שיעור 5

Question 1

המהפכה הגנומית

Answer 1

• ריצוף DNA (ו-RNA) הפך לתהליך מהיר וזול משמעותית בזכות טכנולוגיות מתקדמות כמו ריצוף מהדור הבא (NGS).

Question 2

גנומיקה (הגדרה)

Answer 2

• גנומיקה עוסקת בחקר גנומים שלמים או קבוצות גנים, ובוחנת את כל מערכות הגנים ואינטראקציות ביניהם.
• ביו-אינפורמטיקה משלבת שיטות חישוביות לניתוח המידע הביולוגי הרב שמופק.
  גנומיקה: חקר גנומים, והאינטראקציות ביניהם.

Question 3

פרויקט הגנום האנושי

Answer 3

• הוצע על ידי ממשלת ארה”ב ב-1984 והושלם בשנת 2003.
• דובר בפרויקט שעלה כ-3 מיליארד דולר, שבו השתתפה גם חברה פרטית בשם Celera.

Question 4

ממצאים עיקריים מפרויקט הגנום האנושי

Answer 4

• תוצאות הריצוף הראו שמספר הגנים באדם הוא 20,000 עד 21,000, כמו בעכברים
• זאת לעומת הערכות קודמות שצפו כ-50,000-100,000 גנים.
• בגנום האנושי קיימות מספר רב של כפילויות של מקטעים.

Question 5

ביו-אינפורמטיקה ו-“Big Data”

Answer 5

• כמות המידע הביולוגי העצומה יוצרת אתגרים של אחסון וניתוח נתונים, במיוחד בנוגע לאמינות המידע והגיוון שלו.

Question 6

משאבים מרכזיים לניתוח גנומים

Answer 6

• ה-NCBI בארה”ב
• המרכז האירופי לביולוגיה מולקולרית
• בנקי נתוני DNA ביפן ובסין.

Question 7

מטאגנומיקה

Answer 7

• תחום חדש העוסק בריצוף גנומים מתוך דגימות סביבתיות.
• לדוגמה, נמצאו יצורים חיים במקומות כמו מכרות חומציים וקרקעות מזוהמות באורניום.
• בתחום חקר זה מרצפים גנומים של חיידקים, ארכאונים ואיקריוטיים.

Question 8

המיקרוביום האנושי

Answer 8

• אוכלוסיות המיקרואורגניזמים הנמצאים בגוף האדם.
• חלק גדול מהגוף שלנו מורכב מבקטריות (כ 1-3 ק”ג מהגוף האדם), בגוף האדם יש יותר תאי חיידקים מתאי אדם.
• בעלי תפקידם חיוני בתהליכים מטבוליים מרובים. הן משפיעות ישירות על התפתחות העובר, מערכת החיסון שלנו, ואפילו על המוח שלנו.

Question 9

אנתוטציה של גנים

Answer 9

• תהליך שבו מנסים למצוא ולהבין את תפקודם של גנים באמצעות כלים כמו BLAST, המספק השוואה מהירה בין רצפי גנים ידועים.

Question 10

רפואה מותאמת אישית

Answer 10

• המעבר משיטות טיפול כלליות לטיפולים מותאמים אישית עבור כל חולה בהתאם למאפיינים הגנומיים שלו.

Question 11

פרדוקס גודל הגנום (C-value)

Answer 11

• אין קשר ישיר בין גודל הגנום למורכבות האורגניזם.
• לדוגמה, גנום האדם מכיל 3 מיליארד בסיסים, אך חלק גדול ממנו הוא DNA שאינו מקודד לחלבונים.

Question 12

אלמנטים טרנספוזונים

Answer 12

*טרנספוזונים - הם מקטעי DNA ניידים.
* נחשבים לחלק גדול מהגנום האנושי
* טרנספוזונים יכולים להיות מזיקים לגנים תפקודיים, אך במקרים נדירים עשויים להיות מועילים.

Question 13

משפחות גנים

Answer 13

• רבים מהגנים באורגניזמים נמצאים במספר עותקים בגנום
• דוגמה קלאסית היא הגנים של גלובינים המעורבים בנשיאת חמצן בדם.
• יש דמיון רב בתוך גנים ואקסונים בגנום האנושי, דבר שמרמז על מוצא משותף. הסברים אבולוציוניים כוללים הכפלת גנים בתהליך של “חצייה לא שווה” במיוזה.

Question 17

שלבי ריצוף שוטגאן

Answer 17

1. חיתוך הDNA לקטעים קצרים וחופפים במידה מספקת לריצוף.
2. שכפול של קטעי הDNA הללו בתוך פלסמידים או חיידקים, כדי להגדיל את כמותם.
3. ריצוף של כל אחד מקטעי הDNA בנפרד, באמצעות טכנולוגיות ריצוף מתאימות.
4. הרכבת רצפי ה DNA השונים לרצף כללי אחד באמצעות תוכנות מחשב, על סמך החפיפות ביניהם.
   * מרצף אקראי של קטעים קצרים, ניתן להרכיב בחזרה את רצף הגנום המלא של האורגניזם הנחקר על ידי שילוב טכניקות מולקולריות וכלים ביואינפורמטיים חישוביים.

