איזה סרט לראות?
 

בעלי חיים זורקים DNA במהלך הרבייה, ואנחנו לא יודעים למה

כדי לבצע את עבודת המעבדה שלהם, לורה רוס והצוות שלה חייבים לערוך ניתוח גס.



ראשית, הם מנתחים את רקמות הרבייה של פטריית הכנפיים השחורה, זבוב שחור זעיר באורך של כשש-עשרה עד שמינית אינץ'. ואז הם מתרכזים בתאים מסוימים ברקמה זו: תאי הנבט, המייצרים ביצים וזרע ולכן מחזיקים את המפתחות לגנוםשל הדור הבא.



רוס, ביולוג אבולוציוני מאוניברסיטת אדינבורו בסקוטלנד, מסתובב בחלקים של פטריות-יתד כי יש משהו מוזר בתאים בזבובים האלה: הם לא מצייתים לכללי ספר הלימוד.

ביצורים רבייה מינית, עותק מלא אחד של החומר הגנטי של האם בדרך כלל מתמזג עם עותק אחד מלא של האב כדי ליצור את הסט השלם, הכפול של ה-DNA שנמצא בתאים בכל הגוף.

אבל הימית הפטרייתית עושה משהו מוזר. בשלב מוקדם של התפתחות העובר, רוב התאים מפיצים שני כרומוזומים ספציפיים - עצומים, בהשוואה לאחרים - כך שהזוג לעולם לא מגיע לחלק האריה בגוף הימית. רק התאים שהופכים לתאי נבט שומרים על ה-DNA הבונוס ומעבירים אותו לדור הבא.



כיצד ומדוע תכונה זו התפתחה נותרה מסתורית במידה רבה, אם כי ביולוגים הבחינו בה לראשונה לפני מאה שנה. וימוני פטריות שחורות כנפיים הם לא הכדורים הגנטיים היחידים. מגוון רחב להפליא של יצורים, עד לחלק מבעלי החולייתנים, משליכים קטעים משמעותיים של DNA במהלך מוקדםהתפתחות, כך שהמתיחות לא מגיעות לרוב תאי הגוף שלהן.

עד כה, מדענים צפו בתופעה בחרקים שונים, במפרסים ובדגים, בצורות חיים חד-תאיות שעירות הנקראות ריצות, בתולעים עגולות טפיליות ובסרטנים זעירים הנקראים קופפודים. הם ראו את זה בחיות כיס דמויות חולדה הנקראות בנדיקוט ובציפורי שיר - כנראה כולם ציפורי שיר, על פי עבודות אחרונות. והם מצפים למצוא מקרים רבים נוספים.

הרבה מהתכונות הגנומיות המוזרות האלה נוטות להיות נדירות למדי, אבל הן מתפתחות שוב ושוב, אומר רוס. זה לא רק אירוע מטורף אחד.



יש להניח, אם כן, חייב להיות יתרון סלקטיבי כלשהו ליצורים שהולכים במסלול האבולוציוני הזה. אבל מה זה?

מעבר למוזרות המרתקת שלהם, המוזרויות הללו עשויות להכיל שיעורים רחבים יותר על האופן שבו הגנום פועל כפי שהם פועלים, חושבים מדענים, וכיצד ומדוע ה-DNA בתאי הנבט מטופל בצורה שונה מה-DNA בשאר הגוף של היצור המתפתח.

זהו הבדל מהותי בין ה-DNA שעובר לדור הבא לבין ה-DNA שנמצא בכל סוגי התאים האחרים, אומר ג'רמיה סמית', גנטיקאי מאוניברסיטת קנטקי, שחוקר את התופעה במפרסים ותיאר אותה ב-2020 סקירה שנתית של מדעי הביולוגי של בעלי חיים .



