יסודות הבקרה הגנטית: היישומון

החלבון הוא אחת מאבני הבניין החשובות של התא. החלבונים נושאים על גבם כמעט את כל התהליכים הפיזיולוגיים החשובים בתא, החל בהרכבת שלד התא, דרך תקשורת תוך תאית וחוץ תאית וכלה בהרכבת חומרים ופירוקם, וכל זאת על ידי זירוז של תהליכים כימיים. יש בגופנו יותר ממאה אלף מבנים חלבוניים שונים, שהקידוד שלהם נעשה על ידי למעלה מעשרים אלף גנים.

היישומון ממחיש את תהליך יצירת החלבון ובקרת הייצור שלו (לחצו על התמונה):

לפני שניכנס לעניינים, בואו נגדיר בקצרה כמה מושגי יסוד:

• DNA: רצף של חומצות גרעין המרכיבות את הקוד הגנטי שמספק את התבנית שעל פי הגוף מסנתז את החלבון.
• RNA שליח (mRNA): רצף של חומצות גרעין שמתווכות בין ה-DNA לתהליך היצירה של החלבון.
• RNA polymerase: מולקולת ה-RNA פולימרז אחראית על תהליך השיעתוק: מ-DNA ל-RNA.
• שעתוק: תהליך יצירת ה-RNA שליח על בסיס תבנית ה-DNA.
• תרגום: תהליך יצירת החלבון על בסיס תבנית ה-RNA שליח.
• ריבוזום: מולקולה המורכבת מחומצות גרעין ומחלבון ואחראית על תרגום מולקולת ה-RNA שליח לחלבון.
• בקרה חיובית: העלאת הקצב או ההסתברות להתרחשות תגובה מסוימת.
• בקרה שלילית: הורדת הקצב או ההסתברות להתרחשות תגובה מסוימת.
• אפיניות (זיקה): הנטייה של שני חומרים להיקשר זה לזה.

שימו לב! ההגדרות שלמעלה הן מאוד פשטניות. כדי להבין אותן יותר לעומק מומלץ לצפות בריכוז הסרטונים המציגים את כל השלבים המעורבים ביצירת חלבון מגנים.

פרק 1: "ביטוי גנים בתא" (expression)

במשחק הראשון, אליו נכנס מהתגית בצד שמאל, המטרה היא לייצר לפחות חלבון אחד מכל סוג. לצורך כך עומדים לרשותנו שלושה גנים, אחד לכל חלבון, וארגז כלים מולקולרי. לכל גן יש מאפיינים בקרתיים משלו, ולכן נעסוק בכל אחד מהם בנפרד.

נתחיל בגן הראשון. בחלקו התחתון של המסך נמצא הדנ"א בצורה של סליל כפול בעל אזורי בקרה שונים. נתחיל בהוספת RNA פולימראז (האנזים האחראי על השעתוק) לאזור התא. כפי שתראו, הוא נודד ימינה ושמאלה ללא כל פעילות. כעת קרבו אותו למקומו על סליל ה-DNA. מה קרה?

הוסיפו מבקר חיובי למקומו וודאו שה-RNA פולימראז יושב במקום. מה קרה עכשיו? מה אתם מסיקים על תפקידו של המבקר חיובית? כעת חזרו על אותו התהליך עם המבקר שלילית. מה קרה? מדוע?

אחרי שהוספתם מבקר חיובי, ואחראי שה-RNA פולימרז שיעתק את הגן, יש לשם RNA שליח. כעת, הוסיפו ריבוזום, וצפו בתהליך התרגום - היצירה של החלבון. כשהחלבון מוכן, יש לגרור אותו לתיבה מימין - ולהשלים את המשימה הראשונה. נסו לחשוב מה תפקידם של המבקרים השונים בתהליך בקרת הייצור של החלבון. הוסיפו מפרק RNA. מה קרה? למה לדעתכם צריך אנזים כזה?

כעת לחצו על החץ "הגן הבא" – יש לנו שני מבקרים חיוביים. מה קורה כששמים כל אחד מהם בנפרד ומה קורה כששמים אותם ביחד? מדוע לדעתכם חשוב שתהיה בקרה מהסוג זה? המשיכו לייצור את החלבון כמו בחלק הקודם ועברו אל הגן השלישי.

כאן הפעילות דומה למה שהיה בחלק הקודם, על כן בואו נעשה ניסוי אחר. הוסיפו שני ריבוזומים ושני מפרקי RNA. שעתקו כמה עותקים של הגן וצפו כמה חלבונים ייווצרו לפני שה-RNA מפורק. צרו גם כאן חלבון כמו שעשיתם בחלק הקודם. האם שמתם לב להבדלים במידת המשיכה בין ה-RNA פולימראז לגן כשיש בסביבה מבקרים חיוביים שונים?

פרק 2: RNA שליח (mRNA)

עכשיו בואו נתמקד בתהליך השעתוק. לשם כך לחצו על הלשונית "ייצור RNA שליח". בחלון נראה את סליל ה-DNA, מולקולות RNA פולימראז, ובתחתית החלון נמצא לוח הבקרה. שימו לב שבמצב ההתחלתי יחידות ה-RNA פולימראז נעות לכל הכיוונים, ואף שלעתים הן נקשרות ל-DNA, הן אינן משעתקות RNA שליח. כעת הגבירו את ריכוז המבקרים החיוביים. מה קרה עכשיו?

בחרו ריכוז מסוים של מבקרים ושחקו עם ברמת הזיקה (אפיניות) שבין המבקר ל-DNA. בעקבות זאת, מה אתם מסיקים על תפקידו של המבקר ועל ההשפעת של רצף ה-DNA עליו? הוסיפו את תיבת המבקר השלילי (ריבוע קטן בצד ימין) ושחקו עם הפרמטרים.

פרק 3: תאים רבים (Multiple cells)

עד כה צפינו ברמות החלבון בתוך תא בודד. איך ישפיע שינוי הפרמטרים על כמות החלבון בקבוצה שלמה של תאים? כדי לבדוק זאת הגדילו את האוכלוסייה למקסימום על ידי הגדלת מספר התאים. הגבירו את כל הפרמטרים, למעט פירוק RNA ופירוק חלבון. מה קרה? כעת הגבירו לאט לאט את פירוק ה-RNA או את פירוק החלבון. מה קרה? מדוע לדעתכם?

שחקו עם כל פרמטר בנפרד וראו איך הוא משפיע על רמת החלבון הכללית. זכרו שרמת החלבון הכללית היא סכום רמות החלבון בכל אחד מהתאים.

ביישומון הזה למדנו על בקרת ייצור החלבון ברמת ה-RNA וברמת החלבון. במקרים מסוימים מערכת הבקרה פשוטה יותר ובמקרים אחרים הרבה יותר מורכבת. הבקרה על יצירת החלבון תלויה בפרמטרים רבים ומושפעת מתנאים רבים, החל בתנאים הסביבתיים וכלה בתנאים פיזיולוגים כמו חלוקת התא או הפרשת הורמונים. היישומון נתן לנו טעימה קטנה מתהליך מרתק שמתרחש באלפי גנים בכל רגע נתון.