התבטאות גנים

התבטאות גנים היא התהליך בו מידע האצור בגן אחד או יותר מתורגם לתוצר גני תפקודי. רוב הגנים יוצרים בסוף תהליך ההתבטאות תוצר חלבוני אחד או יותר. יתר הגנים שאינם מקודדים לחלבון יוצרים תוצר של RNA לא מקודד תפקודי, כדוגמת רנ"א-ריבוזומלי (rRNA), tRNA ועוד^[1].

תהליך זה מופיע בכל צורות החיים הידועות – אאוקריוטים (כולל אורגניזמים רב-תאיים), פרוקריוטים (חיידקים וארכאונים), ומשתמשים בו גם הנגיפים – והוא אחראי ליצירת המנגנון המקרומולקולרי החיוני לחיים. תהליך ההתבטאות מתומצת בדוֹגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית, כפי שנוסחה על ידי פרנסיס קריק ב-1958, והורחבה לאחר מכן.

בגנטיקה, התבטאות גנים היא הרמה הבסיסית ביותר בה הגנוטיפ מוביל לפנוטיפ, שכן הקוד הגנטי מקבל ביטוי מעשי באמצעות תהליך זה, ותכונותיהם של תוצרי ההתבטאות יוצרות בסופו של תהליך את הפנוטיפ של היצור כולו.

מרכיביו העיקריים של תהליך ההתבטאות הם שלבי השעתוק, שחבור (באאוקריוטים בלבד), תרגום וקיפול חלבונים – כאשר כל שלב נמצא תחת בקרה. בקרת גנים שולטת על התזמון, המיקום והכמות של תוצרי הגנים.

פעולות בתהליך ההתבטאות

שעתוק

ערך מורחב – שעתוק (ביולוגיה)

יצירת גדיל RNA המשלים לקטע ה-DNA ממנו נוצר נקרא שעתוק, ונעשה באמצעות החלבון RNA פולימראז אשר מציב ריבונוקליאוטיד בגדיל ה-RNA שנוצר, המשלים לגדיל התבנית, וזהה לגדיל המקודד, שבעצמו גם משלים לגדיל התבנית (מלבד החלפה של הבסיס תימין באורציל).

על אף שעקרון השעתוק זהה בין פרוקריוטים ואאוקריוטים, לפיו נוצרת מולקול RNA המשלימה למקטע DNA מסוים, ישנם הבדלים בתהליך עצמו, בבקרה על התהליך ובחלבונים השותפים.

לאחר השעתוק, מולקולות ה-RNA עוברות עיבודים שונים, ובנוסף יכולות לעבור עריכה. RNA שאינו מקודד לחלבון מתקפל ליצירת מבנה שניוני יציב ופעיל. מולקולות pre-mRNA המיועדות להיות חלבונים עוברות שלבי עיבוד נוספים, עד שהופכות למולקולות mRNA בוגרות אשר מתורגמת לחלבונים.

עיבוד mRNA

איקריוטים

איור של מולקולת ה-pre-mRNA (למעלה), ובה אקסונים (אדום) ואינטרונים (תכלת) ומולקולת mRNA בוגרת הנוצרת ממנה לאחר תהליכי העיבוד. האזורים שאינם מתורגמים (בירוק) לא ייכללו בחלבון שייווצר לאחר התרגום. הכיפה והזנב (בצהוב ובכחול, בהתאמה) נוספו בתהליך העיבוד ואינם מגיעים מהגן העובר התבטאות

mRNA באיקריוטים חייב לעבור כמה שלבי עיבוד בכדי להיות בשל לשלב התרגום.

1. הוספת כיפה לקצה 5' של ה-mRNA, המייצב את המולקולה ומונע את פירוקה. לכיפה זו נקשר קומפלקס המאפשר את יצירת התעתיק מהגרעין התא לציטוזול, שם מתרחש התרגום.
2. פוליאדנילציה – הוספת זנב פוליאדנין (polyA) לקצה 3' של ה-mRNA, אשר תורם ליציבות התעתיק.
3. שחבור – ה-pre-mRNA באיקריוטים כולל אקסונים ואינטרונים. בתהליך השחבור מוסרים האינטרונים והאקסונים מוצמדים זה לזה. השחבור מאפשר יצירת חלבונים שונים מאותו הגן באמצעות תהליך של שחבור אלטרנטיבי, באמצעות הכללת או הסרת אקסונים.

פרוקיוטים

ה-mRNA הפרוקריוטי מוכן לתרגום מייד לאחר השעתוק, וזאת מפאת חוסר ההפרדה הפיזי בין התהליכים (באיקריוטים, ממברנת הגרעין יוצאת חיץ פיזי ביניהם). נוסף על כך, בגנום הפרויקריוטי אין אינטרונים, ולכן אין צורך בשלב השחבור.

