עמוד הבית > מדעים > ביולוגיה > גנטיקה
סיינטיפיק אמריקן ישראל


תקציר
שחבור חלופי מאפשר למספר מזערי של גנים לייצר ולתחזק יצורים מורכבים ביותר באמצעות בקרה על תזמון התבטאות הגנים, סוג החלבונים שהאורגניזם מייצר ומיקומם. מנגנון זה תורם ליצירת השונות בין יצורים בעלי מאגרי גנים דומים. בקרוב יוכלו בני אדם לשלוט על בקרת תהליך השחבור של גנים אנושיים כדי להילחם במחלות.



הגנום החלופי
מחבר: פרופ' גיל אסט


הסברה המקובלת של "גן אחד, חלבון אחד" כבר אינה נכונה. ככול שבעל החיים מורכב יותר כך סביר יותר להניח שהוא הגיע לרמת התפתחותו הגבוהה באמצעות חילוץ משמעויות חלבוניות רבות ושונות מגנים יחידים.

באביב 2000 עסקו ביולוגים מולקולריים בהימורים על מספר הגנים שיימצאו בגנום האנושי כשייקבע רצף הנוקליאוטידים שלו. ההערכות הגיעו אף ל-153,000 גנים. בסופו של דבר, אמרו רבים, בני אדם מייצרים כ-90,000 חלבונים שונים, ולכן צריך להיות לנו לפחות אותו מספר גנים כדי לקודד אותם. ובהתחשב במורכבות שלנו, צריך להיות לנו מגוון גנטי גדול יותר מאשר לתולעת העגולה Caenorhabditis elegans, שיש לה 1,000 תאים ומאגר של 19,500 גנים, או מצמח התירס שיש לו כ-40,000 גנים.

לכן, בקיץ 2000, כשפרסם צוות המחקר את הטיוטה הראשונה של רצף הגנום האנושי, נדהמו מקצת הקוראים מהערכתם שיש בו רק 30,000 עד 35,000 גנים מקודדי חלבונים. המספר הנמוך היה כמעט מביך. בשנים שעברו מאז הושלמה מפת הגנום האנושי וההערכה המעודכנת של מספר הגנים אף הורידה את מספרם לפחות מ-25,000. אבל בינתיים, החלו גנטיקאים להבין שמספרם של הגנים בגנום האנושי יכול להעיד דווקא על רמת התחכום שלנו משום שבני אדם עושים שימוש מגוון להפליא במספר כה מועט של גנים.

בעזרת מנגנון המכונה שִחבּוּר חלופי (alternative splicing), אפשר לערוך במגוון דרכים את המידע האצור בגנים של יצורים מורכבים, כך שגן אחד יכול לקודד מידע ליצירת שני חלבונים שונים ואף יותר. באמצעות השוואת הגנום האנושי לגנומים של יצורים אחרים, מדענים מתחילים להבין ששחבור חלופי אחראי לחלק גדול מהשונות בין יצורים שמאגרי הגנים שלהם דומים יחסית. מלבד זאת, שחבור חלופי מאפשר לרקמות שונות באותו אורגניזם לבצע תפקידים שונים בעזרת אותו מאגר גנים קטן.

אכן, נראה ששכיחות השחבור החלופי עולה ככל שעולה מורכבות היצור, ולפיכך כשלושה רבעים מסך הגנים האנושיים נתונים לשחבור חלופי. מנגנון השחבור החלופי עצמו תרם ככל הנראה לאבולוציה של כל בעלי החיים, והוא זה שיכול לתרום להמשך האבולוציה שלנו. בטווח הקרוב יותר, מדענים אף מתחילים להבין איך שחבור פגום של גנים גורם לסוגי סרטן מסוימים ולמחלות מולדות, וכן איך אפשר להשתמש במנגנון השחבור לריפוי רפואי.

