גן (ביולוגיה)
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
בביולוגיה, גֵן (Gene) הינו יחידת מידע המועברת מאורגניזם לצאצאיו באמצעות החומר התורשתי (בדרך-כלל DNA או RNA). המידע הטמון בגנים, קובע את תכונותיו של האורגניזם; למעשה הגנים מכילים את "הוראות הייצור" לעשרות אלפי חלבוני התא, ובכך אחראיים לקביעת רובן המוחלט של תכונות האורגניזם.
מבחינה פיזיקלית, הגנים הינם מקטעים ברצף מולקולת ה-DNA (או ה-RNA), המזוהים בתוך הרצף על ידי קידוד אופייני לתחילת וסיום תרגום לחלבון.
את המונח "גן" קבע ב-1909 הבוטניקאי וילהלם ג'והנסון עבור יחידת ההורשה הבסיסית, מבחינה פיזית ותפקודית. מקורה של המילה במונח קודם שתבע דרווין, פאנגנזיס (pangenesis), מיוונית: פאן=מכלול, גנזיס=לידה או גנוס=מקור.
תוכן עניינים |
[עריכה] מבוא
אופן התבטאות הגנים ותוצריהם הם אלו הקובעים את מכלול התכונות של כל הייצורים החיים, בשילוב עם תנאים סביבתיים. הגנים מועברים בתורשה מכל פרט לצאצאיו. הגנים הם יחידות התורשה, והם המקור לדימיון הרב בין הורים וצאצאיהם.
כל אחד מהגנים מורכב מרצף בעל כמה אלפי נוקלאוטידים. הגנים משועתקים למולקולות RNA המתורגמות לחלבון או חלקי חלבון (פפטידים). החלבון המיוצר משתלב בתהליכים תוך-תאיים סבוכים וכך משפיע או קובע את התכונה. לפעמים חלבון מיוצר על ידי קבוצה של מספר גנים, אשר כל אחד מהם מקודד לחלק מהחלבון. לאחר תום התרגום מתאחים החלקים השונים והופכים לחלבון השלם.
תכונות מסוימות נקבעות על ידי גן בודד (למשל צבע הפרח באפונת הגינה), אולם רוב התכונות נקבעות על ידי מספר גנים יחדיו ואף בשילוב עם גורמים סביבתיים ונקראות על כן תכונות מורכבות. צבע עיניים באדם למשל, נקבע על ידי צירוף של ארבעה גנים שונים.
פרויקט גנום האדם חשף את רצף הנוקלאוטידים המקודד ב-DNA, אך הקישור בין הגנים לתכונות עליהן הם משפיעים הוא כיום אחד האתגרים המרכזיים של המדע בתחום זה. במלים אחרות: אנו יודעים מהו רצף האותיות בשפת ה-DNA, אך איננו יודעים עדיין מה (רוב) המילים אומרות.
[עריכה] מושגים בסיסיים
- גנום (Genome) - הגנום הוא מכלול החומר התורשתי הנמצא בתאיו של אורגניזם מסוים ומסודר על פי רוב במספר כרומוזומים. פענוח הגנום של אורגניזם מסוים כולל את קביעת רצף חומצות הגרעין המרכיבות את ה-DNA (הרצף זהה ברובו אצל כל הפרטים מאותו המין), ואיתור הגנים המקודדים ברצף זה.
- דיפלואידיות - לאדם, כמו למרבית האורגניזמים המורכבים ובניגוד ליצורים הפלואידים, ישנם שני עותקים לא זהים של כל הכרומוזומים, וכמובן של כל גן על פני הכרומוזומים. כל אחד מההורים מעביר לצאצאו עותק אחד מכל זוג כרומוזומים. התכונה המקודדת על ידי כל אחד מהגנים תקבע על ידי היחסים בין האללים הקיימים בזוג הכרומוזומים.
- אלל (Allele) - גנים רבים מופיעים ביותר מצורה אחת, כשכל אחת מהצורות מביאה להתבטאות שונה במקצת של התכונה. כל צורה כזו של גן ספציפי נקראת אלל. לדוגמה, הגן המקודד לצבע זרעי צמח האפונה יכול לקודד לצבע ירוק (זהו אלל אחד) או לצבע צהוב (אלל שני). הניסויים הראשונים שהביאו לגילוי כללי התורשה בוצעו בצמח האפונה על ידי גרגור מנדל.
