צופן החיים

התפוח לא נופל רחוק מהעץ – ילדים תמיד דומים להוריהם הביולוגיים, זה ברור. אבל רק במאה ה-19 מצא הנזיר גרגור מנדל חוקיות בתופעה הזאת וניסח את חוקי התורשה. מנדל הסיק שתכונותיו של כל יצור חי מקודדות ביחידות שעוברות בתורשה לצאצאיו. בצמחי האפונה שהוא חקר היחידות האלה שלטו בתכונות כמו צבע הפרח, צורת התרמיל וגובה הצמח. מאוחר יותר זכו היחידות האלה לשם "גֵנים".

אבל למרות חשיבותם, עד שנות ה-40 של המאה ה-20 השאלה איפה נמצאים אותם גֵנים ואיך מקודדות בהם התכונות של כל היצורים החיים נותרה בגדר תעלומה. רק אז החלו להצטבר עדויות לכך שהחומר הנושא את המידע התורשתי הוא מולקולה הנמצאת בגרעין התא ושמה חומצה דאוקסי-ריבונוקלאית – או בקיצור, DNA.

הגילוי התקבל בתחילה בספקנות. אמנם חוקרים ידעו שה-DNA הוא אחד ממרכיבי התא, אבל עד אז סברו שהוא רק רכיב מבני די משעמם. אחרי הכול הוא הורכב מארבעה סוגים בלבד של אבני בניין, והחוקרים האמינו שהן חוזרות על עצמן בסדר מחזורי. היה קשה להאמין שחומר פשוט כל כך יכול לקפל בתוכו את מגוון התכונות העצום הקיים בעולם החי והצומח. דווקא חלבונים, על כל המגוון והמורכבות שלהם, נראו מועמדים מתאימים הרבה יותר להיות נושאי המידע הגנטי.

היה קשה להאמין שחומר פשוט כל כך נושא מידע מורכב כל כך. ווטסון וקריק עם דגם הסליל הכפול | צילום: Scienec photo Library

המפץ הגדול של הביולוגיה המולקולרית

כדי שחומר יוכל להעביר מידע תורשתי הוא צריך להכיל את המידע בתוכו, וצריכה להיות דרך לשכפל אותו ולהעביר אותו לדור הבא. ב-1953, כשג'יימס ווטסון (Watson) ופרנסיס קריק (Crick) פיצחו את מבנה ה-DNA, התברר לבסוף שהוא אכן ניחן בשתי התכונות האלו בדיוק – אולי דווקא בזכות פשטותו.

מולקולת ה-DNA, התברר, מורכבת משני סלילים שהם תמונת ראי זה של זה – "הסליל הכפול" המפורסם. ארבעת סוגי אבני הבניין שלו, שנקראים "בסיסים" ומכונים לשם נוחות A, C, G  ו-T, מתחלקים לזוגות – A בסליל הראשון יופיע תמיד מול T בסליל השני ו-G  תמיד יופיע מול C. התכונה הזו היא מה שמאפשר ל-DNA להשתכפל: שני הסלילים יכולים להיפרד, וכל אחד מהם ישמש כתבנית לבניית סליל נוסף. כך יתקבלו שני סלילים כפולים זהים וכשהתא מתחלק כל אחד מהם יעבור לצד אחר שלו וייווצרו שני תאים זהים עם אותו חומר גנטי.

לעומת זאת, סדר הבסיסים בכל סליל אינו קבוע ואינו מחזורי כלל. הסדר הזה, הבינו ווטסון וקריק, הוא המפתח לשונות בין יצורים. זהו "הצופן הגנטי" – השפה שבה כתוב המידע התורשתי על תכונותיו של היצור. בשפה הזאת, שמשתמשת באלפבית של ארבע אותיות בלבד כתובות הוראות הייצור של כל חיה, צמח, פטרייה וחיידק עלי אדמות.

גילוי מבנה ה-DNA היה "המפץ הגדול" של הביולוגיה המולקולרית – התחום שחוקר איך פועלים תאים חיים. המנגנון שהגה מנדל קיבל כעת משמעות מעשית והיה אפשר לראות אותו בפעולה ממש. עתה הבינו שהגנים הם מקטעי DNA שבהם כתובות ההוראות לייצור חלבונים – מרכיבי היסוד של התא החי. עשרים חומצות האמינו, שהן אבני הבניין של החלבונים, מקודדות על ידי רצף מסוים של בסיסים ב-DNA, ושרשרות שונות של רצפים כאלה יוצרות חלבונים שונים.

גם תורת האבולוציה של דרווין, שעד אז הייתה תיאורטית בעיקרה, קיבלה עכשיו מנגנון ברור: במהלך תהליך שכפול ה-DNA קורות לעתים שגיאות, ועליהן פועלת הברירה הטבעית הגורמת לתפוצתם של העותקים המתאימים יותר לסביבה. כיום אפשר לחזות בהשתנותם של מינים במעבדה ולגלות בדיוק אלו גנים השתנו בתהליך ואיך זה קרה.

מהפכת הריצוף

אם המהפכה הראשונה של הביולוגיה המולקולרית הייתה רעיונית – ההבנה איך ה-DNA מקפל בתוכו את המידע הגנטי, המהפכה השנייה הייתה טכנולוגית: היכולת לקבוע רצף של DNA ביעילות ובזול.

כבר בשנות ה-70 הצליחו חוקרים לפענח את הרצף של מולקולת DNA, אבל התהליך היה אטי ויקר מאוד. פריצות דרך טכנולוגיות בשנות ה-2000 שינו את התמונה. אם בשנת 2001 ריצופם של מיליון בסיסי DNA עלה יותר מ-5,000 דולר, עד שנת 2015 ירד המחיר לסנט אחד בערך – הוזלה פי מאות אלפים. נגישותה של הטכנולוגיה אפשרה לרצף את הצופן הגנטי של יצורים רבים, וכיום הטכניקה הזאת נמצאת בשימוש נרחב ברפואה, בחקלאות, במערכת המשפט ובתעשייה.

אחת ההפתעות שהתגלו ככל שהצטבר ידע על הגנום של עוד ועוד יצורים הייתה עד כמה היצורים השונים בעולם החי דומים למעשה זה לזה. אולי "כל אחד הוא מיוחד", אבל 99.9 אחוז מרצף ה-DNA של כל אחד מאתנו זהה בדיוק לזה של האדם שיושב לידנו. אם נרחיק מעט אל בני דודינו השימפנזים, עדיין 98.8 אחוז מהרצף זהה, ושיעור דומה של דמיון קיים בינינו לבין קופי הבונובו.

שיעור הדמיון המדויק תלוי בשיטה שבה משתמשים להשוואת שני רצפים, כך שהתוצאה יכולה להשתנות מעט, אבל המסקנה עומדת בעינה: אנו פחות מיוחדים מכפי שאולי היינו רוצים לחשוב. לעומת זאת, היצורים החד-תאיים שאנו מסתכלים עליהם במיקרוסקופ נראים לנו דומים מאוד זה לזה, אך למעשה הם שונים להפליא. המרחק הגנטי בין שני חיידקים ממינים שונים יכול להיות גדול עשרות מונים מהמרחק הגנטי בין אדם לתפוח אדמה.

הדמיון הזה לא נעצר בקופים. למעשה, היצורים החיים כולם, ואפילו יצורים חד-תאיים "פרימיטיביים" כמו חיידקים, חולקים מאפיינים בסיסיים דומים מאוד. מייקל לויט (Levitt), ביופיזיקאי ישראלי-אמריקאי מאוניברסיטת סטנפורד ניתח לדוגמה את מאגר רצפי הגנים שהצטבר במהלך השנים וגילה עובדה מעניינת: אמנם ככל שמרצפים את הגנום של עוד ועוד יצורים מגלים עוד ועוד חלבונים, אבל רובם מורכב מאותם חלקים בסיסיים.

כיום אנו יודעים את רצף חומצות האמינו של כ-70 מיליון חלבונים השייכים ליצורים שונים – אבל כולם מורכבים ממספר מצומצם יחסית של כ-15 אלף חלקים בלבד. לויט מצא שחידושים אבולוציוניים נוצרים לרוב מצירופם של כמה חלקים לבניית חלבון מורכב יותר. חידושים שמקורם ביצירת חלק חדש לגמרי הם נדירים הרבה יותר.

הרבה יותר דומים מאשר שונים: 98.8 אחוז מה-DNA שלנו זהה. אדם ושימפנזה | צילום: Shutterstock

"זבל" גנטי?

אז במה בכל זאת מותר האדם מן החיידק? הצופן הגנטי של האדם מכיל כ-21 אלף גנים, בעוד הגנום של חיידק אשרכיה קולי (E. coli), שחי במעיו, מורכב מכ-4,300 גנים בלבד. עם זאת נראה שמספר הגנים אינו הערובה היחידה למורכבות, שכן הצופן הגנטי של החיטה שאנו אוכלים מכיל כ-95 אלף גנים שונים, יותר מפי ארבעה משלנו.

באופן מפתיע ייתכן שהסוד טמון דווקא בחלקי ה-DNA שלא מקודדים גֵנים בכלל. אמנם גנים הם מקטעי DNA שכוללים את הצופן ליצירת חלבונים, אבל לא כל ה-DNA מחולק למקטעים כאלה. למעשה, רק אחוז וחצי מכל ה-DNA של האדם מורכב מגנים. לעומת זאת, ה-DNA החיידקי מורכב ברובו הגדול מגנים – למשל 88 אחוז אצל האי-קולי.

במשך שנים נקרא ה-DNA שאינו מכיל גנים בשם המעליב "DNA זבל". אבל האם ייתכן שהקוד הגנטי האנושי בזבזני כל כך? כיום אנחנו הולכים ומבינים שלחלק הזה יש תפקיד חשוב: לבצע בקרה.

כדי להבין את זה, נחשוב על ההבדל בין יצורים חד-תאיים כמו חיידקים ליצורים רב-תאיים כמונו. בניגוד לחיידק, שמורכב מתא אחד בלבד, יצורים רב-תאיים עומדים בפני אתגר לא פשוט. אף שלכל התאים בגופנו יש אותו DNA, הם צריכים להיות שונים מאוד זה מזה בצורתם ובתפקידם. תא רשתית בעין יהיה שונה בתכלית מתא כבד, ששונה מתא עצם.

איך קורה שמאותו DNA יכול להיווצר תא עצב מוליך אותות חשמליים שאורכו מטר, ותא דם עגלגל שגודלו מיקרומטרים ספורים בלבד? העושר הזה מושג באמצעות מנגנוני בקרה, המאפשרים לגנים להתבטא רק בתאים מסוימים ובזמנים מסוימים.

אחד המנגנונים האלו הוא רצפי DNA שאליהם יכולים להיקשר חלבונים מיוחדים שגורמים לגנים לפעול או לכבות. חלבון בקרה של תא שריר יפעיל למשל גנים שמקודדים חלבונים שיאפשרו לתא להימתח ולהתכווץ. חלבוני בקרה אחרים יכבו גנים שאינם נחוצים לתא השריר, כמו זה שמקודד את ייצור החלבון אינסולין בתאי לבלב.

ביצורים רב-תאיים הגנים נשלטים לא פעם על ידי כמה חלבוני בקרה, אמצעי שמאפשר חישובים מורכבים המתחשבים בכמה קלטים. גן האינסולין, למשל, יופעל רק אם התא הוא תא לבלב ואם רמת הסוכר בסביבה גבוהה.

לכל התאים בגוף יש אותו DNA, אך הם שונים מאוד זה מזה במבנה ובתפקוד. מגוון תאים | איור: Shutterstock

"ערבב וחבר"

מנגנון מעניין נוסף מאפשר את יצירתם של כמה חלבונים שונים מגן יחיד. אצל יצורים רב-תאיים גנים נמצאים פעמים רבות לא במקטע DNA אחד רצוף, אלא מחולקים בין כמה מקטעים המופרדים זה מזה ברצף DNA לא מקודד. התאים פועלים בשיטת "ערבב וחבר", ויוצרים שילובים שונים בין המקטעים.

נניח שגן מסוים מורכב משלושה חלקים: א' ב' וג'. חלבון אחד שיווצר מהגן יכיל את מקטע א' וב' בלבד, חלבון אחר את מקטע ב' וג', וחלבון אחר יכיל את כל השלושה. המבנה הזה מאפשר לתאים להשתמש במאגר הגנים המוגבל שברשותם ליצירת מגוון חלבונים עצום. בתאי העצב במוחנו, למשל, הגן המקודד לחלבון נויראקסין יוצר יותר מאלף גרסאות שונות של החלבון, כך שבכל תא קיימת גרסה אחרת שלו. חוקרים משערים שהחלבון משמש בתאים כמעין ברקוד שבאמצעותו התא מזהה את עצמו כשהוא יוצר חיבורים עם תאים אחרים, וכך נמנע חיבור מעגלי של התא אל עצמו.

אף על פי שריצוף הגנום האנושי הסתיים כבר בשנת 2003, מלאכת הפענוח עדיין רחוקה מלהסתיים. אם ב-DNA כתובות הוראות ההרכבה של התא, נכון להיום אפשר לומר שעולם המדע עדיין אינו דובר בצורה שוטפת את השפה שבה ההוראות כתובות. גם הדרך שבה התאים ממלאים אחרי ההוראות הללו עדיין נלמדת.

ההתקדמות הטכנולוגית האדירה של השנים האחרונות הפכה את הביולוגיה לאחד מתחומי המחקר המרתקים ביותר, שמאפשר לנו לראשונה לגשת בצורה שיטתית וכמותית לשאלות היסוד שעמדו בפני דורות של חוקרי טבע.