החלטות מכריעות

אי אפשר להפריז בחשיבות העריכה החלופית בתפקודם של יצורים רבים. לדוגמה, החיים והמוות תלויים בה, לפחות כאשר מדובר בתא פגום שצריך להחליט אם להמשיך לחיות. כל תא חש באופן קבוע את התנאים בחוץ ובפנים, כך שהוא יכול להחליט אם להמשיך לחיות או להשמיד את עצמו בתהליך מבוקר הנקרא אפופטוזיס. תאים שאינם יכולים לתקן דנ"א יפעילו את תהליך האפופטוזיס. קרייג ב' תומפסון מאוניברסיטת פנסילבניה ושותפיו למחקר הראו לא מכבר שגן המכונה Bcl-x, האחראי לבקרת האפופטוזיס, עובר שחבור חלופי ליצירת אחד משני חלבונים נפרדים, Bcl-x(L) או Bcl-x(S). החלבון הראשון מדכא אפופטוזיס ואילו השני מעודד אותו. כך שההחלטה אם לחיות או למות תלויה בשאלה מי מבין שני החלבונים ייווצר מהגן בתהליך השחבור החליפי.

העובדה שתא יכול לייצר חלבונים שונים מגן יחיד התגלתה כבר לפני כ-25 שנים, אך התופעה נחשבה לנדירה. השוואות עדכניות בין גנומים שונים גילו שתופעה זו נפוצה ביותר ובעלת חשיבות מכרעת. הדבר שינה שינוי דרמטי את נקודת המבט הקלאסית לגבי הדרך שבה מידע האצור בגנים מתורגם לחלבונים. רוב העובדות המוכרות עדיין נכונות: גנום שלם מכיל את כל ההוראות הנחוצות לייצור ולתחזוק אורגניזם, והוראות אלו מקודדות בשפת ארבע האותיות של הנוקליאוטידים הבונים את הדנ"א (והמיוצגים באותיות A, G, C ו-T). בכרומוזומים של אדם, כשלושה מיליארד נוקליאוטידים שזורים יחד על שני גדילים משלימים היוצרים את הסליל הכפול של הדנ"א (הדנ"א הגנומי). כאשר מגיע הזמן שבו הוראות הגנים צריכות לבוא לידי "ביטוי" נפתח רוכסן הסליל הכפול של הדנ"א לאורך מקטע המאפשר יצירת עותק חד-גדילי של רצף הגן מנוקלאוטידים של רנ"א (ה"אח" של הדנ"א). כל רצף נוקליאוטידים של דנ"א המשועתק לרנ"א בצורה כזו נקרא גן. מקצת מולקולות הרנ"א שנוצרות אינן מתורגמות לעולם לחלבונים אלא משמשות לפעולות תחזוקה ובקרה בתוך התא [ראו: הגנום העלום - יהלומים בזבל, ו' וייט גיבס, סיינטיפיק אמריקן ישראל, פברואר 2004]. בסופו של דבר, מנגנון תאי קורא את תעתיקי הרנ"א שאכן מקודדים חלבונים ומתרגמם לרצף מתאים של חומצות אמינו, שהן אבני הבניין של החלבונים. אך ראשית על תעתיק הרנ"א הראשוני לעבור תהליך עריכה.

בשנת 1977 גילו פיליפ א' שארפ מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) וריצ'רד ג' רוברטס מחברת "ניו אינגלנד ביו-לאבס", שתעתיקי רנ"א ראשוניים אלו הם כמו ספרים המכילים פרקים רבים חסרי משמעות הפזורים לאורך הטקסט. יש להוציא את הפרקים חסרי המשמעות האלו, המכונים אינטרונים, ולחבר יחדיו את הפרקים בעלי המשמעות כדי שהרנ"א יוכל לספר סיפור בעל משמעות. בתהליך החיתוך וההדבקה, המכונה שחבור, האינטרונים נחתכים, מוצאים החוצה מהתעתיק הראשוני ומושלכים הצידה. מקטעים של התעתיק המכילים רצף בעל משמעות המקודד חלבון, המכונים אקסונים, מחוברים יחדיו כדי ליצור גרסה סופית של התעתיק המכונה עתה רנ"א-שליח (mRNA).

