ארגון DNA בכרומוזומים
כיצד 2 מטר של DNA נכנסים לגרעין שרוחבו 6 מיקרומטר בלבד?
בעיית האריזה - פתרון גאוני
רמות ארגון ה-DNA - ארבע רמות קיפול
←
←←
מ-DNA לכרומוזום - ארבע רמות של קיפול
ה-DNA נכרך סביב חלבונים מיוחדים הנקראים היסטונים, בתהליך של קיפול הדרגתי שמדחיס אותו פי 10,000.
רמה 1 - סיב DNA:
סיב DNA ארוך ודק (רוחב 2 ננומטר). זה המצב הבסיסי, הפרוש, של ה-DNA.
רמה 2 - נוקלאוזומים (מחרוזת חרוזים):
ה-DNA נכרך סביב היסטונים (חלבוני אריזה) כמו חוט סביב סלילים. כל 'סליל' נקרא נוקלאוזום (146 זוגות בסיסים עטופים סביב 8 היסטונים). נוצרת מחרוזת חרוזים ברוחב 11 ננומטר.
רמה 3 - סיב כרומטין:
מחרוזת הנוקלאוזומים מתקפלת ונדחסת לסיב עבה יותר (30 ננומטר). זהו כרומטין - ה-DNA הארוז בצורה ביניימית. במצב זה נמצא ה-DNA רוב הזמן.
רמה 4 - כרומוזום:
בזמן חלוקת תא, הכול מתקפל לצורת X מוכרת - זהו הכרומוזום שניתן לראות במיקרוסקופ (רוחב 1,400 ננומטר). הקיפול מדחיס את ה-DNA פי 10,000!
כרומוזום = DNA + חלבוני היסטון. הוא צורת האריזה הצפופה ביותר, הנחוצה לחלוקת תא מסודרת.
תפקידי חלבוני ההיסטון
אריזה
מקפלים את ה-DNA לצורה צפופה שנכנסת בגרעין הזעיר. כמו סלילים שעליהם נכרך חוט.
הגנה
מגנים על ה-DNA מפני נזק פיזי וכימי. ה-DNA העטוף פגיע פחות מ-DNA חשוף.
ויסות
שולטים באילו גנים 'פתוחים' לקריאה ואילו 'סגורים'. כשהיסטונים הדוקים - הגן 'כבוי'.
שאלה לחשיבה
מדוע ה-DNA צריך להתקפל לכרומוזומים לפני חלוקת תא? מדוע לא להשאיר אותו פרוש?
אם ה-DNA היה נשאר פרוש (כרומטין רופף), הוא היה מסתבך ונקרע בזמן חלוקת התא - כמו ניסיון לחלק שתי צלחות ספגטי מבלי לערבב. הקיפול לכרומוזומים צפופים מאפשר חלוקה מסודרת ומדויקת - כל כרומוזום הוא 'חבילה' קומפקטית שקל 'לתפוס' ולמשוך לצד הנכון של התא.
46 כרומוזומים באדם
בתא אדם יש 46 כרומוזומים - 23 זוגות:
- 22 זוגות אוטוזומים (לא קובעי מין) - ממוספרים 1 עד 22 לפי גודל
- זוג אחד כרומוזומי מין: XX בנקבה, XY בזכר
מכל זוג, כרומוזום אחד הגיע מהאם (בביצית) ואחד מהאב (בזרע).
כרומוזומים הומולוגיים = זוג כרומוזומים שנושאים גנים לאותן תכונות (אחד מאמא, אחד מאבא). למשל: שני כרומוזומים מס' 9 נושאים את הגן לסוג דם, אבל לא בהכרח את אותו אלל.
הפלואידיות - כמה סטים של כרומוזומים?
לא כל התאים מכילים 46 כרומוזומים. תאי רבייה מכילים רק חצי.
תאי גוף (סומטיים) - דיפלואידיים (2n):
מכילים שני סטים של כרומוזומים - סט מאמא וסט מאבא. סה"כ 2n = 46 באדם.
תאי רבייה (גמטות) - הפלואידיים (n):
ביצית וזרע מכילים סט אחד בלבד = 23 כרומוזומים (n = 23). הם נוצרים בתהליך מיוזה שמפחית את המספר לחצי.
בהפריה:
ביצית (23) + זרע (23) = זיגוטה (46)
כך חוזר המספר הדיפלואידי - וכל דור מתחיל מחדש עם 46 כרומוזומים.
אם תאי הרבייה לא היו הפלואידיים, בכל דור היו מתווספים 46 כרומוזומים - ובתוך כמה דורות היו מאות כרומוזומים בכל תא!
מיוזה מחצה: 46 ← 23. הפריה מכפילה: 23 + 23 ← 46. מעגל מושלם.
קריוטיפ - מפת הכרומוזומים
קריוטיפ הוא תמונה מסודרת של כל הכרומוזומים בתא, מסודרים לפי גודל ומראה. הקריוטיפ מאפשר לזהות חריגות בכרומוזומים - כרומוזום חסר, נוסף, או עם מבנה לא תקין. זהו כלי אבחוני חשוב מאוד ברפואה.
