ספט 13 2016

מגוון גנטי: מגוון תוך-מיני (חלק ב)

מאת בשעה 18:06 נושאים ביולוגיה אבולוציונית

[1,040 מילים]

רשומה זאת היא חלק מסדרת המבוא לביולוגיה אבולוציונית. לחצו כאן לתוכן העניינים של הסדרה.

בחלק הקודם התחלנו לעסוק במגוון תוך-מיני. למדנו מהו פולירמופיזם וראינו דוגמא שלו. טכנית, דוגמאות שלו, יותר מ-500 אלף אתרי פולימורפיזמים בקרב יהודים. זאת דוגמא נחמדה, אבל מוגבלת במובן מסוים. היא מתמקדת רק בפולימורפיזמים בקרב קבוצה אחת – בני אדם. החלק הזה נועד לתת לכם תחושה לגבי פולימורפיזם לאורך ולרוחב עולם החי. הוא גם מספק לי הזדמנות לתת לכם הצצה להיסטוריה של המחקר בביולוגיה אבולוציונית.

מגוון גנטי וחלבונים

בימינו מהיר ויעיל לרצף גנום שלם, לזהות את רצף הנוקלאוטידים שלו. עם זאת, היכולת הזאת לרצף DNA היא המצאה חדשה יחסית, שלא היתה זמינה לחוקרים עד אמצע שנות ה-90 של המאה הקודמת. משנות השישים עד אמצע שנות השמונים, השתמשו בחלבונים על מנת להעריך את המגוון הגנטי. העוקץ מאחורי השיטה הזאת הוא הקוד הגנטי, שהתגלה כבר בשנות ה-60. הרצף של חלבונים נקבע על ידי רצף הנוקלאוטידים שמקודדים אותם. לכן, הבדלים ברצף של חלבונים מעידים על הבדלים ברצף הנוקלאוטידים בגנום שמקודדים את החלבון.

מה שנותר הוא למצוא דרך יעילה לזהות הבדלים בין חלבונים. בימינו אפשר לרצף חלבונים במהירות וביעילות, לזהות את רצף חומצות האמינו שלהם, אך גם היכולת הזאת לא היתה זמינה לחוקרים בשנות ה-60. הם כן היו מסוגלים למצוא הבדלים אחרים בין חלבונים, הבדלים בגודל ובמטען החשמלי שלהם. זכרו שחומצות האמינו שמרכיבות את החלבונים נבדלות אחת מהשניה בזהותה של ה"יד" השלישית. בחלק מחומצות האמינו, ה"יד" הזאת גדולה ובאחרות היא קטנה. בחלק מהם היא טעונה במטען חשמלי חיובי, באחרות במטען חשמלי שלילי ולפעמים היא ניטרלית, נטולת מטען חשמלי. לכן, אם נמצא הבדלים בגודל או במטען בין חלבונים, הרי שבהכרח מצאנו הבדל ברצף של החלבון. ואכן, יש שיטה למציאת כאלו הבדלים והיא היתה בשימוש נרחב מאז שנות ה-60. אציג לכם את הרעיון הכללי שלה, אבל דעו שיש לה כל מיני גרסאות שונות ומשונות.

השלב הראשון בשיטה הוא בידוד החלבון הרצוי מתוך התא, הפרדתו משאר המרכיבים בתא (תרשים 1א). לאחר מכן, מניחים את דוגמאות החלבון בקצה של בלוק של ג'ל מיוחד (תרשים 1ב; מניחים את החלבון ב"שקעים" המסומנים). בגדול, חלבונים הם מולקולות בעלות מטען חשמלי. ככאלו, אם נפעיל שדה חשמלי, אפשר לגרום להן "לרוץ" בתוך הג'ל, מקצה אחד אל הקצה השני, בדומה לאופן שבו חשמל זורם בחוט. ברמה הכימית, הג'ל הזה נראה כמו מעין סבך של חוטים. ככל שהחלבון גדול יותר, כך יקח לו יותר זמן "להידחק" דרך החוטים. כלומר, אם נדחף חלבון גדול וחלבון קטן דרך הג'ל, כעבור זמן מה החלבון הגדול יפגר אחרי החלבון הקטן. זאת הפרדה על פי גודל. בדרכים דומות, אפשר לבצע גם הפרדה על ידי המטען החשמלי של החלבון.

