לומדים לחיות ביחד

לפני כ-700 מיליון שנה התרחש המהפך הגדול ביותר בחיים על פני כדור הארץ: אחרי כמעט שלושה מיליארד שנים של חיים חד-תאיים, החלו להופיע בהדרגה יצורים רב-תאיים. ככל שהם השתכללו, התאים שלהם התמקצעו יותר ויותר בפעילות מסוימת, ומגוון התאים גדל בהתאם. אבל כל התאים של בעל חיים מסוים מגיעים מתא יחיד – הביצית המופרית – והם בעלי חומר גנטי זהה. אז איך הם נראים ומתפקדים אחרת לגמרי?

בכל סוג של תא מופעלים גנים שונים. הגוף צריך לדעת לשלוט גם על התפתחות והיווצרות התאים האלה בזמן המתאים, וגם לבקר את התפקוד שלהם. הוא עושה את זה באמצעות שליטה על הפעלת הגנים הרלוונטיים. כיצד התפתחה בקרת הגנים הזו? על כך מנסים לענות חוקרים ממכון ויצמן למדע באמצעות מבט אל יצורים קרובים יחסית לאותה מהפכה.

מטפסים על העץ

אחד הכלים הפשוטים לסווג את מידת המורכבות של יצורים חיים היא להתבונן על הסימטריה שלהם: לבני האדם ולרוב בעלי החיים האחרים שאנו מכירים יש סימטריית גוף דו-צדדית (Bilateral symmetry). ליצורים כמו מדוזות, יש סימטריה מעגלית, (Radial symmetry) ויצורים כמו ספוגי הים, לעיתים אינם סימטריים כלל.

מהסתכלות על עץ האבולוציה שמתאר את התפתחות המגוון של יצורים חיים, אפשר לראות שההתפתחות הסימטריה הדו צדדית הייתה מאוחרת יותר ומוצאה היה מיצורים בעלי סימטריה רדיאלית. היצורים בעלי סימטריה רדיאלית פשוטים יותר, ובעלי מגוון תאים מצומצם יותר.

מגוון אוכלוסיות

החוקרים ממעבדתו של עמוס תנאי, במחלקה לבקרה ביולוגית, בחנו במחקר חדש שלוש קבוצות מוקדמות יחסית של מטזואה, שטרם פיתחו סימטריה דו-צדדית. הקבוצות התפצלו זו מזו לפני כ-650 מיליוני שנים ועברו ככל הנראה אבולוציה מקבילה, אך למינים השייכים לשלושתן יש מגוון מצומצם של תאים והבקרה הגנטית שלהם פשוטה יחסית. ספוגי ים (Porifera), ניזונים מסינון מים וההתמחות התאית שלהם מוגבלת מאוד; פלקוזואה (Placozoa), יצורים פשוטים המורכבים משתי שכבות תאים הניזונים מאצות בעזרת מערכת עיכול חיצונית; ויצורים דמויי מדוזות (Ctenophora), טורפים ימיים בעלי תאים מתמחים ומערכת דמוית מערכת עצבים.

החוקרים השתמשו בכלים מתקדמים למפות את ביטוי הגנים בתאים יחידים בתוך גוף בעל החיים, ועל ידי אפיון זה הצליחו בפעם הראשונה לזהות אוכלוסיות תאים חדשות ולהבין את התפתחות הבקרה הגנטית ליצירת מגוון אוכלוסיות מורכבות של תאים. בנוסף הם זיהו מגוון רחב של צורות בקרה גנטית, בהתאם למגוון סוגי התאים בכל יצור.

בתאים של הספוגים והפלקוזואה , בעלי מגוון מצומצם יותר של סוגי תאים, מצאו החוקרים אזורים ייחודיים מאוד ב-DNA, הקושרים רק כמות קטנה של חלבוני בקרה, השולטים בהפעלת הגנים, בדומה למתרחש אצל יצורים חד תאיים. לעומת זאת, אצל היצורים דמויי המדוזות, שהם בעלי מגוון רחב יותר של תאים, מצאו החוקרים אזורים גנטיים פחות ייחודיים, הקושרים באופן פחות ספציפי מגוון רחב יותר של חלבוני בקרה.

מסקרן ביראו (Beroe abyssicola), מקבוצת היצורים דמויי המדוזות. המורכבים ביותר במחקר | צילום: Science Photo Library

מאות חלבונים

קישור מועט של חלבוני בקרה ומגוון מצומצם שלהם, מפחית את האפשרות ליצירת מגוון של תאים. לדוגמה, חלבון בקרה יחיד מאפשר לייצר סוג אחד של תאים. כשיש שני חלבוני בקרה כבר אפשר ליצור שלושה סוגים: א', ב' ושילוב של שניהם.

ריבוי חלבוני בקרה מאפשר יותר צירופים להתמחות תאים, וזה פתרון שאנו מוצאים אצל יצורים בעלי סימטריה דו-צדדית, הנחשבים כאמור למתקדמים אבולוציונית. החוקרים אכן מצאו אצל הספוגים 168 חלבוני בקרת שעתוק ייחודיים לסוג תא, אצל הפלקוזואה 129 חלבונים כאלה ואצל היצורים דמויי המדוזות, המורכבים ביותר מאלו שנבדקו, לא פחות מ-231 חלבוני בקרה.

"מאמר זה ממשיך עבודה שלנו על מגוון התאים והבקרה עליהם בקנידריה (הקבוצה הכוללת את המדוזות) ואלה ניסיונות ראשונים לאפיין בצורה שיטתית סוגי תאים שעד כה מעולם לא נדגמו" אמר ארנאו סבה-פדרוס, הכותב הראשי של המאמר, לאתר מכון דוידסון. מחקר זה מבסס את האפשרות לחקור תהליכים ומגוון רחב של תאים שלא אופיינו בעבר על ידי דגימה של תאים בודדים רבים ומיפוי שלהם בשיטות מתקדמות כהשלכה על האורגניזם השלם.