גנום

ערך זה עוסק במידע תורשתי. אם התכוונתם למשמעות אחרת, ראו גנום (פירושונים).

מסמלי פרויקט גנום האדם

בביולוגיה, גנום הוא השם הניתן לרוב לכלל המידע התורשתי באורגניזם המקודד ב־DNA (ובחלק מהנגיפים ב־RNA). חומר זה כולל גם מידע אשר מקודד לחלבונים וגם מידע שאינו מקודד. המונח גנום הוטבע לראשונה ב־1920 על ידי הנס וינקלר, פרופסור לבוטניקה באוניברסיטת המבורג.

הגנומיקה היא תחום של הביולוגיה העוסקת בתכונות של כלל הגנומים, בניגוד מסוים לגנטיקה שעוסקת לרוב בגן בודד או בקבוצה קטנה של גנים.

המונח "גֵּנוֹם" יובא מגרמנית: Genom. מקורה הראשוני של המלה ביוונית: genos (לידה).

סוגי גנומים

הגדרה מדויקת יותר של המונח גנום, מתארת אותו ככלל המידע בסט אחד של כרומוזומים המצוי בכל תא האורגניזם. בייצורים דיפלואידים (כמו האדם) בכל תא קיימים שני סטים שלמים של כרומוזומים ויש להתייחס לכל אחד מהם כגנום נפרד. במונח רצף הגנום מתייחסים לרוב לרצף של כלל הכרומוזום האוטוזומליים של האורגניזם בצירוף שני כרומוזומי המין, אם האורגניזם מתרבה ברבייה מינית. המונח הרכב גנטי משמש לעתים לתיאור כלל המידע הגנטי המצוי בתא.

פרט למקרים חריגים הנמצאים לרוב בוירוסים, כלל המידע הגנטי של ייצור חי מצוי לרוב בסט הכרומוזומים שלו. יוצאים מכלל זה הם לרוב ייצורים פרזיטים אשר מכילים לעתים פלסמידים, שגם הם מכילים חומר גנטי שעשוי להיות נורש. יוצא נוסף מן הכלל הוא הכרומוזום המצוי במיטוכונדריה ביצורים איקריוטיים. על אף חשיבותו הרבה הוא לרוב אינו נכלל תחת המונח גנום, כי אם זוכה לכינוי נפרד כגנום מיטוכונדריאלי.

ריצוף גנומים

תהליך הריצוף של גנום הוא תהליך שבו החומר הגנטי מפרט בודד (או תערובת פרטים במקרה החיידקי) ממין מסוים באוכלוסייה מפוענח (מרוצף) באמצעות שיטות של ביולוגיה מולקולרית. בגלל מגבלות טכנולוגיה והגדלים של הגנום (גנום של חיידק פשוט מכיל כ־5 מיליון בסיסים) התהליך מתבסס על פענוח מספר רב של רצפים קצרים בגודל של כמה מאות בסיסים (contigs) ולאחר מכן הרכבה (assembly) של מקטעים אלה לרצפים ארוכים המתארים רצפים של כרומוזומים שלמים.

הגנום הראשון שרוצף היה גנום ויראלי קצרצר של ΦX174 והגנום הראשון של אורגניזם איקריוטי היה גנום שמר האפייה שפורסם ב־1996. ב־26 ביוני 2000 פורסמה טיוטה מלאה ראשונה של גנום האדם. מיזם גנום האדם פותח במקביל על ידי שיתוף פעולה של מספר מרכזי ענק ברחבי העולם – הפרויקט הציבורי וחברת סלרה. עד היום פוענחו כ־300 גנומים שלמים (לא כולל אלפי גנומים ויראליים), מתוכם כעשרים גנומים של ייצורים איקריוטיים ופרויקטי גנום של רוב האורגניזמים החשובים לאדם נמצאים בשלב פיתוח כזה או אחר.

השוואת גדלי גנומים מייצורים שונים

Paris japonica

אורגניזם	גודל גנום (זוגות בסיסים)	הערות
וירוס, ΦX174 פאג׳	$5,387$	הגנום הראשון שרוצף
וירוס, HIV	$9,749$
וירוס, פאג' למבדא	$48,502$
חיידק, Candidatus Carsonella ruddii	$159,662$	הגנום הקטן ביותר הידוע שאינו של וירוס
וירוס, Megavirus	$1,259,197$	הגנום הגדול ביותר הידוע של וירוס
חיידק, E. coli	$4.6 \times 10^{6}$
שמר,שמר האפייה	$1.21 \times 10^{7}$
תולעת נימית, Pratylenchus coffeae	$2 \times 10^{7}$	הגנום הקטן ביותר הידוע של בעל חיים
תולעת נימית, Caenorhabditis elegans	$1 \times 10^{8}$	הגנום הראשון של בעל חיים רב־תאי שרוצף (דצמבר 1998)
חרק, זבוב פירות	$1.3 \times 10^{8}$
דג, Tetraodon nigroviridis	$3.85 \times 10^{8}$	הגנום הקטן ביותר הידוע של חולייתן
יונק, הומו ספיאנס (בן־אדם)	$3.2 \times 10^{9}$
דג, Protopterus aethiopicus	$1.3 \times 10^{11}$	הגנום הגדול ביותר הידוע של חולייתן
צמח, גביעונית(Fritillary assyriaca)	$1.3 \times 10^{11}$
צמח, Paris japonica	$1.5 \times 10^{11}$	הגנום הגדול ביותר הידוע של צמח
דמוי אמבה, Polychaos dubium	$6.7 \times 10^{11}$	אולי הגנום הגדול ביותר הידוע (המדידות נעשו לפני התפתחותן של השיטות המודרניות, וייתכן שאינן מדויקות)

כפי שניתן ללמוד מהטבלה גנומים של ייצורים שונים נבדלים בגודלם במספר רב של סדרי גודל. חלק מן ההבדלים הללו נובעים מסיבות ביולוגיות ברורות. הוירוסים, להם הגנומים הקצרצרים ביותר, הם יצורים פרזיטים, הנסמכים על תא האורגניזם המארח על מנת לבצע את רוב הפעילות הביוכימית הדרושה לקיומם. על כן, הרוב המוחלט של הגנים הנחוצים לחיים של כל אורגניזם נעדרים מן הגנומים שלהם. גנום קומפקטי הכרחי לייצורים אלה על־מנת שהם יוכלו לשמור על אפשרות נוחה לחדירה לתוך התאים. גם מינים של בקטריות פרזיטיות מכילים הרבה פעמים גנומים "חלקיים" שגנים רבים המקודדים לחלבונים חיוניים נעדרים מהם.

תאי היצורים האיקריוטיים גדולים ומורכבים הרבה יותר מאלה של הפרוקריוטיים ולכן דרושה להם כמות גדולה יותר של גנים על מנת לתחזק את התא. כמו כן, גנים בייצורים איקרויטיים מכילים אינטרונים בתוך רצף הגן, מה שמגדיל בצורה משמעותית את האורך של הכרומוזום. הסיבות הללו מסבירות מדוע הגנום של שמר האפייה – ייצור חד־תאי פשוט יחסית – גדול פי 5 מגנום של חיידק ממוצע.

בצמחים, שלהם הגנומים הארוכים ביותר הידועים כיום, ידועים אירועים רבים במיוחד של הכפלת גנום (genome duplications) שבהם מספר הכרומוזומים של מין מסוים מכפיל את עצמו כתוצאה מפגם בחלוקה של התא. אירועים אלה גורמים לעלייה חדה בגודל הגנום, אף על פי שזו לא תמיד תורמת לאורגניזם.

מהסיבה הנ״ל לרוב אין ליחס יחס ישר בין גודל הגנום לבין מידת מורכבות האורגניזם. שנים רבות היה נהוג ליחס למספר הגנים את התרומה המשמעותית ביותר ל"שכלול" האורגניזם, אך בשנים האחרונות מתברר שגם התניה זו אינה נכונה, שכן מספר גנים מצומצם יחסית בגנום האנושי (המוערך כיום בכ־25,000) תורם לכמיליון תוצרי חלבון שונים באמצעות שחבור חליפי.

הגנום ושונות באוכלוסייה

הגנום של הייצור אינו מייצג לרוב את השונות (פולימורפיזם) המצוי באוכלוסייה. במושג רצף הגנום נהוג להתייחס לרצף של אורגניזם בודד (או תערובת של אורגניזמים במקרים של חיידקים ווירוסים), שלרוב נבחר באופן אקראי מן האוכלוסייה ועבר ריצוף. למעשה, אחד האתגרים העומדים בפני הביולוגיה היום הוא פיתוח שיטות ל"ריצוף מחדש" (resequencing) של גנומים – ריצוף גנום של פרט ספציפי תוך שימוש בגנום מרוצף של אותו המין. התכנון הוא שתוך מספר שנים ניתן יהיה לבצע ריצוף כזה לאדם במחיר של כמה מאות דולרים.

קישורים חיצוניים

• מידע על פרויקט הגנום האנושי
• פענוח גנום האדם בעברית
• פרופ׳ דורון לנצט, ‏הגנום – אין קץ להפתעות, באתר הערוץ האקדמי, וידאו