מרוץ חימוש
בין גנים בזבוב

חוקרים מאוניברסיטת רוצ'סטר בניו-יורק תיעדו בזבובים מערך מורכב של גנים המסַכְּנים את הרבייה, ולעומתם גנים המדכאים את הסכנה הזאת. המחקר שופך אור על התופעה של "מרוץ חימוש פנימי" בתוך אורגניזם, ועל החשיבות של המנגנון הזה בתהליכי ההתפתחות של הגנום.

ברוב התאים בעלי הגרעין, הגנום, אוסף כל ה-DNA של התא, מחולק לכרומוזומים שמופיעים בשני עותקים. בתאי המין יש עותק אחד בלבד של כל כרומוזום, וכך התמזגות של זרע וביצית יוצרת שוב תא עם מטען גנטי כפול, המתפתח לאורגניזם חדש. הסיכוי שגן מסוים יעבור מהורה לצאצא הוא לפיכך 50 אחוז, כי לכל תא מין מגיע אחד משני העותקים שבתא ההורה. אבל לפעמים קורית דחיפת גנים, תהליך טבעי שבו לעותק אחד של הגן יש עדיפות על פני העותק האחר, והסיכוי להעברתו גדול יותר מחצי.

החוקרים מצאו כי בתאי הזרע מתרחשת דחיפת גנים שמעניקה עדיפות להעברת עותק אחד של הגן על פני האחר. זבוב תסיסנית | תמונה: University of Rochester, NY, J. Adam Fenster

גנים נדחפים

מצב כזה עומד בלב המחקר שפרסמו לאחרונה מדענים מאוניברסיטת רוצ'סטר שבארצות הברית בכתב העת Nature Ecology & Evolution. החוקרים מצאו כי בתאי הזרע של הזבוב הקטן תסיסנית, או דרוזופילה (Drosophila), מתרחשת דחיפת גנים על ידי חלבון המקודד בכרומוזום X. החלבון נוצר בתאי זרע המכילים כרומוזום X, נודד מהם אל תאי הזרע המכילים כרומוזום Y, האחראי להיווצרות זכרים, ושם משבש את האריזה של כרומוזום Y והורג את התא. 

ככל שגן "אנוכי" כזה הוא מוצלח יותר בהריגת תאי זרע זכריים, כך הוא מתרבה ביתר הצלחה: יותר צאצאים מזיווג של זבובה עם זבוב הנושא את הגן הזה יישאו את המוטציה, והוא יתפשט בהדרגה ברחבי האוכלוסייה. אבל התוצאה, בהכרח, תהיה אחוז הולך ועולה של נקבות, ובשלב כלשהו הזכרים ייעשו נדירים כל כך שנקבות יתקשו למצוא זכרים להזדווג עימם בתדירות שתשמר את האוכלוסייה. לפיכך גנים המשתיקים את הגן המוטנטי יזכו להעדפה אבולוציונית ברמת האוכלוסייה, ויתרחש "מרוץ חימוש ביולוגי". מרוץ חימוש ביולוגי הוא שרשרת של תגובות שבה מין אחד משתנה גנטית ומשיג יתרון הישרדותי על פני מין אחר. בתגובה לכך המין האחר מפתח תכונה שמסייעת לו להתמודד עם השינוי, וכן הלאה. אך בניגוד למרוצי חימוש מוכרים בין מינים שונים, כמו בין עטלף ועש, כאן מתקיים העימות בין גנים של אותו האורגניזם.

איך נוצר ופועל הנשק הנגדי ?

החוקרים השתמשו במחקרם בשלושה מינים שונים מהסוג דרוזופילה, שהופיעו לפני כ-250 אלף שנה בלבד, זמן קצר במונחים של אבולוציה, ובדקו 18 גנים הנמצאים על כרומוזום X, שכולם שייכים למשפחת גנים בשם dxl ומקודדים חלבון שמשבש את פעילות כרומוזום Y. כמו כן בדקו ארבעה גנים הנמצאים על כרומוזומים אחרים, שמבטלים את הפעילות של 18 הגנים הללו. כאשר ארבעת הגנים האלה משעותקים ל-RNA, מתקבלים מקטעי RNA משלימים ל-RNA של 18 הגנים המשבשים את פעילות כרומוזום Y. מקטעי ה-RNA המשלימים נקשרים ל-RNA של 18 הגנים המשבשים ומביאים לפירוקם. 

מכיוון שהרצף של כל גן משתיק הוא הרצף המשלים ל-DNA מהגן האנוכי שבו הוא נלחם, ברור שהוא נוצר באמצעות שכפול מהופך של הגן המקורי. הכמות והמגוון של הגנים האנוכיים ושל הגנים שהתגייסו להגן מפניהם מספרים את סיפורו של מאבק ארוך, שאת סדר שלביו המדויק אפשר בעיקר לדמיין, אך יכול להיראות כך, לדוגמה: נוצר עותק חדש של גן אנוכי => גן משתיק נוצר ומתחיל להשתיק אותו => באחד העותקים של הגן האנוכי נוצרות מוטציות חדשות שמאפשרות לו לחמוק מהגן המשתיק => מופיע עותק חדש של הגן המשתיק, או מוטציה בעותק קיים. וכך הדברים נמשכים וחוזר חלילה, כשכל עותק נוסף של גן אנוכי יכול להיות משוכפל בהיפוך ולשמש כנשק נגדי.

כדי לגלות את כל הגנים האנוכיים החדשים, היה על החוקרים להפעיל שיטות מיוחדות לפענוח רצף הגנום. שיטות הריצוף המקובלות כשלו, משום שהגנים האנוכיים פזורים בכרומוזום X בין מאות רצפים קצרים חוזרניים, הפוגעים בתהליך הריצוף. מתברר שהתופעה הזאת איננה מאפיין מקרי: הגנים האנוכיים מצליחים להכפיל את עצמם וליצור גרסאות חדשות של עצמם במהירות רבה בדיוק בגלל הרצפים החוזרניים, שבשעת שכפול ה-DNA נוטים לעלות במספרם, יחד עם הגנים שביניהם. הרצפים החוזרניים האלו נמצאים דווקא בכרומוזום X משום שהם מסייעים בשמירת רמה דומה של ביטוי הגנים שבכרומוזום זה בזכרים ובנקבות. בבני אדם, הגנים שעל כרומוזום X מתבטאים ברמה שווה אצל גברים ואצל נשים, אף שלנשים יש שני עותקים ולגברים רק אחד, באמצעות השתקה של כרומוזום X אחד בכל תא של גוף האישה. אצל זבובים, לעומת זאת, מושגת תוצאה דומה על ידי ביטוי בעוצמה כפולה של הגנים שעל הכרומוזום הזה בתאי זכרים, והאזור שאליו נקשר קומפלקס החלבונים האחראי לשעתוק הכפול הוא בדיוק אזור זה של רצפים חוזרניים.

לסיכום, החוקרים מציינים שהמאפיינים המופיעים במהלך מרוץ החימוש הזה, ובהם ריבוי עותקי גנים ורצפים חוזרניים, מצויים גם בבעלי חיים רבים אחרים. ייתכן שהראיות האלו מרמזות כי מרוצי חימוש נסתרים מתרחשים במינים רבים מאוד של בעלי חיים, וכי תפקידם בהתפתחות הגנומים גדול מהמשוער כיום.