ימוס פטריות.ויקימדיה קומונס

הגנום מתכווץ: מקרה של פחות הוא יותר

החל מסוף המאה ה-19, הרבה לפני שמדענים מצאו את הקשר בין דנ'א לתורשה, ביולוגים שהציצו במיקרוסקופים השתמשו בצבעים כדי לחקור גופים זעירים דמויי זרדים בתוך תאים מתחלקים, תוך שהם צופים כיצד הזרדים מתקבצים יחדיו ואז נפרדים. האנטומיסט הגרמני וילהלם פון ולדייר-הרץ קרא למבנים אלה כרומוזומים בשנת 1888, בשל הקלות שבה הם נטלו את הצבע.



בערך באותו זמן, ביולוגים של תאים צפו בנתחי כרומוזומים מושלכים בתולעת עגולה טפילית בשםParascaris univalensשמדביק סוסים - תולעת שנחקרה רבות מכיוון שקל לראות את צמד הכרומוזומים הענקיים שלה במיקרוסקופ. בעשורים מאוחרים יותר, חוקרים תיארו מיני תולעים אחרים שהפילו מקטעים מכמה כרומוזומים במהלך סבבים מוקדמים של חלוקת תאים בעוברים.

אבל לא הייתה להם את הטכנולוגיה לחקור את זה באמת, אומר ריצ'רד דייויס, ביולוג מולקולרי אמריטוס בבית הספר לרפואה של אוניברסיטת קולורדו באורורה.

דייוויס, שהקדיש את העשור האחרון לקריירה שלו לחקר כיצד ההדחה הזו מתרחשת בקומץ תולעים עגולות, חשב בתחילה שה-DNA שחוסל אינו נושא תוכנית לגנים כלשהם. רוב הביולוגים (בכל מקרה אלה ששמעו על התופעה) הניחו את אותו הדבר, הוא אומר.

עם זאת, התברר שה-DNA שנשמט הזה מכיל גנים - הרבה מהם. תולעים עגולות מהסוגאסקריס, שמדביקים חזירים ואנשים, משליכים כחמישה אחוזים מהגנים שלהם, בעוד אלו של הסוגפרסקריסלהפטר בערך 10 אחוז.

רק התאים שנועדו ליצור את גופה של התולעת מבצעים את ביטול ה-DNA: בדיוק כמו ימוס הפטרייה השחורה, כל הגנים נשארים בתאים המיועדים ליצור ביציות וזרע. צאצאיה של התולעת, וצאצאיה, חוזרים על אותו תהליך בדיוק.

דייוויס גם שם לב למשהו אחר: רוב הגנים שנשמרים בתאי הנבטפעילים באותם תאים, מה שמרמז שהם נחוצים שם. ולכן דייוויס חושב שזריקת הגנים לכל שאר תאי הגוף עשויה להיות השיטה המכוסה ברזל של התולעים לוודא שהגנים לא הופכים פעילים במקום שבו הם לא נועדו.

מבטיח את זהגנים פעילים בזמנים מסוימים אך לא באחרים, או ברקמות מסוימות אך לא אחרות, היא פונקציה קריטית עבור כל יצור חי.

חשבו על סוגי התאים הרבים והשונים בגופנו: כולם מכילים את אותו רצף DNA, אבל תאי הלב שלנו מייצרים חלבונים שונים מאשר תאי העור שלנו, כך שכל אחד יכול לעשות את העבודה המיוחדת שלו. ואפילו בתוך סוג מסוים של תא, החלבונים שמיוצרים משתנים במהלך חייו של היצור.

אולי מה שהגנים שנפלו עושים יזיק לתאים בוגרים עד כדי כך שביטולם הוא מכשיר בטוח יותר מאשר מצטער, אומר דייוויס.

עם זאת, מדובר בספקולציות מוחלטות - כי אין הוכחה לכלום.

אבל זה גם מציג חידה שעדיין לא נפתרה. לרוב היצורים החיים כבר יש דרכים להשתיק גנים ספציפיים על ידי הוספת תגים כימיים.

אז למה הם בוחרים לעשות את זה? אומר דייוויס.

מנורת נהר אירופאית.ויקימדיה קומונס

הגנום מתכווץ: גם דגים ללא לסת עושים את זה!

סמית' חושב שאותו סוג של השתקת גנים קיצונית עשוי להיות משחק אצל מנופרים. המעבדה שלו נתקלהחיסול DNAבדגים העתיקים חסרי הלסת הללו תוך כדי עבודה עם עמיתים על פענוח הגנום של הלסת. סמית' ראה מחקרים משנות ה-80 המדווחיםאובדן כרומוזומיםבדג הדג הקשור קרוב. הוא החליט לבדוק אם מנופרים עושים את אותו הדבר.

הפיזיולוגיה של למפרי מקלה על חילוץ הביציות והזרע מהחיות - סמית משווה זאת לחליבת פרה או סחיטת משחת שיניים מתוך שפופרת. לאחר מכן הוא הפרה את הביציות וצפה בעוברים מתפתחים וגילה שהם נושרים כרומוזומים 1.5 עד שלושה ימים לאחר ההפריה.

למפריס מאבדים 12 כרומוזומים שלמים מתוך הסט הראשוני שלהם של 96, ואולי נותרו חלקים וחתיכות מהכרומוזומים. האובדנים מתוכנתים מראש להתרחש כמעט בכל תאי העובר למעט קומץ קטן של תאים שנועדו להפוך בקרוב לתאי נבט. בסופו של דבר, החתיכות הללו מגיעות לתאי זרע וביצית, אך לא בשום תאי למפרי אחר.

באמצעות שיטות רצף מתקדמות שהגיעו לרשת באותו זמן, סמית' ועמיתיו זיהו גנים רבים ב-DNA שחוסל. באופן מסקרן, כ-60% עד 70% מהגנים דומים לאלה שבמין שלנו, חושבים שהם מגבירים את הסרטן כאשר פעילותם יוצאת משליטה.

לא משנה מה תפקודם הרגיל, הגנים הללו עשויים להיות מסוכנים במיוחד לשמירה בתאי הגוף.

אנו חושבים שלמפרי נפטרים מהגנים האלה כאמצעי להשתיק אותם לצמיתות, אומר סמית.

גנום נוסף שלם אצל ימוסים

פטריות של רוס ידבקות,ברדיזיה(סקיארה)קופרופילה, יש תעלומה מיוחדת משלהם. הם גדלו ומתוחזקים במשך עשרות שנים, עוברים ממעבדה למעבדה. חוקרים בשנות ה-20 שחקרו כיצד מתנהגים כרומוזומים בתא הבחינו שהזבובים הללו מאבדים שני כרומוזומים בתאים מסוימים. (לחלק מהחרקים, זה ידוע כעת, יש יותר מ-80 כרומוזומים להיפטר מהם.)

אבל הכרומוזומים האלה - המכונים כרומוזומים מוגבלים לקו הנבט מכיוון שהם נשמרים רק בקו הנבט - גדולים כמעט כמו שאר הגנום של הימית.

למעשה, הםהםבעצם גנום שלם, מכיוון שהם מכילים קבוצה נוספת שלמה של הגנים שיש לימית. אבל יומי פטריות עדיין מוזרים יותר. כשרוס והצוות שלה רצפו את הכרומוזומים, היא גילתה שהגנים שהם נושאים אינם דומים במיוחד לאלה מהמינים שהם מתגוררים בהם. זה נראה כמו הגנום של מין אחר לגמרי, אומר רוס - של קבוצה אחרת לגמרי של זבובים.

הניחוש הטוב ביותר של רוס הוא שבמהלך אירוע הזדווגות נדיר בין שני מינים שונים לפני עידנים,הגנום של אחד השתלב בגנום של השניואיכשהו נדחף אל קו הנבט לבדו. מבחינתה, אירוע הפריק ההיפותטי הזה - יחד עם מוזרויות אחרות לגבי איך זבובים מעבירים את החומר הגנטי שלהם - מצביע על תעלומה מהותית.

ההגדרה של חיים היא היכולת להעתיק ולהדביק את החומר הגנטי שלך לדורות הבאים, היא אומרת. מדוע התהליך הזה כל כך משתנה, ומה מניע את הווריאציה הזו?

אותה שאלה מניעה את אלכסנדר סו, ביולוג אבולוציוני באוניברסיטת מזרח אנגליה בבריטניה ובאוניברסיטת אופסלה בשבדיה, שחוקר כרומוזום מוגבל בקו נבט בחוחיית הזברה, ציפור שיר. חוקריםדיווח לראשונה על קיומו בשנת 1998. כשעובר חוחיית זברה מתפתח, הכרומוזום הזה איכשהו 'באופן קסם', אומר סו, ואני אומר שעם מרכאות רק בגלל שאין לי הסבר עדיין, הוא נשמט מכל התאים מלבד תאי הנבט.

גם הכרומוזום המוזר הזה מלא בגנים, רבים מהם קיימים במספר רב של - לפעמים מאות - עותקים. ורבים פעילים בקו הנבט.סו ועמיתיםוקבוצה אחרתדיווח באופן עצמאי בשנת 2019 כי הכרומוזום מתוארך לאב הקדמון המשותף של ציפורי השיר וכי כל ציפורי השיר - כמחצית מכלל הציפורים - נושאות אותו.

מה שזה לא יהיה, זה קיים כבר 50 מיליון שנה, אומר סו. איכשהו זה מוודא שהמארח לא יכול להתקיים בלעדיו.

חוחית הזברה היא ציפור שיר.kyotokushige/Photodisc/Getty Images

הגנום מתכווץ: למה הם עושים את זה?

כעת הצוות של סו ואחרים מתלבטים לגבי התפקיד האפשרי של הכרומוזום הזה על ידי התבוננות בתפקוד הגנים שהוא מכיל. אצל חוחית הזברה לפחות, נראה שרבים מהם קשורים להתפתחות הגונדה הנשית. נראה שאחרים מעורבים בהיבטים אחרים של התפתחות מוקדמת.

אבל זה מגרדת ראש, אומר סו, מדוע הגנים האלה עוברים בדרך סיבובית השונה מהמערכת הסטנדרטית של תורשה. סמית', רוס ודיוויס חושבים באופן דומה על הסיבות למערכות שהם חוקרים במפרסים, זבובים ותולעים.

אולי הכרומוזומים (או פיסות כרומוזומים) הם אנוכיים - רק בעצמם - ויש להם דרכים מהונדסות להישמר. או אולי לכרומוזומים המוגבלים על קו הנבט יש יתרון - למשל, בכך שהם משמשים כאינקובטורים שבהם מאוחסנים בבטחה גנים שהתפתחו לאחרונה עד שניתן לקבוע אם הם מועילים או מזיקים לאורגניזם.

לחלופין, התהליכים יכולים להיות החזקה מאירועים אבולוציוניים מוקדמים יותר. אולי, אומר סמית, טכניקת ההשתקה הזו התפתחה לפני או במקביל לכמה משיטות ההשתקה שבהן משתמשים בעלי חוליות כיום. האם זה משהו שבזמן מסוים הגדיר את הביולוגיה של אבותינו?

אבל לא משנה מה יתברר שהתשובה - או התשובות - היא בולטת, אומר סו, עד כמה מעט אנשים, אפילו בקרב ביולוגים, מודעים לכך שגנים ותורשה פועלים לעתים קרובות כל כך בדרכים מוזרות.

אולי, הוא אומר, זה משהו שאנחנו צריכים להתחיל ללמד מוקדם יותר: כמה הגנום מרתק עוד יותר ממה שכבר חשבנו.

מאמר זה הופיע במקור במגזין ידוע, מאמץ עיתונאי עצמאי מ-Anual Reviews. הירשם ל-ניוזלטר.