תרשים 1 - מדידת מגוון גנטי בעזרת חלבונים.

תרשים 1 – מדידת מגוון גנטי בעזרת חלבונים.

בסוף התהליך, "קוראים" את הג'ל – בודקים את המיקום אליו החלבון הגיע בריצתו. אפשר להריץ בג'ל חלבון שבא מכמה דגימות שונות במקביל. לדוגמא, תרשים 1ג מציג את תוצאת ההרצה של שלושה דגימות של חלבון מסוים, כל אחת מהן בודדה מאחד מבין שלושה בני אדם שונים. כל דגימה "הורצה" בג'ל ב"שקע" משלה.

בני אדם הם דיפלואידים – יש להם שני עותקים מכל אתר בגנום. נניח שאדם הטרוזיגוט באתר בגנום שבו מקודד החלבון הזה. כלומר, יש לו שני עותקים שונים של האתר הזה. כשנריץ בג'ל את דגימת החלבון שלקחנו מהאדם הזה, לעתים נוכל לראות בג'ל שני פסים שונים, אחד עבור כל אחד מהאללים. זה בדיוק מה שמתקבל בטור השמאלי ובטור הימני בתוצאת ההרצה בג'ל (תרשים 1ג). נניח שאדם הוא הומוזיגוט באתר בגנום שבו מקודד החלבון הזה. כלומר, יש לו שני עותקים זהים של האתר הזה. במקרה הזה נראה בג'ל פס אחד, שמייצג את אותו אלל. הטור האמצעי מדגים את המצב הזה (תרשים 1ג).

סך הכל, ניתן להבחין בתוצאות ההרצה האלו בשלושה אללים שונים. האחד רץ ממש מהר (טור ימני למטה), השני רץ מאד לאט (טור שמאלי למעלה, טור ימני למעלה) והאחד רץ "באמצע" (טור אמצעי). זה בבירור חלבון שמקודד על ידי אתר פולימורפיזם. אם הוא לא היה כזה, היה רק פס אחד בג'ל שרץ לאותו מקום בדיוק בכל אחד מן הטורים.

מגוון חבוי

אולי שמתם לב שאמרתי ש"לעתים נוכל לראות" את ההבדלים בין אללים, כשדיברתי על אדם הטרוזיגוט. למה אמרתי ש"לעתים נוכל לראות" ולא "שאכן נראה הבדל"? ובכן, השיטה הזאת מוגבלת. ראשית, היא מסוגלת לזהות הבדלים ברצף הגנטי שמשפיעים על הרצף של החלבון, אבל רק כאלו שמשפיעים על הגודל והמטען החשמלי שלו. יותר מזה, ההבדלים בגודל ובמטען צריכים להיות גדולים מספיק. בהבדלים קטנים מדי השיטה לא תוכל להבחין. במקרים מסוימים, ההבדל בגודל החלבון שנובע מהבדל בחומצה אמינית אחת לאו דווקא גדול מספיק.

שנית, יש חומצות אמיניות שמקודדות על ידי כמה קודונים שונים, כמה שלשות נוקלאוטידים שונות. לדוגמא, החומצה האמינית לאוצין מקודדת על ידי הקודונים CTT ו-CTC. אללים שנבדלים אחד מהשני בקודונים הללו יפיקו חלבון בעל רצף זהה, ולכן השיטה הזאת לא תבחין בינם כלל.

