גן (ביולוגיה)

איור של הגנום האנושי, מהגנום לכרומוזום, ומכרומוזום לגנים

בביולוגיה, גֵּן הוא יחידת מידע המועברת מאורגניזם לצאצאיו באמצעות החומר התורשתי (לרוב DNA ולעיתים RNA). המידע הטמון בגנים קובע את תכונותיו של האורגניזם; הגנים מכילים את "הוראות הייצור" לתוצרי הגנים בתא (חלבונים ו-RNA לא מקודד), ובכך אחראים לקביעת רובן המוחלט של תכונות האורגניזם.

מבחינה פיזית, הגנים הם מקטעים ברצף בסיסי ה-DNA (או ה-RNA), המזוהים בתוך הרצף על ידי קידוד אופייני לתחילת וסיום תרגום לשרשרת פוליפפטידית.

את המונח "גן" קבע ב-1909 הבוטנאי וילהלם יוהנסן (Wilhelm Johannsen) עבור יחידת ההורשה הבסיסית, מבחינה פיזית ותפקודית. מקורה של המילה במונח קודם שטבע דרווין, פנגנזה (Pangenesis), מיוונית: פאן=מכלול, גנזיס=לידה או גנוס=מקור.

מבוא

סליל DNA. לא ניתן להבחין בגנים השונים, שכן אין ביניהם כל הפרדה פיזית. ארבעת סוגי הנוקלאוטידים, בהם ניתן להבחין בתרשים, הם אבני הבניין של ה-DNA ושל הגנים

האללים השונים הם מקור השוני בצבעי הפרחים הללו, השייכים כולם לאותו מין של פרג – פרג איסלנדי. פרחים אלו מדגימים את העובדה שמספר האללים לגן מסוים אינו מוגבל לשניים, וכן את יחסי הגומלין המורכבים הקיימים בין האללים (והמביאים למגוון רחב של צבעים)

אופן התבטאות הגנים ותוצריהם בשילוב עם תנאי הסביבה הם אלו הקובעים את מכלול התכונות של כל היצורים החיים. הגנים מועברים בתורשה מכל פרט לצאצאיו. הגנים הם יחידות התורשה, והם המקור לדמיון הרב בין הורים וצאצאיהם.

כל אחד מהגנים מורכב מרצף נוקלאוטידים מסוים בתוך הגנום. הגנים משועתקים למולקולות RNA, שיכולות לתפקד כ-RNA לא מקודד או כחלבון, בעקבות תרגום ה-RNA. התוצר המיוצר משתלב בתהליכים תוך-תאיים מורכבים, וכך משפיע או קובע תכונה נתונה. לפעמים חלבון מורכב על ידי קבוצה של מספר גנים, אשר כל אחד מהם מקודד לחלק מהחלבון. לאחר תום התרגום מתאחים החלקים השונים והופכים לחלבון השלם.

תכונות מסוימות נקבעות על ידי גן בודד (למשל צבע הפרח באפונת הגינה), אולם רוב התכונות נקבעות על ידי מספר גנים יחדיו ואף בשילוב עם גורמים סביבתיים ונקראות על כן תכונות מורכבות. צבע עיניים באדם למשל, נקבע על ידי צירוף של ארבעה גנים שונים.

