רקע כללי

היה היו שני סינים - ותראו כמה יש היום...
האם חשבתם פעם כיצד באמת שוכפלו מאדם וחווה קרוב ל-6 מיליארד בני אדם על פני כדור הארץ?
למה מתכוונים אנשים באומרם: "זה אצלי בגנים"? מדוע פילים מולידים תמיד פילים ולא, נניח, עכברים, אבטיחים מקורם באבטיחים ובני אדם נולדים לבני אדם?
התשובה לשאלות אלו ואחרות טמונה במולקולה מיוחדת, הנמצאת בשלמותה בכל תא מתאי גופנו, במולקולה זו יש, למעשה, תכנית המאפשרת את התרבותו של כל יצור חי ומבקרת את התפקודים החיוניים שלו.
זוהי מולקולת הדנ"א (.D.N.A), ראשי התיבות של: DeoxyriboNucleic Acid

כיצד מצליחה מולקולה זו לשכפל את הגוף החי כולו?
בדנ"א מאוכסנת כמות אדירה של מידע ברמה מולקולרית. כשם שבני אדם מעבירים מידע זה לזה באמצעות דיבור (צלילים) וכתיבה (סמלים), כך באורגניזם החי הבנוי ממיליוני מיליונים תאים מועבר מידע על ידי מולקולות או אותות חשמליים.

מבנה הדנ"א

הדנ"א היא מולקולה ארוכה מאוד ומפותלת, הנמצאת בתוך גרעיני התאים כשהיא מקופלת ו"ארוזה" בצפיפות. למבנה הארוז הזה קוראים כרומוזום. בתא של אדם קיימים 46 כרומוזומים (23 זוגות, כרומוזום אחד מכל הורה).

אם נפרוש את כל הדנ"א המצוי (במצב דחוס ומקופל בצורת סליל) בתא אחד, מולקולה אחר מולקולה, לאורך קו ישר, תתקבל שרשרת מולקולרית באורך של כמטר וחצי. ניתן להשחיל כ-5 מיליון "חוטים" כאלה דרך קוף המחט! המידע שב-23 זוגות הכרומוסומים שבגוף האדם שקולים למידע המצוי ב-1000 כרכי אנציקלופדיה, בעובי 5 ס"מ כל אחד. אם נניח אותם זה על גבי זה יהיה גובהם הכולל 50 מטר - כגובהו של בית בן 20 קומות.

אפשר לדמות את שרשרת הדנ"א לסולם חבלים המפותל סביב עצמו.
עמודי הסולם מורכבים מיחידות חוזרות של מולקולות סוכר (דאוכסיריבוז) וזרחה. השלבים של הסולם נוצרים על ידי חיבור של ארבעה מרכיבים (בסיסים חנקניים) שונים, שכל אחד מהם מיוצג על ידי אות אחת, לשם נוחות:

• A - Adenine

• C - Cytosine

• T - Thimine

• G - Guanine

הבסיסים מתחברים תמיד לפי החוקיות הבאה: A מתחבר רק עם T; G מתחבר רק עם C.
מבנה מיוחד זה מעניק למולקולת הדנ"א שתי תכונות ייחודיות:

• * היא יכולה להכפיל את עצמה וכך ליצור שני גדילים משלימים (באופן זה משוכפלת תכנית הייצור של כל אורגניזם ומועברת מדור לדור).

• * היא מכילה הוראות המגדירות את הסדר שעל פיו ייקשרו חומצות אמיניות זו לזו ליצירת חלבונים.

החלבונים הם מולקולות גדולות, המורכבות מחומצות אמיניות. התאים בגוף החי בנויים מחלבונים, שמבצעים את התהליכים הרבים המתרחשים בו. בתערוכה מיוצגים לדוגמא שלושה חלבונים.

• אינסולין - האחראי על ויסות הסוכר בדם;

• ההמולובין - נשא החמצן בדם מהריאות לתאים

• והאנדורפין - האחראי על תהליכים שונים במוח.

רצף הבסיסים במולקולת הדנ"א מהווה את התוכנה ליצירת חלבונים ונקרא הקוד הגנטי.