שימושים בקריוטיפ
אבחון תסמונות
זיהוי תסמונת דאון (כרומוזום 21 נוסף), תסמונת טרנר (X אחד בלבד), תסמונת קלינפלטר (XXY).
קביעת מין העובר
XX = נקבה, XY = זכר. ניתן לראות בבדיקת קריוטיפ בשלב מוקדם של ההריון.
אבחון לפני לידה
בדיקת מי שפיר או דגימת שליה מאפשרת לבדוק את הקריוטיפ של העובר ולגלות חריגות.
מחקר סרטן
תאי סרטן רבים מראים שינויים כרומוזומליים. לדוגמה: כרומוזום פילדלפיה בלוקמיה.
מספר כרומוזומים ביצורים שונים
| יצור | מספר כרומוזומים (2n) | הערה מעניינת |
|---|---|---|
| אדם | 46 (23 זוגות) | XX או XY |
| שימפנזה | 48 (24 זוגות) | קרוב מאוד לאדם גנטית |
| כלב | 78 (39 זוגות) | יותר כרומוזומים לא = יותר מורכב! |
| חתול | 38 (19 זוגות) | מספר נמוך יחסית |
| זבוב הפירות | 8 (4 זוגות) | שימושי מאוד למחקר - מעט כרומוזומים |
| חיטה | 42 (21 זוגות) | צמח תרבות חשוב מאוד בישראל |
| שרכים מסוימים | עד 1,260 | מספר הכרומוזומים הגדול ביותר בטבע! |
| נמלה Jack jumper | 2 (זוג אחד!) | מספר הכרומוזומים הקטן ביותר ביצור רב-תאי |
* מספר הכרומוזומים לא מעיד על מורכבות היצור - המורכבות תלויה בגנים ובביטוי שלהם
אל תבלבלו!
טעות נפוצה מאוד: לחשוב שיותר כרומוזומים = יצור מורכב יותר. לכלב יש 78 כרומוזומים ולאדם 46, אבל האדם מורכב בהרבה!
- המורכבות תלויה במספר הגנים, לא במספר הכרומוזומים
- תלויה גם באופן הביטוי של הגנים (ויסות)
- ובאינטראקציות בין גנים שונים
- כרומוזום הוא רק 'אריזה' - מה שבפנים הוא מה שחשוב
כרומוזומי מין - מי קובע בן או בת?
כרומוזום X מול כרומוזום Y
כרומוזום X
כרומוזום גדול
מכיל כ-800 גנים
נוכח בשני המינים
נקבה: XX, זכר: XY
נושא גנים חיוניים רבים
דוגמה: נושא גנים לראיית צבעים, קרישת דם (המופיליה), G6PD ועוד
כרומוזום Y
כרומוזום קטן מאוד
מכיל כ-50 גנים בלבד
נוכח רק בזכרים
קובע התפתחות זכרית
הולך ומצטמצם באבולוציה
דוגמה: נושא את הגן SRY שמפעיל התפתחות אשכים ומאפיינים זכריים
האם תמיד תורמת X. האב תורם X (← בת) או Y (← בן). לכן האב הוא שקובע את מין הצאצא!
מדוע עיוורון צבעים שכיח יותר אצל גברים?
הגן לראיית צבעים נמצא על כרומוזום X. לנקבה יש שני עותקים (XX) - גם אם אחד פגום, השני מפצה. לזכר יש רק X אחד (XY) - אם הגן פגום, אין גיבוי! לכן עיוורון צבעים (והמופיליה וחוסר G6PD) שכיחים יותר בגברים. תכונות כאלו נקראות 'קשורות X'.
שאלה לחשיבה
בתא אדם יש 46 כרומוזומים. כמה כרומוזומים יש בתא ביצית? ומדוע?
בביצית (ובזרע) יש 23 כרומוזומים - חצי מהמספר הרגיל. זה קורה בזמן מיוזה (חלוקת הפחתה). הסיבה: בהפריה, ביצית (23) ממוזגת עם זרע (23), ונוצר תא עם 46 כרומוזומים. אם ביצית היתה מכילה 46, הזיגוטה היתה מכילה 92 - ובכל דור המספר היה מוכפל!
שאלה לחשיבה
אדם עם תסמונת דאון יש לו 47 כרומוזומים במקום 46. כיצד זה קורה?
בתסמונת דאון יש שלושה עותקים של כרומוזום 21 (טריזומיה 21) במקום שניים. זה קורה כאשר במהלך המיוזה, כרומוזום 21 לא נפרד כראוי (אי-הפרדה) - שני העותקים נכנסים לאותו תא רבייה. כשתא רבייה עם שני עותקים ממוזג עם תא רבייה רגיל (אחד), התוצאה: 2+1 = 3 עותקים של כרומוזום 21.
