מגוון גנטי: מגוון בין-מיני

[1,130 מילים]

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

אחרי שלמדנו על עימודים בחלק הקודם, אנחנו סוף סוף אנחנו מוכנים לראות דוגמאות של מגוון גנטי בין-מיני. בלי יותר מדי הקדמות, נקפוץ ישר למים.

פוטוסינתזה וציטוכרום f

אני אוהב צמחים. הם מגניבים לגמרי בעיני. שלא תבינו אותי לא נכון, חיות די מגניבות בפני עצמן, אבל פחות. הן מצליחות בחיים בין השאר בזכות היכולת שלהן לנוע. הן מסוגלות לברוח, לתקוף ולהגיב במהירות בזכות יכולת התנועה שלהן. לצמחים אין יכולת תנועה כזאת. במובן מסוים, הם נכים, והדרך בה הם מפצים על הנכות הזאת מרשימה בעיני.

החיבה שלי לצמחים גרמה לי לחפש בתור דוגמא ראשונה משהו "צמחי". החלבון הראשון שחשבתי עליו היה ציטוכרום f, חלבון מרכזי בתהליך הפוטוסינתזה. בתהליך זה, אנרגיית השמש מנוצלת על מנת לבנות סוכרים מהפחמן הדו-חמצני שמצוי באוויר. כמעט כל הצמחים מבצעים פוטוסינתזה, אך יש גם לא מעט חיידקים ושאר יצורים חד-תאיים שעושים אותו. עוד על פוטוסינתזה בהמשך הסדרה. בינתיים, נתמקד בציטוכרום f.

ציטוכרום f הוא חלבון באורך בערך 300 חומצות אמינו. הוא קיים בשפע אורגניזמים, פחות או יותר כולם צמחים, ואף אחד מהם לא חיה. חשוב לעמוד על משמעות הטענה הזאת. זכרו את החלק הקודם בו ראינו איך ניתן למדוד זהות ודמיון בין רצפים ביולוגיים. במונחים של דמיון בין חלבונים, הטענה שאין ציטוכרום f בקרב חיות היא בעצם הטענה שכאשר מחפשים בקרב חיות רצפי חלבונים הדומים לציטוכרום f – אין כזה רצף בנמצא.

בקרב צמחים, שונים קיימות גרסאות שונות של החלבון ציטוכרום f. תרשים 1 מציג עימוד של רצפי ציטוכרום f מ-34 מיני צמחים. כל אחת מחומצות האמינו מסומנת בצבע מסוים ופערים סומנו בצבע לבן. כל שורה מייצגת רצף של ציטוכרום f מתוך מין אחד. כל טור מייצג עמדה אחת בעימוד המשותף של כל הרצפים הללו. אפילו ברפרוף שטחי, תרשים 1 מבהיר שיש שפע של זהות ברצפי ציטוכרום f אך גם לא מעט מגוון. הטורים השונים נראים די אחידים בצבע, אך עם "נקודות" של מגוון פזורות פה ושם.

יש דרך יותר מדויקת לגבש את הרושם שרצפי הציטוכרום f מאד דומים בקרב 34 המינים הללו. נביט לרגע בנפרד על כל עמדה בעימוד, על כל טור בתרשים 1. ניתן לספור את כמות הצבעים השונים שמופיעים בכל טור. כלומר, ניתן לספור את כמות חומצות האמינו השונות שמופיעות בכל עמדה בעימוד. באופן דומה למה שעשיתי כשדיברתי על מגוון תוך-מיני, ניתן לקרוא לכמות הזאת כמות הפולימורפים בעמדה.

לשם הדוגמא, בטור הראשון יש רק צבע אחד, רק חומצה אמינית אחת שמשותפת לכל 34 הרצפים. במצב כזה נאמר שיש בה רק פולימורף אחד. לעומת זאת, בטור 10 יש שישה צבעים שונים, אחד מהם הוא לבן המסמן פער. כלומר, ברצפים השונים יושבת בעמדה 10 אחת מחמש חומצות אמיניות שונות, ובחלק מהרצפים אין אף חומצה אמינית. במצב כזה נאמר שיש שישה פולימורפים.

כעת נביט בתרשים 2, בו בכל עמודה מוצג אחוז העמדות בעימוד שיש בהן כמות פולימורפים מסוימת. רק ב-0.6 אחוז מהעמדות יש שישה פולימורפים, וזה מספר הפולימורפים הגבוה ביותר לעמדה. בכמעט 50 אחוז מהעמדות יש רק פולימורף אחד. בכמעט 28 אחוז יש שניים. סך הכל, בכמעט 80 אחוז מהעמדות יש לכל היותר שני פולימורפים. אינטואיטיבית, קל לקבל את הרושם שהרצפים השונים של ציטוכרום f מאד דומים.

הריבוזום ו-RNA ריבוזומלי

הדוגמא השניה היא RNA ריבוזומלי. הריבוזום הוא קומפלקס ענק של חלבונים ומולקולות RNA. כלומר, הוא מורכב ממספר חלבונים שונים ומולקולות RNA שונות שמחוברים יחד. כפי שראינו בחלק קודם, ריבוזומים קיימים בכל תא חי ותפקידם הוא לחבר חומצות אמינו בודדות לשרשרת, הלא היא חלבון, לפי רצף שמקודד במולקולת RNA. בגדול, הריבוזום מורכב משני חלקים שמכונים (כמה יצירתי) היחידה הקטנה והיחידה הגדולה.

תרשים 3 מציג את המבנה התלת ממדי של הריבוזום. תרשים 3א מציג ריבוזום מחיידקים ותרשים 3ב מציג ריבוזום משמר האפייה, היצור המגניב הזה שמתפיח לנו בצק. למרות שהתרשים לא מעביר זאת, הריבוזום השמרי יותר גדול מהריבוזום החיידקי. בשני הריבוזומים אפשר להבחין במעין "חור" או "כיס" שנוצר על ידי החיבור בין היחידה הקטנה ליחידה הגדולה. בכיס הזה הריבוזום עושה את עבודתו, יוצר חלבונים חדשים.

במבט שטחי אפשר להבחין בדמיון מסוים במבנה של צמד הריבוזומים הללו, אך גם בלא מעט שוני. יש כחמישים חלבונים שונים בריבוזום החיידקי וכשמונים בשמרי. היחידה הקטנה בריבוזום החיידקי (תרשים 3א) מורכבת מחלבונים (ירוק) ושרשרת RNA אחת (אדום). ליחידה הקטנה בריבוזום השמרי (תרשים 3ב) יש מבנה דומה. היחידה הגדולה בריבוזום החיידקי (תרשים 3א) מורכבת מחלבונים (צהוב), מולקולת RNA גדולה (אפור) ומולקולת RNA קטנה (כחול). היחידה הגדולה בריבוזום השמרי (תרשים 3ב) מורכבת מחלבונים (צהוב), מולקולת RNA גדולה (אפור) ושתי מולקולות RNA קטנות (ורוד וכחול; את המולקולה הכחולה קצת קשה לראות כי היא חבויה מאחורי האפורה).

בזכות הצבעים בתרשים 3 קל לשים לב שהריבוזום עשוי בעיקר מ-RNA. ביולוגים הופתעו לגלות שמולקולות ה-RNA עושות את מלאכת הרכבת החלבונים. חלבוני הריבוזום רק מסייעים לפעולה הזאת. לכן, חקר ה-RNA הריבוזומלי חשוב מאד להבנת אחד התהליכים הביולוגיים הכי בסיסיים שמתרחשים בתא החי, יצירת חלבונים. החשיבות של ה-RNA הריבוזומלי לא נגמרת שם. השוואת רצפים של RNA ריבוזומלי בין יצורים שונים הניבה כל מיני תובנות מעניינות על האבולוציה של החיים. עוד על זה בהמשך הסדרה, אך בינתיים אתם מוזמנים לעיין במאמר מדע פופולרי ששמתי בקריאה להרחבה.

מה קורה כשמשווים את הרצף של ה-RNA הריבוזומלי? בואו נתמקד ב-RNA הריבוזומלי מהיחידה הקטנה ומעכשיו ואליך כל פעם שאדבר על RNA ריבוזומלי אתכוון אליו. לקחתי רצפים של RNA ריבוזומלי מ-47 מינים שונים. הרצפים הגיעו פחות או יותר מכל פינה חשובה של עולם החי, לרבות צמחים, יונקים, חסרי חוליות, פטריות וחיידקים. אורך הרצפים נע בין כ-1,200 נוקלאוטידים לכ-1,800 נוקלאוטידים והאורך הממוצע הוא כ-1,600 נוקלאוטידים.

תרשים 4 מציג עימוד של הרצפים הללו. בדומה למה שעשיתי עבור ציטוכרום f, קודדתי כל אחד מארבעת הנוקלאוטידים השונים על ידי צבע ופער על ידי צבע לבן. עבור רצפים כה ארוכים, העימוד המלא יוצר גרף ענק. במקום, בחרתי די באקראי מקטע של 500 עמדות מתוך העימוד (עמדות 701-1200). מי שמעוניין בעימוד המלא מוזמן לעיין במקורות בתחתית הרשומה. כמו בציטוכרום f, הדפוס די ברור. הרבה דמיון אך גם הרבה שוני. אך כמה דמיון וכמה שוני? קשה לשפוט, במיוחד בגלל שתרשים 4 מציג רק חלק מהעימוד.

תרשים 5 מאפשר לנו לענות על השאלה הזאת. כדי להבין איך הוא עונה עליה, זכרו מהו עימוד. כפי שהסברתי בחלק הקודם, לכל אחד מהרצפים בעימוד הזה הוספנו רווחים במקומות שונים, כך שמתקבלים רצפים באורך זהה שבאף עמדה אין רווח לכולם. העימוד שבתרשים 4 הוא למעשה העימוד האופטימלי, העימוד שמגדיל ככל הניתן את כמות העמדות הזהות ומקטין ככל הניתן את כמות העמדות השונות ועמדות הפער.

כשאנחנו מסתכלים על העימוד כולו, תרשים 5 מראה שיש נטיה לריבוי פולימורפים במרבית העמדות. ברוב העמדות יש 3 עד 5 פולימורפים. התמונה מתחילה להיות מעניינת יותר כשמסתכלים רק על חלק מהרצפים בעימוד. בתרשים 5 בחרתי להציג בנפרד את הפולימורפים ברצפים מצמחים, מיונקים, מפטריות ומחיידקים.

כשעושים זאת, ניכר שהרצפים דומים יותר אחד לשני. ראשית, המספר המקסימלי של פולימורפים יורד. יש לכל היותר ארבעה פולימורפים בכל עמדה בחיידקים, ובקרב יונקים, צמחים ופטריות יש לכל היותר שלושה בכל עמדה. שנית, הרצפים הכלולים בכל קבוצה יותר דומים אחד לשני. ברוב העמדות של RNA ריבוזומלי מצמחים יש לכל היותר שני פולימורפים. הדבר נכון גם לגבי יונקים ופטריות.

בחלק הבא

הדוגמא האחרונה מאפשרת לנו לראות דפוס מגוון שיוצר עימוד, דפוס שנוצר כשמסתכלים על כל הרצפים הכלולים בעימוד ביחד וגם על חלק מהם בלבד. דפוסים כאלו מאד חשובים בביולוגיה אבולוציונית. עוד נפגוש כאלו בהמשך הסדרה ונעמוד על החשיבות שלהם. בעתיד גם אדבר על הקשר העמוק בין מגוון בין-מיני למגוון תוך-מיני ואיך השניים עוזרים לביולוגים אבולוציוניים לגלות את המוצא של מגוון גנטי. בקיצור, עוד נראה בעתיד כל כך הרבה דפוסים שונים של מגוון גנטי בין-מיני שתתחננו שאפסיק.

עד היום המשמח הזה, לא אוסיף לדבר על מגוון גנטי. אעבור לדבר על מגוון מורפולוגי, מגוון בצורות של החיים. אנסה להסביר, לפחות באופן מפושט, למה ביולוגים מתכוונים כשהם מדברים על "צורות חיים" או "מינים".

מקורות וקריאה להרחבה

פוטוסינתזה היא בעיני אחד התהליכים הביולוגיים הכי מדהימים. מי שמעוניין לקרוא עליו בהרחבה מוזמן לעיין בספר Raven Biology of Plants של Ray F. Every ו-Susan E. Eichhorn (יש לי ניסיון רק עם המהדורות השביעית והשמינית). פרק 7 במהדורה השמינית, Photosynthesis, Light, and Life, ייתן לכם מנת יתר של פוטוסינתזה.

RNA ריבוזומלי היה מאד חשוב בעבודה של קארל ווז, אחד מגדולי הביולוגים האבולוציוניים וחוקרי המיקרובים של המאה ה-20. למרות העבודה המדהימה שלו, הוא בקושי ידוע מחוץ לחוגים מדעיים. כתבה ממש טובה ב-PBS NOVA, סקרה את הדרך המחוכמת בה ווז השתמש ב-RNA ריבוזומלי על מנת לשפר את הידע שלנו על עץ החיים. הכתבה כתובה ברמת מדע פופולרי.

 

תרשים 1 ותרשים 2 מבוססים על רצפי ציטוכרום f מתוך בסיס הנתונים של NCBI. כל הרצפים המקוריים זמינים, לפי מספרי ה-ID:

ACJ50091.1, NP_039311.1, NP_042401.1, YP_052763.1, YP_009184064.1, YP_009161840.1, AKS28609.1, YP_009180201.1, ALI31153.1, YP_001837373.1, AKT94719.1, AKZ30981.1, AKZ30854.1, AKZ30720.1, AKZ31240.1, AKZ30789.1, AKZ30257.1, AKZ30455.1, AKZ30066.1, AKZ31506.1, AKZ31115.1, AKZ31376.1, AKZ31310.1, AKZ31178.1, AKZ30916.1, AKZ30130.1, AKZ30654.1, AKZ30522.1, AKZ31442.1, AKZ30389.1, AKZ31049.1, AKZ30588.1, AKZ30191.1, AKZ30323.1.

הרצפים עומדו בעזרת MUSCLE גרסה 3.8.31 (רץ מקומית על המחשב שלי) עם אפשרויות ברירת המחדל. התרשימים הוכנו לפי העימוד בעזרת matplotlib בפייתון.

 

תרשים 3 הוכן על סמך המבנים המפוענחים של הריבוזום החיידקי והריבוזום השמרי. המבנה המרחבי של הריבוזום של החיידק Escherichia coli הורד מ-PDB ID 4YBB והמבנה המרחבי של הריבוזום של השמר Saccharomyces cerevisiae הורד מ-PDB ID 4V88. המבנים הללו נתרמו ל-PDB על ידי Noeske et al, 2015 ו-Ben-Shem et al, 2011, בהתאמה. החלקים השונים בכל אחד מהמבנים הללו נצבעו ורונדרו בעזרת PyMOL (ואני חייב לציין שהרינדור הוציא לי את הנשמה עד שהוא הסתיים). התרשים הסופי הופק בעזרת GIMP.

Ben-Shem, A., Garreau de Loubresse, N., Melnikov, S., Jenner, L., Yusupova, G., & Yusupov, M. (2011). The Structure of the Eukaryotic Ribosome at 3.0 Å Resolution. Science, 334(6062), 1524 LP-1529.

Noeske, J., Wasserman, M. R., Terry, D. S., Altman, R. B., Blanchard, S. C., & Cate, J. H. D. (2015). High-resolution structure of the Escherichia coli ribosome. Nature Structural & Molecular Biology, 22(4), 336–341.

 

תרשים 4 ותרשים 5 מבוססים על רצפי RNA ריבוזומלי של היחידה הקטנה מתוך בסיס הנתונים SILVA, בסיס נתונים יעודי לנתוני RNA. הרצפים המקוריים זמינים ברשומות הבאות בבסיס הנתונים, לפי accession number:

AACT01045856.12.1328, AAPN01092164.1.1203, AB020530.1.1327, AB263907.1.1388, AB610482.1.1380, AB819341.1.1487, ABAV01023329.843.2633, ABRN02415089.83.1410, AC182765.21321.23180, ACUQ01015651.11.1396, AFTI01027867.17.1733, AGBW01002626.10633.12526, AJ311674.1.1824, AJ401021.1.1510, AK145507.7.1264, AMQO01017264.1.1344, AP005672.120253.121750, AY099169.1.1454, BX548011.110403.112332, CP006591.2676298.2677848, CQ828061.450.1763, EU239245.1.1819, FJ360521.1885.3680, FJ755183.141259.142758, FM165414.1.1809, GAAA01003669.5114.6921, GBBS01017188.54.1587, GQ396677.1.1561, GU339260.1.1490, HA782847.3.1866, HP566355.129.1625, JC106282.3.1855, JIDN01000058.1.1344, JJMF01000412.4542.6339, JMJE01000008.1030159.1031685, JN132136.1.1725, JN983402.1.1222, JPMB01000003.31718.33247, JQ284056.1.1523, JSAC01000030.4106.5885, JSAD01000145.23375.25159, JSAF02001154.12.1330, KF864473.1.1786, KJ754158.1.1755, M92991.1.1793, U77377.214.1888, X03680.934.2693.

חלק מהרשומות הללו כוללות יותר מרצף אחד. במקרים אלו, בחרתי די באקראי אחד מהם והשמטתי את כל השאר. תוכלו להוריד קובץ של כל הרצפים שנכללו בעימוד הסופי וגם קובץ שכולל את כל העימוד עצמו. תרשים 4 ותרשים 5 הופקו על סמך העימוד הזה בעזרת matplotlib בפייתון.