פרס נובל ברפואה - הגנים והתפתחות העובר מחבר: צבי עצמון

חזרה3

ציניקנים יכולים לומר: שוב זכה זבוב התסיסה הזעיר דרוזופילה בפרס נובל; חובבי ניסוחים חגיגיים יאמרו, בצדק: שוב זכתה רוחו החקרנית של האדם בפרס כפול, פרס נובל והפרס הגדול יותר - צעד חשוב בדרך לפיענוח אחת מחידות החיים המסקרנות ביותר - כיצד קובעים הגנים את התפתחות העובר ואת עיצוב איבריו? מה קובע הופעת איבר מסוים במקום הנכון ובזמן הנכון?

הידיעה כי קטעי דנ"א (DNA), הגנים, הם הקובעים תכונות כגון צבע העיניים, סוגי הדם ומחלות תורשתיות, היא כיום נחלת הכלל. ברור גם כי החומר התורשתי, ה-דנ"א, קובע תכונות כלליות יותר של הפרט שיתפתח מהביצית המופרית - האם הביצית תתפתח לנקבה או לזכר, ובמיוחד - האם תתפתח לאדם או ליצור אחר?

לאחר שתופעות אלו הובנו, ולאחר שמבנה ה-דנ"א עצמו פוענח, השאלה העיקרית עדיין נותרה זמן רב בחזקת חידה בלתי נגישה: האם קובעים הגנים את מהלך התפתחותה של הביצית המופרית מתא אחד לעובר שלם, הבנוי מתאים רבים ושונים ומורכב מאיברים, שלכל אחד תפקיד מוגדר, ואם כן - כיצד? אחד הקשיים הלוגיים נעוץ בעובדה שלתאי הגוף השונים יש, בדרך כלל, מטען גנטי זהה. כל אחד מהם מצויד בעותק משוכפל של ה-דנ"א, שהיה בביצית המופרית. עובדה זו מצביעה על כי ייחודו של כל תא בגוף נקבע לא על ידי מכלול הגנים הנמצאים בו, אלא על ידי הגנים שפעילים בו. אך מה גורם לשיפעולם של גנים מסוימים ולדיכויים של גנים אחרים?

בימים אלה נתבשרנו, כי שלושת החוקרים שתרמו רבות להסרת מסך המסתורין משאלות אלה, הם הזוכים בפרס נובל לרפואה לשנת 1995: אדוארד לואיס (Lewis), כריסטיאן נוסליין-וולהרד (Nusslein-volhard) ואריק וישהאוז (Wieschaus). כפי שכבר נרמז, שותפים להם אלפי זבובונים זעירים, זבובי התסיסה דרוזופילה, שכבר זיכו את מדע הגנטיקה בפרס. הפרס מוענק לשלושת החוקרים לציון תגליותיהם בתחום הבקרה הגנטית על שלבי ההתפתחות הראשונים של העובר ועיצוב גופו.

החוקרים בחרו בזבוב התסיסה כנושא מחקרם על שום היותו יצור רב-תאי מורכב, ועם זאת בעל מידות גוף זעירות (אורכו כ-2 מ"מ), המאפשרות לגדל מספר רב מאד של פרטים; על שום הידע הרב שנצטבר על הביולוגיה, ובעיקר על הגנטיקה שלו, ועל שום מחזור חייו הקצר (9 ימים למן הטלת הביצה ועד שבוקע מן הגולם זבוב בוגר) ובמיוחד - המהירות המדהימה של התפתחותו העוברית (יממה אחת בלבד למן הטלת הביצה ועד שבוקעת ממנה רימה).

כיום, הודות למחקריהם החלוציים של שלושת הזוכים והודות למחקרים רבים נוספים שנערכו במהלך עשרות שנים ובמיוחד בשני העשורים האחרונים, ידוע כי הגנים קובעים את מהלך התפתחות עובר הדרוזופילה ב-5 שלבים (או: רמות) עיקריים. ברמה הראשונה משתתפים גנים המכונים "מקטבי הביצית" (egg polarity genes) שתוצריהם קובעים את הצירים הראשיים של הביצית, ציר קדמי-אחורי וציר גבי-בטני. גנים אלה פועלים כשהביצית נמצאת בשחלה של אמא זבובה, והם גנים אימהיים (כלומר, לאב "אין מה להגיד" בסוגיית הציר הראשי של הביצית).

עובר שנוצר לאם שגנים אלה פגועים אצלה, יהיה מעוות לגמרי; למשל - יחסר לו קצה הגוף הקדמי, כולל הראש והחזה, או קצה הגוף האחורי. עובר כזה, שהציר הראשי שלו פגוע, לא יסיים את התפתחותו, ובוודאי לא יתגלגל בסוף בזבוב בוגר. נציין כי האם עצמה, שהגנים הפגועים הם שלה, אינה פגועה כלל, שהרי היא נוצרה מביצית שהציר קדמי-אחורי שלה נקבע על ידי הגנים של אמה. מעניין כי ניתן לשקם, לפחות חלקית, את גוף העובר אם שואבים מן הביצה ציטופלסמה מן האזור הפגום, ומחליפים אותה בציטופלסמה של ביצית תקינה.

הרמה השנייה היא רמת הגנים האחראים על מיפרוק¹ העובר - גנים הקובעים יצירת פרקי הגוף השונים בעובר המתפתח. אלה הם גנים של העובר עצמו, כלומר - מקורם בגנים שתרמו האם ואב גם יחד. מבחינים כאן בשלוש תת-קבוצות. הגנים שנמנים עמן קובעים את חלוקת גוף העובר לאזורים עיקריים, את זוגות הפרקים ואת קוטביות הפרקים - קצה קדמי וקצה אחורי.

הרמה השלישית היא רמת הגנים של זהות הפרקים - הגנים ההומיאוטיים (homeotic genes). גנים אלה קובעים את זהותו של כל פרק ופרק בגוף העובר.

הגנים משפיעים אלה על אלה באופן מידרגי (היררכי): בתחילה פועלים הגנים של הציר הראשי, תוצריהם פועלים על הגנים של המיפרוק, ואז, משנקבעה חלוקת הגוף לפרקים, פועלים הגנים ההומיאוטיים וקובעים את זהותו הייחודית של כל פרק ופרק. השפעתם של גנים אחרונים אלה היא שנתגלתה ראשונה. אין הדבר מפתיע, שהרי התבטאותם אחרונה בשרשרת המידרגית וממוקדת בפרקים ייחודיים, כך שפגיעה בהם לא גורמת למות העובר, ולפיכך נראית לעין. ואכן, כבר בתחילת המאה נתגלו זבובי דרוזופילה בוגרים בעלי מבנה גוף מוזר: למשל, זבוב הנושא שני זוגות כנפיים במקום זוג אחד של כנפיים וזוג אחד של בליטות זעירות המכונות בוכניות. נתגלו גם זבובים שבהם הראש נושא רגליים במקום מחושים.

בשנות הארבעים החל אדוארד לואיס לחקור את הגנטיקה של חריגות אלה במבנה הגוף, וביסס את הטענה שלפיה לא מדובר בהפיכת הבוכניות עצמן לזוג כנפיים נוסף, אלא בשינוי זהותו של פרק החזה השלישי כולו - פרק הנושא בזבובים בוכניות. כתוצאה מהליקוי הגנטי פרק זה מקבל זהות של פרק החזה השני, הוא הפרק הנושא זוג כנפיים. זוהי, אם כן, מוטציה המשפיעה על זהותו של פרק בגוף - מוטציה הומיאוטית ( homeo - מלשון שוויון, זהות).

לואיס הציע מודל לתיאור פעולת הגן התקין והגן הפגוע. עוד מצא לואיס, כי מדובר למעשה בצבר של גנים. ואכן, התברר כי רוב הגנים ההומיאוטיים מרוכזים בצברים, כשהצבר כולו אחראי על הפרקים של אזור שלם: הצבר "כפל-כנפיים" אחראי על התפתחות פרקי חזה ובטן, והצבר "מחוש-רגל" אחראי על התפתחות פרקי ראש וחזה. שני הצברים אותרו, והם שוכנים בכרומוסום מספר 3 של הזבוב. יתר על כן, הגנים עצמם שובטו (שוכפלו) וכך ניתן היה לבחון את סדר הנוקליאוטידים המרכיבים כל אחד מהם. בעקבות זאת זיהו גם את סדר חומצות האמינו בתוצרים החלבוניים של גנים אלה.

כשהחלו כריסטיאן נוסליין-וולהרד ואריק וישהאוז את דרכם כחוקרים עצמאיים, בסוף שנות השבעים, החליטו לשתף פעולה בניסיון להתמודד עם השאלה: כיצד קובעים הגנים את שלבי ההתפתחות הראשוניים של העובר. הם ניצבו בפני קושי טכני גדול: מוטציה הפוגעת בתהליכי ההתפתחות הראשונים בעובר היא בדרך כלל "מוטציה קטלנית" (לטלית) - כזו המונעת התפתחות עד שלב הבוגר, שהוא השלב בו נוהגים היו לחקור, ובהצלחה רבה, מוטציות בזבובי התסיסה. מה עשו? הם נטלו זבובים, טיפלו בהם בכמויות גדולות של חומרים משרי מוטציות (חומרים מוטגנים) והמתינו עד שאלה יעמידו צאצאים. הם הכליאו את הצאצאים, ואז התיישבו זה מול זה ובעזרת מיקרוסקופ בעל שני זוגות של עדשות בחנו בארבע עיניים אלפי עוברי דרוזופילה זעירים, וניסו לזהות פגמים במבנה. המקוריות וההתמדה נשאו פרי: הם זיהו גנים שונים, שפגיעות בהם גורמות לפגמים בתהליכי יצירת פרקים ועיצובם בעובר.

במקרים רבים מתבררת חשיבותה של תגלית מאוחר יותר, וכך קרה גם לזוג החוקרים. במוסד המחקר בו עבדו וישהאוז ווולהארד לא העריכו נכונה את ממצאיהם, חוזה העבודה שלהם לא חודש והם נאלצו למצוא מקום עבודה אחר.

כאמור, לאחר שזוהו גנים כבקרי התפתחות עוברית הצליחו לשבטם ולפענח את סדר הנוקליאוטידים המרכיבים אותם. התברר, כי מרבית הגנים ההתפתחותיים בדרוזופילה מכילים בתוכם סידרה קבועה של כ-180 זוגות נוקליאוטידים. סידרה קבועה זו זכתה לכינוי "תיבת הומיאו" (homeobox). סידרת נוקליאוטידים קבועה ב-דנ"א אחראית ליצירת קטע חלבוני קבוע, המורכב מסידרה קבועה של חומצות אמינו. התברר, כי החלבונים המכילים את אזור ההומיאו "יודעים" בעזרתו להפעיל או להשתיק גנים אחרים לפי הצורך. באמצעות הפעלה או השתקה זו הם מביאים ליצירת הרקמות הנכונות במקומות הנכונים.

לפני כעשר שנים התברר כי תיבות ההומיאו קיימות בכל היצורים הרב-תאיים בכללם תולעים, רכיכות, דגים, צפרדעים, עופות, ויונקים כולל האדם. התברר גם כי אותם גנים הומיאוטיים שנמצאו בצברים בזבוב התסיסה נמצאים בצברים גם באדם, אולם באדם מספר הגנים בכל צבר גדל ועבר שתי הכפלות, וכך התקבלו ארבעה צברים. עובדה זו העמידה את המחקרים שנעשו בזבובי התסיסה באור חדש, שהרי היא הצביעה על הרלוונטיות של מחקרים אלה לחקר הגנטיקה ההתפתחותית של האדם, ונודעת לה השלכה על אופיים של ליקויים תורשתיים בעוברי אדם. יש לה גם חשיבות אבולוציונית רבה. התברר, כי תיבות ההומיאו שמרו על אחידות רבה יחסית בקבוצות השונות למרות מאות מיליוני שנה של שנות אבולוציה המפרידות ביניהן. הדבר מצביע, בין השאר, על חשיבותם הרבה של התוצרים החלבוניים בבקרת ההתפתחות העוברית של כל היצורים הרב-תאיים.

המחקרים של וישהאוז ווולהארד האירו את הדרך לחקר יצורים מפותחים יותר, וכיום משתמשים בגישה זו על מנת להכיר את כל הגנים ההתפתחותיים בדג הזברה, שמשמש כדגם להתפתחות עוברית של יצורים מפותחים. זוג החוקרים שסולקו בעבר ממקום עבודתם עומדים עתה במרכז פענוחן של בעיות יסוד בביולוגיה.