זה כאילו הצוואר הארוך של הג’ירפה עובר לברווז -העברה רוחבית של גנים

ברמות החד תאיות – חיידקים וארכיאות (חיידקים ‘עתיקים’) – העברת גנים בין מינים שונים לחלוטין היא עניין שבשגרה, אומר פרופ’ פיטר גוגרטן מאוניברסיטת קונטיקט שהגיע לארץ במלגת פולברייט למחקר משותף עם ד”ר אורי גופנה מאוני’ ת”א

התפיסה הקלאסית של הגנטיקה היא שיצורים מעבירים מדור לדור את מה שירשו מהוריהם ברמה זו או אחרת של דיוק, ורק דיוק זה מייצר את השונות הדרושה להתאמה לסביבה או לחיסול בידי הברירה הטבעית. תפיסה זו מוטעית משום שהיא מסתמכת על ההנחה שרביה מינית או רביה בחלוקה (בעיקר אצל צמחים ובעלי חיים פחות מפותחים) היא הדרך היחידה של הטבע להעביר גנים מדור לדור. ברמות החד תאיות – חיידקים וארכיאות (חיידקים ‘עתיקים’) – העברת גנים בין מינים שונים לחלוטין היא עניין שבשגרה.

פרופ’ פיטר גוגרטן, מנהל מעבדת הביואינפורמטיקה ופרופסור לביולוגיה מולקולארית באוניברסיטת קונטיקט סיים לאחרונה שהות של חצי שנה בשבתון במחלקה לביולוגיה באוניברסיטת תל-אביב, במסגרת תכנית פולברייט היוקרתית, המנוהלת בישראל ע”י קרן חינוך ארה”ב-ישראל. יחד עם ד”ר אורי גופנא מאוניברסיטת ת”א הוא חקר כיצד עוברות תכונות חדשות לארכיאות, שהיו קודם קיימות אצל ארכיאות או חיידקים רחוקים גנטית מהם.
“עד שנות התשעים נטו לחשוב שגם אם היו פה ושם העברות רוחביות של גנים, הרי הם היו בתחילת היווצרות החיים אבל בעקרון מרבית האבולוציה של חיידקים ומיקרואורגניזמים בכלל היא אנכית – דמוית עץ. תאים מתחלקים והאבולוציה נמשכת רק באמצעות הצטברות מוטאציות. התפיסה מאוד השתנתה כשהבינו שמקטעי DNA יכולים לעבור מחיידק אחד לשני גם אם ממינים מרוחקים זה מזה. זה כאילו הצוואר הארוך של הג’ירפה עובר לברווז.”

הרחבת מודל עץ החיים
תופעת חילופי רוחב של גנים בין יצורים ממינים שונים מחייבת הרחבת מודל עץ החיים, ומשפיעה על מושג האורגניזם ואבותיו המולקולריים הקרובים ביותר ומספקת דוגמאות של ברירה טבעית הפועלת במספר רמות. חילופי גנים, בין אם בשיטה של העברת גנים רוחבית, מיזוג (היברידיזציה) של מינים, או סימביוזה הופכת את עץ החיים למעין רשת.”

“דארווין הציע לצייר את עץ החיים במבנה של אלמוג, שבו הענפים החיים על פני השטח נתמכים בידי מסה של ענפים מתים. בעצים פילוגנטיים, קווי החיים המולוקולריים של האורגנזימים מתמזגים אחרונית לאב קדמון בר מזל שצאצאיו נמצאים בשושלות הנוכחיות שהתקיימו במקביל לשושלות שנכחדו. חילופי הגנים הרוחביים מסבכים את שיחזורו של האב הקדמון. גנים או הגנום כולו יכולים להשתייך להסטוריות אבולוציוניות שונות, ואפילו העברות לא תדירות של גנים יגרמו לשושלות מולקולריות שונות להתמזג לאחר שאבותיהם המולקולריים התקיימו אצל שושלות חיות שונות בזמנים שונים.”

“למרבה הצער אנו רואים שיצורים יכולים לרכוש בבת אחת תכונות הנדרשות להן לחיות בסביבה המשתנה, כמו למשל עמידות לאנטיביוטיקה שיכולה לעבור בין אורגניזמים רחוקים זו מזה. ההעברה נעשית פשוט באמצעות צירוף מקטע DNA המקודד יכולת זו בין חיידקים ממינים שונים.

אחד התפקידים של ההעברה האנכית של גנים היא היכולת לקבל צרופים מטבוליים חדשים כשגנים שהיו מעורבים במסלול אחד, הופכים למעורבים במסלול מטאבולי אחר. אחד הנתיבים שגילינו שהועבר בדרך זו – היכולת של מיקרו אורגניזם לחיות מייצור של מתאן, אצל הארכיאה המתנוגנים, האחראית לייצור 40% מהמתאן בכדור הארץ. ישנן ארכיאות המייצרות מתאן מתוך חומצה אצטית. הן יכולות לעשות זאת משום שקיבלו גנים שהם מקבוצת חיידקים מרוחקת מהם קלסטירדיה, כשהגנים הללו הצטרפו לגנים הקדומים לייצור מתאן (ממימן ו-(CO2 החלו הארכיאות הללו לייצר את המתאן באופן יעיל בהרבה. חיידקים (בקטריה) ארכיאה ואאוקריה (הקבוצה אליה משתייכים החד תאיים המורכבים יותר, וכן כל שאר היצורים הרב תאיים(– הן קבוצות רחוקות אבולוציונית שנפרדו לפני מיליארדי שנים – ההבדל בין עופות ליונקים קטן בהרבה.

גם תכונות בסיסיות נוספות הגיעו אלינו בדרך זו – הפוטוסינתיזה למשל. גן מציאנובקטריות שבהן פעל מנגנון אחד של פוטונסיתיזה פרימיטיבית התמזג בתוך ציאנובקטריה ממשפחה אחרת שהיה לה מנגנון שני. המפגש הזה יצר מנגנון יעיל יותר שבו השתמש היצור במוקולות מים כדי לתרום אלקטרון ולייצר חמצן. המפגש הזה הוליד את האטמוספירה העשירה בחמצן כפי שאנו מכירים אותה היום ושינה את מסלול החיים.

המחקר בישראל- טפיל מולקולרי החודר לגנים בסיוע של אנדונוקלאזות מתבייתות

בעוד ד”ר גוגרטן חוקר את כל טווח העברת הגנים בין יצורים שונים: תפקידם בהסטוריה העתיקה של האבולוציה, ותהליכים טבעיים המתקיימים כיום, במחקר המשותף עם ד”ר גופנא באוניברסיטת תל אביב מייצרים השניים שונות זו במעבדה וחוקרים את השלכותיה. הם חוקרים טפיל מולקולרי המכונה אינטאין (intein), החודר לגנים בסיוע של אנדונולקאזות (אנזימים שיודעים לחתוך DNA) מתבייתות (homing endonuclease).

“הטפילים הללו מהווים דוגמאות מצוינות לתפיסת הגן האנוכי של ריצ’ארד דוקינס – כלומר לרעיון שיש לחשוב על הגנים היחידת ברירה טבעית בפני עצמם. לגנים אלה יש מחזור חיים משלהם הכולל חדירה, התבייתות והתמקמות באתר היעד, דעיכה ואבדן.

שאלת המחקר שאני ועמיתי בת”א (לרבות אורי גופנא, לילך הדני, עדי ברזל ואחרים) היא באילו תנאים יכולים גנים טפיליים אלה להתקיים באוכלוסיה ספציפית. לדוגמה הגן האינדיבידואלי עדיין עוקב אחר מחזור החיים שלו, אך ריכוז הפעילות הטפילית הגיע לשיווי משקל”.

ד”ר גופנא מסביר, “הקבוצה של גוגרטן ועמיתיו מאוניברסיטת תל אביב חוקרת את הגנים הטפיליים בארכיאה שבודדה מים המלח. האנזימים הללו יוצרים חתך ב-DNA. כאשר האורגניזם ניגש לתיקון החתך הוא מעתיק תוך כדי התהליך את המקטע הזר והיישות הטפילית נכנסת לגנום החדש.

האנזים הזה לא יכול חתוך ביותר מדי מקומות כי אחרת הוא יהרוג את היצור, למשל הוא לא יכול להכנס באמצע גן, כי הוא יפריע לפעילותו ואז הטפיל ימות יחד עם המארח. כדי לפתור את הבעיה הם נכנסים רק בתוך מרכיב ב-DNA המכונה אינטרון או אינטאין. הגנים הטפילים הללו מוכרים גם מפעילות בחד-תאיים אחרים: בנוסף לארכיאות גם בחיידקים ובמיטוכונדריות של יצורים אאוקריוטיים. אנו מנסים לרפא את הארכיאון הזה מהטפיל ולראות מה יהיו ההשפעות. עד כה לא נעשה הדבר בשום יצור, ואנו מקווים שנוכל למצוא את התנאים שבהם נוכל לראות השפעה לחיוב או לשלילה של הסרת הטפיל על הארכיאון”.

“בשלב ראשון בחנו זן שאינו מכיל את הטפיל הזה והשווינו את הכשירות האבולוציונית שלו לעומת ארכיאונים אחרים ממינו המכילים את הטפיל, כלומר איזה מהם גדל מהר יותר. לא מצאנו שום השפעה, כנראה שאיננו יודעים מספיק על תנאי הגידול של הארכיאון או לחילופין, הטפיל לא גורם נזק, כשהוא דואג לשכפל את עצמו לדורות הבאים”.

לסיכום אומר פרופ’ גוגרטן כי העברה רוחבית של גנים, כמו גם סימביוזה, מספקת מנגנון לשילוב והרחבת רמת הארגון שבה פועלת הברירה הטבעית, ותורמת לברירה ברמת הקבוצה והקהילה. עבודות נוספות בדרך כוללות השוואת הגנומים של חיידקים, וחקר דרכים למיפוי הנתיב האבולוציוני של הגנים ושל המסלולים המטבוליים לעץ או יותר נכון רשת של החיים.

פרופ’ גוגרטן מתפעל מאיכות החוקרים עמם הוא עובד בת”א. לדבריו כאשר הגיע לישראל הוא הופתע לראות שפעילות הדדית בין קבוצות מתחומים שונים נפוצה מאוד בישראל, “בקבוצה שאני עובד איתה ישנם חוקרים ממדעי הצמח, ממדעי החיים, ממתמטיקה, מדהים לראות כמה קל לאנשים מרקע מדעי שונה ומקבוצות שונות לבצע פרויקט מחקר. באוניברסיטאות אחרות שלא בישראל זה הרבה יותר מסובך, כי קודם כל צריך ליצור קשר בין הפרופסורים אשר היו ממנים נציגים מטעמם ועד שהפרויקט היה יוצא לדרך היה חולף זמן רב. כאן התהליך חלק.”

“אני יותר הסטוריון, שמעוניין להבין איך האבולוציה יצרה את החיים שאנחנו רואים מסביבנו. אני פחות מעשי, לכן מעוניין לעבוד עם סטודנטים שאחר כך יילכו לתחומים כמו הנדסה גנטית ויהפכו את המחקרים הללו ליישומיים”, מסביר גוגרטן.

פרופסור פיטר גוגרטן שהה בישראל במסגרת תכנית פולברייט האמריקאית לחילופי מרצים וסטודנטים. השתתפותה של ישראל בתכנית זו מנוהלת ע”י קרן חינוך ארה”ב-ישראל.

ביקורו של פרוספר גוגרטן באוניברסיטת תל-אביב כעמית תכנית פולברייט התאפשרה תודות למימון משלים שהתקבל מתכנית אדמונד ספרא לביואינפורמטיקה.