חיפוש באתר
Generic filters
Exact matches only
Search in title
Search in content
Search in excerpt

הגנום האנושי, על הפירות המצופים של העידן הגֶנוֹמִי בהבנת מחלות ובטיפול בהן

אהבתם? שתפו עם חבריכם

חלק א`

פרופ` בן-עמי סלע, מנהל המכון לכימיה פתולוגית, מרכז רפואי שיבא, תל-השומר; החוג לביוכימיה קלינית, פקולטה לרפואה, אוניברסיטת תל-אביב.

חמישים שנה בדיוק חלפו מאז הופיע מאמרם של Watson ו-Crick בכתב העת Nature על המבנה הדו-גדילי-סביבוני של מולקולת חומצת הגרעין DNA. המאמר היה בן עמוד אחד בלבד, והוא הכיל מרשם גרפי אחד ויחיד, הוא נחשב בעיני רבים כמאמר החשוב ביותר בביולוגיה שהתפרסם במאה ה-20. הוא החל מהפכה במדעי החיים שנמשכת כבר 50 שנה, ואשר העניקה לנו את הכלים המחקריים רבי-העוצמה של הביולוגיה המוליקולרית, והביאה לביוטכנולוגיה שאפשרה בשנתיים האחרונות להשלים את הרצף המלא של הגנום האנושי. כעת כאשר פרוסים בפנינו כמעט בשלמות כל עשרות אלפי הגנים הטבועים בארבעים וששה הכרומוזומים שלנו, נשאלת השאלה האם הרצף הגנומי המפוענח יתחיל לתת פירות מעשיים בתחום הרפואה, בטווח הזמן הנראה לעין.

היישום של הידע המתעצם שלנו על מבנה הגנום האנושי בעשייה הרפואית המיידית אינו כה פשוט. כמות המידע שנוצרה ב-5 השנים האחרונות על הגנום האנושי מרשימה, אך ריבוי הנתונים מחייב מאמץ גדול עוד יותר לקשר ביניהם ולהבין משמעותם. לדוגמא, אנו יודעים שפחות ש-2% מכלל הגנום האנושי מקודדים ליצירת חלבונים, ומדובר בסך הכול על כ-30 עד 35 אלף גנים היוצרים חלבונים. זהו מספר נמוך בהרבה מההערכות המקדימות לפני תחילת פרויקט הגנום. כמו כן נמצא שלמעלה מ-90% מהגנום האנושי מייצגים רצפים מסוגים שונים החוזרים על עצמם, ותפקידם של אלה פחות ברור, אם כי ייתכן שחלקם הם בעלי תפקיד רגולטורי-מווסת. רצפים חוזרים אלה שנהגו לעתים להגדירם כרצפים “חסרי-ערך” או junk DNA, מספקים למעשה מידע חשוב וחיוני להערכת האבולוציה של הגזע האנושי, וכן יש בהם נתונים חשובים למה שקרוי “גנטיקה של אוכלוסיות”, שכן הם מייצגים רצפי DNA שהיום אולי כבר אינם פעילים, ואינם רלבנטיים לייצור חלבונים, אך יתכן שהם מייצגים תהליך אבולוציוני ממושך של השתנות והשתכללות של המין האנושי, ואולי בראיה קצת צינית ופסימית תהליך של התנוונות והחלשות בהשוואה לאדם הקדמון.

אגב, משהושלם פרויקט הגנום באדם ובעכבר, הסתבר שהאזורים של DNA המקודדים ליצירת חלבונים, מהווים פחות ממחצית מה-DNA שהשתמר באופן כה מוקפד במהלך יותר מ-70 מיליוני שנים שחלפו מאותה נקודת זמן באבולוציה בה נפרדו דרכיהם של בני אדם ושל עכברים. העובדה שכמות כה רבה של DNA “לא-פונקציונאלי” שאינו משמש ליצירת חלבונים השתמרה זמן כה ארוך, רק מחזקת את ההנחה ש-DNA זה הוא בעל תפקידים מווסתים או אחרים שאין אנו מכירים עדיין, ולא בהכרח משקף “בזבוז” או כישלון אבולוציוני בשימור מיותר של חומצת גרעין בתאים, שאין בה תועלת. מעניין לציין שמספר הגנים עצמו מעלה מספר סימני שאלה כמעט פילוסופיים: בני-אדם מכילים רק כ-5-8% יותר גנים בהשוואה לעכברים, רק 35% יותר גנים מאשר לתולעת הנמטודה המאוד-נחקרת C. elegans, ורק מעט יותר מאשר כפליים בהשוואה לזבוב הפירות המפורסם במחקר הרפואי, דְרוֹזוֹפילָה.
זו סוגיה כבירה ופתרונה לבטח אינו מיידי אם בכלל. כיצד יתכן שמכרסם זעיר כעכבר שמשקלו גרמים אחדים, מכיל בחומצת הגרעין שלו מספר גנים כמעט זהה לזה שנמצא באדם? האם ייתכן שכאשר כתב ג`והן סטיינבק בשנות ה-30 את מחזהו הקלאסי “על עכברים ואנשים” בו העלה אל הבמה אנשים בעלי תכונות “עכבריות” לכאורה, ידע כבר אז המחזאי שהמרחק בין עכברים ואנשים אינו גדול-כל-כך, ככל שתלוי הדבר במספר הגנים. ואם אמנם מספר הגנים שלנו רק כפול מזה שמוצאים בתולעת פרימיטיבית שאורכה פחות מ-1 ס”מ, נראה שעשינו באמת כברת דרך נאה….

