מילים נרדפות

 

מדוע הפיל שונה מהנמלה? שאלה בסיסית ועתיקה זו מעסיקה דורות של חוקרי טבע, המנסים לזהות את המקור למיגוון העצום של היצורים החיים על פני כדור-הארץ. במהלך השנים נמצאו מספר תשובות אפשריות לשאלה הזאת. הפשוטה שבהן אומרת, שההבדל בין היצורים נובע ממערך הגנים שלהם: חיידק בעל שוטון מכיל קבוצת גנים שאינה מצויה בחיידק חסר שוטון. פשוט ואינסטינקטיבי ככל שיהיה, הסבר זה אינו מספק, שכן יצורים שונים מאוד זה מזה מכילים כמות גדולה להפתיע של חומר גנטי זהה. האדם והשימפנזה, למשל, חולקים כ-99% מהחומר הגנטי שלהם. הסבר נוסף אומר, שגם גנים משותפים יכולים לתרום לשונות בין יצורים, כאשר הם מופעלים בעוצמות, במיקומים ובתזמונים שונים. לפי ההסבר הזה, מערכת הבקרה הגנטית המפקחת על ביטוי הגנים, כלומר על תהליך הפיכתם לחלבונים פעילים, אחראית במידה גדולה לשונות בין יצורים. מערכת בקרה זו פועלת בשני שלבים: השלב הראשון, בו מתמקד עיקר המחקר, הוא ה"שיעתוק" - יצירת מולקולת אר-אן-אי-שליח על סמך מקטע של די-אן-אי. השלב השני הוא שלב ה"תרגום", בו נוצר חלבון על-פי מולקולת האר-אן-אי-שליח. ד"ר צחי פלפל מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית, ותלמידת המחקר אורנה מן, המונחית גם על-ידי פרופ' יואל זוסמן מהמחלקה לביולוגיה מבנית, בחרו להתמקד בשלב הפחות נחקר הזה, ובדקו האם ייתכן שגם תהליך התרגום עשוי לגרום לשונות בין יצורים.

 

ד"ר פלפל ואורנה מן התמקדו ב"מילים הנרדפות" שבספר הגנטי. מה הן מילים אלו? כידוע, רצף הדי-אן-אי מורכב מרצפים  הכוללים ארבע אותיות: A, T, G ו- C. כל "מלה" בת שלוש אותיות יוצרת "קודון" המסמן חומצת אמינו מסוימת, כל "משפט", או גן, אחראי ליצירת חלבון. מאחר שמספר הקודונים האפשריים (64) גדול ממספר חומצות האמינו (20), הרי שכל חומצה אמינית מקודדת על-ידי מספר צירופים. מדענים נהגו להתייחס אליהם כאל "מילים נרדפות" - החלפה של קודון בקודון נרדף (בעקבות מוטציה) לא תשפיע על החלבון שיווצר מהגן. עד עתה מקובל היה להניח כי מוטציות אלו, המכונות "מוטציות שקטות", אינן באות לידי ביטוי ביצור שעבר את המוטציה, ולכן אינן גורמות לשונות בין יצורים, ואף אינן גורמות למחלות גנטיות. המחקר של ד"ר פלפל ואורנה מן, שפורסם באחרונה בכתב-העת Nature Genetics, מראה כי הבדלים בקצב וביעילות שבה  מתורגמים הקודונים הנרדפים משפיעים על תכונות היצור השלם.

 

מדוע יעילות התרגום שונה עבור קודונים נרדפים שונים? הסיבה לכך היא, שעבור כל קודון קיימת מולקולה ייחודית, הקרויה אר-אן-אי-מעביר, שתפקידה להוביל את חומצת האמינו התואמת לקודון אל החלבון ההולך ונבנה. יעילות התרגום תלויה בשכיחותן של מולקולות אר-אן-אי-מעביר שונות: ככל ששכיחותן של מולקולות האר-אן-אי-מעביר התואמות לקודון מסוים גדולה יותר, כך ייעשה התרגום בקצב מהיר יותר.

 

החוקרים הישוו את הגנום של תשעה זני שמרים, וזיהו כ-2,800 גנים משותפים. לאחר מכן חישבו את יעילות התרגום של הגנים האלו, על-פי הקודונים המרכיבים אותם. מתברר, כי אכן קיימים הבדלים גדולים ביעילות התרגום של הגנים במינים השונים, וכי קיים קשר בין יעילות התרגום לבין תכונות מין השמרים. כך, למשל, שמרים המעדיפים להפיק את האנרגיה הדרושה להם מחמצן (מינים אירוביים) תירגמו ביעילות רבה את הגנים הדרושים לביצוע הפעילות הזאת. לעומתם, מיני שמרים המפיקים אנרגיה ללא חמצן (שמרי תסיסה), העדיפו תרגום יעיל של גנים אחרים. ד"ר פלפל: "אורח חיים מסוים, שדורש התבטאות מוגברת של גנים מסוימים, יגרום להעדפה לייצוג הגנים הללו באמצעות קודונים שמתורגמים ביעילות הגבוהה ביותר. ההעדפה הזו מושגת על-ידי לחצי ברירה טבעית".

 

אחת ההשלכות החשובות של המחקר נוגעת לתפקידן של "מוטציות שקטות" כגורמי מחלות. עד כה חיפשו מדענים מוטציות המשנות את רצף חומצות האמינו, מתוך הנחה כי רק מוטציות כאלו גורמות להפרעה בתיפקוד החלבון ולכן גורמות למחלות. מחקרו של ד"ר פלפל מסב את תשומת הלב אל המוטציות השקטות, שגם להן, כפי שהתברר, יש השפעה ניכרת על דמותם ותיפקודם של יצורים חיים.