אבל בשנת 1980 הראה רנדולף וול מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, שהשקפה בסיסית זו של שחבור רנ"א-שליח, שעל פיה כל האינטרונים תמיד מושלכים וכל האקסונים תמיד מצורפים לרנ"א השליח, אינה נכונה תמיד. למעשה, המנגנון התאי יכול "להחליט" לחתוך החוצה אקסון, או להשאיר אינטרון או חלק מאינטרון, בתעתיק הסופי של הרנ"א השליח. יכולת זו לערוך עריכה חלופית תעתיקי רנ"א ראשוניים יכולה להגדיל במידה ניכרת את יכולת הקידוד של כל גן ומעניקה למנגנון השחבור כוח עצום להחליט אם סוג אחד של חלבון ייווצר בעודף על פני סוגים אחרים של חלבונים המקודדים על ידי אותו גן.

בשנת 1984 פיתחו טום מניאטיס, מיכאל גרין ושותפיהם באוניברסיטת הרווארד הליך הניתן לביצוע במבחנה כדי לזהות את המנגנון המולקולרי האחראי לחיתוך האינטרונים ולהדבקת האקסונים. פרטי פעילות המנגנון ואופן הבקרה שלו עדיין נחקרים, אך מחקר זה מגלה מערכת מורכבת ביותר שמוצאה מרתק.

מנגנון השחבור

באורגניזמים מורכבים מעורבות שתי רמות של מנגנונים מולקולריים בשחבור תעתיקי הרנ"א הראשוניים. המנגנון הבסיסי, שנשמר היטב במהלך האבולוציה, קיים בכל יצור שהגנום שלו מכיל אינטרונים, החל בשמרים וכלה באדם. המנגנון מורכב מחמש מולקולות המכונות רנ"א גרעיני קטן (snRNA) ומסומנות U5, U4, U2, U1 ו-U6. מולקולות אלו נקשרות ל-150 חלבונים ויוצרות תצמיד הנקרא ספלייסוזום (spliceosome) שתפקידו להכיר את אתרי ההתחלה והסיום של האינטרונים, לחתוך אותם מתוך תעתיק הרנ"א הראשוני ולחבר את האקסונים ליצירת רנ"א-שליח.

ארבעה רצפי נוקליאוטידים קצרים בתוך האינטרונים משמשים כאותות המסמנים לספלייסוזום היכן לחתוך [ראו תיבה בעמוד הקודם]. אחד מאותות השחבור הללו נמצא בתחילת האינטרון ומכונה אתר שחבור '5; האחרים, הממוקמים בקצה האינטרון נקראים אתר הסיעוף, רצף הפולי-פירימידינים, ולבסוף אתר שחבור '3.

מערכת בקרה נפרדת מבקרת את תהליך השחבור באמצעות הכוונת המנגנון הבסיסי אל אתרי השחבור הללו. עד כה זוהו יותר מעשרה חלבוני בקרת שחבור (חלבוני SR) שונים. ייתכנו חלבוני SR שונים ברקמות שונות או בשלבי התפתחות שונים של אותה רקמה. חלבוני SR יכולים להיקשר לרצפי נוקליאוטידים קצרים באקסונים של תעתיק הרנ"א הראשוני. אתרי קישור אלו מכונים זרזי שחבור אקסוניים (ESE) שכן כאשר חלבון SR מתאים נקשר ל-ESE, הוא מגייס את מולקולות ה-snRNA של המנגנון הבסיסי אל אתרי השחבור הסמוכים לכל אחד מקצוות האקסון. אך חלבון SR יכול גם להיקשר לרצף המשמש כמעכב שחבור אקסוני (ESS), דבר זה ידכא את יכולת המנגנון הבסיסי להיקשר לקצות האקסון ויגרום לכך שהאקסון ייחתך מתוך תעתיק הרנ"א השליח הסופי.