שאלה לחשיבה
בני זוג, שניהם עם ראיית צבעים תקינה, יכולים ללדת בן עם עיוורון צבעים. הסבירו כיצד.
האם יכולה להיות נשאית - יש לה אלל תקין על X אחד ואלל פגום על ה-X השני (X^N X^n). היא רואה צבעים כי האלל התקין מפצה. האב תקין (X^N Y). אם הבן יקבל מהאם את ה-X הפגום ומהאב את ה-Y, הוא יהיה X^n Y - עם עיוורון צבעים, כי אין לו X נוסף שיפצה.
שינויים במספר או במבנה הכרומוזומים גורמים לתסמונות שונות. אלו לא מחלות 'רגילות' - הן תוצאה של שגיאה בחלוקת התאים:
- תסמונת דאון (טריזומיה 21) - 3 עותקים של כרומוזום 21 (47 כרומוזומים). הנפוצה ביותר - כ-1 מכל 700 לידות. גורמת לפיגור שכלי קל עד בינוני, מאפייני פנים ייחודיים ובעיות לב. הסיכון עולה עם גיל האם
- תסמונת טרנר (XO) - נקבה עם כרומוזום X אחד בלבד (45 כרומוזומים). גורמת לקומה נמוכה ולרוב אי-פוריות. שכיחות: כ-1 מכל 2,500 לידות נקביות
- תסמונת קלינפלטר (XXY) - זכר עם X נוסף (47 כרומוזומים). עלול לגרום לאי-פוריות, גובה רב, ולפעמים קשיי למידה. שכיחות: כ-1 מכל 660 לידות זכריות
חשוב לדעת: אנשים עם תסמונות כרומוזומליות חיים חיים מלאים ומשמעותיים. אנשים עם תסמונת דאון, למשל, לומדים, עובדים ותורמים לחברה. התסמונת מגדירה חלק מהמאפיינים, לא את הערך של האדם.
כרומוזום Y הצטמצם באופן דרמטי במהלך האבולוציה. לפני כ-300 מיליון שנה הוא היה באותו גודל כמו X (כ-800 גנים). כיום נותרו בו רק כ-50 גנים.
חוקרים חישבו שבקצב הזה, כרומוזום Y עלול להיעלם בעוד 4-5 מיליון שנה. האם זה אומר שגברים ייעלמו? לא בהכרח - ביצורים מסוימים (כמו שוש מסוג מסוים) כרומוזום Y כבר נעלם, וקביעת המין עברה למנגנון אחר.
מחקרים חדשים מצביעים על כך שהגנים שנותרו על Y הם קריטיים ומוגנים מפני אובדן נוסף. אז אולי Y ישרוד בכל זאת!
מיטוזה מול מיוזה - שני סוגי חלוקה
שני סוגי חלוקת תא
מיטוזה (חלוקת גוף)
מטרה: גדילה, תיקון, החלפת תאים
תוצאה: 2 תאים זהים להורה
מספר כרומוזומים: 46 ← 46 (נשמר)
היכן: כל תאי הגוף
תדירות: כל הזמן (מיליוני חלוקות ביום)
דוגמה: ריפוי פצעים, גדילה, החלפת תאי עור
מיוזה (חלוקת הפחתה)
מטרה: יצירת תאי רבייה (גמטות)
תוצאה: 4 תאים שונים זה מזה
מספר כרומוזומים: 46 ← 23 (מחצה!)
היכן: שחלות (ביציות) ואשכים (זרע)
כולל: חציית-על וערבוב
דוגמה: יצירת ביציות וזרעונים ייחודיים
מיטוזה = שמירה על הזהות. מיוזה = יצירת מגוון. שתיהן חיוניות לחיים.
שאלה לחשיבה
מה היה קורה אם תאי רבייה היו נוצרים במיטוזה (עם 46 כרומוזומים) ולא במיוזה?
אם ביצית (46) ממוזגת עם זרע (46), הזיגוטה היתה מכילה 92 כרומוזומים. בדור הבא - 184, ובדור שאחריו - 368! מספר הכרומוזומים היה מוכפל בכל דור. המיוזה מחצה את המספר ל-23, כך שבהפריה חוזרים ל-46. מעגל מושלם שמשמר את מספר הכרומוזומים לאורך הדורות.
סיכום - מה חשוב לזכור על כרומוזומים
- כרומוזום = DNA + חלבוני היסטון (קיפול צפוף)
- באדם: 46 כרומוזומים = 23 זוגות (22 אוטוזומים + XX/XY)
- תאי גוף = דיפלואידיים (2n = 46), תאי רבייה = הפלואידיים (n = 23)
- קריוטיפ = מפת כרומוזומים - כלי אבחוני חשוב
- מספר כרומוזומים לא קשור למורכבות היצור
- האב קובע מין הצאצא (תורם X לבת, Y לבן)
- תכונות קשורות X שכיחות יותר בגברים (אין X מפצה)