ביולוגיה של התא - שיעורים 12-14

‫שיעור ‪ :12‬שיכפול‪DNA‬‬
‫‪135‬‬
‫‪15.04.2010‬‬
‫שיעור ‪ :12‬שיכפול ‪DNA‬‬
‫עולה השאלה‪ :‬האם הדו‪-‬גדיל החדש בנוי‬
‫משני גדילים חדשים לגמרי‪ ,‬או שמה יש‬
‫שני דו‪-‬גדילים שבכל אחד מהם יש גדיל‬
‫חדש וגדיל ישן?‬
‫היום ידוע שהמצב הוא כמו המצב השני‪,‬‬
‫המכונה‬
‫"חצי‬
‫שמרני"‬
‫)‪semi-‬‬
‫‪ ,(conservative‬ואנחנו לא ניכנס לאופן‬
‫ההוכחה )מי שהוכיחו היו & ‪Meselson‬‬
‫‪.(Stahl‬‬
‫משמעות הדבר הוא שתמיד יש גדיל ‪DNA‬‬
‫שהיה באבות‪-‬אבותיו של התא‪.‬‬
‫תזכורת על מבנה ה‪DNA-‬‬
‫הגדילים הם פולימרים העשויים מהמונומרים‬
‫הנוקליאוטידיים‪ .‬השלד הפוספו‪-‬דיאסטרי עשוי‬
‫מחיבור בין הפוספט בעצדה מספר '‪ 5‬וה‪OH-‬‬
‫של הסוכר שבעמדה מספר '‪ .3‬כתוצאה מזה‬
‫נוצרת כיווניות כאשר שני גדילים מתייחסים‬
‫זה‬
‫לזה‬
‫באופן‬
‫אנטי‪-‬פאראללי‬
‫)‪anti-‬‬
‫‪ ,(parallel‬כלומר האחד הולך מ‪ 3'-‬ל‪5'-‬‬
‫והשני מ‪ 5'-‬ל‪) 3'-‬את שניהם קוראים מ‪ 5'-‬ל‪-‬‬
‫'‪ .(!3‬חיבור של מונומר חדש נעשה לצד ה‪3'-‬‬
‫של הגדיל‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬קודם כל מתבצע קשר המימן מול המונומר של הגדיל ההומולוגי )קשר מימן בין בסיסים‬
‫חנקניים( ורק אז יש כניסה של המונומר לשרשרת‪ ,‬על מנת למנוע כניסה של נוקליאוטידים לא‬
‫מתאימים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪136‬‬
‫‪DNA-Polymerase‬‬
‫זהו אנזים שאחראי לתהליך הפילמור – יצירת הפולימר – של ה‪ .DNA-‬השיכפול חייב להיות מדוייק‬
‫מאוד – זהו אחד התהליכים הכי מדוייקים בטבע‪ ,‬כי ה‪ DNA-‬צריך לעבור מדור לדור בלי שגיאות‪.‬‬
‫ארתור קורנברג הוא זוכה פרס נובל על גילוי ה‪ DNA-‬פולימראז הראשון שהתגלה בחיידקי אשרישיה‬
‫קולי‪.‬‬
‫עד לפני ‪ 50‬שנה האנזים הזה לא היה מוכר; העבודה בביולוגיה מולקולרית אז נעשתה בעיקר בחיידקים אבל‬
‫היום ידוע שהשכפול הוא מנגנון שמור ואוניברסלי‪ ,‬ולכן מה שגילו בחיידקים לפני ‪ 50‬שנה נכון לכל‬
‫היצורים החיים‪.‬‬
‫סינטזת ‪ –DNA‬שיכפול‬
‫קורנברג ביקש לבודד את האנזים שיודע לעשות שיכפול; הוא בודד אותו מחיידקים על ידי בידוד חלבונים‬
‫לפי תכונות ומסה‪ ,‬ואז הוא שם דוגמיות במבחנה עם נוקליאוטידים וקיווה לראות שאולי הוא יצליח‬
‫למצוא את האנזים שייקשור ביניהם‪ .‬בניסוי זה לא הייתה אף הצלחה‪.‬‬
‫אז קורנברג חשב שאולי האנזים לא קושר סתם כך נוקליאוטידים; שהרי זה לא קיים בטבע‪ .‬בטבע‬
‫למעשה יש שכפול של ‪ DNA‬קיים‪ ,‬כלומר צריכה להיות תבנית שמולה מסתדרים נוקליאוטידים‪ .‬לכן הוא‬
‫הוסיף למבחנה תבנית – ‪ DNA‬חד גדילי‪ ,‬וקיווה שהאנזים יפלמר מול התבנית‪ .‬גם זה לא הצליח‪.‬‬
‫לאחר הכשלון הזה הוא הגיע למסקנה שהאנזים לא‬
‫יכול סתם כך לפלמר מול תבנית; אולי הוא צריך‬
‫נקודת התחלה כלשהי – שאותה קורנברג כינה פריימר‬
‫– שחייבת להיות מחובר לחד‪-‬גדיל על מנת שהאנזים‬
‫יתחיל להאריך אותה מול התבנית‪ .‬הוא אכן עשה זאת‪,‬‬
‫ולשם שינוי‪ ,‬זה הצליח‪.‬‬
‫קורנברג בודד את האנזים‪ ,‬שכונה פולימראז‪ ,‬ומצא את תכונותיו‪ .‬האנזים הזה יודע אך ורק להאריך‬
‫שרשרת קיימת למול תבנית‪ .‬המבנה של פולימראז הוא כמו כף יד שמחזיקה מחד את הגדיל ויכולה‬
‫לתפוס מונומרים נוקליאוטידים‪ .‬לאחר שהיא תופסת את המונומר הנכון היד נסגרת‪ ,‬המונומר מתפלמר‪,‬‬
‫ואז היד נפתחת שוב ומחפשת אחר הנוקליאוטיד הבא‪.‬‬
‫•‬
‫•‬
‫•‬
‫‪ DNA Polymerase‬יודע להאריך שרשרת קיימת‪.‬‬
‫הוא מאריך את השרשרת מול תבנית‪.‬‬
‫הוא מאריך מכיוון '‪ 5‬ל‪ 3'-‬בלבד – מוסיף נוקליאוטידים על קצה '‪ 3‬בלבד‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :12‬שיכפול‪DNA‬‬
‫‪137‬‬
‫פולימראז הוא חלבון כל כך "מפונק"‬
‫כי הוא חייב להיות בעל יעילות מאוד‬
‫גבוהה – הוא חייב להגיע למינימום של‬
‫שגיאות‪ .‬מכיוון שאי אפשר להגיע‬
‫למחסור גמור בשגיאות‪ ,‬צריך לוודא‬
‫שהן יגיעו למינימום האפשרי‪.‬‬
‫אנחנו רואים שהשכפול של הגנום‪,‬‬
‫במיוחד לאחר ההגהה של הגנום‪ ,‬מפיל‬
‫בערך ‪ 6‬מוטציות בכל מחזור שיכפול בגנום האנושי; הסיכוי שזה ייפול בגן הוא נדיר‪ ,‬כי רוב החומר‬
‫הגנטי לא מקודד לגנים; והסיכוי שאם זה קרה בתוך הגן זה ייפול באקסון קלוש עוד יותר; וגם אם זה נפל‬
‫באקסון‪ ,‬הסיכוי שייפול דווקא באתר הפעיל של החלבון קטן אף יותר‪.‬‬
‫מנגנון ההגהה של פולימראז‬
‫נניח שלמרות הדייקנות של פולימראז‪,‬‬
‫הוא עשה טעות והכניס נוקליאוטיד לא‬
‫מתאים‪ .‬כתוצאה מהשינוי נוצר שינוי‬
‫במרחב‪ .‬השינוי הזה גורם לפולימראז‬
‫להפסיק לסנטז‪ ,‬דבר ראשוןן; ודבר שני‬
‫הוא מתחיל ללכת אחורה‪ ,‬מ‪ 3'-‬ל‪,5'-‬‬
‫כאשר ההפיכה הזו אחורה גורמת לו‬
‫להתחיל לפרק במקום לבנות‪.‬‬
‫לאחר שהוא פירק כמה נוקליאוטידים‪,‬‬
‫ההפרעה שמונעת ממנו להמשיך נעלמת והוא משנה את כיוונו שוב מ‪ 5'-‬ל‪ ,3'-‬ומתחיל לסנטז מחדש‪.‬‬
‫מבנה הפולימראז‬
‫כל עוד המבנה של הדו‪-‬גדיל תקין‪ ,‬הוא פונה כל הזמן לאתר ‪ P‬של הפולימראז‪ ,‬שהוא האתר המפלמר‬
‫)‪ ;(polymerization‬ברגע שיש עיוות כלשהו‪ ,‬הגדיל החדש פונה כעת לאתר ‪ ,(editing) E‬מה שייגרום‬
‫לתחילת תהליך הפירוק )‪.(exonucleolytic‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪138‬‬
‫נמאס לי לכתוב על אנמיה חרמשית! תבינו לבד שאם יש מוטציה נקודתית זה יכול להרוס את החלבון ולפגוע‬
‫בתפקוד שלו לחלוטין‪.‬‬
‫דוגמאות להמחשה‪:‬‬
‫גנום הוא כמו ספר מתכונים; זהו ספר מתכונים בפורמט‬
‫שמתאים לכל סוגי המסעדות‪ ,‬ומכיל את כל המתכונים‬
‫הקיימים‪ .‬התא לעומת זאת‪ ,‬הוא מתמחה בתפקוד מסויים ולכן‬
‫צריך גנים מסויימים – כמו מסעדה איטלקית שצריכה רק‬
‫מתכונים לפסטות‪ .‬הגן הוא מתכון בספר המתכונים‪.‬‬
‫הדוגמאות הבאות הן דוגמאות למוטציות שונות במתכון‪ ,‬או‬
‫בגן‪:‬‬
‫מנגנון השכפול‬
‫השכפול מתחיל מ‪ ,ORF-‬קיצור של‬
‫‪origin of‬‬
‫‪) replication‬נקודת תחילת השכפול(‪ .‬ישנם ‪ORF‬‬
‫רבים על גבי הכרומוזום‪ ,‬כי השכפול מתחיל מנקודות‬
‫רבות בו זמנית‪ .‬ה‪ ORF-‬מזוהה על ידי חלבונים‬
‫המאפשרים תחילת השכפול‪.‬‬
‫דבר ראשון שיש לעשות הוא לפתוח את הדו‪-‬גדיל‪,‬‬
‫במיקום שנקרא ‪ .replication bubble‬הפתיחה‬
‫שיוצרת את הבועית נעשית על ידי האנזים הליקאז‬
‫)‪ .(helicase‬הבועות האלה מופיעות בזמנים לא‪-‬‬
‫מסונכרנים על גבי הכרומוזום במקומות רבים‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :12‬שיכפול‪DNA‬‬
‫‪139‬‬
‫הבועות הולכות וצומחות בשני‬
‫הכיוונים בבת אחת‪ .‬בתמונות‬
‫הבאות סימנו נוקליאוטידים‬
‫בפלורסנט וכך יכלו לעקוב‬
‫אחר כיוון פתיחה הבועית‪.‬‬
‫החשיבות של הכיוון נובעת‬
‫מהידיעה‬
‫שפולימראז‬
‫יכול‬
‫לפתוח רק מ‪ 5'-‬ל‪.3'-‬‬
‫כאשר הבועות גדלו מאוד הן‬
‫מתאחות ואז תם השכפול‪.‬‬
‫מזלג רפליקציה‬
‫אם מסתכלים על חצי‪-‬בועה‪ ,‬אנחנו רואים‬
‫שבחלק שעדיין סגור יש מזלג‪ .‬המזלג הזה‬
‫מכונה מזלג השכפול )‪,(replication fork‬‬
‫והוא מקום התרחבות הבועית‪.‬‬
‫בגדיל התחתון במזלג שבתמונה אין בעיה לסינטזה‪ :‬הפולימראז הולך מ'‪ 5‬ל‪ ,3'-‬שזה הכיוון מהחלק‬
‫הפתוח למזלג שהולך ונפתח‪ .‬אולם בגדיל העליון כל פעם נפתח איזור חדש מקצה '‪ .5‬אז איך אפשר‬
‫לשכפל את הקטע הזה?‬
‫לשם הסבר הפעילות של מה שפולימראז‬
‫עושה בגדיל ההעליון‪ ,‬נסתכל על ה‪ .ORF-‬אם‬
‫נסתכל על בועית במרכזה‪ ,‬אנחנו יכולים‬
‫לטעון שהמרכז הוא נקודת הפתיחה של‬
‫הבועית‪ .‬אנחנו יכולים לחלק את זה למעשה‬
‫לשני מזלגות‪ ,‬כאשר בכל מזלג יש גדיל‬
‫"ישר" וגדיל "הפוך"‪ .‬בצורה זו נוצרות לנו‬
‫שתי תבניות ישרות‪ :‬למעלה משמאל ולמטה‬
‫מימין‪ .‬זהו הגדיל המוביל‪ :‬יכול לסנטז מייד‬
‫ולפתוח את המזלג‪.‬‬
‫הגדיל המוביל הולך מ—'‪ 5‬ל‪ 3'-‬והוא זה שפותח את המזלג‪ .‬הוא מוביל את הקצב וגם מוביל‬
‫מבחינת הספק הפילמור‪.‬‬
‫בשני החלקים האחרים של המזלגות יש השהייה עד שנפתח מספיק מהמזלג ונחשף; לאחר ההשהייה הזו‬
‫יכול הפולימראז להיכנס ולהתחיל לסנטז )בכיווני החץ הוורוד‪ .‬הגידל הזה‪ ,‬מכיוון שהוא מתחיל באיחור‬
‫ביחס לגדיל המקביל לו‪ ,‬מכונה ‪.lagging strand‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪140‬‬
‫הגדיל המעוכב מתחיל‬
‫מאוחר יותר ומסנטז‬
‫מקטעים‪-‬מקטעים‪.‬‬
‫כעת הבועית נפתחת וגדלה;‬
‫המוביל‬
‫הגדיל‬
‫ממשיך‬
‫בכיוון שלו‪ ,‬הוא זה שפתח‬
‫את‬
‫הבועית‬