דילוג אפילו על אקסון אחד יכול לגרום להשפעות דרמטיות. בזבוב הפירות למשל, שחבור חלופי משמש לבקרה על מסלולי קביעת המין של הזבוב. כאשר גן המכונה Sex-lethal מבוטא, אפשר לדלג על אקסון זכרי במהלך השחבור, כך שייווצר חלבון Sex-lethal נקבי. חלבון זה יכול כעת להיקשר לכל תעתיקי הרנ"א הראשוניים שייווצרו לאחר מכן מאותו הגן ולהבטיח שבכל אירועי השחבור הבאים ייחתך האקסון הזכרי וייווצרו רק חלבונים נקביים. אם לעומת זאת האקסון הזכרי נשאר בתעתיק הרנ"א בסבב העריכה הראשון, נוצר רנ"א-שליח בלתי פעיל הגורם לתאי הזבוב להתפתח על-פי המסלול הזכרי.

דילוג על אקסונים הוא הסוג הנפוץ ביותר של שחבור חלופי ביונקים. אך זוהו מספר סוגי שחבור חלופי נוספים, אחד מהם גורם לאינטרונים להישאר ברנ"א השליח הסופי. סוג זה נפוץ במיוחד בצמחים וביצורים רב-תאיים מפותחים פחות. השארת אינטרונים היא כנראה הגרסה האבולוציונית הקדומה ביותר של שחבור חלופי. אפילו היום מנגנון השחבור של יצורים חד-תאיים כמו שמר, פועל באמצעות זיהוי אינטרונים, בניגוד למערכת חלבוני ה-SR של יצורים מפותחים יותר, הפועלת באמצעות הגדרת אקסונים עבור מנגנון השחבור הבסיסי.

במערכת החד-תאית, מנגנון השחבור יכול להכיר רק רצפים אינטרוניים המכילים פחות מ-500 נוקליאוטידים. לשמר אין בעיה עם מגבלה זו מכיוון שיש לו מעט מאוד אינטרונים שאורכם הממוצע הוא רק 270 נוקליאוטידים. אך ככל שהגנומים התרחבו במהלך האבולוציה, רצפי האינטרונים שלהם הלכו והתארכו, והדעת נותנת שמנגנון השחבור התאי נאלץ להשתנות ממערכת שהכירה רצפים אינטרוניים קצרים בתוך אקסונים למערכת המכירה אקסונים קצרים בתוך ים אינטרונים. לדוגמה, האורך הממוצע של גן אנושי המקודד חלבון הוא 28,000 נוקליאוטידים, ובו 8.8 אקסונים המופרדים באמצעות 7.8 אינטרונים. האקסונים קצרים יחסית, בדרך כלל כ-120 נוקליאוטידים, ואילו אורך האינטרונים נע מ-100 ועד 100,000 נוקליאוטידים.

לעומת כל יצור אחר, מספר האינטרונים בכל גן בגנום האנושי הוא הגבוה ביותר, ולכן אורכם וכמותם מעלים סוגיה מעניינת נוספת. עלות שימור האינטרונים גבוהה. חלק ניכר מהאנרגיה שאנו צורכים מדי יום מוקדש לתחזוקה ולתיקון של אינטרונים בדנ"א, לשעתוק הרנ"א הראשוני ולהסרת האינטרונים, ואפילו לפירוק האינטרונים בסיום תהליך השחבור. יתר על כן, מערכת זו עלולה לגרום לטעויות שמחירן גבוה. כל טעות בחיתוך ובהדבקה של הרנ"א הראשוני מובילה לשינוי ברצף המקודד חלבון וייתכן אף לייצור חלבון פגום.

לדוגמה, מחלה תורשתית שאני חוקר, דיסאוטונומיה משפחתית, נגרמת ממוטציה בנוקליאוטיד אחד בגן המכונה IKBKAP הגורמת לו לעבור שחבור חלופי במערכת העצבים. בשל כך נוצר פחות חלבון IKBKAP רגיל, והדבר גורם להתפתחות לקויה של מערכת העצבים. כמחצית מהחולים במחלה זו מתים לפני גיל 30. לפחות 15% מהמוטציות הגורמות למחלות גנטיות (וכנראה גם לסוגי סרטן מסוימים) משפיעות של שחבור רנ"א ראשוני. מדוע אם כן שימרה האבולוציה מערכת מורכבת כל כך המסוגלת לגרום למחלות? אולי משום שהיתרונות עולים על החסרונות.

