מה ניתן ללמוד מבני כלאיים על האבולוציה?

יצורים בני כלאיים ריתקו את דרווין כל ימי חייו. העובדה שמינים קרובים מסוגלים ליצור צאצאים משותפים, בעלי תכונות של שניהם, אבל בדרך כלל אינם מסוגלים להתרבות ולהעביר את התכונות האלה לדור שלישי, הייתה בעיניו הוכחה נוספת לתיאוריה שהמינים מתרחקים זה מזה בהדרגה. עכשיו, 200 שנה לאחר הולדתו של דרווין, בוחנים מדעני מכון ויצמן למדע, באמצעות אורגניזמים בני כלאיים, מה גורם למין אחד להיות שונה מהשני ומה קורה בבני כלאיים.

דרווין לא שמע על גנים כאשר הציע את תיאוריית האבולוציה בספרו "מוצא המינים". עכשיו, לאחר פיענוח הצופן הגנטי, מתברר שמוטציות גנטיות אחראיות רק לחלק מההבדלים בין המינים. רוב ההבדלים נובעים מהדרך שבה הגנים האלה מתבטאים - "נקראים" - כדי ליצור את החלבונים שהם מקודדים. כיצד ההבדלים האלה מתפתחים באבולוציה?

פרופ' נעמה ברקאי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית, פרופ' אבי לוי מהמחלקה למדעי הצמח, ותלמידי המחקר איתי תירוש ושרון ריכב, מצאו שדרך אחת לחקור את ההבדלים בין שני מינים של שמרים היא לאחד את החומר הגנטי שלהם ביחד, וליצור שמר היברידי, כלומר בן כלאיים. ממצאי מחקרם פורסמו באחרונה בכתב העת Science.

כמו בתאי האדם, תאי השמרים ההיברידיים הם בעלי שתי מערכות גנים ("אללים"), אחת מכל הורה. מי מרצפי הדנ"א הממלאים תפקיד בהתבטאות הגנים יהיה שונה בין בני כלאיים שונים, והיכן הם ממוקמים בגנום? האם הם קשורים באופן פיסי לגן ("ציס"), כמו המקטעים המאתחלים ("פרומוטורים") שפועלים כמתגי הפעלה גנטיים? או שמא הם ממוקמים במקום מרוחק בגנום, ומשפיעים ממנו ("טרנס")?

באמצעות טכניקה שפיתחו לזיהוי התבטאות של אללים בודדים בחנו המדענים דפוסי ביטוי בבני הכלאיים, והישוו אותם לאלה של הוריהם. כשההבדלים בין ההורים נשמרו בשמר ההיברידי, הסיקו המדענים שהגורם המבדיל קשור פיסית לגן המושפע ("ציס"). גורמים אלה משפיעים רק על האלל שאליו הם קשורים. אבל, אם דפוסי ההתבטאות היו שונים בין הורה להורה והפכו לזהים בשמר ההיברידי, הסיקו המדענים כי גורמי ה"טרנס", הממוקמים במקום אחר בגנום, אחראיים להבדל (גורמים אלה משפיעים על שני האללים).

המדענים מצאו שגורמים מסוג "ציס" הקשורים פיסית לגנים המושפעים עברו יותר שינויים אבולוציוניים: הם היו אחראיים ליותר הבדלים בתהליכי התבטאות הגנים, בהשוואה לגורמים הממוקמים רחוק מאיזור ההשפעה ("טרנס"). גורמים מסוג "ציס" לא הושפעו לכאורה מהדרך שבה השמרים גודלו. לעומת זאת, גורמי ה"טרנס" היו רגישים לסביבת שבה גדלו השמרים (ניכרו הבדלים משמעותיים בין גידול בתנאים טובים לבין גידול בתנאי מצוקה).

עוד נמצא, כי גורמי ה"טרנס", המרוחקים מהאיזור שעליו הם משפיעים, נוטים להתמקם בגנום באזורים שפרופ' ברקאי וחברי קבוצת המחקר שהיא עומדת בראשה זיהו בעבר כפתוחים במיוחד לשינוי אבולוציוני.

הקורלציה הגבוהה בין גורמי "ציס" בתנאים שונים (צבעים אדומים) מעידה על חוסר רגישות יחסי לתנאי הסביבה, לעומת גורמי ה"טרנס" (קורלציה נמוכה, צבעים כחולים) שהם רגישים יותר לשינויים סביבתיים (צילום: מכון ויצמן)

התקשורת אשמה

ישנם מספר גדול של גורמי "טרנס" בגנום - מגורמי השיעתוק שנקשרים ישירות אל הגנים ועד לקולטנים שקולטים מידע המגיע אל התא מהסביבה. מי מהם עבר שינוי? בהמשך המחקר הופתעו המדענים לגלות, שהשינויים הנפוצים ביותר היו בגורמים העוסקים בחישת הסביבה והעברת המידע הזה אל הגנים. במילים אחרות, התגובה של האבולוציה לתנאים משתנים הייתה כיוון מנגנוני התקשורת של התא עם סביבתו. שוב הוכח שהתקשורת אשמה.

המדענים הבחינו בכך, שהשמרים ההיברידיים התאימו לתיאור של דרווין על אורגניזמים שמרוויחים מהיותם בני-כלאיים (הם גדלו מהר יותר מהוריהם), והציעו הסברים לתופעה. הסבר אפשרי אחד מבוסס על העובדה, שגורמי "ציס" ו"טרנס" משלימים לעיתים זה את זה (גורם "ציס" חלש בגן אחד עשוי ללוות גורם "טרנס" חזק, ולהיפך). במקרים מסוימים, שילוב של "ציס" ו"טרנס" חזקים באלל השני עלול לגרום לביטוי יתר בגן. במצב כזה, המדענים ציפו למצוא אלל אחד בעל רמת ביטוי גבוהה במיוחד. זה, אכן, היה המצב ב-20% מהמקרים. בשאר המקרים היו שני האללים בעלי רמות ביטוי דומות, אבל בכל זאת מעבר לטווח של ההורים.

להפתעתם, כאשר זיהו את הגנים שפועלים ברמת ביטוי מוגברת כתוצאה מהכלאה בין שני מיני השמרים, גילו המדענים שמדובר בעיקר בגנים הממלאים תפקיד בנשימה - התהליך בו משתמשים השמרים בסוכר ולעיתים גם בחמצן כדי לייצר אנרגיה. המינים הטהורים ממעטים להשתמש בחמצן. הם שמרו על הגנים הנחוצים לנשימה, אבל הפחיתו את הביטוי שלהם באמצעות גורמי "טרנס". כנראה, השילוב בין שני המינים גרם לגנים האלה "לצאת מהמחתרת" ולהגביר את רמת הפעילות של מנגנון הנשימה. ייתכן שפעילות זו תרמה להאצה בגידול.

המנגנונים לדפוסי ביטוי גנטיים חדשים בבני תערובת עשויים להסביר הבדלים שונים בין בני הכלאיים להוריהם. רוב בני הכלאיים הם עקרים ואינם מסוגלים להתרבות (לדוגמא פרד, שהוא בן כלאיים של חמור וסוס). אבל, ישנם מינים שמסוגלים להתרבות בשיטות אחרות, והכלאת הגנום עשויה להוות דרך נוחה להשגת תכונות גנטיות חדשות במהירות. פרופ' לוי: "השמר משרת אותנו כדוגמא נפלאה שעוזרת לנו להבין איך גנומים שמתרחקים זה מזה פועלים באורגניזמים מורכבים. עכשיו אנחנו מתכוננים ליישם את מה שלמדנו מהשמרים בחיטת הלחם - מין שמכיל גנומים שונים מאוחדים בגרעין אחד".