המסלול המהיר של האבולוציה

לצד האבולוציה של הקופים וקופי האדם התפתחו גם נגיפים שתקפו אותם. בין הנגיפים לתאי מערכת החיסון התקיים מירוץ חימוש: הנגיפים פיתחו אמצעים לחדור לתאים, מערכת החיסון פיתחה אמצעי הגנה נגדם וחוזר חלילה. בשלב מסוים פיתחה מערכת החיסון נשק יעיל במיוחד: חלבון שיוצר מוטציות אצל הנגיפים. מחקר חדש שנעשה באוניברסיטת בר-אילן מגלה שהחלבון הזה הכניס מוטציות גם לגֶנים שלנו, וכנראה שיחק תפקיד חשוב באבולוציה שלנו ושל שאר מיני הקופים וקופי האדם.

הגֶנום שלנו מורכב ממולקולות של DNA שכל אחת מהן בנויה משני גדילים ארוכים המלופפים זה סביב זה במבנה המכונה "הסליל הכפול". נגיפים מסוימים מחדירים את החומר הגנטי שלהם לתוך ה-DNA שלנו, וכך גורמים לתאים לשכפל אותם ולייצר נגיפים נוספים. לשם כך הם מייצרים גדיל קצר אחד של DNA, ומחדירים אותו לתוך אחת ממולקולות ה-DNA של התא.

בשלב הזה, משפחה של חלבונים בעלת השם הקליט APOBEC3, השייכים למערכת החיסון, מזהים את הגדיל היחיד של הDNA, שמשוטט בתא ללא גדיל נוסף צמוד אליו, ומכניסים בו מוטציות, כלומר משנים את רצף ה-DNA. מוטציות אקראיות מזיקות בדרך כלל לחומר הגנטי, משום שהן משבשות את המידע שבו, לכן הטיפול הזה גורם לגֶנום של הנגיף להפסיק לתפקד: או שאינו נכנס כלל לתוך ה-DNA שלנו, או שהוא נכנס אבל אינו מסוגל לייצר נגיפים נוספים. כך מגן עלינו החלבון מפני הנגיפים.

מחקרים קודמים הראו שחלבוני ההגנה הללו מסוגלים לגרום למוטציות גם ב-DNA האנושי עצמו. בתאים סרטניים רבים נמצאו סימנים לכך שחלבוני ההגנה הם אלה שחוללו את המוטציות הסרטניות. בין השאר התברר שפיזור המוטציות לא היה אקראי והפגמים הגנטיים ב-DNA היו סמוכים זה לזה. כמו כן, המוטציות התגלו בעיקר ברצפי DNA מסוימים, מאלה שהחלבונים "מעדיפים".

ניצול הזדמנויות
אם החלבונים מזהים רק גדיל יחיד של DNA, איך ייתכן שהם השפיעו על הסליל הכפול שלנו? ההנחה היא שהם פעלו על החומר הגנטי שלנו בשלב שבו שני הגדילים היו מופרדים. הדבר הזה קורה כשהתא מתחלק וצריך לשכפל את כל מולקולות ה-DNA, אז הגדילים נפרדים ועל כל אחד מהם נבנה עותק משלים. בקנה מידה קטן יותר זה קורה בכל פעם שגֶן פעיל, כלומר התא מייצר חלבון על פי ההוראות המוצפנות ב-DNA. במקרה כזה, הסליל הכפול נפתח ושני הגדילים נפרדים לזמן קצר כדי לאפשר גישה להוראות. באותה הזדמנות יכולים גם חלבוני APOBEC3 לפעול על הגדילים הנפרדים.

אם החלבונים האלה פעילים גם בתאי המין – הביצית והזרע – המוטציות שהם גורמים יעברו לדור הבא, וכך החלבונים עשויים להשפיע על מהלך האבולוציה. זה בדיוק הכיוון שחקרו במעבדות של פרופ' ארז לבנון מהפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת בר-אילן, ופרופ' אלון קינן מאוניברסיטת קורנל בארה"ב. תלמידי מחקר של לבנון, ישי פינטו ואורשי גבאי, בחנו את הרצף הגנטי של אדם, שימפנזה, אורנגאוטן, קוף מקוק, וגם שני מיני אדם מוקדמים: האדם הניאנדרטלי והאדם הדניסובי. הם חיפשו הבדלים ברצף ה-DNA באזור המועדף על חלבון מסוים מהמשפחה, שידוע כי הוא פועל בתאי המין.

החוקרים מצאו כמה עשרות אלפי הבדלים כאלה, המרוכזים בצברים האופייניים. הם סבורים שהשינויים האלה בין הגֶנומים מעידים על מוטציות שגרם החלבון ותרמו להבדלים בין המינים. צברי המוטציות נמצאו בעיקר בגנים עצמם ובאזורים בגֶנום שמבקרים את פעילותם, אף על פי שאלה חלקים קטנים יחסית מכלל רצף ה-DNA.

להערכת החוקרים, הסיבה לריכוז הזה היא שבאזורים האלה הסליל הכפול מופרד לשני הגדילים בתדירות גבוהה יחסית, והחלבון מנצל את ההזדמנות כדי ליצור מוטציות באחד הגדילים. באזורים שאינם מכילים גנים, שני הגדילים נפרדים רק במהלך חלוקת התא, ולחלבון יש הרבה פחות אפשרויות לפעול בהם. הם מצאו כי ככל שגן התבטא יותר כך היו בו יותר מוטציות, כנראה משום שהסליל הכפול נפתח יותר פעמים.

בטעות או בכוונה?
מוטציות סרטניות נוצרות לעתים כשה-DNA שלנו נחשף לגורמים מזיקים כמו קרינה או כימיקלים. עם זאת, רבות מהן נוצרות פשוט באקראי, בשל טעויות בהעתקת ה-DNA. המחקר הזה מדגים לראשונה שחלק מהמוטציות העוברות בתורשה לא אירעו באקראי, אלא נגרמו מפעילות חלבון של התא.

למנגנון המוטציות הזה יש שני מאפיינים ייחודיים: החלבון גורם לכמה מוטציות סמוכות, כך שייתכן מאוד שכמה וכמה שינויים יחולו בעת ובעונה אחת באותו גן. כמו כן, המוטציות מרוכזות בעיקר באזורים המכילים גֶנים וברצפים המבקרים את פעילותם.

שני המאפיינים האלה מעניקים למנגנון חשיבות מיוחדת לאבולוציה: הוא יכול ליצור שינויים גדולים יחסית בגנים חשובים בתוך דור אחד. רוב השינויים האלו כנראה יזיקו לבעל החיים הנושא אותם, ולכן לא יעברו לדורות הבאים. אבל אחת לכמה זמן המוטציות האלו עשויות להעניק לבעל החיים יתרון חדש כלשהו, ולכן לא רק שהן יועברו לדורות הבאים, אלא גם ישפרו את הישרדות הפרטים בעלי המוטציות, כך שבכל דור חלקם של בעלי המוטציות באוכלוסיה הכללית יגדל בהדרגה. אלה החומרים שמהם מורכבת האבולוציה.

כיצד ומדוע החל חלבון של מערכת החיסון לגרום למוטציות בתאי מין, וכך להשפיע על האבולוציה של המין שלנו ומינים נוספים? בשיחה עם אתר מכון דוידסון אמרו פינטו וגבאי שיש שתי אפשרויות סבירות. הראשונה היא שהמוטציות הן פשוט תופעת לוואי של פעילות החלבון. לפי ההשערה הזו, בתקופות מסוימות באבולוציה שלהם נחשפו הקופים וקופי האדם להתקפות קשות במיוחד של נגיפים. בתגובה ייצר גופם כמויות גדולות של חלבוני הגנה שיצרו גם את המוטציות בגנום שלנו.

לפי ההשערה השנייה, החלבונים פועלים כל הזמן, לא רק בעת מתקפת נגיפים, והפעילות על הגנום שלנו היא אחת ממטרות החלבונים – ולא סתם טעות. אם ההשערה נכונה, גרימת המוטציות מעניקה יתרון אבולוציוני כלשהו, אך עדיין לא ברור לגמרי מהו.

עד כה, ההנחה מאחורי מחקרים גנטיים רבים הייתה שמוטציות מתרחשות באקראי. המחקר החדש מציג את מה שלבנון מכנה "המסלול המהיר" לשינוי אבולוציוני – כמה מוטציות בבת אחת, ובדיוק באזורים החשובים ביותר. מחקרים נוספים יבדקו בוודאי באיזו מידה המסלול הזה אחראי לתכונות הייחודיות של כל מין, כולל התכונות שלנו-עצמנו.