ביולוגיה/בקרה בפרוקריוטים ובאאוקריוטים

אם נבדוק את החלבונים במהלך החיים של תא אחד, ניווכח כי מכלול החלבונים שלו שונה מאוד בתנאים שונים: יש חלבונים שנמצאים בו כל הזמן, יש חלבונים הנוצרים בשלבים שונים לאורך חיי התא, ויש גם חלבונים הנוצרים או אינם נוצרים על פי השינויים בסביבה של התא. כלומר, לא כל הגנים מתבטאים ברציפות כל הזמן. אורגניזם שמייצר חומרים שלא לצורך ומשקיע בייצורם חומרים ואנרגיה, לא יהיה יעיל, ולכן הוא לא ישרוד. במהלך האבולוציה שרדו רק אורגניזמים בעלי מנגנוני בקרה יעילים.

גנים של תחזוקה שוטפת הנקראים גם גנים של משק בית. גנים המתבטאים בכל התאים וקשורים לתהליכי החיים הבסיסיים. דוגמה: גנים המקדדים לאנזימים של נשימה תאית, גנים המקדדים לחלבונים המתפקדים כתעלות או משאבות שונות בקרום התא.

בקרה בפרוקריוטים

נעסוק בבקרה הקשורה ליצירת האנזים בתה־גלקטוזידאז (β-גלקטוזידאז) בחיידק coli. E. חיידק זה הוא חיידק הטרוטרופי הניזון מגלוקוז. כאשר נמצא גלוקוז במצע הגידול שלו, הוא מנצל אותו לנשימה תאית ולבניית חומרים הנחוצים לו, אולם ברגע שישנו לקטוז (דו-סוכר המורכב מגלוקוז וגלקטוז) – החיידק נאלץ לפרק אותו. פירוק הלקטוז מתבצע בעמצאות האנזים β-גלקטוזידאז המזרז את פירוק הלקטוז למרכיביו.

מתקיימת בקרה על ייצור האנזים הנ"ל והיא נקבעת על פי נוכחות הלקטוז במצע הגידול. כאשר יש גלוקוז אין צורך באנזים, וכאשר יש לקטוז ולא גלוקוז, יש צורך ביצירת האנזים.

חוקרים חקרו את מנגנון הבקרה של ייצור האנזים β-גלקטוזידאז בחיידק E.coli ועל סמך מחקריהם הם הציעו את מודל האופרון:

האתר המקדם הוא קטע ה־DNA  שאליו נקשר האנזים המתעתק RNA פולימראז, המתעתק את הגנים.

הגנים מתועתקים בתור יחידה אחת. כלומר, נוצר RNA שליח אחד, שעובר תרגום לשלושה חלבונים שונים. תפקידי הגנים:  גן מספר 1 מקדד לאנזים β-גלקטוזידאז, גן מס' 2 מקדד לחלבון הממוקם בקרום התא ומשמש כנשא המזרז את כניסת הלקטוז לתא (הלקטוז הוא דו-סוכר, כלומר המולקולה שלו גדולה יחסית ולכן חדירותו דרך קרום התא קטנה. במצב שבו יש לקטוז במצע הגידול נוצרים נשאים המסייעים בהכנסת הלקטוז לתא החיידק). גם גן מספר 3 מקודד לחלבון הקשור לניצול הלקטוז.

מחוץ לאופרון הלקטוז נמצא גן מווסת שהתוצר שלו הוא חלבון הנקרא דכאן.

• אין לקטוז במצע הגידול הדכאן נקשר לאתר המפעיל, וחוסם את האנזים המתעתק. התוצאה: האנזים – β גלקטוזידאז אינו נוצר.
• יש לקטוז במצע הגידול מעט לקטוז מצליח להיכנס לתא. הלקטוז מתקשר לדכאן. עקב הקישור משתנה המבנה המרחבי של הדכאן והוא אינו יכול עוד להתקשר לאתר המפעיל. האנזים נוצר

הלקטוז הוא משרן פרט להיותו מקור חומרים ואנרגיה, הלקטוז משמש גם בתור גורם בקרה. הוא משרה את יצירת האנזימים על ידי התקשרות לדכאן. גורם המעורר תעתוק על ידי התקשרות לחלבון בקרה נקרא משרן.

יש שני סוגי בקרה, שלילית וחיובית. ההבדל ביניהן הוא בדרך ההשפעה של החלבון המווסת:

1. בקרה חיובית – החלבון המווסת יכול להגביר את תעתוק הגנים.
2. בקרה שלילית – החלבון המווסת יכול להקטין את תעתוק הגנים (דכאן)

בקרה באאוקריוטים

הבקרה על זהות החלבונים הנוצרים בתא, עיתוי יצירתם, הכמות הנוצרת ומידת פעילותם יכולה להיות בכל השלבים של מסלול יצירת החלבונים ובשלב פעילות החלבונים.

תהליכי הבקרה השונים מופעלים דרך מסרים המועברים אל התא מבחוץ וכן דרך מסרים מתוך התא. אחת הדרכים המרכזיות להעברת מסרים אל התא היא בעזרת הורמונים. ההורמונים מופרשים מבלוטות הפרשה שונות אל הדם, המעביר אותם אל תאי המטרה. בתאי המטרה יש קולטנים להורמונים. הקשירה לקולטן, המבוססת על התאמה מבנית בין מולקולת הקולטן לבין ההורמון, גורמת לשינוי מרחבי בקולטן, ובעקבות שינוי זה מתעוררת תגובה בתא.

שיתוק כרומוזום X בנקבות – בקרה ברמת ה־DNA

אצל האדם, לנקבה יש שני כרומוזומי X בכל אחד מתאיה (מלבד תאי הרבייה), ואילו לזכר יש רק כרומוזום X אחד. היה אפשר לצפות שבתאי הנקבה תהיה כמות החלבונים שמקודדים מן הגנים המצויים בכרומוזום X כפולה מכמותם בתאי זכר. ואולם התברר שהכמות הייתה שווה.

ההסבר המקובל לכך הוא שבכל אחד מתאי גופה של הנקבה פעיל רק כרומוזום X אחד, והאחר במצב משותק. השיתוק חל בשלב עוברי מוקדם (כאשר העובר בנוי רק מכמה מאות תאים), והוא אקראי ובלתי הפיך. השיתוק נשאר גם בתאים שנוצרים מחלוקת התא. כאשר מסתכלים במיקרוסקופ בתאי נקבה, אפשר להבחין בכרומוזום X המשותק, הנראה כגופיף כהה קטן הנמצא סמוך לקרום הגרעין. גופיף זה נקרא גופיף בר.

שחבור חלופי - בקרה ברמת עיבוד ה-RNA

מולקולת RNA המורכבת על פי ה־DNA  בתהליך התעתוק עוברת תהליך עיבוד לפני שהיא עוברת לציטופלסמה. העיבוד כולל השמטה של קטעים. ההשמטה נעשית בתהליך הנקרא שחבור. במהלך השחבור מורחקים מן המולקולה קטעים הנקראים אינטרונים ונותרים האקסונים. אולם, לעתים בתאים שונים או במצבים שונים, אקסונים שונים מצורפים, ואף ייתכן שאינטרון בצירוף אחד יכול להיות אקסון בצירוף אחר. בעקבות זאת, מתאפשרת יצירת כמה מולקולות RNA שליח, מאותו RNA ראשוני התוצאה: נוצרים חלבונים שונים מאותו הגן. תופעה זו נקראת שחבור חלופי. השחבור החלופי יכול לגרום לפעילות שונה של תאים, או להתפתחות שונה של תאים ולכן הוא נחשב לאחד מרמות הבקרה על ביטוי הגנים.

תאי גזע והתמיינות (דיפרנציאציה)

במהלך התפתחות העובר, התאים שבגופו עוברים תהליך התמיינות. התאים הנוצרים בחלוקות הראשונות של הביצית המופרית הם תאים שעדיין לא עברו תהליך התמיינות. תאים אלו קרויים תאי הגזע העובריים. מהם נוצרים תאים השונים זה מזה בתכונותיהם ובתפקודם. תאים אלו בונים את הרקמות השונות. תאי גזע הם תאים לא־ממוינים, שיש להם פוטנציאל להתמיין לתאים שונים.

במהלך ההתמיינות, מנגנוני בקרה גורמים ל"הפעלה" של גנים מסוימים ול"השתקה" של גנים אחרים.

אחת התופעות המעניינות שהתבהרו במחקרים שנערכו בשנים האחרונות, היא שיש בתאים גנים האחראים להפעלת תכנית של מוות תאי מתוכנן, מעין "התאבדות" תאית (תופעה זו מכונה אפופטוזיס בלועזית). הגנים האלה מתבטאים במהלך ההתפתחות העוברית וגם בגוף הבוגר.

הבנת מנגנוני הבקרה הפועלים בתהליך ההתמיינות מאפשרת להשתמש בהם לצרכים רפואיים. תארו לעצמכם שיש בידינו מאגר של תאים שיכולים להתחלק ולהתמיין לתאים שונים ולהתפתח לרקמות בריאות, ואפילו לאברים שלמים. תאים אלה נקראים תאי גזע והם יוכלו אולי לשמש "חלקי חילוף" לשיקום רקמות של אנשים שנפגעו בתאונות או שסובלים ממחלות שונות. כבר כיום משתמשים ברפואה בתאי גזע, לדוגמה משתילים מח עצם המכיל תאי גזע לטיפול במחלות מסוימות כגון סרטן הדם.