היתרונות שבחלופות

שחבור חלופי מאפשר לבני אדם לייצר יותר מ-90,000 חלבונים מבלי שיצטרך לתחזק 90,000 גנים. יצירת כמה סוגי רנ"א-שליח מגן אחד מאפשרת ייצור כמה סוגי חלבונים מאותו גן. בממוצע, כל אחד מהגנים שלנו מפיק כשלוש מולקולות רנ"א-שליח שונות שנוצרו באמצעות שחבור חלופי. אך מספר זה עדיין אינו מסביר את הצורך שלנו באינטרונים רבים כל כך והוא גם אינו מסביר מדוע רצף האינטרונים הוא עיקר הרצף בתוך גנים, עד כדי כך שהרצפים האקסוניים מהווים רק אחוז אחד עד שניים מהגנום האנושי.

לאחר שצוותי המחקר שקבעו את רצף הגנום גילו, בשנת 2001, שרוב הגנום ריק לכאורה ממידע, התעוררה תעלומה נוספת בשנת 2002, לאחר פרסום גנום העכבר. התברר שלעכבר מספר גנים זהה כמעט למספרם באדם. אף שעברו כ- 100 מיליון שנים מאז חי האב הקדמון המשותף לאדם ולעכבר, רוב רובם של הגנים באדם ובעכבר מקורם מאותו אב קדמון. לרוב הגנים האלה אותו מערך של אקסונים ואינטרונים, ורצף הנוקליאוטידים באקסונים אף השתמר במידה רבה. כך שמתעוררת השאלה, אם הגנים של אדם ועכבר כה דומים, מה הופך אותנו לשונים כל כך ממכרסמים?

כריסטופר ג' לי וברמק מודרק מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס גילו בזמן האחרון שרבע מהאקסונים שעוברים שחבור חלופי בשני הגנומים ייחודיים או לאדם או לעכבר. כלומר, אקסונים אלו יכולים ליצור חלבונים ייחודיים לאדם או לעכבר ולכן ייתכן שהם אחראיים לשונות בין המינים. אכן, קבוצה אחת של אקסונים שעוברים שחבור חלופי ייחודית לפרימטים (אדם, קופי-על וקופים) ואולי תרמה להתמיינות הפרימטים משאר היונקים. באמצעות חקר התהליכים הגורמים ליצירת אקסונים ייחודיים אלו, אנו יכולים להתחיל לגלות את היתרונות הטמונים באינטרונים, ובכך להצדיק את המאמץ שאנו משקיעים כדי לקיימם.

מקורם של האקסונים הייחודיים לפרימטים הוא ביסודות גנטיים ניידים הנקראים רצפי Alu, השייכים לקבוצה גדולה יותר של יסודות המכונים רטרו-טרנספוזונים, כלומר רצפי דנ"א קצרים שדומה שתפקידם הוא לשכפל את עצמם ואז להכניס את העותקים המשוכפלים חזרה לגנום בנקודות אקראיות, מעין טפילים גנומיים קטנים. רטרו-טרנספוזונים מצויים כמעט בכל הגנומים ויש להם השפעה גדולה שכן הם תורמים להתרחבות הגנום, תהליך שליווה את האבולוציה של יצורים רב-תאיים. כמעט מחצית מהגנום האנושי מורכב מיסודות ניידים, ובהם רצפי Alu הם הנפוצים ביותר.

אורכם של רצפי Alu הוא רק 300 נוקליאוטידים ויש להם רצף ייחודי שמסתיים ב"זנב פולי-A." הגנום שלנו מכיל היום כ-1.4 מיליון עותקים של רצפי Alu ורבים מהם ממשיכים להתרבות ולהחדיר את עצמם לאתרים חדשים בגנום בקצב של פעם אחת בכל 100 עד 200 לידות.

