הגן הלכה למעשה : הגנום הסוער

מה רב המזל שהביולוגים המולקולריים הראשונים בעולם, משנות ה-50 של המאה העשרים ואילך, עסקו בראש ובראשונה בחיידקים. הם עשו זאת בעיקר מסיבות מעשיות: יחסית, קל יותר לטפל בחיידקים במעבדה, ודברים רבים ידועים עליהם. אבל המזל הוא שהחיידקים הם פרוקריוטים (תאיהם חסרי גרעין), והגנומים שלהם הרבה יותר מסודרים ונוחים להבנה, מאשר הגנומים של האווקריוטים (כלומר, בעלי-החיים, הצמחים והפטריות, שבתאיהם יש גרעין). כמעט כל הדנ"א המצוי בגנום חיידקי, מצוי בו לשם איזו תכלית מוגדרת. כל קבוצה של שלושה נוקליאוטידים משמשת כקודון המכתיב חומצה אמינית מסוימת, או פועלת כסימן פיסוק (המציין שגן אחד הסתיים, ומעתה מתחיל הבא אחריו), או מהווה חלק ממקטע בקרה, המווסת את התנהגותם של גנים אחרים. הכול הגיוני מאוד: הגנים ערוכים למשעי, כמו ספרים על מדפי ספרייה.

הגנומים של האווקריוטים, לעומת זאת, מזכירים את מדפיה של ספרייה ציבורית בתום יום עמוס במיוחד. (אני מדבר מתוך ידיעה אישית, שכן פעם עבדתי בספרייה ציבורית.) הגנים, עם סדרות הקודונים השיטתיות שלהם, נקטעים ברצפים של דנ"א הקרויים לפעמים "שטויות" ולפעמים "זבל". מכל מקום, הם נראים ממבט ראשון כרצפים אקראיים הקוטעים את הגן. רצפים קוטעים אלה נקראים אינטרונים; וחלקי הגן המספקים קוד ממשי לחלבון נקראים אקסונים. הרנ"א-השליח הנוצר תחילה בצלמו ובדמותו של הדנ"א כולל "העתקים" של האינטרונים, לא רק של האקסונים, אבל קטעי הרנ"א המקבילים לאינטרונים נקטמים (על-ידי אנזימים) לפני שהרנ"א-השליח מועבר לריבוזומים לתרגום. המונחים "אינטרון" ו"אקסון" מבלבלים במקצת, שכן הדעת נותנת שה"אקסונים" הם הדברים הצריכים להישאר בחוץ, והאינטרונים צריכים להישאר בפנים, בעוד שלמעשה ההפך הוא הנכון.¹ אבל ככה זה.

יש גם "דנ"א זבל" בין הגנים. למעשה, דומה כי לפחות 90 אחוזים מהדנ"א בגנום של החולייתן הממוצע הם "זבל".

אלא שבפועל מסתבר כי רבים מהאינטרונים אינם מיותרים כלל ועיקר, ובוודאי אינם "זבל". אופן פעולתם אינו נהיר לפרטיו, אבל בין שאר דברים, ברור שהם מעורבים בשינוי המידה שבה מפעיל גן מסוים את השפעתו: כלומר, בהתבטאותו. נחזור לכך בפרק הבא, וכן בדיוננו ב"הנדסה גנטית". מאידך גיסא, אין שום סיבה להניח שהברירה הטבעית ליטשה את כל סממניו של כל אורגניזם חי במידה כזו שנשארו בו רק אותם מרכיבים שיש להם תפקוד ברור. בכל אורגניזם שלם יש שפע של סממנים מיותרים, כגון פטמות בזכרי היונקים ושרידי אגן ירכיים בכמה לווייתנים ונחשים. במידת-מה, אם כן, ייתכן שהאינטרונים הם אמנם "זבל". אבל כל עוד אינם גורמים נזק, הברירה הטבעית אינה פועלת נגדם.

מסקרנת עוד יותר מהאינטרונים היא קבוצה שלמה של קטעי דנ"א מסוגים שונים, הידועים בשם המשותף יסודות ניידים. אחדים מהם פשוט עוברים ממקום למקום בתוך הגנום; הם מתנתקים משרשרת אחת של דנ"א ומשתכנים באיזה מקום אחר, באותו כרומוזום או באחר. פעמים רבות נוחתים היסודות הניידים האלה ממש באמצע גן תפקודי, וכשקורה הדבר, הוא עשוי לגרום למוטציה של הגן ו/או להפסקת תפקודו. הנה כי כן, הביולוגית האמריקנית ברברה מקלינטוק צפתה לראשונה בדוגמאות ליסודות ניידים בתירס כבר בשנות ה-40 (לפני שהובן המבנה המולקולרי של היסודות הללו, כמובן). בכמה זרעים בכמה קלחי תירס היו נקודות צבעוניות שונות, והיא הסיקה כי הסיבה היא שגנים מסוימים בתאים מסוימים הופעלו (או הושבתו) בגלל יסודות הנודדים ממקום למקום בתוך הגנום. למעשה יש סוגים שונים של יסודות ניידים, אבל היא כינתה את הסוג המסוים הזה בשם טרנספוזונים. מובן מאליו שליסודות הניידים, הגורמים לשינויים "ספונטניים" (ואולי מרחיקי לכת) בגנום, יש חשיבות מרובה באבולוציה. נחזור גם לעניין זה, בפרק 8.

