מרוץ חימוש שמתחולל בגנום בודד: לדוגמא לאבולוציה משותפת בזבובי פירות יש השלכות על בריאות האדם

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
X-ray_Promo1


מרוצי חימוש ביולוגיים הם דבר שבשגרה בטבע. ברדלסים, למשל, פיתחו צורת גוף חלקה המתאימה לריצה מהירה, ומאפשרת להם לחגוג בצביונים מהירים דומים, שהמהירים שבהם עשויים להתחמק מטריפה. ברמה המולקולרית, תאי מערכת החיסון מייצרים חלבונים כדי לכבוש פתוגנים, אשר עשויים בתורם לפתח מוטציות כדי להתחמק מגילוי.

למרות שפחות ידועים, משחקים אחרים של רמה אחת מתגלים בתוך הגנום. במחקר חדש, ביולוגים מאוניברסיטת פנסילבניה מראים, בפעם הראשונה, עדויות למירוץ חימוש גנומי דו-צדדי הכולל קטעי DNA חוזרים ונשנים הנקראים לוויינים. "מתנגדים" ללוויינים המתפתחים במהירות במירוץ החימוש עומדים חלבונים המתפתחים במהירות שקושרים את אותם לוויינים.

בעוד שה-DNA הלוויין אינו מקודד גנים, הוא יכול לתרום לתפקודים ביולוגיים חיוניים, כגון יצירת מכונות מולקולריות המעבדות ושומרות על כרומוזומים. כאשר חזרות לוויינים מוסדרות בצורה לא נכונה, עלולות להיגרם פגיעה בתהליכים המכריעים הללו. שיבושים כאלה הם סימני היכר של סרטן ועקרות.

באמצעות שני מינים קרובים של זבובי פירות, חוקרים בדקו את מרוץ החימוש הזה על ידי הצגת חוסר התאמה בין המינים, למשל, הדנ"א הלוויין של מין אחד מול חלבון קושר הלווין של המין האחר. כתוצאה מכך היו ליקויים חמורים בפוריות, שהדגישו את האיזון העדין של האבולוציה, אפילו ברמה של גנום בודד.

"אנחנו בדרך כלל חושבים על הגנום שלנו כקהילה מגובשת של אלמנטים שיוצרים או מווסתים חלבונים כדי לבנות אדם פורה ובעל קיימא", אומרת מיה לוין, עוזרת פרופסור לביולוגיה בבית הספר לאמנויות ומדעים של פן והכותבת הבכירה על העבודה. , פורסם ב ביולוגיה נוכחית. "זה מעורר את הרעיון של שיתוף פעולה בין האלמנטים הגנומיים שלנו, וזה במידה רבה נכון.

"אבל חלק מהאלמנטים האלה, אנחנו חושבים, בעצם פוגעים בנו", היא אומרת. "הרעיון המדאיג הזה מצביע על כך שצריך להיות מנגנון שישמור עליהם".

ממצאי החוקרים, שכנראה יהיו רלוונטיים גם בבני אדם, מצביעים על כך שכאשר DNA לווייני בורח מדי פעם מהניהול של חלבונים קושרים ללוויין, עלולות להיווצר עלויות משמעותיות לכושר, כולל השפעות על מסלולים מולקולריים הנדרשים לפוריות ואולי אפילו אלו הרלוונטיות ב- התפתחות סרטן.

"ממצאים אלה מצביעים על כך שיש אבולוציה אנטגוניסטית בין האלמנטים הללו שיכולה להשפיע על המסלולים המולקולריים המשומרים והחיוניים הללו", אומרת קארה ברנד, פוסט דוקטורט במעבדתו של לוין ומחברת הראשונה על העבודה. "זה אומר שלאורך זמן אבולוציוני, נדרשת חדשנות מתמדת כדי לשמור על הסטטוס קוו."

פרדוקס אבולוציוני

זה זמן רב ידוע שהגנום אינו מורכב רק מגנים. בין גנים המביאים לחלבונים אפשר למצוא קטעים ארוכים של מה שלוין מכנה "זלולדיגוק".

"אם גנים הם מילים והייתם קוראים את הסיפור של הגנום שלנו, החלקים האחרים הללו אינם קוהרנטיים", היא אומרת. "במשך זמן רב התעלמו ממנו כזבל גנומי".

