חוקרות מהטכניון גילו כיצד שינויים ברצפי בקרה גנטיים יכולים להוביל לשינויים במבנה הגוף, גם כאשר מערכות הבקרה של הגנים יציבות ועמידות לשינויים
חוקרות בטכניון גילו כיצד שינויים ברצפי בקרה גנטיים יכולים להוביל לשינויים בצורה ובמבנה של בעלי חיים במהלך האבולוציה, גם כאשר מערכות הבקרה הגנטיות יציבות ועמידות לשינויים. את המחקר, שהתפרסם בכתב העת Science Advances, הובילו ד"ר אלה פרגר־בן נון והדוקטורנטית אריג' סייד־אחמד מהפקולטה לרפואה ע"ש רות וברוך רפפורט בטכניון.
אובדן של תכונות מורפולוגיות הוא תופעה נפוצה במהלך האבולוציה. דוגמאות מוכרות לכך הן אובדן הרגליים בנחשים ואובדן העיניים בדגי מערות החיים באפלה. במקרים רבים, שינויים כאלה אינם נובעים מאובדן הגנים הדרושים להתפתחות התכונות, אלא משינויים באופן שבו הגנים מופעלים בזמן ההתפתחות.
הפרדוקס: מערכת יציבה שמאפשרת שינוי
במרכז המחקר עומדת שאלה יסודית בביולוגיה: כיצד משתנה צורתם של יצורים לאורך האבולוציה, על אף קיומן של מערכות בקרה גנטיות יציבות. מערכות אלה נשענות על רצפי DNA הנקראים אנהנסרים (Enhancers), המפעילים גנים בזמן ובמקום מדויקים במהלך ההתפתחות.
אנהנסרים שונים יכולים לפעול לעיתים באופן חופף. לכן, אם אחד מהם נפגע, אחרים יכולים לגבות את פעילותו ולשמור על ביטוי תקין של הגן. תכונה זו מעניקה למערכת הבקרה יציבות ועמידות לשינויים. אולם היא יוצרת גם פרדוקס אבולוציוני: כיצד בכל זאת מתרחשים שינויים בביטוי גנים, המובילים לשינויים בצורה ובמבנה של איברים?
כדי להתמודד עם השאלה הזאת התמקד המחקר בזבובי דרוזופילה, ובמיוחד במין Drosophila sechellia. במין זה נעלמו במהלך האבולוציה שערות זעירות, הקרויות trichomes, מגוף הזחל. תכונה זו נשלטת על ידי הגן shavenbaby, שביטויו מבוקר על ידי כמה אנהנסרים.
ארבעה אנהנסרים, ארבע דרכים שונות לאובדן פעילות
בניגוד לציפייה שמערכת בקרה מרובת אנהנסרים תגן על ביטוי הגן מפני שינויים, החוקרות מצאו כי ארבעה אנהנסרים שונים איבדו את פעילותם במהלך האבולוציה. כל אחד מהם איבד את פעילותו בדרך אחרת.
באמצעות ניתוח מפורט של רצפי DNA וניסויים פונקציונליים הראו החוקרות כי אובדן הפעילות של האנהנסרים התרחש באמצעות כמה מנגנונים מולקולריים שונים. בין המנגנונים שנמצאו: מחיקה של רצפים חיוניים, אובדן אתרי קישור לפקטורי שעתוק, רכישת פעילות מדכאת, ואף חשיפה של דיכוי שהיה קיים קודם לכן.
כלומר, אותה תוצאה אבולוציונית — אובדן ביטוי של הגן shavenbaby באזורים מסוימים — הושגה דרך מסלולים מולקולריים שונים בתוך אותו אזור גנומי. בעקבות זאת פחת ביטוי הגן, והשערות הזעירות נעלמו מחלקים מגוף הזחל.
יציבות אינה בהכרח מחסום לאבולוציה
הממצאים מראים כי אותה תוצאה אבולוציונית יכולה להתקבל בדרכים שונות. ריבוי האנהנסרים, שנועד לשמור על יציבות ביטוי הגן, יוצר גם נקודות תורפה שבהן מוטציות יכולות להפחית את פעילות מערכת הבקרה.
המחקר מדגים כי יציבות ביולוגית אינה בהכרח מחסום בפני שינוי אבולוציוני. להפך, גם מערכת שנראית עמידה ומגובה יכולה להשתנות כאשר כמה רכיבים בה נפגעים בדרכים שונות. תובנות אלה רלוונטיות למגוון רחב של מערכות ביולוגיות, משום שרצפי בקרה גנטיים ממלאים תפקיד מרכזי בהתפתחות של בעלי חיים רבים.
המחקר מעמיק את ההבנה כיצד מתעצבת שונות בצורה ובמבנה של יצורים בטבע. הוא גם מדגיש כי האבולוציה אינה תלויה תמיד בשינוי בגנים עצמם. לעיתים, שינוי במתגים הגנטיים שמפעילים את הגנים, בזמן ובמקום הנכונים, מספיק כדי ליצור הבדל ניכר במבנה הגוף.
FAQ קצר
מה בדק המחקר?
המחקר בדק כיצד שינויים ברצפי בקרה גנטיים יכולים לגרום לשינויים בצורה ובמבנה של בעלי חיים במהלך האבולוציה.
מהם אנהנסרים?
אנהנסרים הם רצפי DNA שמפעילים גנים בזמן ובמקום מדויקים במהלך ההתפתחות.
מה היה הממצא המרכזי?
החוקרות מצאו כי ארבעה אנהנסרים של הגן shavenbaby איבדו פעילות בדרכים שונות, ויחד תרמו לאובדן שערות זעירות בזחלי Drosophila sechellia.
מדוע המחקר חשוב?
הוא מראה שגם מערכות בקרה גנטיות יציבות יכולות להשתנות במהלך האבולוציה, וכי שינוי במתגים הגנטיים של הגנים עשוי להספיק כדי לשנות את מבנה הגוף.
עוד בנושא באתר הידען:
