גנים על הספסל

 

 

בתי הקברות, כך אומרים, מלאים באנשים שחשבו שאין להם תחליף. המשפט הידוע הזה חל גם בעולמם המיקרוסקופי של הגנים. בשנים האחרונות התברר, שמעט מאוד גנים הם חיוניים להישרדותו של האורגניזם, עד כדי כך שפגיעה בהם עלולה להוביל למות האור-גניזם. הרוב המכריע של הגנים, לעומת זאת, אינם כה חיוניים, והעובדה היא שהאורגניזמים מצליחים לפצות את עצמם בדרך כלשהי על פגיעה בגנים האלה, ואפילו על אובדנם המוחלט.

 

מדובר בתהליך שמזכיר את הדרך שבה מאמן קבוצת כדורגל, למשל, מכשיר כמה משחקניו לאותו תפקיד. בעת שההרכב הפותח של השחקנים עולה למגרש, יושבים המחליפים הפוטנציאליים על הספסל ומחכים לתורם. כאשר אחד משחקני ההרכב הראשון נפצע, או שאינו מתפקד כראוי, המאמן מבצע חילוף, ושולח אל המגרש את אחד מהמחליפים. מובן שהשחקן המחליף אינו זהה לחלוטין לשחקן המקורי, אבל הוא דומה לו, פחות או יותר, ביכולותיו. בדרך זו הקבוצה כולה אינה נפגעת כתוצאה מחוסר תיפקוד של אחד משחקניה. צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע מציע תהליך משוב דומה, המאפשר לאורגניזמים לפצות את עצמם על פגיעה או על אובדן של גנים שיש להם "ממלאי מקום".

 

המדענים, ד"ר יצחק (צחי) פלפל ותלמידי המחקר רן כפרי וארן בר-אבן, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, עוסקים במדע חדש הקרוי "ביואינפורמטיקה". מדובר בשילוב של טכניקות וטכנולוגיות של עיבוד נתונים ממוחשב עם מחקרים בתחום הגנטיקה המולקולרית. הביואינפורמטיקה מאפשרת למדענים להתמודד עם השטף העצום של המידע הנובע מפרויקט המיפוי והריצוף של גנום האדם, וכן מפרויקטים דומים למיפוי ולריצוף גנומים של אורגניזמים רבים אחרים. בדרך זו הם מצליחים לזהות מגמות, מבנים ותהליכים מסודרים בסדרי ההתבטאות של גנים (התבטאות של גן משמעותה שהתא מייצר את החלבון שהגן מקודד).

 

מדעני המכון התמקדו במחקריהם בתאי שמרים, המהווים דגם ידוע ומקובל למחקרי גנטיקה. על בסיס מחקרים שבוצעו בשמרים בעבר, המדענים מניחים כי החלק היחסי של גנים שיש להם "מחליפי מקום" מגיע, פחות או יותר, ל-%08 מהגנום של המיקרו-אורגניזם הזה. למעשה, לכל אחד מהגנים הללו יש מספר "ממלאי מקום" פוטנציאליים, המצויים אי-שם בגנום. כמו השחקנים המחליפים בקבוצת כדורגל, גם "ממלאי המקום" הגנטיים הללו אינם זהים לגן המקורי. אלה הם גנים המסוגלים לייצר חלבון שהוא דומה מספיק לחלבון שמייצר הגן המקורי. מדענים רבים סברו ש"ממלאי המקום" הגנטיים הללו מתבטאים יחד עם הגן המקורי בעת ובעונה אחת, כך שביחד הם מספקים לאורגניזם חלבון בכמות הנחוצה. אבל ד"ר פלפל וחברי קבוצת המחקר שלו הצליחו להראות שלמעשה, בעת שהגן "המקורי" מתבטא, האחרים - ממש כמו "שחקני ספסל" - שותקים ואינם פועלים. אבל, אם וכאשר הגן המקורי נפגע, או נמחק, עולים "שחקני הספסל" למגרש ומתחילים להתבטא.

 

כיצד יודעים הגנים "ממלאי המקום" שהגן המקורי אינו מתפקד כראוי ושעליהם להיכנס לפעולה? מדעני המכון ניתחו נתונים שעלו מ-40 מחקרים אשר בוצעו בתאי שמרים, על-ידי מדענים רבים במקומות שונים בעולם. על בסיס ניתוח המידע הזה הם מציעים תהליך משוב הממלא את תפקידו של המאמן בקבוצת כדורגל, ומורה לשחקנים המחליפים מתי להיכנס לפעולה. תהליך משוב זה מתואר במאמר שפרסמו המדענים בכתב העת המדעי "נייצ'ר ג'נטיקס" (ראו מסגרת נפרדת).

 

שאלה נוספת נוגעת לדרך שבה הגנים "ממלאי המקום" שרדו בתהליכי האבולוציה ארוכי הטווח. בקבוצת כדורגל, "שחקן ספסל" שיישב יותר מדי זמן על הספסל ולא ישותף במשחקי הקבוצה, עלול לאבד מכושרו הגופני, וכן את יכולת התגובה שלו וביטחונו העצמי. כתוצאה מכך, הוא עלול לאכזב ולא לתפקד ברגע המכריע, כשהקבוצה תזדקק לו. באותה מידה, גן "ממלא מקום" שלא ייקרא לפעולה זמן רב מדי, עלול להיות מנופה ומסולק מהגנום על-ידי התהליכים האבולוציוניים. כיצד, אם כן, נותרו בגנום כל אותם "שחקני ספסל" גנטיים? מדעני המכון מציעים הסבר המבוסס על העובדה, שכל אחד מהגנים הללו מתאפיין במבנה שונה במעט מהגן המקורי. הייחוד הזה מאפשר ל"ממלא המקום" הגנטי לבצע תפקידים ייחודיים רק לו, דבר שיהפוך אותו לחיוני מספיק כדי שתהליכי הניפוי של האבולוציה יפסחו עליו, הוא יישאר בגנום, ויוכל להציע (ולעיתים גם לספק) את שירותיו כשחקן מחליף.

 

תהליך המשוב המוצע יוצא לדרך עם תיפקודו (או חוסר תיפקודו) של הגן המקורי. החלבון שהגן הזה מייצר אמור להשתמש בחומר גלם מסוים, ולייצר ממנו חומר אחר שהאורגניזם זקוק לו. כאשר הגן תקין, הוא משתמש בכמות גדולה של חומר גלם, כך שכמות חומר הגלם הזמינה קטנה יחסית. אבל, כאשר הגן אינו מתפקד כראוי, ואינו יוצר כמות מספיקה של חלבון (או שהוא יוצר חלבון פגום שאינו מסוגל לבצע את תפקידו), נותרת כמות גדולה יחסית של חומר גלם. חומר הגלם הזה מפעיל חלבונים מיוחדים ("גורמים מאתחלים"), שכל אחד מהם נקשר ל"ממלא מקום" גנטי אחר, ומפעיל אותו. כך, אי-תיפקוד של הגן המקורי גורם לגידול בכמות חומר הגלם, מה שמוביל להפעלת אחד מ"ממלאי המקום" הגנטיים.

 

בדרך זו, הודות ל"שחקני הספסל" הגנטיים, מצליחים האורגניזמים לשרוד בתנאים קשים, ולהתגבר על תקלות ונזקים שנגרמים לרוב הגנים במטען הגנטי שלהם.