"אנזימים נוצרים על סמך הוראות המקודדות ב־DNA" – אם הייתי אומר את המשפט הזה לפרופסור לביולוגיה לפני מאה שנים, הוא כנראה היה חושב שהחלקתי על צלחת פטרי. כיום הוא מופיע בכל ספר הכנה לבגרות בביולוגיה. אך מי ניסח אותו? איך ומתי בכלל הגיעו למסקנה הזאת? בואו לגלות כיצד שני חוקרים הראו לראשונה איך מוטציות משפיעות על תהליכים ביוכימיים בתא, ואיך זבובים קטנים עזרו להם להגיע לתגליות מכריעות שעליהן מבוססת רוב ההבנה שלנו בביולוגיה כיום.

פרסומת

בהשראת הקורס "גנטיקה של חיידקים" שמלמד פרופסור אייל גור מאוניברסיטת בן גוריון.

הקוד הגנטי שלנו מכיל את ההוראות ליצירת חלבונים בתא. רצפי *DNA (גנים) משועתקים ל־RNA, אשר יוצא מן הגרעין ומתורגם לחלבון [1]. שינוי ברצף ה־DNA (מוטציה) עלול לגרום לשינוי במבנהו של החלבון הנוצר. חלבונים המתורגמים על סמך הוראות "שגויות" עלולים שלא לפעול כראוי – ולעיתים אף לגרום למחלה. בעידן הביולוגיה המודרנית, הקשר בין מוטציות ותורשה לבין פעילות חלבון או הופעת מחלה מובן מאליו – אך מתי ואיך התגלה קשר זה?

בתחילת המאה העשרים חקר החלבונים היה חלק מתחום הביוכימיה – תחום מחקר העוסק, בין היתר, בפעילותם של אנזימים – חלבונים המשמשים כמכונות מולקולריות המאיצות תגובות כימיות בתא. האנזימים מתפקדים כמו פועלים בפס ייצור שבתחילתו חומר אחד ובקצהו חומר אחר – התוצר. מסלולים של תגובות המזורזות על ידי אנזימים שונים הם הבסיס למטבוליזם של יצורים חיים – היכולת להשתמש בחומרים מהסביבה או מתוך הגוף וליצור מהם חומרים חדשים הנחוצים לתהליכי החיים. הגנטיקה, לעומת זאת, עסקה בעיקר בהורשה של תכונות. בתחילה לא עלה על הדעת שיש ממשק בין שני תחומים אלו, עד שבשנת 1902 הבחין רופא בריטי בשם אריצ'יבלד גארוד (Garrod) שמחלת השתן השחור (alkaptonur – מחלה שבה מצטבר בשתן חומר המתחמצן והופך שחור במגע עם האוויר) מקיימת דפוס הורשה מנדליאני רצסיבי. בפשטות – אם שני הורים נושאים את המחלה, רבע מילדיהם יהיו חולים [2]. כלומר, מחלות המתאפיינות בפגם מטבולי יכולות להיות תורשתיות!

הבחנתו של גארוד לא הכתה גלים, אך כשלושה עשורים לאחר מכן, בשנת 1935, שני מדענים – ג'ורג' בידל (Beadle) ובוריס אפרוסי (Ephrussi) – התרשמו מרעיונותיו והחליטו לבדוק אם ניתן להוכיח קשר בין גנים לבין פעילות חלבונים [3]. הכלי המחקרי שעמד לרשותם היה זבוב התסיסה (Drosophila melanogaster). הם הצליחו למצוא התאמה בין תכונות של פרטים מסוימים, לדוגמה צבע עיניים, לבין גנים ב־DNA*. כך, לכל מוטציה גנטית הם שייכו תכונה מסוימת (פנוטיפ, או מופע בעברית). לזבוב התסיסה יש שלב התפתחות מוקדם, לרווה או זחל, המחולק למדורים אשר מתפתחים לאיברים שונים בזבוב הבוגר. אפשר להסיר מדור מסוים או להחליפו במדור אחר, והשינוי יתבטא בזבוב הבוגר. למשל, אם נשתיל בבטן הזחל מדור המתפתח לעין, יגדל זבוב עם עין בבטן (איכס).

