חידה אבולוציונית רבת שנים נפתרה על ידי חוקרי הטכניון

A. ההתפתחות העוברית מתחילה מתא בודד, המתחלק לתאים רבים. בשלב הגסטרולציה מתרחשת תנועה של תאים, המחלקת אותם לשכבות-הנבט השונות: אנדודרם (ירוק), אקטודרם (כחול) ומזודרם (אדום). מכל שכבת-נבט נוצרות רקמות ספציפיות (מערכת העיכול, למשל, נוצרת מהאנדודרם; העור ומערכת העצבים מהאקטודרם; והשרירים מהמזודרם). B. במהלך האבולוציה, יצורים חד תאיים שהתחילו לקיים חיים שיתופיים ביטאו תכונות של האנדודרם שאנו רואים היום. היצורים הרב תאיים הקדומים ביותר ביטאו רק תכונות אלו, אבל בהדרגה אימצו חלק מהתאים תכונות נוספות. כך נוצר האקטודרם, ומאוחר יותר המזודרם.

A. ההתפתחות העוברית מתחילה מתא בודד, המתחלק לתאים רבים. בשלב הגסטרולציה מתרחשת תנועה של תאים, המחלקת אותם לשכבות-הנבט השונות: אנדודרם (ירוק), אקטודרם (כחול) ומזודרם (אדום). מכל שכבת-נבט נוצרות רקמות ספציפיות (מערכת העיכול, למשל, נוצרת מהאנדודרם; העור ומערכת העצבים מהאקטודרם; והשרירים מהמזודרם).
B. במהלך האבולוציה, יצורים חד תאיים שהתחילו לקיים חיים שיתופיים ביטאו תכונות של האנדודרם שאנו רואים היום. היצורים הרב תאיים הקדומים ביותר ביטאו רק תכונות אלו, אבל בהדרגה אימצו חלק מהתאים תכונות נוספות. כך נוצר האקטודרם, ומאוחר יותר המזודרם.

פרופסור איתי ינאי מהפקולטה לביולוגיה פענח את סדר ההיווצרות האבולוציוני של "שכבות-הנבט" בעובר. לתגלית הדרמטית יש גם השלכות יישומיות משמעותיות.

פרופסור איתי ינאי, חבר סגל בפקולטה לביולוגיה בטכניון, פתר חידה רבת שנים: מהו סדר ההיווצרות האבולוציוני של שכבות-הנבט בעובר. הפתרון המלא מופיע במאמר שפורסם אתמול (10 בדצמבר 2014) במהדורה הדיגיטלית המוקדמת של כתב העת Nature. על המאמר חתומים פרופסור ינאי, תמר השמשוני (ככותבת ראשית), מרטין פדר, מיכל לוין ובריאן הול.

עוברים של בעלי חיים מפותחים, ובהם האדם, מכילים בהתפתחותם שלוש קבוצות תאים: אנדודרם, אקטודרם ומזודרם. קבוצות אלה, הקרויות "שכבות-נבט", נוצרות בתהליך הגסטרולציה, המתרחש אצל עוברים אנושיים בשבוע השלישי של ההריון. בשלבים הבאים מתפתחות שכבות-הנבט לאברי גוף שונים; האנדודרם, לדוגמה, מתפתח לרקמות פנימיות בלוע, בכבד, בריאות ובצינור העיכול, כמו גם לחלקים מסוימים במערכת הרבייה.

מאז המאה ה-19 מתחבטת קהיליית הביולוגים בשאלה איזו שכבה נוצרה ראשונה במהלך האבולוציה.
התעלומה רבת השנים נפתרה כעת הודות לטכנולוגיה חדשנית להכנת דוגמאות לריצוף, שפותחה בטכניון על ידי פרופסור ינאי בשנת 2012. באמצעות טכנולוגיית CEL-Seq, הוכיחו ינאי ועמיתיו כי סדר ההיווצרות האבולוציוני של שכבות-הנבט הוא זה: אנדודרם, אקטודרם, מזודרם. במאמר שהתפרסם אתמול מסבירים החוקרים כי שכבת האנדודרם מקורה באורגניזמים חד-תאיים קדומים, אשר בהתחברותם זה לזה יצרו את בעלי החיים הרב-תאיים הראשונים. רק בשלב מאוחר יותר התפתחו ביצורים מפותחים אלה שכבות-הנבט האחרות.

ריצוף הוא תהליך שפותח בשנות השבעים והתפתח מאז בקצב מטאורי מבחינת דיוק, מהירות ועלות (שירדה מ-100 מיליון דולר לאלפי דולרים כיום – לריצוף ה-DNA של אדם בודד).  לתהליך זה, המגלה את סדר הנוקלאוטידים במקטע של DNA  או RNA, חשיבות עצומה במחקר הביולוגי-גנטי, כמו גם בהתקדמותה של האנושות לעבר רפואה מותאמת-אישית. רפואה זו, המבוססת על "מפת הגנום האישית" של המטופל, תאפשר לצוות הרפואי לקבוע לכל אדם את הטיפול האופטימלי עבורו בהתאם לתכונותיו המוּלדות, ההיסטוריה המשפחתית שלו, אורח חייו, גילו וכיו"ב.

כיום נעשית הכנת הדוגמאות לריצוף בשיטות שונות, שחלקן יעילות יותר וחלקן יעילות פחות. יתרונה העיקרי של CEL-Seq, השיטה החדשה שפיתח פרופסור ינאי, טמון בכך שהיא מאפשרת מעקב אחר פעילותם של כל הגנים בעת ובעונה אחת, ברזולוציה של תא בודד. לדברי פרופסור ינאי, "הוכחנו שהשיטה שלנו מניבה תוצאות רגישות יותר, ליניאריות יותר ועקביות יותר (בנות-שיחזור) מן השיטות האחרות, והדגמנו זאת בחקר ההתפתחות העוברית של תולעת C. elegans."

כדי  להמחיש את כוחה של טכנולוגיית CEL-Seq מציע פרופסור ינאי לדמיין את התא החי הבודד, על 20,000 הגנים שבו, כחדר שהותקנו בו 20,000 מתגי-תאורה. אם נרחיב כעת את היריעה, הרי שלפנינו בית מרובה-חדרים, שכל אחד מחדריו שונה ממשנהו. "בבית כולו, כלומר בגוף החי השלם, יש המון חדרים כאלה, וכל אחד פועל באופן אחר משום שהנורות – הגֶנים – נדלקות וכבות בקונסטלציות שונות. זו הסיבה ששני תאים, המכילים את אותם גנים, עשויים להתנהג באופן שונה מאוד זה מזה – כי הגנים 'נדלקים' ו'כבים' בקונסטלציות מגוונות מאוד. הגדוּלה של CEL-Seq היא ביכולתה לספק לנו ריצוף ברזולוציה של תא בודד, ולבדוק בתא הזה את מצבו של כל אחד מהמתגים – האם הוא כבוי או דולק. באופן הזה אנחנו יכולים לדעת אילו מתגים אחראים לכל פעילות או תכונה בתא הבודד ובגוף כולו."

לתגלית הדרמטית יש גם השלכות יישומיות משמעותיות. "כשאנחנו עוקבים אחר התפתחותם של תאים שונים במהלך האבולוציה, אנחנו יכולים ללמוד אילו רכיבים בתא הם 'מקובעים' ואילו ברי-שינוי. על בסיס הידע הזה נוכל לדעת על אילו רכיבים בתא נוכל להשפיע כדי לשפר את מצבו של האורגניזם, ומאילו רכיבים עלינו להתעלם בידיעה שאין ביכולתנו לשנותם."

קבוצת המחקר של ינאי מעורבת כיום במחקר רחב היקף, המשתרע על פני כמה יבשות. באמצעות CEL-Seq ובשיתוף קבוצות חוקרים מכל העולם חוקרת הקבוצה את מכלול הגנים בעשרה מינים שונים של בעלי חיים, תוך התמקדות בפעילותם של גנים אלה במהלך ההתפתחות העוברית של כל אחד מהמינים. "ברצוננו לראות מה הופך את החיה לחיה, מהו המכנה המשותף לכל בעלי החיים."

לאחרונה יצא פרופסור ינאי למכון רדקליף למחקר מתקדם באוניברסיטת הארוורד, שם הוא עובד על יישום נוסף של טכנולוגיית CEL-Seq: חקר הסרטן. "בעשר השנים האחרונות עבדתי על התפתחות ואבולוציה, כפי שהן משתקפות בביטוי הגנטי; כעת הבנתי שגידולים סרטניים הם למעשה הרחבה טבעית של המחקר שלי, מאחר שגם כאן מדובר בתאים שמתפתחים וגדלים." את המחקר האמור הוא מבצע בדגי-זברה.

בתמונה בעמוד הבית: פרופסור איתי ינאי ודוקטור תמר השמשוני