פרדוקס היציבות - כיצד משתנה צורתם של יצורים לאורך האבולוציה?
חוקרות בטכניון גילו כיצד שינויים ברצפי בקרה גנטיים יכולים להוביל לשינויים בצורה ובמבנה של בעלי חיים, גם כאשר מערכות הבקרה הגנטיות יציבות ועמידות לשינויים. את המחקר, שהתפרסם בכתב העת Science Advances, הובילו ד”ר אלה פרגר־בן נון והדוקטורנטית אריג’ סייד־אחמד מהפקולטה לרפואה ע”ש רות וברוך רפפורט.
אובדן של תכונות מורפולוגיות הוא תופעה נפוצה במהלך האבולוציה. דוגמאות מוכרות לכך הן אובדן הרגליים בנחשים והעיניים בדגי מערות החיים באפלה. במקרים רבים, שינויים כאלה אינם נובעים מאובדן של הגנים הדרושים להתפתחות תכונות אלה, אלא משינויים באופן שבו גנים אלה מופעלים במהלך ההתפתחות. עם זאת, גנים התפתחותיים רבים נשלטים על ידי מספר רצפי בקרה בעלי פעילות חופפת, היוצרים מערכת בקרה יציבה ועמידה לשינויים.
במרכז המחקר עומדת שאלה יסודית בביולוגיה: כיצד משתנה צורתם של יצורים לאורך האבולוציה על אף קיומן של מערכות בקרה גנטיות יציבות. מערכות בקרה אלו נשענות על רצפי DNA הנקראים אנהנסרים (Enhancers), המפעילים גנים בזמן ובמקום מדויקים במהלך ההתפתחות. רצפים אלה פועלים לעיתים באופן חופף, כך שאם אחד מהם נפגע, אחרים יכולים לגבות את פעילותו ולשמור על ביטוי תקין. תכונה זו מעניקה למערכת הבקרה יציבות ועמידות לשינויים, אך גם מעלה פרדוקס: כיצד בכל זאת מתרחשים שינויים בביטוי גנים המובילים לשינויים בצורה ובמבנה של איברים?
כדי להתמודד עם שאלה זו, התמקד המחקר בזבובי דרוזופילה, ובמיוחד במין Drosophila sechellia, שבו נעלמו במהלך האבולוציה שערות זעירות (trichomes) מגוף הזחל. תכונה זו נשלטת על ידי הגן shavenbaby, אשר ביטויו מבוקר על ידי מספר אנהנסרים. בניגוד לציפייה שמערכת כזו תגן על ביטוי הגן מפני שינויים, נמצא כי ארבעה אנהנסרים שונים איבדו את פעילותם במהלך האבולוציה, וכל אחד מהם עשה זאת בדרך אחרת.
באמצעות ניתוח מפורט של רצפי DNA וניסויים פונקציונליים הראו החוקרות כי אובדן הפעילות של האנהנסרים התרחש באמצעות מנגנונים מולקולריים שונים, כולל מחיקה של רצפים חיוניים, אובדן אתרי קישור לפקטורי שעתוק, רכישת פעילות מדכאת, ואף חשיפה של דיכוי שהיה קיים קודם לכן. כלומר, אותה תוצאה אבולוציונית – אובדן ביטוי של הגן – הושגה דרך מסלולים מולקולריים שונים בתוך אותו אזור גנומי.
ממצאים אלו מראים כי אותה תוצאה אבולוציונית יכולה להתקבל בדרכים שונות. ריבוי האנהנסרים, שנועד לשמור על יציבות ביטוי הגן, יוצר גם נקודות תורפה שבהן מוטציות יכולות להפחית את פעילותם. המחקר מדגים כי יציבות אינה מהווה בהכרח מחסום לאבולוציה, שכן קיים מגוון של דרכים מולקולריות לעקוף אותה. תובנות אלו רלוונטיות למגוון רחב של מערכות ביולוגיות ומעמיקות את ההבנה כיצד מתעצבת שונות בצורה ובמבנה של יצורים בטבע.
צילום: רמי שלוש, דוברות הטכניון
למאמר המלא ב- Science Advances לחצו כאן
