עמוד הבית > מדעים > רפואה וקידום הבריאותעמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > ביו-טכנולוגיהעמוד הבית > מדעים > ביולוגיה > גנטיקה
טבע הדברים : החברה לחקר האדם והסובב בע''מ


תקציר
פגמים בכרומוזומים עלולים לגרום לפגיעות שונות בוולד, ובין היתר, לתסמונת דאון. טכנולוגיה חדשה, פרי המצאה ישראלית, יכולה לאתר את הפגמים על ידי זיהוי הכרומוזומים במכשיר הצובע אותם בצבעים שונים.



הצביעה הזעירה בעולם
מחברים: ד"ר עירית ברעם; ד"ר יובל גרעיני; ד"ר דריו חביב


פגמים בכרומוזומים עלולים לגרום לפגיעות שונות בוולד, ובין היתר, לתסמונת דאון. טכנולוגיה חדשה, פרי המצאה ישראלית, יכולה לאחר את הפגמים על ידי זיהוי הכרומוזומים במכשיר וצובע אותם בצבעים שונים.

ג'ון קוהן נולד בקליפורניה לפני 21 שנים, כשהוא סובל מפיגור שכלי, הוא אינו מסוגל לתפקד, הוא לא כותב, וכמעט שאינו שולט בצרכיו. מבחינת התפתחותו המוטורית, הוא נמצא בין גיל שלוש לארבע.

הוריו של ג'ון מתקשים לספר את סיפור לידתו. הם לא ידעו מלכתחילה שקיים פגם גנטי בעובר, ורק בזמן הלידה התברר להם שלג'ון מום פיזי קשה. "אנחנו לא יודעים איך היינו מתנהגים לו ידענו זאת לפני הלידה" אומרת אמו, "אבל אני מאמינה שאילו יכולתי, הייתי חוסכת ממנו את חיי הסבל והתלות שהם מנת חלקו עד היום".

קשה לדעת איך באמת היו מתנהגים הוריו של ג'ון, אילו ידעו מראש על הפגם הגנטי שלו. אם כיום הייתה קיימת מנהרת זמן כלשהי, ניתן היה לגלות את הפגם הגנטי עוד לפני הלידה, ובכך הייתה נמנעת עוגמת נפש רבה.

פריצת הדרך הטכנולוגית בשטח זה נעשתה לאחרונה בתחום העוסק בקשר שבין מבנה התא והתורשה (הציטוגנטיקה) בידי החברה הישראלית Applied Spectral Imaging ממגדל העמק. הטכנולוגיה שפיתחה החברה מאפשרת זיהוי מהיר וקל של כרומוזומים ושל שינויים מספריים ומבניים אשר חלים בהם. היכולת הזאת מזהה כרומוזומים פגומים בעוברים ובגידולים סרטניים, ובכך מאפשרת טיפול יעיל ומוקדם.

למעשה, הפעולה הנעשית היא צביעה פיזית של הכרומוזומים, ולאחריה פעולה של הדמיה שבמהלכה לומד המחשב לזהות כל כרומוזום, כולל כל המרכיבים שלו, ולייחס לו צבע מסוים. פעולת הזיהוי היא פשוטה למדיי. אם כל הכרומוזומים בדגימה הנבדקת מופיעים כל אחד בצבעו, סביר להניח שלא קיימת בעיה במבנה הגנטי של הוולד. אבל אם, לעומת זאת, צבע הכרומוזומים אינו אחיד, או שצבע של כרומוזום אחד חודר לכרומוזום אחר, קיימת אפשרות של פגם גנטי. לאחר זיהוי שכזה נלקחת דגימה מההורים: במקרה שהתופעה קיימת גם אצלם - יורדת הסבירות לקיומה של הבעיה, במקרה שתצורת הצבע אינה חוזרת אצלם - עולה הסבירות לקיומה.