‫ממשיך‬
‫ולכן‬
‫איתה;‬
‫הוא‬
‫בגדיל‬
‫המעוכב ממתין מעט עד‬
‫שייפתח מעט יותר מהגדיל‬
‫המעוכב‪ ,‬ורק אז מתחיל‬
‫בסינטזה‪.‬‬
‫ניתן לראות שמעבר לכך שהגדיל המעוכב הוא מוביל מבחינת לוח הזמנים הוא גם רציף; הגדיל‬
‫המעוכב מאחר בלוח הזמנים וגם נוצר במקטעים‪-‬מקטעים‪ .‬המקטעים האלו מכונים ‪Okazaki‬‬
‫‪.Fragments‬‬
‫מי זה הפריימר?‬
‫מהו הפריימר‪ ,‬ומי מסנטז אותו? שהרי אם הוא עשוי ‪ DNA‬הוא‬
‫אמור להיות מיוצר על ידי ‪ DNA‬פולימראז‪ ,‬אבל הרי פולימראז‬
‫לא יכול לסנטז פריימר ללא פריימר‪ .‬בצורה כזו הגיעו למסקנה‬
‫שהפריימר עשוי דווקא מ‪.RNA-‬‬
‫‪ RNA‬מסונטז על ידי חלבון אחר‪ ,‬המכונה ‪.RNA Polymerase‬‬
‫הפולימראז הזה הוא פולימראז "חאפר"‪ :‬הוא עושה הרבה מאוד‬
‫שגיאות‪ 1 ,‬ל‪ .10-‬אבל מכיוון שיש ‪ wobble‬הרבה יותר חזק‬
‫בנוקליאוטידים של ‪ ,RNA‬וגם מכיוון שיש הרבה מאוד מולקולות ‪ RNA‬לכל חלבון‪ ,‬זה לא כל כך מפריע‬
‫לתפקוד של מולקולות ‪ ,RNA‬שאינן עוברות בתורשה‪.34‬‬
‫הפולימראז הזה הוא פולימראז מיוחד המכונה ‪ Primase‬שתפקידו לפלמר פריימר עשוי ‪ .RNA‬הוא הולך‬
‫בצמוד למערכת השכפול‪ .‬הפרימאז נכנס במקומות שהוא יכול להיכנס בהם‪ ,‬בכל נקודה פנויה‪ ,‬ומתחיל‬
‫לייצר גדילון פריימר עשוי ‪ .RNA‬כעת ‪ DNA‬פולימראז יכול להתחיל סינטזה על גבי הפריימר הזה;‬
‫במקטעי אוקאזאקי‪ ,‬כאשר הוא מתקרב לפריימר של המקטע הבא‪ ,‬כבר אין צורך בפריימר )כבר בנינו את‬
‫המקטע שנשען על הפריימר הבא על השרשרת‪ ,‬כי הוא היה למעשה מקטע אוקזאקי הקודם( ולכן‬
‫הפריימר מתפרק במקביל לבנייה מחדש על ידי פולימראז‪ .35‬בסופו של דבר ליגאז מגיע ומחבר בין כל‬
‫שני גדילי ‪ DNA‬מופרדים‪.‬‬
‫‪ 34‬בוירוסים‪ ,‬שבהם ה‪ RNA-‬לעיתים משמש בחומר הגנטי‪ ,‬יש מסיבה זו הרבה מוטציות – כך למשל וירוס האיידס משתנה כל‬
‫הזמן‪ ,‬סובל מהרבה מוטציות ויש לו הרבה מאוד ווריאנטים וקשה למצוא חיסון כנגדו‪.‬‬
‫‪ 35‬זאת מכיוון שאי אפשר להשאיר את הגדיל מעורבב עם ‪.RNA‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :12‬שיכפול‪DNA‬‬
‫‪141‬‬
‫מה עם הקצה?‬
‫‪ DNA‬חד גדילי אינו יכול להתקיים; בקצה‪ ,‬הגדיל שהולך מ‪ 5'-‬ל‪ 3'-‬מסונטז עד הסוף אבל הגדיל השני‬
‫אינו יכול ליצור פריימר עבור הפריימר הקיצוני ביותר‪ ,‬ולכן יש קטע באורך פריימר שלא ניתן ליצור‬
‫מקביל לו‪ .‬אורך של פריימר הוא בערך ‪ 10‬נוקליאוטידים‪ .‬המקטע של '‪ 5‬ל‪ ,3'-‬שכן סונטז‪ ,‬מפורק‬
‫בהיעדר המקטע המקביל לו‪.‬‬
‫האיזור הזה מכונה טלומר; זהו איזור שאינו מכיל גנים והוא מיועד לפירוק עם כל שכפול‪ .‬אולם‪ ,‬עם‬
‫ההזדקנות של התא‪ ,‬ככל שהוא מתחלק יותר ויותר‪ ,‬הפריימר מתקצר ובסופו של דבר הנגיסות מתחילות‬
‫לאכול מהגנום וזה פוגע בתא עד שהוא מת‪.‬‬
‫טלומראז בתאי גזע וסרטנים‬
‫אולם יש תאים אחרים בגוף הבוגר שמתחלקים הרבה מאוד‪ ,‬וצריכים להיות מסוגלים לעשות זאת ללא‬
‫הזדקנות; למשל תאי גזע או תאים עובריים שמתחלקים הרבה מזיגוטה ועד האורגניזם השלם; תאים כאלו‬
‫מכילים חלבון מיוחד שעוזר לה לפתור בעיה כזו‪ .‬תאים סרטניים מאמצים את הפתרון של תאי הגזע‬
‫ותאים עובריים על מנת שהוא לא ימות‪.‬‬
‫הפתרון לבעיה היא אנזים בשם טלומראז‪ :‬טלומראז הוא אנזים שמוסיף כל הזמן עוד מקטעים לטלומר‪ .‬כל‬
‫כמה זמן הוא מאריך מאוד את הטלומר ואז "נח"‪ ,‬עד שהטלומר מתקצר לאורך מסויים שוב ואז הוא חוזר‬
‫לעבוד‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪142‬‬
‫הפעילות של טלומראז‬
‫טלומראז הוא חלבון מיוחד שמורכב‬
‫מחלבון ו‪ .RNA-‬הטלומר הוא מקטע‬
‫‪DNA‬חוזרני‪ ,‬למשל ‪.TTGGGG‬‬
‫הטלומראז מכיל למעשה ‪ RNA‬עם‬
‫תבנית של ה‪ DNA-‬החוזרני‪ ,‬והוא‬
‫למעשה משתמש בעצמו בתור פריימר‬
‫לבנייה ומדביק לכרומוזום שוב ושוב‬
‫את אותה התבנית שהוא נושא‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬הבעיה הזו קיימת רק‬
‫בכרומוזום לינארי‪ ,‬לא בכרומוזום מעגלי‬
‫של חיידקים!‬
‫הטלומראז למעשה עושה הארכה של '‪ 5‬ל‪ 3'-‬ויוצר ‪DNA‬על תבנית של ‪ .RNA‬לאחר מכאן מגיע פרימאז‬
‫ומתחיל ליצור מקטעי אוקאזאקי בגדיל הנגדי‪ .‬למרות שסופו של דבר עדיין יש אותה בעיה שאורך של‬