זמן רב נחשבו רצפי Alu כזבל גנומי, אך כעת הם מתחילים לעורר הערכה מכיוון שמדענים מתחילים להבין כיצד רצפי Alu יכולים להגדיל את יכולת יצירת החלבונים של גנים. בערך 5% מהאקסונים העוברים שחבור חלופי בגנום האנושי מכילים רצפי Alu. אקסונים אלו נוצרו, ככל הנראה, כאשר אלמנט Alu "קפץ" לתוך אינטרון של גן, דבר שכרגיל יהיה חסר השפעות שליליות לפרימט משום שרוב האינטרונים נחתכים ומושלכים. אך בעקבות מוטציות נקודתיות שהתרחשו לאחר מכן, יכול היה רצף ה-Alu להפוך את האינטרון שבו הוא שוכן לרצף בעל משמעות מבחינה גנטית, כלומר לאקסון. דבר כזה יכול היה לקרות אם שינויים ברצף ה-Alu יצרו בתוך האינטרון אתרי שחבור '5 או '3 חדשים וגרמו לחלק מהאינטרון להיות מוכר כ"אקסון" באמצעות הספלייסוזום. (מוטציות כאלו מתרחשות בדרך כלל במהלך חלוקת התא, כאשר הגנום מועתק ונופלות בו שגיאות הגהה.)

אם אקסון ה-Alu החדש יכול לעבור שחבור חלופי ולהצטרף לתעתיק הרנ"א השליח, היצור יכול ליהנות משני העולמות. באמצעות הכללת אקסון ה-Alu, תאיו יכולים לייצר חלבון חדש. אבל יכולת חדשה זו אינה פוגעת בתפקוד המקורי של הגן, כי סוגי הרנ"א השליח הקודמים עדיין מיוצרים כאשר אקסון ה-Alu נחתך החוצה. הבעיה נוצרת רק כאשר רצף Alu מוטנטי עובר שחבור קבוע, כלומר הוא מצטרף אל כל תעתיקי הרנ"א השליח שנוצרים מהגן, ואז הוא עלול לגרום למחלה גנטית הנגרמת מהיעדר החלבון הישן. עד היום זוהו שלוש מחלות כאלו הנגרמות על ידי רצפי Alu שקפצו למקום הלא נכון: תסמונות Alport ו-Sly ומחלת חוסר ב-OAT.

עמיתי למחקר ואני הראינו שכדי להפוך אלמנט Alu אינטרוני לאקסון אמיתי צריך לשנות רק אות אחת ברצף ה-Alu. כרגע, מכיל הגנום האנושי בערך 500,000 רצפי Alu הממוקמים בתוך אינטרונים, כ-25,000 מהם יכולים להפוך לאקסונים חדשים באמצעות אותה מוטציה נקודתית. כלומר, לרצפי Alu יש פוטנציאל להמשיך ולהעשיר את מאגר המידע הגנטי הזמין ליצירת חלבונים אנושיים חדשים.

ריפוי בעזרת רנ"א

לפחות 400 מעבדות מחקר וכ-3,000 חוקרים ברחבי העולם מנסים להבין את התהליכים המורכבים הכרוכים בשחבור חלופי. אף שמחקר זה נמצא בשלב מוקדם ביותר, יש הסכמה בין החוקרים שהממצאים רומזים על אפשרויות ריפוי עתידיות, כמו אסטרטגיות חדשות של ריפוי גנטי שינצלו את מנגנון השחבור כדי לטפל בו בזמן במחלות תורשתיות ובמחלות נרכשות כמו סרטן.