הכרומוזומים הם גופיפים המצויים בגרעין התא, שלאחר צביעה מתאימה אפשר לצפות בהם במיקרוסקופ בעת חלוקת התא. חשיבותם של הכרומוזומים רבה, שכן הם נושאים את המידע הגנטי המוצפן בתוך מולקולות הדנ"א D.N.A. פגמים בכרומוזומים עלולים, על כן, להוביל לתפקוד לא תקין, שעלול לגרום לפגם או למחלה. מחלות כאלה מכונות תסמונות גנטיות. על ידי צפייה וזיהוי הכרומוזומים, ניתן לאתר פגמים רבים עוד בשלב העוברי. הטכנולוגיה החדשה יכולה לאתר את הפגמים על ידי זיהוי הכרומוזומים במכשיר חדיש המחובר לצג מחשב. המחשב צובע את הכרומוזומים (על צג המחשב בלבד - ולא במציאות), בצבעים שונים. בתהליך האנליזה, לכל כרומוזום מיוחס צבע שונה מאחרים. ייחוס זה מאפשר לזהות פגמים בכרומוזומים במהירות וביעילות.

מדע הציטולוגיה (תורת התא) החל למעשה עם פיתוח מיקרוסקופ האור ועם הגילוי כי יצורים רבים הם רב תאיים. בהמשך התגלו צבענים ופותחו שיטות צביעה מיוחדות כדי לצבוע בצורה מבדילה אברוני תא שונים, ובכך להקל על הצפייה בהם דרך עדשת המיקרוסקופ. מדע הציטוגנטיקה התפתח כענף של מדע הציטולוגיה, עם גילוים של הכרומוזומים וההכרה שהם נושאים את הדנ"א.

אצל בעלי חיים מצוי הדנ"א בגרעין התא, שהוא אברון תוך תאי המוקף קרום המבדילו משאר נפח התא. הדנ"א מאורגן בכרומוזומים. מספר הכרומוזומים המאפיין מין מסוים הוא קבוע. תאי האדם, למשל, מכילים 46 כרומוזומים. לבעלי חיים, להבדיל מהחד תאיים כמו החיידקים, כל סוג של כרומוזום קיים בכל תא בשני עותקים דומים (הומולוגיים). לפיכך, תאיהם של בני האדם מכילים 23 זוגות כרומוזומים. באחד מזוגות הכרומוזומים המכונה כרומוזומי הזוויג (המין), קיים הקוד המבדיל בין זכר ובין נקבה (והזוג הזה כאמור נמצא בכל תא) בעוד שלנקבה יש שני כרומוזומי X, לזכר כרומוזום אחד X וכרומוזום אחד Y.

המידע הגנטי, אם כן, אצור במולקולות הדנ"א המצויות בגרעין כל תא מתאי גופנו. ניתן לחלק את המידע הגנטי ליחידות מידע תפקודיות. היחידות האלה הן הגנים. כל גן הוא חלק מרצף מולקולת הדנ"א הנמצאת בכרומוזום. אורכו של גן ממוצע הוא אלפי זוגות של אבני בניין (שנקראים גם בסיסים חנקניים או נוקלאוטידים). מאחר שמכל כרומוזום קיימים שני עותקים דומים בכל תא, הרי שגם מכל גן קיימים שני עותקים בכל תא מתאי גופנו. מרבית הגנים מכילים מידע ליצורו של חלבון מסוים. המידע הזה גלום ברצף אבני המידע הייחודי לכל גן. האופן שבו המידע הגנטי האצור בכל גן בא לידי ביטוי ביצירתו של חלבון מסוים הוא מורכב, והוא כולל שני שלבים עיקריים ועוקבים, המכונים שעתוק ותרגום. תוצר התרגום הוא החלבון, והוא האלמנט הפעיל בקביעת הצורה והתכונות (הפנוטיפ) של כל אחד מאתנו. החלבונים, אם כך, אחראים לתרגום התכונות הגנטיות לתכונות ממשיות. החלבונים משמשים גם כזרזים ביולוגיים לאלפי ראקציות כימיות, שללא נוכחותם היו מתקדמות בקצב אטי מאוד. החלבונים משמשים להעברה ולאגירה של חומרים שונים מאזור אחד לאזור אחר בגוף, לתאום תנועת השרירים, לתמיכה מכנית, להגנה מפני מחוללי מחלות, ליצירה של דחפים עצביים ולהעברתם, לבקרה על גידול והתפתחות ועוד.