סוג מסוים של יסודות ניידים נקרא מיני-לוויינים. המיני-לוויינים מכילים רצפים חוזרים ונשנים של נוקליאוטידים. אין זאת אומרת שכל רצף זהה בדיוק נמרץ לכל השאר, אבל על-פי-רוב, בכל רצף חוזר ונשנה במיני-לוויין יש "קטע מרכזי" הזהה אצל כולם. כיצד ומדוע התפתחו המיני-לוויינים, ואיזו "תכלית" הם משרתים באורגניזם השלם, אם בכלל - שאלה זו פתוחה לניחושים. הם עוררו תשומת-לב בעיקר בשל רבגוניותם העצומה - עצומה עד כדי כך שלכל אורגניזם ואורגניזם יש בדרך-כלל דפוס ייחודי של מיני-לוויינים. כיוון שכך, על המיני-לוויינים הללו מתבססת השיטה המודרנית של זיהוי לפי טביעת דנ"א, הממלאת כיום תפקיד כה חשוב הן בזיהוי משפטי הן בהגנת הטבע, כפי שנתאר ביתר הרחבה בפרק 8.

ידוע כי הנגיפים הם גורמי המחלות הראשונים במעלה. כאורגניזמים, הם שלדיים עד כמה שרק אפשר. אין הם עשויים אלא מצרור של גנים: ליבה מרכזית של דנ"א או רנ"א, עטופה במעטה מגן חלבוני. שיטת השרידה שלהם היא פלישה לתאי הפונדקאי - שאולי הוא חיידק, אם מדובר בפאג, ואולי הוא כל אורגניזם אחר - והיטפלות לדנ"א של הפונדקאי עצמו, בין בגרעין ובין במיטוכונדריה או בכלורופלסטים. שם הם מנצלים את מנגנוני התא של הפונדקאי כדי להביא לשכפול עצמם. ייתכן שהאונקוגנים - הגנים המכשירים את הקרקע להיהפכות תא לסרטני - היו פעם נגיפים, שבינתיים השתלבו לחלוטין בגנים של הפונדקאי. אשר לנגיפים עצמם, קרוב לוודאי שאין לראותם כ"פרימיטיביים" רק משום שהמבנה שלהם כה פשוט. הדעת נותנת שהם הופיעו כרסיסי גנומים של אורגניזמים מורכבים יותר, שגילו (באורח מקביל לזה של היסודות הטרנספוזוניים) כי הם מסוגלים למצוא את מחייתם כשודדי דרכים.

אבל ישנה תצפית מעניינת ביותר, שלפיה נגיפים (ואפילו רסיסים של גנום חיידקי) עשויים לספח לעצמם חלקים מהגנום של הפונדקאי, ואחר-כך להסיע את החלקים הללו לפונדקאים אחרים. כך הם מסוגלים לשאת גנים מאורגניזם לאורגניזם, תוך דילוג מרהיב מעל המחסום המפריד בין מינים. ייתכן (אם כי הדבר אינו ודאי כל עיקר) שמנגנונים כאלה מילאו תפקיד חשוב באבולוציה של צמחים, במיוחד. יש בכך כדי להסביר מדוע הפקעיות בשורשיהם של צמחים מסדרת הקיטניתאים, כגון תלתן, המכילים את החיידקים האחראים ל"קיבוע חנקן" (ראו פרק 7), מכילים ואף מייצרים המוגלובין - צבען הדם, הנושא חמצן בדמם של חולייתנים וכמה חרקים. האם רכשו הקיטניות (או אבותיהן) את הגנים הדרושים במישרין מבעלי-חיים? כשאנו מפליגים לתחומים הללו, אל לנו לשלול שום אפשרות על הסף. כל דבר שאינו סותר את מה שכינה פיטר מדאוור "חוקי התשתית של הפיסיקה", אין לפסול אותו על הסף כבלתי-אפשרי. בטבע - לאור שפע הזמן שעמד לרשותו, והמספר העצום והרב של האורגניזמים החיים בכל רגע נתון - אירועים המתרחשים רק לעתים נדירות ביותר עשויים להתגלות בסופו של דבר כחשובים בכל זאת. אם אירוע יכול להתרחש רק באחד ממיליארד יצורים אחת למיליון שנה, יש הסתברות סטטיסטית ניכרת שהוא אכן יתרחש במוקדם או במאוחר, וכאשר יתרחש, אפשר שהוא ישנה את פני העולם.

אבל זוהי ספקולציה; עובדת קיומם של יסודות ניידים בגנום, ועובדת דילוגם של נגיפים בין אורגניזמים, אלה אינן ספקולטיביות כלל. רק בעל דמיון קודח יטען כי אתם או אני עשויים לרכוש גן מנמלה, נאמר, או מכרוב, ולשלב אותו בגנומים שלנו. אבל בהתחשב באופן התנהגותם של הנגיפים, אל לנו לטעון שהדבר אינו אפשרי כלל.

נהפוך עוד בעניין אחד, אחרון ומסקרן, לפני שנמשיך הלאה. כיצד התחיל הכול?

לפריטים נוספים מתוך הפרק:

הגן הלכה למעשה
הגן הלכה למעשה : מיקרוסקופים וכרומוזומים
הגן הלכה למעשה : כיצד גורם הגן ל"תכונה"?
הגן הלכה למעשה : מהו הגן?
הגן הלכה למעשה : מבנה הדנ"א
הגן הלכה למעשה : כיצד פועל הדנ"א?
הגן הלכה למעשה : הגנום הסוער (פריט זה)
הגן הלכה למעשה : בראשית...

1. לרוב, הקידומת "אקס-" מציינת "חוץ", בעוד שהקידומת "אינ-" מציינת "פנים". מלבד זאת, יש לתת את הדעת על הדמיון המילולי בין אקסון, המתואר כאן, לבין אקסון, המהווה חלק מתא העצב (נוירון), ולפיכך הוא שייך להקשר אחר לגמרי. [המתרגם]