כמה מהר נוצרות מוטציות?

ילדים מקבלים את תכונותיהם משילוב החומר הגנטי של שני ההורים – חצי מהאם וחצי מהאב. אולם לפעמים מופיעים בצופן התורשתי של הצאצא שינויים אקראיים, שנקראים מוטציות, שלא היו קיימים אצל ההורים. המוטציות האלה הן הכוח המניע של האבולוציה, מכיוון שהן יוצרות שינויים גנטיים בין פרטים שעליהם יכולה לפעול הברירה הטבעית. חלק מהן יהיו חיוביות ויתרמו להישרדות או להתרבות של של הפרט בו הן נמצאות, אחרות יפגעו מאוד ביכולתו לשרוד, והרבה מוטציות הן נייטרליות ואינן מקנות לאורגניזם יתרונות או חסרונות בתנאי הסביבה הנוכחיים. אבל עד כמה הן באמת נפוצות?

הגורמים למוטציות הם רבים. בחלק מהמקרים מדובר בגורמים חיצוניים, כמו חומרים כימיים מסוימים או קרינה בעלת אנרגיה גבוהה (מייננת), למשל קרינה רדיואקטיבית. כל אלה עלולים לשבור את ה-DNA או לשנות אותו. במקרים אחרים מדובר במוטציות שנובעות מגורמים פנימיים בתוך התא. אלה יכולים למשל להיות חומרים מחמצנים שנוצרים מפעילות התא, או טעויות בתהליך השכפול של ה-DNA בתהליך החלוקה.

במחקר מתמשך שהחל ב-1988, עקב ריצ'רד לנסקי (Lenski) מאוניברסיטת מישיגן סטייט בארצות הברית אחרי 12 תרביות של החיידק אשריכיה קולי (E.coli). באמצעות טכנולוגיה לקביעת רצף של גנים הוא השווה את השינויים שחלו בקוד הגנטי של החידקים בתרביות במשך יותר מ-70 אלף דורות, ומצא שקצב המוטציות הטבעי של החיידק עומד על מוטציה אחת על כל עשרה מיליארדי בסיסים – אבני הבניין של הצופן הגנטי ב-DNA. המשמעות היא שהחיידק, שיש לו בסך הכול כחמישה מיליון בסיסים, יעבור מוטציה אחת בכל אלף דורות בערך, כלומר אלף חלוקות של התא. מכיוון שהתרבית מכילה מיליארדי חיידקים, הרי שיש סיכוי למוטציה כמעט בכל אחד מהבסיסים של הגנום.

אולם הניסוי הזה מתעלם ממוטציות קטלניות, שמחסלות את החיידק שנושא אותן ונעלמות מהתרבית, כך שאי אפשר לרצף אותן. גם מוטציות שפוגעות בקצב הגידול לא יתגלו בניסוי, שכן התאים המוצלחים יותר ישתלטו על התרבית. למעשה, הניסוי מודד רק את ממוצע המוטציות של כלל האוכלוסייה על פני אלפי דורות. איננו יודעים עדיין מהו קצב המוטציות של חיידק יחיד שמתחלק.

יכולה להתרחש באקראי או בעקבות חשיפה לקרינה וכימיקלים. מוטציה נקודתית | איור: Science Photo Library

קצב המוטציות בכל חלוקה

האם אפשר לקבוע מהו קצב המוטציות בתאים יחידים, כולל המוטציות השליליות שפוגעות בחיידק? כדי לבדוק את זה השתמשו המיקרוביולוגיות מרינה אלז (Elez), לידיה רוברט (Robert) ועמיתיהן מאוניברסיטת סורבון בפריז בטכנולוגיה שנקראת מיקרופלואידיקה – מערכת צינוריות דקיקות ברוחב של חיידק E.coli יחיד. המערכת מאפשרת להזרים לחיידקים הכלואים בצינוריות מצע גידול מתאים ולעקוב במיקרוסקופ אחרי גדילת התאים, קצב חלוקתם או מותם.

בנוסף יש בתא סימון ביוכימי זוהר שמופעל בכל פעם שמתרחשת טעות ב-DNA בזמן חלוקתו. כך, נוסף על התאים שמתחלקים לאחר הופעת הסימון, אפשר לספור את התאים שגדלים או מתחלקים לאט לאחר הופעת המוטציה, ואפילו את אלה שהפסיקו להתחלק (כלומר מתו) בעקבותיה.

תוצאות הניסוי הראו שקצב המוטציות עמד על כ-0.1 אחוז בכל דור, כלומר מוטציה בחיידק אחד מתוך אלף בכל חלוקה. המספר הזה תואם לממצא של לנסקי. אחוז אחד מכלל המוטציות היו קטלניות ו-0.3 אחוז נוספים הפחיתו בצורה משמעותית את קצב הגידול של התאים. רובן המוחלט היו ניטרליות.

ומה בנוגע לבני אדם? בניסויים שהשוו את הרצף הגנטי של שני הורים וילד, או שהשוו בין אוכלוסיות גדולות, נמצא שקצב המוטציות עומד על 1 ל-100 מיליון בסיסים בדור, ובין הורה לילד יש פער של 20-10 מוטציות בדור. הסיבה להבדל במספר המוטציות לדור בין חיידק לאדם היא שהגנום האנושי גדול כמעט פי אלף משל החיידק וכולל כשלושה מיליארדי בסיסים. בנוסף, דור של חיידק הוא חלוקת תא אחת בעוד שהאדם הוא יצור רב תאי ולכן "דור" כולל בתוכו 20-30 חלוקות תא יצירת תא ביצית אצל האם (ובערך פי עשרה מכך ליצירת תא זרע אצל האב). חישובים בעזרת נתונים אלו מראים שקצב המוטציות באדם למעשה דומה לזה של החיידק והוא בין 1 למיליארד ל-1 לעשרה מיליארד בסיסים לחלוקת תא. ממצא דומה נרשם גם אצל עכברי מעבדה, זבובי תסיסנית המחקר (דרוזופילה) וצמחי תודרנית לבנה.