כל כרומוזום מורכב ממולקולת דנ"א יחידה, העשויה שני גדילים משלימים וחלבונים ייחודיים, המכונים חלבוני היסטון. החלבונים מאפשרים את ארגון הדנ"א בכרומוזום. מספר אבני הבניין בכל אחד מגדיליה של מולקולת דנ"א הכלולה בכל כרומוזום, עשוי להיות בין עשרה למאה מיליונים. מספרם הממוצע של הגנים השונים באדם, המקודדים על ידי כל כרומוזום, הוא כ- 5,000. מספרן של אבני הבניין המרכיבות את תכולת הדנ"א בכל תא מתאי האדם (או כל חולייתן אחר), מוערך בארבעה מיליארד זוגות בסיסיים, היוצרים כ- 100,000 גנים האחראים על מכלול התכונות של היצור החי.

הגן, אם כך, הוא יחידת מידע תורשתי. כל גן מופיע בשני עותקים שכל אחד מהם נקרא אלל. אחד מהאללים עובר בתורשה אל כל אחד מאתנו מאחד מהוריו, והאלל השני מורש מההורה השני. קורה לעתים שרצף שני העותקים הדומים של הגנים אינו זהה לחלוטין. מקרים כאלה מביאים לייצורם של חלבונים השונים זה מזה רק במקצת, אבל הביטוי שלהם מבחינת התפקוד הפיזיולוגי יכול להיות שונה לחלוטין. במקרים רבים, כתוצאה מקיומם של הבדלי רצפים (המכונים מוטציות) בין שני אללים, רק אחד מהם מביא לייצורו של חלבון תקין, ואילו השני מביא לייצורו של חלבון פגום, או לחלופין - לא מביא לייצורו של חלבון כלל. אם האלל הזה מועבר בתורשה לוולד, הוא עלול לגרום להופעתה של תסמונת גנטית.


המבנה המרחבי של הדנ"א: קשרי המימן (הקווים הדקים) הנוצרים בין זוגות בסיסים, האמונים על גדילים משלימים (צהוב ואפור) במולקולת הדנ"א, מאפשרים את קיומו של המבנה הסלילי האופייני לה.


הקשר בין הכרומוזומים והתורשה התגלה, כאמור, ומיסוד מדע הציטוגנטיקה החל כאשר ציטולוגים הבחינו שהכרומוזומים מתנהגים בדומה ליחידות התורשה שהתגלו במחקריו של הנזיר מנדל על הורשת התכונות באפון הריחני.

רבייה מינית המאפיינת את בעלי החיים העילאיים מחייבת קיומה של חלוקת הפחתה (מיוזה), בה מופחת מספר הכרומוזומים למחצית לצורך יצירת תאי זוויג (תאי זרע ותאי ביצית), אליהם מועברים רק מחצית מהכרומוזומים - כרומוזום אחד מכל זוג כרומוזומים הומולוגיים (דומים). אלמלא כן, כמות החומר התורשתי הייתה מוכפלת מדור לדור. הרבייה המינית, כידוע, מאופיינת באיחוים של שני תאי מין, נקבי וזכרי.

חלוקת ההפחתה נקראת מיוזה, להבדיל מחלוקת תאים רגילה הנקראת מיטוזה. המיוזה אם כן, מייצרת תאים המכילים מחצית ממספר הכרומוזומים, שבהם נמצא החומר התורשתי המאפיין את תאי הגוף של אותו בעל חיים, והיא חלה רק בתהליך יצירת תאי המין. ראשיתה של חלוקת ההפחתה דומה לתהליך הרגיל של חלוקת התאים, בו מוכפל הדנ"א. לאחר מכן, מתכווצים הכרומוזומים ומסתדרים כך שכל שני כרומוזומים דומים נערכים כשהם צמודים לאורכם (בכל אחד מהם יש שני עותקים שנוצרו כתוצאה מההכפלה, לכל צמד עותקים כזה קוראים כרומטידה).

