינית

על משפיעה שליח הרנ"א מולקולות של הפירוק מהירות גם תהליך התרגום .

בקרת פעילות החלבון

פעילות ברמת גם מבוקרת להיות יכולה גן של פעילותו החלבון, כלומר לאחר תהליך התרגום.

178עתידיה, גנטיקה, עמ'

בקרת תפקוד החלבון – מתום ייצורו ועד לפירוקו

לקביעת קשורה החלבון תפקוד על פעילותובקרה , זמן . משך פעילותו ועוצמת פעילותו

192עתידיה, גנטיקה, עמ'

דוגמאות לדרכי בקרה על פעילות החלבון:

)הרשת התא קרומי )באמצעות בתא שונים מקומות בין החלבונים מעבר התוך-תאי וכן קרומי מערכת גולג'י(.

תהליך "הבשלה" של חלבון:

כימית קבוצה מהם שהסירו לאחר רק הפעילים חלבונים )כגון יש אנזימים במערכת העיכול אשר אסור שיתחילו לתפקד לפני שיופרשו לחלל

מערכת העיכול(.יש חלבונים הפעילים רק לאחר שנקשרה אליהם קבוצה כימית כמו

קבוצת זרחה.

בקרת פירוק החלבון

כי החוקרים הבינו האחרונות השנים בחמש-עשרה רק לבקרת פירוק החלבונים יש תפקיד מרכזי בבקרת פעילותם.

191עתידיה, גנטיקה, עמ'

פירוק החלבונים מבוקר באמצעות החלבון יוביקויטין (Ubiquitin הנמצא בכל התאים של כל היצורים ,)

האוקריוטיים.

בקרת פירוק החלבון עם יחד זכו צ'חנובר, ואהרן הרשקו אברהם ישראליים, חוקרים שני

נובל לכימיה לשנת נוסף, ארווין רוז, בפרס גילוי אחד 2004מדען על בתא: ביותר החשובים המחזוריים של התהליכים הפעולה מנגנון

., - תהליך המאפשר את פירוק החלבוניםיוביקויטיןהחלבון

191עתידיה, גנטיקה, עמ' אברהם הרשקו

אהרון צ'חנובר

סיכום בקרה על ביטוי גנים

192עתידיה, גנטיקה, עמ'

מה למדנו על בקרה של ביטוי גנים?

ביטוי של הגן יכולה להיות ברמות שונות:הבקרה של

. פירוק של החלבון.6

)בדומה למנגנון האופרון בפרוקריוטים(.. תיעתוק הגן לרנ"א 2הרנ"א 3 עריכת )באוקריוטים .

בלבד(.. תרגום הרנ"א שליח לחלבון.4

. תפקוד החלבון.5

. הדנ"א.1

מה למדנו על בקרה של ביטוי גנים?

לידי באים תא בכל אך בגוף, התאים בכל נמצא הגנום כל .ביטוי רק חלק מן הגנים

167עתידיה, גנטיקה, עמ'

המתאימה, בעוצמה המתאים, הגן ביטוי על בקרה קיימת במקום המתאים ובזמן המתאים בהתאם לתנאי הסביבה.

תעתוק )הגברת החיובית הבקרה את מסביר האופרון מודל הגן( ואת הבקרה השלילית )דיכוי תעתוק(.

יכולה להיות בכל אחד –באאוקריוטים גנים בקרה על ביטוי לחלבון. DNAמהשלבים במסלול מ-

תם ולא נשלם