‫פריימר נופל‪ ,‬עכשיו זה פחות בעיתי כי הפריימר הוארך אז אין סכנה שזה ייפגע בקטע הגנומי של‬
‫הכרומוזום‪.‬‬
‫אילוסטרציה‪ :‬הדגמה של מנגנון השיכפול במזלג הרפליקציה‬
‫ראו שיש חלבונים – ‪ – single strand DNA-binding proteins‬אשר נקשרים ל‪ DNA-‬חד גדילי‬
‫ומונעים פירוק שלו‪ ,‬כי אמרנו ש‪ DNA-‬חד גדילי מתפרק‪.‬‬
‫המזלג לא נמצא בטבע פתוח ומאושר; יש מבנה שלישוני שדואג לקשור ביחד את החלבונים הפעילים על‬
‫מנת לייעל את התהליך )מודגם באיור הבא ובסרט(‪ .‬אנחנו רואים שכל החלבונים הפיעילים –פרימאז‪,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :12‬שיכפול‪DNA‬‬
‫‪143‬‬
‫הליקאז ופולימראז קשורים ביחד ועובדים יחד‪ ,‬והחלבונים ששומרים על החד‪-‬גדיל מתקפלים ושומרים‬
‫על החד גדיל של מקטע אוקאזאקי‪.‬‬
‫אולם‪ ,‬יש בעיה‪ :‬בקצוות הבועה‪ ,‬נוצר מתח עקב זה שהסלילים מסתלסלים סביב עצמם ונדחסים; עכשיו‬
‫מגיע אנזים חדש – טופואיזומראז שעושה חיתוך של גידל אחד בלבד‪ .‬הגדיל הזה משחרר את המתח‪,‬‬
‫המתח המשתחרר הוא אנרגיה שנאצרת בטופואיזומראז‪ ,‬ואז הוא משתמש באנרגיה הזו על מנת לקשור‬
‫מחדש את הסליל‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪144‬‬
‫‪22.04.2010‬‬
‫שיעור ‪ :13‬חזרה‬
‫עקב אנשים שביקשו ממני לכבות את המחשב בשיעור זה‪ ,‬כי המאוורר שלו כנראה רם מכדי לשמוע את‬
‫קולה של אורנה עם המיקרופון‪ ,‬מתוך טענה שזה לא מתחשב מצידי לא לסגור אותו‪ ,‬ההרצאה הזו לא‬
‫מופיעה בסיכומים‪.‬‬
‫‪26.04.2010‬‬
‫שיעור ‪ :14‬שיעתוק‬
‫האינפורמציה בתא מאוחסנת ב‪ ;DNA-‬בתא אאוקריוטי ה‪ DNA-‬נמצא בגרעין ובפרוקריוטי הוא נמצא‬
‫בפורמט מעגלי בציטופלזמה )באיזור ייעודי(‪ .‬מולקולת ה‪ DNA-‬עוברת שיכפול‪ ,‬כפי שכבר למדנו‪ .‬ה‪-‬‬
‫‪ DNA‬הזה מתבטא במידה ויש בו רצפים שמקודדים לפונקציה‪ .‬מה שמתבטא הם גנים וההתבטאות‬
‫הולכת דרך שיעתוק )‪ (transcription‬של סינטזת ‪ .RNA‬ה‪ RNA-‬הזה יכול להיות בשימוש בתור‬
‫‪) RNA‬דוגמת ‪ rRNS‬או ‪ (tRNA‬ויכול לעבור תרגום לחלבון )כפי שנלמד בשיעור הבא(‪.‬‬
‫יעילות הביטוי‬
‫אינפורמציה גנטית ניתן לאחסן ברצף אחד‬
‫ולא יותר )שני עותקים ביצור דיפלואידי‬
‫אבל לא יותר( וניתן ליצור הרבה מאוד‬
‫מולקולות של ‪ RNA‬מאותו הגן אם רוצים‬
‫ביטוי גבוה ומעט ‪ RNA‬אם רוצים ביטוי‬
‫ברמת נמוכה‪ .‬ניתן לגרום לאמפליפיקציה‬
‫)הגברה( ברמת השיעתוק )שיעתוק של‬
‫מעט‪/‬הרבה ‪ (RNA‬וגם ברמת התרגום )אותו‬
‫‪ mRNA‬מתורגם להרבה‪/‬מעט חלבונים(‪.‬‬
‫סינטזת ‪ – RNA‬שיעתוק‬
‫באיור הבא אנו רואים סכמה של ‪ .RNA Polymerase‬האיזור המודגש הוא אתר קטליטי שאליו נכנס‬
‫הדו‪-‬גדיל של ‪ DNA‬והפתיחה שלו מאפשרת שיעתוק של ‪ RNA‬מריבונוקליאוטידים‪ .‬ריבונוקליאוטידים‬
‫נכנסים דרך תעלה בחלבון‪ ,‬הם מסתדרים מול התבנית והריבונוקליאוטידים מפולמרים על ידי הפולימראז‬
‫בקשר פוספו‪-‬דיאסטרי‪.‬‬
‫‪ RNA‬פולימראז הוא פחות "מפונק" מ‪ DNA-‬פולימראז‪ ,‬ולכן הוא פשוט מפלמר את הנוקליאוטידים כפי‬
‫שהם מסתדרים‪ .‬כתוצאה מכך יש לו הרבה יותר טעויות‪ :‬אחת מ‪ .104-‬אבל הטעויות האלו אינן עוברות‬
‫תורשתית לתאים הבאים‪ ,‬כי ‪ mRNA‬הוא לא חומר תורשתי‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :14‬שיעתוק‬
‫‪145‬‬
‫התבנית של השיעתוק‬
‫שיעתוק נעשה מכיוון '‪ 5‬ל‪ 3'-‬של הגדיל הנבנה‪ ,‬כלומר הגדיל המשועתק צריך להיקרא מכיוון '‪ 3‬ל‪.5'-‬‬
‫בין שני גדילים‪ ,‬כיצד אנו יכולים לדעת מהו הגדיל של התבנית? התשובה היא שאנחנו לא יכולים‪ ,‬לפחות‬
‫לא ללא נתונים נוספים‪.‬‬
‫עקרונית שני הגדילים יכולים להוות תבנית; מעשית זה נקבע לפי נקודת ההתחלה של הגן ומיקומה‬
‫על גדיל מסויים‪.‬‬
‫קיימים רצפים ב‪ DNA-‬שמסמנים התחלה של גנים‪ .‬רצף זה מכונה פרומוטור‪ .‬הרצף הזה הוא דו‪-‬גדילי כי‬
‫הוא מסמן גם את הכיוון של השיעתוק‪ ,‬כי ‪ RNA‬פולימראז מתיישב על הרצף באוריינטציה שתכתיב את‬
‫כיוון השיעתוק‪.‬‬
‫פרומוטור הוא רצף רגולטרי שמכתיב איפה הגן וגם כמה חזק ייקשרו פולימראז ופקטורי השיעתוק‬
‫שלו לאותו הפרומוטור‪.‬‬