Question 18

ג’אנק DNA

Answer 18

• קיימת מחלוקת האם מקטעי ה-DNA שאינם מקודדים באמת חסרי תפקיד, או שיש להם תפקידים אחרים שעוד לא התגלו.

Question 19

השוואות גנומים

Answer 19

• שני בני אדם חולקים זהות גנטית של 99.5-99.9%.
• בני אדם ושימפנזים חולקים 98.7% זהות בדנ”א ו-99.2% זהות בחלבונים.,
• כמו כן, יש ממצאים מפתיעים על רמות זהות בקרב מינים שונים, כמו עכברים וזבובים.

Question 20

מנגנונים גנטיים המייצרים גיוון

Answer 20

• מנגנונים כמו הכפלה, מוטציות ושחלוף גנטי תורמים לשינויים בגנום.
• במרבית המקרים, שינויים אלו מזיקים או חסרי השפעה, אך במקרים נדירים הם מועילים ומקדמים את האבולוציה.

Question 21

אבולוציה והתפתחות (Evo-Devo)

Answer 21

• תחום ביולוגי העוסק בהשוואת התפתחות בין אורגניזמים שונים ובחינת הדרך בה התפתחות זו התפתחה לאורך זמן.
• למשל, עוברים של כל המיתרניים דומים מאוד בשלבים הראשונים של ההתפתחות, דבר שמרמז על מוצא משותף.

Question 22

גנים Hox

Answer 22

• כל בעלי החיים חולקים גנים עם דומיינים הומאוטיים (Hox genes) שהם פקטורי שעתוק האחראים על תיאום ההתפתחות.

Question 23

שינויים אבולוציוניים בגמטות

Answer 23

• כל שינוי אבולוציוני משמעותי חייב להתרחש בתאי הרבייה (תאי הגמטות), אחרת הוא לא יועבר לדורות הבאים.

Question 24

ריצוף גנטי

Answer 24

• תהליך של פענוח סדר הנוקלאוטידים במקטע DNA

Question 24

ביואינפורמטיקה

Answer 24

• שימוש בשיטות חישוביות לניתוח נתונים ביולוגיים המתקבלים מרצפי DNA.

Question 25

ריצוף שוטגאן

Answer 25

• שיטה המשמשת לריצוף גדילי DNA ארוכים.
• כיום עדיין לא ניתן לרצף קטעי DNA ארוכים, לכן חותכים אותם למקטעים קצרים ובסוף הריצוף מסדרים אותם בסדר הנכון.
• כאשר עושים ריצוף, משתמשים במספר גנומים זהים.
• חותכים אותם כך שאין מקטעים זהים, אך יש חלקים חופפים בין המקטעים השונים.
• ככל שיש יותר קטעים החופפים לאותם אזורים, כך ניתן להרכיב רצפים מדויקים יותר.

Question 26

ניתוח רצפים גנטיים

Answer 26

• לאחר ריצוף הגנום צריך לנתח את הרצפים:
  1) לאתר גן בדנ”א.
  2) לגלות מה הפונקציה/ התפקוד שלו.

Question 27

שיטות איתור הגן בדנ”א

Answer 27

1. De novo (ריצוף מאפס/ מן ההתחלה): שיטה לריצוף גנטי ללא שימוש בידע קודם על הרצף הגנומי הנתון.
   * הגדרת מסגרת הקריאה מסייעת לזהות היכן מתחיל ומסתיים כל גן.
   * מסגרת קריאה פתוחה: רצף של קודונים, שמתחיל בקודון התחלה (AUG) ונמשך עד לקודון סיום הקרוב ביותר, כלומר, זוהי המסגרת שבתוכה נמצאים הקודונים המייצגים חלבון.
   * לאחר ריצוף הגנום יש לעבור על כל ששת מסגרות הקריאה ולחפש את מסגרת הקריאה הפתוחה הארוכה ביותר מגיוון שלה יש את הסיכוי הכי גבוהה להיות גן.
2. שיטה מבוססת הומולוגיה: שיטה המשתמשת בהשוואת רצפים של דנ”א לזיהוי ואפיון של גנים.
   * לאחר ריצוף הגנום, משווים אותו לגנים מוכרים עד שמוצאים התאמה.
   * על מנת להשוות את הרצפים משתמשים באלגוריתם בשם BLAST, הניגש לממסד נתונים של מיליארדי רצפים גנטים (פוטנציאליים).

Question 28

מציאת הפונקציה/ תפקוד של גן

Answer 28

• זיהוי התפקיד הביולוגי של הגן הנחקר.
  1. חיפוש מוטיבים מסוימים ברצף הדנ”א: מוטיבים הם רצפים קצרים של חומצות אמינו או נוקלאוטידים בעלי משמעות ביולוגית מסוימת.
• כלומר, מחפשים על הגנום רצפים קצרים עם משמעות פונקציונלית מוגדרת מראש.
  2. חיפוש רצפים דומים (BLAST): ניתן לשער את תפקוד הגן הנבדק אם נמצא דמיון לרצפים אחרים שתפקודם ידוע
• כלומר מחפשים דמיון בין רצפים ארוכים לצורך הבנת תפקוד כללי של גנים או חלבונים.
  3. זיהוי אינטראקציות עם גנים או חלבונים אחרים: ניתן להבין את תפקודו של גן על ידי בחינת הגנים או החלבונים שהוא מתקשר עמם או נמצא באינטראקציה עימם. אם ידוע מה תפקודם של שותפים אלה, ניתן להסיק על תפקוד הגן הנבדק.
• אחד מהיתרונות העיקריים של עידן הגנומיקה הוא היכולת להשוות גנים וגנומים על פני מגוון רחב של מינים.

Question 29

פרדוקס ערכי ה-C

Answer 29

• ערך C הוא גודל הגנום.
• גודל הגנום אינו מושפע רק ממספר הגנים.
• גודל הגנום של אורגניזם מסויים אינו קשור באופן שיטתי למורכבות או לתכונות הנראות שלו (פנוטיפ) כלומר, אין קשר בין גודל הגנום למורכבות של אורגניזם.

Question 30

הסברים אפשריים לפרדוקס ערכי C

Answer 30

1. alternative splicing (חלופי הדבקה): רצפי הדנ”א אשר עוברים הרכבות שונות בשלב העריכה בתהליך השיעתוק.
   * כך, שמאותו גן יכולות להיווצר מספר מולקולות mRNA שונות, המקודדות לחלבונים שונים.
2. דנ”א לא מקודד: גודל הגנום ומספר הגנים אינם מתואמים בגלל כמות ה DNA שאינה מקודדת לגנים.

Question 31

דנ”א אנוכי

Answer 31

• רצף DNA אשר מתרבה ומתפשט על ידי יצירת עותקים נוספים של עצמו בתוך הגנום ומעבר לאתרים חדשים.
• אינו תורם תרומה ספציפית להצלחת הרבייה של האורגניזם המארח שלו.
• במקרים של הטמעה בגנים חיוניים, פעילות טרנספוזונים ורטרוטרנספוזונים עלולה לפגוע בגנים, בתא ובאורגניזם.
• גנומים פיתחו קווי הגנה רבים נגדם אשר פועלים גם נגד וירוסים.
• לעיתים רחוקות דנ”א אנוכי עשוי לתרום לשונות גנטית, לשינויים גנומיים, ויצירת גנים חדשים.

Question 32

טרנספוזונים ורטרוטרנספוזונים

Answer 32

• מקטעים גנטיים ניידים שיכולים להעתיק את עצמם בתוך הגנום.
• אלמנטים אלו נחשבים לטפילים אנוכיים.
• כלומר, פרזיטים שאינם גורמים נזק ישיר למארח.
• הם מקבלים רווח ממנו וגורמים להם לנזקים מוגבלים.
• הם מתפקדים בדרך הדומה לוירוסים.

Question 33

טרנספוזונים

Answer 33

• אלמנטים גנטיים הניידים בדנ”א היכולים לנוע מאתר לאתר בתוך הגנום.
• הטרנספוזון נחתך מהדנ”א על ידי האנזים טרנספוזאז.
• הטרנספוזון נכנס למיקום חדש בגנום ומתאחה בסליל.

Question 34

רטרוטרנספוזונים

Answer 34

• אלמנטים גנטיים ניידים בדנ”א היכולים לנוע מאתר לאתר בתוך הגנום בעזרת רנ”א.
• הרטוטרנספוזון מתועתק מדנ”א לרנ”א.
• הרנ”א מתועתק חזרה לדנ”א (cDNA) על ידי האנזים רוורס טרנסקריפטאז.
• ה-cDNA נכנס למיקום חדש בגנום.

Question 35

משפחות גנים
* קבוצות של גנים שיש להם דמיון גנטי ורצפי דנ”א דומים או זהים.
* גנים באותה משפחה גנית יכולים להיות בעלי תפקוד זהה או דומה, ולפעמים הם עשויים להיות ממוקמים בקרבה אחת לשני בדנ”א.
* דוגמה למשפחות מרובות גנים של גנים לא זהים הן α גלובינים ו β גלובינים.
* הם מקודדים על ידי גנים בכרומוזומים שונים ומתבטאים בזמנים שונים בהתפתחות האדם.