בשלב הזה מחליפות הכרומטידות שאינן אחיות (כלומר לא כאלה שנוצרו כתוצאה מהחלוקה), אבל שמקורן בשני כרומוזומים דומים, מקטעים ביניהן. התהליך הזה נקרא שחלוף. כתוצאה מקיומו ומהעובדה שהכרומוזומים הדומים אינם זהים לחלוטין זה לזה, אלא כל אחד מהם עשוי להכיל מוטציות שונות בנקודות שונות לאורכו, נוצרים צירופי רצפים חדשים, המגבירים את הרבגוניות האפשרית של הצאצאים.

לאחר מכן מחצית הכרומוזומים נודדת לקוטב אחד של התא, והמחצית הדומה לקוטבו השני, ואז התא מתחלק לשני תאים, שכל אחד מהם כולל סט מלא של כרומוזומים. חשוב לזכור, שהכרומוזומים האלה לא זהים לאלה של התא המקורי, שכן הם תוצאה של תהליך השחלוף שבו הוחלפו מקטעים. בשלב זה עובר כל תא חלוקה נוספת, אבל הפעם מבלי שהדנ"א משוכפל קודם לכן. כתוצאה מכך מתקבלים ארבעה תאים, שבכל אחד מהם מיוצג כל זוג כרומוזומים דומים רק על ידי כרומוזום יחיד. כלומר, בכל תא שנוצר, מצויה מחצית ממספר הכרומוזומים המאפיין את תאי הגוף של היצור. כאמור, לעובדה הזאת יש חשיבות, שכן בתהליך הרבייה המינית מתאחים הגרעין של תא הביצית עם הגרעין של תא הזרע ליצירת הגרעין של תא הוולד. תא זה כולל את מספר הכרומוזומים המאפיין את תאי הגוף של היצור, ולא מספר כפול כפי שהיה קורה אלמלא חלוקת ההפחתה.

חלוקת התאים מתחילה כבר בשלב העוברי הראשון, כאשר התא המשותף הראשון לזרע ולביצית (שנקרא זיגוטה) מתחלק ליצירת גוש תאים שנקרא תותית (מורולה). גם בגוף הבוגר יש חשיבות מרובה לתהליך חלוקת התאים, מכיוון שגוף האדם צריך לחדש תאים שניזוקו. תאי העור, תאי הדם ורוב תאי הגוף, מוחלפים כל הזמן בתאים חדשים שמקורם בחלוקת תאים.

תהליך חלוקת התא מתרחש במספר שלבים עוקבים:

1. בשלב הראשון שנקרא אינטרפאזה, מוכפלות מולקולות הדנ"א המרכיבות את הכרומוזומים. בשלב הזה ניתן לראות במיקרוסקופ את הגרעין ואת הגרעינון, אולם הכרומוזומים עדיין לא נראים בו.

2. בשלב השני מתקצרים הכרומוזומים ומתעבים, ועל כן הם נראים בבהירות בצורת חוטים דקים וארוכים. בשלב הזה, שנקרא פרופאזה ניתן לראות כיצד הכרומוזומים מוכפלים, כל כרומוזום נראה עתה כאילו הוא מורכב משני חצאים אורכיים המחוברים ביניהם במרכזם ונראים כמו האות H. לכל אחד מהם קוראים כרומטידה. שתי הכרומטידות הנמצאות זו לצד זו נקראות כרומטידות אחיות. בשלב הפרופאזה נעלמים הגרעינונים, קרום הגרעין מתמוסס ונעלם, והכרומוזומים מתרכזים במרכז התא.

3. עם היעלמותו של קרום הגרעין, מתחיל שלב שנקרא מטאפאזה. בשלב הזה מופיעים סיבים חלבוניים הערוכים בין שני קוטבי התא; אלה הם חלבוני הכישור. הכרומוזומים משונעים לאורך סיבי הכישור ומסתדרים באזור קו המשווה של התא.

