גן (ביולוגיה)
בביולוגיה, גֵּן הוא יחידת מידע המועברת מאורגניזם לצאצאיו באמצעות החומר התורשתי (לרוב DNA ולעיתים RNA). המידע הטמון בגנים קובע את תכונותיו של האורגניזם; הגנים מכילים את "הוראות הייצור" לחלבוני התא, ובכך אחראים לקביעת רובן המוחלט של תכונות האורגניזם.
מבחינה פיזית, הגנים הם מקטעים ברצף בסיסי ה-DNA (או ה-RNA), המזוהים בתוך הרצף על ידי קידוד אופייני לתחילת וסיום תרגום לשרשרת פוליפפטידית.
את המונח "גן" קבע ב-1909 הבוטנאי וילהלם יוהנסן (Wilhelm Johannsen) עבור יחידת ההורשה הבסיסית, מבחינה פיזית ותפקודית. מקורה של המילה במונח קודם שטבע דרווין, פאנגנזיס (Pangenesis), מיוונית: פאן=מכלול, גנזיס=לידה או גנוס=מקור.
מבוא
אופן התבטאות הגנים ותוצריהם הם אלו הקובעים את מכלול התכונות של כל היצורים החיים, בשילוב עם תנאים סביבתיים. הגנים מועברים בתורשה מכל פרט לצאצאיו. הגנים הם יחידות התורשה, והם המקור לדמיון הרב בין הורים וצאצאיהם.
כל אחד מהגנים מורכב מרצף נוקלאוטידים. הגנים משועתקים למולקולות RNA המתורגמות לחלבון או חלקי חלבון (פפטידים). החלבון המיוצר משתלב בתהליכים תוך-תאיים סבוכים וכך משפיע או קובע את התכונה. לפעמים חלבון מיוצר על ידי קבוצה של מספר גנים, אשר כל אחד מהם מקודד לחלק מהחלבון. לאחר תום התרגום מתאחים החלקים השונים והופכים לחלבון השלם.
תכונות מסוימות נקבעות על ידי גן בודד (למשל צבע הפרח באפונת הגינה), אולם רוב התכונות נקבעות על ידי מספר גנים יחדיו ואף בשילוב עם גורמים סביבתיים ונקראות על כן תכונות מורכבות. צבע עיניים באדם למשל, נקבע על ידי צירוף של ארבעה גנים שונים.
פרויקט גנום האדם חשף את רצף הנוקלאוטידים המקודד ב-DNA, אך הקישור בין הגנים לתכונות עליהן הם משפיעים הוא כיום אחד האתגרים המרכזיים של המדע בתחום זה. במלים אחרות: אנו יודעים מהו רצף האותיות בשפת ה-DNA, אך איננו יודעים עדיין מה (רוב) המילים אומרות.
מושגים בסיסיים
- גנום - הגנום הוא מכלול החומר התורשתי הנמצא בתאיו של אורגניזם מסוים ומסודר על פי רוב במספר כרומוזומים. פענוח הגנום של אורגניזם מסוים כולל את קביעת רצף חומצות הגרעין המרכיבות את ה-DNA (הרצף זהה ברובו אצל כל הפרטים מאותו המין), ואיתור הגנים המקודדים ברצף זה.
- הפלואידיות - ביצורים חד תאיים וצמחים מסוימים קיים עותק יחיד של החומר הגנטי.
- דיפלואידיות - לאדם, כמו למרבית האורגניזמים המורכבים ובניגוד ליצורים הפלואידים, ישנם שני עותקים לא זהים של כל הכרומוזומים, וכמובן של כל גן על פני הכרומוזומים. כל אחד מההורים מעביר לצאצאו עותק אחד מכל זוג כרומוזומים. התכונה המקודדת על ידי כל אחד מהגנים תקבע על ידי היחסים בין האללים הקיימים בזוג הכרומוזומים.
- מולטיפלואידיות - למיני צמחים שונים מספר שונה של עותקים של הכרומוזומים, למשל חיטת הלחם הנפוצה כיום היא הקספלואידית כלומר בעלת שלושה זוגות כרומוזומים הומולוגיים.
- אלל - גנים רבים מופיעים ביותר מצורה אחת, כשכל אחת מהצורות מביאה להתבטאות שונה במקצת של התכונה. כל צורה כזו של גן ספציפי נקראת אלל. לדוגמה, הגן המקודד לצבע זרעי צמח האפונה יכול לקודד לצבע ירוק (זהו אלל אחד) או לצבע צהוב (אלל שני). הניסויים הראשונים שהביאו לגילוי כללי התורשה בוצעו בצמח האפונה על ידי גרגור מנדל.
- דומיננטי (Dominant, בעברית: שלטני) ורצסיבי (Recessive, בעברית: נסגני) - קיים מגוון של יחסי גומלין בין האללים השונים של גן מסוים. היחס השכיח ביותר הוא דומיננטיוּת ורצסיביוּת. במצב זה מסוכך האלל האחד - הדומיננטי - על התבטאותו של השני - הרצסיבי. לדוגמה: האלל המקודד לזרע אפונה ירוק דומיננטי על-פני האלל המקודד לזרע אפונה צהוב. לאחר זיווג (הכלאה) בין צמח אפונה שזרעיו ירוקים ובין צמח אפונה שזרעיו צהובים, אם הצמח הצאצא יירש מאחד מהוריו אלל ירוק ומההורה השני אלל צהוב - הרי שזרעיו של הצאצא יהיו ירוקים, שכן האלל הירוק הדומיננטי מבטל את השפעתו של האלל הצהוב הרצסיבי.
ערך מורחב – פגם גנטי- מחלות תורשתיות רבות, כגון סיסטיק פיברוזיס או תסמונת אטקסיה טלנגיאקטזיה, הן רצסיביות. מחלה רצסיבית תופיע בפרט מסוים אך ורק אם שני האללים שקיבל מהוריו הם אללים "חולים", כלומר הפרט הוא הומוזיגוט באתר המחלה. אם רק אחד האללים "חולה", כלומר הפרט הוא הטרוזיגוט באתר המחלה, הפרט יהיה בריא. כך ייתכן שלשני הורים בריאים אך נשאים (מאחר שהם הטרוזיגוטים למחלה) יהיה צאצא חולה - הסיכוי לצאצא כזה הוא 25%. מצד שני להורה חולה יהיה צאצא בריא, אם ההורה השני העביר לו אלל בריא.
- במחלות דומיננטיות, לעומת זאת, כגון מחלת בסט או מחלת הנטינגטון, מספיק שאחד האללים יהיה "חולה" כדי שהפרט הנושא אותו יבטא את המחלה. צאצא להורה חולה יקבל את האלל למחלה ב-50% מהמקרים בהם יבטא בעצמו את המחלה.
- קו-דומיננטיוּת - צורה נוספת של יחסי גומלין בין אללים הוא "שיתוף פעולה" ביניהם, כך שהתכונה הסופית מהווה שילוב של התכונות להן מקודדים שני האללים. דוגמה מעולם הבוטניקה: אלל המקודד לפרחים אדומים, והאלל המקביל לו, המקודד לפרחים לבנים. אם שוררת דומיננטיות חלקית בין שני האללים, הרי שהפרחים שיתקבלו מהכלאת שני האללים יהיו בצבע ורוד - שילוב של אדום ולבן.
- גֵנוֹטִיפּ (Genotype) ופֵנוֹטִיפּ (Phenotype) - הראשון מציין את ההרכב הגנטי של יצור מסוים, והשני - את התבטאותן של תכונות היצור. לדוגמה, "עיניים כחולות"; זהו תיאור של פנוטיפ. הגנוטיפ של אותו אדם (בהקשר לצבע עיניו) הוא מכלול הגנים המשתתפים בקביעת צבע העיניים. הפנוטיפ אינו נקבע על ידי הגנים באופן בלעדי; גורמים סביבתיים, כגון טמפרטורה, לחות וחשיפה לחומרים מסוימים עלולה להשפיע רבות על תכונות הפרט. לפיכך, ידיעת הגנוטיפ אינה מהווה מתכון בלעדי לחיזוי הפנוטיפ.
דוגמה
במנגנון קביעת סוג הדם באדם התכונה נקבעת על ידי גן יחיד לו שלושה אללים: אלל אחד יגרום לייצור חלבון מסוג A, אלל נוסף יגרום לייצור חלבון מסוג B, ואילו אלל שלישי לא יגרום לייצור חלבון (ומסומן ב-O). אללים A ו-B דומיננטיים על פני O הרצסיבי, ואילו ביניהם, A ו-B קו-דומיננטים. שני העותקים שעברו לפרט משני הוריו יכולים להיות זהים (גנוטיפ הומוזיגוטי) ואז ייתכנו שלושה פנוטיפים אפשריים - שלושה סוגי דם: B ,A או O (בהתאמה לאללים). במקרה של גנוטיפ הטרוזיגוטי, יתקבלו שלושה פנוטיפים אפשריים: סוג דם A או B במקרה של גנוטיפ AO או BO בהתאמה, וסוג דם AB במקרה של גנוטיפ AB.
לא תמיד הפנוטיפ משקף באופן חד-חד-ערכי את הגנוטיפ. למשל, גנוטיפים AO ו-AA מובילים שניהם לאותו פנוטיפ - סוג דם A.
גן ורצפים אחרים
למרות שהגנים הם "גולת הכותרת" של הגנום (מכלול החומר התורשתי), הרי שגנים המקודדים לחלבונים מהווים מיעוט זעום מכלל הגנום: כ-1.5%. יתר הגנום, כ-98.5%, מורכב מרצפים אחרים שאינם מקודדים לחלבונים.
ישנם מעט גנים המשועתקים ל-RNA אך זה אינו מתורגם לשרשרת פוליפפטידית. מולקולת ה-RNA שנוצרת במקרה זה היא המטרה של הגן, ולה תפקידים רגולטוריים או במקרה של הריבוזימים, פעילות אנזימטית. לבד מזאת, רוב רצף ה-DNA אינו משועתק כלל ל-RNA, אלא משתתף בבקרה. רצפים אלו מעודדים או מדכאים שעתוק ותרגום של גנים או שהם בעלי תפקיד מבני.
סוגי הרצפים ב-DNA כוללים:
- גנים המקודדים ל-tRNA ול-rRNA.
- אינטרונים, חלק מהגן שמוסר בשלב השחבור ולא מקודד לחומצות אמינו.
- טלומרים.
- טרנספוזונים.
- צנטרומרים.
- הכפלות וחזרות, חסרות תפקיד כנראה, של רצפי DNA.
אצל האדם קיימים כ-25,000 גנים, המקודדים לכ-200,000 חלבונים. הדבר מתאפשר הודות לתופעת השחבור החליפי, בה מקטעי גנים ששועתקו ל-RNA משנים את סדרם ובסופו של התהליך מתורגמים לרצפים שונים של חומצות אמינו - כלומר, חלבונים שונים.
גודלו של גנום האדם הוא כ-3 מיליארד נוקלאוטידים. היות שרק כ-1.5% ממנו מורכב מגנים המקודדים לחלבונים, ניתן לחשב שגודלו הממוצע של כל אחד מ-25,000 הגנים הוא 1,800 נוקלאוטידים (לא כולל אינטרונים). אם מורידים אזורים נוספים בגן אשר אינם מקודדים לחלבון (אזורי בקרה שונים, כגון קדם (פרומוטר)), מתקבל שהאורך הממוצע של האזור המקודד לחלבון בכל גן הוא 1,340 נוקלאוטידים. אם מכלילים את האינטרונים, מתקבל כי אורכו הממוצע של גן שלם הוא 27,000 נוקלאוטידים. היות שכל שלושה נוקלאוטידים מקודדים לחומצת אמינו אחת (ראו: הקוד הגנטי), הרי שאורכו הממוצע של פפטיד המקודד על ידי גן הוא 600 חומצות אמינו (הערה: נתונים אלו נכונים עבור הגנום האנושי בלבד).
גנים מול תנאי סביבה
הגנים מהווים את המרכיב המרכזי בהתפתחותו של הפרט. באדם למשל, הם מכילים את המידע המאפשר את התפתחות מערכת העצבים בפרט והגוף בכלל. עם זאת, אין לראות את השפעתם כדטרמיניסטית. רוב התכונות נקבעות בסופו של דבר תוך שילוב תנאי הסביבה ו"הוראות הייצור" שבגנים, ובכל תכונה ישנה חלוקה שונה בין שני מרכיבים אלו. בנוסף, בתנאים מסוימים עשויה ההשפעה הסביבתית להיות משמעותית ביותר (למשל תנאי תת-תזונה בגיל צעיר יגבילו את פוטנציאל הגדילה של אותו הפרט) ובתנאים אחרים תהיה ההשפעה הגנטית דומיננטית (למשל במקרה של פרט החולה במחלה תורשתית קשה).
הגנים בהיווצרות העובר האנושי
היווצרות הגמטות, תאי הרבייה, כרוכה בתהליך הקרוי מיוזה. בתהליך זה מתפצלים הכרומוזומים בגופם של הגבר או האישה ועוברים שחלוף ביניהם, היוצר ערבוב. הערבוב האקראי הוא כה גדול, שגם אם יולידו אותם הורים מיליוני צאצאים, הסיכוי שיהיו בין אלו שני צאצאים זהים גנטית זה לזה הוא אפסי, אלא אם יהיו אלו תאומים זהים.
בבוא זמן הביוץ פולטת האישה ביצית לתוך החצוצרה. אם בתוך יממה יגיע זרע לאזור זה, הוא עשוי להגיע לסביבתה וליצור עימה את הזיגוטה. אם פלטה האישה שתי ביציות, ייתכן שייווצרו שתי זיגוטות ויוולדו תאומי אחווה (תאומים לא זהים). אם זיגוטה אחת מתפצלת לאחר יצירתה, עשויים להיוולד תאומים זהים בסופו של דבר.
בתא הזיגוטה נורמלי מצויים 46 כרומוזומים, שנוצרים מ-23 כרומוזמים שבזרע ו-23 כרומוזומים שבביצית. בתא מתחיל תהליך ההתפתחות העוברי. נוצרים 23 זוגות של כרומוזומים הומולוגיים, המורכב מצמדי כרומוזומים, האחד מהאב והשני מהאם.
בימי עבר האמינו שבזרעון מצוי הומונקולוס, אדם קטן שכבר התפתח במלואו. כיום יודעים שתהליך התפתחותו של העובר ברחם כרוך בהתמיינות - התאים מתפצלים ותפקידיהם הולכים ונעשים ייחודיים.
תכונות המועברות באמצעות כרומוזומי המין - תאחיזה לזוויג
קביעת מינו של העובר תלויה בצמד הכרומוזומים ה-23. האם תספק לו בהכרח את כרומוזום ה-X. אולם האב יכול להעביר לו כרומוזום X או Y. במקרה הראשון, תיוולד בת. במקרה שני, יוולד בן. אף שהמין נקבע לאלתר ברגע ההפריה, ניתן יהיה להבחין רק בסוף החודש השני לחיי העובר בתחילתה של התפתחות שונה בבלוטות המין. אז יתחיל עובר ממין זכר להפריש הורמונים אנדורגנים שיכחידו התפתחות אפשרית של איברים נשיים. הנקבה לא תפריש דבר. סיבות רפואיות וסביבתיות מסוימות עלולות להביא לעודף באנדרוגנים או במחסור בהם, או לגרום לאי-רגישות להם. התוצאה תהיה לידת נקבה מהבחינה הגנטית בעלת איברים זכריים או ההפך (ראו: אנדרוגינוס).
מכיוון שבני אדם זכרים הם בעלי כרומוזום X יחיד לא מזווג, הפנוטיפ של גן הנמצא על כרומוזום זה יקבע על ידי אלל רצסיבי יחיד. ישנן מספר מחלות מוכרות, כמו המופיליה ועיוורון צבעים, שהן רצסיביות על כרומוזום X. לפיכך, סיכוייהן של נקבות ללקות בהן קטנים בהרבה ( כאשר p מיצג את שכיחות האלל באוכלוסייה). אלל רצסיבי הנמצא על כרומוזם X לא ישפיע, אם כרומוזום ה-X השני נושא את האלל הדומיננטי לאותה תכונה. כלומר, מספיק עותק אחד של כרומוזום X "בריא" כדי להיות בריא, ואצל נשים, שהן בעלות שני כרומוזומי X, הסיכוי לכך גדול הרבה יותר (בהנחה שהסיכוי לאלל "חולה" הוא מלכתחילה קטן באוכלוסייה).
ראו גם
קישורים חיצוניים
| מיזמי קרן ויקימדיה |
|---|
 ערך מילוני בוויקימילון: גן |
| ערך מילוני בוויקימילון: גנוטיפ |
| ערך מילוני בוויקימילון: פנוטיפ |
- מאיר ברק, מה מספר הגנים המינימאלי שיש לאורגניזם חי עצמאי?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 3 ספטמבר 2009
