קדם: אזור בדנ"א האחראי לבקרה של ביטוי גן הסמוך אליו

ערך זה עוסק באזור ב-DNA. אם התכוונתם למשמעות אחרת, ראו קדם (פירושונים).

אתר הקַדָּם ממוקם בקצה החמישי של רצף בסיסים המקודד לגנים מתועתקים.

קַדָּמים ממלאים תפקיד מכריע וחיוני בתחילת ביטוי גנים. תפקידם העיקרי הוא לווסת את תהליך התעתוק, שהוא השלב הראשון בביטוי גנים. קַדָּמים מספקים אתרי קישור עבור רנ"א פולימראז, האנזים האחראי לסינתזה של רנ"א על פי רצף הדנ"א.

המבנה והרצף של הקַדָּמים משתנה בין אורגניזמים שונים. בארכאונים ובחיידקים, הקדמים בדרך כלל קצרים, באורך של כ-100–200 זוגות בסיסים. לעומת זאת, באיאוקריוטים, הקדמים מורכבים יותר ויכולים להגיע עד 1000 זוגות בסיסים באורכם.

קַדָּם של גן מסוים יכול לקבוע מתי והיכן הגן מועתק. לדוגמה, חלק מהקדמים פעילים רק בסוגי תאים או רקמות ספציפיות, בעוד שאחרים פעילים רק בתגובה לגירויים מסוימים. הקַדָּם יכול גם לקבוע את רמת הביטוי של הגן. גנים עם קַדָּמים חזקים מתועתקים לעיתים קרובות יותר מאשר גנים עם קדמים חלשים. על ידי שליטה בפעילות של הקַדָּמים, תאים יכולים לאפשר שהגנים יתועתקו אך ורק במידת הצורך.

הקַדָּם הראשון שזוהה היה חלק מהתגלית של אופרון הלקטוז בחיידקים. בתחילת שנות ה-60, פרנסואה ז'קוב וז'אק מונו ערכו מחקר חלוצי במכון פסטר בפריז, בו הם חקרו כיצד חיידקי Escherichia coli (E. coli) מפרקים את סוכר הלקטוז. במהלך המחקר, הם חשפו את קיומו של רצף המתפקד כמתג גנטי השולט על תעתוק שלושה גנים (lacZ, lacY, lacA) המקודדים לשלושה אנזימים בעלי פונקציות הקשורות בוויסות מטבולי של סוכר הלקטוז בחיידקי E. coli. תעתוק של מספר גנים המבוקר יחד על ידי אזור בקרה וקדם אחד זכה לכינוי אופרון.

ליתר פירוט, ז'קוב ומונו הבחינו שבהיעדר לקטוז, נקשר גורם מעכב (repressor, דכאן) לאתר המפעיל (operator), ומונע מרנ"א פולימראז להיקשר לקַדָּם ולתעתק את הגנים. במקביל, בנוכחות לקטוז, הרפרסור אינו פעיל, מה שמאפשר לרנ"א פולימראז להיקשר לקַדָּם ולהתחיל את ביטוי הגנים.

גילוי הקַדָּמים ותפקידם בביטוי גנים בתוך אופרון הלקטוז הייתה תגלית פורצת דרך שסיפקה הבנה בסיסית לאופן שבו גנים מבוקרים בחיידקים. מחקרם של ז'קוב ומונו לא רק תרם לפיתוח מושג האופרון, אלא גם הניח את היסוד למחקרים עתידיים על ויסות ביטוי גנים הן בפרוקריוטים והן באיאוקריוטים.

בקרת התחלת התעתוק תלויה בעיקרה בשתי אינטראקציות שיכולות להתרחש בין חלבונים לדנ"א בסמוך למקום התחלת התעתוק של גן מסוים.

האינטראקציה הראשונה מתרחשת על גבי הדנ"א במיקום תחילת התעתוק, כלומר ברצף הבסיסים של הקַדָּם. כאשר נקשר חלבון הרנ"א פולימראז לרצף הקַדָּם תהליך התעתוק מתחיל במרחק של בסיסים אחדים ממקום הקדם. באופן כללי, לכל גן חייב להיות קדם, אחרת לא ניתן לתעתק אותו.

האינטראקציה השנייה מתרחשת על גבי הדנ"א באזורים הסמוכים לקַדָּם. אינטראקציה זו קובעת אם יתרחש תעתוקו של הגן על ידי בקרת נגישותו של הרנ"א פולימראז לקדם בשיתוף פעולה עם פקטורי תיעתוק – חלבונים קושרי דנ"א וכאלה שקושרים את הרנ"א פולימראז ומבקרים את פעולת התיעתוק. מקטעי הדנ"א שבדרך כלל סמוכים לקַדָּם, כמו מַעַצְמִים (Enhancers), משתיקים (Silencers) או מפעילים (Operators), משמשים כאתרי קישור לחלבוני בקרה כמו משַפעילים (Activators), דַּכְּאָנים (Repressors) וגורמי תעתוק (Transcription factors).

מיקומם של הקדמים ואתרים אחרים הקשורים לתעתוק מסומנים בדרך כלל בסימן שלילי (-) או בסימן חיובי (+) ביחס לאתר תחילת התעתוק (Transcription start site). כאשר מדובר בקַדָּם, מיקומו תמיד יהיה בסימן שלילי (-) מכיוון שקדמים תמיד ממוקמים במעלה הזרם (upstream) ביחס לאתר התחלת התיעתוק. לעומת זאת, כאשר מדובר באתר הנמצא במורד הזרם (downstream), הסימן שלו יהיה חיובי (+), כך שעל פי המוסכמה, בסיס הדנ"א הראשון המתועתק ממוספר כבסיס 1+ .

חיידקים

בחיידקים, בדרך כלל, קישורו של חלבון משפעל (Activator) לאתר המטרה שלו בדנ"א מסייע פיזית לקישור הרנ"א פולימראז לקַדָּם הקרוב אליו, מה שמאפשר התחלת התעתוק (בקרה חיובית). במקביל, קישורו של דכאן (repressor) לאתר המפעיל (operator) יוצר הפרעה פיזית בקישורו של הרנ"א פולימראז לקַדָּם או חסימת תנועתו לאורך שרשרת הדנ"א, מה שמעכב את תהליך התעתוק (בקרה שלילית). יחד, חלבונים בקרתיים אלה ואתרי הקישור שלהם מהווים מתגים גנטיים השולטים בשינויים יעילים בביטוי גנים המתרחשים בתגובה לתנאים סביבתיים.

תחילת תעתוק בחיידקים הוא תהליך מבוקר שכולל אינטראקציה ישירה בין הרנ"א פולימראז לבין הקַדָּם. רנ"א פולימראז בחיידקים הוא הולואנזים (Holoenzyme) שמורכב מאנזים ליבה (תצמיד של חמש תתי-יחידות: שתי תת-יחידות α, אחת β, אחת β', ואחת ꞷ) וגורם סיגמא (תת-יחידה σ) שממלא תפקיד משמעותי בזיהוי וקשירת הקַדָּם. גורמי סיגמא מגוונים מסוגלים לזהות רצפי קַדָּמים שונים ומאפשרים לרנ''א פולימראז לאתחל תעתוק במגוון רחב של גנים.

הקדם בחיידקים מכיל שלושה אזורים חשובים (איור 1):

• אלמנט זיהוי הליבה (Core Recognition Element): רצף בסיסים הממוקם בעמדה שנמצאת בין 4 זוגות בסיסים במעלה הזרם לבין 2 זוגות בסיסים במורד הזרם (בין 4- ל־2+) בתוך אזור הקדם. אלמנט מזוהה על ידי הרנ"א פולימראז במהלך תחילת התעתוק והוא חיוני למיקום מדויק וקשירה של רנ"א פולימראז לקדם, כך שמבטיח את ההתחלה הנכונה של התיעתוק.
• אלמנט 10- (הידוע גם בשם Pribnow box): רצף דנ"א שמור הממוקם בדרך כלל 10 זוגות בסיסים במעלה הזרם של אתר תחילת התעתוק. יש לו רצף מוסכם (consensus sequence) של "TATAAT" בחיידקי E. coli. אינטראקציה של אלמנט 10- עם גורם סיגמא (σ) מסייעת למקם כראוי את הרנ"א פולימראז על גבי הקדם ומקלה על פתיחת גדילי הדנ"א בתחילת התיעתוק.
• אלמנט 35-: רצף דנ"א שמור נוסף הממוקם בדרך כלל 35 זוגות בסיסים במעלה הזרם של אתר תחילת התיעתוק. הרצף המסייע במיקום וייצוב ההולואנזים רנ"א פולימראז על גבי הקדם. יש לו רצף מוסכם של "TTGACA" בחיידקי E. coli. אלמנט 35- מספק אתר זיהוי נוסף עבור גורם הסיגמא מה שגורם לחזק את הזיקה של רנ"א פולימראז לקדם. האינטראקציה עם האלמנט 35- תורמת ליציבות ולספציפיות של קישור הרנ"א פולימראז לאזור הקַדָּם.

יחד, אלמנט זיהוי הליבה, אלמנט 10- ואלמנט 35- מתפקדים כאותות זיהוי שמכוונים את הרנ"א פולימראז לאזור הקדם. אינטראקציה בין תתי היחידות השונות לאלמנטים אלה הכרחית להתחלת התעתוק.

 

איאוקריוטים

באיאוקריוטים בקרת גנים היא מורכבת יותר מאשר בחיידקים והיא משלבת עיצוב מחדש של כרומטין, גורמי תעתוק, מַעַצְמִים, משתיקים ועוד. גורמי תיעתוק אאוקריוטים יכולים להיות באינטראקציה עם רצפי מַעַצְמִים (Enhancers), משתיקים (Silencers) ומבודדים (insulators) הנמצאים רחוק יותר מאזור הקדם המרכזי. קישורם של גורמי התעתוק לרכיב מַעַצְם יכול לעודד ביטוי גנים, ובמקביל, קישורם לרכיב משתיק עלול לעכב את הביטוי.

בהשוואה לחיידקים, בתאים אאוקריוטים יש יותר מאנזים רנ"א פולימראז אחד, כל אחד מהאנזימים האלה מעורב בסינתזה של תת-קבוצה של תעתיקים, אשר שונים בפונקציה, מבנה, שכיחות, ועוד. כל רנ"א פולימראז מזהה ומתעתק סוגים ספציפיים של גנים:

• רנ"א פולימראז I אחראי לתעתוק גנים המקודדים לרנ"א ריבוזומלי.
• רנ"א פולימראז II אחראי בעיקר לתעתוק גנים המקודדים לחלבונים.
• רנ"א פולימראז III אחראי לתעתוק גנים של רנ"א לא מקודד (non-coding RNA), רנ"א מוביל (transfer RNA) ועוד מולקולות רנ"א קטנות.
• רנ"א פולימראז IV ו- V נמצאים בצמחים בלבד, ואחראיים לסינתזה של siRNA (small interfering RNA).
• POLRMT רנ"א - פולימראז שאחראי לסינתזת רנ"א המקודד בדנ"א המיטוכונדרי.

בתאים של יצורים אאוקריוטים ישנם שלושה רכיבים מרכזיים בעלי תפקידים שונים (איור 2):

ליבת הקדם (Core promoter)

אזור ליבת הקַדָּם בדרך כלל משתרע על פני קטע קצר יחסית של דנ"א, בדרך כלל באורך של 50–100 זוגות בסיסים, והוא ממוקם מיד במעלה הזרם של אתר התחלת התעתוק (1+). האלמנטים העיקריים של הקדמים חיוניים לקביעת הדיוק והיעילות של תהליך התחלת התעתוק. ישנם מספר אלמנטים של ליבת הקדם הנמצאים בדרך כלל בגנים של אאוקריוטיים. שלושה מהאלמנטים העיקריים הידועים ביותר של ליבת הקדם כוללים: תיבת TATA, אלמנט התחלת התיעתוק (INR) ואלמנט הזיהוי (B).

• תיבת TATA: היא אחת מרכיבי הקדם הידועים ביותר וממוקמת בדרך כלל סביב 25–30 זוגות בסיסים במעלה הזרם של אתר תחילת התעתוק. תיבת TATA מורכבת מרצף שמור, בדרך כלל "TATAAA" ומשמשת כאתר זיהוי עבור קומפלקס חלבונים הנקרא (TATA-Binding Protein) TBP. קומפלקס זה מהווה חלק ממכלול חלבונים גדול יותר הנוצר באזור קדם הגן לפני תחילת התעתוק והידוע בשם (pre-initiation complex) PIC. הקישור של TBP לתיבת TATA מסייע למקם את הרנ"א פולימראז II במיקום הנכון על גבי הגן לצורך התחלת התעתוק.
• אלמנט התחלת התיעתוק (The initiator element (INR)): הוא רכיב קדם חיוני שנמצא בדנ"א של איאוקריוטים. רכיב זה ממוקם בדרך כלל ליד אתר התחלת התעתוק ומכיל רצף שמור ומורכב לעיתים קרובות מהרצף המוסכם "YYANWYY", כאשר Y מייצג פירימידין (C או T), A מייצג אדנין, W מייצג A או T ו-N מייצג כל נוקלאוטיד. אלמנט התחלת התיעתוק מזוהה על ידי גורמי תעתוק שונים, בניהם גורם התעתוק הכללי TFIID (Transcription factor IID), אשר מגויס על ידי האינטראקציה בין תיבת TATA לבין TBP. האינטראקציה בין TFIID לבין רכיב התחלת התיעתוק INR מסייעת לייצב PIC ולמקם במדויק את הרנ"א פולימראז II באתר תחילת התעתוק.
• אלמנט הזיהוי (B) (B recognition element (BRE)): הוא רכיב הנמצא בסמוך לתיבת ה-TATA ברוב הגנים באיאוקריוטים. ישנם שני סוגים של רכיב הזיהוי B, אשר נמצאים באזור קדם הליבה, אחד מהם ממוקם במעלה הזרם ביחס לתיבת ה-TATA ונקרא BREu והשני ממוקם במורד הזרם ונקרא BREd, והם מתפקידים יחד עם תיבת ה-TATA. אלמנט הזיהוי B משמש כאתר עגינה עבור גורם התעתוק TFIIB (Transcription factor IIB) ובכך מסייע למקם את PIC באתר התחלת התעתוק.

קדם פרוקסימלי (Proximal promoter)

• בהמשך מעלה הזרם של ליבת הקדם ניתן למצוא את הקדם הפרוקסימלי המכיל אלמנטים רגולטוריים רבים. הקדם הפרוקסימלי נמצא כ-250 זוגות בסיסים במעלה הזרם מאתר התחלת התעתוק (1+) והוא האתר שבו גורמי התעתוק הכלליים נקשרים.

קדם דיסטלי (Distal promoter):

החלק האחרון של אזור הקדם נקרא הקדם הדיסטלי, והוא נמצא במעלה הזרם ביחס לקדם הפרוקסימלי. הקדם הדיסטלי מכיל גם אתרי קישור של גורמי תעתוק.

בנוסף, לאיאוקריוטים יש מגוון של אזורים ואלמנטים נוספים שיכולים להיחשב כחלק מרצף הקדם, כגון DPE (downstream promoter element), תיבת ה-CAAT ותיבת ה-CG ועוד אלמנטים רגולטוריים אחרים מרוחקים יותר מאזור הקדם (איור 2).

 

ארכאונים

ארכיאה היא קבוצה של מיקרואורגניזמים חד-תאיים הדומים לחיידקים בהיבטים מסוימים, אך יש להם מאפיינים גנטיים וביוכימיים ייחודיים האופייניים לגידול בסביבות קיצון (מליחות גבוהה, טמפרטורה גבוהה ועוד). בעוד שארכאונים חולקים דמיון עם חיידקים, הקדמים בדנ"א של ארכאה דומים יותר לאלה שבאאוקריוטים.

קדמים בארכאה חולקים את שלושת הרכיבים החיוניים להתחלת תעתוק בגנים של אאוקריוטים ואף מציגים הומולוגיה קרובה למנגנון התיעתוק שלהם.

בעוד שקדמים ארכאוניים מכילים אלמנטים שמורים כגון INR, TATA Box ו- BRE (איור 3), אשר קיימים גם בקדמים של איאוקריוטים, הרצף והמבנה של אלמנטים אלה שונים בין שתי העל-ממלכות. לדוגמה, תיבת ה-TATA בקדם בארכאה נמצאת סביב 26/27- ביחס לאתר התחלת התעתוק, בעוד שבאאיקריוטים היא ממוקמת סביב 30-.

יתר על כן, תהליך תחילת התעתוק בארכאה כולל הרכבה של קומפלקס PIC (pre-initiation complex), הכולל את הרנ"א פולימראז וכמה גורמי תעתוק הכוללים TBP (TATA-binding protein) ו- TFB (transcription factor B). תהליך זה דומה להרכבת קומפלקס PIC באיאוקריוטים, הכולל רנ"א פולימראז II ומספר גורמי תעתוק. אולם, ישנם גם הבדלים בתהליך התחלת התעתוק בין ארכאונים ואאוקריוטים. לדוגמה, גורמי תעתוק ארכיאוניים כגון TFE ו- TFB הוכחו כבעלי דמיון מבני ופונקציונלי לגורמי תעתוק אוקריוטיים TFIIE ו- TFIIB, בהתאמה, אך יש להם גם תכונות ייחודיות המשקפים את הביולוגיה הייחודית של ארכיאה.