"כל תגלית על אי קולי תקפה בהכרח גם לפילים", צוטט באומרו ז'אק מונו, הביולוג הצרפתי חתן פרס נובל לשנת 1965, שגילה מערכת בקרה גנטית בחיידקי אי קולי. בהנחה שמונו צדק, כיצד ייתכן שהמידע הגנטי בחיידקים מאורגן באופן שונה כל-כך מאשר בפילים, בטווסים או בבני-אדם?
שיטת ארגון המידע הגנטי בחיידקים מכונה "חרוזים על חוט": גנים המשתתפים באותו תהליך ביולוגי-תאי מאורגנים בזה אחר זה לאורך גדיל הדי-אן-אי - בדומה למחרוזת תפילה - ומהווים יחידה פונקציונלית אחת שזכתה לשם "אופרון" (operon). בעת הצורך, גנים אלה עוברים יחדיו שעתוק ויוצרים מולקולת אר-אן-אי שליח אחת ארוכה. "השיטה הנהוגה בחיידקים לארגון המידע הגנטי היא דרך מצוינת להבטיח ביטוי של הגנים הנכונים בזמן הנכון", מסביר פרופ' ג'פרי גרסט מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע את יתרון האופרון.
3 צפייה בגלריה
פרופ' ג'פרי גרסט וד"ר רוהיני נאיר. יתרון האופרון
(צילום: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן למדע)
ואולם, בניגוד לחיידקים, שהינם יצורים פרוקריוטיים, כלומר חסרי גרעין תא ואברונים מובחנים, אורגניזמים איקריוטיים - משמרים ועד בני-אדם - מאחסנים את המידע הגנטי שלהם בגרעין התא. בשונה מהאופרונים החיידקיים המסודרים היטב, בגרעין התא מפוזרים הגנים על-פני כרומוזומים שונים, לעתים ללא סדר או היגיון נראים לעין. כיצד, אם כך, מתבטאים גנים הנדרשים לאותו תהליך תאי, אך נמצאים על-גבי כרומוזומים שונים? "בהשוואה לסידור החיידקי הפשוט יחסית, צורת הארגון הגנטי באיקריוטים כאוטית משהו. לכן חייב להימצא הסבר מנגנוני שאִפשר לצורות חיים אלה להתפתח ולשגשג למרות הבלגן כביכול", מוסיף פרופ' גרסט.
כדי לאתר את המנגנון הזה, נעזרו פרופ' גרסט וצוות מחקר בהובלת החוקרת הבתר-דוקטוריאלית ד"ר רוהיני נאיר ותלמיד המחקר דאז, ד"ר דמיטרי זבז'ינסקי, בשמר האפייה - חד-תא איקריוטי אשר מצוי בשימוש האדם כבר שנים רבות – לא רק בהכנה של מאפים מנחמים ומשקאות משכרים, אלא גם כמודל למחקר של תהליכים תאיים השמורים מבחינה אבולוציונית. צוות המחקר השתמש בשיטה שפותחה בעבר במעבדתו של פרופ' גרסט ללכידת מולקולות אר-אן-אי באמצעות שיקוע חלבונים הנקשרים למולקולות אלה בעוזבן את גרעין התא. כך הצליחו החוקרים לאתר לראשונה צרורות של מולקולות אר-אן-אי, שמקור כל אחת מהן בכרומוזום אחר אמנם, אך הן היו מיועדות לעבור תרגום לחלבונים המשתתפים באותו תהליך ביולוגי. "קראנו לצרורות אלה 'טרנספרונים' (transperons) – מולקולות אר-אן-אי שמקורן בכרומוזומים שונים, אך מתפקדות כמעין יחידה פונקציונלית אחת, בדומה לאופרון החיידקי", מסביר פרופ' גרסט.
3 צפייה בגלריה
טרנספרונים בפעולה: שני תאי שמר המבטאים כל אחד שתי מולקולות אר-אן-אי שליח שונות (מסומנות באדום ובירוק), שמקורן בכרומוזומים שונים. מולקולות אלה חוברות זו לזו (בצהוב) והן יתורגמו לשני חלבונים המשתתפים באותו תהליך ביולוגי
(איור: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן למדע)
במטרה להעמיד את היפותזת הטרנספרון למבחן, חשפה ד"ר נאיר את תאי השמר לתנאי חום חריגים כדי לעורר בהם "תגובה לעקת חום" – תהליך תאי אוניברסלי שמעורבים בו כמה חלבונים שונים. הממצאים תאמו את ההשערה: מולקולות האר-אן-אי שליח הנושאות את ההוראות ליצירת חלבוני עקת החום, התקבצו יחדיו ליצירת טרנספרון.
יותר מכך, החוקרים גילו כי כדי לייצר את צרור האר-אן-אי הנדרש להתמודדות עם חום, תאי השמר שינו את מבנה הדי-אן-אי שלהם כך שהגנים הרלוונטיים הנמצאים על כרומוזומים שונים, יהיו קרובים פיסית זה לזה. בדרך זו, משערים החוקרים, תאים איקריוטיים מוודאים שהגנים המעורבים בתהליך מסוים ישועתקו פחות או יותר באותו הזמן וימצאו עצמם באותו צרור אר-אן-אי. "כאשר שיבשנו את פעולת החלבונים המסייעים לקבץ יחדיו את מולקולות האר-אן-אי, הן התנתקו מן הצרור והתהליך התאי שאליו היו מיועדות נפגע", מוסיף פרופ' גרסט.
3 צפייה בגלריה
תרשים סכמטי של האופרון החיידקי (למעלה) אל מול הטרנספרון האיקריוטי (למטה). לפי החוקרים, במקום "חרוזים על חוט" התפתח במהלך האבולוציה מעין משחק "שבץ-נא" גנטי המאפשר להשתמש באותן ה"אותיות" – כלומר מולקולות אר-אן-אי שליח שמקורן בגנים הממוקמים על כרומוזומים שונים – כדי ליצור "מלים" שונות, כלומר טרנספרונים שונים
(איור: מסע הקסם המדעי, מכון ויצמן למדע)
ממצאים אלה מצביעים על האפשרות שתאים איקריוטיים פיתחו במהלך האבולוציה מעין משחק "שבץ-נא" גנטי: הם משתמשים באותן ה"אותיות" – כלומר מולקולות אר-אן-אי שליח שמקורן בגנים הממוקמים על כרומוזומים שונים – כדי ליצור "מלים" שונות, כלומר טרנספרונים שונים. כך יכלו היצורים האיקריוטיים להרחיב את הרפרטואר התפקודי שלהם ולהתפתח לכדי צורות חיים מורכבות – מפטריות ועד בני-אדם – ובה-בעת לשמר מידה מסוימת של בקרה על תהליכים אלה בדומה לאבותיהם החיידקיים הקדומים.
אם כך, קביעתו של מונו על פילים וחיידקים הייתה אולי מעט מוגזמת, אך כעת נראה כי לפילים, כמו ליצורים מפותחים אחרים, אכן יש מקבילה למנגנון האופרון החיידקי.
הכתבה פורסמה ב"מסע הקסם המדעי", של מכון ויצמן למדע
