כיצד גנים "מחפים" על גנים שכשלו?
חלק ניכר מהגנים ניתנים להחלפה על ידי "שחקני ספסל" במקרה של פגיעה, כך שבעלי החיים מסוגלים להתקיים גם בלעדיהם • חוקרי מכון ויצמן פיתחו מודל המסביר תופעה זו, באמצעות כלים מתחום הביואינפורמטיקה • ממש כמו בכדורגל
בעבר רווחה הגישה לפיה לכל אחד מהגנים חשיבות עצומה בקביעת מהלך חייו והישרדותו של האורגניזם, וברוח גישה זו נגזרו תפיסות נוספות, לפיהן כל פגיעה בגנים תוביל, בדרך כלל, לפגיעה משמעותית במכלול. בשנים האחרונות, ועם העמקת המחקרים בנושא הגנטיקה, התברר כי ההיפך הוא הנכון: לגנים יש אמנם תפקיד חשוב בהפעלת מנגנוני החיים, ברבייה ובנשיאת הידע הגנטי, אך מעטים מאוד הם הגנים להם אין תחליף, ורק חלק קטן מהגנים הם חיוניים להישרדותו של האורגניזם.
כיום ברור כי רובם המכריע של הגנים בגופנו, כמו גם בגופם של אורגניזמים אחרים, אינו חיוני והאורגניזמים מסוגלים "לפצות" את עצמם במקרה של פגיעה בגנים אלה. במקרים רבים, גם אובדן מוחלט של הגנים כתוצאה ממוטציה או ליקוי כלשהו, יכול האורגניזם להמשיך ולהתקיים, ובמקרים מסוימים גם בלי שיהיו לחוסר השלכות על חייו.
שחקני הספסל עולים למגרש
כיצד יודע הגוף "לתקן" גנים פגומים או חסרים, ולהתמודד עם החוסר הנוצר? צוות של מדענים ממכון ויצמן למדע, מציע הסבר מדעי חדש לתופעה זו, שעדיין אינה ברורה במלאה. על פי החוקרים, ובראשם ד"ר יצחק פלפל מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון, הדבר משול למשחק כדורגל, לדוגמה. במשחק, מכשיר המאמן מראש מספר שחקנים לתפקיד זהה. כאשר ההרכב המקורי על המגרש נפגע, אם אחד השחקנים נפצע או שהוא אינו מתפקד כראוי, נכנס שחקן ספסל מחליף וממלא את מקומו.
למרות שהשחקן המחליף אינו זהה לשחקן המוחלף, הרי שהוא יכול למלא פונקציות דומות ולעשות את העבודה פחות או יותר באותו האופן. כך שבסופו של דבר, ולמרות הפגיעה בשחקן והחילוף, הקבוצה עדיין יכולה להמשיך לשחק ולרוב אינה נפגעת.
במחקרם, עושים ד"ר פלפל ותלמידיו שימוש בטכנולוגיות מתחום הביואינפורמטיקה, המשלבות טכניקות של עיבוד נתונים ממוחשב, עם מחקרים בתחום הגנטיקה המולקולרית. החיבור בין מדעי המחשב לביולוגיה מאפשר למדענים להתמודד עם כמות גדולה מאוד של מידע ונתונים, לנתח את הפרטים המוזרמים במסגרת פרוייקט הגנום האנושי (הפרוייקט למיפוי הגנום של בני-האדם), וכן מפרוייקטים דומים הממפים גנומים של בעלי-חיים אחרים.
ממלאי המקום מפוזרים בגנום
באמצעות שיטת מחקר זו, השעונה בין היתר על יכולות חישוב וניתוח של מערכות מחשבים מורכבות, יכולים החוקרים לזהות מגמות, מבנים ותהליכים של התבטאויות הגנים בדרך של יצירת החלבון המקודד בכל אחד מהגנים.
החוקרים ערכו סדרת ניסויים על תאי שמרים - שהם בעלי גנום פשוט ונוח למעקב ומחקר. מחקרים שנערכו בעבר על תאי שמרים הראו כי כ-80% מהגנום של השמרים הוא בר-החלפה - קרי, יש לו 'ממלאי מקום' שיכולים להחליפו במקרה של פגיעה. כך שלמעשה, בערך 20% מהחומר התורשתי הוא חיוני, ופגיעה בו מביאה לפגיעה משמעותית בתפקוד השמרים.
"ממלאי המקום", לפי המחקר החדש, ממוקמים במקומות שונים בגנום ולאו דווקא בסמיכות לגנים המקוריים. הם מסוגלים ליצר חלבונים הדומים בהרכבם ואופיים לחלבונים אותם מייצר הגן הפגום, המוחלף. עד כה, נהוג היה לחשוב כי גם במצב התקני, מתפקדים הגנים המקוריים והמחליפים גם יחד - כך שלא מדובר בכניסה לפעולה במקרה של פגיעה. המחקר החדש הראה כי הגנים המחליפים באים לידי ביטוי רק במקרה של פגיעה בגנים המקוריים - כאשר יש צורך ב"שחקני החיזוק".
איך הגנים "יודעים" שיש בעיה?
אם כן, כיצד יודעים הגנים המחליפים שהגן המקורי נפגם ואינו מתפקד כראוי? החוקרים בחנו כ-40 מחקרים בתאי שמרים, והציעו תהליך משוב במהלכו "מדווחים" הגנים על כך שהם אינם פעילים. לפי החוקרים, תהליך המשוב יוצא לדרך עם תפקודו (או חוסר תפקודו) של הגן המקורי. החלבון שהגן הזה מייצר אמור להשתמש בחומר גלם מסוים, ולייצר ממנו חומר אחר שהאורגניזם זקוק לו. כאשר הגן תקין, הוא משתמש בכמות גדולה של חומר גלם, כך שכמות חומר הגלם הזמינה קטנה יחסית.
אולם כאשר הגן אינו מתפקד כראוי, ואינו יוצר כמות מספיקה של חלבון (או שהוא יוצר חלבון פגום שאינו מסוגל לבצע את תפקידו), נותרת כמות גדולה יחסית של חומר גלם. חומר הגלם הזה מפעיל חלבונים מיוחדים ("גורמים מאתחלים"), שכל אחד מהם נקשר ל"ממלא מקום" גנטי אחר, ומפעיל אותו. כך, אי תפקוד של הגן המקורי גורם לגידול בכמות חומר הגלם, מה שמוביל להפעלת אחד מ"ממלאי המקום" הגנטיים. בדרך זו, הודות ל"שחקני הספסל" הגנטיים, מצליחים האורגניזמים לשרוד בתנאים קשים, ולהתגבר על תקלות ונזקים שנגרמים לרוב הגנים במטען הגנטי שלהם.
שאלה נוספת מתייחסת לאבולוציה - כיצד ייתכן שגנים שאינם נחוצים נשארים כחלק אינטגרלי ופעיל מהגנום של בעלי החיים? כיצד שחקני הספסל לא מאבדים את יכולת התפקוד שלהם באבולוציה, בזמן שהם מחכים לתורם ואינם פעילים? או במילים אחרות, כיצד נשארו בגנום גנים שאין להם שימוש?
לפי החוקרים, התשובה נמצאת בעובדה שלכל גן ישנם, מלבד יכולת חילוף, תפקידים נוספים שהופכים אותו ל"שחקן המקורי" בייצור חלבונים מסוימים. כך שלמעשה מדובר במארג מורכב של יכולות חילוף וביצוע של תהליכים, ההופכים כל גן לחיוני ונחוץ להישרדותו של האורגניזם - גם במקרים שגנים אחרים נפגעים, וגם במקרים בהם הגנום נשאר תקין.
לפנייה לכתב/ת 
