מוטציה

המונח "מוטאנט" מפנה לכאן. לערך העוסק במושג במדע בדיוני, ראו מוטאנט (קומיקס). מוטציה (באנגלית: Mutation, בעברית תקנית: תַּשְׁנִית) הוא מונח בביולוגיה המתאר שינוי ברצף הנוקלאוטידים ב-DNA, דהיינו שינוי בהרכב הגנטי של יצור מסוים. שינוי כזה עשוי להביא לשינוי באחת או יותר מתכונות היצור החי, כלומר שינוי בפנוטיפ. מוטציות המתרחשות באופן טבעי כחלק מפעילותו הרגילה של התא החי נקראות מוטציות ספונטניות, והן נפוצות יחסית ונגרמות מטעויות בשכפול התאים. לעומתן מוטציות לא ספונטניות הן מוטציות הנגרמות מזיהום סביבתי (כימי, רדיואקטיבי או נגיפי) או שמושרות במתכוון על ידי האדם באמצעות שימוש בקרינה ובכימיקלים, וכן באמצעות השתלת אלמנטים בגנום (למטרות מחקר או פיתוח חקלאי). מוטציות ספונטניות (תשניות עצמוניות) דרושות להגברת השונוּת הביולוגית בתוך המין – דבר המאפשר בתורו אדפטציה (הסתגלות) עם השתנות הסביבה הפיזית והביולוגית (השתנות הטורפים, הנטרפים והטפילים). חלקים שונים של הגנום חשופים לשינויים כאלה יותר מחלקים אחרים, ומנגנוני שכפול בחלק מהנגיפים נוטים למוטציות כאלה יותר ממנגנוני שכפול אחרים. בחלק מן המקרים מוטציות תכופות מסוג זה, דווקא באזורי גנום מסוימים, מוסברות כיתרון על ידי תורת המשחקים האבולוציונית או על ידי הפרזיטולוגיה. בניגוד ליצורים החיים, שבהם המוטציות הספונטניות נדירות יחסית, אצל נגיפים רוב הפרטים עברו מוטציה ספונטנית, ולכן מרבית הפרטים אינם פעילים כלל. אולם בין הפרטים הפעילים ישנה שונות ביולוגית רבה, והדבר מאפשר לאבולוציה של הנגיפים להיות מהירה במיוחד. לנגיף השפעת, למשל, יש מין חדש כמעט בכל שנה. גורמים ביוכימיים מוטציות המתרחשות באופן טבעי עקב הכפלת ה-DNA שלא במדויק. מוטציות המתרחשות באופן טבעי בשל רקומבינציה שלא התנהלה באופן המקובל. כתוצאה מפעילות לא מדויקת של אלמנטים ניידים בחומר התורשתי הקרויים טרנספוזונים ורטרוטרנספוזונים. תקלה במיוזה – מקרים אלה, כגון טריזומיה, מכונים לרוב מקרומוטציה. מוטציות בשל שגיאה בתיקון מוטציה אחרת שנגרמה מגורמים אחרים. גורמים ביוכימיים מוטציות בשל השתלבות נגיפים בגנום (נגיפים מוטגנים). מוטציות בשל מניפולציה גנטית מכוונת, מעשה ידי אדם (למשל בניסוי מעבדה או השבחת זנים מעבדתית לחקלאות). גורמים כימיים – מוטציות עקב חשיפה לראגנטים כימיים שונים, המחוללים תגובה כימית עם ה-DNA (ראגנטים מוטגניים). קרינה מייננת – חשיפה למקור קרינה או לחומרים רדיואקטיביים. במקרים אלה נוצרת תגובה פוטוכימית עם ה-DNA. מבחינים בין מוטציה נקודתית (שינוי בזוג בסיסים יחיד או במספר קטן של זוגות בסיסים) ובין שינויים כגון היפוך של קטע מכרומוזום (inversion), טרנסלוקציה או התקה (שינוי מקומו של קטע מכרומוזום) וכן מוטציות שגורמות לשינוי במספר הכרומוזומים. מוטציות נקודתיות מכונות SNP (Single Nucleotide Polymorphism, רב-צורניות של נוקלאוטיד בודד, מכונה גם סניפּ). בערך 0.1% מהגנום האנושי מוגדר כסניפּ, דהיינו כשלושה מיליון זוגות בסיסים בעותק הפלואידי של הגנום. האתרים הללו פזורים על פני הגנום ואינם מוגבלים רק לרצפים המקודדים (המהווים פחות מ-2% מהגנום האנושי). יכולים להשפיע על האופן שבו אדם מפתח מחלות ומגיב לפתוגנים, כימיקלים, תרופות, חיסונים וסיכונים אחרים. בנוסף, לסניפּים חשיבות ברפואה המותאמת אישית. עם זאת, חשיבותם העיקרית במחקר הביו-רפואי היא לצורך השוואת אזורים גנומיים בין קבוצות (למשל בין חולים ובריאים) ושימוש בנתונים אלו עבור מחקרי אסוציאציה כלל גנומיים. מחקר הסניפּים בעל חשיבות גם בתחום היבול ובגידול בעלי חיים. שלושה סוגים עיקריים למוטציות הנקודתיות: מוטציות התמרה (point mutation), החלפת נוקלאוטיד אחד באחר. אלה נחלקות לשני סוגים: התמרה פשוטה או החלף בדומה (transition) – החלפה של פירימידין בפירימידין (C ↔ T) או של פורין בפורין (A ↔ G). התמרה מורכבת או החלף בשונה (transversion) – החלפה של פירימידין בפורין, ולהפך (C/T ↔ A/G). ראו מידע נוסף בערך DNA. החדרה (insertion) של נוקלאוטיד או מספר נוקליאוטידים נוספים ל-DNA. השמטה (deletion) של נוקלאוטיד או מספר נוקלאוטידים מה-DNA. מוטציית החלפה עלולה לגרום לשינוי בחומצה אמינית יחידה (שינוי כזה נקרא מוטציית סלף, missense mutation). אם השינוי מתרחש באתר הפעיל של החלבון או גורם לשינוי משמעותי במבנהו המרחבי (למשל, בעקבות החלפת חומצה אמינית לא קוטבּית בחומצה אמינית קוטבית; החלפה כזו גורמת לשינוי בכוחות המשיכה והדחייה בחלבון ועל כן לשינוי במבנהו המרחבי) אזי פעילות החלבון עשויה להיפגם. עם זאת מאחר שלחומצות אמיניות רבות מקודדים מספר קודונים שונים, לעיתים לא תגרום החלפה של נוקלאוטיד יחיד לשינוי בחומצה האמינית שאליה מקודד הקודון כלל, במיוחד אם השינוי חל בנוקלאוטיד השלישי בקודון (להרחבה ראו הקוד הגנטי). מוטציה כזו נקראת "מוטציה נרדפת" (synonymous mutation), ולעיתים קרובות היא "שקטה" או "נייטרלית", כלומר חסרת השפעה על התכונות הנצפות של האורגניזם (הפנוטיפ). אפשרות נוספת היא החלפה של חומצה אמינית מסוימת בחומצה אחרת בעלת תכונות כימיות דומות; במצב זה ההשפעה על החלבון הנוצר תהיה מזערית, ולכן גם היא נחשבת ל"מוטציה שקטה". אם קודון הסיום משתנה בקודון לחומצה אמינית, נמשך תרגום התעתיק (mRNA) עד לקודון הסיום הבא, תוך הוספת נספח מיותר לחלבון. לחלופין קודון לחומצה אמינית אשר יוחלף בקודון סיום יגרום לסיום בטרם עת של תרגום התעתיק ולקיצור החלבון. מוטציות מסוג זה נקראות "מוטציות פסק" (nonsense mutation) והשפעתן קיצונית. מאחר שה-DNA נקרא בקודונים (כל שלשה של נוקלאוטידים מהווה קודון), מוטציות קריאה שגויה כמו החדרה והשמטה גורמות להסטת מסגרת הקריאה (אלא אם כן מספר הנוקלאוטידים שהוחדרו או נוספו הוא כפולה של שלוש), ועל כן לשינוי בכל החומצות האמיניות בחלבון ממקום המוטציה והלאה עד לקודון הסיום, ולכן השפעתן קיצונית יותר. מוטציות מותנות הן מוטציות המתבטאות רק בתנאים מסוימים, למשל מוטציות המתבטאות רק בטמפרטורה מסוימת או בלחץ אוסמוטי מסוים. אינוורסיה היא היפוך מלא של מקטע שלם בתוך אחד הכרומוזומים. כשהאינוורסיה כוללת את הצנטרומר היא מכונה אינוורסיה פריצנטרית, וכשאינה כוללת את הצנטרומר היא מכונה אינוורסיה פרצנטרית. למוטציה זו השפעה ניכרת על הגנום מפני שבמיוזה לא ייווצר צימוד בין האזורים ההומולוגיים. כתוצאה מכך ייווצר עודף או חוסר של חומר גנטי, ועלולות להיווצר גמטות עקרות. יוצאת דופן מבחינה זו היא אינוורסיה בכרומוזום Y שאין לו הומולוג. לפיכך המוטציה תעבור לדורות הבאים כל עוד האינוורסיה לא פגעה באופן קטלני בפעילותו של גן שנמצא על הכרומוזום. טרנסלוקציה הדדית מתרחשת כשנוצרים שני שברים בשני כרומוזומים לא הומולוגיים, ומנגנוני תיקון התאים מאחים זרוע של כרומוזום אחד עם מקטע מכרומוזום אחר. לדוגמה, בסוג מסוים של סרטן הדם מוכנס מקטע שמקורו בכרומוזום 22 לקצה כרומוזום 9, ולהפך. שינוי במספר הכרומוזומים עלול להיגרם בשל אי-הפרדה של זוג אחד או יותר של כרומוזומים הומולוגיים בעת המיוזה, הגורמת להיווצרות גמטות בעלות מספר לא תקין של כרומוזומים, והוא נקרא אנאפלואידיה. לדוגמה, אם במהלך מיוזה I של תא הנבט חלה אי-הפרדה של הכרומוזומים מספר 21, ייווצרו בסוף המיוזה שתי גמטות בעלות כרומוזום 21 עודף ושתיים חסרות כרומוזום 21. אם תשתתף אחת מן הגמטות בעלת שני כרומוזומים 21 בהפריה, תיווצר זיגוטה בעלת שלושה כרומוזומים 21 (או במילים אחרות, בעלת טריזומיה 21), והעובר שיתפתח ממנה צפוי לפתח תסמונת דאון. כמו כן עשויים להיווצר פרטים שבתאיהם יש שלוש או יותר סדרות של כרומוזומים, דהיינו בתאיהם יש יותר משני כרומוזומים מכל סוג. מצב כזה נקרא פוליפלואידיה, והוא עשוי להיווצר כתוצאה מהפרדה לקויה של הכרומוזומים במיוזה או במיטוזה, או כאשר לאחר הכפלת החומר התורשתי בתא הנבט אין מתחוללת חלוקת תא. פוליפלואידיה נפוצה בצמחים, וכמחצית ממיני צמחי הפרחים הם פוליפלואידיים, אך היא נדירה בבעלי חיים. לרוב שינוי במספר הכרומוזומים הוא קטלני, ומסיבה זו אנאפלואידיה היא אחד הגורמים העיקריים להפלה טבעית. עם השינויים שאינם קטלניים נמנים טריזומיה 21 הגורמת לתסמונת דאון, וכן שינויים במספר כרומוזומי המין, הגורמים לתסמונת קליינפלטר (קריוטיפ XXY, דהיינו זכר בעל שני כרומוזומי X) ולתסמונת טרנר (קריוטיפ X0, דהיינו נקבה בעלת כרומוזום ْX יחיד, אם כי רבים מעוברי X0 מתים בתחילת ההיריון). מוטציות סומטיות הן מוטציות המתרחשות בתאי גוף (תאים סומטיים), ועל כן הן אינן מורשות לצאצאים, אולם הן עלולות לגרום למחלות שונות, להאצת הזקנה ולסרטן. לעומת זאת מוטציות המתרחשות בגמטות, דהיינו בתאי המין, עלולות לעבור בירושה לצאצאים, אם הגמטה שבה התרחשה המוטציה תשתתף בהפריה. למוטציות עשויות להיות השלכות של ממש על סיכויי הפרט לשרוד ולהתרבות. מרבית המוטציות אינן מזיקות[דרוש מקור: https://www.genome.gov/genetics-glossary/Mutation], ורק חלק קטן משפיעות על הפרט באופן הפוגע בסיכוייו לשרוד ולהתרבות. מרבית המוטציות נייטרליות ואינן מזיקות או מועילות לפרט. לעיתים נדירות חלה בפרט מוטציה המקנה לו יתרון. תדירות אָלֵל הנושא מוטציה כזו עשויה לגדול בעקבות תהליך הברירה הטבעית. בעוד שהשפעתן הישירה של המוטציות על תדירויות האללים באוכלוסייה היא זניחה, הן מסוגלות ליצור אללים חדשים, ובכך הן מהוות את חומר הגלם לתהליך האבולוציה והכוח המניע שלו. לדוגמה, מוטציה מסוימת הִקנתה לתאים מסוימים ביצורים פרימיטיביים את היכולת לחוש באור. בהמשך סדרה של מוטציות נוספות ותהליך הברירה הטבעית אפשרו לאיברי חישה פשוטים אלו להתפתח לעיניים, שהן איברי חישה רגישים ומשוכללים. מאחר שהשפעתן של מוטציות נייטרליות על יכולתו של הפרט לשרוד ולהתרבות היא זניחה, הבדלים שמקורם במוטציות כאלה אינם מושפעים מתהליך הברירה הטבעית, והם מצטברים ב-DNA. מכיוון שקצב הצטברותם קבוע למדי, ניתן ללמוד מההבדלים הנובעים ממוטציות כאלה בין שני גנים שמורים היטב, האחראים לחלבונים חיוניים הקיימים במגוון של יצורים חיים, על מידת קרבתם של צמד יצורים ועל הזמן שעבר מאז התפצלו שושלותיהם מאב קדמון משותף. עקה גנטוקסית פגם גנטי החלפה נרדפת מוטציית דיכוי SNP פרקים בגנטיקה: היווצרות מוטציות ארז גרטי, מהי מוטציה גנטית?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 8 בספטמבר 2009 גל חיימוביץ', כמה מהר נוצרות מוטציות?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 3 ביולי, 2018 מהי מוטציה גנטית? (באתר Genes.co.il) topic/back-mutation מוטציה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מוטציות (ביולוגיה), דף שער בספרייה הלאומית תַּשְׁנִית במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית Errors in DNA Replication | Learn Science at Scitable, www.nature.com (באנגלית) תַּשְׁנִית עַצְמוֹנִית במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית הִפּוּךְ במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית הַתָּקָה במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית הֶחְלֵף בְּדוֹמֶה במילון מיקרוביולוגיה (תשנ"ה), באתר האקדמיה ללשון העברית הֶחְלֵף בְּשׁוֹנֶה במילון מיקרוביולוגיה (תשנ"ה), באתר האקדמיה ללשון העברית הַחְדָּרָה במילון ביולוגיה כללית (תשס"ט), 2009, באתר האקדמיה ללשון העברית מוּטַצְיַת פֶּסֶק במילון מיקרוביולוגיה (תשנ"ה), באתר האקדמיה ללשון העברית מוּטַצְיָה מֻתְנֵית במילון מיקרוביולוגיה (תשנ"ה), באתר האקדמיה ללשון העברית