חוקרים מצאו שמוטציה מזיקה גורמת למיטוכונדריה בתאים של תולעים להתרבות דווקא במצבי רעב, אך מספיק תולעים שורדות כדי להעביר את אותה לצאצאיהן

כאשר מוטציה מזיקה מופיעה בקוד הגנטי של יצור חי כלשהו, הברירה הטבעית לרוב מנפה אותה החוצה תוך כמה דורות - וככל שהיא מזיקה יותר ליצור הנושא אותה, כך היא תיעלם מהר יותר. אך יש מקרים בהם מוטציות מצליחות לחמוק מגורל כזה, למרות הנזק שהן גורמות. 

במחקר חדש חוקרים מארצות הברית בחנו מקרה אחד כזה, והסבירו איך מוטציות מזיקות בחומר הגנטי מצליחות לשרוד מדור לדור. הם מראים שהגֵנים הפגומים מנצלים לטובתם את מנגנוני ההתמודדות של יצורים חיים עם תקופות של מחסור. כך קורה שלמרות הפגיעה שלהם ביכולת ההישרדות של בעל החיים, חלק מנשאי המוטציה יצליחו לפצות עליה ולשרוד. 

המוטציה הזו הופיעה בגן של המיטוכונדריון, מיטוכונדריה ברבים, אברון תוך תאי שנמצא בעותקים רבים בכל תא של בעל חיים או צמח. הוא מכונה "תחנת הכוח של התא", שכן תפקידו הוא להפיק את האנרגיה הדרושה לפעילות התא באמצעות פירוק סוכר. בדומה לכלורופלסטים של צמחים, ובשונה משאר האברונים בתא, למיטוכונדריון יש DNA משלו, נפרד ושונה בצורתו מה-DNA בגרעין התא. 

ההסבר המקובל להיווצרות המיטוכונדריה גורס שבמקור הם החלו כחיידק, או יצור חד-תאי אחר מחוסר גרעין, שנבלע בידי תא גדול ממנו. אולם במקום להתעכל, התא הנבלע פיתח יחסי גומלין הדדיים עם התא הבולע, ובסופו של דבר תלות ממשית, שבה התא הגדול מספק למיטוכונדריון סביבה מוגנת ומקבל בתמורה אנרגיה זמינה. 

כיום המיטוכונדריה הם המערכת היעילה ביותר לייצור אנרגיה בתא, ולצד החלבונים שהם מייצרים מה-DNA שלהם, הם נעזרים גם בפעילותם של גֵנים רבים שנמצאים בגרעין התא. אפילו ההתרבות שלהם כפופה לאמצעי בקרה שנמצאים ב-DNA הגרעיני, ואינה יכולה להתרחש ללא מנגנוני התא. מספר העותקים של המיטוכונדריה בכל תא כפוף כך לתפקידו של התא בגוף החי ולצרכיו.

במחקר החדש בחנו החוקרים איך תנאי הסביבה משפיעים על רמות שונות של תחרות – מאורגניזמים שלמים ועד מולקולות ה-DNA המיטוכונדרי בתוך כל תא. תנאי הסביבה יכולים לעודד שיתוף פעולה וליצור קבוצה שפועלת יחד ושורדת טוב יותר מהיחיד, אך לשם כך כל משתתף צריך לתרום משאבים למען הקבוצה. עם זאת, במהלך האבולוציה עלולות להיווצר מוטציות "אנוכיות", שיוצרות פרט שנהנה משיתוף הפעולה, אך לא תורם לו – ואפילו מזיק. 

תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של DNA מיטוכונדרי | Don W. Fawcett, Science Photo Library
למיטוכונדריון יש DNA משלו, נפרד ושונה בצורתו מה-DNA בגרעין התא. תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של DNA מיטוכונדרי | Don W. Fawcett, Science Photo Library

מלחמת הישרדות

כדי לחקור את התופעה השתמשו החוקרים בתולעת הקטנטנה Caenorhabditis elegans, שנחקרת רבות והרצף הגנטי שלה ידוע. הם התמקדו במוטציה מוכרת ב-DNA המיטוכונדרי שלה,  שגורמת למיטוכונדריה לעקוף את מנגנוני הבקרה התאית השולטים על השכפול שלהם. כך נוצרים עוד ועוד עותקים פגומים של האברון, לצד העותקים התקינים שלו, והם ממשיכים להשתכפל ללא קשר לצורכי התא.

החוקרים גילו שבמצבי שפע, כאשר יש מספיק אוכל לכולם, התולעים הנושאות את המוטציה והתולעים הרגילות משגשגות באותה מידה. במצבים האלה גם מספר העותקים של ה-DNA המיטוכונדרי המוטנטי בתולעים הנשאיות נשאר יציב. לעומת זאת, במצבים של מחסור במשאבים, התולעים עם המוטציה ה"אנוכית" במיטוכונדריה שלהם התקשו יותר לשרוד, שכן המוטציה פגעה ביכולת שלהן להתחרות עם תולעים אחרות. 

במהלך המחקר זוהה חלבון שמשפיע על שכפול ה-DNA המוטנטי, ונמצא שהוא ממלא תפקיד בהתמודדות של התולעים עם מצבי רעב. אצל אלה שנושאות את הגֵן האנוכי נמצא כי החלבון מגביר את שכפול  הדנא המיטוכונדריאלי בתא, כולל השכפול שלו עצמו, דווקא בזמן הרעב, ולכן גוזל משאבים מהתא ופוגע בכושר ההישרדות של התולעת. 