למעשה רק באביב 2003 הושלם המיפוי המלא של הגנום האנושי ומסתבר שהוא מכיל לא פחות מ-3.1 מיליארדי בסיסים או נוקלאוטידים אבני הבניין היסודיים של ה-DNA. מספר כמעט בלתי נתפס זה של בסיסים נמצא ברקע ייצורם של מעט יותר מ-30 אלף גנים, אך כרגע רק כמחצית מכמות זו גנים מכילים מוטיבים (motifs) מוּכּרים, או דפוסים של רצפי-DNA שניתן לזהותם עם תפקודים אפשריים. עד כה זוּהוּ מוטציות הידועות כגורמות מחלות, בכ-1,200 גנים.
אך זוהי כמובן תמונה זמנית וסביר להניח שבכל הגנים האנושיים יכולות להתרחש, או אף מתרחשות מוטציות בלתי-מוכרות לנו, העלולות לגרום מחלה.

פעם, כשאנו היינו סטודנטים שקדנים, התחנכנו לאור הדוֹגמה “גן אחד יוצר חלבון אחד”, אך לִקחי הגנום האנושי מצביעים על כך שאותם 30-35 אלף גנים יוצרים למעלה מ-100 אלף חלבונים, במנגנון הקרוי alternative splicing. במנגנון מווסת זה וארייציות בתרגום של אזורים בגן הקרויים אֶקסוֹנים (exons) לRNA-שליח, מביאים לייצורם של מספר חלבונים הדומים ביניהם הידועים כ-isoforms. זאת ועוד, תהליכים כמו מתילציה (תוספת שייר מתיל) ל-DNA, או שינוי בחלבון histone, הקשור לחומצת הגרעין קשר פיסי הדוק, יכולים להשפיע על פעילות הגן, ואיתותים מוליקולאריים מורכבים רבים יכולים לגרום לגנים להתבטא במלוא הקצב (“turned on”) או לרדת בפעילותם (“turned off”), ברקמות שונות בזמנים שונים. פרט ל-alternative splicing מתרחשים בתהליך יצירת החלבונים שינויים במבנה החלבון בשלב שלאחר סיום ה”תרגום” ליצירתו מה-RNA-שליח.
שינויים אלה כוללים ביקוע על ידי אנזימים פרוטאוליטיים, ריאקצית זִרחון החלבון (פוספורילציה) או קישור סוכרים לחלבון (גליקוזילציה), וכך ייתכן שמספר החלבונים השונים הנוצרים עשוי להגיע כתוצאה מכל התהליכים האלה עד למיליון.

הגנים השונים מפוזרים בצורה אחידה על פני הגנום, אם כי כרומוזומים מסוימים, בעיקר אלה שמספרם 17, 19 ו-22 יחסית “צפופים” יותר מבחינת כמות הגנים האצורים בהם, בהשוואה לכרומוזומים “דלילים” יותר, דוגמת 4, 8, 13, ו-18, וכן כרומוזום Y “השמור” לזכרים בלבד. אגב שלושת הכרומוזומים האנושיים שמספריהם 13, 18 ו-21 המכילים את מספר הגנים הדל ביותר, הם שלושה כרומוזומים שכאשר מתרחשת בהם תופעת ה- trisomy(הופעת שלושה עותקים של הכרומוזום במקום שניים), אין התופעה קטלנית, אם כי בפרוש נגרמת פגיעה משמעותית (דוגמת תסמונת Down או מונגולואידיות כשמופיע עותק שלישי של כרומוזום 21).

לא כל הגנים ממוקמים בכרומוזומים הנמצאים בגרעין התא, וישנם כמה עשרות גנים הקשורים לחילוף חומרים הקשור למאזן האנרגיה התאי, הנמצאים על כרומוזומים הנמצאים במיטוכונדריה, חלקיקי התא בהם מתרחשים תהליכים יוצרי אנרגיה. כיוון שביציות עשירות במיטוכונדריה, ואילו תאי הזרע עניים במיטוכונדריה, ההורשה של DNA-מיטוכונדריאלי מגיעה מהאם. לכן גנים מיטוכונדריאליים והמחלות הקשורות לפגיעה ברצף ה-DNA של גנים אלה, הורשתם אינה נעשית בהורשה ה”מנדליאנית” הקלסית של גנים מגרעין התא, אלא ב”הורשה אימהית”.

מחלות חד-גניות (monogenic): לאורך כל המאה ה-20 הצטבר מידע רב על התורשה החד-גנית, או מונוגנית של מפגעים רפואיים שונים. כל אלה מועברים על פי חוקי מנדל, וזוהו אלפי מצבים הנגרמים על ידי מוטציות בגנים בודדים, שאגב קוטלגו והפכו לאחרונה להיות זמינים לקהל הרחב על ידי כניסה לאתר האינרנט הידוע כ-OMIM (online Mendelian Inheritence in Man) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/omim/. רוב המפגעים הרפואיים החד-גניים נדירים בשכיחותם. גם המצבים היותר שכיחים כמו המוכרומאטוזיס ראשוני (אחד ל-300 אנשים), ציסטיק פיברוזיס (לייפת כיסתית) (אחד ל-3,000) או חסר באנזים אלפא-1-אנטי טריפסין הקשור לעתים במחלת אמפיסמה (אחד ל-1,700 אנשים), משפיעים בארה”ב על פחות מאדם אחד בין כמה מאות אנשים באוכלוסיה. יחד עם זאת, ההשפעה המצטברת של כל המפגעים החד-גניים משמעותית ביותר מבחינת היבטים של בריאות הציבור, והבנת הרקע הגנטי של המפגע הבודד חשובה.
לדוגמא, הנתונים על המחלה הידועה כיתר-כולסטרולמיה משפחתית, מחלה גנטית הפוגעת ב-1 מתוך 500 איש באוכלוסיה, היו חשובים להבין את הפתויסיולוגיה של טרשת-עורקים (atherosclerosis), הפוגעת במגזר רחב של האוכלוסיה, וסייעו לפיתוח תרופות כסטטינים, שיעילותם התבררה עד מהרה.

סוגי המוטציות:

לא כל המוטציות בחומצת הגרעין הפוגעות במבנה החלבון הנוצר, אם הוא אנזים או שמא חלבון מבנה, עשויות מקשה אחת. הפשוטה והנפוצה ביותר היא המוטציה “הנקודתית”, בה יש שחלוף בבסיס בודד של חומצת הגרעין DNA. יש מה שקרוי מוטציית missence, בה בסיס שונה מביא להכנסת חומצת אמינו אחת השונה מהמקורית ברצף של חלבון מסוים. אך גם כאן יש תת חלוקה למה שקרוי “מוטציה שקטה” שאפילו אינה באה לביטוי בשינוי של חומצת אמינו כיון שהמוטציה בבסיס מסוים לא משנה את הקידוד לחומצת אמינו מסוימת: לדוגמה, אם רצף משולש של 3 בסיסים TCA המקודד לחומצת האמינו serine, עבר מוטציה והפך לרצף הבסיסים TCC, לא חל שינוי שכן גם רצף זה ייצור serine.
ויש גם מוטציה “שמרנית” או “מתונה” בה ברצף TCA המקודד כאמור לserine, עברה מוטציה שהפכה אותו לרצף ACA המקודדת לחומצת האמינו threonine, הדומה מאוד בהרכבה ובאופייה הביוכימי לserine, ולכן “אינה מורגשת”. אך לעתים מתרחשת מוטציית missence שאינה שמרנית כאשר הרצף ACA המקודד ל-threonine, הופך ל-CCA המקודד ל-proline, ושתי חומצות אמינו אלה שונות מאוד בהרכבן ותכונותיהם. אך המשמעותיות יותר קלינית, הן מוטציות “שְטוּת” או nonsence, בה משמעות המוטציה דרמטית יותר בה קודון פעיל של 3 בסיסים ב-DNA, הופך לקודון “מעצור” (stop codon), הנותן פקודה לסיום של הרצף החלבוני, במקום להמשך יצירת חומצות האמינו. מוטציה חמורה אחרת ידועה כמוטציה של “הסטת המסגרת” או frame shift mutation, בה הכנסת הבסיס guanine או G במקום adenine או A, גורם להמשך פענוח שגוי של רצף הבסיסים המופיע לאחר נקודת המוטציה, וכך כל חומצות האמינו מנקודה זו ואילך שונות באופן קיצוני.

למרות שמוטציות עלולות לגרום למחלה בדרכים שונות, השכיחה ביותר ידועה כ”אבדן פעילות” או loss-of-function, של חלבון או אנזים. לדוגמא, המוטציות בגן המקודד לאנזים G6PD, על כרומוזום X, מביאות לירידה בפעילות אנזים זה, וגורמות לאנמיה המוליטית חריפה אם זכר (לו כזכור יש רק עותק אחד של כרומוזום X), שיש לו מוטציה בגן האמור נחשף לתרופות מסוימות כמו סולפה או primaquine לטיפול במלריה. אך לעתים עוצמת המוטציה גדולה יותר, ואיבוד פעילות האנזים G6PD אינו בא לביטוי באנמיה המוליטית רק בחשיפה לתרופות אלא אף כאשר אותם זכרים לוקים באנזים זה אוכלים פולי שעועית (fava beans), העשירים במרכיב גלוקוז-6-פוספט האמור להיות מפורק ע”י האנזים הפגום.

מוטציות אחדות עלולות לגרום למחלה במצב הידוע כ”רכישת פעילות” או gain of function, כאשר חלבון מסוים רוכש לעצמו תפקיד חדש, רעלני. לדוגמא, הופעה חוזרת (repeat) של תלת הבסיסים האקסוניים CAG, גורם למפגעים כולל מחלת Huntington או סוג מסוים של מחלת השיגשון (ataxia), בה יש הליכה לא יציבה ומהוססת. שתי מחלות אלה נגרמות מפגיעה נירולוגית, בגלל יצירת חלבונים שפעילותם נפגמת כיון שיש הגברה ביצירת מסילות גלוטמין (הרצף CAG מקודד לחומצת האמינו גלוטמין), ואלה מגבירות את הפרוק הפרוטאוליטי של החלבון החיוני huntingtin.

לימוד הגנום האנושי מוכיח באופן מעט לא צפוי, שמוטציות המתרחשות אף ב-98.5% מהגנום שאינו מקודד ליצירת חלבונים, אף להם (או לפחות למיעוטן) יש השפעה מווסתת שיש משמעות בהופעת מחלות שונות. לדוגמא, מוטציה כזו יכולה למנוע התבטאות גן, או לחילופין להתבטאות של גן מסוים ברקמה בה בדרך כלל הוא אינו פעיל. ניקח לדוגמא מוטציה שאותרה באזור אגפי-מרוחק (flanking region) של הגן FMR1 מה שגורם לפגם המולד הקשה תסמונת כרומוזום X השביר (fragile X syndrome); מוטציה אחרת באגף של הגן המקודד לאינסולין מגבירה את הסכנה לסוכרת נעורים; מוטציה באתר מווסת של הגן לקולאגן (type 1) מגבירה הסכנה לאוסטאופורוזיס, ועוד דוגמאות נוספות.

אמנם כן, מוטציות למרות שהן נתפסות בדרך כלל בהקשר שלילי, עשויות גם להפחית סכנת מחלות. דוגמה נאותה היא הגן CCR5, המקודד לקולטן (receptor) לציטוקין מסוים, וידוע ש-CCR5 הוא חלק חיוני במנגנון החדירה של הנגיף HIV לתאים. נמצאה מוטציה הגורמת לאובדן של 32 זוגות בסיסים ב-DNA, ומסתבר שאנשים שהם הומוזיגוטים למוטציה זו עמידים לחלוטין להידבקות בנגיף HIV1, ואילו באלה שהם הטרוזיגוטים למוטציה בגן CCR5, חלה האטה ניכרת בהתקדמות מההדבקה בנגיף זה, עד להופעת מחלת AIDS. בכתבת ההמשך יתוארו עוד מסקנות מעניינות של פרויקט הגנום האנושי.

פרופ` בן עמי סלע

אהבתם? שתפו עם חבריכם

ראיתם משהו בכתבה שמעניין אתכם, רוצים מידע נוסף? רשמו את המייל שלכם כאן למטה או שלחו אלינו פנייה - לחצו כאן לפנייה

    בעצם פנייתך והרשמתך אלינו אתה מאשר בזאת כי אתה מסכים למדיניות הפרטיות שלנו ואתה מסכים לקבל מאיתנו דברי דואר כולל שיווק ופרסום. תמיד תוכל להסיר את עצמך מרשימת הדיוור או ע"י פנייה אלינו או ע"י על לחיצה על הקישור הסרה מרשימת הדיוור אשר נמצא בתחתית כל מייל שיישלח אליך. למדיניות פרטיות לחץ כאן. אם אינך מסכים אנא אל תירשם אלינו, תודה.

    INULIN

    בריאים לחיים המפתח
    ,ימים ולאריכות יותר
    ,לכולם ממליץ FDA
    ויצמן במכון חוקרים
    ...ממליצים העולם וברחבי בטכניון

    לפרטים נוספים