גישה אחת יכולה להיות באמצעות הכוונת רצף קצר של רנ"א או דנ"א, הנקרא רצף משלים, כך שייקשר כמו רוכסן לאתר מטרה ייחודי בדנ"א או ברנ"א של המטופל. אפשר להכניס רצף משלים לתאים כדי למסך אתר שחבור מסוים או רצף בקרה אחר, ובכך להסיט את פעילות השחבור לאתר אחר. רייסזרד קול מאוניברסיטת צפון קרוליינה בצ'פל היל הדגים שיטה זו בפעם הראשונה בתאי גזע של דם שנלקחו מחולים במחלה תורשתית המכונה בתא-טלסמיה. במחלה זו, אתר שחבור '5 פגום פוגע בפעילות של מולקולות ההמוגלובין האחראיות להעברת חמצן בדם. באמצעות מיסוך המוטציה, הצליח קול להסיט את השחבור חזרה לאתר השחבור הנכון ולגרום לייצור המוגלובין פעיל.

לאחר מכן הראה קול שאפשר להשתמש באותה שיטה בתאי סרטן הגדלים בתרבית. באמצעות מיסוך אתר שחבור '5 של תעתיק הגן Bcl-x המבקר אפופטוזיס הוא הצליח להסיט את פעילות השחבור ולגרום לה לייצר את תעתיק הרנ"א מסוג Bcl-x(S) במקום Bcl-x(L). הדבר גרם לתא הסרטני לייצר פחות חלבון מדכא אפופטוזיס ולהגביר את ייצור החלבון המקדם אפופטוזיס. בחלק מהתאים הסרטניים, הפעיל שינוי זה את מסלול האפופטוזיס, ואילו בתאים אחרים הוא הגביר את ההשפעה האפופטוטית של הטיפול הכימי שניתן במקביל לרצפי הממסך.

דרך אחרת להשתמש במנגנון השחבור החלופי לצורכי ריפוי הדגימו ב-2003 אדריאן קריינר ולוקה קרטנגי ממעבדות קולד ספרינג הרבור בלונג איילנד שבמדינת ניו יורק. הם מצאו דרך לגרום לתאים לצרף לתעתיק הרנ"א אקסון שהתא אמור לדלג עליו. הם יצרו מולקולה סינתטית שאפשר לתכנת אותה להיקשר לכל פיסת רנ"א על פי הרצף שלה, ואז חיברו אליה את האזור של חלבון SR שקושר רנ"א. לפיכך, מולקולה זו יכולה להיקשר הן לרצף ייחודי על תעתיק הרנ"א הראשוני, והן לגייס את מנגנון השחבור הבסיסי אל אזור השחבור הנכון. קריינר וקרטנגי השתמשו בשיטה זו בתאי אדם הגדלים בתרבית כדי לתקן טעויות שחבור בגרסאות המוטנטיות של הגן BRCA1, המעורב בסרטן השד ושל הגן SMN2 הגורם לניוון שרירים שדרתיים.

שיטה שלישית מנצלת את יכולת הספלייסוזום לחבר שני תעתיקי רנ"א ראשוני שונים הנוצרים מאותו גן כדי ליצור מולקולת רנ"א-שליח מורכבת. אירוע מסוג זה, הנקרא שחבור בהצלבה (trans-splicing) נפוץ בתולעים אך מתרחש רק לעתים נדירות בתאים אנושיים. אם נצליח להכריח את הספלייסוזום לשחבר בהצלבה נוכל לחתוך החוצה אזור מוטנטי של רנ"א ראשוני הגורם למחלה ולהחליף אותו ברצף המקודד חלבון נורמלי. לא מכבר השתמש ג'ון אנגלהרט מאוניברסיטת איווה בשיטה זו בתאים בתרבית כדי לתקן חלקית את הרנ"א הראשוני של גן שיוצר חלבון פגום בתאים המדפנים את דרכי הנשימה של חולי סיסטיק פיברוזיס.

לפני פענוח הגנום האנושי, רק קומץ מדענים האמין שאורגניזם מורכב כאדם יכול להתקיים רק עם 25,000 גנים. מאז שהושלם הרצף, הסתמן השחבור החלופי כתהליך המרכזי המאפשר למספר קטן של גנים להפיק מגוון גדול בהרבה של חלבונים הנדרשים לבניית הגוף והמוח וגם לבקרה על ייצור החלבונים ברקמות שונות ובזמנים שונים. יתר על כן, תהליך השחבור מסביר איך השונות העצומה בין אנשים, עכברים וכנראה כל היונקים יכולה לנבוע מגנומים בעלי דמיון כה רב.