‫האפיניות של פולימראז ופקטורי השיעתוק לפרומוטור תכתיב את הרגולציה של השיעתוק – ככל‬
‫שהאפיניות גבוהה יותר יהיה שיעתוק של יותר גדילי ‪ RNA‬של הגן‪ .‬כמו כן יש רצף שמסמן את סוף הגן‬
‫– שהוא הטרמינטור )בהמשך(‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫‪146‬‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫אם אנחנו יודעים על איזה גדיל נמצא הפרומוטור ולאיזה כיוון הוא שולח את הפולימראז‪ ,‬אנחנו יכולים‬
‫לדעת מהי התבנית ומהו ה‪ RNA-‬שיסונטז‪.‬‬
‫שימו לב שיש ב‪ RNA-‬יורידין במקום טימידין וכן שמדובר בריבונוקליאוטידים ולא דיאוקסיריבו‪-‬‬
‫נוקליאוטידים‪.‬‬
‫גדילי ‪ Sense‬ו‪Anti-sense-‬‬
‫מכיוון שהרצף של ‪ RNA‬זהה לרצף הקומפלימנטרי של התבנית למעט החלפה של ‪ T‬ו‪ ,U-‬אנחנו יכולים‬
‫להשתמש בגדיל הקומפלימנטרי של התבנית כדי להבין איך יראו הרצפים על ה‪ RNA-‬ולהבין אילו‬
‫חומצות אמינו מתורגמות ממנו‪ .‬שני הגדילים עבור כל גן מחולקים לשני תפקידים‪ sense :‬הוא התבנית ו‪-‬‬
‫‪ anti sense‬הוא הקומפלימטרי לתבנית‪.‬‬
‫אם אנחנו יודעים מיהו הפרומוטור ומהי האוריינטציה‪ ,‬אנחנו יודעים מהי התבנית )גדיל ה‪(sense-‬‬
‫ואנו יודעים מהו הרצף של גדיל ה‪ anti-sense-‬שהוא זהה לגדיל ה‪ RNA-‬למעט החלפת ‪ T‬ב‪,U-‬‬
‫דבר המאפשר לנו לנתח את חומצות האמינו המתורגמות מהגדיל‪.‬‬
‫מבנה שניוני של ‪RNA‬‬
‫אמרנו ש‪ RNA-‬הוא חד גדיל; אולם הוא לא‬
‫מופיע כחד גדיל פרוש בתא‪ .‬בראש ובראשונה‬
‫הוא עטוף חלבון; שנית הוא יוצר קשרי מימן‬
‫בין הריבונוקליאוטידים היוצרים מבנים‬
‫שניוניים ואפילו שלישוניים‪ .‬קשרי המימן‬
‫שבין ריבונוקליאוטידים יכולים להיות בין ‪A‬‬
‫ו‪ C ,U-‬ו‪ G-‬ו‪ G-‬ו‪.U-‬‬
‫הפרומוטור‬
‫באיור אנחנו רואים את המספור של רצפים על הגן‪ .‬הנוקליאוטיד שממוספר ב‪ (+1)-‬הוא הנוקליאוטיד‬
‫הראשון ב‪) RNA-‬שימו לב‪ :‬לאו דווקא הראשון שיתורגם(‪ .‬מה שנמצא בכיוון ‪upstream‬‬
‫‪36‬‬
‫)כלומר‬
‫מכיוון '‪ 5‬לנוקליאוטיד ‪ (+1‬מסומן במספר שלילי וזה למעשה הפרומוטור של הגן‪ .‬באופן כזה מגדירים‬
‫‪ 36‬זרם של מה? הזרם של הסינטזה‪ :‬סינטזה נעשית מ‪ 5'-‬ל‪ 3'-‬ולכן ‪ Upstream‬לנקודה מסויימת זה לכיוון '‪ 5‬ו‪-‬‬
‫‪ Downstream‬לאותה נקודה הוא בכיוון '‪.3‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :14‬שיעתוק‬
‫‪147‬‬
‫את האתרים )‪ (-10‬ו‪ ,(-35)-‬שהם אתרים חשובים בפרומוטורים של פרוקריוטים )לא חשובים ללימוד‬
‫שלנו(‪ .‬המיספור הזה של המספרים השליליים נמשך עד שנגמר הרצף הרגולטורי ויכול להכיל בין עשרות‬
‫ועד אלפים של נוקליאוטידים – תלוי בחוזק של הפרומוטור‪.‬‬
‫הערות‪:‬‬
‫• הפרומוטור הוא לא מקום תחילת השיעתוק אלא הרצף הרגולטורי שקובע את קצב ורמת‬
‫השיעתוק של הגן‪.‬‬
‫• הפרומוטור עצמו נמצא תמיד לכיוון '‪ 5‬מאתר התחלת השיעתוק )‪ .(+1‬שימו לב שהדבר‬
‫בהתייחסות לגדיל של ה‪!sense-‬‬
‫• הפרומוטור הוא איזור רגולציה של גן‪ ,‬הוא איזור לא סימטרי שמחייב קשירה של פקטורי‬
‫שיעתוק ו‪ RNA-‬פולימראז‪ ,‬המתיישבים בצורה מאוד מסויימת שמכתיבה את כיוון השיעתוק –‬
‫הוא קובע איזה גדיל ישמש תבנית‪.‬‬
‫• אתר תחילת השיעתוק נמצא ‪ downstream‬לפרומוטור‪.‬‬
‫הטרמינטור‬
‫לאחר שה‪ RNA-‬משועתק‪ ,‬מגיע רצף הטרמינציה‪ .‬בעוד שהפרומוטור אינו משועתק ל‪ ,RNA-‬הטרמינטור‬
‫כן משועתק על מנת שיצליח לאותת את סיום השיעתוק‪ .‬אתר הסיום של שהיעתוק נמצא ‪downstream‬‬
‫לטרמינטור ולכן הוא מופיע בגדיל ‪.RNA‬‬
‫• הטרמינטור הוא רצף ב‪ DNA-‬וב‪.RNA-‬‬
‫• הפרומוטור מופיע ב‪ DNA-‬בלבד‪.‬‬
‫הטרמינטור מורכב משני רצפים קומפלימנטרים )אבל על אותו הגדיל( בעלי אוריינטציה הפוכה במרחק‬
‫קצר אחד מהשני‪ .‬כאשר הפולימראז מסנטז את שני המקטעים אלה‪ ,‬הם יוצרים מבנה שניוני של ‪RNA‬‬
‫בצורה ‪ .stem & loop‬מבנה שניוני זה מפריע להמשך הסינטזה על ידי פולימראז וגורם לו ליפול מתבנית‬
‫ה‪.DNA-‬‬
‫כיוון השיעתוק נקבע על ידי הפרומוטור‬
‫מכיוון שיש פרומוטורים בשני‬
‫הגדילים‪ ,‬יכול להיות מצב שבו‬
‫‪ sense‬של גן מסויים הוא ‪anti-‬‬
‫‪ sense‬של גן אחר‪ ,‬או לפחות‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪148‬‬