- דומיננטי (Dominant, בעברית: שלטני) ורצסיבי (Recessive, בעברית: נסגני) - קיים מגוון של יחסי גומלין בין האללים השונים של גן מסוים. היחס השכיח ביותר הוא דומיננטיוּת ורצסיביוּת. במצב זה מסוכך האלל האחד - הדומיננטי - על התבטאותו של השני - הרצסיבי. לדוגמה: האלל המקודד לזרע אפונה ירוק דומיננטי על-פני האלל המקודד לזרע אפונה צהוב. לאחר זיווג (הכלאה) בין צמח אפונה שזרעיו ירוקים ובין צמח אפונה שזרעיו צהובים, ובמידה והצמח הצאצא יירש מאחד מהוריו אלל ירוק ומההורה השני אלל צהוב - הרי שזרעיו של הצאצא יהיו ירוקים, שכן האלל הירוק הדומיננטי מבטל את השפעתו של האלל הצהוב הרצסיבי.
- ערך מורחב – פגם גנטי
- מחלות תורשתיות רבות, כגון סיסטיק פיברוזיס או תסמונת אטקסיה טלנגיאקטזיה, הן רצסיביות. מחלה רצסיבית תופיע בפרט מסוים אך ורק אם שני האללים שקיבל מהוריו הם אללים "חולים", כלומר הפרט הוא הומוזיגוט באתר המחלה. במידה ורק אחד האללים "חולה", כלומר הפרט הוא הטרוזיגוט באתר המחלה, הפרט יהיה בריא. כך ייתכן שלשני הורים בריאים אך נשאים (מאחר והם הטרוזיגוטים למחלה) יהיה צאצא חולה - הסיכוי לצאצא כזה הוא 25%. מצד שני להורה חולה יהיה צאצא בריא, במידה וההורה השני העביר לו אלל בריא.
- במחלות דומיננטיות, לעומת זאת, כגון מחלת בסט או מחלת הנטינגטון, מספיק שאחד האללים יהיה "חולה" כדי שהפרט הנושא אותו יבטא את המחלה. צאצא להורה חולה יקבל את האלל למחלה ויבטא בעצמו את המחלה ב-50% מהמקרים.
- קו-דומיננטיוּת - צורה נוספת של יחסי גומלין בין אללים הוא "שיתוף פעולה" ביניהם, כך שהתכונה הסופית מהווה שילוב של התכונות להן מקודדים שני האללים. דוגמה מעולם הבוטניקה: אלל המקודד לפרחים אדומים, והאלל המקביל לו, המקודד לפרחים לבנים. אם שוררת דומיננטיות חלקית בין שני האללים, הרי שהפרחים שיתקבלו מהכלאת שני האללים יהיו בצבע ורוד - שילוב של אדום ולבן.
- גֵנוֹטִיפּ (Genotype) ופֵנוֹטִיפּ (Phenotype) - הראשון מציין את ההרכב הגנטי של יצור מסוים, והשני - את התבטאותן של תכונות היצור. לדוגמה, "עיניים כחולות"; זהו תיאור של פנוטיפ. הגנוטיפ של אותו אדם (בהקשר לצבע עיניו) הוא מכלול הגנים המשתתפים בקביעת צבע העיניים. הפנוטיפ אינו נקבע על-ידי הגנים באופן בלעדי; גורמים סביבתיים, כגון טמפרטורה, לחות וחשיפה לחומרים מסוימים עלולה, כידוע, להשפיע רבות על תכונות הפרט. לפיכך, ידיעת הגנוטיפ אינה מהווה מתכון בלעדי לחיזוי הפנוטיפ.
[עריכה] דוגמה
כדוגמה להבהרת מושגים אלו נשתמש במנגנון קביעת סוג הדם באדם.
התכונה נקבעת על ידי גן יחיד בעל שלושה אללים: אלל אחד יגרום לייצור חלבון מסוג A, אלל נוסף יגרום לייצור חלבון מסוג B, ואילו אלל שלישי לא יגרום לייצור חלבון (ומסומן כ O). האללים A ו-B דומיננטים על פני O הרצסיבי, ואילו ביניהם A ו-B קו-דומיננטים. שני העותקים שעברו לפרט משני הוריו יכולים להיות זהים (גנוטיפ הומוזיגוטי) ואז והפנוטיפ שיתקבל יהיה סוג דם B ,A או O (בהתאמה לאללים). אם הגנוטיפ הטרוזיגוטי, יתקבל סוג דם A או B כפנוטיפ מהגנוטיפ AO ו-BO בהתאמה, ואילו הגנוטיפ AB ייתן סוג דם AB כפנוטיפ.
