לפענח את ספר החיים

סקירה מיוחדת שפורסמה במלאת 60 שנה לגילוי מבנה הסליל הכפול של ה-DNA

יונת אשחר ונעם לויתן

כמעט כל תא בגופנו כולל גרעין שבתוכו ספר מתכונים ארוז היטב המכיל הוראות לבניית הגוף כולו. אם ניקח את הגרעין מאחד התאים נוכל תיאורטית להשתמש בו כדי ליצור עותק של גופנו, מעין תאום זהה או שיבוט, בדומה לכבשה המפורסמת דוֹלי. שמו של ספר המתכונים הזה, הגנום או ה-DNA, שגור בפי כל בימינו ולא נדיר לשמוע או לקרוא כי “הוא גנב, זה ב-DNA שלו” או כי “ההומור טבוע בגנים שלה”. היכולת לקרוא ולערוך את ה-DNA מעוררת תקוות, אך גם פחדים. אנשים חוששים לאכול מזון מהונדס גנטית, שהוחדרו לו גנים זרים, אף שבכל ירק או בעל-חיים שהם צורכים יש – נוסף לגנים שלו – גם גנים של חיידקים, נגיפים ויצורים נוספים. אחרים חוששים מכך שמידע שאצור בגנים שלהם, אם יתפרסם, עלול לשמש חברות ביטוח או את רשויות אכיפת החוק כנגדם. לעומת זאת, רבים נהנים מכך שבדיקות DNA מאפשרות להשתמש במידע זה לזיהוי מוקדם של מומים ומחלות ולהתאמת תרופות לטיפול מיטבי. מי היה מאמין שעד לפני 60 שנה לא כולם הכירו בכך שה-DNA היא מולקולה חשובה לתורשה?

במחצית הראשונה של המאה ה-20, כמעט כל המדענים חשבו שדווקא החלבונים, שהם מולקולות מורכבות בהרבה מה-DNA, הם אלה שנושאים את המידע הגנטי. השקפה זו השתנתה סופית עם פרסום המאמר הקצרצר של ג’יימס ווטסון (Watson) האמריקני ופרנסיס קריק (Crick) הבריטי בכתב העת Nature ב-25 באפריל 1953.

בְּרֵאשִׁית: גילוי החומר התורשתי

ניתן לומר כי מדע הגנטיקה התחיל כאשר גרֶגוֹר מנדל (Mendel) שתל את האפונים שלו בחצר המנזר, בשנות ה-50 של המאה ה-19. בניסויי ההכלאות שלו הראה מנדל כי המטען הגנטי עובר כיחידות בדידוֹת, שאינן-ניתנות-לחלוקה. היחידות מאורגנות בזוגות ומועברות מדור לדור, כאשר כל הורה תורם לצאצא אחת מבנות הזוג. אך הממצאים של מנדל לא אמרו דבר לגבי החומר ממנו עשוי המטען הגנטי ומיקומו בתא.

מנדל פרסם את מחקרו בשנת 1866 אך אף אחד לא התייחס לממצאיו עד שנתגלו מחדש ב-1900. הזואולוג הגרמני המפורסם ארנסט הקל (Haeckel) הציע, בשנת פרסום המאמר של מנדל, כי גרעין התא אחראי על העברתן של תכונות תורשתיות. גרמני אחר, הביולוג ולטר פלמינג (Flemming) הראה ב-1882 כי בגרעין התא יש חומר שאפשר לצבוע בעזרת צבען מיוחד, הוא כינה חומר גרעיני זה בשם כרומטין (מהמילה כרום שפירושה “צבע”). פלמינג הבחין כי הכרומטין קשור למבנים חוטיים זעירים הנמצאים בגרעין והאנטומיסט הגרמני וילהלם פון ולדייר-הארץ (Waldeyer-Hartz) העניק להם את השם כרומוזומים (“גופי צבע”) בשנת 1888.

פלמינג ומדענים נוספים גילו כיצד הכרומוזומים מתארגנים ומתנהגים במהלך חלוקת התא. הביולוג האבולוציוני אוגוסט וייסמן (Weismann) התבסס על עבודותיהם כשחזה, בשנת 1887, כי תאי המין חייבים להיווצר בתהליך חלוקה מיוחד שבסופו מתקבלים תאים בעלי חצי ממספר הכרומוזומים שיש בתא רגיל. כך כשתא זרע ותא ביצה מתאחים בתהליך ההפריה נוצר תא חדש בעל מספר רגיל של כרומוזומים. ללא חלוקת הפחתה זו כמות הכרומוזומים בתאים היתה מוכפלת בכל דור.

שימור מספר הכרומוזומים במהלך חלוקת התא ובתהליך ההפריה הצביע על כך כי הכרומוזומים אחראים על הורשת תכונות, אך הקשר ביניהם למטען הגנטי הובהר רק לאור ממצאיו של מנדל. שנתיים לאחר חשיפתו מחדש של מחקרו של מנדל הבחין האמריקני וולטר סאטון (Sutton), במהלך לימודי דוקטורט בזואולוגיה (שאותם לא סיים), כי כרומוזומים מתנהגים כמו יחידות התורשה של מנדל. סאטון, שחקר חגבים, הראה במאמר שפורסם ב-1902 כי הכרומוזומים באים בזוגות – אחד מהאב ואחד מהאם – והציע כי הם מכילים את “הפקטורים הגנטיים” עליהם דיבר מנדל. הביולוג הגרמני תיאודור בוברי (Boveri), שחקר קיפודי-ים, הבחין כי רק כאשר הביצית והזרע מכילים את כל הכרומוזומים ישנה התפתחות עוברית תקינה. בוברי טען, בשנת 1904, כי הכרומוזומים הם יחידות התורשה של מנדל וכי הגיע למסקנה זו כבר ב-1902. אדמונד ביצ’ר וילסון (Wilson), זואולוג וגנטיקאי אמריקני ידוע, שהיה המנחה של סאטון וחבר של בוברי העניק לתגלית של סאטון את השם תיאוריית סאטון-בוברי.

התיאוריה של סאטון ובוברי היתה ללא ספק צעד חשוב והיא ענתה על שאלת מיקומו של החומר התורשתי, אך היא לא סיימה את הויכוח לגבי המבנה המולקולרי שלו. הכרומוזומים הם מבנים גדולים, העשויים מחומצות גרעין ומחלבונים רבים. מי מהם הוא החומר הגנטי עצמו? זה עדיין לא היה ידוע.

לאחר שהובהר שהמטען הגנטי מצוי בכרומוזומים, היה זה תומאס האנט מורגן (Morgan) שגילה כי כל כרומוזום מכיל גנים – בהתייחסו ליחידות התורשה של מנדל האחראיות לתכונות שונות. מורגן ערך את מחקריו בזבובים קטנים הנקראים דרוזופילה (Drosophila melanogaster). זבובים אלו הינם חלק בלתי נפרד מהמחקר הגנטי מאז ועד היום, עד כדי כך שהשם שניתן למין בעברית הוא “תסיסנית המחקר”. מחקריו של מורגן זיכו אותו בפרס נובל בשנת 1933 – פרס נובל הראשון מבין רבים שניתן בתחום הגנטיקה.

במחצית הראשונה של המאה ה-20 חלה התקדמות רבה בחקר הגנים והצורה בה הם עוברים מהורה לצאצא, אך השאלה ממה בדיוק עשוים הגנים נשארה פתוחה.

הרמז לפיתרון הגיע ממקום בלתי צפוי. ב-1928, ערך הבקטריולוג הבריטי פרדריק גריפית’ (Griffith) מחקרים בחיידקי סטרפטוקוקוס (Streptococcus pneumonia) הגורמים לדלקת ריאות אצל בני אדם. חיידקים אלו הם לרוב קטלניים בעכברים, אך זנים מסוימים הינם אלימים פחות, ואינם גורמים למוות. גריפית’ הרג את החיידקים האלימים ע”י הרתחה, ואז הזריק אותם לעכברים. אולי לא במפתיע, החיידקים המתים לא גרמו למחלה. לאחר מכן גריפית’ ערבב בין החיידקים האלימים המתים והחיידקים הלא-אלימים החיים, והזריק את התערובת לעכברים. העכברים חלו ומתו. כיצד הצליחה תערובת של שני חומרים שבנפרד אינם גורמים למחלה להרוג את העכברים? כדי לענות על כך, גריפית’ גידל את החיידקים שפשטו בגופם של העכברים המתים, וגילה שהם יצרו מושבות הדומות בצורתן למושבות שיוצרים החיידקים האלימים, לא למושבות שיוצרים החיידקים הלא-אלימים שהוזרקו לעכברים.

מה קרה בגופם של העכברים הללו? ככל הנראה, גורם מסוים עבר מתאיהם של החיידקים האלימים, המתים, לתאיהם של החיידקים הלא-אלימים, ושינה אותם – נתן להם את היכולת להרוג עכברים, וליצור מושבות בצורה שונה. אם כך, החומר הזה קובע את תכונותיהם של החיידקים – ממש כמו החומר הגנטי. האם “הגורם המתמיר”, כפי שכונה, הינו בעצם חומר גנטי?

16 שנה לאחר מכן, ב-1944, שלושה חוקרים אמריקנים בשם אוסוולד אוורי (Avery) קולין מקלאוד (MacLeod) ומק’לין מקארתי (McCarty) החליטו לבדוק מהו בדיוק אותו גורם מתמיר. הם לקחו את תערובת החיידקים האלימים המתים, הפרידו אותה למרכיביה, ובדקו כל מרכיב בנפרד – האם עדיין יש בכוחו לשנות את תכונותיהם של החיידקים הלא-אלימים. החוקרים גילו שסוכרים, שומנים ואפילו חלבונים אינן מסוגלים לעשות זאת. רק מרכיב אחד שמר על כוח ההתמרה של החיידקים – חומצת גרעין דאוקסוריבוזית, או בקיצור – DNA. זה אותו “נוקלאין” (מלשון נוקלאוס, גרעין) חומר עשיר בזרחן וחסר גופרית שבוֹדד לראשונה בשנת 1869 פרידריך מישר (Mieshcer), רופא וביולוג שווייצרי, מגרעיני תאי דם לבנים אותם הפיק מתחבושות ספוגות מוגלה.

כך עלה ה-DNA על בימת הגנטיקה, אך לא כולם היו מוכנים לעמוד ולהריע למלך החדש. לפני הניסוי של אוורי, מקלאוד ומקארתי החוכמה המקובלת היתה שהחומר הגנטי הינו חלבון. חלבונים מורכבים משרשראות של חומצות אמינו, ו-DNA – משרשראות של בסיסים (למעשה נוקלאוטידים). ישנן 20 חומצות אמינו המרכיבות את החלבונים בגופינו, ולעומת זאת רק ארבעה בסיסי DNA. לחוקרים רבים נראה הגיוני הרבה יותר שהחלבונים המורכבים יכילו את המידע הגנטי – כך הוא יוכל להיות כתוב בשפה של 20 אותיות, מספר הקטן רק בשניים ממספר האותיות בשפה העברית, למשל. כמה מידע כבר יכול להיות אצור במולקולה פשוטה כמו ה-DNA, עם ארבע אותיות בלבד?

במשך שנים נמשך הויכוח בין תומכי ה-DNA לתומכי החלבונים. אחד המחקרים שהביא בסופו של דבר להכרעה היה ניסוי יפיפה של שני גנטיקאים אמריקניים, אלפרד הרשי (Hershey) ומרתה צ’ייס (Chase), ב-1952. הרשי וצ’ייס השתמשו במערכת של חיידק ונגיף בשם T2, התוקף חיידקים. הנגיף מתרבה ע”י החדרת החומר הגנטי שלו אל החיידק, שם הוא מוכפל ויוצר נגיפים חדשים. כדי לבדוק את טיב החומר שהנגיף מחדיר אל החיידק, יצרו החוקרים נגיפים בעלי זרחן רדיואקטיבי, ונגיפים אחרים בעלי גופרית רדיואקטיבית. זרחן נמצא ב-DNA אבל לא בחלבונים, וגופרית – רק בחלבונים, ולא ב-DNA. הם נתנו לנגיפים להדביק את החיידקים, ולאחר ההדבקה, היו בידם חיידקים שבתוכם החומר הגנטי של הנגיפים. אם החומר הזה עשוי חלבון, החיידקים אותם הדביקו הנגיפים בעלי הגופרית הרדיואקטיבית, הנמצאת בחלבונים, יהיו רדיואקטיבים. אך אם החומר הגנטי הינו DNA, רק החיידקים שהודבקו ע”י נגיפים בעלי זרחן רדיואקטיבי, הנמצא ב-DNA, יהפכו לרדיואקטיבים. כפי שאתם יכולים לנחש, האפשרות השנייה התבררה כנכונה. הנגיפים המסומנים בזרחן רדיואקטיבי החדירו לחיידקים אותם הדביקו חומר גנטי רדיואקטיבי. המסקנה היתה ברורה – החומר הגנטי של הנגיפים הינו DNA, לא חלבון.

למרות שהויכוח נמשך עוד כמה שנים, הניסוי האלגנטי של הרשי וצ’ייס קיבע את את מעמדו של ה-DNA כמלך הגנטיקה – מעמד שבו הוא מחזיק עד היום.

שְׁנַיִם שְׁנַיִם: מבנה הסליל הכפול של ה-DNA

עוד לפני הרשי וצ’ייס, הניסוי של אוורי שכנע את ארווין שַרגַף (Chargaff), ביוכימאי יהודי אוסטרי שעזב בעקבות עליית הנאצים והיגר לארצות הברית, בחשיבות ה-DNA והוא החל לחקור בשנת 1944 את הרכבו. שרגף בחן DNA מאיברים שונים ומינים ביולוגים שונים וכימת את הבסיסים המרכיבים אותו. ה-DNA מורכב, כאמור, משרשרת של נוקלאוטידים הנבדלים זה מזה בבסיס החנקני המרכיב אותם ונקראים על שמו. ארבעת סוגי הבסיסים ב-DNA הם אָדֶנין (A), גוּאָנין (G), ציטוֹזין (C) ותימין (T). הדעה המקובלת בתקופתו של שרגף היתה כי כל ארבעת הבסיסים מופיעים ב-DNA בכמות שווה ולכן התייחסו למולקולה לא רק כפשוטה אלא גם כמולקולה משעממת, החוזרת על עצמה ולא מסוגלת להכיל מידע מורכב. שרגף גילה ב-1950 משהו אחר לגמרי – כמויות הבסיסים אינן שוות והיחס בין הבסיסים שונה בין מינים שונים, אך לא בין איברים שונים של אותו יצור. ההבדל בהרכב ה-DNA בין מינים שונים הוא רמז נוסף לכך שהמולקולה מתפקדת כחומר הגנטי, ספר המתכונים, לפיו נבנה האורגניזם. תגלית נוספת וחשובה יותר לעניין פענוח מבנה ה-DNA היתה כי לא משנה מה הכמות הכוללת של הבסיסים, בכל הדגימות אותן בחן שרגף כמות ה-A שווה לכמות ה-T וכמות ה-G שווה לכמות ה-C. הקביעה כי ב-DNA תמיד יהיה יחס 1:1 בין אדנין וגואנין לתימין וציטוזין מכונה “כללי שרגף”. כשנתיים לאחר תגלית זו נפגש שרגף עם שני מדענים, שהיו לדעתו בּוּרים ויהירים, והסביר להם אותה. מדענים אלו היו ג’יימס ווטסון ופרנסיס קריק.

המערכה האחרונה בגילוי מבנה ה-DNA התרחשה באנגליה ונפתחה בקינגס קולג’, בלונדון, עם הצטרפותה של הביופיזיקאית היהודיה רוזלינד פרנקלין (Franklin) למעבדתו של ג’ון רנדל (Randall) בתחילת שנת 1951. באותה מעבדה חקרו הפיזיקאי אלכסנדר סטוקס (Stokes), הפיזיקאי הניו-זילנדי מוריס וילקינס (Wilkins) ותלמיד המחקר שלו ריימונד גוסלינג (Gosling) את מבנה מולקולת ה-DNA באמצעות קריסטלוגרפיה בקרני X, שיטה בה מפיקים גבישים של החומר הנחקר ומקרינים אותם בקרני X. הקרניים מתפזרות בעוברן דרך הגביש, תופעה הקרויה עקיפה, ויוצרות תבנית פיזור המאפשרת לפענח את סידור האטומים בגביש, כלומר את מבנה החומר הנחקר. וילקינס נעדר מהמעבדה כשפרנקלין, שהיתה מומחית לקריסטלוגרפיה בקרני X, הגיעה ונאמר לה כי תמשיך את מחקרו של וילקינס ותשמש כמנחה של גוסלינג. הסכסוך שנוצר בין וילקינס ופרנקלין היה בלתי נמנע כשחזר מחופשת החג שלו וגילה כי מי שחשב שרק באה לסייע לו במחקר היא חוקרת בפני עצמה ועוד צפויה לעבוד על הפרויקט שלו. בניסיון להקטין את החיכוך בין שני המדענים פיצל רנדל את מחקר ה-DNA לשניים, פרנקלין וגוסלינג התמקדו בחקר צורה מסוימת של גבישי ה-DNA ווילקינס וסטוקס התמקדו בחקר צורה אחרת שתוצאות מוקדמות שלהם הראו כי יתכן שהיא בעלת מבנה סלילי.

וילקינס הציג בכנס בנפולי את תצלומי תבניות הפיזור שהתקבלו מהקרנת ה-DNA. בכנס נוכח גם ג’יימס ווטסון, שהבין בעקבות ההרצאה כי חקר מבנה ה-DNA הוא אפשרי. ווטסון האמריקני בן ה-24 עבר לאוניברסיטת קיימברידג’ כדי ללמוד קריסטלוגרפיה בקרני X במהלך פוסט-דוקטורט במעבדת קוונדיש. בראש המעבדה עמד חתן פרס נובל לפיזיקה ויליאם לורנס בראג (Bragg), אחד מהאבות של שיטת הקריסטלוגרפיה בקרני X. מיד עם הגעתו למעבדה, באוקטובר 1951, פגש ווטסון את חברו הטוב של וילקינס פרנסיס קריק, ביופיזיקאי בן 35 בשלבי סיום הדוקטורט שלו. השניים הפכו לחברים טובים בזכות תשוקתם לפענוח סודות ה-DNA ולפי מקס פרוץ (Perutz) גם בזכות יהירותם האינטלקטואלית המשותפת.

ווטסון וקריק היו חוקרים מבריקים, אמנם לא טובים במיוחד בביצוע ניסויים, אך בעלי יכולת מדהימה להבין, לאסוף ולפענח נתונים שקיבלו ממקורות שונים ובניגוד לפרנקלין לא חששו לנחש ניחושים ולהסתמך על תחושות. ווטסון נסע בנובמבר 1951 לסמינר בקינגס קולג’ ושמע הרצאה של פרנקלין על הגבישים שלה. בסיום ההרצאה שב במהירות לקריק והם החליטו לנסות לבנות דגם פיזי של מולקולת ה-DNA על פי הנתונים שזכר. בניית דגמים הוכיחה את עצמה בעבר בחקר מבנה של חלבונים. עוד באותה שנה הביוכימאי האמריקני לינוס פולינג (Pauling) ועמיתיו השתמשו בשיטה זו לגילוים של שני מוטיבים מבניים בחלבונים – סלילי אלפא ומשטחי בטא – ועקפו בכך את בראג וצוותו.

הדגם שבנו ווטסון וקריק לפי הרצאתה של פרנקלין היה של DNA המורכב משלושה סלילים ובסיסיו בחוץ. אך כשפרנקלין ,ושאר הצוות של רנדל שהוזמנו על ידי ווטסון וקריק, ראתה את הדגם היא פסלה אותו מיד מאחר שלא תאם את תוצאותיה. ווטסון כלל לא הבין את הנתונים שהציגה בהרצאה, ככל הנראה מאחר שהיה עסוק בהעברת ביקורת על המראה שלה ולא בהקשבה. וילקינס ופרנקלין גם חשבו שההתעסקות בבניית דגמים היא בזבוז זמן כל עוד אין את כל הנתונים המדויקים. בראג, שנבוך מכך שאנשי מעבדתו הציגו דגם שגוי, אסר על ווטסון וקריק לעסוק בחקר ה-DNA והורה להם לא להתחרות במחקר של רנדל אלא להתמקד במחקרי החלבונים שלהם.

כשנה לאחר מכן, בדצמבר 1952, נודע לווטסון וקריק כי פולינג וחוקר נוסף חושבים כי מצאו את מבנה ה-DNA. פולינג שלח טיוטה של המאמר לבנו, פיטר, בתחילת 1953 למעבדת קוונדיש וזה הראה אותו לבראג וכן לווטסון וקריק. להפתעתם ולשמחתם של השניים הדגם שפולינג הציג במאמר היה שגוי ודמה לדגם הכושל שהם עצמם בנו. אפילו חמור יותר, המבנה שפולינג הציג לא יכול לתפקד כחומצה ולכן אין ספק שאינו המבנה הנכון של חומצת הגרעין. ווטסון וקריק הבינו כי פולינג עלול לגלות את השגיאה ולהצליח לתקן את המודל וכי השגיאה תתגלה בכל מקרה בפברואר, עם פרסום מאמרו. כשהציגו זאת לבראג הוא הסכים שיחזרו לעבוד במלוא המרץ על פענוח מבנה ה-DNA, פולינג כבר ניצח אותו בעבר במירוץ לגילוי המוטיבים המבניים של החלבון ובראג לא יתן לו לנצח שוב!

באותה עת פרנקלין כבר היתה בדרכה לעזוב, לשמחתה, את קינגס קולג’. היא היתה יהודיה ממשפחה עשירה בקולג’ שנשלט ברובו על ידי הכנסייה האנגליקנית וציפתה בכיליון עיניים לחודש מרץ בו תעזוב לבירקבק באוניברסיטת לונדון. כחלק מההכנות לעזיבתה גוסלינג, שהתכונן לסיום הדוקטורט שלו ללא הנחייתה אלא בהנחייתו של וילקינס, הציג לוילקינס את עבודתו. בין הדברים שהציג היה תצלום תבנית פיזור של DNA שפרנקלין והוא הפיקו. תצלום מעולה זה, המכונה “תצלום 51”, מראה תבנית בצורת X הנוצרת כאשר למולקולה מבנה סלילי. וילקינס בתורו הציג את התצלום לווטסון כשזה בא לקינגס קולג’ לחלוק עימו את הטעות של פולינג. ווטסון פער את פיו בתדהמה כשראה את התצלום וכבר בדרכו חזרה לקיימברידג’ צייר כל מה שזכר ממנו והבין כי המבנה המדובר הוא של סליל כפול. בספרו “הסליל הכפול” כתב: “פרנסיס יצטרך להסכים. אף שהוא פיזיקאי הוא ידע שעצמים ביולוגיים חשובים באים בזוגות”.

את המידע שעוד חסר להם על ממצאיה של פרנקלין השלימו ווטסון וקריק בעזרתו של מקס פרוץ, מנחה הדוקטורט של קריק שהיה חבר במועצת המחקר הרפואי. לבקשת השניים העביר להם פרוץ דו”ח שפרנקלין הגישה למועצה, שהכיל סיכום של תוצאות מחקרה ונתונים מספריים שונים. גם תצלום 51 וגם הדו”ח הוצגו לווטסון וקריק ללא ידיעתה של פרנקלין.

עתה, כשכל הנתונים של פרנקלין בידם, הנתונים של וילקינס והתגלית שהסביר להם שרגף על יחסי הבסיסים ב-DNA, שילבו ווטסון וקריק את כל המידע למקשה אחת ובנו דגם המציג את ה-DNA כסליל המורכב משני גדילים בכיוונים מנוגדים, ראש אל זנב, כשהבסיסים פונים כלפי פנים ומסודרים בזוגות: מול A תמיד יבוא T, ומול G תמיד יופיע C. סידור זה גם העלה אפשרות פשוטה למנגנון שכפול המידע הגנטי, כאשר כל גדיל יכול לשמש תבנית לבניית הגדיל החדש. אם הרצף של גדיל אחד הוא GATTACA, למשל, אז הרצף בגדיל השני חייב להיות CTAATGT ולהיפך. ברגע שחיברו את כל הרכיבים, ב-28 בפברואר 1953, הבינו כי פענחו את מבנה מולקולת התורשה. קריק רץ בהתלהבות לפאב האהוב עליהם, “העיט” והכריז כי גילו את סוד החיים. מספר ימים לאחר מכן הראו את הדגם לוילקינס, שאישר את נכונותו. גם פרנקלין הבינה כי הדגם שבנו הוא הדגם הנכון, מאחר שתמך בהרבה מהנתונים שאספה בעצמה והחלה לארגן כמאמרים. אלמלא ווטסון וקריק, רוב הסיכויים כי פרנקלין היתה מגלה בעצמה את מבנה ה-DNA תוך שנה או שנתיים.

ווטסון וקריק פרסמו את המבנה שגילו במאמר קצרצר, שאורכו קצת יותר מעמוד ושמו פשוט “מבנה ל-DNA”, בכתב העת Nature ב-25 באפריל. הוא מסתיים בלשון המעטה בריטי במשפט: “לא נעלם מעינינו שהזיווג המסוים [של הבסיסים] שהנחנו מאפשר להציע מיד מנגנון שכפול אפשרי לחומר הגנטי”. יחד עם מאמרם התפרסמו באותו גיליון עוד שני מאמרים, אחד של פרנקלין וגוסלינג ואחד של וילקינס ועמיתיו, ובהם מוצגות המדידות שתמכו בדגם הסליל הכפול. יום פרסום המאמרים הוא יום הולדתה של הביולוגיה המולקולרית.

ווטסון, קריק ווילקינס זכו על תגליתם בפרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 1962 (באותה שנה זכו גם פרוץ וג’ון קנדרו מפרס נובל לכימיה על תגליותיהם במעבדתו של בראג). רוזלינד פרנקלין נפטרה ב-1958, בגיל 37, מסרטן השחלות. בזמן מחלתה היא התארחה אצל חברים שונים, ביניהם קריק ואשתו. פרס נובל מוענק רק לאנשים חיים ולכן פרנקלין לא יכלה לקבלו. כמו כן, מאחר שהפרס יכול להתחלק בין לא יותר משלושה אנשים אי אפשר לדעת אם היתה מקבלת אותו אפילו אם היתה בין החיים.

צָפְנַת פַּעְנֵחַ: פענוח הצופן הגנטי

ווטסון וקריק, כמו גם וילקינס וחוקרים נוספים, פנו למחקר ביולוגי ולניסיון לפצח את מבנה ה-DNA ואת קוד החיים בהשראת ספרו של הפיזיקאי המפורסם ארווין שרדינגר (Schrödinger), “מה הם חיים?”. שרדינגר, שמוכר גם בזכות התעללותו בחתול דמיוני, טען בספרו כי מולקולת התורשה חייבת לכלול סוג של קוד שלפיו נקבעת התפתחותו ופעילותו של הפרט. מספר שבועות לאחר פרסום מאמרם הראשון, בסוף חודש מאי 1953, פרסמו ווטסון וקריק ב-Nature מאמר נוסף ובו הרחיבו על משמעות המבנה שגילו לתהליך שכפול החומר הגנטי וכן ציינו כי רצף הבסיסים ב-DNA הוא הקוד, הצופן, הגנטי של מולקולת התורשה וכי מוטציות יכולות להתרחש בעקבות שינויים בצורה או במיקום של הבסיסים.

כאשר קריק ו-ווטסון קיבלו את פרס נובל לכימיה ב-1962, קריק הקדיש את הרצאתו לנושא שעמד במוקד מדע הגנטיקה באותן שנים: פענוח הקוד הגנטי.

באותן שנים, כבר היה ברור לכל שה-DNA הוא אכן החומר הגנטי. היה ידוע גם שרצפי DNA מסוימים – גנים – מתרגמים לרצף חומצות אמינו הבונות את החלבונים. תהליך התרגום עצמו הלך והתבהר – ווטסון הקדיש את הרצאת הפרס שלו לתהליך זה ולתפקידם של RNA והריבוזומים. מולקולת ה-RNA היא חומצת גרעין שמעבירה מידע גנטי מה-DNA לתרגום בבתי החרושת לחלבונים – הריבוזומים. הצעד הבא הוא לגלות את הקוד: ה-DNA מורכב, כאמור, מארבע אבני-בנין (בסיסי ה-DNA), והחלבונים – מ-20 חומצות אמינו. איך רצף של 4 אותיות מתרגם לרצף של 20 אותיות אחרות?

כמובן, התרגום לא יכול להיות אחד לאחד – למשל, הבסיס גואנין מקודד לחומצת האמינו מתיונין, וכן הלאה. כך נוכל לקודד רק לארבע חומצות אמינו, ויחסרו לנו 16. מאותה סיבה, הקוד הגנטי לא יכול להיות רצף שתי אותיות. בקוד כזה, הרצף גואנין-תימין, למשל, יקודד לחומצת האמינו אלאנין. אלא שארבע אותית יוצרות רק 16 רצפים בני שתי אותיות (ארבע בחזקת שתיים). עדין יחסר לנו קוד לארבע חומצות אמינו נוספות.

אם כך, מה לגבי רצף של שלוש אותיות? ארבע אותיות יכולות ליצור 64 רצפים בני שלוש אותיות (ארבע בחזקת שלוש) – וכך לספק די והותר רצפי קוד עבור 20 חומצות אמינו.

די והותר – ואולי יותר מדי. להרבה מדענים קוד המאפשר 44 רצפים מיותרים נראה בזבזני להחריד. מה קורה כאשר מוטציה גורמת ל-DNA להציג רצף שאינו מקודד לשום דבר? האם החלבון פשוט נפסק באמצע? או אולי חומצות האמינו, או לפחות חלק מהן, מקודדות ע”י יותר מרצף אחד?

פרנסיס קריק וסידני ברנר (Brenner) חקרו את מבנה הקוד הגנטי ע”י שימוש במוטציות החדרה או השמטה – בהן ישנה הוספה של אות אחת לרצף, או מחיקה של אות אחת. מוטציה כזו גורמת להסטת מסגרת הקריאה (Frameshift) וכך משבשת את המסר כולו.

כדי להבהיר למה מוטציות כאלו מזיקות כל כך, חשבו על משפט בעברית המורכב ממלים בעלות שלוש אותיות, למשל:

ילד אחד הלך לבד לגן

אם הקריאה היא תמיד ברצפים של שלוש אותיות, אם נכניס אות מיותרת, למשל עוד א’ לפני הא’ של “אחד”, נקבל:

ילד אאח דהל כלב דלג נ

המסר כולו השתנה ללא הכר.

אבל, אם נגרום לשלוש מוטציות של החדרה, כלומר נכניס למשפט שלוש אותיות, למשל, האותיות ש’ במשפט הבא:

ילד אחש דהש לשך לבד לגן

התוצאה תהיה שלוש הסטות של מסגרת הקריאה, ובסופו של דבר – חזרה למסגרת הקריאה המקורית, ולסוף המקורי של המשפט. כמובן, התוצאה תהיה זהה אם נוציא מהמשפט שלוש אותיות.

בדומה לכך, גן ייצר חלבון תקין, או כמעט תקין, אם יהיו בו שלוש מוטציות של החדרה או שלוש מוטציות החסרה – אבל אם יהיו בו מוטציה אחת או שתיים מאותו סוג, החלבון שייווצר יהיה שונה לחלוטין מהמקורי, ולעתים קרובות גם קצר בהרבה.

על סמך ניסויים אלו הסיקו קריק וברנר שהקוד אכן בנוי מרצפים של שלוש אותיות, שכונו “קודונים”. כל קודון מתרגם לחומצת אמינו מסוימת. למשל, הקוד הראשון שפוענח היה רצף של שלושה תימין – TTT – שמתרגם לחומצת האמינו פנילאלנין.

עכשיו כשאנחנו יודעים איך הקוד בנוי, כל שנשאר הוא לפענח אותו.

פריצת הדרך הגיעה בעקבות שורה של ניסויים שערכו הביוכימאים מרשל נירנברג (Nirenberg) והיינריך מתאיי (Matthaei). נירנברג ומתאיי השתמשו במולקלת RNA, המולקולה המתווכת כאמור בין ה-DNA לייצור החלבונים. ה-RNA הוא חומצת גרעין בעלת מבנה הדומה מאוד למולקולת ה-DNA, אבל עם אורציל (U) במקום תימין. ה-RNA יוצר העתק של אזור מסוים ב-DNA – המכונה גן – והעתק זה מתורגם לחלבון.

כיום, ניתן לסנתז חומצת גרעין בעלת כל רצף שנרצה, וחברות ביוטכנולוגיות מספקות למעבדות רצפי DNA לפי הזמנה. טכנולוגיה זו לא היתה זמינה בתחילת שנות ה-60. נירנברג ומתאיי ייצרו מולקולות RNA פשוט ע”י יצירת תמיסה בה היו רק בסיסי אורציל. הרצף היחיד שיכל להיווצר כך הוא, כמובן, רצף המורכב כולו מאורציל: “UUUUUUUUU…”. החלבון שנוצר מהרצף הזה היה מורכב כולו מחומצת אמינו אחת – פנילאלנין. הקוד הראשון פוענח – רצף של שלושה אורציל (או שלושה תימין במולקלת ה-DNA) מקודד לפנילאלנין. באופן דומה מתאיי גילה כי הרצף CCC מקודד לפרולין.

הצעד הבא היה ליצור תמיסה ובה כמעט רק אורציל, אבל גם קצת אדנין. הרצפים שיכולים להיווצר בתמיסה כזו, מלבד UUU, הם UUA, AUU ו-UAU. ואמנם, החלבון שנוצר מה-RNA הזה היה ברובו פנילאלנין, אבל היה בו גם לאוצין, איזולאוצין וטירוזין. מתוצאות אלו אנחנו לא יכולים לדעת בוודאות איזה רצף מקודד לאיזו חומצת-אמינו – אבל לפחות צמצמנו את האפשרויות…

ע”י יצירת תמיסות עם ריכוזים שונים של בסיסי RNA שונים, נירנברג ומתאיי וחוקרים נוספים, הצליחו, עד שנת 1966, לפענח את הקוד הגנטי כולו. תוך כדי כך, התפזר גם המסתורין סביב “הקודונים המיותרים” – התברר שכמעט כל חומצת אמינו מקודדת ע”י יותר מקודון אחד, וחלקן מקודדות אפילו ע”י ארבעה.

הגילוי כי DNA הוא החומר הגנטי, מבנהו וכיצד יש לקרוא את המידע הגלום בו פתח דרך להתפתחויות מואצות בתחום הביולוגיה שבזכותן אפשר היום לא רק לקרוא ולהבין אלא גם לערוך את ספר החיים.

למידע נוסף

המאמרים המקוריים [PDF]:

Watson, J. D. & Crick, F. H. C. A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature 171, 737-738 (1953)

Wilkins, M. H. F., Stokes, A. R. & Wilson, H. R. Molecular Structure of Deoxypentose Nucleic Acids. Nature 171, 738-740 (1953)

Franklin R. & Gosling R.G. Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Nature 171, 740-741 (1953)

Avery, O.T., MacLeod, C.M. & McCarty, M. Studies on the chemical nature of the substance inducing transformation of Pneumococcal types. J. Exp. Med. 79, 137-159 (1944).

הפקת DNA בבית : לפי מכון דוידסון ולפי אוניברסיטת יוטה.

פורסם במקור בבלוג SciPhile. מאמר המבוסס על רשומה זו התפרסם במגזין גליליאו, יוני 2013