‫חלק ממנו‪ .‬הדבר תלוי בפרומוטורים‪ :‬אם יש על גדיל ה‪ anti-sense-‬פרומוטור עם כיווניות הפוכה‬
‫לפרומוטור של הגן הראשון‪ ,‬יווצר פה שיעתוק בכיוון הנגדי שיהפוך את גדיל ה‪ anti-sense-‬של הגן‬
‫הראשון לגדיל ‪ sense‬של הגן השני‪.‬‬
‫שימו לב‪ :‬מצב חפיפה בין גנים על שני‬
‫גדילים הוא נדיר אבל קיים‪.‬‬
‫שיעתוק – הבדלים בין‬
‫אאוקריוטיים לפרוקריוטיים‬
‫בתאים אאוקריוטיים יש גרעין בו נמצא החומר הגנטי; הגנים ב‪ DNA-‬מורכבים מאינטרונים ואקסונים‪,‬‬
‫שהם איזורים לא‪-‬מקודדים ומקודדים )בהתאמה(‪ .‬השיעתוק הראשוני של גדיל ה‪ RNA-‬נעשה לכל הגן –‬
‫על אקסוניו ואינטרוניו‪ .‬זהו ה‪) primary RNA transcript-‬באיור‪ :‬אינטרונים בצהוב ואקסונים בכחול(‪.‬‬
‫את ה‪ RNA-‬הראשוני יש לעבד בתהליך המכונה שיחבור )‪ :(splicing‬בתהליך זה נחתכים האינטרונים‬
‫מגדיל ה‪ RNA-‬ונשארים רק האקסונים‪.‬‬
‫במקביל לתהליך השיחבור מתרחשים שני תהליכים‬
‫נוספים‪ :‬קאפינג )‪ (5' capping‬והכנסת רצף פולי‪A-‬‬
‫)‪.(3' polyadenylation‬‬
‫לאחר שהגדיל עבר את שלושת תהליכי העיבוד האלו‪,‬‬
‫הוא ‪ mRNA‬מוכן ויכול לצאת מהגרעין לציטופלזמה‪.‬‬
‫לאחר היציאה מתרחש תהליך התרגום על ידי‬
‫ריבוזומים‪.‬‬
‫שימו לב‪ RNA :‬שלא מיועד לצאת לציטופלזמה לרוב‬
‫יעבור ספלייסינג אך לא קאפינג ולא פוליאדנילציה‪.‬‬
‫בתאים פרוקריוטיים יש לזכור‪ ,‬בראש ובראשונה‪,‬‬
‫שה‪ DNA-‬הוא מעגלי והוא נמצא בנוקליאוזום‪ ,‬איזור‬
‫ייעודי בציטופלזמה אך ללא מידור ממברנלי כמו‬
‫בגרעין‪ .‬הגנים שלו חסרי אינטרונים‪ ,‬כך שאין שום‬
‫צורך בעיבוד לאחר השיעתוק‪ ,‬ולכן כבר במהלך‬
‫שיעתוק‬
‫ה‪RNA-‬‬
‫מתיישבים‬
‫עליו‬
‫הריבוזומים‬
‫ומתרגמים אותו‪.‬‬
‫ההבדלים ב‪ mRNA-‬בין אאוקריוטים לפרוקריוטיים‬
‫אם נסתכל על ‪ mRNA‬סופי של אאוקריוט‪ ,‬אנחנו רואים שבקצה '‪ 5‬שלו יש מתיל‪-‬גואנוזין )גואנין שיש‬
‫לו קבוצה מתילית( וטרי‪-‬פוספט שקשורים לקצה '‪ .5‬הקשר הזה הוא מיוחד‪ ,‬כי זה קשר של '‪ 5‬ל‪ 5'-‬ולא‬
‫'‪ 5‬ל‪ 3'-‬כפי שהיה עד כה‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :14‬שיעתוק‬
‫‪149‬‬
‫בקצה '‪ 3‬יש רצף ארוך של כמה מאות‬
‫נוקליאוטידי אדנין )‪ .(A‬הרצף הזה‬
‫אינו חלק מה‪ ,DNA-‬הפולי‪ A-‬מתווסף‬
‫ל‪ RNA-‬לאחר השיעתוק‪ .‬התוספת‬
‫משפיעה גם על יעילות התרגום של‬
‫הגדיל וגם על היציבות שלו‪.‬‬
‫כמו כן בתוך ה‪ mRNA-‬יש איזור מקדד )לאחר הספלייסינג( ומשני צידי האיזור המקודד יש איזור לא‬
‫מקודד‪ .‬האיזור המקודד נפתח ב‪ AUG-‬ונסגר בקודון ‪ .STOP‬ה‪ RNA-‬מתחיל ‪ upstream‬לאיזור‬
‫המקודד‪.‬‬
‫ב‪ mRNA -‬הפרוקריוטי אין תהליכי‬
‫עיבוד ולכן קצה '‪ 5‬מכיל שלושה‬
‫פוספטים‪ ,‬שלא הורדו ממנו בחיבור‬
‫פוספו‪-‬דיאסטרי‪,‬‬
‫וקצה‬
‫'‪3‬‬
‫ריק‬
‫מתוספות‪.‬‬
‫ה‪ RNA-‬יוצא מוכן לתרגום כאשר יש עליו‪ ,‬לרוב‪ ,‬מספר איזורים מקודדים‪ ,‬המקודדים לכמה גנים שונים‪:‬‬
‫‪ RNA‬של פרוקריוט יכול לקודד לגן אחד אבל יכול לקודד גם עשרה גנים על אותו הרצף ועם אותו‬
‫פרומוטור )אופרון(‪ .‬הגנים לרוב מקודדים לאנזימים ופקטורים מאותו מסלול ביוכימי‪ ,‬וזהו למעשה‬
‫‪.37Poly-cistronic mRNA‬‬
‫הקבוצה הכימית ‪5' capping‬‬
‫מתילגואנוזין )קבוצה מתיל מחוברת לחנקן של גואנוזין(‬
‫יוצרת קשר בין פחמן ‪ 5‬של סוכר הנוקליאוטיד מתיל‪-‬גואנוזין‬
‫לבין פחמן ‪ 5‬של תחילת ה‪ .mRNA-‬הקישור הזה מחייב את‬
‫מתילגואנוזין להתחבר הפוך לגדיל‪ ,‬וזה מייצב את המולקולה‪:‬‬
‫המתילגואנוזין מונע למעשה מאנזימי ‪ RNAse‬שמפרקים‬
‫‪ RNA‬חסרי קאפ מלתקוף את הגדיל‪ ,‬וכן נקשר לקאפ חלבון‬
‫נוסף שעוזר בייצוב‪.‬‬
‫הקשר הזה מכונה אם כן ‪5'-to-5' triphosphate bridge‬‬
‫)גשר טרי‪-‬פוספט(‪.‬‬
‫‪ 37‬באופן דומה ה‪ mRNA-‬של אאוקריוטיים מכונה ‪ ,Mono-cistronic mRNA‬כי הוא מכיל רק גן אחד תמיד‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪150‬‬
‫יצירה של זנב פולי‪-‬אדנילין‬
‫בסוף הגן לא מופיע רצף הפולי‪ A-‬מבחינת הקידוד ב‪ DNA-‬אבל כן מופיע רצף הטרמינטור‪ ,‬המתקפל‬
‫למבנה שניוני של ‪ .stem & loop‬כאשר פולימראז רץ על ה‪ ,DNA-‬פקטורי שיעתוק שקשורים לזנב של‬
‫הפולימראז )לא ניכנס לשמות( מזהים את המבנה השניוני של הטרמינטור ששועתק ובעקבות הזיהוי‬
‫פקטורי השיעתוק חותכים את ה‪ RNA-‬באיזור‬
‫של רצף מאוד ספציפי )‪ (AAUAAA‬ולאחר‬
‫החיתוך אחד מחלבוני פקטורי השיעתוק מתחיל‬
‫להוסיף פולי‪) A-‬פולי‪ A-‬פולימראז(‪ .‬עקב‬
‫החיתוך ה‪ RNA-‬פולימראז יורד מהתבנית‪.‬‬
‫גנים‬
‫הם‬
‫רצפי‬
‫‪DNA‬‬
‫בעלי‬
‫משמעות‬
‫פונקציונאלית שמשועתקים ל‪ .RNA-‬ישנם‬
‫מספר סוגים שונים של ‪:RNA‬‬
‫•‬
‫‪ – mRNA‬גדיל ‪ RNA‬שמטרתו לצאת‬
‫לציטופלזמה ולהיות מתורגם לחלבון‪.‬‬
‫•‬
‫‪ – rRNA‬גדיל שתפקידו להיות חלק מהריבוזום‪ ,‬מכונת התרגום‪.‬‬
‫•‬
‫‪ – tRNA‬גדיל שתפקידו בשיעתוק‪ ,‬לזהות בין קודונים לחומצות אמינו‪.‬‬
‫ישנם עוד גדילים עם תפקידים שונים‪ ,‬וכולם הם תוצר של שיעתוק על פני גן‪ :‬לכולם היו פרומוטור‪,‬‬
‫טרמינטור‪ ,‬שיעתוק ופונקציה‪ .‬גדילים אלו הם ‪ RNA‬קטנטנים‪ ,‬ועל מיקרו‪ RNA-‬אנחנו צריכים לקרא‬
‫בקריאת החובה‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :14‬שיעתוק‬
‫‪151‬‬
‫לא כל הגדילים האלה מסונטזים על ידי אותו פולימראז; ישנם שלושה סוגים של ‪ RNA‬פולימראז‪ ,‬כאשר‬
‫הסוגים השונים משעתקים גדילים שונים‪.‬‬
‫פולימראז ‪ 1‬מזהה ומשעתק גדילים של ‪ rRNA‬וזה מבוצע בגרעינון; פולימראז ‪ 2‬מכיר גנים רבים‬
‫המתורגמים לחלבונים‪ ,‬אולם לאחרונה התגלה כי הוא מקודד לא רק ל‪ mRNA-‬אלא גם ל‪ RNA‬קטנים‬
‫ושונים‪ .‬פולימראז ‪ 3‬משעתק גנים ל‪ ,tRNA-‬חלק מה‪ rRNA-‬וחלק מהגדילים הקצרים‪.‬‬
‫פקטורי שיעתוק‬
‫‪ RNA‬פולימראז לא מתיישב לבד על הפרומוטור; הוא צריך עזרה‪ .‬בפרוקריוטים העזרה הזו היא‬
‫מינימלית‪ :‬הפרומוטור מזוהה על ידי תת‪-‬יחידה מסויימת )סיגמה‪-‬פקטור( המסוגלת גם לבצע את הפתיחה‪,‬‬
‫ובמקרים של פרומוטורים חלשים יש גם אקטיבטורים שעוזרים לסיגמה‪-‬פקטור להיקשר לפרומוטור‪.‬‬
‫לעומת זאת‪ ,‬בתאים אאוקריוטיים יש המוני פקטורי שיעתוק‪ .‬הרצפים של הפרומוטור הם מורכבים‬
‫ושונים מגן לגן‪ ,‬כל רצף קושר פקטורי שיעתוק אחרים‪ ,‬השיעתוק תלוי בחלבונים הנוכחים בסביבה‪ ,‬ולכן‬
‫יש דרישות של המון סוגי פקטורי שיעתוק‪ ,‬דבר הנותן בקרה נוספת‪ ,‬עדינה מאוד‪ ,‬שהיא לא רק לרמת‬
‫האם הגן משועתק או לא אלא נוגעת גם לרמה ולקצב‪.‬‬
‫חלק מהפקטורים נקשרים לפרומוטור וחלק נקשרים לפולימראז ומשנים אפיניות שלו לפרומוטור‪ .‬ישנו‬
‫חלבון נוסף )הכחול( שנקשר לאיזור רחוק מאוד ב‪ ;DNA-‬האילוסטרציה הזו באה להראות שישנם‬
‫רצפים רגולטוריים ב‪ DNA-‬שיכולים להשפיע על השיעתוק של גנים מרוחקים מאוד‪ ,‬על ידי קישור של‬
‫פקטורי שיעתוק שגורמים לקיפול של הכרומוזום )למרותש שהמודל הזה חדש יחסית ועדיין נחקר(‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫‪152‬‬
‫פקטורי שיעתוק פרוקריוטיים‬
‫בפרוקריוטיים יש יעילות גדולה של השיעתוק;‬
‫פקטור השיעתוק סיגמה נקשר ל‪ RNA-‬פולימראז‬
‫הפרוקריוטי‪ ,‬שקיים מסוג אחד בלבד בתא‬
‫הפרוקריוטי; הפקטור שיעתוק נקשר יחד עם‬
‫פולימראז אל הפרומוטור‪ .‬ללא סיגמה הפולימראז‬
‫לא יגיע לפרומוטור‪ .‬סיגמה פותח את שני‬
‫הגדילים‪ ,‬ולאחר שנפתחה בועה מספיק גדולה‬
‫יכולה להתחיל סינטזה; לאחר שהסינטזה עוברת‬
‫כ‪ 12-‬נוקליאוטידים הסיגמה יורד ופולימראז יכול‬
‫לרוץ על התבנית עד הטרמינטור‪ .‬לאחר שיעתוק‬
‫הטרמינטור ויצירת ה‪ stem & loop-‬הפולימראז‬
‫יורד‪.‬‬
‫פקטורי שיעתוק אאוקריוטיים‬
‫בתאים אאוקריוטיים‪ ,‬ה‪ DNA-‬ארוז על‬
‫ידי נוקליאוזומים והיסטונים‪ .‬כאן לא די‬
‫לפתוח את ה‪ DNA-‬צריך גם להסיט את‬
‫הנוקליאוזומים‪ .‬ההסטה אורכת שברירי‬
‫שניות עד שהשיעתוק ייגמר באותו‬
‫איזור‪.‬‬
‫איזור מסויים בשם ‪ TATA box‬קושר‬
‫אליו פקטורי שיעתוק; לאחר שכל‬
‫פקטורי השיעתוק נמצאים באיזור‪ ,‬וגם פקטורים אקטיבטורים מאקטבים את הפולימראז‪ ,‬יכול הפולימראז‬
‫להיקשר לפקטורי השיעתוק שעל הפרומוטור ולהתחיל בסינטזה‪.‬‬
‫אלמנטים רגולטוריים שהם רצפים‬
‫המרוחקים מאוד לרוב מהגן שאותו הם‬
‫מבקרים‬
‫יכולים‬
‫חלבון‬
‫לקשור‬
‫אקטיבציה מסויים‪ .‬החלבון הזה נדרש‬
‫לקומפלקס‬
‫של‬
‫פקטורי‬
‫השיעתוק‬
‫והפולימראז שעל ה‪ ,DNA-‬במרחק רב‬
