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).
ופרון 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.