הגֵנים שהגדילו את מוח האדם

השינויים הגנטיים האחראים לעלייה בגודל המוח של האדם, שמילאה תפקיד מכריע ביכולתנו לחשוב, לפתור בעיות ולפתח תרבות, היו עד כה בגדר תעלומה. בשני מאמרים שפורסמו לאחרונה בכתב העת היוקרתי Cell, תיארו שתי קבוצות מחקר כיצד זיהו משפחת גנים, NOTCH2NL, הממלאת תפקיד חשוב בהתפתחות קליפת המוח (הקורטקס) הייחודית למין האנושי. ייתכן שמשפחת גנים זו הייתה גם הכוח המניע בהתפתחות המוח הגדול שלנו.

לפי ממצאים שהתפרסמו בשני המאמרים, הגֶנים ממשפחת NOTCH2NL מעכבים את ההתמיינות של תאי גזע בקליפת המוח לנוירונים במהלך ההתפתחות העוברית, וכתוצאה מכך נוצרים יותר נוירונים במהלך ההתפתחות. גֶנים אלו נמצאים אך ורק באדם, ולא במינים אחרים, ומבוטאים ברמה גבוהה בתאי גזע בקליפת המוח.

הגֵן הנמצא בצומת בין קופים לבני אדם

אחד המאמרים, פרי עבודה משותפת של חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה, סנטה קרוז, מהמכון הרפואי הווארד יוז ומאוניברסיטת אמסטרדם, בראשות דייוויד האוסלר (Haussler), סופי סלמה (Salama) ופרנק ג'ייקובס (Jacobs), משווה גֶנים המתבטאים במהלך התפתחות המוח בבני אדם ובקופי מקוק בתאי גזע שהתמיינו בתרבית. החוקרים גילו את הגֵן NOTCH2NL בתאי אדם, אך לא בתאיהם של קופי המקוק. החוקרים לא מצאו את הגן הזה גם באורנגאוטן, ומצאו רק גרסאות חתוכות ובלתי פעילות שלו במינים הקרובים לנו ביותר, גורילות ושימפנזים.

החוקרים ניסו לשחזר את ההיסטוריה האבולוציונית של הגֶנים ממשפחת NOTCH2NL, וגילו כי לפני 14 מיליון שנים, באב הקדמון של בני האדם הקדומים ושל קופי האדם, שוכפל בטעות חלק מגֵן אחר, קדום יותר, ששמו NOTCH2, הממלא תפקיד חיוני בהתפתחות המוח. תוצר הטעות הזאת היה גֵן בלתי מתפקד, אך הטעות תוקנה על ידי הוספה של חלק מהגֶן המקורי לחלק שהועתק, כך שהגֵן היה שוב תקין ותפקודי. אך תיקון זה קרה בשלב מאוחר הרבה יותר – רק בבני האדם הקדמונים, שמהם נוצרו האדם בן זמננו והאדם הניאנדרטלי, לפני כ-4-3 מיליוני שנים. לפי עדויות ממאובנים, זה בערך הזמן שבו החל המוח האנושי לגדול. מאז התיקון, החלק ה"מתוקן" של הגֵן שוכפל עוד פעמיים עד להיווצרות האדם המודרני, וכך נוצר הגֵן NOTCH2NL בצורתו הנוכחית.

כדי להבין את חשיבות NOTCH2NL בהתפתחות המוח, החסירו החוקרים את הגן הזה מתאי גזע של אדם בתרבית. בהיעדר הגֵן הזה, השתנה מהלך ההתמיינות של התאים לפיסות של קליפת המוח הנקראות אורגנואידים. ההתמיינות הייתה מהירה יותר, אך האורגנואידים שהתקבלו היו קטנים יותר.

חשיבותו של NOTCH2NL בתאי גזע

מדוע יש ל-NOTCH2NL חשיבות רבה כל כך בהתפתחות המוח? על שאלה זו ענה המאמר השני, בראשות הביולוג ההתפתחותי פייר ונדרהייכן (Vanderhaegen) מהאוניברסיטה החופשית של בריסל ומאוניברסיטת לובן בבלגיה. קבוצתו של ונדרהייכן חקרה תאי גזע מעוברי אדם שעברו הפלות. באמצעות אלגוריתם ממוחשב שפיתחו, חיפשו החוקרים בתאי הגזע האלו גֵנים ספציפיים לאדם שאינם קיימים בפרימטים אחרים, ופעילים במהלך ההתפתחות העוברית של המוח. הם מצאו 35 גֵנים כאלה, הפעילים בהתפתחותה של קליפת המוח, ובהם משפחת הגנים NOTCH2NL.

החוקרים התמקדו דווקא ב-NOTCH2NL בגלל חשיבותו של NOTCH2, שקדם לו באבולוציה, בתהליכים השולטים על התמיינות תאי גזע לתאי עצב או התחלקותם לתאי גזע נוספים. הם מצאו שביטוי של NOTCH2NL בתרבית תאי גזע של אדם מגדיל את מספר תאי הגזע העצביים. בשלב הבא רצו לדעת כיצד הביטוי של גן זה משפיע על התפתחות קליפת המוח בעובר, ולא בתרבית תאים, שהתהליכים המתרחשים בה אינם בהכרח שיקוף מדויק של התהליכים המתרחשים ביצור שלם (אף אם צעיר מאוד). עוברי האדם שהיו בידיהם היו בשלב מוקדם מכדי שיוכלו לראות בו התפתחות של קליפת המוח (לפני השבוע ה-24). לפיכך עשו את הניסוי בעוברי עכבר, שאפשר להוציאם מהרחם ביום ה-13 של ההיריון. החוקרים מצאו שביטוי NOTCH2NL של אדם אכן מגדיל את מספר תאי העצב במוח של עכבר.

ונדרהייכן מסביר ש-NOTCH2NL הוא מה שמבדיל בין היווצרות הנוירונים בקליפת המוח של בני אדם לבין היווצרותם בבעלי חיים אחרים. "מתא גזע אחד יכולים להיווצר שני תאי גזע עצביים, שני נוירונים או תא גזע עצבי אחד ונוירון אחד. NOTCH2NL מטה במקצת את שיווי המשקל הזה לכיוון של יצירת שני תאי גזע, שיכולים להמשיך להתחלק, בניגוד לנוירונים. המשמעות היא שבסופו של דבר ייווצרו יותר נוירונים. זהו אפקט קטן ומוקדם שיש לו תוצאות מרחיקות לכת מאוחר יותר, כפי שקורה הרבה באבולוציה", צוטט ונדרהייכן באתר Science Daily. עם זאת, המנגנון שבאמצעותו מתקבלת ההשפעה הזאת של הגן NOTCH2NL עדיין אינו ידוע.

המחקרים שתוארו כאן מגלים שינויים גנטיים ספציפיים למין האנושי, שייתכן שהייתה להם השפעה מכרעת על האבולוציה של התפתחות המוח בבני אדם. הבנה טובה יותר של שינויים אלה, וכן של המנגנון שבאמצעותו פועל מסלול NOTCH, תוכל לתרום, בין היתר, להבנה טובה יותר של מחלות נוירו-התפתחותיות כגון הפרעות הקשת האוטיסטית ו-ADHD.