4. בשלב זה מתחלקים הכרומוזומים המוכפלים באזור הצנטרומר (נקודת המגע בין שני חצאי הכרומוזום בכרומטידה). כל כרומטידה מתחילה לנוע לאורך סיבי הכישור אל קוטב תא מנוגד. באופן זה נוצרת חלוקה שווה של כל זוג כרומטידות, ועל כן החומר התורשתי, הדנ"א, מוכפל לשני תאים בנים שיווצרו בתום תהליך החלוקה. השלב הזה נקרא אנאפאזה.

5. השלב האחרון נקרא טלופאזה, והוא למעשה היפוך שלב הפרופאזה. קרום הגרעין נוצר מחדש, הכרומוזומים נעלמים ומפסיקים להיראות, והגרעינונים חוזרים ומופיעים.

6. כעת מתבצעת החלוקה של התא עצמו: במרכזו של התא מופיע קרום המחלק בסופו של דבר את התא לשני תאים בנים.

בכרומוזומים הבודדים ניתן אם כך לצפות אך ורק בשלב הספציפי של חלוקת התא - זהו שלב המטאפאזה. בשלב זה נצפים הכרומוזומים כיחידות נפרדות, כשלכל כרומוזום יש גודל וצורה אופייניים. יתרה מזאת, צביעות ספציפיות מאפשרות קבלת מתכונת פספוס האופיינית לכל כרומוזום, ומאפשרות את זיהוים.

זיהוי מתכונת הפספוס מאפשרת לקבוע האם מצבת כרומוזומים נבחנת, הידועה בשם קריוטיפ, היא נורמלית, או שמא היא מאופיינת בשינויים כרומוזומיים. זיהוי ודאי של שינויים אלה חיוני הן למניעת לידתם של יילודים פגועים, והן לאבחון מדויק ואמין של סוגי הסרטן השונים. עד כה התבצע זיהוי השינויים בעזרת השוואה של מתכונת הפספוס האופיינית לכל כרומוזום. זיהוי כזה בעייתי אפילו לעיני אדם מיומן, עקב הדמיון הקיים בין הכרומוזומים השונים, שלא תמיד ניתנים לאבחנה בשיטות הצביעה המקובלות.

מאידך, הטכנולוגיה החדשה שפותחה על ידי החברה הישראלית, מקבילה למעשה למעבר מצילום בשחור לבן לצילום בצבע, ומאפשרת זיהוי מהיר ואמין של שינויים אלה. זאת, על ידי מתן צבע מלאכותי ייחודי לכל כרומוזום, בהתאם לצביעה הספציפית של כל כרומוזום וכרומוזום.

בתחרות טכנולוגיית המידע בשנת 1997, העניק נשיא האיחוד האירופי לחברת Applied Spectral Imaging את הפרס החשוב מסוגו על המוצר החדשני ביותר. לפרס נלווה מענק בסך רבע מיליון דולרים.


דוגמאות לכוחה של השיטה החדשה לאיתור אברציות כרומוזומליות. האברציות מתגלות ככרומוזומים לא נורמליים הצבועים שני צבעים או יותר. כלומר, מכילים חומר גנטי שמקורו בשניים או יותר כרומוזומים נורמליים, כחסר או כעודף כרומוזומים. האיורים מציגים קריוטיפ של תא סרטן מסוג לאוקמיה של גבר, בו הכרומוזומים 1, 12 ו-18 הם כרומוזומים עם אברציה, שכן הם מכילים חומר גנטי נוסף. למעלה מופיעה תצוגת סיווג, ולמטה תצוגת RGB. במקרה זה חל שחלוף של חומר גנטי בין כרומוזום 1 ו-18, וכן מעבר חומר גנטי מכרומוזום 5 לכרומוזום 12.

ביבליוגרפיה:
כותר: הצביעה הזעירה בעולם
מחברים: ברעם, עירית (ד"ר) ; גרעיני, יובל (ד"ר) ; חביב, דריו (ד"ר)
תאריך: פברואר 1998 , גליון 28
שם כתב העת: טבע הדברים : החברה לחקר האדם והסובב בע''מ
הוצאה לאור: טבע הדברים : החברה לחקר האדם והסובב
הערות לפריט זה: * השלושה הם רופאים העובדים בחברת Applied Spectral Imaging
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית