בקרת גנים

בקרת גנים היא כינוי למערכות ביוכימיות בתאים שמפקחות על התבטאות הגנים. הן קובעות איזה גן יתבטא, באיזה שיעור, מתי הביטוי יופסק וכיצד נגדיר את התזמון. ניתן לווסת כל שלב בהתבטאות, מהתחלת השעתוק ועד לעיבוד החלבונים אחרי התרגום. בקר של גן אחד יכול להשפיע גם על גנים ובקרים אחרים, וכך נוצרת רשת גנטית.

מערכות אלה חיוניות להסתגלות של תאים ואורגניזמים לסביבה. דוגמאות היסטוריות חשובות הן עבודתה של ברברה מקלינטוק על צבעי התירס (1951) והפענוח של אופרון הלקטוז על ידי ז'אק מונו ופרנסואה ז'קוב (1961). אופרון הוא מקטע DNA הכולל כמה גנים המבוקרים יחד.

בקרת גנים מתחלקת לשני סוגים עיקריים: בקרה חיובית שמגבירה ייצור תוצרים גנטיים, ובקרה שלילית שמדכאת אותו. מולקולות ובעלי תפקידים רבים פועלים בבקרה. חלבונים מווסתים (Regulatory proteins) משפיעים ישירות על השעתוק; דוגמה משמעותית היא הדכאן (Repressor), חלבון שמעכב ביטוי גן, והמשרן (Inducer), מולקולה שמגבירה ביטוי.

נגישות ה-DNA באיקריוטים תלויה במצב הכרומטין. כרומטין הוא המבנה שבו ה-DNA מלופף סביב היסטונים. קוד ההיסטונים ושינויים כימיים כמו מתילציה של ה-DNA משפיעים על דחיסות הכרומטין ועל רמות השעתוק. מתילציה היא הוספת קבוצת מתיל ל־DNA, ובמקרים רבים היא מדכאת גנים על ידי מניעת קישור פקטורים משפעלים.

בקרת שעתוק קובעת אילו גנים ישועתקו וכמה RNA ייווצר. גורמי שעתוק (חלבונים שמזהים רצפים ב-DNA) וקומפלקסים אחרים פועלים יחד כדי לכוונן את כמות ה-RNA. חיידקים ואיקריוטים משתמשים באסטרטגיות שונות, אך חלק מהמנגנונים שמורים ביניהם.

תהליכים לאחר השעתוק משפיעים על זמינות ה-mRNA לתרגום. בקרה זו כוללת עיבוד ה-mRNA, כמו שחבור (הסרת מקטעים לא רצויים), הוספת 5' cap וזנב פוליא-אדנילציה. אזורי ה־3' שלא מתורגמים ב-mRNA מכילים אתרי קישור ל־microRNA (miRNA). miRNA הן מולקולות קטנות שמקשרות ל-mRNA ומעכבות תרגום או מסמנות לפירוק, וכך מורידות את רמות החלבון.

התחלת התרגום היא שלב מרכזי בבקרה. חלבוני קישור ל-RNA מזהים מבנים שניוניים בתעתיק ויכולים להגביר או לעכב את התרגום.

בפרוקריוטים הבקרה לרוב פשוטה ופועלת בצורה 'הכל או לא כלום'. דוגמה קלאסית היא אופרון הלקטוז. בתנאים רגילים דכאן נקשר לאזור המפעיל (Operator) ועוצר את השעתוק. כאשר לקטוז זמין, הוא נקשר לדכאן ומשנה את צורתו, כך שהדכאן כבר לא מונע שעתוק, והאנזימים לפירוק לקטוז נוצרים. בנוסף פועלת לעיתים בקרה חיובית: מולקולת cAMP נקשרת לחלבון CAP שמחזק את קישור ה-RNA פולימראז ומגביר שעתוק כשיש מחסור בגלוקוז.

באיקריוטים רב-תאיים, מעבר מגן לחלבון כולל שלבים רבים שכל אחד מהם ניתן לוויסות. רמות הבקרה העיקריות הן:
- ברמת הכרומטין: דחיסות הכרומטין משפיעה על גישה ל-DNA.
- ברמת השעתוק: קישור אקטיבטורים (מפעילים) או רפרסורים (מעכבים) לאזורי קדם (פרומוטורים) קובע שעתוק של גנים.
- ברמת השחבור: שינוי בשחבור משפיע על אילו איזוטופים של mRNA יווצרו.
- ברמת יציבות ה-mRNA: אורך זנב ה-poly(A), חלבונים מקושרי mRNA ו-miRNA קובעים כמה זמן ה-mRNA יחזיק מעמד בציטופלזמה.

הקו המנחה הוא שהתא מתאים את שיעור הייצור והפירוק של ה-mRNA כך שישמור על יציבות רמות החלבון. בקרה מדויקת נחוצה כדי למנוע ביטוי יתר או חסר שעלול להזיק לתא.

בקרת גנים היא מערכת בתא שמחליטה מתי ואיך גן יפעל. גן הוא קטע ב-DNA שמכיל הוראות לחלבון.

מערכות אלו אומרות אילו גנים יתבטאו, כמה חלבון ייווצר ומתי זה יקרה. הן משנות כל שלב בתהליך, מהשעתוק ועד לעיבוד החלבון.

ה-DNA מלופף סביב חלבונים בשם היסטונים. כשה-DNA דחוס, קשה לגורמים לשעתק אותו. שינויים כימיים ב-DNA, למשל מתילציה (הוספת קבוצת מתיל), יכולים לכבות גנים.

שעתוק הוא תהליך שבו עושים העתק של הגן בשם RNA. חלבונים בשם גורמי שעתוק יכולים להדליק או לכבות את השעתוק.

לאחר השעתוק ה-RNA מעובד. חלקים מוסרים בתהליך שנקרא שחבור. קצות ה-RNA חשובים ליציבות שלו. מולקולות קטנות בשם miRNA (מיקרו־RNA) יכולות להיקשר ל-RNA ולמנוע תרגום או לסמן לפירוק.

תרגום הוא שלב שבו הריבוזום קורא את ה-RNA ומייצר חלבון. חלבונים אחרים יכולים לעצור או להפעיל את תחילת התרגום.

בחיידקים יש לעתים אופרון, קבוצת גנים שבאים ביחד תחת בקרה אחת. דכאן (חלבון מדכא) יכול להיתקע על האופרון ולעצור שעתוק. אם חומר מסוים כמו לקטוז מגיע, הוא משנה את הדכאן והגנים משועתקים כדי לפרק את הלקטוז.

ביצורים גדולים יש הרבה שלבים לבקרה: כרומטין פתוח או סגור, גורמי שעתוק, שחבור, ויציבות ה-RNA. כל אלה יחד מוודאים שהתאים ייצרו את החלבונים הנכונים בזמן הנכון.