כשמדברים "תכלס", כשהשיטה הזאת מזהה הבדל בין חלבונים, הוא אכן מעיד על הבדל ברצף ה-DNA שמקודד את החלבון הזה. עם זאת, כשהיא לא מזהה הבדל, עדיין אפשרי שיש הבדל ברצף ה-DNA שמקודד את החלבון הזה ואולי אפילו ברצף החלבון. לכן, השיטה הזאת נותנת לנו לכל היותר דרך לדעת כמה מגוון גנטי קיים, לכל הפחות. המגוון הגנטי בפועל יכול להיות גדול בהרבה. ואכן, כיום ידוע שהמגוון הגנטי בפועל הרבה יותר גדול ממה שניתן לגלות בעזרת השיטה הזאת. בסיסי הנתונים בביולוגיה מלאים בדוגמאות למגוון גנטי שלא מתורגם כלל למגוון ברצף החלבון.

פולימורפיזמים בעולם החי

משנות ה-60 ואילך, השיטה שהרגע תיארתי היתה מאד פופולרית בקרב חוקרי מגוון תוך-מיני. השימוש בה מאד תובעני, דורש שעות רבות במעבדה. אני יודע, כי השתמשתי בה לצרכים אחרים. על מנת לזהות בעזרתה פולימורפיזמים, צריך לאסוף נתונים מעולם החי. כלומר, צריך לצאת לשטח ולאסוף דגימות, מה שדורש אפילו יותר זמן.

למרות המאמץ הכרוך בזה, המאמץ המשותף של מדענים רבים הוביל לנתונים שמוצגים בתרשים 2. הוא מבוסס על נתונים שנאספו מיותר מ-250 מינים של צמחים, חרקים וחסרי חוליות אחרים, דו-חיים, זוחלים, עופות ויונקים. הנתונים נאספו על ידי מדענים שונים ופורסמו בספרות המדעית, ורוכזו בטבלה אחת על ידי אביתר נבו במסגרת סקירת ספרות שהוא ערך.

לכל אחד מהמינים שמיוצגים בתרשים 2 נבדקה אוכלוסיה אחת או יותר. לכל אוכלוסיה בחנו קבוצה של חלבונים בעזרת הרצת חלבונים בג'ל, וחישבו את אחוז החלבונים שפולימורפיזמים באוכלוסיה הזאת. לסיום, לכל מין לקחו ממוצע של המספר הזה עבור האוכלוסיה השונות. לממוצע הזה אקרא הפולימורפיזם הממוצע. התוצאות מאד ברורות לעין. קשה למצוא אוכלוסיה שבה אין פולימורפיזם, ובאחוזים די גבוהים. ברוב המינים, הפולימורפיזם הממוצע הוא בין 20 אחוז ל-60 אחוז.

תרשים 2 - פולימורפיזמים לאורך ולרוחב עולם החי.התרשים הגדול. לכל מין נבדקו עשרה או יותר אתרים בקרב אוכלוסיה אחת או יותר של המין. לכל אוכלוסיה חושב אחוז האתרים הפולימורפיים מתוך כלל האתרים שנבדקו באוכלוסיה. לכל מין לקחו ממוצע של המספר הזה עבור האוכלוסיות השונות. אקרא לממוצע הזה הפולימורפיזם הממוצע.ציר אופקי: הפולימורפיזם הממוצע מחולק לטווחים של 5 אחוזים.ציר אנכי: כמות המינים שהפולימורפיזם הממוצע שלהם נופל בטווח המתאים. התרשים הקטן. כמות האתרים שנבדקו עבור כל מין.ציר אופקי: מספר האתרים שנמדדו.ציר אנכי: מספר המינים עבורם נמדד מספר האתרים המתאים. הנתונים מתוך Nevo, 1978

