סינדרלה שעלתה לגדולה או: סיפורו של הד.נ.א

חיברה: ד"ר רות בן צבי, המחלקה להוראת המדעים, מכון ויצמן למדע

חלק א' - ההיסטוריה של הד.נ.א

עם מעט דמיון, אפשר לדמות את סיפורו של ה-DNA לסיפורה של סינדרלה. במשך שנים רבות מאוד, למעשה עד לשנות החמישים של המאה העשרים, נחשב ה - DNA כחומר חסר כל חשיבות ביולוגית, ובודאי שהרעיון שזהו החומר הגנטי, כלומר החומר האחראי להעברת כל התכונות הַמּוּלָדוֹת והמיוחדות לכל זן, נחשב למגוחך. המועמד המועדף לתפקיד זה היו החלבונים. יתכן כי מה שגרם להתלהבות הרבה בה ניתן התפקיד הגנטי לחלבונים נבעה, לפחות חלקית, מן העובדה שבאלפא-בית של הלשונות האירופאיות יש כעשרים אותיות ובחלבונים יש כעשרים חומצות אמינו שונות ולכן נראה היה הגיוני לקשר בין השניים. בסקירה הבאה יובאו נקודות הציון החשובות ביותר בדרך שהעלתה את סינדרלה למקום המכובד בו נמצא כיום ה-DNA.

• 1856– 1865 גרגור מנדל (Gregor Mendel) "מייסד" את מדע הגנטיקה.

מנדל היה נזיר שעסק במשך שנים רבות בניסויי הכלאה בין אפונים בעלי תכונות שונות (צבעי פריחה שונים או תכונות הפרי). המיוחד לעבודתו הוא היסוד הכמותי של ניסוייו, כלומר הוא ספר את הצאצאים בעלי התכונות השונות של כל הכלאה (Hybridization). מסקנותיו היו:
1. כל אחד נושא שני פקטורים (בלשון ימינו – גנים) שירש מהוריו.
2. גן עשוי להיות דומיננטי כלומר הוא בא לדי ביטוי בדור השני מכיוון שהוא ממסך את השפעתו של הגן האחר. מנדל כינה את הגן הממוסך בשם פקטור רצסיבי (נשלט). הגן הרצסיבי שב ומתבטא בדור שלאחר מכן ביחס 3:1.
3. הפקטורים נפרדים בשעת יצירת הגמטות (תאי רבייה). כל גמטה נושאת עותק אחד של כל פקטור.
4. בהפריה מתרחש זיווג אקראי של כל הגמטות האפשריות.

• 1869 –פרידריך מיצ'נר (Johann Friedrich Miescher) גילה בתוך מוגלה שנמצאה על תחבושות שנזרקו חומר בעל תכונות חומציות חלשות. היות והחומר נמצא בתוך גרעיני התאים הוא כינה אותו בשם "נוקלאון". חומר זה כונה לאחר מכן בשם – DNA.

1878 – אלברט קוסל (Ludwig Karl Martin Leonhard Albrecht Kossel) קבע את המבנה הכימי של חמש המולקולות המרכיבות את חומצות הגרעין : אדנין, ציטוזין, גואנין, טימין ואורציל.

• 1882 – וולטר פלמינג (Walther Fleming) היה חלוץ בשימוש בצבעי אנילין לחקר מבנה התא. הוא מצא כי שימוש בסוג מסוים של צבע מגלה חומר דמוי חוטים בגרעיני תאים. הוא הרג תאים שונים ומיפה את השינויים החלים בשלבים השונים של חלוקתם. הוא הצליח להראות כי החוטים, שנקראו לאחר מכן כרומוזומים, מתקצרים, מִתְעַבִּים ומתפצלים לאורכם לשני חלקים שכל אחד מהם נודד לקוטב אחר של התא. הוא כינה את התהליך כולו בשם מיטוזה. ההשלכות של תגלית זו לא הוערכו עד שנתגלתה מחדש תגליתו של מנדל וניתן היה לראות את הקשר בין השניים.
• 1900 – משנתו של מנדל נתגלתה מחדש באופן בלתי תלוי על-ידי שלושה חוקרים.
• 1902 – שני חוקרים, וולטר סאטון (Walter Stanborough Sutton) ותיאודור בובארי (Theodor Boveri), הציגו את תיאוריית הכרומוזומים (Boveri–Sutton chromosome theory) הקובעת באופן מוחלט כי הכרומוזומים הם מעבירי התורשה. הם הראו גם את הקשר בין הכרומוזומים לבין חוקי התורשה כפי שניסח מנדל בזמנו ואשר התגלו מחדש. סאטון הציע גם כי הכרומוזומים נושאים גנים והם האחראים להעברת תכונות וזאת בניגוד למה שחשבו אז כי כל תכונה מועברת על-ידי כרומוזום שלם.
• 1912 – הפיזיקאים וויליאם הנרי בראג (Sir William Henry Bragg) ובנו וויליאם לורנס בראג (Sir William Lawrence Bragg), הבינו כי ניתן להגיע למסקנות אודות המבנה האטומי של גבישים מן התבניות המתקבלות מעקיפה של קרני רנטגן.
• 1924 – מחקרים מיקרוסקופיים בהם השתמשו בשיטות צביעה מיוחדות ל- DNAולחלבונים הוכיחו כי שני סוגי החומר האלה נמצאים בכרומוזומים.
• 1927 – ניקולאי קוזלוב (Nikolai Koltsov) שהיה ציטולוג רוסי, הציע כי תכונות מוּרָשׁוֹת עוברות על-ידי "מולקולת ענק תורשתית" העשויה להיות מורכבת משני גדילים שישוכפלו במנגנון שבו כל גדיל ישמש כתבנית לשכפול (בכך הקדים קוזלוב ב-25 שנים את מודל הסליל הכפול עליו קיבלו ווטסון וקריק את פרס נובל).
• 1928 – פרנקלין גריפית (Franklin Griffith) ביצע ניסוי (Griffith's experiment) בו מצא שמידע גנטי יכול לעבור מחיידקים שהומתו בחום לחיידקים חיים. זו הייתה ההוכחה הראשונה שהחומר הגנטי יציב בחימום.
• 1931 – ברברה מקלינטוק (Barbara McClintock) גילתה את השחלוף (Chromosomal crossover) המתרחש בתחילת תהליך המיוזה בין חלקים של כרומוזומים הומולוגיים.
• 1944 – אוסוולד אוורי (Oswald Avery) ועמיתיו מבצעים ניסוי בו הם מזהים את ה"חומר המעביר" של גריפית הוא DNA. קביעה זו התקבלה בבוז על-ידי החוקרים האחרים בשטח מכיוון שרובם עדיין חשבו שמבנה ה- DNA פשוט מכדי שישמש להעברת מידע גנטי.
• 1949 – אדווין צ'ארגף (Erwin Chargaff) מצא כי בכל המינים שנבדקו יש שוני בכמויות ה- DNA ובהרכב הבסיסים שלו אך בכל מין הייתה כמות האדנין (A) זהה לכמות התימין (T), וכמות הגואנין (G) זהה לכמות הציטוזין (C).
• 1953 – פרנסיס קריק (Francis Crick), ג'יימס ווטסון (James Dewey Watson) ורוזלינד פרנקלין (Rosalind Franklin) קבעו את מודל הסליל הכפול של DNA.
• 1961 – פרנסיס קריק (Francis Crick) וסידני ברמר (Sydney Brenner) גילו כי שלושה בסיסים (קודון) דרושים כדי לְקוֹדֵד חומצת אמינו אחת. כידוע, חיבור של מספר חומצות אמיניות יוצר חלבון ולכן, בסוף כל רצף גנטי ליצירת חלבון מסוים נמצא קודון סיום – Stop Codon שתפקידו לסיים את הקידוד לחלבון הספציפי, בכדי להתחיל לייצר את החלבון הבא.
• 1966 – צוותים בראשותם של מרשל נירנברג (Marshal Warren Nirenberg‏) והאר גובינד קורנה(Har Gobind Khorana), הראו כי קודונים של שלושה בסיסים הם השפה שבה RNA מהווה את המתווך ביצירת חלבונים.
• 1973 – בפעם הראשונה הועבר DNA מיצור אחד לאחר. הסיפור החל בפגישה שהתרחשה בכנס מדעי בהוואי בין סטנלי כהן (Stanley Cohen) והרברט בויאר (Herbert Boyer). כהן פיתח שיטה לבידוד של גנים ספציפיים בפלסמידים של החיידק E. coli, ובויאר גילה אנזים מגביל (restriction enzyme). הם איחדו את שטחי המומחיות שלהם ובזאת נפתח העידן של תעשיית הגנטיקה המולקולרית המגלגלת ביליוני דולר.
• 1977 – בפעם הראשונה סונתזה תרופה אנושית, האינסולין, על-ידי החיידק E. coli.

