עשרות אלפי חלבונים מתבטאים בתאים חיים בכמות שונות ובתזמונים שונים – וזה כמובן חשוב מאוד. רק תארו לעצמכם מה היה קורה אילו כל החלבונים היו מתבטאים כל הזמן באותה רמה התא לא היה מסוגל לתפקד מעודף חלבונים מסוג אחד, ממחסור כבד באחרים, עם מסרים סותרים במסלולי תקשורת שונים וכו'.

כדי למנוע מצב כזה דרוש שתהיה בקרה על ביטוי הגנים. תאים פרוקריוטיים (כלומר חיידקים) מצאו פתרון למצב כזה על ידי יצירת אופרונים צברי גנים שמשועתקים ביחד כתגובה לאות מסוים. היישומון הנוכחי מתאר את אופרון הלקטוז, שאחראי על פירוק הלקטוז. לצפייה ביישומון לחצו על התמונה ופתחו את הקובץ המקושר (יישומון ג'אווה).


היישומון הופק במסגרת פרויקט PhET של אוניברסיטת קולורדו
להורדת היישומון ולהרצתו על המחשב 
לחצו כאן
אם אינכם מצליחים להעלות את היישומון, התקינו את תוכנת Javaweb. לחצו כאן והתקינו לפי ההוראות.

אופרון הוא הינו צבר של גנים בעלי ייעוד משותף. תפקידו הוא לאפשר לתא לשעתק קבוצת גנים שלה בתגובה לאות תוך-תאי או חוץ-תאי, כדי למנוע שעתוק מיותר של הגנים הללו שלא לצורך. אופרון הלקטוז נועד לאפשר קליטה ופירוק של הדו-סוכר לקטוז לצורכי אנרגיה. היות שהלקטוז אינו מקור האנרגיה המועדף על החיידק, הוא ישתמש בו רק בלית ברירה, כשאין לו מקורות אנרגיה זמינים אחרים בסביבה. לכן, אם ברצונו להימנע משעתוק מיותר של חלבונים שמעורבים בפירוק הלקטוז,  שהפקתם תבזבז לו אנרגיה ומשאבים חיוניים, על החיידק לבטא את החלבונים הללו בהתאם להרכב מקורות האנרגיה בסביבה.

אתם מוזמנים לצפות בסרטון אופרון הלקטוז ביטוי מושרה של גנים. אם אינכם בקיאים בתהליכי יצירת החלבון בתא, היכנסו לריכוז הסרטונים כל השלבים מגן לחלבון באתר.

לפני שנתחיל לשחק ביישומון נתחיל בכמה מושגי יסוד, שמוסברים גם בסרטון אופרון הלקטוז שהזכרנו:

פרומוטור: מקטע דנ"א שנמצא לפני הגן האחראי על גיוס ה-RNA polymerase לשעתוק הגן. 
רפרסור: חלבון שהקשירה שלו לאופרטור מעכבת את הביטוי של הגן.
אופרטור: מקטע דנ"א סמוך לפרומוטור שמשמש מפעיל לגן. כשהרפרסור קשור לאופרטור, לא יתבצע שעתוק. ישנם אופרטורים שדורשים אינדוסר (חלבון שמעודד שעתוק).
RNA polymerase: אנזים שאחראי על שעתוק הגן.
לקטוז: דו-סוכר שמהווה מקור אנרגיה לחיידק.
Lac Z: גן שמקודד ל-β-galactosidase אנזים שמפרק לקטוז לגלוקוז ולגלקטוז (מקורות אנרגיה שהחיידק מעדיף על פני הלקטוז).
Lac Y: גן שמקודד ל-β-galactosidase permease, נשא שמאפשר ללקטוז להיכנס אל התא.
Lac I: גן שמקודד למעכב שעתוק ל-Lac Z.