ומה הם הגנים?

גן הוא סך כל רצף הבסיסים בדנ"א, המכיל את ההוראות לייצור חלבון נתון.
לדוגמה הנה תחילת "התוכנה הגנטית" של החלבון של הורמון הגדילה באדם:

CTA CGT TCT CTA CCA ATA ACT CCA TTC TTC

-3000 גנים

גן עשוי בדרך-כלל מ-1,000 "אותיות" בקירוב (דהיינו, אלף בסיסים). חידק מכיל כ- 3000 גנים כלומר, כ-3 מיליון אותיות.

מספר הגנים בתא של אדם גדול פי 1-500,000 מאשר בחיידק. לפיכך, ה"תוכנה" של יצור אנושי מכילה כ-3 מיליארד אותיות! לדוגמה, הגן המקדד את חלבון ההמוגלובין מורכב מ-1350 בסיסים, זמן השכפול של גן זה בשלמותו הוא כדקה. לו רצינו להציג את הקוד המלא להמוגלובין בגודל החלקים של המוצג המוצג במוזיאון, היינו זקוקים לכ- 200 שולחנות נוספים בגודל זה!

מהי שיטת הפיענוח המאפשרת "תרגום" של רצף הבסיסים בדנ"א ליצירת חלבון?
רצף של שלוש אותיות מהווה קוד לחומצה אמינית אחת. קיימות כ-20 חומצות אמיניות שונות (רצף של שלוש אותיות מתוך ארבעה בסיסים נותן 64 צירופים שונים, די והותר לקידוד 20 החומצות האמיניות הקיימות).

טבלת 64 האפשרויות:

TTT CTT ATT GTT

TTC CTC ATC GTC

TTA CTA ATA GTA

TTG CTG ATG GTG

TCT CCT ACT GCT

TCC CCC ACC GCC

TCA CCA ACA GCA

TCG CCG ACG GCG

TAT CAT AAT GAT

TAC CAC AAC GAC

TAA CAA AAA GAA

TAG CAG AAG GAG

TGT CGT AGT GGT

TGC CGC AGC GGC

TGA CGA AGA GGA

TGG CGG AGG GGG

חשוב לזכור - העיקרון של הקוד הגנטי הוא אוניברסלי ותקף לכל היצורים החיים - מחיידק עד לוויתן, מפרח ועץ עד לבני אדם.
ההבדלים הגדולים בין צורות החיים השונות נובעים אך ורק משינויים - קטנים למדי - בסדר הבסיסים בדנ"א של כל אחד מהם ומאורך המולקולה!

לשם המחשה: 99.5% מהחומר התורשתי זהה בכל בני האדם. בין האדם לשימפנזה קיימת זהות של 97.6% מהחומר התורשתי. השוני העצום בינינו לבין השימפנזים מקורו בהבדלים של 2.4% מהדנ"א בלבד!

מולקולת הרנ"א - המתווכת המולקולרית

התרגום מדנ"א לחלבון אינו מתבצע באופן ישיר. יש צורך ביצירת העתקים של הגנים (כדי לשמור על הדנ"א).
העתקים אלה עשויים מחומצת גרעין אחרת - הרנ"א. מולקולת הרנ"א דומה מאוד למולקולת הדנ"א ואף נבנית על פיה ובכל זאת נבדלת ממנה בשלוש נקודות עיקריות:

• * היא מורכבת מ"עמוד" אחד בסולם.

• * הסוכר המרכיב אותה הוא ריבוז במקום דיאוקסיריבוז

• * במקום הבסיס T קיצור של (Thymine), מופיע הבסיס )Uracil( U.

• U ו-A מתחברים תמיד אך ורק זה עם זה.

מולקולות הרנ"א מעבירות את הקוד של הדנ"א אל "מכונת התרגום" בתא ליצירת חלבונים.
כאמור נמצאת מולקולת הדנ"א בשלמותה בכל אחד מהתאים. אם כך, כיצד נוצרים יותר ממאתיים סוגי תאים (תאי עצב, תאי שריר, תאי עור, וכיוב') אשר תפקידיהם מגוונים ביותר? התשובה קשורה בעובדה, שרק חלק קטן ממולקולת הדנ"א בכל אחד מהתאים מתורגם ליצירת חלבונים. חלקים אחרים אחראים על בקרת התהליכים בתאים, על התמיינות התאים (כלומר, הפיכתם לתאי עצב, תאי שריר וכד') וכן הלאה. המנגנונים הקובעים אילו מהקטעים של הדנ"א יתורגמו אינם מוכרים בשלמותם, והם עדיין נחקרים על ידי ביולוגים. הדנ"א המצוי בכל אחד מהתאים בגופינו ארוז בגופיפים מיוחדים שנקראים כרומוזומים.

כל כרומוזום מכיל קטע אחר של דנ"א. רצף הבסיסים של הדנ"א קובע יצירה של חלבון מסוג מסוים, החלבונים בונים תאים והתאים יוצרים אותנו ואת שאר היצורים החיים.

המוטציות - שינוי בקוד החיים

לעתים חלות מוטציות - טעויות בתהליך השכפול של הדנ"א - כגון שינוי במיקומו של בסיס וביטול או החלפה של בסיס אחד או יותר בשרשרת. טעויות אלה אנלוגיות במידה רבה לשגיאות כתיב או לטעויות הדפסה. הן עשויות להתרחש מסיבות פיזיקליות, כמו למשל פגיעה של קרינה אולטרה-סגולה אנרגטית במולקולת הדנ"א, או מסיבות כימיות. המנגנונים המדויקים האחראים ליצירת מוטציות עדיין אינם מובנים די הצורך, ומהווים נושא חשוב למחקר (למשל, חקר התהוות הסרטן).
השינוי שחל במידע הגנטי עקב מוטציה עלול להביא לשינוי במבנה החלבונים שליצירתם הוא אחראי. תפקודיהם של חלבונים אלו עלולים להשתבש - וכתוצאה מכך עלולות להיגרם מחלות.
לעתים די בשינוי ב"אות" אחת בלבד ברצף הבסיסים בקוד הגנטי כדי לשנות את מבנה החלבונים, לשבש את תפקודיהם ולגרום למחלות!

דוגמה מפורסמת למחלה הנגרמת בשל מוטציה היא אנמיה חרמשית - מחלת דם קשה, שכדוריות הדם האדומות של החולים בה מתעוותות לצורת חרמש (ומכאן שמה). עיוות זה נובע משינוי שחל במולקולות ההמוגלובין - חלבון הנושא את הפיגמנט האדום הקושר את החמצן כדוריות אדומות שצורתן נפגמה חוסמות את כלי הדם. הסיבה לעיוות היא שהחומצה האמינית ואלין (val) מחליפה את החומצה האמינית גלוטמין (Glu), שהיא חומצה אמינית מספר 6 ברצף החלבון הבא:
Glu... Glu Pro Thr Leu His Val
המוגלובין תקין (תחילת רצף החומצות האמיניות)

Glu... Val Pro Thr Leu His Val
המוגלובין שגוי (תחילת רצף החומצות האמיניות) והנה השינוי הפעוט בקוד הגנטי של החומצה האמינית המסוימת שגרם למחלה:

• רצף נורמלי: ...CAT GTA AAT TGA GGA CTT CTT

• רצף שגוי: ...CAT GTA AAT TGA GGA CAT CTT

לכאורה שינוי כה זעיר, שלא ניתן להבחין בו כלל... עובדה לא פחות מעניינת היא, שהפרזיט של מחלת המלריה "מחבב" פחות תאי דם חרמשיים, דבר שמקנה לחולים באנמיה חרמשית עמידות מסוימת כנגד מלריה. לפיכך במערב אפריקה, אזור מוכה מלריה, נוצרה העדפה לחולי אנמיה חרמשית, והיות שזו מחלה גנטית, גדל מאוד מספר נשאיה באותו אזור אף על פי שזו מחלה קטלנית בעצמה. (היא מקצרת את תוחלת החיים של החולים בה במידה רבה, אך מלריה קטלנית הרבה יותר ולפיכך "עדיף" היה לחלות באנמיה חרמשית)...

מעט היסטוריה

לדנ"א ולחלבונים חשיבות מכרעת בתולדות הביולוגיה המודרנית. בשנת 1953 פענחו הביולוג האמריקני ג'ים ווטסון (.Watson G) והפיזיקאי האנגלי פרנסיס קריק (.Crick F) את מבנה הדנ"א, מחקר שעליו זכו בפרס נובל ב-1962 . עד לאחרונה עמד ווטסון בראש הפרוייקט האמריקאי למיפוי כל הגנום האנושי - פרוייקט שמטרתו היא לזהות עד שנת 2005 את כל 000 ,100 הגנים באדם ואת רצף שלושה מיליארד זוגות הבסיסים המרכיבים אותם. זוהי התכנית הגדולה והשאפתנית ביותר בתולדות הביולוגיה: עלותו הכוללת היא כ- 3 מיליארד דולר. פענוח המבנה של הסליל הכפול הווה פריצת דרך לגילויים רבים נוספים בגנטיקה. ב-1977 פותחה שיטה מהירה לקריאת האותיות של הצופן הגנטי. ב-1978 הצליחו קאיצי אטקורה ועמיתיו מקליפורניה לתכנת מחדש אורגניזם חי בעזרת הנדסה גנטית וגרמו לו לייצר את ההורמון - סומאטוסטאטין. שנה לאחר מכן הם הצליחו "להנדס" בדרך זו חיידק המייצר אינסולין ושנה אחר כך גם חיידק המייצר הורמון צמיחה.

ב-1989 אישרו שלטונות ארה"ב לראשונה ניסוי השתלה של גנים בבני אדם. סטיבן רוזנברג ועמיתיו שתלו גנים זרים בתאים של תאי דם לבנים במטרה לתקן ליקויים גנטיים נדירים במערכת החיסון.

כיום מתרכזים מחקרים גנטיים רבים בפענוח רצף הבסיסים של כל הגנים באדם, בחקר תהליכי הבקרה של ההתפתחות העוברית, של חלוקת תאים, התמיינותם והתמחותם, וכמובן בחקר מחלות תורשתיות והטיפול בהן.

העובדה שהמבנה הבסיסי של הדנ"א הוא אחיד בכל היצורים החיים, וששלבי תרגום המידע מדנ"א לחלבון מסוים גם הם אחידים, אפשרו למדענים לבצע בסוף שנות השבעים העברה של קטע דנ"א מיצור אחד למשנהו. העברה זו אפשרית גם בין שני יצורים שאינם בני אותו מין - למשל, מאדם לחיידק, ועל ידי כך לגרום לביטוי של הגנים האלה כתכונות חדשות ביצור שאליו הועבר קטע הדנ"א. כלומר ניתן לתכנן ולהכניס שינויים מכוונים בדנ"א לפי הצורך. בתהליך של הנדסה גנטית ניתן להקנות לתא תכונות תורשתיות שלא היו לו לפני כן, או לשנות תכונות מסוימות המאפיינות אותו. כיום ניתן, למשל, לגרום לתרביות חיידקים לייצר חומרים שונים: תרופות כאינסולין, אינטרפרון, הורמון הגדילה ועוד חומרים, שבעבר הפיקו אותם מבעלי חיים בתהליך יקר מאד, שהיה כרוך אף בקיפוח חייהם של מאות פרטים לשם הפקת כמות מזערית של התרופה. בשנים האחרונות החלו לטפל במחלות תורשתיות מסוימות על ידי שימוש בשיטות שונות של הנדסה גנטית. לעתים קרובות מתבצעת התערבות זו כבר בשלבים עובריים מוקדמים ביותר. האפשרויות הגלומות בתהליכים אלו מעמידות שאלות אתיות ומוסריות מורכבות, שאין להם פתרונות פשוטים ומוסכמים על הכל. (למשל, מה יהיה גורלו של עובר שאותר בו פגם גנטי חמור? כיצד למנוע שכפול של אדם מסוים באלפי עותקים? כיצד למנוע העדפה של צאצאים ממין מסוים בלבד, דבר שעלול לגרום לחוסר יציבות חברתית חמורה תוך מספר דורות