‫מהם‪ .‬על ידי קיפול ה‪ DNA-‬יכולה‬
‫להיות אקטיבציה‪ ,‬כמודגם באיור‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫שיעור ‪ :14‬שיעתוק‬
‫‪153‬‬
‫שימו לב‪ :‬הפקטורים שציינו שעושים חיתוך של ה‪ RNA-‬לאחר הטרמינטור‪ ,‬אינם פקטורי שיעתוק‬
‫כי אם חלבונים הקשורים למערכת העיבוד של ה‪ ,RNA-‬זאת משום שהם לא משפיעים על היכולת‬
‫של הפולימראז לסנטז יותר או פחות מה‪.RNA-‬‬
‫גנים של פרוקריוטים ואאוקריוטים‬
‫גנים של פרוקריוטים מורכבים מאיזור מקודד‪ ,‬ללא תחכום רב; באאוקריוטים הגן מורכב מהרבה מאוד‬
‫אקסונים ויותר מכך אינטרונים – שהם איזורים לא מקודדים‪ .‬ה‪ RNA-‬משעתק במדויק את כל הגן‪ ,‬כך‬
‫שמתקבלת בתחילת מולקולה‬
‫ראשונית ארוכה מאוד הנמצאת‬
‫בגרעין‪ .‬אז היא תתחיל לעבור‬
‫תהליך‬
‫שיחבור‪,‬‬
‫של‬
‫בו‬
‫האינטרונים יוצאים והאקסונים‬
‫נותרים‪.‬‬
‫ההוצאה של אינטרונים אינה‬
‫סימולטנית ואפילו אינה בעלת‬
‫סדר קבוע‪.‬‬
‫אם נסתכל בגרעין על רצף ‪ RNA‬שמקודד לגן ספציפי‪ ,‬ונתהה אודות האורך של ה‪ RNA-‬המקודד מאותו‬
‫הגן‪ ,‬נקבל אורכים שונים‪ :‬בין האורך המקסימלי של כל האקסונים ‪ +‬כל האינטרונים לבין האורך הסופי‬
‫המינימלי של אקסונים בלבד‬
‫ישנם כל האורכים האפשרייים‬
‫בזמני הוצאת אינטרונים שונים‪.‬‬
‫לפיכך בגרעין יכולים להימצא‬
‫אורכים שונים של אותו הגן‪.‬‬
‫שיחבור ‪Splicing -‬‬
‫תהליך זה הוא מורכב מאוד ואנו לא ניכנס לפרטיו; בתהליך זה מוציאים את האינטרונים מה‪ .RNA-‬באיור‬
‫אנחנו רואים אקסונים בתכלת ואינטרונים בצהוב‪ .‬בגרעין ישנם חלבוני שיחבור רבים שיודעים להיקשר‬
‫לאינטרונים‪ .‬כמו כן חלבונים אחרים יודעים לסמן את הצמתים בין אינטרונים ואקסונים‪ ,‬מקומות בהם יש‬
‫לחתוך‬
‫הצהוב‬
‫)החלבונים‬
‫והכתום‪ U1 ,‬ו‪.(U2-‬‬
‫התהליך‬
‫נעשה‬
‫על‬
‫ידי‬
‫‪ ,spliceosome‬מכונה מיוחדת‬
‫שעורכת‬
‫הספליסוזום‬
‫את‬
‫בנוי‬
‫ה‪.RNA-‬‬
‫מ‪RNA-‬‬
‫וחלבונים‪.‬‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫‪154‬‬
‫ביולוגיה של התא ‪ -‬הרצאות‪1‬‬
‫שיחבור חלופי‬
‫בתאים אאוקריוטים יש הרבה פחות‬
‫גנים לעומת כמות החלבונים שיש בהם;‬
‫בעוד שיש כ‪ 90,000-‬חלבונים שונים‬
‫בגוף האדם‪ ,‬מספר הגנים הוא כ‪-‬‬
‫‪ 26,000‬בלבד )לאחר פיענוח הגנום‬
‫האנושי(‪ .‬ההסבר לתופעה זו הוא‬
‫שקיים שיחבור חלופי ) ‪alternative‬‬
‫‪ :(splicing‬יצירה של מולקולות ‪ mRNA‬שונות שיוצאות לתרגום בציטופלזמה ומקורן מגן אחד‪ ,‬זאת על‬
‫ידי חיבור בסדרים חלופיים בין אקסונים ואינטרונים שיוצרים את גדיל ה‪ .mRNA-‬בצורה זו ניתן ליצור‬
‫חלבונים שונים מאותו הגן‪.‬‬
‫הגן אלפא‪-‬טרפומיוזין )משמאל( הוא‬
‫אחד הגנים הראשונים שגילו לגביהם‬
‫שיחבור חילופי‪ .‬כאשר ניסו לעשות‬
‫שיבוט של הגן ראו שברקמות שונות‬
‫החלבונים שונים‪ ,‬כאשר כל ריקמה‬
‫פיתחה חלבון המתאים יותר לתפקוד‬
‫שלה‪.‬‬
‫סיכום‬
‫בסופו של תהליך‪ ,‬בתאים אאוקריוטיים‪ ,‬ה‪ mRNA-‬צריך לצאת אל הציטופלזמה‪ .‬לאחר תום השיחבור‪,‬‬
‫ה‪ mRNA-‬הינו בעל הקאפ באיזור '‪ 5‬וזנב פולי‪ A-‬באיזור '‪ .3‬חלבונים מתוך הגרעין נקשרים ל‪:RNA-‬‬
‫הראשון שנקשר הוא חלבון שכבר ציינו‪ 5' cap binding protein ,‬וכן נקשר ‪poly-A-binding‬‬
‫‪ protein‬ועוד רצפטור טרנספורט גרעיני‪ ,‬חלבון "סבל" שסוחב את הגדיל אל הממברנה של הגרעין‪.‬‬
‫בממברנה קיים קומפלקס חריר הממברנה )‪ ;(nuclear pore complex‬החריר צריך להתרחב על מנת‬
‫שהגדיל ייצא‪ ,‬ולכן הקומפלקס יכול לזהות את החלבונים שיושבים על ‪ mRNA‬גמור ותוך כדי השקעת‬
‫אנרגיה מוציאים את ה‪ .mRNA-‬עם היציאה‪ ,‬החלבונים שעטפו את ה‪ RNA-‬בגרעין מוחלפים על ידי‬
‫חלבונים מהציטופלזמה כי אם ‪ RNA‬יהיה עירום בציטופלזמה הוא ייתפרק מיד‪.‬‬
‫חלבון הטרנספורט משתחרר וחוזר לגרעין; חלבון קשירת ה‪ 5'-‬קאפ מוחלף בחלבון ציטופלזמטי שמונע‬
‫פירוק וגם משמש במערכת התרגום – הוא מזוהה על ידי הריבוזומים על מנת שיתחילו בתרגום הגדיל‪ .‬גם‬
‫החלבון שנקשר לפולי‪ A-‬מוחלף במקביל שלו מהציטופלזמה שאחראי על ייצוב ושמירה על הגדיל‪.‬‬
‫חמוטל בן דב‬
‫החוג לביולוגיה‪ ,‬אוניברסיטת תל אביב‪2010 ,‬‬
`