האבולוציה מציגה בפני האורגניזמים אפשרויות חדשות ואז בוררת עבורם את האפשרויות שמקנות להם יתרון. כך, חלבונים חדשים הנוצרים באמצעות שחבור של אקסונים חדשים שנוצרו על ידי רצפי Alu עזרו ככל הנראה ביצירת האדם כפי שהוא היום. המשך המחקר על שחבור חלופי צופן בחובו הבטחה להמשיך ולשפר את איכות חיינו.

סקירה כללית / המורכבות של חיתוך והדבקה

  • אפשר לערוך את ההוראות הצפונות בגן אחד באמצעות מנגנון תאי ולקבל מאותו גן כמה משמעויות. כך, מאגר קטן של גנים מקודדי חלבונים יכול לייצר מגוון גדול בהרבה של חלבונים.
  • זה זמן רב הבינו ששחבור חלופי כזה של מידע גנטי אפשרי, אך רק כאשר פוענחו רצפי הגנומים של האדם ושל יצורים אחרים והיה אפשר להשוות ביניהם הבינו גנטיקאים עד כמה נפוץ השחבור החלופי באורגניזמים מורכבים ועד כמה תורם מנגנון זה ליצירת השונות בין יצורים בעלי מאגרי גנים דומים.
  • שחבור חלופי מאפשר למספר מזערי של גנים לייצר ולתחזק יצורים מורכבים ביותר באמצעות בקרה על תזמון התבטאות הגנים, סוג החלבונים שהאורגניזם מייצר ומיקומם. בקרוב יוכלו בני אדם לשלוט על בקרת תהליך השחבור של גנים אנושיים כדי להילחם במחלות.

ועוד בנושא

Alternative Splicing: Increasing Diversity in the Proteomic World. B. R. Graveley in Trends in Genetics, Vol. 17, No. 2, pages 100-107; February 2001

Splicing Regulation as a Potential Genetic Modifier. M. Nissim-Rafinia and B. Kerem in Trends in Genetics, Vol. 18, No. 3, pages 123-127; March 2002

The Hidden Genetic Program of Complex Organisms. John S. Mattick in Scientific American, Vol. 291, No. 4, pages 60-67; October 2004

How did Alternative Splicing Evolve? Gil Ast in Nature Reviews Genetics, Vol. 5, pages 773-782; October 2004



אל האסופה חידת התורשה3

ביבליוגרפיה:
כותר: הגנום החלופי
מחבר: אסט, גיל (פרופ')
תאריך: אוגוסט-ספטמבר 2005 , גליון 18
שם כתב העת: סיינטיפיק אמריקן ישראל
עורכי כתב העת: אייזנברג, אלי  (ד"ר) ; מנס, אלכסנדר  (ד"ר)
הוצאה לאור: אורט ישראל. המינהל למו"פ ולהכשרה
הערות: 1. סיינטיפיק אמריקן ישראל יוצא לאור על ידי אורט ישראל, וביוזמתו של הרצל לאור.
הערות לפריט זה:

1. גיל אסט הוא מרצה בכיר בחוג לתורשת האדם ולרפואה מולקולרית בבית הספר לרפואה באוניברסיטת תל אביב. מחקרו מתמקד במנגנון המולקולרי של שחבור רנ"א ראשוני, באבולוציה ובבקרה של שחבור חלופי ובפגמים בשחבור הקשורים בסרטן ובמחלות תורשתיות. בזמן האחרון הוא שיתף פעולה עם מדענים בחברת קומפיוג'ן הישראלית כדי לפתח מערכת ביואינפורמטיקה לניבוי אירועי שחבור חלופי כדי לזהות גרסאות חדשות של חלבונים.


הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית