שחלוף (ביולוגיה)

שחלוף (באנגלית: Recombination או Crossing-over) הוא החלפת חומר גנטי בין גדילי DNA המהווים כרומוזום. לרוב השחלוף יוביל ליצירת גדיל DNA המורכב משני מקורות גנטיים שונים. בשחלוף מיוטי המתרחש בתאי רבייה יתקבלו הרכבים גנטיים חדשים בתאי הזרע ובתאי הביצית והדבר יובל למגוון גנטי בצאצאים שהוא הבסיס לתהליכי האבולוציה. קיימים 3 סוגים של שחלוף: רקומבינציה הומולוגית (Genetic Crossover): שחלוף ביו שני גדילים של אותו כרומוזום. מתקיים בעיקר בחלוקה מיוטית. רקומבינציה לא הומולוגית: החלפת קטעים בשחלוף עם גדיל של כרומוזום אחר. מתקיים גם במיטוזה. Gene Conversion: העברת קטע של גדיל הכולל סדרת גנים ללא שבירה אלא על ידי העתקה. תהליך שאופייני לבקטריות ווירוסים וגם במנגנון תיקון DNA פגום בתאים אאוקריוטים. באאוקריוטים השחלופים לרוב יתרחשו בשלב המיטוזה כחלק ממנגנון תיקון תאי בתהליך של רקומבינציה לא הומולוגית, ובשלב המיוזה בתהליך של רקומבינציה הומולוגית הם מהווים את אחד התהליכים החשובים ביותר בגנטיקה. בשחלופים המתרחשים כחלק מתהליך המיוזה, יצירתם של תאי המין (הגמטות) ביצורים וצמחים זוויגיים (המתרבים ברבייה מינית). במהלך המיוזה לאחר שהכרומוזומים הוכפלו, הכרומוזומים ההומולוגים (כל אחד במצבו המוכפל) נצמדים זה לזה בנקודות הקרויות כיאזמות. הדבר מאפשר מעבר של קטעים מקבילים ב-DNA בין כרומוזום אחד למשנהו. הדבר נעשה בעזרת אנזים המכונה רקומבינאז. התהליך כולל מספר שלבים של חיתוך מקטע של סליל ה-DNA ולבסוף איחויו מחדש עם הרצפים שהוחלפו באמצעות אנזימי הגבלה (Restriction enzymes) המסוגלים לחתוך קטעי DNA באזורים מוגדרים מראש. השחלוף ההומולוגי מתבטא בהחלפת קטעים בין שני האללים המהווים את הכרומוזום ומשמש לתיקון שברים ב-DNA בזמן המיטוזה. במהלך המיוזה הוא מאפשר יצירת צירופים חדשים של מולקולות הדנ"א ליצירת אללים חדשים. כך נוצרת השונות הגנטית המאפשרת כושר הסתגלות של האורגניזם לסביבות משתנות ואת התהליכים האבולוציוניים המתרחשים כתוצאה מכך. בשני המקרים השלבים הראשוניים זהים: לאחר שנוצרים שברים בסליל הכפול, ישנה הסרה של מקטעים של DNA בסמוך לשבר בקצה ה-5' (5 פּריים) של הכרומוזום הניזוק, בשלב הבא קצה ה-3' (3 פּריים) של הכרומוזום הפגום "פולש" לכרומוזום ההומולוגי התקין ונוצר מבנה מסועף דמוי סימן X בין סלילי הדנ"א על מנת לבצע החלפה של מידע גנטי. הסתעפות זו נקראת 'הסתעפות הולידיי' (Holliday Junction) על שמו של הביולוג הבריטי רובין הולידיי שהציע את הרעיון בשנת 1964. במסלול תיקון ה-DNA נוצרת הסתעפות הולידיי שנייה. בזמן מיוזה עשויה להתרחש כתוצאה מהסתעפות זו החלפה של מקטעי DNA בין שני הכרומוזומים (Genetic Crossover). הרקומבינציה ההומולוגית היא תהליך הקיים בכל שלוש ממלכות העל (חיידקים, ארכאונים, ואאוקריוטים) ומהווה מנגנון ביולוגי בסיסי בעולם החי. שכיחות התהליך מושפעת מגורמים סביבתיים כמו קרינה אולטרא-סגולה וקרינה רדיואקטיבית. מוטציות גנטיות הפוגעות באלל אחד, מועברות באמצעות רקומבינציה לאלל שני ובכך מאפשרות ביטוי השוני הגנטי. דוגמה לכך היא מחלת התלסמיה: מחלה תורשתית קטלנית הנגרמת על-ידי מוטציה הפוגעת במבנה ההמוגלובין. במצב הטרוזיגוטי רק אלל אחד הנושא את הגן פגוע והמחלה היא איננה קטלנית אבל מונעת התרבות של נבגונית המלריה בתאי הדם, ובכך מקנה יתרון לאוכלוסיות הנגועות במחלה זו. במצב ההומוזיגוטי, כאשר שני האללים נושאים גן פגוע, היא קטלנית. לכן השכיחות של מוטציה זו גבוהה באוכלוסיות הנגועות במלריה. לתהליך השחלוף במיוזה חשיבות אבולוציונית והישרדותית עליונה. חלק גדול ממגוון הפנוטיפים אותו ניתן לראות כיום במיליוני היצורים החיים נגרם הודות להחלפה זו של מקטעי DNA הנושאים גנים שונים..בנוסף, שחלופים מלאכותיים מבוצעים בביוטכנולוגיה ובהנדסה הגנטית כאמצעי ליצירה ושכפול של גנים חדשים. רקומבינציה הומולוגית בתהליך המיוזה עשויה לגרום לפגימה בגנים ולמחלה גנטית. שיבוש במנגנון זה נמצא מקושר לסוגים רבים של סרטן ונתון למחקר אינטנסיבי של שרשרת התהליכים ושל החלבונים והאנזיםים המשתתפים בתהליך. בחיידקים קיימת אפשרות של העברת תכונות באמצעות קוניוגציה ושחלוף. למשל כושר עמידות בפני תרופות, או יצירת רעלנים (טוקסינים). תהליך כזה מתקיים בין חיידקי המעיים הספרופיטים המקיימים את אוכלוסיית המעיים הטבעית לבין חיידקים פתוגנים כמו סלמונלה. כך השימוש התדיר באנטיביוטיקה גורם לאבולוציה של חיידקים פתוגנים עמידים לאנטיביוטיקה. בביוטכנולוגיה משמש השחלוף גם ככלי להחדרת שינויים גנטיים לאורגניזמים. הפיתוח של טכניקות מיקוד גן (אנ') המתבסס על רקומבינציה הומולוגית הביא לזכייה בפרס נובל לפיזיולוגיה ורפואה ב-2007. חיסון כנגד מחלות ויראליות מבוסס כיום בעיקר על ייצור אנטיגנים רקומביננטים. במקום להשתמש בנגיף עצמו, מוחלש או מומת, מייצרים את האנטיגן הספציפי לנגיף בתוך חיידקים על-ידי שחלוף הגן הויראלי עם הגנום של החיידק המקודד ליצירת האנטיגן הייחודי לנגיף. כך ניתן לייצר בזול ובכמות גדולה את האנטיגן שמפעיל את המערכת החיסונית מבלי להסתכן בהדבקה בנגיף. חיסון DNA הוא חיסון המבוסס על העברת DNA או RNA ויראלי לתאי המאחסן על-ידי הזרקה של פלסמיד שעבר רקומבינציה עם הגן הויראלי המקורי המקודד ליצירת מעטפת הווירוס. ייצור החלבון על-ידי מערכת השעתוק של התאים המאחסנים גורם להפעלת מערכת יצירת נוגדנים כנגד החלבון הזר. שיטה זו הוכיחה יעילותה בחיסון כנגד קורונה. התכונות הייחודיות ל-DNA ושיטת הקידוד המאפיינת אותו מהוות בסיס לקידום פיתוח מערכות אלקטרוניות ממוזערות. ננוטכנולוגיית DNA מבוססת על ייצור אוטומטי של מקטעי DNA בסדר נוקלאוטידים מתוכנן מראש. על-ידי חיבור של מקטעים אלה בשיטות הרקומבינציה המתוארות למעלה ניתן לייצר רשת מסועפת. קישור של אטומי זהב הופך את הרשת למוליך חשמלי. לרשת זו אפשר להוסיף קישור לחלבונים או אטומים של מתכות כמו גרמניום וצורן בעלי תכונות חשמליות כמו טרנזיסטורים. אפשר להשתמש בסדר הנוקליאוטידים כבסיס לזיכרון בינארי לייצור ננו-מחשבים. תהליכים אלה נמצאים כיום במחקר ופיתוח. תאחיזה כרומוזומים DNA מחשוב DNA ננו מחשב ביוננוטכנולוגיה ננוטכנולוגיית דנ"א מדיה וקבצים בנושא שחלוף בוויקישיתוף פרקים בגנטיקה: תאחיזה ורקומבינציה ארז גרטי, שחלוף – המקור לשונות גנטית, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 9 ספטמבר 2009 שחלוף, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) רקומבינציה הגנטית, דף שער בספרייה הלאומית לכל גדיל 2 קצוות, המסומנות במספר הקשרים במולקולת הריבוז המרכיבה את הגדיל ראה DNA Liu Y, West S, "Happy Hollidays: 40th anniversary of the Holliday junction"., Nature Reviews Molecular Cell Biology. (11)5, 2004, עמ' 937-944. תהליכים אלה מתוארים בהרחבה בערך ננוטכנולוגיית DNA. Wambua S, et al,, title: The effect of α+-Thalassaemia on the Incidence of Malaria and other diseases in children living on the coast of Kenya,, booktitle: PLoS Med 3(5): e158., year:, 2006 potential-vaccine-against-covid-19, https://www.modernatx.com/modernas