להלן אתר המתאר כיצד נעשה הדבר: http://www.abpischools.org.uk/res/coResourceImport/modules/hormones/en-flash/geneticeng.cfm

• 1980 – פותחה "תגובת השרשרת של פולימראז" המאפשרת לשכפל עותקים רבים של מקטע DNA. שיטה זה היוותה פריצת דרך להיבטים שונים של מחקר ושימושים ב-DNA, בין השאר לפיתוח הדרך לקבוע את טביעת אצבעות של DNA על-ידי אלק ג'פריס (Alec Jeffreys) ב-1984.
• 1997 – פורסמה לראשונה ההצלחה לשיבוט של יצור בעל דם חם – הכבשה דולי.
• 2000 –הסתיים פרויקט המיפוי של הגנום האנושי

חלק ב' – כיצד משפיע הידע המצטבר אודות הד.נ.א על עולמנו?

מהי המשמעות של מיפוי הגנום האנושי?

אחד הגורמים השנויים במחלוקת ביותר בשנים האחרונות, הוא כל נושא המחקרים ב- DNA לסוגיהם השונים. נראה כאילו מאז הויכוח על מקומם היחסי של הארץ והשמש ביקום, לא היה נושא מדעי אשר ייצר כל-הרבה מחלוקות ואמוציות ואשר כיכב כל-כך במוּדָעוּת האנושית. מטבע הדברים אין כל אפשרות לצטט אפילו חלק קטן ביותר מכל מה שנאמר ונכתב על הנושא, ולכן מובא כאן לקט מצומצם ביותר ונעשה ניסיון להציג מדגם של דעות חלוקות.

מפת הגנום: אתגר העתיד של האנושות http://lib.cet.ac.il/pages/item.asp?item=18031
הגנום האנושי : מבוכה מוסרית והשג מדעי http://lib.cet.ac.il/PAGES/item.asp?item=17687&id=92

ד.נ.א בשרות הרפואה

קיימים תחומים רבים בהם קיים קשר בין המחקרים ב- DNAלבין הרפואה. הוותיק ביותר הוא, קרוב לוודאי הייצור של תרופות. כפי שהוזכר, כבר ב-1977 הוחל בייצור של אינסולין ולאחר מכן, בתחילת שנות ה-80, הורמון הגדילה. בין ההיבטים של תרומת הידע אודות DNA לרפואה, ניתן להתייחס לייצור תרופות (Genetic Engineering in Medicine) בשיטות ביוגנטיות, איתור נשאות של מחלות תורשתיות, (דוגמה ידועה היא התופעה של הופעת סרטן שד בנשים מאותה משפחה), יעוץ גנטי לפני הכניסה להריון, ריפוי בעזרת החדרה של גנים (Gene therapy), האפשרות, בעתיד, לתכנן רפואה מותאמת אישית (Personalized medicine) ועוד.

הד.נ.א בשרות החקלאות

השימוש בשיטות ביוגנטיות בחקלאות גורם לויכוחים ולעיתים אפילו לסכסוכים אלימים. ב-1998 פרסם דר' פוסטזי (Árpád Pusztai) בתכנית רַאֲיוֹנוֹת פופולרית בטלוויזיה הבריטית תוצאות של מחקרים שערך בחולדות שהואכלו בתפוחי-אדמה מהונדסים גנטית. לפי טענתו התגלו בחולדות שינויים במערכות החיסון =והעיכול של החולדות. בעקבות השערורייה שהתחוללה פוטר דר' פוסטזי ממקום עבודתו והועלו טענות רבות נגד הניסוי שבוצע. כיום ניתן, במידה מסוימת, לחלק את העולם למדינות המתנגדות לשימוש במזון מהונדס (מדינות אירופה) ולאלו העוסקות בפיתוח זנים חדשים (ארה"ב, לדוגמה). הדאגה העיקרית המכתיבה במידה רבה את הצורך להמשך מחקרים בנושא הוא הפחד מפני סכנת הרעב בעולם שבו מספר האנשים גדל והולך ואילו שטחי העיבוד הולכים וקטנים.

קישורים בנושא:

הנדסה גנטית בצמחים http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-3929435,00.html

מי מפחד מצמחים מהונדסים? http://lib.cet.ac.il/pages/item.asp?item=9533&id=92

צמחים מהונדסים – החשש והכורח http://www.hayadan.org.il/gal60gm-101003/

צמחים מהונדסים: סיכויים, סיכונים והחקיקה שביניהם http://telem.openu.ac.il/courses/c20237/engplant2-g.htm

חיסונים ירוקים : על חקלאות מולקולרית בשרות הרפואה http://lib.cet.ac.il/pages/item.asp?item=18032&id=92

פיתוחים מיוחדים
צמח שפולט אור כאשר הוא צמא: http://www.ynet.co.il/articles/0,7340,L-3225419,00.html

הד.נ.א בשרות המשטרה

שני גילויים במיוחד הפכו את ה- DNA למכשיר החשוב ביותר בכל חקירות המשטרה. הראשון הוא פיתוח "תגובת השרשרת של פולימראז" (PCR ,polymerase chain reaction), המאפשרת לשכפל עותקים רבים של מקטע DNA. כמו שאמר קארי מוליס (Kary Banks Mullis), אחד מראשוני המפתחים של השיטה הזו:
 "Beginning with a single molecule of the genetic material DNA, the PCR can generate 100 billion similar molecules in an afternoon. The reaction is easy to execute. It requires no more than a test tube, a few simple reagents, and a source of heat." הגילוי השני שקידם את  המקום שה- DNAתופש בעבודת המשטרה הוא השיטה לקביעת טביעת אצבעות של DNA שפותחה על-ידי אלק ג'פריז (Alec Jeffreys) ב-1984, שיטה המכונה גם "יצירת פרופיל של דנ"א (DNA profiling). העובדה שניתן לשכפל דגימות של DNA מאפשר להשתמש במדגמים זעירים שהושארו בזירת הפשע, לדוגמה על בדל סיגריה, על כוס ששתו ממנה או אפילו על בול או מעטפה שמישהו ליקק אותם כדי להדביקם. השיטה הזו מאפשרת להביא פושעים לדין, או לחילופין לשחרר אנשים שנעצרו ללא אשם. (בארה"ב הוקמו מספר קבוצות של עורכי דין מתנדבים המטפלים במקרים של אנשים שהואשמו באונס, הטוענים כי הם לא אשמים וקיימות עדויות משפטיות שניתן לבודקן. לדוגמה, http://www.innocenceproject.org/about ) גם המשטרה בארץ מנצלת את היכולות החדשות שהוזכרו כדי להיעזר בפענוח פשעים. לדוגמה: http://news.nana10.co.il/Article/?ArticleID=560737&TypeID=1. היא גם יצרה בנק לדגימות של פושעים. ריאיון עם פרופ' יוסף אלמוג, ראש קבוצת המחקר לכימיה פורנסית באוניברסיטה העברית בירושלים

הד.נ.א וחקר האבולוציה

ההתפתחויות בידע אודות ה - DNA פתחו שדה חדש ורחב למחקרים אודות התפתחות המין האנושי והאופן בו אוכלסו היבשות השונות. הדרך בה נעשה הדבר היא על-ידי מעקב על פיזור המוטציות באוכלוסיות שונות. בדרך כלל נבדק פיזור המוטציות בכרומוזום Y, הכרומוזום המועבר מאב לבן, או בכרומוזומים המועברים מן האם דרך המיטוכונדריה.
במעבר מדור אחד למשנהו, ה- DNAנשמר אך מפעם לפעם מתרחשות מוטציות העשויות להיות מועברות לדורות הבאים. כאשר מתרחשת מוטציה כזאת, היא מועברת לצאצאים בדורות הבאים. אם צאצא (אחד או יותר) עובר לחלק ארץ אחרת, המוטציה עוברת אתו וכך ניתן לעקוב אחרי ההיסטוריה של נדידת אוכלוסיות בחלקי העולם.
בשנת 2005 השיקו IBM ו-ה"נשיונל ג'אוגראפיק" פרויקט בראשותו של ספנסר וואלאס (Spencer Wells), שמטרתו הייתה לעקוב אחרי מסעות המין האנושי לאורך השנים. ספנסר בדק את כרומוזומי Y והגיע למסקנה כי כל בני האדם החיים בימינו הם צאצאיו של גבר אחד שחי לפני כ-60,000 – 90,000 שנים באפריקה.מחקרים אחרים שהתמקדו במטען הגנטי במיטוכונדריה קבעו את קיומה של חוה המיטוכונדריאלית שחייתה, כנראה לפני כ-190,000 – 200,000 שנים. גם חוקרים מן הארץ השתתפו בפרויקט והגיעו למסקנה כי למשך כ-100 אלף שנים פוצל המין האנושי לשניים. ספנסר סיכם את מסעותיו במסגרת הפרויקט בסרט מסע האדם.

היבטים נוספים של חקר ה- DNA
א. זיהוי קרבה משפחתית
המחקרים ב- DNA מאפשרים לאפיין את מקומנו באילן היוחסין המשפחתי. כיום ניתן לשלוח דגימת DNA ולקבל מידע אודות התפתחות ההיסטוריה המשפחתית.

ב. מחקרים ברמה הלאומית
להלן כמה דוגמאות:
במחקר שנמשך מספר שנים, נמצא גן משותף אצל כוהנים ללא הבדלי מוצא, אשכנזים וספרדים, תימנים, רוסים וכו'. 80-70 אחוז מהם נושאים בכרומוזום Y שלהם גן משותף בשכיחות גבוהה שאין כמוה בשום קבוצת אוכלוסייה אחרת. אצל יהודים שאינם כוהנים, ואצל גויים, אפשר למצוא את הגן הזה בשכיחות של 5% בלבד. הגן הזה מעיד על היות הכוהנים בני אותה משפחה, צאצאיו של איש אחד שהוא אבי המשפחה. גן זה כונה בשם הגן הכוהני.
למציאותו של הגן הכוהני יש השלכות מעבר לאישור של היות הכוהנים צאצאיו של אדם אחד. לדוגמה, בדרום אפריקה ישנו שבט – שבט הלֵמְבָּה, קבוצה של כ-70,000 שחורי עור אשר לפי המסורת שלהם, כוהן גדול בשם בּוּבָּה, הוציא אותם מיהודה לפני כ-2500 שנה ולאחר גלגולים רבים הם התיישבו בחלק הדרומי של אפריקה. למרות הבידוד שלהם מן העם היהודי, הם שומרים על מספר רב של מסורות כגון: מאמינים באל אחד, שומרים את השבת ומקדשים אותה, אוכלים רק בשר שנשחט בשחיטה כשרה, הזכרים נימולים, חובשים כיפה, ועל המצבות שלהם נמצאים לעיתים קרובות קישוטים של מגן דויד. למרבית ההפתעה נמצא הגן הכוהני אצל למעלה מ- 50 אחוז אצל בני תת-השבט הבּוּבָּה, אנשים הנחשבים על-ידי בני הלֵמְבָּה לשבט הכוהנים שלהם.
בדומה לכך, חוקרים טוענים כי נמצאו שורשי יהודים אנוסי ספרד בשבט אינדיאני.
ג. ייעוץ גנטי

הידע המצטבר אודות ה- DNAמאפשר לבצע בדיקות גנטיות המאפשרות לחשב מה הם הסיכויים ללידת ילדים עם מומים מולדים. דוגמות בולטות לכך הן המחלות המורות טאי זקס, תלסמיה, סיסטיק פיברוזיס ותסמונת X שביר. משרד הבריאות מאפשר בדיקות של הסיכונים העובר ללקות במחלות אלו. הגדילו לעשות בעדה החרדית. ב-1983 הוקמה אגודת "דור ישרים" המבצעת בדיקות גנטיות לפני נישואין כדי למנוע מחלות גנטיות הנפוצות אצל יהודים. ולבסוף, כאָנֶקְדּוֹטָה: האם היטלר היה יהודי?

Proteopedia Page Contributors and Editors (what is this?)

Yael Shwartz, Shelly Livne, Jaime Prilusky