כעת נתחיל בחלקו הראשון של היישומון בקרת לקטוז: הוסיפו את רכיבי האופרון בגרירה שלהם מהתיבה אל הדנ"א. ראו מה קורה. אילו חלבונים שועתקו? מה יקרה אם תורידו את האופרטור? לאחר מכן החזירו את האופרטור והתחילו להזרים לקטוז לתא. מה קרה לאופרטור? מה קרה ללקטוז?

כעת נעבור לחלק השני, הובלת הלקטוז. הוסיפו את כל חלקי האופרון והתחילו להזרים גלוקוז אל מחוץ לתא. צפו במתרחש למשך כמה דקות. אילו גנים משתעתקים? מדוע לדעתכם גנים משתעתקים אף על פי שיש רפרסור? מה אירע במערכת אחרי ש-LacY הגיע לממברנה? המתינו עד שהלקטוז יגמר. מה קורה במערכת עכשיו?

ראינו שבהעדר לקטוז הרפרסור מונע מ-LacZ ו-LacY להתבטא ברמה גבוהה, אם כי יש להם ביטוי ברמה נמוכה מאוד, ושבנוכחות לקטוז יש לגנים האלו ביטוי חזק. מה לדעתכם הסיבה הביולוגית לכך?

שאלה לדיון מדעי: אופרונים כמעט שאינם קיימים בתאים אאוקריוטיים (כמו התאים שבגוף האדם). אילו חסרונות יש לשיטת האופרונים, שאולי בכללם הם כמעט נעלמו במהלך האבולוציה?

ארז גרטי
המחלקה לכימיה ביולוגית
מכון ויצמן למדע



הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום ואנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.

2 תגובות

  • אביב

    אשמח לתשובה לשאלה לדיון

    לשאלה: שאלה לדיון מדעי: אופרונים כמעט ולא קיימים בתאים אאוקריוטיים (כמו התאים שלנו) אילו חסרונות יש לשיטת האופרונים, אשר עשויים היו לגרום להם להיעלם במהלך האבולוציה?

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןארז גרטי

    תשובה אפשרית

    שלום אביב
    ראשית, RNA פוליציסטרוני קיים באאוקריוטים, אם כי בשימוש פחות נרחב. ניתן למצוא SiRNA אשר משועתקים על אותו גדיל, וכמו כן קיים מבנה שנקרא IRES - Internal ribosome entry site אשר מאפשר תרגום שני חלבונים מRNA יחיד.דבר מעניין נוסף, הוא תת-אברון הנקרא גרעינון, אשר מקבץ בתוכו מספר גנים חשובים לייצור הריבוזומים, כך שמדובר ברעיון דומה לרעיון האופרון - שמירה על קבוצה של גנים חשובים במיקום אחד.

    לגבי אופרונים, הגנום החיידקי קטן יחסית פשוט יחסית ונמצא בציטופלסמה, על כן שיטות הבקרה שם שונות מאשר באאוקריוטים, שם הגנום ארוז בגרעין ומלא באלמנטים של בקרה כמו אינטרונים. אני מניח שבשל המורכבות הגדולה יותר שקיימת באאוקריוטים אופרונים מאבדים מהיעילות שלהם ועל כן לא נשמרו.

    בנוסף, שוחחתי עפ פרופ' ג'פרי גרסט מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן על הנושא והנה תשובתו:
    התשובה הקצרה היא שהגנים המפוזרים בין הכרומוזומים השונים, מאפשרים יצירת רמות חדשות של מורכבות בבקרה גנטית, רקומבינציה, הכפלות, שחבור חלופי, סגרגציה ועוד המאפשרים הגדלה של המאגר הגנטי ויצירת שימושים חדשים וטובים שלהם.

    קיימת היום השערה שבאאוקריוטים קיים אופרון וירטואלי ע"י קיבוץ קטעי RNA לפונקציה מסויימת ולאחר מכן תרגום של החלבונים באותו האזור ליצירת מקבץ של חלבונים המיועדים לאותה המטרה ומעובדים בסמיכות. נושא זה נחקר בין השאר במעבדות מכון ויצמן.