פרופסור פִילִיפּ שָׁארְפּ זכה בפרס נובל לפיזיולוגיה או לרפואה לשנת 1993, במשותף עם פרופ' רִיצָ'ארְד רוֹבֶּרְטְס, על גילוי שִחְבּוּר הגֶּנים.

מגֶּנים לחלבונים – כיצד הדנ''א מְנהל את תפקודי התא?

קריאת המידע הגנטי – ה'הוראות' המאוחסנות בצורת דנ''א בתאים – והפיכת ההוראות הללו למבנים ולתפקודים של האורגניזם החי, הם אחד מתהליכי החיים היסודיים ביותר (איור 1). ההוראות המצויות בדנ''א מכילות קוד לייצור חלבונים – מכונות ביולוגיות זעירות שאחראיות על תפקודים מכריעים רבים בגוף. ייצור חלבונים מדנ''א מצריך צעד ביניים, המכונה שִׁעֲתוּק. בתהליך השעתוק, מַעֲרַךְ הוראות המקודדות ברֶצֶף של דנ''א (המכונה גֶּן), הופך לעותק נייד שיכול לנוע ל'מפעל' ייצור החלבונים בתא. עותק הדנ''א הזה, המניע יצירה של חלבונים, מכונה רנ''א שליח (mRNA). בשלב הבא, התרגום – ההוראות שברנ''א שליח משמשות לייצור חלבונים.

לאורך האבוֹלוּציה, תהליך ייצור הרנ''א שליח מדנ''א הפך מורכב יותר. בחלוף הזמן, נוצר שלב ביניים חדש לחלוטין בין השעתוק לתרגום, המכונה 'שִׁחְבּוּר רנ''א' (Splicing). בשלב זה פיסות נפרדות של רנ''א שליח נגזרות ומודבקות יחד, ליצירת הגרסה המוגמרת של הרנ''א שליח. בהמשך המאמר נסביר את תהליך השִּׁחבור; כיצד גילינו אותו; מָהֵם יתרונותיו, ואיך ניתן להשתמש ביֶּדַע הזה כדי לטפל במחלות מסוימות.

שִׁחְבּוּר רנ''א – הגרעין הוא לב העניין!

לזנים העתיקים ביותר שהתפתחו בכדור הארץ היה רק תא אחד, ללא גרעין תא [1], ולכן החומר הגנטי שלהם לא הופרד משאר תוכנו של התא על ידי קרום תא (מֶמְבְּרָנָה). גרעין התא התפתח רק לאחר 1.5-1 מיליארד שנים של אבולוציה. אורגניזמים ללא גרעין תא מכונים פְּרוֹקַרָיוֹטִים, ואורגניזמים שבתאיהם יש גרעין מכונים אֵאוקַרְיוֹטִים. חיידקים הם דוגמה לפרוקריוטים. בניגוד אליהם, כל היונקים, ובכלל זה בני האדם, הם אאוקריוטים.

תהליך ייצור החלבונים התגלה לראשונה בחיידקים. החוקרים גילו כי בתאי החיידקים נוצר עותק של רנ''א שליח מפּיסה רציפה של דנ''א (גֶּן), ואז הוא מתורגם לחלבון מסוים (איור 2, צד שמאל) [2]. באותו זמן, רוב החוקרים האמינו כי תהליך זה מתקיים בצורה דומה בתאים אאוקריוטים. אולם כעבור כמה שנים, גילינו כי בתאים אאוקריוטים מתווסף שלב נוסף לאחר השעתוק ולפני התרגום [3]. בשלב הזה, הרנ''א שליח שמיוצר בתהליך השעתוק עובר שחבור (גזירה והדבקה), וכך נוצר הרנ''א שליח המוגמר המשתתף בתהליך התרגום. עותק הדנ''א ההתחלתי מכונה קְדַם-רנ''א שליח, והגרסה הסופית המתקבלת לאחר השחבור מכונה רנ''א שליח בוגר (איור 2, צד ימין).

שִׁחְבּוּר – כך 'גוזרים' ו'מדביקים' רנ''א

תהליך שחבור הרנ''א, שבו קְדַם-רנ''א שליח הופך לרנ''א שליח בוגר, דומה מעט לעריכה של ספר. דַּמְיְנוּ שיש לכם ספר המכיל מִקטעֵי מילים שיוצרות יחד משמעות, ובהם שזורים מִקטעֵי גִ'יבְּרישׁ (מילים ששילובן אינו יוצר כל משמעות). כדי שניתן יהיה לקרוא את הספר, עליכם לערוך אותו – להוציא את מקטעי הג'יבריש, ולחבֵּר את המקטעים בעלי המשמעות. החלקים המחוברים יוצרים משפטים שהם בעלי מטרה או היגיון מבחינת הקורא. נחזור לרנ''א שליח – מסתבר שהקְּדַם-רנ''א שליח מורכב מרִצְפֵי דנ''א בעלי משמעות, שביניהם משולבים רְצָפִים של 'ג'יבּריש'. הרצפים בעלי המשמעות מכונים אֶקְסוֹנִים, והרצפים חסרי ההיגיון מכונים אִינְטְרוֹנִים. כאשר מולקולה של קְדַם- רנ''א שליח עוברת שחבור, החלקים ההגיוניים מתחברים, והחלקים הבלתי-הגיוניים מוּסָרִים ומושמדים. בסיום תהליך ה'גְּזור והדבֵּק' הזה, נוצר רנ''א שליח בוגר המשמש לייצור חלבונים.

מדוע הדנ''א של האאוקריוטים מכיל אינטרונים של 'ג'יבריש' מלכתחילה? ובכן, גם המדענים מנסים לענות על שאלה זו, ועדיין אין עליה תשובה חד-משמעית. אנו יודעים כי מספר הגֶּנים האנושיים עומד על כ-23,000, וכמעט כולם מורכבים מאֶקסוֹנים רבים שעוברים תהליך של שחבור בהרכּבים שונים בתאים שונים, או בזמנים שונים בחלק מהתאים. המשמעות היא שמִגֶּן אחד יכולים להיווצר חלבונים רבים (וכתוצאה מכך גם תפקודים רבים), כשבוחרים שילובים שונים של אקסונים מאותו הגן. הדבר מכונה שִחְבּוּר חליפי (איור 3). ישנם מדענים המשׁערים כי השחבור החליפי הוא שאִפשר אבולוציה של אורגניזמים מורכבים, כמו בני האדם. השחבור החליפי מאפשֵׁר שימוש יעיל בדנ''א – אורגניזמים המשתמשים בשחבור חליפי יכולים לייצר חלבונים מורכבים וּלבצע תפקודים מורכבים תוך שימוש בפחות גֶּנים.

כיצד הנגיפים סייעו לנו לגלות את תהליך השחבור?

כדי לחקור את שחבור הרנ''א השליח במעבדה שלנו, השתמשנו בנגיף אָדֶנוֹ מסוג 2 [3]. לנגיף זה יש דנ''א קצר יחסית, והוא משתמש בתאי חיות כדי לשכפל את הדנ''א שלו במהירות רבה. בְּשֶׁל שני המאפיינים הללו, נוח להשתמש בנגיף זה במחקרים מדעיים, כיוון שהוא מהווה מערכת פשוטה המייצרת עותקים רבים של עַצמה באופן טבעי.

לאחר שבחרנו בנגיף האדנו מסוג 2 כמערכת המחקר שלנו, רצינו להשוות בין מולקולות הדנ''א ומולקולות הרנ''א שליח שלו. אם רנ''א שליח תּוֹאֵם בצורה מושלמת פיסה מסוימת של דנ''א, סביר להניח כי הרנ''א שליח הזה הועתק ישירות מהדנ''א ללא שחבור, כפי שקורה אצל חיידקים. אם הרנ''א שליח לא תואם לפיסת הדנ''א המסוימת, כנראה שהתרחש שחבור שיצר רנ''א שליח בוגר.

עבור ההשוואה שלנו בין דנ''א לרנ''א שליח, בחרנו את הרנ''א שליח הנפוץ ביותר בנגיף אדנו מסוג 2, המקוֹדד חלבון בשם הֶקְסוֹן. כשהשווינו בין הרנ''א שליח הזה לחֵלֶק הדנ''א הרלוונטי, מצאנו שני אזורים שבהם לא התקיימה התאמה בין הדנ''א לרנ''א שליח: אחד האזורים נקרא 'קצה 3'' (מכונה 'קצה השלוש פְּרַיְם') של גְּדִיל הרנ''א שליח (איור 4, מוקף עיגול ירוק). ידענו כי האזור הזה הוא מֵעֵין 'זנב' מיוחד המתווסף לרנ''א שליח כדי להגן עליו כשהוא נע ברחבי התא. האזור הנוסף שלא התקיימה בו התאמה היה בקצה האחר של גדיל הרנ''א שליח, שנקרא 'קצה 5'' (מכונה 'קצה החמש פְּרַיְם'; איור 4, מוקף עיגול כחול). במקרה הזה הופתענו, משום שקצה 5' של מולקולת הרנ''א שליח הכיל פיסה ארוכה של רנ''א שליח שלא תָּאַם את חֵלֶק הדנ''א המסוים, ולא ידענו מאין היא הגיעה.

כדי לפתור את החידה, היה עָלֵינו לגלות מאיפה הגיע האזור הבלתי תואם בקצה 5' של הרנ''א שליח. לאחר דיונים רבים, הצענו את הסְּבָרָה שלפיה ייתכן שהפּיסה הבלתי תואמת הגיעה ממקום אחר בדנ''א. משמעות הדבר היא שישנהּ פיסת דנ''א רציפה אחת המקודדת את רוב הרנ''א שליח של חלבון ההֶקסוֹן, וכי במקום אחר כלשהו בדנ''א ישנהּ פיסת דנ''א נוספת שמקודדת את קצה 5'. כדי לבדוק את הרעיון הזה, השווינו בין הרנ''א שליח של ההקסון למִקטע אחר של דנ''א, הממוקם ליד המִּקטע שתָּאַם את רוב הרנ''א שליח של ההקסון בניסוי הראשון שלנו. גילינו דבר מדהים לגמרי: קצה 5' ברנ''א שליח של ההקסון היה מחובר לדנ''א בארבעה מקטעים נפרדים, ובין המקטעים הללו היו שלוש לולאות של דנ''א (איור 5). ממצא זה לימד אותנו על כך שקצה 5' שוחבר מארבעה אֶקסוֹנים שונים, שהופרדו על ידי שלושה אינטרוֹנים.

זו הייתה תגלית חדשנית לגמרי, כיוון שאף אחד אחר מעולם לא העלה את ההשערה שאפשר 'לגזור' ו'להדביק' רנ''א שליח ממקטעי דנ''א שונים. תגלית שִׁחבור הרנ''א שינתה את התפיסה שלנו לגבי גֶּנים!

חשיבה מחודשת לגבי מָהֵם הגֶּנִים

לפני שהכרנו את שחבור הרנ''א, חשבנו על גֶּן כעל מִקטע רציף של דנ''א המקודד חלבון מסוים. אולם כשגילינו את השחבור, הבנו כי גֶּנים רבים הם משוחברים, כלומר מורכבים משילוב של מִקְטֵעֵי דנ''א שונים ובלתי רציפים (אקסונים). יתרה מזו אנו יודעים שניתן לקחת פיסות ומקטעים 'מִפֹּה וּמִשָּׁם', ולהרכיב לא רק חלבון אחד אלא מגוון חלבונים. ישנן אפילו דוגמאות לקבוצה מסוימת של אקסונים המקודדת עשרות אלפי חלבונים שונים [5]!

אם כן, אם גֶן הוא לא רצף דנ''א מתמשך אחד המקודד חלבון אחד – מהו בדיוק? התשובה המלאה עדיין אינה בידינו. כפי שקורה לעיתים קרובות במדע, המורכבוּת שעומדת בפנינו היא אדירה, ואולי אף פעם לא נדע את כל התשובות. אף על פי כן, אנו תמיד מנסים להרחיב את ידיעותינו, ולנצל את המידע שברשותנו עד תום. בחלק הבא של המאמר נתאר כיצד אנו משתמשים ביֶּדע המצוי בידינו על אודות שחבור רנ''א כדי לשפר את חייהם של אנשים חולים, לרבּוֹת ילדים בגילים שלכם.

שחבור רנ''א לטובת האנוֹשׁוּת

שחבור רנ''א הוא תהליך יסודי המתרחש בכל היצורים החיים, ובכלל זה בבני אדם. השחבור מאפשר לאורגניזם 'להפעיל' גֶּנים מסוימים או 'לכבות' אותם, וכך עוזר לאורגניזמים לבצע רבים מהתהליכים המורכבים הנדרשים לקיום החיים. כמו בכל תהליך ביולוגי חשוב, כשמשהו משתבש עלולה להתפתח מחלה. כדי לטפל במחלות הללו, עָלֵינו להבין כיצד המנגנון הביולוגי הפגוע מְתפקד, ואז לחשוב על דרכים לתקנוֹ.

ישנם פיתוחים רפואיים מלהיבים מאוד המבוססים על שחבור רנ''א. רק לפני שנים ספורות הצלחנו בפעם הראשונה בהיסטוריה לטפל בהצלחה בילדים שחלו במחלה גנטית בשם 'ניוון שרירים שִׁדְרָתִי'. זוהי מחלה שנגרמת על ידי מוּטציה בדנ''א, המנטרלת שחבור בגֶן מסוים כך שאקסון חשוב לא נכלל ברנ''א שליח הבוגר. מוטציה זו גורמת לחולים לאבד בהדרגה תאים בחוט השִּׁדרה שלהם, השולטים על השרירים. כשמצב תאי חוט השדרה והשרירים מִדרדר, אובדן התפקוד ההולך ומתרחב בתפקוד השרירים גורם לנכויות חמוּרוֹת ופוגע באיכות החיים. לפני שגילינו את שחבור הרנ''א, ניוון שרירים שִּׁדרתי היה מחלה הגורמת למוות. כיום, בעזרת היֶּדע שלנו בתחום שחבור הרנ''א, באפשרותנו להשפיע על תהליך השחבור כך שהאקסון החסר ייכלל ברנ''א שליח הבוגר. כך יכול להיווצר חלבון המְּתפקד כראוי, ואנשים הסובלים מניוון שרירים שדרתי יכולים להתפתח בצורה תקינה יותר ולנהל חיים רגילים למדי.

זו רק אחת הדוגמאות לעוצמתו של היֶּדע שלנו על אודות שחבור רנ''א, שבכוחו לשפר את חייהם של בני האדם. הקמתי שתי חֲבָרוֹת המתבססות על היֶּדַע לגבי שחבור רנ''א במטרה לפתֵּח שימושים רפואיים חשובים. החֲברוֹת נקראות בִּיוֹגֶ'ן ואַלְנִילָאם תעשיות פרמצבטיות, ותוכלו ללמוד עליהן עוד דרך הקישורים.

עבורי, היה מלהיב מאוד לגלות את שחבור הרנ''א; לחקור את כל התהליך; לחשוב על משמעותו ועל הדרכים האפשריות להשתמש בו, ואז, כעבור 40-30 שנים, לזכּוֹת לראות כיצד המדע מתורגם לטיפול המשפר את חייהם של ילדים צעירים. זהו דבר נפוץ במדע, ובד בבד אחד הדברים המְּספקים ביותר בעיסוק במדע בכלל ובמדע בִּיוֹ-רפואי בפרט – המדענים זוכים לגלות את הסודות הכמוסים ביותר הטמונים במערכות הביולוגיות, ויתרה מזו, לפעמים התובנות הללו יכולות לצייד אותנו בכלים לסייע לאחרים. עֶזרה לזוּלָת היא אחד התחומים בחיים המסבים לאדם שביעות רצון רבה, במיוחד כשאפשר לסייע לאנשים להבין טוב יותר את העולם, את עצמם ואת מערכות היחסים שלהם עם אחרים. ההבנה הזו היא מה שגורם לבני האדם להיות ייחודיים ומעניינים.

המלצות למוחות צעירים

ברצוני לחלוק איתכם את מה שלמדתי כשבגרתי, כשהלכתי לבית הספר וכשניסיתי להבין במה אני רוצה לעסוק בחיים. גיליתי שכאשר עסקתי בדברים שעניינו אותי ושהלהיבו אותי, הייתה לי מוֹטִיבַצְיָה ללמוד כמה שיותר על אודות אותם נושאים, מה שאִפשר לי לתרום לַחֶבְרָה באופן משמעותי. אם תנסו להיות מעשיים מדי בחיים, ולא תקדישו זמן ומחשבה לתכנון העתיד שתרצו עבורכם, אולי לא תִּראו מספיק ממנו כדי להצליח לְמַמֵּשׁ את חלומותיכם. אולם אם תשקעו יָתֵר על המידה בחלומות בְּהָקִיץ, ייתכן שלעולם לא תביאו עצמכם לפתרון הבעיות שעימן תתמודדו כשתנסו להגשים את שאיפותיכם. תנו לסקרנותכם להוביל אתכם, ואם היא תיקח למחוזות שמלהיבים אתכם, הַקְדִּישׁוּ עצמכם לכך. אינכם יודעים איך העולם ייראה עוד שניים-שלושה עשׂוֹרים – עֲשׂוּ את הדברים שמניעים אתכם ללמוד, וקחו את הזמן ליהנות תוך כדי.

חשוב גם לזכור שהחיים אינם נתיב סלוּל – לעיתים הם לא מתקדמים בצעדים צפויים מראש, אלא בהסתעפויות אפשריות רבות. יהיו זמנים בחייכם שבהם תצטרכו לקבל החלטות. החלטה מסוימת תוביל אתכם בנתיב מסוים, ואילו החלטה אחרת – בנתיב אחר. הנתיבים הללו עשויים להיות שונים זה מזה, בפרט כשמדובר בקבלת החלטות בעלוֹת השלכות ארוכות טווח, אבל זה בסדר. בהגיעכם לְאַחַד הצמתים הללו, בַּחֲרוּ באחד הנתיבים, ובעוד אתם הולכים בעקבות התשוקה שלכם, זִכְרוּ ליהנות מהדרך!

חומרים נוספים

RNA Splicing: What is a Gene?—Phillip A. Sharp.

Nobel Lecture: Split Genes and RNA Splicing—Phillip A. Sharp.

מילון מונחים

דנ''א (DNA): ↑ מידע גנטי המאוחסן בכל התאים.

חלבונים (Proteins): ↑ מכונות ביולוגיות זעירות שלוקחות חלק בתפקודים מכריעים רבים המתרחשים בגוף כגון תנועת שרירים, עיכול וחיסוּניּוּת.

שִׁעֲתוּק (Transcription): ↑ התהליך שבו דנ''א מועתק לרנ''א שליח.

גֶּן (Gene): ↑ מִקְטָע של דנ''א או כמה מִקטעים המכילים את ההוראות לייצור חלבונים.

רנ''א שליח (Messenger RNA, mRNA): ↑ רנ''א המשמש לייצור חלבונים.

תרגום (Translation): ↑ התהליך של ייצור חלבון בהתבסס על הוראות המצויות ברנ''א שליח.

פְּרוֹקְרָיוֹטִים (Prokaryote): ↑ אורגניזם, כמו חיידק למשל, שתאיו אינם מכילים גרעין תא.

אֵאוקַרְיוֹטִים (Eukaryote): ↑ אורגניזם, כמו בני אדם ויונקים אחרים, שתאיו מכילים גרעין תא.

אֶקְסוֹן (Exon): ↑ מִקְטע 'בעל היגיון' בגֶּן, המשמש לייצור חלבונים.

אִינְטְרוֹן (Intron): ↑ מִקְטע 'חסר היגיון' בגֶּן. הוא מוּסָר בתהליך הייצור של רנ''א שליח בוגר מקְּדַם-רנ''א שליח.

שִׁחְבּוּר חליפי (Alternative splicing): ↑ שימוש בשילובים שונים של אקסונים ליצירת כמה חלבונים מאותו הגֶּן.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

תודות

ברצוני להודות לנועה שגב על עריכת הריאיון שהיווה את הבסיס למאמר זה, ועל כתיבה משותפת של המאמר, ולזהבה כהן על האיורים.

---

מקורות

[1] ↑ Cooper, G. M. 2000. “The cell: a molecular approach,” in The Origin and Evolution of Cells, 2nd Edn (Sunderland, MA: Sinauer Associates). Available online at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9841/

[2] ↑ Jacob, F., and Monod, J. 1961. On the regulation of gene activity. Cold Spring Harb. Symp. Quant. Biol. 26:193–211. doi: 10.1101/SQB.1961.026.01.024

[3] ↑ Berget, S. M., Moore, C., and Sharp, P. A. 1977. Spliced segments at the 5′ terminus of adenovirus 2 late mRNA. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 74:3171–5. doi: 10.1073/pnas.74.8.3171

[4] ↑ Berk, A. J. 2016. Discovery of RNA splicing and genes in pieces. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 113:801–5. doi: 10.1073/pnas.1525084113

[5] ↑ Schmucker, D., Clemens, J. C., Shu, H., Worby, C. A., Xiao, J., Muda, M., et al. 2000. Drosophila Dscam is an axon guidance receptor exhibiting extraordinary molecular diversity. Cell 101:671–84. doi: 10.1016/S0092-8674(00)80878-8