עיבוד RNA לא מקודד

ערכים מורחבים – rRNA#ייצור rRNA, microRNA#ביוגנזה

ברוב היצורים, RNA לא מקודד משועתק כפרוקורסור שעובר עיבוד לקבלת התוצר הפעיל. עיבודים אלו כוללים ביקועים שונים, הסרת חלקים מהרצף, עיבודים כימיים לבסיסים עצמם (כמו מתילציה ופְּסֵידוֹאוּרְדִּילַצְיׇה (אנ')).

תרגום

ערך מורחב – תרגום (ביולוגיה)

תרגום הוא תהליך בו מולקולות RNA מקודדות משמשות כקוד לייצור חלבון על ידי שרשור חומצות אמינו. מולקולת mRNA הנושאת מידע שיקודד לחלבון אחד נקראת מונוציסטרונית, וזוהי הצורה הנפוצה באיקריוטים. מולקולות mRNA פוליציסטרוניות מכילות מידע שיקודד למספר חלבונים שונים, ונפוצות בפרוקריוטים (אופורונים, ניתן למצוא גם באיקריוטים מסוימים). כל מולקולת mRNA יכולה לתרגם עותקים רבים של המידע. ביונקים נוצרים בממוצע 2,800 חלבונים זהים מ-mRNA בודד.

בשלב זה מולקולת ה-mRNA הבוגרת יכולה להכיל שלושה חלקים, כאשר הראשון והשלישי אינם הכרחיים ומשמשים לבקרה וליציבות:

1. אזור לא מתורגם בקצה 5' (UTR '5)
2. אזור מקודד
3. אזור לא מתורגם בקצה 3' (UTR '3)

באזור המקודד נמצא מסגרת הקריאה, אשר מתורגמת בשלשות (קודונים), כאשר כל שלושה ריבונוקליאוטידים מסמלים חומצה אמינית או את נקודת סיום התרגום. כאשר מולקולת ה-mRNA נמצאת בריבוזום, tRNA ניגשים לקודון ובודקים האם האנטי-קודון שלהם משלים לקודון ב-mRNA, ואם כן, החומצה האמינית משורשרת לחלבון המתארך, והריבוזום נע לקודון הבא.

בפרוקריוטים תהליך התרגום נעשה תוך כדי תהליך השעתוק.

קיפול חלבונים

חלבון לפני הקיפול ואחריו

ערך מורחב – קיפול חלבונים

היררכיית מבנה החלבון

קיפול חלבונים הוא תהליך בו החלבונים שזה עתה נוצרו מקבלים מבנה תלת-ממדי. כיוון שהחלבון במבנהו הראשוני, כלומר כשרשרת ארוכה של חומצות אמינו ללא מבנה מוגדר, אינו פעיל – כדי למלא את ייעודו עליו להתקפל, כלומר ליצור מבנה תלת-ממדי. בסיום הקיפול, החלבון נמצא במבנה המכונה מבנה נטיבי (Native state). מבנה שניוני של חלבון כולל לרוב אלמנטים מחזוריים, כגון סליל אלפא ומשטח בטא, הנובעים מקשרי מימן בין קבוצות ה-NH וה-CO של הקשרים הפפטידיים בשרשרת הראשית. מבנה שלישוני מתייחס למבנה המרחבי של מקרומולקולה אחת המתקפלת במרחב, ומבנה רביעוני הוא חיבורם של מבנים שלישוניים יחד.

שינוע

חלבונים צריכים לפעול במיקום תוך או חוץ תאי מסוים. לשם כך הם מועברים בצורה אקטיבית למיקום היעד. חלבונים יכולים לשאת ברצף אות פפטידי המאותת לתא היכן החלבון צריך להתבטא. בפרוקריוטים מדובר בתהליך פשוט יותר, בגלל שאין מידור תוך-תאי. באיקריוטים, לעומת זאת, ישנם תהליכים רבים הדואגים לכך שכל חלבון יגיע לאתר היעד שלו, כגון אברונים בתוך התא, המטריצה החוץ-תאית או תאים אחרים (הורמונים, לדוגמה). באיקריוטים, מערכת גולג'י מעבדת מולקולות חלבון ומכווינה אותן לאזורים שונים בתא.

ראו גם

• בקרת גנים
• בקרת שעתוק

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא התבטאות גנים בוויקישיתוף

• ביטוי גנים, דף שער בספרייה הלאומית

הערות שוליים

1. https://stwww1.weizmann.ac.il/bioinformatics/glossary/ביטוי-גנים/