ניתן להבחין שלא תמיד הפנוטיפ משקף חד-חד-ערכית את הגנוטיפ. הגנוטיפים AO ו-AA יתנו שניהם פנוטיפ של סוג דם A.
[עריכה] גן או לא?
למרות שהגנים הינם "גולת הכותרת" של הגנום (מכלול החומר התורשתי), הרי שגנים המקודדים לחלבונים מהווים מיעוט זעום מכלל הגנום: כ-1.5% מהגנום מורכב מגנים המקודדים לחלבונים, וכ-98.5% מהגנום מורכב מרצפים אחרים שאינם מקודדים לחלבונים.
ישנם מעט גנים המתורגמים ל-RNA אך זה אינו משועתק לחלבון. מולקולת ה-RNA שנוצרת במקרה זה היא המטרה של הגן, ולה תפקידים רגולטוריים או במקרה של הריבוזימים, פעילות אנזימטית. לבד מזאת, רוב רצף ה-DNA אינו מהווה אינו משועתק כלל ל-RNA, אלא משתתף בבקרה. רצפים אלו מעודדים או מדכאים שעתוק ותרגום של גנים או שהם בעלי תפקיד מבני.
סוגי הרצפים ב-DNA כוללים:
- גנים המקודדים ל-tRNA ול-rRNA.
- אינטרונים.
- טלומרים.
- טרנספוזונים.
- צנטרומרים.
- הכפלות וחזרות, חסרות תפקיד כנראה, של רצפי DNA.
ניתן לראות, אם כן, שישנן יחידות DNA בעלות תפקיד מוגדר (טלומרים, למשל) אשר אינן מהוות גנים. הגדרת הגן הינה, לפיכך, חד-כיוונית: גן הוא יחידת DNA בעלת תפקיד מוגדר, אך לא כל יחידת DNA בעלת תפקיד מוגדר היא גן.
אצל האדם קיימים כ-25,000 גנים, המקודדים, למרבה הפלא, לכ-200,000 חלבונים. הדבר מתאפשר אודות לתופעת השחבור החליפי, בה מקטעי גנים שונים משנים את סדרם ויוצרים רצפים שונים של חומצות אמינו - כלומר, חלבונים שונים.
גודלו של גנום האדם הוא כ-3 מיליארד נוקלאוטידים. היות ורק כ-1.5% ממנו מורכב מגנים המקודדים לחלבונים, ניתן לחשב שגודלו הממוצע של כל אחד מ-25,000 הגנים הוא 1,800 נוקלאוטידים (לא כולל אינטרונים). אם מורידים אזורים נוספים בגן אשר אינם מקודדים לחלבון (אזורי בקרה שונים, כגון קדם (פרומוטר)), מתקבל שהאורך הממוצע של האזור המקודד לחלבון בכל גן הוא 1,340 נוקלאוטידים. אם מכלילים את האינטרונים, מתקבל כי אורכו הממוצע של גן שלם הוא 27,000 נוקלאוטידים. היות וכל שלושה נוקלאוטידים מקודדים לחומצת אמינו אחת (ראו: הקוד הגנטי), הרי שאורכו הממוצע של פפטיד המקודד על ידי גן הוא 600 חומצות אמינו (תזכורת: נתונים אלו נכונים עבור הגנום האנושי בלבד).
[עריכה] הגנים בתהליך ההתפתחות האנושית
הגנים מהווים את המרכיב המרכזי בהתפתחותו של האדם. הם מכילים את המידע המאפשר את התפתחות מערכת העצבים בפרט והגוף בכלל. עם זאת, אין לראות את השפעתם כדטרמיניסטית. קיימת פעולת גומלין בין פעילותם לבין הסביבה.
שאלה מפורסמת היא איזו השפעה גדולה יותר - השפעת הסביבה או השפעת הגנום. למעשה זו שאלה עקרה. בתנאים מסוימים עשויה ההשפעה הסביבתית להיות קרובה למוחלטת ובתנאים אחרים תהיה ההשפעה הגנטית הדומיננטית. כאשר שני ילדים גדלים במשפחות אמריקאיות מהמעמד הבינוני שמאפייניהן דומים ביותר, השפעת הסביבה על השוני ביניהם קטנה יחסית, שכן השוני הסביבתי קטן. אם אחד מאותם ילדים היה מושלך ליער בינקותו וגדל בתנאי חסך קיצוניים, השפעת הגנים על השוני ביניהם הייתה, לעומת זאת, דלה ביחס לקיפוח הסביבתי, שהיה מכתיב כליל את חיי הילד המוזנח.
