מה זה "ריצוף " הגנום?

ריצוף גנום הוא קביעת הסדר הנכון של כ – 3 ביליון זוגות הנוקלאוטידים שמרכיבים את ה-DNA של האדם. ה"ריצוף" הוא שלב חשוב בהבנת ארגון הגנום, ובאיתור גנים בגנום.
כיום, לאחר שהגנום רוצף, ניתן לסרוק כמות עצומה של DNA ולחפש גנים על פי מאפייניהם הייחודיים, שמאפשרים לנבא היכן מצויים גנים בגנום.

ריצוף של מקטעי DNA גדולים נעשה במכשירים משוכללים אוטומטיים, ש"קוראים" רצפי בסיסים, בדומה לדרך שבה העין סורקת אותיות כדי לקרוא משפט.
פיענוח של רצף DNA הכולל את הבסיסיםA,G,T ו-C ייראה כרשימת אותיות. נתבונן לדוגמה, במקטע DNA מסוים המכיל 15 זוגות בסיסים: AGTCTTCAGATGGCT. הוא ייראה כרשימה של אותיות, הנקראת משמאל לימין, כך שאחרי אדנין (A) יש גואנין (G) ואחריו מופיע טימין (T) ואז ציטוזין (C) וכך זה ממשיך. שימו לב לכך, שאף על פי שרצף ה-DNA הוא דו-גדילי מרצפים גדיל יחיד. הגדיל השני הוא המשלים: מול A יש T ומול G יופיע C.
כשאתם קוראים משפט, המשמעות אינה טמונה רק ברשימת האותיות, אלא במילים שהאותיות יוצרות ובדקדוק של השפה. תארו לכם את הגנום כספר שנכתב ללא סימני פיסוק או ניקוד, ללא רווחים בין אותיות, משפטים או פסקאות. ואם לא די בכך, גם בתוספת של אותיות חסרות משמעות שמפוזרות בין המשפטים, ואפילו בתוכם. קטע מספר כזה בעברית ייראה כך:

המשפט מייצג גן או חלק מגן בגנום. החלקים המוארים שיוצרים את המשפט במקרה זה מייצגים את האקסונים בגן, החלקים האחרים מייצגים את האינטרונים בגן. רוב הגנום בנוי מ"משפטים" שאינם גנים, והמדענים עדיין אינם יודעים את משמעותם.

אם התקשיתם להבחין בין "אקסונים" ו"אינטרונים" הכתובים בשפה מוכרת, תוכלו לשער כמה קשה לתפוס את משמעותו של קטע הכתוב ב"שפת" הגנום. לעתים קרובות משווים את ריצוף הגנום לפיענוח צופן, אבל גם כאשר הרצף עצמו ידוע, הוא במידה רבה צופן לא מפוענח, חוט ארוך שכתוב בשפה מסתורית.
עם זאת, כיום, כשטיוטת הרצף הגנומי ידועה ואפשר למצוא את הרצפים במאגרי מידע ממוחשבים, ניתן להסתמך על המאפיינים הייחודיים של הגנים שמוכרים למדענים, כדי לנבא היכן בגנום ממוקמים גנים. איתור גן בגנום מחייב אמנם סריקה של DNA והתמצאות בגנום, אך היכולת להבחין בין גנים לרצפים שאינם גנים עושה את התהליך פשוט יותר.

ריצוף ו"גמרנו"?

הריצוף אכן מאפשר לנבא את מיקום הגנים בגנום, אך כיום עדיין איננו מכירים את כל הגנים בגנום. מספרם האמיתי של הגנים אינו ידוע: טיוטת הרצף הגנומי אינה שלמה עדיין, ויש חלקים שעדיין לא רוצפו. כמו כן משערים כי חלק מהגנים עדיין לא זוהו כלל כי הם יוצאי דופן בכך שאינם מכילים חלק מהרצפים האופייניים לגן.
מדענים מעריכים שיש כמה עשרות אלפי גנים שונים באדם. האומדן משתנה מעת לעת עם זיהוי גנים נוספים. על כשליש מהגנים שזוהו ידועים הרצף, מיקומו של הגן בגנום והחלבון המקודד על ידי הגן. על כשליש מהגנים אחרים ידועים הרצף ומיקומו של הגן, אך עדיין לא ידוע החלבון המקודד.
אך גם אם נניח שהרמזים העבים שמפזרים הגנים, בצורת מאפיינים ייחודיים, אכן יאפשרו בעתיד לזהות את כל הרצפים שהם גנים ולקבוע את מספרם – האם בזאת ייפתרו באופן מיידי סודות הגנום?

התשובה היא – לא. פיענוח הטיוטה של רצף הבסיסים בגנום האנושי יכול אמנם להפיק מידע כללי על מקומם של גנים בגנום, אך עדיין אין לנו מושג מה כל אחד מהגנים האלה "עושה", כלומר, לאיזה חלבון הוא מקודד. בקטלוג גנים כזה חסר המידע העיקרי. קטלוג גנים שימושי צריך לפרט גם את מיקום הגנים וגם את תפקידו של כל אחד ואחד מהם. כדי להגיע לקטלוג כזה צריך להפעיל אסטרטגיה אחרת לגמרי. אסטרטגיה זו עושה שימוש בנדבך נוסף של פרויקט הגנום האנושי – מיפוי הגנום.

מה זה מיפוי הגנום?

במושג מיפוי הגנום משתמשים לעתים קרובות כדי לקבוע את מיקום הגנים בגנום, אך יש לו משמעות נוספת.
מיפוי הגנום הוא איתור רצפי DNA בגנום שהם נקודות ציון או סמנים ברצף. מטרת המיפוי היא להקל את ההתמצאות והניווט בגנום, להראות לחוקרים היכן הם נמצאים ולכוון אותם, בדומה לנקודות ציון במפת דרכים.

מפת הגנום הוותיקה ביותר, ששימשה מדענים עוד לפני פרויקט הגנום האנושי, התייחסה לדוגמת הפסים של הכרומוזומים (כפי שהם נצבעים בשלב חלוקת תא), כאל סמנים על הכרומוזומים. אלא שכל פס על גבי הכרומוזום מכיל מיליוני נוקלאוטידים שיכולים לקודד לאלפי גנים שונים, והתעורר הצורך ליצור מפה מפורטת יותר של הגנום, שתאפשר התמצאות נוחה יותר וניווט אל גנים בגנום. לכן, בד בבד עם ריצוף הגנום, הוחלט בפרויקט הגנום האנושי למפות את הגנום ביתר פירוט.

בתהליך המיפוי איתרו סמנים שהם רצפי DNA שממוקמים אצל רוב בני האדם באתרים קבועים ומוכרים בכרומוזומים. כך נוצרה מפה של הגנום שמסומנים בה עשרות-אלפי סמנים.
רצפי ה-DNA המשמשים סמנים במפה הם במקרים רבים רצפי DNA שאינם גנים. אחד מסוגי הסמנים האלה נקרא סמני שונות גנטית (סמני פולימורפיזם).

מהם סמני שונות גנטית?

סמני שונות גנטית הם רצפים של DNA, שאינם גנים. כמו הגנים וכמו כל שאר נקודות הציון בגנום, אצל רוב בני האדם הם ממוקמים באתרים קבועים ומוכרים על פני הכרומוזומים. בדיוק כמו שכאשר לגן מסוים יש יותר משני אללים אנו אומרים שזהו גן בעל אללים מרובים, כך גם לסמן יש אללים מרובים.

שני מרכיבים מאפיינים סמן שונות גנטית:

1. לסמן שני רצפים רחוקים זה מזה, וכל אחד מהם מורכב מ200-100- בסיסים, הם זהים אצל כל בני האדם ומצויים אצל כולם באותו המקום בדיוק בגנום (לכן הוא נחשב לסמן).
2. בין שני הרצפים מצויים רצפים קצרים החוזרים על עצמם. מספר החזרות משתנה מאדם לאדם (לכן הם מסמנים שונות גנטית).

בתמונות ניתן לראות שני אללים של סמן שונות גנטית. בכל אחד מהאללים מוצאים בשני הקצוות של האלל, רצפים שהם זהים זה לזה. בין שני הרצפים הזהים מצויים רצפים קצרים חוזרים. הרצפים החוזרים זהים בכל אלל של סמן. מספר החזרות באללים שונים משתנה: אלל A מכיל שני רצפים חוזרים, אלל B מכיל ארבעה רצפים חוזרים.

מדענים מזהים את הסמן לפי הרצפים הזהים שבו, ומשתמשים במספר החזרות השונה של הרצפים החוזרים לזיהוי הבדלים בין גנומים של אנשים שונים.
סמנים בעלי מספר חזרות שונה של רצפים קצרים הם אללים שונים של אותו סמן שונות גנטית. האללים השונים של סמני השונות הגנטית הם חלק מהשונות הנורמלית באוכלוסייה.

כדי להפוך סמן שונות גנטית לנקודת ציון על מפת ה-DNA, יש לקבוע את מיקומו המדויק של הסמן על כרומוזום מסוים, להעניק לסמן שם מזהה, לקבוע את רצף ה-DNA של הרצפים הזהים בשני קצותיו ושל הרצפים החוזרים, לקבוע את מספר החזרות שלהם בפרטים שונים, ולארגן את המידע במאגר מידע של סמנים גנטיים.

מיפוי הגנום הוא איתור של סמנים, בהם סמני שונות גנטית, וארגון המידע במאגרי מידע ממוחשבים. המידע מאורגן במעין מפות של כרומוזומים שעליהן מופיע שמו של הסמן ומיקומו המדויק על הכרומוזום בצד מידע על גנים ומאפיינים אחרים של הגנום. תהליך המיפוי מסייע לאיתור גן מסוים בגנום.