חוקרים אפיינו גנים וחלבונים שמעורבים בתהליך השחבור במיטוכונדריה של צמחים וחיוניים לנשימה תאית וגדילה
המיטוכונדריה היא אברון תוך-תאי שמייצר חלק ניכר מן האנרגיה הכימית (ATP) בתאים ונדרש לתפקודם ותחזוקתם. אחד הדברים אשר מייחדים את המיטוכונדריה בצמחים לעומת זו של בעלי חיים, הוא המטען הגנטי שלה. בניגוד לרוב האברונים בתא, למיטוכונדריה יש דנ”א עצמאי. מקורו המשוער של דנ”א זה ביצור חד-תאי קדום אשר פיתח סימביוזה (יחסי גומלין) עם תא ממקור ארכאי (אשר ייתכן שכבר היה בעל גרעין ואברונים).
מה השאלה? כיצד פועלת ומבוקרת המערכת הגנטית במיטוכונדריה של צמחים שחיונית להתפתחותם?
“למיטוכונדריה בצמח יש מערכת גנום מורכבת אשר משמשת מודל חשוב להבנת מנגנוני בקרה של ביטוי גנים, גם באורגניזמים אחרים ובהם בני אדם. ביטויו של הגנום המיטוכונדריאלי בצמחים מורכב מאוד, בעיקר ברמת הרנ”א (מולקולה אשר מעבירה את המידע הגנטי הדרוש לבניית חלבונים שחיוניים לתפקוד התאים). במחקרנו אנו מנסים להבין כיצד ומתי הגנים במיטוכונדריה הצמחית מתבטאים ובאילו נסיבות ביטויים מבוקר”, מסביר פרופ’ אורן אוסטרזצר-בירן מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית בירושלים.
אחד התהליכים החיוניים לביטוי הגנום המיטוכונדריאלי בצמח (בדומה לגנום הגרעיני) קרוי שחבור (Splicing); בתהליך זה מולקולות רנ”א המקודדות ישירות מהדנ”א עוברות עיבוד שבו הן נחתכות, כך שמקטעים מסוימים (הקרויים אינטרונים) מוצאים מהן. כך, המקטעים הנותרים מחוברים זה לזה ליצירת מולקולות רנ״א בוגרות הצופנות את המידע הדרוש לבניית חלבונים. אם תהליך זה נפגע, מולקולות הרנ”א לא יכולות למלא את תפקידן.
אומר פרופ’ אוסטרזצר-בירן: “באמצעות אפיון השחבור המיטוכונדריאלי בצמחים אנחנו למדים על האופן שבו הוא נעשה ברמה המולקולרית (מידע שרלוונטי גם למערכות שחבור מורכבות מאוד שקיימות בגרעיני התאים של צמחים, בעלי חיים ובני אדם), ועל האבולוציה של תהליך זה בטבע. כלומר, המיטוכונדריה בצמחים משמשת עבורנו מודל ייחודי להבנת הבקרה של ביטוי הגנום. שכן, גנים שכוללים אינטרונים אינם יכולים לתפקד.
“בנוסף, אם נבין לעומק את מנגנוני השחבור והבקרה של ביטוי הגנום במיטוכונדריה הצמחית, נוכל אולי לרתום מידע זה לפיתוח כלים גנטיים וביולוגיים לתועלת האדם, בתעשייה, חקלאות וסביבה. לדוגמה, נוכל לכוון נביטה, גדילה והתפתחות של צמחים באופן מיטבי. לחלופין, נוכל אולי לעכב התפתחות של צמחים מזיקים, למשל כאלו המתחרים עם גידולי מזון בשדות חקלאיים או אצות שמפרישות רעלנים למי שתייה”.
באחד ממחקריהם האחרונים ביקשו פרופ’ אוסטרזצר-בירן וצוותו לאפיין גנים וחלבונים שמבקרים את השחבור במיטוכונדריה ולקבוע את מנגנון פעולתם. “כאמור, המיטוכונדריה היא מערכת גנטית מורכבת ומבוקרת היטב, אך אנחנו עדיין לא יודעים כיצד פועלת בה בקרת הביטוי הגנטי ברמה המולקולרית. לכן ביקשנו להבין מהו המנגנון שבו גנים פועלים במיטוכונדריה – מהו תפקידם המדויק וכיצד הם מבצעים אותו בשחבור (הסרת המקטעים העודפים). בנוסף רצינו להבין אם הם חיוניים לתהליכים נוספים בצמחים, כמו בקרה של מערכת הנשימה. גם על תהליך זה המיטוכונדריה אחראית בשל ייצור האנרגיה התאית והוא כמובן חיוני להתפתחות הצמחים. כמו אצל כלל האורגניזמים ובבני אדם, אם תהליך הנשימה נפגע, צפויה פגיעה בהרבה מערכות פיזיולוגיות. מכאן שחשוב מאוד להבין כיצד פועלים הגורמים שאחראים עליו”, מסביר פרופ’ אוסטרזצר-בירן.
במסגרת המחקר, שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע, בחנו החוקרים צמחי מודל כגון תודרנית לבנה, טבק ועגבנייה בשיטות מולקולריות, גנטיות (ריצוף דנ”א ורנ”א) וביוכימיות (סקירת החלבונים ומרכזי הנשימה במיטוכונדריה). הם גידלו את הצמחים בתאי גידול מבוקרים ועקבו אחר התפתחותם – נביטה, צמיחה, פריחה והיווצרות פרי. כלומר התבצע מעקב אחר הגנים והחלבונים מרמת הביטוי שלהם ועד רמת האברון וההשפעה על הפיזיולוגיה של הצמח.
כדי לאפיין גנים וחלבונים שמעורבים בשחבור במיטוכונדריה ולקבוע את תפקידם, החוקרים פגעו בהם ולאחר מכן וידאו שתהליך השחבור השתבש. כך גילו כי תפקידו של אחד החלבונים מתבטא בהיקשרותו לאזור ספציפי במולקולות הרנ”א. באופן זה מגויסים אנזימים שמסירים מהרנ”א את המקטעים העודפים ומאפשרים היווצרות של מולקולות רנ״א בוגרות, שכאמור צופנות את המידע הדרוש לבניית חלבונים.
“מצאנו גן שהחלבון שנוצר ממנו נקשר לקצה של מולקולות הרנ”א וכך קובע את הנקודה שבה מסתיים התעתיק לצורך המשך תהליך השחבור. בהיעדר חלבון זה, מולקולת הרנ”א מעוכלת כולה על ידי אנזים חיתוך (אקסונוקלאזה). כלומר, הצלחנו להבין את המנגנון שבו החלבון פועל ומבקר את יציבות מולקולת הרנ”א ואת המשך עיבודה למולקולת רנ”א בוגרת. בנוסף לכך אפיינו גנים וחלבונים רבים נוספים הנחוצים בשחבור, אך אנחנו עדיין לא יודעים אילו תפקיד בדיוק הם ממלאים וממשיכים לחקור זאת. אך לעצם גילויים חשיבות רבה בהבנת התהליך ומשמעותו בבקרה על ביטוי גנטי בצמחים, נשימתם והתפתחותם”, מסביר פרופ’ אוסטרזצר-בירן.
במקרים רבים, כאשר פגעו החוקרים בביטוי של החלבון במיטוכונדריה, גילו כי נוצר עודף מולקולות אר-או-אי ראשוניות, וכך נפגע תרגומם של הגנים לחלבונים וניזוקה הרכבת הקומפלקסים החלבוניים בממברנת המיטוכונדריה שחיונית לייצור הנשימה התאית.
במקרים רבים, כאשר פגעו החוקרים בביטוי של החלבון במיטוכונדריה, גילו כי נוצר עודף מולקולות רנ”א ראשוניות (שאינן מעובדות כהלכה), וכך נפגע תרגומם של הגנים לחלבונים וניזוקה הרכבת הקומפלקסים החלבוניים בממברנת המיטוכונדריה שחיונית לייצור הנשימה התאית. כך נפגע תהליך הנשימה בצמחים – קליטה של חמצן ופליטה של פחמן דו-חמצני – מה שהוביל לקריסת תאים ופגיעה בהתפתחותם של הצמחים.
“ניתן לומר כי המחקר, שמתמקד באפיון השחבור במיטוכונדריה של הצמח, תורם להבנת הבקרה של ביטוי הגנים במיטוכונדריה, שמשפיעה גם על בניית מערכת הנשימה וההתפתחות. אנו סבורים כי ממצאים אלו תקפים לצמחים ולכלל האורגניזמים”, מסכם פרופ’ אוסטרזצר-בירן.
החיים עצמם:
פרופ’ אורן אוסטרזצר-בירן, 57, בזוגיות + שני ילדים (25, 20), מתגורר בשוהם. שני ילדיו גויסו במלחמת “חרבות ברזל”. גם הוא גויס לצוות כוננות אזורי בשל עברו הצבאי. בימים כתיקונם אוהב לבנות ולשפץ אופני הרים ולרכוב עליהם.
עוד בנושא באתר הידען:
