בקרת גנים
בקרת גנים הוא כינוי למגוון מערכות ביוכימיים שונות המצויות בכל האורגניזמים, ומפקחות על התבטאות הגנים, לפי צורך התא והאורגניזם כולו. מערכות בקרת הגנים קובעות איזה גן יבטא התא, איזה גן ביטויו יפסק ומהו התזמון המדויק בו על התא לבטא את הגן. בקרת הגנים אף מווסתת את קצב ייצור התוצרים המבטאים את הגנים, לפי הצורך. מערכות בקרה אלו חיוניות לקיום הבסיסי של כל תא, פרוקריוטי ואיקריוטי כאחד, ושל האורגניזם כולו.
מערכות הבקרה נחלקות לשני סוגים עיקריים, על פי אופי השפעתן: מערכות בקרה חיובית ומערכות בקרה שלילית. מערכות בקרה חיובית מגבירות את ייצור תוצרי הגנים, ומערכות בקרה שלילית מדכאות אותו. במערכות הבקרה מולקולות שונות אשר לכל אחת מהן תפקיד מוגדר. לחלבונים המווסתים (regulatory proteins) תפקיד מפתח במערכות בקרת הגנים של התא. שני חלבונים מווסתים חשובים הם הדכאן (repressor) והמשרן (inducer). תפקידו של הדכאן הוא לעכב את ביטוי הגן והוא משמש מרכיב מרכזי של הבקרה השלילית, ותפקידו של המשרן הוא לזרז את ביטויו, והוא מהווה מרכיב מרכזי של מערכות הבקרה החיובית.
בקרה בתאים פרוקריוטיים
הבקרה בתאים פרוקריוטיים לרוב פשוטה ופועלת בשיטת "הכל או לא כלום". הבקרה לרוב נעשית באמצעות אופרון ומופעלת על ידי שני גורמים, האחד - חיצוני, והשני - פנימי. דוגמה לכך היא אופרון הלקטוז, האופרון הוא מקטע DNA הכולל כמה גנים המבוקרים יחדיו בשל תפקיד משותף לכולם. תוצרי הגנים, בדוגמה זו, הם אנזימים המשתתפים בתהליך פירוק מולקולות הלקטוז. הגורם החיצוני הם מולקולות הלקטוז היכולות להימצא בסביבה. באופן רגיל, מופעלת בקרה שלילית על ידי חלבון דכאן (Repressor) שהוא תוצר של גן מווסת הנמצא בסמוך לאופרון. החלבון הדכאן נקשר לאזור המפעיל (operator), לא מאפשר לRNA פולימראז להקשר לקדם, ובכך עוצר את שעתוק הגנים. כאשר מופיעות בסביבה מולקולות לקטוז, הן מתחברות לחלבון הדכאן ובכך משנות את צורתו המרחבית, שאינה מאפשרת לו להתחבר לאזור המפעיל. בשלב זה, הבקרה השלילית מוסרת ושעתוק הגנים מתחיל, נוצרים מולקולות אנזים, ותהליך פירוק הלקטוז מופעל.
באותו האופרון, יכולה להיות מופעלת גם בקרה חיובית, לדוגמה, מולקולות cAMP נוצרות מ-ATP כאשר מוסרות ממנו שתי קבוצות זרחה. מולקולות אלה מצטברות בתא כאשר יש מחסור במקורות אנרגיה. במצב בו כמות הגלוקוז בסביבה ירדה (או כל מקור אנרגיה אחר, להוציא לקטוז), מצטברות מולקולות cAMP בתא, ואלו נקשרות לחלבון מפעיל הקרוי CAP, במצב זה החלבון נקשר לאתר המקדם של האופרון ומחזק את הקשר בין אתר המקדם לפולימראז ה-RNA ומגביר את קצב שעתוק הגנים. כאשר קיימות מולקולות לקטוז בסביבה, הבקרה החיובית משפרת את ניצול הלקטוז, בכך שהיא מגדילה את כמות האנזימים האחראים לפירוקו. כאמור, אם יש מחסור גם במולקולות לקטוז בסביבה, תופעל גם בקרה שלילית והגנים לא ישועתקו.
בקרה בתאים איקריוטיים
המעבר מגן לתוצר חלבוני בתאים איקריוטיים, ובמיוחד ביצורים רב-תאיים, הוא תהליך ארוך ומורכב בעל מספר שלבים, כאשר כל שלב ושלב ניתן לבקרה, והאצת או האטת כל שלב היא בקרה - חיובית או שלילית - על ביטוי הגן שכן כל האטה של שלב זה או אחר בהכרח יעכב את השלב האחרון בשרשרת - יצירת התוצר. על כן בקרת ביטוי הגנים מתרחשת במספר רמות:
- ברמת הכרומטין - דחיסות הכרומטין היא גורם המבקר את הביטוי הגנטי שכן כרומטין דחוס לא מאפשר גישה של גורמים שונים ל-DNA; גורמים החיוניים לשעתוק הגנים. בעוד שכרומטין פתוח מאפשר גישה של גורמים אלה. דוגמה נאה לבקרה שלילית מסוג זה היא דחיסת אחד מכרומוזומי ה-X אצל הנשים.
- ברמת השעתוק - לגנים רבים אזור מיוחד הקרוי קדם (פרומוטור), קישור של גורמים מפעילים (אקטיבטורים) לאזור הקדם ב-DNA מאפשר שעתוק של הגן וייצור mRNA אשר על פיו ייוצר חלבון. לחלופין קישור של גורמים מעכבים (רפרסורים), לאזור הקדם, לא יאפשרו את שלב יצור ה-mRNA וכך יעכבו את ייצור החלבון המקוּדד על ידי גן זה.
- ברמת השחבור - כל mRNA אחרי שהוא מועתק מה-DNA ולפני שהוא מתורגם לחלבון עובר תהליך של עיבוד הקרוי שחבור, בקרה על קצב ויעילות תהליך זה גם היא שלב חשוב בבקרת הביטוי הגנטי.
- ברמת יציבות ה-mRNA - יציבות מולקולה זו תלויה בגורמים רבים, נוכחות זנב ה-poly A ואורכו, נוכחות או העדר מולקולות ועוד. מולקולות ה-miRNA (micro RNA) הן כלי בקרתי חשוב. על ידי היקשרות ל-RNA, מולקולת miRNA יוצרת הפרעה פיזית לפעילות הריבוזומים ומהווה סימן לפירוק מולקולת ה-mRNA.
קיימות רמות נוספות וכלים חשובים נוספים רבים המשתנים בין יצורים שונים ובין תאי רקמות שונות.
ראו גם
לקריאה נוספת
- Nature - Milestones in Gene Expression
- שליטה בביטוי גנים ודיפרנציאציה
- מאיר ברק, מהם מתגים ביולוגיים?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 3 ספטמבר 2009
קישורים חיצוניים