בתנאים שוויוניים של חברת רווחה מערבית צפוי איפוא המרכיב הגנטי (שאליו מצטרפים תנאי הילד בעודו ברחם) להיות המכריע ביצירת השוני בתכונותיהם בין בני אדם, אך בשום פנים לא ניתן להסיק מכאן כלל לפיו לגנים יש חשיבות עודפת על פני הסביבה בעיצוב האדם.
[עריכה] הגנים בהיווצרות העובר האנושי
היווצרות הגמטות, תאי הרבייה, כרוכה בתהליך הקרוי מיוזה. בתהליך זה מתפצלים הכרומוזומים בגופם של הגבר או האישה ועוברים שחלוף ביניהם, היוצר ערבוב. הערבוב האקראי הוא כה גדול, שגם אם יולידו אותם הורים מיליוני צאצאים, הסיכוי שיהיו בין אלו שני צאצאים זהים גנטית זה לזה הוא קטן ביותר, אלא אם יהיה מדובר בתאומים זהים.
בבוא זמן הביוץ פולטת האישה ביצית לתוך חצוצרת הרחם. אם בתוך יממה יגיע זרע לאזור זה, הוא עשוי להגיע לסביבתה וליצור עימה את הזיגוטה. אם פלטה האישה שתי ביציות, ייתכן שייווצרו שתי זיגוטות ויוולדו תאומים לא זהים. אם הזיגוטה תתפצל אחרי יצירתה עשויים להיוולד תאומים זהים בסופו של דבר.
בתא הזיגוטה מצויים 46 כרומוזומים, שנוצרים מ-23 כרומוזמים שבזרע ו-23 כרומוזומים שבביצית. בתא מתחיל תהליך ההתפתחות העוברי. נוצרים 23 זוגות של כרומוזומים הומולוגיים, המורכב מצמדי כרומוזומים, האחד מהאב והשני מהאם.
בימי עבר האמינו שבזרעון מצוי הומונקולוס, אדם קטן שכבר התפתח במלואו. כיום יודעים שתהליך התפתחותו של העובר בבטן כרוך בהתמיינות, התאים מתפצלים ותפקידיהם הולכים ונעשים ייחודיים. הקוד הגנטי רשום מראש, אך הוא עדיין צריך לצאת לפועל.
קביעת מינו של העובר תלויה בצמד הכרומוזומים ה-23. האם תספק לו בהכרח את כרומוזום ה-X. אולם האב יכול להעביר לו את כרומוזום ה-X או ה-Y. במקרה הראשון, תיוולד בת. במקרה שני, יוולד בן. אף שהמין נקבע לאלתר ברגע ההפריה, ניתן יהיה להבחין רק בסוף החודש השני לחיי העובר בתחילתה של התפתחות שונה בבלוטות המין. אז יתחיל עובר ממין זכר להפריש הורמונים אנדורגנים שיכחידו התפתחות אפשרית של איברי מין נשיים. הנקבה לא תפריש דבר. סיבות רפואיות וסביבתיות מסוימות עלולות להביא לעודף באנדרוגנים או במחסור בהם, או אי-רגישות להם. התוצאה תהיה לידת נקבה מהבחינה הגנטית בעלת איברים זכריים או ההיפך (ראו: אינטרסקס).
[עריכה] תכונות העוברות על כרומוזומי המין - תאחיזה לזוויג
מכיוון שבבני אדם זכרים הינם בעלי כרומוזום X יחיד לא מזווג, הפנוטיפ של גן שנמצא על כרומוזום זה יקבע גם על-ידי אלל רצסיבי יחיד. קיימות כמה מחלות מפורסמות, כמו המופיליה ועיוורון צבעים, שהן רצסיביות על כרומוזום X. לפיכך, סיכוייהן של נקבות ללקות בהן קטנים בהרבה (P2 כאשר P מיצג את שכיחות האלל באוכלוסייה). תכונה רצסיבית הנמצאת בכרומוזם X לא תשפיע אם קיים כרומוזום X אחר בעל השפעה דומיננטית שתבטל אותה. אצל נשים, שהן בעלות שני כרומוזומי X, בדרך כלל יהיה אחד הכרומוזומים נקי מהתכונה ולפיכך ימנע את הופעתה.
[עריכה] מיפוי גנומי
[עריכה] ראו גם