ברשות החוקרים היו זבובים מוטנטים בעלי פגם בצבע העיניים – לכל מוטנט צבע  שונה. זבובים בעלי עיניים בצבע "רגיל" מכונים זן הבר (Wild type). אם ברצוננו ללמוד על אופי הורשה של מוטציה, נבצע הכלאות בין זבובים ונבדוק כמה מהצאצאים יבטאו את המוטציה. אך אם נשתיל רקמה של זבוב מוטנטי (למשל רקמה המתפתחת לעין) בזבוב מזן הבר, איזה צבע עין יתקבל? מכיוון שלא מדובר בהכלאה בין זבוב לזבובה, אין אפשרות שתכונת צבע העין של זן הבר פשוט תעבור לעין של הזבוב המוטנט… נכון?

ובכן, טענה זו הייתה נכונה לגבי רוב המוטנטים שהיו ברשות החוקרים, למעט שניים: Vermillion (vm) ו־Cinnabar (cm). השתלת עין מזחל של מוטנטים אלו בגוף מזן הבר גרמה להתפתחות זבוב בעל צבע עיניים רגיל – הצבע של זן הבר (איור 1).

איור 1

הזבוב שנוצר אינו תוצאה של הכלאה, אלא של השתלת עין מוטנטית בגוף שאינו מוטנטי – כלומר, אין ערבוב בין ה־DNA של המוטנט לבין זה של זן הבר. איך ניתן להסביר זאת? החוקרים שיערו שגופו של זן הבר מספק לעין המוטנטית את חומר הביניים החסר להשלמת תהליך יצירת העין (נקרא לו i, איור 2). אם אכן זה כך, זבוב מוטנטי הוא זבוב הפגוע באנזים במסלול ליצירת צבע העין התקין.

איור 2

וכאן עולה שאלה נוספת: האם שני המוטנטים פגועים באותו אנזים? כדי  לענות על השאלה ערכו החוקרים ניסוי השלמה ("קומפלמנטציה"). אם שני המוטנטים פגועים באותו אנזים, שניהם אינם מייצרים את אותו חומר ביניים i החסר להם להשלמת התהליך ליצירת צבע תקין. לכן, אם נשתיל עין של מוטנט אחד באחר, רקמות הגוף של מוטנט א' לא יוכלו "להשלים" למוטנט ב' את מה שחסר לו (בשונה ממה שקורה בהשתלה של עין מוטנטית בגוף מזן הבר). אך אם המוטנטים פגועים באנזימים שונים, כל אחד מהם "תקוע" עם חומר ביניים אחר (נקרא להם  i1 ו־i2) באחד מהשלבים במסלול ליצירת צבע העין. נזכור כי במצב זה אנזים תקול במוטנט אחד עדיין עובד במוטנט השני! כלומר, אחד מהמוטנטים יכול "להשלים" למוטנט השני את חומר הביניים החסר לו כדי להמשיך את המסלול.

מה היו תוצאות הניסוי בפועל?
כאשר החוקרים השתילו עין ממוטנט cn בגופו של מוטנט vm, התפתח זבוב עם עין בצבע של cn. כלומר, מוטנט vm אינו יכול להשלים למוטנט cn את חומר הביניים החסר לו.
בניסוי ההפוך – השתלת עין ממוטנט vm בגופו של מוטנט cn – התפתח זבוב בעל צבע עיניים של זן הבר! משמעות הדבר היא שמוטנט cn הצליח להשלים לעין של vm את החומר החסר. מתוצאות אלו הסיקו החוקרים לא רק ששני גנים אלו מתורגמים לאנזימים שונים, אלא גם שפעילותו התקינה של אחד מן האנזימים תלויה בפעילות התקינה של השני, כך שהשלמת המסלול ליצירת צבע העיניים אפשרית רק כאשר שני האנזימים פועלים כראוי (איור 3).

איור 3

בעקבות ניסויים אלו  טבעו החוקרים את המונח אפיסטזיס – מצב גנטי שבו ההשפעה של מוטציה אחת "מוסתרת" על ידי מוטציה אחרת. זו הייתה עדות ראשונה לכך שגנים שונים אחראים לייצור חלבונים שונים, ולכך שגנים שונים באים לידי ביטוי באותו מסלול מטבולי.

*מי אמר ש"גנים" נמצאים ב־DNA? מוזמנים לקרוא את הפוסטים "מה הוא החומר התורשתי?" [4] ו"מחומר לתכונה" [5].

עריכה: סמדר רבן

מקורות והרחבות

1. פוסט על RNA
2. על Archibald Garrod בוויקיפדיה
3. המאמר של Beadle ו־Ephrussi
4. מה הוא החומר התורשתי?
5. מחומר לתכונה