גדיל (ביולוגיה)

בביולוגיה, גדיל הוא שרשרת של חומצות גרעין. מולקולת RNA היא לרוב חד-גדילית המתקפלת ליצירת מבנה שניוני יציב. מולקולת DNA היא סליל כפול של שני גדילים, כשכל חומצת גרעין באחד הגדילים מחוברת בקשרי מימן לחומצת הגרעין המשלימה שלה בגדיל השני. בטבע קיימת מולקולת DNA תלת-גדילית, המכונה (Triple-stranded DNA) - H-DNA

מאז גילוי מבנה ה-DNA נוצרו כינויים שונים המתארים את הגדילים השונים^[1]. כמחווה למפענחי מבנה מולקולת ה-DNA, ג'יימס ווטסון ו-פרנסיס קריק, שמות המשפחה של המדענים משמשים כשם לשני גדילי ה-DNA, גדיל ווטסון (W) וגדיל קריק (C). במשך השנים לא התקבע קונצנזוס לגבי משמעות השמות - איזה גדיל מכונה ווטסון ואיזה קריק^[1]. בכדי ליצור אחידות, הוצע בשנת 2011 לתת הגדרה ברורה למשמעות השמות: הכרומוזום הוא מולקלת DNA דו-גדילית אשר מחולקת לשני חלקים על ידי צנטרומר, ובכך נוצרות שתי זרועות: קצרה וארוכה. בקצה כל גדיל של ה-DNA ישנו אטום חמצן המחובר לפחמן מספר 3 בדיאוקסיריבוז בעל אלקטרון זמין ליצירת קשר עם נוקליאוטידים נוספים. גדיל ווטסון הוא הגדיל שקצה ה-3' שלו נמצא בזרוע הארוכה של הכרומוזום, וגדיל קריק הוא הגדיל שקצה ה-3' שלו נמצא בזרוע הקצרה של הכרומוזום^[1].

מלבד צורת השיום הזו, קיימים שמות תיאור שונים לשני הגדילים של ה-DNA שנוצרו במהלך השנים. השם הניתן לגדיל תלוי במיקום ובתכונות שלו. חלק מהשמות שניתנו סותרים את המשמעות של שמות אחרים. השמות אינם מוחלטים. ייתכן שגדיל מסוים משמש כגדיל הקריא עבור גן מסוים, וכגדיל המול-קריא עבור גן אחר. להלן שמות נוספים לתיאור שני הגדילים^[1]:

גְּדִיל קָרִיא (sense strand), נקרא גם גדיל חיובי או "+". DNA דו-גדילי מורכב תמיד משני גדילים המשלימים זה את זה, לפי עיקרון זיווג בסיסים. בכדי להביל בין שני הגדילים, התקבע המונח גדיל קריא כמתאר את הגדיל שרצף הנוקליאוטידים שבו זהה לרצף ה-RNA ההמשועתק מדו-גדיל זה (מלבד החלפת התימין באורציל). גדיל זה מכונה לעיתים גְּדִיל מְקוֹדֵד (coding strand), אך מכיוון שתוצר גן לא בהכרח מקודד לחלבון, המינוח גדיל קריא מדויק יותר. המוסכמה היא שזהו רצף ה-DNA שמוצג כחד-גדיל בכיווניות של 5' ל-3, כפי שמופיע באיור. בתהליך השעתוק לא נעשה שימוש בגדיל הקריא, אך מכיוון שתוצר ה-RNA זהה לו, לעיתים מכונה התעתיק RNA קריא (sense RNA).

גְּדִיל מוּל-קָרִיא (antisense strand), נקרא גם גדיל שלילי, "-" או גדיל התבנית (template strand). גדיל זה הוא הופכי ומשלים לגדיל הקריא ולמולקולת ה-RNA המשועתקת ממנה. ה-RNA פולימראז משתמש בגדיל המול-קריא כתבנית לסינתזה, ובאמצעות זיווג בסיסים נוצר גדיל RNA הזהה לגדיל הקריא (מלבד החלפת התימין באורציל) (ראו איור). לעיתים מכונה הגדיל שאיננו מקודד (noncoding strand).

הסיווג של גדילי DNA כקריא ומול-קריא הוא יחסי למולקולת RNA נתונה. כל אחד משני גדילי ה-DNA יכול לשמש הן כגדיל קריא והן כגדיל מול-קריא. בגנומים של יצורים ניתן למצוא גנים על שני הגדילים, במיקומים שונים על גבי ה-DNA. במקרים מסוימים, ניתן למצוא קדם המבקר שעתוק של שני תעתיקי RNA, אחד לכל כיוון (כלומר, אחר מגדיל הווטסון ואחד מגדיל הקריק). כמו כן, ניתן למצוא בתוך אינטרון של גן הממוקם בגדיל הקריא, גן אחר הנמצא בגדיל המול-קריא.

חלוקה של הגדיל הקריא לשלשות של נוקליאוטידים המייצגות קודונים יחשוף את שרשרת חומצות האמינו של תוצרים חלבוניים. לדוגמה, אם בגדיל הקריא נמצא רצף הנוקליאוטידים CTG, משמעו שברצף ה-RNA (המסונתז מהגדיל המול-קריא, שבו מופיע הרצף 3'-GAC-5') מופיע CUG, שהוא הקודון של לאוצין.

בדוגמה ניתן לראות רצף DNA דו-גדילי, כאשר הגדיל העליון (הנמצא בכיווניות של 5' ל-3') משמש כגדיל הקריא. ניתן לראות שרצף ה-mRNA המסונתז זהה לגדיל הקריא, והופכי ומשלים לגדיל המול-קריא (מלבד ההחלפה של תימין באורציל).

    DNA:5' - AAC AGC CTG CGT ACG GCT CTC - 3' קריא         3' - TTG TCG GAC GCA TGC CGA GAG - 5' מול-קריא    mRNA:5' - AAC AGC CUG CGU ACG GCU CUC - 3' Protein:     Asn Ser Leu Arg Thr Ala Leu 

רצף RNA המשלים לרצף ה-mRNA האנדוגני נקרא RNA מול-קריא (antisense RNA). בעקבות זיווג הבסיסים בין שתי המולקולות החד-גדיליות, תהליך התרגום (ביולוגיה) נחסם. תהליך זה נקרא RNA Interference. תאים יכולים ליצור RNA מול-קריא באופן טבעי, הנקראים microRNA המעכבים ביטוי של mRNA. מדענים עושים שימוש במנגנון זה כדי למנוע ביטוי של RNA מסוים. שימוש נוסף בתחום המחקר הוא שימוש במולקולת RNA מתוייגת (בצורה רדיואקטיבית או פלואורסצנטית (FISH)) בכדי לסמן תעתיקי RNA בתא.

בווירולוגיה משמעות המונח קריא (sense) מעט שונה, ונעשה בו שימוש במשמעות שווה למונח גדיל (strand). הגנום של נגיף RNA יכול להיות דו-גדילי, חד-גדילי חיובי, או חד-גדילי שלילי.

נגיף בעל גנום של גדיל RNA קריא (מכונה "+") דומה ל-RNA-שליח ויכול להיות מתורגם ישירות לחלבון על ידי התא הפונדקאי. לעומת זאת נגיפים בעלי גנום של RNA מול-קריא אינו יכול להיתרגם ישירות ונצרכת יצירת RNA קריא על ידי RNA רפליקאז לפני התרגום לחלבון.

גְּדִיל מַשְׁלִים (complementary strand) הוא הגדיל ההופכי בכיווניות והמשלים לפי עיקרון זיווג הבסיסים לגדיל הנתון. בעקבות עיקרון זה, בהינתן רצף, ניתן תמיד להסיק את הרכב הגדיל המשלים.

נניח שנתון רצף ה-DNA הבא:

       5' - ATG ACT CAC CGA GCG CGA AGC TGA - 3' 

לפי עיקרון זיווג הבסיסים, מול אדנין (A) יופיע תימין (T) ולהפך - מול תימין יופיע אדנין. יחס דומה קיים בין ציטוזין (C) לגואנין (G), ולכן הגדיל המשלים ייראה כך:

        3' - TAC TGA GTG GCT CGC GCT TCG ACT - 5' 

הכיווניות שלו הפוכה מהגדיל המקורי, ולכן והמולקולה הדו גדילית תיראה כך:

        5' - ATG ACT CAC CGA GCG CGA AGC TGA - 3'         3' - TAC TGA GTG GCT CGC GCT TCG ACT - 5' 

כל אחד מהגדילים יכול להיות הגדיל הקריא או המול-קריא, כתלות במיקום הגנים על פני רצף ה-DNA.

גְּדִיל מוֹבִיל (leading strand) וגְּדִיל מִשְׁתַּהֶה (lagging strand) הם כינויים לגדילי ה-DNA בתהלך השכפול. בתהליך זה גדילי ה-DNA מופרדים, וכל אחד מהם משמש כתבנית ליצירת דו-גדיל חדש, כך שמעותק DNA אחד דו-גדילי נוצרים שני עותקי DNA דו-גדיליים. תהליך השכפול הוא כיווני, כלומר, הסינתזה יכולה להיעשות רק בכיווניות של 5' ל-3'^[2]. רק אחד הגדילים נמצא בכיווניות כזו, והוא מכונה הגדיל המוביל. בכדי לשכפל את הגדיל המשתהה, נעשה שימוש במקטעי אוקזקי, שהם מקטעי RNA קצרים המשמשים כנקודות מוצא לשכפול הגדיל המשתהה בכיווניות הנכונה, כך שנוצרים מקטעי DNA המחוברים ביניהם במקטעי RNA קצרים, המוסרים ומוחלפים בבסיסי DNA. תהליך זה איטי יותר מאשר השכפול הפשוט שנעשה בגדיל המוביל, ומכאן שמו.

• DNA