אם המוטציה פוגעת ביכולת התולעים לשרוד במצבי רעב, איך היא מצליחה לשרוד מדור לדור? נראה כי קיים איזון עדין בין הבזבוז שגורמת המוטציה ליכולת ההתמודדות הטובה עם רעב שפיתחו התולעים לאורך האבולוציה שלהן. למרות המחסור, חלק מהתולעים הנשאיות מצליחות לשרוד - ואלו מעבירות לצאצאיהן הרבה מאוד מיטוכונדריה עם הגן המוטנטי, כי הוא טורח לייצר עותקים רבים של עצמו. המודל הזה יכול לתרום להבנתנו את המחלות המיטוכונדריות, ואת האופן שבו גֵנים פגומים עוברים מדור לדור לאורך האבולוציה, למרות הנזק שהם גורמים. 

 

6 תגובות

  • משה

    האם הגן הזה שונה מאחרים?

    בסופו של דבר כל גן ישרוד כל עוד הוא מצליח לעבור לדור הבא. לא נראה לי שזה משנה כל כך אם הוא מועיל לאורגניזם או לא, כל עוד הוא מצליח לעבור לדור הבא. זה אולי נדיר שגן מזיק יצליח לשרוד אבל קל לחשוב על מקרים בהם זה אפשרי, ואני בטוח שהמקרה המצויין כאן הוא רק אחד מני רבים. ישנו ספר מדע בדיוני שנקרא "ראיה עוורת" אם אינני טועה, שם עולה הטענה שהמודעות האנושית עצמה היא מוטציה כזו, שאינה באמת הכרחית להשרדות מיטבית של האדם.

  • אתי ריווט

    שיתוף פעולה בתחום הגנטיקה עם תלמידים מחוננים

    שלום רב
    אנחנו מלמדות קורס גנטיקה על קצה המזלג לתלמידים מחוננים בכתה ו, היינו שמחים לקחת חלק במשימתחקר אצלכם במכון וייצמן המתאימה לתלמידים מחוננים בבית ספר יסודי תוד אתי וענת

  • שירה כרמי

    שלום אתי,

    שלום אתי,
    אשמח אם תוכלי להעביר לי פרטי התקשרות שאוכל להפנות לרכזת ביולוגיה.
    תודה

  • קובי דרורי

    מוטציות

    אתה כותב בתחילת המאמר "כאשר מוטציה מזיקה מופיעה בקוד הגנטי של יצור חי כלשהו, הברירה הטבעית לרוב מנפה אותה החוצה תוך כמה דורות" ראשית, כשאתה כותב הברירה הטבעית "מנפה" אותם, אתה כאילו מרמז על תהליך מודע ואקטיבי. זו הטעיה, כי אין זה כך. מעבר לכך אותו תהליך בדיוק עוברת כמעט כל מוטציה אף אם היא בעלת ערך חיובי לאורגניזם. מוטציות בעיקרון נעלמות ונטמעות בתוך המין עצמו תוך מספר מועט של דורות. כך מראים הרבה מאוד ניסויים עם זבובי פירות. וזה בהחלט מעלה את שאלת השאלות - אז איך יש מגוון כל כך עצום של חיים על הארץ. והשאלה הזו צריכה להיות מודגשת יתר כשמסתכלים על יונקים. ביונקים יש מנגנון אקטיבי פי53 חלבון שתפקידו להשוות בין התא המשוכפל למקור ולהשמיד תאים מוטציוניים. והמסקנה שלי שתיאורית האבולוציה פשוט אינה יכולה להסביר את מגוון החיים על הארץ. במיוחד כאשר יש כל הרבה גנים חדשים ביצורים רבים (דה נובו ג'ן) כולל בני אדם, שלא נמצאים באף אחד מהאבות או הצאצאים האבולוציוניים של אותו פרט, כך שלא ניתן לדבר על אבולוציה אלא על אולי השתלה - "תכנון תבוני אתאיסטי" נראה הרבה יותר הגיוני. למרות שרובכם לא מעיזים לגעת בתחום מחשש שתעוררו גלי צחוק באקדמיה. אבל לא ירחק היום ומדען עם ביצים גדולות יעשה זאת, ואתם תצטרכו להצטדק ולהצדיק בכל ענות חלושה את תמיכתכם בתיאוריה הכושלת הזו.

  • משה

    האם כשאני כותב שהרוח מזיזה את הדיונות במדבר

    אני מרמז לתהליך מודע?
    האם כשאני כותב שפילטר הפחם ממפה החוצה יונים של כלור ופלואור אני מרמז לתהליך מודע? הברירה הטבעית היא עקרון שפועל במציאות, והוא מהפה החוצה גנים שאינם מיטביים להשרדות. זה לא אומר שיש כאן תהליך מודע, ואין צורך להפוך כל פועל לסביל רק כי הוא דן באבולוציה. אנחנו מספיק בוגרים כדי לא להתבלבל.

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןליאור פייגון

    שלום קובי דרורי,

    שלום קובי דרורי,
    ראשית חשוב לי להבהיר: הניסוח הפעיל בהתייחסות לברירה טבעית, ש"מנפה" גנים, מקובל כי הוא נוטה להפוך משפטים לקריאים יותר. לא ניסיתי לרמוז שברירה טבעית היא תהליך מודע וחשוב להדגיש שמדובר בתהליכים ביולוגיים ומנגנונים כימיים.
    שנית, תיאוריית האבולוציה עולה בקנה אחד עם הממצאים של רבבות מחקרים, אם לא הרבה יותר, ביותר מ-160 שנה מאז פרסומה. אבל אחד הדברים היפים במדע זה שהוא כל הזמן בוחן את עצמו מחדש. אתה מוזמן בהחלט לפרסם את התיאוריה שלך במאמר מדעי, להציג את הניסויים והתצפיות התומכים בה, להציע תחזיות עתידיות שאפשר יהיה לבחון אם יתממשו ולהעמידה למבחן הקהילה המדעית והציבור.
    תודה ובהצלחה!