מושגים בסיסיים

• גנום – הגנום הוא מכלול החומר התורשתי הנמצא בתאיו של אורגניזם מסוים, והוא מאורגן, על פי רוב, במספר כרומוזומים. פענוח הגנום של אורגניזם מסוים כולל את קביעת רצף חומצות הגרעין המרכיבות את ה-DNA (הרצף זהה ברובו אצל כל הפרטים מאותו המין), ואיתור הגנים המקודדים ברצף זה.
• הפלואידיות – חד-סדרתיות. מצב שבו קיימת בתא סדרה אחת של כרומוזומים, כלומר עותק יחיד של החומר הגנטי. תכונה זו מאפיינת לרוב יצורים חד-תאיים וצמחים מסוימים. בנוסף לאורגניזמים אלה, גם תאי הרבייה הם הפלואידיים.
• דיפלואידיות – דו-סדרתיות. מצב שבו קיימות בתא שתי סדרות של כרומוזומים, כלומר התא מכיל שני עותקים (לא זהים) של החומר הגנטי. תכונה זו מאפיינת את מרבית האורגניזמים המורכבים, בהם האדם. כל אחד מההורים מעביר לצאצאו עותק אחד מכל זוג כרומוזומים. התכונה המקודדת על ידי כל אחד מהגנים תיקבע על ידי היחסים בין האללים לגן נתון הקיימים בזוג כרומוזומים.
• פוליפלואידיות – רב-סדרתיות. מצב שבו קיימות בתא יותר משתי סדרות של כרומוזומים, כמו במיני צמחים מסוימים. למשל חיטת הלחם הנפוצה כיום, היא הקספלואידית, כלומר בעלת שש סדרות של כרומוזומים (שלושה זוגות של כרומוזומים הומולוגיים).
• אלל – וריאנט של גן. אחד מתוך כמה צורות מולקולריות אפשריות של אותו גן המצוי באותו לוקוס (במיקום קבוע) בכרומוזומים הומולוגיים. אללים שונים של אותו גן מביאים להתבטאות שונה במקצת של התכונה. לדוגמה, הגן המקודד לצבע זרעי צמח האפונה יכול לקודד לצבע ירוק (זהו אלל אחד) או לצבע צהוב (אלל שני).
• דומיננטי (Dominant, בעברית: שלטני) ורצסיבי (Recessive, בעברית: נסגני) – קיים מגוון של יחסי גומלין בין האללים השונים של גן מסוים. היחס השכיח ביותר הוא דומיננטיוּת ורצסיביוּת. במצב זה ממסך האלל האחד, הדומיננטי, את התבטאותו של השני, הרצסיבי. לדוגמה, האלל המקודד לזרע אפונה ירוק דומיננטי יותר בהשוואה לאלל המקודד לזרע אפונה צהוב. לאחר זיווג (הכלאה) בין צמח אפונה שזרעיו ירוקים ובין צמח אפונה שזרעיו צהובים, אם, למשל, הצאצא יירש מאחד מהוריו אלל ירוק ומההורה השני אלל צהוב, הרי שזרעיו יהיו ירוקים. זאת משום שהאלל הירוק, הדומיננטי, ממסך את התבטאותו של האלל הצהוב, הרצסיבי.

ערכים מורחבים – פגם גנטי, ריבוע פנט

מחלות תורשתיות רבות, כגון סיסטיק פיברוזיס או תסמונת אטקסיה טלנגיאקטזיה, הן רצסיביות. מחלה רצסיבית מונוגנית (שתלויה רק בגן אחד) תופיע בפרט מסוים אך ורק אם שני האללים שקיבל מהוריו מכילים רצף DNA פגום, כלומר הפרט הוא הומוזיגוט באתר המחלה. אם רק אחד האללים מכיל רצף DNA פגום, כלומר הפרט הוא הטרוזיגוט באתר המחלה, הפרט יהיה בריא. כך ייתכן שלשני הורים בריאים אך נשאים (מאחר שהם הטרוזיגוטים למחלה) יהיה צאצא חולה.

במחלות דומיננטיות, לעומת זאת, כגון מחלת בסט או מחלת הנטינגטון, מספיק שאחד האללים יהיה בעל רצף DNA פגום כדי שהפרט הנושא אותו יבטא את המחלה.

• קוֹ-דומיננטיוּת – צורה נוספת של יחסי גומלין בין אללים היא מעין שיתוף פעולה ביניהם, כך שהתכונה הסופית מהווה שילוב של התכונות להן מקודדים שני האללים. דוגמה מעולם הבוטניקה: אלל המקודד לפרחים אדומים, והאלל המקביל לו, המקודד לפרחים לבנים. אם שוררת דומיננטיות חלקית בין שני האללים, הרי שהפרחים שיתקבלו מהכלאת שני האללים יהיו בצבע ורוד – שילוב של אדום ולבן.

• גֵנוֹטִיפּ (Genotype) ופֵנוֹטִיפּ (Phenotype) – הראשון מציין את ההרכב הגנטי של יצור מסוים, והשני – את תכונות היצור, שמהוות ביטוי של הגנים. לדוגמה, "עיניים כחולות"; זהו תיאור של פנוטיפ. הגנוטיפ של אותו אדם (בהקשר לצבע עיניו) הוא מכלול הגנים המשתתפים בקביעת צבע העיניים. הפנוטיפ אינו נקבע על ידי הגנים באופן בלעדי; גורמים סביבתיים, כגון טמפרטורה, לחות וחשיפה לחומרים מסוימים, עלולים להשפיע רבות על תכונות הפרט. לפיכך, ידיעת הגנוטיפ אינה מהווה מתכון בלעדי לחיזוי הפנוטיפ.

