עמוד הבית > מדעים > ביולוגיה > גנטיקה > הנדסה גנטית
גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה


תקציר
על השיטה להשתקת גנים בהנדסה גנטית, ועל חשיבותה הרבה למדע.



נובל בנוקאאוט
מחברים: יונת אשחר; נעם לויתן


שיטה להשתקת גנים בהנדסה גנטית זיכתה חוקרים בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה, 2007

ב- 1989 פורסמו 4 מאמרים שעסקו בלידתם של עכברים. לא עכברים רגילים, כמובן, אלא "עכברי נוקאאוט": בכל אחד מהעכברים היה גן אחד שהושתק ("חטף נוקאאוט") באופן ספציפי והפך ללא-פעיל. 18 שנה מאוחר יותר, הוכרזו מריו קפצ'י (Capecchi), מרטין אוונס (Evans) ואוליבר סמיתיס (Smithies) כזוכים בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 2007 על פיתוח הטכניקות שהובילו להישג זה.

איך הכל התחיל?

על מנת לשתק גן בעכבר שלם, צריך ללמוד תחילה לשנות את ה-DNA שלו בתא יחיד. לצורך כך פיתחו קפצ'י וסמיתיס שיטה המבוססת על תופעה טבעית הנקראת שחלוף (רקומבינציה), שבה מקטע DNA מכרומוזום אחד מוחלף במקטע מכרומוזום אחר. החלק החשוב ביותר בשחלוף הוא שהמקטעים המוחלפים הם הומולוגיים זה לזה, כלומר בעלי דמיון רב זה לזה, דבר המאפשר את ההחלפה ביניהם - לכן התופעה נקראת שחלוף הומולוגי. קפצ'י גילה שבשיטה זו ניתן להחליף מקטעי DNA לא רק בין כרומוזומים אלא גם בין כרומוזום לבין DNA זר המוחדר לתוך התא. כך נולדה השיטה לשינוי של גן ספציפי, הנקראת "קליעה למטרה בגן" (gene targeting): לתוך התא מוכנס קטע DNA הבנוי מ-3 חלקים - שני החלקים החיצוניים זהים ברצפם לגן המטרה (החלקים ההומולוגיים), ואילו החלק האמצעי שונה. החלקים ההומולוגיים מנחים את קטע ה-DNA אל גן המטרה, ולאחר שמתבצע השחלוף ההומולוגי מתקבל תא שה-DNA שלו שונה - הוא כולל עכשיו את החלק האמצעי של ה-DNA הזר, שהוחדר לתוך גן המטרה. לרוב מנוצלת השיטה על מנת להפוך את גן המטרה לבלתי פעיל, לשתקו, אך עקרונית ניתן גם להחליף גן אחד באחר.

סמיתיס עבד באותה שיטה על תאי אדם, בניסיון לפתח טכניקה לתיקון מוטציות בבני-אדם. הוא גילה שניתן לכוון DNA זר אל כל גן בכל תא, בלא קשר לשאלה האם הגן פעיל באותו זמן או לא.

השיטה של קפצ'י וסמיתיס פועלת בתא יחיד, אך על מנת לייצר עכבר נוקאאוט יש לשתק את הגן בכל מיליארדי התאים שבגופו - בעיה קשה בהרבה. כאן נכנס לתמונה אוונס, שעבד באותו זמן על תאים מסוג מיוחד: תאי גזע עובריים. תאים אלו נלקחו מעובר בשלב הראשוני ביותר, ויש להם פוטנציאל להפוך לכל סוג של תא באורגניזם הבוגר: תא עצם, תא דם, תא עור וכו'.

אוונס לקח תאי גזע עובריים מעובר עכבר אחד והזריק אותם לעובר עכבר אחר, גם הוא בשלב ראשוני מאוד. העובר, שהכיל עתה תאים משני עכברים שונים, הוכנס לרחם של עכברה ששימשה כאם פונדקאית, שם השלים את התפתחותו כעכבר כימרי. חלק מרקמות העכבר נוצרו מהתאים שנלקחו מהעובר התורם, והכילו מידע גנטי שונה מזה של תאי העובר המקורי. אוונס הראה כי תאי הגזע שהזריק יכולים להתפתח לכל רקמה שהיא בעכבר הבוגר, וכך הוכיח את הפוטנציאל העצום של תאים אלו. חשובה במיוחד היתה התגלית שתאים אלו יכולים להפוך גם לתאי מין - וכך העכבר הבוגר יעביר לצאצאיו את הגנים של העובר התורם.

ב- 1986 חברו שתי השיטות יחד: לקפצ'י ולסמיתיס היתה שיטה לשינוי ספציפי של גן בתא יחיד, ולאוונס - שיטה להחדרת תאים זרים לעובר עכבר. בעזרת השתקה של גן בתאי גזע עובריים, והחדרת אותם תאים לעובר אחר, נוצר עכבר כימרי המכיל תאים רגילים יחד עם תאים שבהם הגן מושתק. אם תאים אלו הופכים לתאי מין, צאצאי העכבר הכימרי נושאים את הגן המושתק בכל תאיהם - אלו הם "עכברי נוקאאוט".

מאז 1989 נוצרו יותר מעשרת אלפים זנים של עכברי נוקאאוט, שבכל אחד מהם מושתק גן אחר - ועוד היד נטויה. מה הופך את העכברים האלו לחשובים כל-כך למדע, עד שכה הרבה עבודה הושקעה ומושקעת עד היום ביצירתם? התשובה היא כי דווקא השימוש באורגניזם שלם - העכבר - מאפשר התבוננות ייחודית בפעילותו של גן יחיד: בעזרת הטכניקה הזאת ניתן להשתיק גן ספציפי ואז לבחון את התפתחות העכבר בלא הגן, ולהסיק מכך מה תפקידו של הגן בעכבר הנורמלי. לדוגמה, אם עכבר הנוקאאוט לבקן, הגן שהושתק קשור כנראה ליצירת פיגמנט, אם לעכבר פגמים בלב, הגן קשור להתפתחות הלב או כלי הדם, וכן הלאה. נוסף על כך, ברבים מהעכברים האלה הגן המושתק הוא גן שפגיעה בו גורמת למחלות נפוצות בבני-אדם, וכך נוצר מודל המחקה את המחלה.

מודלים למחלה ציסטיק פיברוזיס פותחו על-ידי סמיתיס ואוונס עצמם, ומודלים אחרים למחלות שונות - סוכרת, פרקינסון ומעל 500 מחלות ותסמונות אחרות – פותחו בהמשך. בעכברים אלו ניתן לחקור את התפתחות המחלה ואף לנסות עליהם תרופות שונות. כל השימושים האלו הפכו את הטכניקה של "עכברי נוקאאוט" לאחת השיטות המועילות ביותר בתחומי מחקר שונים, מגנטיקה ועד לחקר הסרטן, וזיכו את מפתחי השיטה בפרס הנחשב ביותר הניתן למדענים.



אל האסופה חידת התורשה3

ביבליוגרפיה:
כותר: נובל בנוקאאוט
מחברים: אשחר, יונת ; לויתן, נעם
תאריך: דצמבר 2007 , גליון 112
שם כתב העת: גליליאו : כתב עת למדע ומחשבה
הוצאה לאור: SBC לבית מוטו תקשורת ולאתר IFEEL
הערות לפריט זה: 1. המאמר מופיע במדור חדשות של כתב העת.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית