אבולוציה בפעולה: שושנת הים – חצי צמח, חצי בעל חיים

במחקר השתתף גם החוקר הישראלי יהוא מורן, שבינתיים חזר לארץ - למעבדה משלו באוניברסיטה העברית מכיוון ששושנת הים מראה דמיון במרכיבי הבקרה הגנטים לזבוב הפירות ולחיות מודל אחרות ואילו התיעתוק שלאחר הבקרה הוא כמו בצמחים, עקרון זה של בקרת גנים מורכבת כבר התקיים באב המשותף של בני האדם, זבובי הפירות ושושנות הים לפני 600 מיליון שנה, אומרים החוקרים

עוד הוכחה לדרכים המעניינות של המחקר בתחום האבולוציה לפענח את עץ החיים סמוך לשורש שלו - הפיצול בין ממלכות הצמחים ובעלי החיים. צוות של חוקרים בראשותו של הביולוג האבולוציוני וההתפתחותי אולריך טכנאו (Ulrich Technau) מאוניברסיטת וינה גילו כי היצור שושנת הים (Sea anemone) שמפגין פעילות כלפי חוץ של צמח, מציג תצורה גנומית ומורכבות של גורמי בקרה הדומים לאלו של זבוב הפירות ובעלי חיים אחרים. משמעות הדבר היא כי עקרון הבקרה על הגנים הוא כבר בן 600 מיליון שנה ומתוארך לאב הקדמון של בני האדם, הזבובים ושושנות הים. עם זאת, שושנות הים דומות יותר לצמחים מאשר לבעלי חוליות או לחרקים מבחינת הבקרה על ביטוי הגנים באמצעות microRNA.

ממצא אבולוציוני מפתיע זה פורסם בשני מאמרים בכתב העת Genome Research. החוקר הראשי של המאמר שעסק ב-microRNA, יהוא מורן, עבד במעבדתו של טכנאו באוניברסיטת וינה במסגרת מחקר בתר-דוקטורט וכיום הוא משמש מרצה בכיר במחלקה לאקולוגיה, אבולוציה והתנהגות באוניברסיטה העברית. מורן עומד בראש קבוצת חוקרים הממשיכה לחקור את התופעה.

הופעתנו החיצונית והדרך בה הגוף שלנו פועל, בנוסף להשפעה סביבתית, הם תוצאה של פעולת הגנים שלנו. ואולם, גנים הם לעיתים רחוקות שחקנים יחידים; הם מתנהגים כמו נגנים בקונצרט ומבקרים זה את פעילותו וביטויו של זה ברשת של בקרה גנטית.

יצור פשוט עם תכולת גנים מורכבת

בעשור האחרון, ריצוף הגנום האנושי וזה של בעלי חיים רבים הראה כי יצורים פשוטים מהבחינה האנטומית כגון שושנות הים מכילים רפרטואר גנטי דומה לזה של בעלי חיים מפותחים יותר. משמעות הדבר היא כי ההבדל במורכבות המורפולוגית לא יכול להיות מוסבר בקלות באמצעות נוכחות או העדר גן זה או אחר. כמה חוקרים משערים כי לא הקוד הגנטי האינדיבידואלי אחראי לתוכניות גוף מורכבות, אלא הדרך בה קודים גנטים מרושתים ומחוברים זה עם זה. בהתאם, החוקרים מצפים כי רשת הגנים תהיה פחות מורכבת ביצורים פשוטים מאשר בבני אדם או בעלי חיים עילאיים אחרים.

מדידת המורכבות של בקרת הגנים יכולה להיות התפוצה והצפיפות של רצפי בקרה בגנים. מוטיבים אלה ב-DNA מכונים "מגבירים" או "מקדמים", והם יכולים לכרוך יחד גורמי תעתיק באופן מיוחד ולרוב מבקרים את ביטוי גני המטרה בתבניות מרחביות וזמניות ייחודיות. "גילוי מוטיבים קצרים אלה באוקיאנוסים של נוקליאוטידים אינו דבר טבעי" מסביר טכנאו, פרופ' במחלקה לאבולוציה מולקולרית והתפתחותית באוניברסיטת וינה.

בעוד הגנים מהווים, במובן מסוים, את המילים בשפה הגנטית, המגבירים והמקדמים משמשים כדקדוק שלה. מרכיבי בקרה אלה קשורים להתאמות אפי-גנטיות ביוכימיות של ההיסטונים, חלבונים השזורים ב-DNA ומרכיבים את הכרומטין.
באמצעות גישה מולקולרית מתוחכמת המכונהchromatin immunoprecipitation הצליחו החוקרים במעבדתו של טכנאו לזהות מגבירים ומקדמים ברחבי הגנום של שןשנת הים, והשוו את הנתונים למרכיבי הבקרה של בעלי חיים מורכבים יותר המשמשים כחיות מודל.

"מכיוון ששושנת הים מראה דמיון במרכיבי הבקרה הגנטים לזבוב הפירות ולחיות מודל אחרות, אנו מאמינים כי עקרון זה של בקרת גנים מורכבת כבר התקיים באב המשותף של בני האדם, זבובי הפירות ושושנות הים לפני 600 מיליון שנה", אומרת מיכאלה שוויגר מצוותו של טכנאו.

בסופו של דבר, ביטוי גנים הוביל ליצירת החלבונים, הגורמים המשפיעים על תפקוד גופינו. בנוסף לבקרת התעתוק של ה-DNA ל-RNA, ביטוי הגנים גם יכול לבצע בקרה שלאחר התעתוק, כאשר ה-RNA כבר נוצר. כאן משחק ה- microRNA תפקיד חשוב. microRNAs הם קטעי RNA המשמשים לבקרה וביכולתם להיצמד ל-RNA המטרה, לדכא את תרגומו או להוביל לניתוקו. בשנים האחרונות זוהו מאות קטעי microRNA בבעלי חיים רבים ולמעלה מאלף מהם בבני אדם. לרבים מהם יש תפקיד חשוב בחילוף החומרים והם חיוניים לתהליך ההתפתחות. מוטציות ב- microRNAs מסוימים נמצאו קשורות למחלות ובהם סוגי סרטן רבים. כלmicroRNA יכול להיצמד למקטעי RNA שונים בהתקשרות ספציפית. "אנו מעריכים כי 30-50% מכל הגנים האנושיים מבוקרים בידי microRNAs" אומר טכנאו. "ואולם מקורם האבולוציוני של ה- microRNAs בבעלי חיים עדיין לא ברור."

בראיון לאתר הידען אומר ד"ר מורן: "המאמר של מיכאלה מראה את האספקטים של בקרת התעתוק המשותפים בין שושנות ים לבעלי חיים אחרים כגון חרקים וחולייתנים, בעוד המאמר שלי מראה מערכת בקרה מבוססת מיקרו רנ"א המשותפת בין שושנות ים לצמחים ומאוד שונה ממערכת הבקרה של המיקרו רנ"א בחיות אחרות, דבר המעיד שהמערכת שאנחנו מוצאים בשושנות הים היא כנראה מאוד עתיקה והיתה קיימת כבר באב הקדמון המשותף עם הצמחים."

"microRNAs התגלו גם בצמחים, אך ההערכה היא שהם הופיעו באופן בלתי תלוי מה- microRNAs של בני האדם. הערכה זו נשענת על העובדה שהם אינם מראים דמיון ברצף, יש להם מסלולים ביגוגנזיים (biogenesis) שונים, וכן הם מראים דפוסי פעולה שונים: microRNAs של צמחים נקשרים רק למספר מטרות מועט והם ספציפים מאוד לרצף, בניגוד לאלו של בעלי החיים. בשיתוף עם חוקרים מארה"ב, נורווגיה וצרפת בודדו החוקרים 87 microRNAs משושנת הים."

"הצלחנו להראות כי microRNAs משושנת הים מציגים את כל המאפיינים הטיפוסיים ל- microRNAs של צמחים: הם תואמים באופן כמעט מושלם ל- RNA המטרה שלהם והם מובילים לפירוק RNA המטרה ולא לעיכובו כמו בבעלי חיים אחרים. החוקרים גם גילו את קיומו של הגֵן HYL-1 בשושנת הים, החיוני לביוגנזה בצמחים ומעולם לא התגלה בבעל חיים אחר. יתרה מכך, כאשר השוו החוקרים את הרצף של ה-microRNAs, הם מצאו כי על כל microRNA הדומה לצמחים היה לפחות אחד שדמה ל- microRNAs של בעלי חיים. ממצא זה מראה לראשונה את הקשר האבולוציוני בין microRNAs של צמחים ובעלי חיים."

לסיכום, בעוד גנום שושנת הים, הרפטואר הגנטי ובקרת הגנים ברמת ה-DNA, דומה באופן מפתיע לאלו של בעלי חוליות, הבקרה שלאחר התעתוק דומה לזו המתרחשת בצמחים ויתכן שהיא מורשת האב המשותף האחרון לבעלי החיים ולצמחים. זהו ההבדל האיכותי הראשון שנמצא בין Cnidaria לבין בעלי חיים עילאיים. ממצאים אלו מספקים תובנה על הדרך שבה רמות חשובות בבקרה גנטית יכולות להתפתח באורח עצמאי במהלך האבולוציה.

לידיעה באתר אוניברסיטת וינה