דוגמה

סוג הדם הוא תכונה שנקבעת בבני אדם על ידי גן יחיד. כל אדם נושא שני עותקים של הגן, שעברו אליו משני הוריו. לגן יש שלושה אללים (וריאנטים אפשריים): אלל אחד שגורם לייצור חלבון מסוג A, אלל נוסף שגורם לייצור חלבון מסוג B, ואלל שלישי שאינו גורם לייצור חלבון (ומסומן ב-O). אללים A ו-B דומיננטיים על פני O הרצסיבי, ואילו ביניהם, A ו-B קוֹ-דומיננטיים (שני החלבונים מיוצרים במקביל). במקרה שאדם נושא שני אללים זהים, כלומר יש לו גנוטיפ הומוזיגוטי AA,‏ BB או OO – הפנוטיפ יהיה סוג דם B ,A או O, בהתאמה. במקרה שאדם נושא שני אללים שונים, כלומר יש לו גנוטיפ הטרוזיגוטי AO,‏ BO או AB – הפנוטיפ יהיה סוג דם A,‏ B או AB, בהתאמה.

לא תמיד הפנוטיפ משקף באופן חד-חד-ערכי את הגנוטיפ. למשל, גנוטיפים AO ו-AA מובילים שניהם לאותו פנוטיפ – סוג דם A, היות שסוג דם O רצסיבי.

גן ורצפים אחרים

אחוז ה-DNA הלא-מקודד מתוך הגנום משתנה מאוד בין יצורים שונים. אצל פרוקריוטים בעיקר האחוז שלו נמוך, בעוד שבאאוקריוטים הוא גבוה, אך משתנה מאוד בין טקסונים שונים ולעיתים אפילו בין מינים קרובים. באדם הוא מהווה כ-98% עד 99% מן הגנום. רוב תוצרי הגנים הם חלבונים, ומיעוטם RNA לא מקודד.

סוגי הרצפים ב-DNA שאינם מקודדים לחלבון כוללים בין היתר:

• גנים המקודדים ל-tRNA ול-rRNA.
• אינטרונים, חלק מהגן שמוסר בשלב השחבור ולא מקודד לחומצות אמינו.
• טלומרים.
• טרנספוזונים.
• צנטרומרים.
• הכפלות וחזרות, חסרות תפקיד כנראה, של רצפי DNA.

אצל האדם קיימים כ-25,000 גנים, המקודדים לכ-200,000 חלבונים. הדבר מתאפשר הודות לתופעת השחבור החליפי, בה מקטעי גנים ששועתקו ל-RNA משנים את סדרם ובסופו של התהליך מתורגמים לרצפים שונים של חומצות אמינו – כלומר, חלבונים שונים.

גודלו של גנום האדם הוא כ-3 מיליארד נוקלאוטידים. היות שרק כ-1.5% ממנו מורכב מגנים המקודדים לחלבונים, ניתן לחשב שגודלו הממוצע של כל אחד מ-25,000 הגנים הוא 1,800 נוקלאוטידים (לא כולל אינטרונים). אם מורידים אזורים נוספים בגן אשר אינם מקודדים לחלבון (אזורי בקרה שונים, כגון קדם (פרומוטר)), מתקבל שהאורך הממוצע של האזור המקודד לחלבון בכל גן הוא 1,340 נוקלאוטידים. אם מכלילים את האינטרונים, מתקבל כי אורכו הממוצע של גן שלם הוא 27,000 נוקלאוטידים. היות שכל שלושה נוקלאוטידים מקודדים לחומצת אמינו אחת (ראו: הקוד הגנטי), הרי שאורכו הממוצע של פפטיד המקודד על ידי גן הוא 600 חומצות אמינו (הערה: נתונים אלו נכונים עבור הגנום האנושי בלבד).

גנים מול תנאי סביבה

הגנים מהווים את המרכיב המרכזי בהתפתחותו של הפרט. באדם למשל, הם מכילים את המידע המאפשר את התפתחות מערכת העצבים בפרט והגוף בכלל. עם זאת, אין לראות את השפעתם כדטרמיניסטית. רוב התכונות נקבעות בסופו של דבר תוך שילוב תנאי הסביבה ו"הוראות הייצור" שבגנים, ובכל תכונה ישנה חלוקה שונה בין שני מרכיבים אלו. בנוסף, בתנאים מסוימים עשויה ההשפעה הסביבתית להיות משמעותית ביותר (למשל תנאי תת-תזונה בגיל צעיר יגבילו את פוטנציאל הגדילה של אותו הפרט) ובתנאים אחרים תהיה ההשפעה הגנטית דומיננטית (למשל במקרה של פרט החולה במחלה תורשתית קשה).

הגנים בהיווצרות העובר האנושי

היווצרות הגמטות, תאי הרבייה, כרוכה בתהליך הקרוי מיוזה. בתהליך זה מתפצלים הכרומוזומים בגופם של הגבר או האישה ועוברים שחלוף ביניהם, היוצר ערבוב. הערבוב האקראי הוא כה גדול, שגם אם יולידו אותם הורים מיליוני צאצאים, הסיכוי שיהיו בין אלו שני צאצאים זהים גנטית זה לזה הוא אפסי, אלא אם יהיו אלו תאומים זהים.

בבוא זמן הביוץ פולטת האישה ביצית לתוך החצוצרה. אם בתוך יממה יגיע זרע לאזור זה, הוא עשוי להגיע לסביבתה וליצור עימה את הזיגוטה. אם פלטה האישה שתי ביציות, ייתכן שייווצרו שתי זיגוטות וייוולדו תאומי אחווה. אם זיגוטה אחת מתפצלת לאחר יצירתה, עשויים להיוולד תאומים זהים בסופו של דבר.

בתא זיגוטה נורמלי באדם מצויים 46 כרומוזומים, שנוצרים מ-23 כרומוזומים שבזרע ו-23 כרומוזומים שבביצית. בתא מתחיל תהליך ההתפתחות העוברי. נוצרים 23 זוגות של כרומוזומים הומולוגיים, המורכב מצמדי כרומוזומים, האחד מהאב והשני מהאם.

בימי עבר האמינו שבזרעון מצוי הומונקולוס, אדם קטן שכבר התפתח במלואו. כיום יודעים שתהליך התפתחותו של העובר ברחם כרוך בהתמיינות – התאים מתפצלים ותפקידיהם הולכים ונעשים ייחודיים.

תכונות המועברות באמצעות כרומוזומי המין – תאחיזה לזוויג

ערך מורחב – תאחיזה לכרומוזומי מין

קביעת מינו של העובר תלויה בצמד הכרומוזומים ה-23. מן האם יקבל בהכרח כרומוזום X, אולם מן האב יכול לקבל כרומוזום X או Y. במקרה הראשון, תיוולד בת. במקרה שני, ייוולד בן. אף שהמין נקבע לאלתר ברגע ההפריה, ניתן יהיה להבחין רק בסוף החודש השני לחיי העובר בתחילתה של התפתחות שונה בבלוטות המין. אז יתחיל עובר ממין זכר להפריש הורמונים אנדרוגנים שימנעו התפתחות של איברי מין נשיים. הנקבה לא תפריש דבר. סיבות רפואיות וסביבתיות מסוימות עלולות להביא לעודף באנדרוגנים או במחסור בהם, או לגרום לאי-רגישות להם. התוצאה תהיה לידת נקבה מהבחינה הגנטית בעלת איברים זכריים או ההפך (ראו: אינטרסקס).

מכיוון שבני אדם זכרים הם בעלי כרומוזום X יחיד לא מזווג, הפנוטיפ של גן הנמצא על כרומוזום זה ייקבע על ידי אלל רצסיבי יחיד. ישנן מספר מחלות מוכרות, כמו המופיליה ועיוורון צבעים, שהן רצסיביות על כרומוזום X. לפיכך, סיכוייהן של נקבות ללקות בהן קטנים בהרבה ($p^{2}$ כאשר p מייצג את שכיחות האלל באוכלוסייה). אלל רצסיבי הנמצא על כרומוזום X לא ישפיע, אם כרומוזום ה-X השני נושא את האלל הדומיננטי לאותה תכונה. כלומר, מספיק עותק אחד של כרומוזום X "בריא" כדי להיות בריאים, ואצל נשים, שהן בעלות שני כרומוזומי X, הסיכוי לכך גדול הרבה יותר (בהנחה שהסיכוי לאלל "חולה" הוא מלכתחילה קטן באוכלוסייה).

ראו גם

• גנטיקה
• התבטאות גנים
• בקרת גנים
• השתקת גנים
• אונטולוגיית גנים
• מאגר גנים
• פסאודוגן

קישורים חיצוניים

• מאיר ברק, מה מספר הגנים המינימאלי שיש לאורגניזם חי עצמאי?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 3 ספטמבר 2009
• גן, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• גנים (ג בסגול), דף שער בספרייה הלאומית