בקרת גנים

בקרת גנים הוא כינוי למגוון מערכות ביוכימיות שונות, המצויות בכל האורגניזמים, ומפקחות על התבטאות הגנים, לפי צורך התא והאורגניזם כולו. מערכות בקרת הגנים קובעות איזה גן יבטא התא, באיזה רמה, איזה גן ביטויו יפסק ומהו התזמון המדויק בו על התא לבטא את הגן. בקרת הגנים אף מווסתת את קצב ייצור התוצרים המבטאים את הגנים, לפי הצורך. ניתן לווסת כל שלב בתהליך ההתבטאות - החל מתחילת השעתוק, עיבוד ה-RNA, ועד לעיבוד החלבונים לאחר התרגום. לעיתים קרובות, בקר של גן מסוים מווסת גם גנים ובקרים נוספים, דבר היוצר רשת גנטית. מערכות בקרה אלו חיוניות לקיום הבסיסי של כל תא, פרוקריוטי ואיקריוטי כאחד, של האורגניזם כולו, ואף של נגיפים, מכיוון שהמערכות מאפשרות הסתגלות לתנאי הסביבה באמצעות ביטוי תוצרי גנים. בשנת 1951 ברברה מקלינטוק הראתה כי קשר בין שני אזורים בגנום התירס שולטים על צבע הגרגרים. בשנת 1961 ז'אק מונו ופרנסואה ז'קוב פענחו את מנגנון הפעולה של אופרון הלקטוז, לפיו אנזימים מסוימים המעורבים במטבוליזם של לקטוז מבוטאים באי קולי רק בנוכחות לקטוז ובהיעדר גלוקוז. ביצורים רב תאיים, בקרת גנים מובילה להתמיינות תאים ולמורפוגנזה בעובר, וכך נוצרים סוגי תאים שונים בעלי פרופיל התבטאות גנים שונה זה מזה, מתוך אותו גנום המשותף להם. מערכות הבקרה נחלקות לשני סוגים עיקריים, על פי אופי השפעתן: מערכות בקרה חיובית ומערכות בקרה שלילית. מערכות בקרה חיובית מגבירות את ייצור תוצרי הגנים, ומערכות בקרה שלילית מדכאות אותו. במערכות הבקרה מולקולות שונות אשר לכל אחת מהן תפקיד מוגדר. לחלבונים המווסתים (Regulatory proteins) תפקיד מפתח במערכות בקרת הגנים של התא. שני חלבונים מווסתים חשובים הם הדכאן (Repressor) והמשרן (Inducer). תפקידו של הדכאן הוא לעכב את ביטוי הגן והוא משמש מרכיב מרכזי של הבקרה השלילית, ותפקידו של המשרן הוא לזרז את ביטויו, והוא מהווה מרכיב מרכזי של מערכות הבקרה החיובית. כל שלב בתהליך יכול להיות מווסת. להלן רשימה של שלבים העוברים בקרה: ארגון הכרומטין (ראו עיצוב כרומטין, כרומטין#TAD's) שעתוק עיבוד לאחר השעתוק הובלת ה-RNA תרגום יציבות ה-mRNA ערכים מורחבים – עיצוב כרומטין, כרומטין#TAD's באיקריוטים, נגישות ה-DNA תלויה במצב הכרומטין, המושפע מקוד ההיסטונים, ממתילציה של ה-DNA, מפעילות של ncRNA וחלבונים קושרי DNA. דבר זה יכול להשפיע על רמות ההתבטאות של גנים. חלק מהמנגנונים הם תורשתיים, ולכן נחשבים כבקרה אפיגנטית. שעתוק תלוי בארגון ה-DNA. באופן כללי, רמת הדחיסות של ה-DNA מעיד על רמת השעתוק. ה-DNA מלופף סביב היסטונים, אשר נדחסים יחד ובכך חוסמים את הגישה למערכת השעתוק התאית. שינויים בעיבוד זנבות ההיסטונים משפיע על רמת הדחיסות. נוסף לשינויים המבניים, ה-DNA עצמו יכול לעבור מתילציה. ביצורים אאוקריוטים רבים, הציטוזין באתרי CpG עובר מתילציה, על ידי האנזים מתיל-טרנספרז, והופך ל-5-מתיל-ציטוזין. בדרך כלל, גנים שאזור הקדם שלהם ממותל יהיו מושתקים. הסיבה לכך היא שקבוצת המתיל גורמת להפרעה מרחבית המקשה על פקטורי שעתוק אקטיבטורים (משפעלים) להיקשר ל-DNA. בנוסף, המתילציה מעודדת קישור של חלבוני קישור לאתרי מתיל-CpG ‏(Methyl CpG binding proteins) המשמשים קו-רפרסורים לפקטורי שעתוק שליליים (מעכבים). ערך מורחב – בקרת שעתוק בקרה ברמת השעתוק מווסתת אילו גנים יעברו התבטאות ובאיזה רמה. גן בודד יכול להיות מבוקר בצורות רבות, כגון שליטה על כמות עותקי ה-RNA שמשועתקים וזמן השעתוק. שליטה זו מאפשר לתא ולאורגניזם להגיב למגוון אותות פנים וחוץ תאיים, כגון שעתוק גן המתאים לצריכת המזון הזמינה. גורמי שעתוק וחלבונים נוספים פועלים יחד כדי לדייק את כמות ה-RNA הנוצר במגוון מנגנונים. לחיידקים ואאוקריוטים יש אסטרטגיות שונות לבקרת שעתוק, אך חלק מן המנגנונים שמורים ביניהם. תאים יכולים לווסת את תהליך התרגום, באמצעות ויסות התהליכים השונים (באיקריוטים): 5' Cap, פוליאדנילציה, שחבור, קצב הסעת התעתיקים מתוך הגרעין. mRNA יכול להכיל אזורים לא מתורגמים בשני קצותיו. האזור בקצה 3' נחשב לאזור בקרה חשוב, המשפיע על יציבות התעתיק. אזור זה מכיל אתרי קישור ל-microRNA ולחלבונים בקרה נוספים. קישור של microRNA לאתרים אלו מעכב את תהליך התרגום או שולח את התעתיק לפירוק, ובכך מוריד את רמות ההתבטאות של החלבון. תהליך התרגום יכול להיות מבוקר בכמה מנגנונים, לרוב הוויסות הוא על תחילת התרגום. ישנם חלבונים רבים קושרי RNA, אשר יכולים לזהות מבנים שניוניים בתעתיק ולווסת את תהליך התרגום. פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. הבקרה בתאים פרוקריוטיים לרוב פשוטה ופועלת בשיטת "הכל או לא כלום". הבקרה לרוב נעשית באמצעות אופרון ומופעלת על ידי שני גורמים, האחד - חיצוני, והשני - פנימי. דוגמה לכך היא אופרון הלקטוז, האופרון הוא מקטע DNA הכולל כמה גנים המבוקרים יחדיו בשל תפקיד משותף לכולם. תוצרי הגנים, בדוגמה זו, הם אנזימים המשתתפים בתהליך פירוק מולקולות הלקטוז. הגורם החיצוני הם מולקולות הלקטוז היכולות להימצא בסביבה. באופן רגיל, מופעלת בקרה שלילית על ידי חלבון דכאן (Repressor) שהוא תוצר של גן מווסת הנמצא בסמוך לאופרון. החלבון הדכאן נקשר לאזור המפעיל (Operator), לא מאפשר לRNA פולימראז להקשר לקדם, ובכך עוצר את שעתוק הגנים. כאשר מופיעות בסביבה מולקולות לקטוז, הן מתחברות לחלבון הדכאן ובכך משנות את צורתו המרחבית, שאינה מאפשרת לו להתחבר לאזור המפעיל. בשלב זה, הבקרה השלילית מוסרת ושעתוק הגנים מתחיל, נוצרים מולקולות אנזים, ותהליך פירוק הלקטוז מופעל. באותו האופרון, יכולה להיות מופעלת גם בקרה חיובית, לדוגמה, מולקולות cAMP נוצרות מ-ATP כאשר מוסרות ממנו שתי קבוצות זרחה. מולקולות אלה מצטברות בתא כאשר יש מחסור במקורות אנרגיה. במצב בו כמות הגלוקוז בסביבה ירדה (או כל מקור אנרגיה אחר, להוציא לקטוז), מצטברות מולקולות cAMP בתא, ואלו נקשרות ל"חלבון מפעיל" הקרוי CAP, במצב זה החלבון נקשר לאתר המקדם של האופרון ומחזק את הקשר בין אתר המקדם לפולימראז ה-RNA ומגביר את קצב שעתוק הגנים. כאשר קיימות מולקולות לקטוז בסביבה, הבקרה החיובית משפרת את ניצול הלקטוז, בכך שהיא מגדילה את כמות האנזימים האחראים לפירוקו. כאמור, אם יש מחסור גם במולקולות לקטוז בסביבה, תופעל גם בקרה שלילית והגנים לא ישועתקו. המעבר מגן לתוצר חלבוני בתאים איקריוטיים, ובמיוחד ביצורים רב-תאיים, הוא תהליך ארוך ומורכב בעל מספר שלבים, כאשר כל שלב ושלב ניתן לבקרה, והאצת או האטת כל שלב היא בקרה - חיובית או שלילית - על ביטוי הגן שכן כל האטה של שלב זה או אחר בהכרח יעכב את השלב האחרון בשרשרת - יצירת התוצר. על כן בקרת ביטוי הגנים מתרחשת במספר רמות: ברמת הכרומטין: דחיסות הכרומטין היא גורם המבקר את הביטוי הגנטי שכן כרומטין דחוס לא מאפשר גישה של גורמים שונים ל-DNA; גורמים החיוניים לשעתוק הגנים. בעוד שכרומטין פתוח מאפשר גישה של גורמים אלה. דוגמה נאה לבקרה שלילית מסוג זה היא דחיסת אחד מכרומוזומי ה-X אצל הנשים. ברמת השעתוק: לגנים רבים אזור מיוחד הקרוי קדם (פרומוטור), קישור של גורמים מפעילים (אקטיבטורים) לאזור הקדם ב-DNA מאפשר שעתוק של הגן וייצור mRNA אשר על פיו ייוצר חלבון. לחלופין קישור של גורמים מעכבים (רפרסורים), לאזור הקדם, לא יאפשרו את שלב יצור ה-mRNA וכך יעכבו את ייצור החלבון המקוּדד על ידי גן זה. ברמת השחבור: כל mRNA אחרי שהוא מועתק מה-DNA ולפני שהוא מתורגם לחלבון עובר תהליך של עיבוד הקרוי שחבור, בקרה על קצב ויעילות תהליך זה גם היא שלב חשוב בבקרת הביטוי הגנטי. ברמת יציבות ה-mRNA: יציבות מולקולה זו תלויה בגורמים רבים, למשל נוכחות זנב ה-poly A ואורכו, נוכחות או העדר מולקולות ועוד. אחד הגורמים האלה הוא "הטבעת mRNA imprinting) "mRNA)- חלבונים הנקשרים ל-mRNA בזמן תהליך השעתוק ומשפיעים על מהלך חייו. הטבעה זו מתאמת בין השעתוק לבין פירוק ה-mRNA, ומבקרת את יציבותו בציטופלזמה. גורם נוסף בו תלויה רמת היציבות של ה-mRNA הוא מולקולות ה-miRNA (micro RNA), שהן כלי בקרתי חשוב. על ידי היקשרות ל-RNA, מולקולת miRNA יוצרת הפרעה פיזית לפעילות הריבוזומים ומהווה סימן לפירוק מולקולת ה־mRNA. מסלול הפירוק של ה-mRNA בציטופלזמה מסמל את נקודת סיום חייו, והוא מרכיב חיוני ומבוקר במערכת ביטוי הגנים. התיאום בין שעתוק לפירוק מאפשר תגובת ביטוי גנים מתמשכת, כאשר ביטוי הגנים מגיב לסימנים תאיים וסביבתיים על ידי שינויים מקבילים בשעתוק ובפירוק mRNA. ביטוי גנים עודף או חסר עלול להיות הרסני לתאים חיים, לכן חיוני לשמר את רמות ה-mRNA יציבות. תיאום זה משמש גם כאסטרטגיית פיקוח של ה-mRNA. הוא מקטין את הסיכוי לתרגום של חלבונים קטועים ואולי אף רעילים, בכך שהוא מבטיח שהסינתזה ומשך החיים של mRNA לקוי יהיו מינימליים. בנוסף, קצב שעתוק מופחת מפחית את קצב תחלופת ה-mRNA, בעוד שקצב שעתוק מוגבר מגביר את קצב פירוקו. תגובה הדדית זו משמרת את רמות ה-mRNA במצב יציב. קיימות רמות נוספות וכלים חשובים נוספים רבים המשתנים בין יצורים שונים ובין תאי רקמות שונות. בקרת שעתוק מעבר אותות מדיה וקבצים בנושא בקרת גנים בוויקישיתוף Nature - Milestones in Gene Expression שליטה בביטוי גנים ודיפרנציאציה מאיר ברק, מהם מתגים ביולוגיים?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 3 ספטמבר 2009 בקרה גנטית של צמחים, דף שער בספרייה הלאומית Haimovich, G. Choder, M. Singer, RH. Trcek, T, The fate of the messenger is pre-determined: A new model for regulation of gene expression, 2013