תרשים 2 – פולימורפיזמים לאורך ולרוחב עולם החי.
התרשים הגדול. לכל מין נבדקו עשרה או יותר אתרים בקרב אוכלוסיה אחת או יותר של המין. לכל אוכלוסיה חושב אחוז האתרים הפולימורפיים מתוך כלל האתרים שנבדקו באוכלוסיה. לכל מין לקחו ממוצע של המספר הזה עבור האוכלוסיות השונות. אקרא לממוצע הזה הפולימורפיזם הממוצע.
ציר אופקי: הפולימורפיזם הממוצע מחולק לטווחים של 5 אחוזים.
ציר אנכי: כמות המינים שהפולימורפיזם הממוצע שלהם נופל בטווח המתאים.
התרשים הקטן. כמות האתרים שנבדקו עבור כל מין.
ציר אופקי: מספר האתרים שנמדדו.
ציר אנכי: מספר המינים עבורם נמדד מספר האתרים המתאים.
הנתונים מתוך Nevo, 1978

בחלק הבא

אולי אתם שואלים את עצמכם למה אני טורח לעסוק במגוון תוך-מיני. הרי אבולוציה היא תהליך שבו מינים חדשים נוצרים. ובכן, אל תדאגו. הסיבה שטרחתי לעסוק במגוון תוך-מיני תתבהר לכם בעתיד, אבל בינתיים, הדבר שכמה מכם כנראה חיכו לו עומד להגיע. בחלק הבא אעסוק במגוון גנטי בין-מיני.

מקורות וקריאה להרחבה

לשיטת הרצת החלבונים בג'ל שתיארתי כאן יש שימושים רבים ומגוונים בביולוגיה מולקולרית. קוראים לה בעגה מקצועית אלקטרופורזה של חלבונים (protein electrophoresis). דילגתי על לא מעט פרטים עליה שרלוונטיים לשימוש בה לשם הערכת מגוון גנטי. בכלליות, יש כרכים שלמים שנכתבו עליה, והתיאור המפשט, החלקי והקצת עקום שלי לא עושה לה צדק. מי שרוצה קצת יותר הרחבה ויותר דיוק, מוזמן לעיין בחלק על אלקטרופורזה בפרק 3 בספר Lehninger Principles of Biochemistry של Nelson ו-Cox, מהדורה רביעית (היחידה שיש לי איתה ניסיון כלשהו).

הפרטים של טכניקת האלטקרופורזה הספציפית שבה השתמשו בשנות ה-60 מפורטים עד כדי כאב ראש בשפע מאמרים שמצוטטים אצל Nevo, 1978. מי שמתעניין בזה כנראה גם יהיה מסוגל למצוא אותם ולהבין אותם. מי שלא מסוגל למצוא אותם או להבין אותם… ובכן, כדאי שיוותר על הרעיון.

לאחרונה פורסם מאמר מעניין על ההיסטוריה של אלקטרופורזה בביולוגיה אבולוציונית. הוא נותן נקודת מבט היסטורית מאד מעניינת על התרומה של אלקטרופורזה לתחום.

Charlesworth, B., Charlesworth, D., Coyne, J. A., & Langley, C. H. (2016). Hubby and Lewontin on Protein Variation in Natural Populations: When Molecular Genetics Came to the Rescue of Population Genetics. Genetics, 203(4), 1497 LP-1503. JOUR.

 

תרשים 1 הוכן בעזרת האיורים הנאים של Library of Science and Medical Illustrations, ספריה חינמית של איורים ביולוגיים שהוכנה ועוצבה על ידי Idoya Lahortiga ו-Luk Cox.

הנתונים בתרשים 2 נלקחו מתוך טבלה 1 בסקירת ספרות שפרסם ב-1978 אביתר נבו. עשיתי לנתונים דיגיטיזציה והכנתי היסטוגרמה שלהם בעזרת matplotlib בפייתון.

Nevo, E. (1978). Genetic variation in natural populations: Patterns and theory. Theoretical Population Biology, 13(1), 121–177.

אין תגובות

כתובת טרקבק | RSS תגובות

כתיבת תגובה

נא לקרוא את מדיניות התגובות לפני כתיבת תגובה.