מוטציות: שינויים במולקולות ה־DNA

מולקולת ה־DNA נושאת את ההוראות לבניית חלבונים ולהפעלת התא. בדרך כלל המידע נשמר בדיוק רב, אך לעיתים חל שינוי ברצף הבסיסים החנקניים שלו. שינוי כזה עשוי שלא להשפיע כלל, עשוי לשנות את פעילות התא, ולעיתים הוא עובר לצאצאים אם הוא קיים בתאי רבייה. הבנת סוגי השינויים והשפעותיהם מסייעת להבין מחלות תורשתיות, סרטן ושונות גנטית בטבע.

מהי מוטציה?

מוטציה היא שינוי ברצף הבסיסים החנקניים במולקולת ה־DNA. כל בסיס חנקני הוא חלק מנוקלאוטיד, וסדר הנוקלאוטידים ב־DNA הוא שקובע את המידע התורשתי. לעיתים השינוי קטן מאוד, ולעיתים הוא כולל מקטעים ארוכים יותר, אך ההשפעה נבחנת לפי מיקום השינוי ותוצאתו. כאשר השינוי חל בגן, כלומר במקטע DNA הנושא מידע לבניית חלבון או לתפקוד תאי, הוא עלול לשנות את מוצר הגן. לדוגמה, מוטציה באזור מקודד יכולה לשנות את רצף חומצות האמיניות בחלבון, את מבנהו או את פעילותו. עם זאת, לא כל שינוי ב־DNA בהכרח משנה את החלבון: חלק מהמוטציות מתרחשות באזורים שאינם מקודדים, וחלקן מתרחשות בקודונים שונים אך מקודדים לאותה חומצה אמינית.

כיצד נוצרות מוטציות?

מוטציות יכולות להיווצר באופן טבעי במהלך פעילות התא. בזמן שכפול ה־DNA לפני חלוקת התא, האנזים DNA פולימראז בונה גדיל חדש לפי הגדיל הקיים. האנזים מדויק מאוד, אך לעיתים נדירות הוא מכניס נוקלאוטיד שגוי. לתא יש מנגנוני בקרה ותיקון, המזהים טעויות רבות ומתקנים אותן. אם הטעות אינה מתוקנת, היא עוברת לגדיל החדש ונשארת קבועה ב־DNA. מוטציות אינן נוצרות לפי צורכי האורגניזם, והן אקראיות ביחס לתועלתן האפשרית.

מוטציות יכולות להיווצר גם בעקבות חשיפה לגורמים סביבתיים. גורמים כאלה נקראים מוטגנים, והם מעלים את הסיכוי לשינויים ב־DNA. דוגמאות למוטגנים הן קרינה מייננת, קרינה על־סגולה מהשמש וחומרים כימיים מסוימים, כגון אלה שבעשן סיגריות. המוטגנים אינם יוצרים תמיד את אותה מוטציה, אך הם מגבירים את תדירות ההופעה שלהן.

חשוב להבחין בין הגורם למוטציה לבין תוצאתה: אותו מוטגן יכול לגרום לשינויים שונים במיקומים שונים ב־DNA, ואותו שינוי ב־DNA יכול להשפיע באופן שונה בהתאם לסוג התא ולתפקיד הגן שנפגע.

סוגי מוטציות נקודתיות והשפעתן על החלבון

מוטציה נקודתית היא שינוי קטן ברצף ה־DNA, לרוב החלפה של נוקלאוטיד אחד או שינוי במספר קטן של נוקלאוטידים בגן. מכיוון שהמידע ב־DNA נקרא בשלשות שנקראות קודונים, ההשפעה של המוטציה תלויה בסוג השינוי ובמיקומו. כל קודון בדרך כלל מקודד לחומצה אמינית אחת, ולכן שינוי בקודון עלול לשנות את רצף החלבון.

הסוג הפשוט ביותר הוא החלפה של נוקלאוטיד אחד. החלפה כזו יכולה להיות ללא השפעה על החלבון, אם הקודון החדש מקודד לאותה חומצה אמינית. מצב זה נקרא מוטציה שקטה, והוא מתאפשר משום שהקוד הגנטי הוא מנוון: כמה קודונים שונים יכולים לקודד לאותה חומצה אמינית.

החלפה אחרת עשויה לגרום לקודון לקודד לחומצה אמינית שונה. מצב זה נקרא מוטציית סלף. במקרה כזה משתנה חומצה אמינית אחת בחלבון. ההשפעה יכולה להיות קלה או חמורה, בהתאם לתפקיד החומצה האמינית ולמיקומה בחלבון. דוגמה מוכרת היא אנמיה חרמשית, שבה שינוי של חומצה אמינית אחת בחלבון ההמוגלובין פוגע בתפקודו.

החלפה שלישית יכולה להפוך קודון המקודד לחומצה אמינית לקודון סיום. מצב זה נקרא מוטציית פסק. כאשר הריבוזום מגיע לקודון סיום מוקדם, בניית החלבון נעצרת לפני הזמן, ולכן נוצר חלבון קצר שלרוב אינו מתפקד כראוי.

סוג אחר של מוטציה נקודתית הוא הוספה או החסרה של נוקלאוטידים. אם מספר הנוקלאוטידים שנוספו או הוחסרו אינו כפולה של שלוש, כל מסגרת הקריאה של הקודונים משתנה מאותה נקודה והלאה. שינוי זה נקרא הסטת מסגרת הקריאה. הוא משנה את רצף חומצות האמיניות בהמשך החלבון, ולעיתים קרובות יוצר חלבון פגום מאוד. לעומת זאת, הוספה או החסרה של שלושה נוקלאוטידים או כפולה שלהם עלולות לגרום להוספה או החסרה של חומצה אמינית אחת או יותר, אך לא בהכרח לשבש את כל המשך הרצף.

הוספה, החסרה או החלפה יכולות להתרחש גם באזורים שאינם מקודדים; במקרה כזה ייתכן שלא תהיה השפעה על חלבון, או שתהיה השפעה על בקרת הגן.

מוטציות בתאי גוף ובתאי רבייה

השפעתה של מוטציה תלויה גם בסוג התא שבו היא קרתה. מוטציה בתא גוף, כלומר בתא שאינו תא רבייה, נקראת מוטציה סומטית. היא עוברת לתאים שנוצרים מאותו תא בחלוקת מיטוזה, אך אינה עוברת לצאצאים. מוטציות סומטיות יכולות שלא להשפיע, לגרום לשינוי מקומי, או להצטבר עם מוטציות נוספות ולתרום להתפתחות מחלות כגון סרטן. סרטן קשור פעמים רבות לפגיעה בגנים המבקרים את חלוקת התא, ולכן תאים נושאי מוטציות כאלה עלולים להתחלק ללא בקרה. לדוגמה, מוטציה סומטית בתא עור תשפיע על תאי העור שנוצרים ממנו, אך לא תעבור לילדיו של האדם. לעומתה, מוטציה בגמטה יכולה להימצא בכל תאי הצאצא, כולל תאי הרבייה שלו.

מוטציה בתא רבייה, כלומר בתא זרע או בתא ביצית, נקראת מוטציה בתאי רבייה. אם תא רבייה הנושא את המוטציה משתתף בהפריה, המוטציה תימצא בכל תאי גופו של הצאצא. לכן מוטציות כאלה יכולות לעבור בתורשה מדור לדור. הן עשויות לגרום למחלות תורשתיות, אך הן גם יוצרות שונות גנטית בין פרטים באוכלוסייה. לעיתים מוטציה כזו אינה ניכרת מיד, משום שהשפעתה תלויה גם בסביבה, גם בגנים אחרים וגם במצב שבו היא נמצאת בעותק אחד או בשני עותקים.

מוטציות כמקור לשונות גנטית ולאבולוציה

מוטציות רבות אינן משפיעות באופן נראה לעין, וחלקן עלולות לפגוע בתפקוד. עם זאת, לעיתים נוצר שינוי שמקנה לפרט תכונה המותאמת יותר לתנאי הסביבה. פרט כזה עשוי לשרוד טוב יותר ולהעמיד צאצאים רבים יותר, ולכן המוטציה עשויה להתפשט באוכלוסייה בתהליך של ברירה טבעית. מוטציה אחרת יכולה להיות מזיקה בסביבה מסוימת ומועילה בסביבה אחרת, או לא להשפיע כלל. כך מוטציות משמשות מקור ראשוני לשונות גנטית, והשונות הזאת מאפשרת שינויים באוכלוסיות לאורך דורות. השונות הגנטית מאפשרת לאוכלוסייה להגיב לשינויים בסביבה, כגון שינויי אקלים, מחלות או תחרות על משאבים.