DNA לווייני הוא חלק ממה שנקרא "זבל". ב תסיסנית מלנוגסטר, מיני זבובי הפירות המשמשים לעתים קרובות כמודל מדעי של אורגניזם, חזרות לוויינים מהוות בערך מחצית מהגנום. עם זאת, מכיוון שהם מתפתחים כל כך מהר ללא כל תוצאה תפקודית נראית לעין, מדענים נהגו להאמין שחזרות לוויינים לא יעשו משהו מועיל בגוף.

אבל עבודה עדכנית יותר תיקנה את תיאוריית ה"דנ"א הזבל" הזו, וחשפה כי ה"גובלדיגוק", כולל חזרות לוויינים, ממלא מגוון תפקידים, רבים הקשורים לשמירה על שלמות הגנום והמבנה בגרעין.

"אז זה מציג פרדוקס", אומר לוין. "אם האזורים האלה בגנום שחוזרים על עצמם באמת עושים עבודות חשובות, או, אם לא מנוהלים כראוי, עלולים להזיק, זה מצביע על כך שאנחנו צריכים לשמור עליהם בשליטה."

בשנת 2001, קבוצת מדענים העלתה תיאוריה, שהציעה כי מתרחשת אבולוציה משותפת, כאשר הלוויינים מתפתחים במהירות וחלבונים קושרים ללוויין מתפתחים כדי לעמוד בקצב. בשני העשורים שחלפו מאז, מדענים הציעו תמיכה בתיאוריה. בעזרת מניפולציה גנטית, מחקרים אלה הכניסו חלבון קושר ללוויין ממין אחד לגנום של מין קרוב וצפו במה שקורה כתוצאה מחוסר ההתאמה.

"לעתים קרובות חילופי גנים אלה גורמים לחוסר תפקוד", אומר ברנד, "במיוחד משבש תהליך שמתווך בדרך כלל על ידי אזורים בגנום המועשרים ב-DNA שחוזר על עצמו".

כלים חדשים להוכחת המקרה

חקירות אלו העניקו תמיכה לתיאוריית האבולוציה הקומית. אבל עד שהחוקרים יכלו לתמרן בניסוי את שני החלבון הקושר ללוויין ו ה-DNA הלוויין, אי אפשר יהיה להוכיח שהשיבוש שהם צפו נוצר בגלל אינטראקציה בין שני היסודות.

בעבודה הנוכחית, לוין וברנד מצאו דרך לעשות בדיוק את זה. מין זבוב פירות אחר, תסיסנית סימולנסחסרה חזרה לוויינית המשתרעת על 11 מיליון זוגות בסיסים נוקלאוטידים עצומים שנמצאו אצל קרוב משפחתו, ד מלנוגסטר. ידוע כי לוויין זה תופס את אותו מיקום תאי כמו חלבון הנקרא אימהית הפלואידית (MH). לחוקרים הייתה גם גישה לזן מוטנטי של ד מלנוגסטר שאין להם את החזרה של 11 מיליון זוג בסיסים.

"מסתבר שהזבוב יכול לחיות ולהתרבות מצוין בלי החזרה הזו", אומר לוין. "אז זה נתן לנו הזדמנות ייחודית לתמרן את שני הצדדים של מירוץ החימוש".

כדי לחקור תחילה את צד החלבון הקושר ללוויין, החוקרים השתמשו במערכת עריכת הגנים CRISPR/Cas9 כדי להסיר את הגן MH המקורי מ ד מלנוגסטר ולהוסיף בחזרה את ד סימולנים גרסה של הגן. בהשוואה לנקבות בקרה, זבובים נקבות עם ה ד סימולנים הגן MH הפחית משמעותית את הפוריות, ויצר פחות ביציות באופן משמעותי.

זבובים שחסרו להם MH לחלוטין, לעומת זאת, לא הצליחו להוליד אף צאצא; העוברים לא היו ברי קיימא.

"זה היה מעניין כי זה הראה שהחלבונים הקושרים ללוויין חיוניים, למרות שהם מתפתחים במהירות", אומר ברנד. "החלפת הגנים הראתה לנו שאנחנו יכולים להציל את היכולת ליצור עוברים. אבל תפקוד אחר, הקשור לייצור השחלות והביציות, נפגע".

בהסתכלות מקרוב על השחלות, ברנד ולווין גילו שהסיבה הנראית לעין להפחתת היווצרות הביציות והשחלות התנוונות היא נזק ל-DNA. נזק כזה גורם לרוב לחלבון מחסום לעצור מסלולי התפתחות. כאשר החוקרים חזרו על הניסויים בזבוב עם חלבון מחסום שבור, רמות ייצור הביצים הוחזרו לרמה גבוהה יותר.

לוין וברנד היו מוכנים אז לבדוק את הצד השני של מרוץ החימוש הקו-אבולוציוני, כדי למצוא ראיות לכך שהבעיות שהתעוררו עם החלבון MH המוחלף נבעו מחוסר התאמה ללוויין בן 11 מיליון זוגות הבסיס, או אם הם פעלו על יסוד גנטי שונה. כאן הם הסתמכו על ד מלנוגסטר זן שחסר את החזרה ומצא שהחלפת הגנים לא השפיעה כעת על הזבובים האלה. רמות נזקי ה-DNA, ייצור הביציות וגודל השחלה היו כולם תקינים.

הסתכלות על קרוב משפחתו הקרוב ביותר של חלבון MH בבני אדם, חלבון בשם ספרטן, נתן למדענים רמז לגבי המנגנון מאחורי התוצאות הללו. בבני אדם, ספרטן מובן כמעכל חלבונים שיכולים להיתקע על DNA, מהווים מכשול לתהליכים שונים ואריזות שה-DNA חייב לעבור. "אחרי כל מה שגילינו עד כה", אומר לוין, "חשבנו שאולי הגרסה השגויה הזו של החלבון לועסת משהו שאסור לו".

אחד החלבונים שממוקדים בו לעתים קרובות על ידי ספרטן הוא Topoisomerase II, או Top2, אנזים שיכול לסייע בפתרון סבכים ב-DNA פצוע בחוזקה ומסתבך. כדי לראות אם ההשפעות השליליות של אי-ההתאמה של הגן MH נובעות מהשפלה לא הולמת של Top2, הם הביאו לידי ביטוי יתר של Top2 ומצאו שהפוריות שוחזרה. הפחתת Top2, לעומת זאת, החמירה את הירידה בפוריות.

"תהליך התיקון הזה ש-MH מעורב בו קורה בשמרים, בזבובים, בבני אדם, מעבר לעץ החיים", אומר ברנד. "עם זאת אנו רואים אבולוציה מהירה או אדפטיבית של החלבונים הללו המעורבים. זה מצביע על כך שמסלול זה לכאורה שמור וחיוני דורש חדשנות אבולוציונית." במילים אחרות, האבולוציה המשותפת חייבת להתקדם במהירות, רק כדי לשמור על המסלול החיוני הזה.

השלכות מעבר לזבובים

בעבודה עתידית, ברנד ולווין יחפשו לראות אם חלקים של הגנום מעבר ללוויינים מעורבים ויחפשו באורגניזמים אחרים, כולל יונקים, כדי להתעמק בשחקנים המולקולריים של מירוצי החימוש האבולוציוניים הללו.

"אין שום סיבה להאמין שמירוצי החימוש האלה מתרחשים רק בזבובים", אומר לוין. "אותם סוגי חלבונים ולוויינים אצל פרימטים מתפתחים גם הם במהירות וזה אומר לנו שמה שאנחנו חוקרים רלוונטיים באופן נרחב".

לגנים המוקדיים המעורבים במחקר זה תפקידים חשובים בבריאות האדם. מוטציות ספרטניות נקשרו לסרטן וויסות לא יעיל של DNA לווייני עלול לשפוך אור על אי פוריות והפלה.

"מספר ההפלות גבוה להפליא, ובוודאי ש-DNA לווייני הוא מקור לא בדוק לאנופלואידיה וחוסר יציבות גנום", אומר לוין.

מיה לוין הוא עוזר פרופסור במחלקה לביולוגיה בבית הספר לאמנויות ומדעים של אוניברסיטת פנסילבניה.

קארה ברנד הוא חוקר פוסט-דוקטורט במחלקה לביולוגיה של פן בבית הספר לאמנויות ומדעים.

עבודה זו נתמכה על ידי הקרן לחקר מדעי החיים והמכונים הלאומיים לבריאות (Grant GM124684).



קישור לכתבת המקור – 2022-05-27 19:13:47

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר