המידה הנכונה: כיצד נשמרות פרופורציות נכונות בין איברי העובר המתפתחים

כיצד בני אדם ובעלי חיים מגדלים גפיים בגודל המתאים בדיוק לגופם? כיצד העוברים המתפתחים שומרים על פרופורציות נכונות בין האיברים הגדלים בהדרגה?

כיצד בני אדם ובעלי חיים מגדלים גפיים בגודל המתאים בדיוק לגופם? כיצד העוברים המתפתחים שומרים על פרופורציות נכונות בין האיברים הגדלים בהדרגה? מדעני מכון ויצמן למדע עשו באחרונה צעד חשוב לכיוון ההבנה כיצד נעשית השמירה על קנה מידה, כלומר, כיצד מצליחות תבניות ההתפתחות השונות לשמור על סינכרון עם הגודל הכללי של עובר, או של יצור חי גדל ומתפתח. במחקר שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי Current Biology, הצליחו פרופ’ נעמה ברקאי ופרופ’ בני שילה ותלמיד המחקר דני בן צבי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית להסביר נשמר קנה המידה בכנפיים של זבוב הפירות – המכוסות ברשת ורידים מסועפת ומורכבת. ממצאיהם עשויים להיות רלבנטיים עבור תהליכי התפתחות רבים, ובהם התפתחות עוברית של בני אדם.

המדענים ידעו כי המנגנון המבקר את לבישת הצורה של העובר מבוסס על חומר יחיד המעביר את המסרים האלה – הקרוי מורפוגן. המורפוגן מופרש ממספר תאים במרכזו של העובר המתפתח, ומשם הוא מפעפע כלפי חוץ, תוך שריכוזו הולך ויורד. באופן זה, ריכוז המורפוגן הוא ש”מיידע” את התאים המתפתחים על מיקומם היחסי ועל התפקיד שימלאו ביצור המתפתח. עם זאת, מאחר והמורפוגן מופרש בקצב אחיד הן ביצורים קטנים והן בגדולים, הוא אינו יכול לקבוע לבדו את קנה המידה. לפני מספר שנים הצליחו המדענים למצוא את הגורם המשפיע על מימד הגודל. בניסוי שנעשה בעוברי צפרדעים הם גילו חומר הנוצר בקצוות העובר ומפעפע כלפי פנים. הפיזור שלו בתאים הוא שקובע את האיתות שמקבל כל אחד מהם, באופן שמתחשב גם בגודל העובר.

בהמשך יצרו המדענים מודל תיאורטי, על פיו החומר הנוצר בקצוות העובר – הקרוי חומר מרחיב – מסייע בהפצת המורפוגן. המורפוגן, מצידו, מתפקד כחומר מעכב, משום שהוא מפסיק את ייצורו של החומר המרחיב בקצה העובר. המודל תיאר במדויק כיצד יחסי הגומלין בין החומר המרחיב לבין המורפוגן קובעים את התאמת קנה המידה בעובר.
במחקר הנוכחי בדקו המדענים את תקפותו של המודל שיצרו באמצעות סדרת ניסויים, אשר עקבו אחר התפתחות הכנפיים של זחלי זבובי פירות. בצברי תאים המהווים מעין “הכנה לכנפיים” פועל מורפוגן הקרוי Dpp. בנוסף, מחקרים שנעשו באחרונה הראו כי חומר הקרוי “פנטגון” ממלא תפקיד בהתפתחות רשת הוורידים בכנפי הזבוב, דבר שעורר את החשד כי הוא מתפקד כחומר מרחיב.

המדענים אספו זחלים של זבובי פירות בגדלים שונים, והשתמשו בשיטות כמותיות שפיתחו כדי למדוד את התפלגות ריכוזי המורפוגן. לאחר מכן, הם מנעו את היווצרותו של ה”פנטגון” בכנף המתפתחת, וחזרו על הבדיקה. הממצאים הראו כי במקרה הראשון, בו שני החומרים תפקדו כרגיל, פעילותו של המורפוגן בקביעת קנה המידה התאימה לחיזוי של המודל, וכי קיים מיתאם בין האיתותים שלו לבין גודל הכנף. לעומת זאת, בזחלים ללא פנטגון, המורפוגן התפזר בצורה שווה בכל הכנפיים שנבדקו, ללא קשר לגודלן היחסי. באופן זה הם הוכיחו כי הפנטגון הוא אכן החומר המרחיב, וכי המודל המבוסס על פעולתם של חומר מרחיב וחומר מדכא אכן ניתן ליישום עבור יצורים שונים זה מזה: צפרדעים וזבובים.

פרופ’ שילה: “היופי שבמחקר הזה הוא האופן שבו הוא אורג את המודל התיאורטי עם הביולוגיה הניסיונית. גישה זו נותנת לנו אמצעי חדש ומקורי לחקור את שמירת קנה המידה, על פיה, במקום ללכת לאיבוד בסבך של מנגנונים מולקולריים מורכבים, אנחנו יכולים להתחיל בחיפוש אחר חוקיות אוניברסלית פשוטה יחסית”.