אילן יוחסין אימהי על פי דנ"א מיטוכונדרי

לכולנו מוכרים אילנות יוחסין המתעדים את זרימתם במהלך הדורות של תארים, אדמות ועושר מאב לבן. כמעט כל אילנות היוחסין המוכרים לנו בתרבות המערבית בנויים על פי תורשה מצד האב (שם המשפחה). הסיבה לכך נעוצה בגישה הפטריארכלית של תרבות המערב: השם, העושר והמעמד עברו בשושלת הגברים. כתוצאה מכך, בדרך כלל קשה מאוד להתחקות אחר אילן היוחסין מצד האם.

בריאן סייקס: "שבע בנות חווה", הוצאת עם עובד/ספריית אפקים 2003. תרגום: אלי שאלתיאל

המיטוכונדריונים – שליחים אימהיים מיוחדים

המיטוכונדריונים (mitochondria) הם מבנים זעירים שקיימים כמעט בכל תא בגופנו (בתאי דם אדומים בוגרים אין מיטוכונדריונים). הם שוכנים בציטופלזמה של התא, ומכילים אנזימים הקשורים לתהליכי הפקת אנרגיה מחומרי המזון והחמצן ובניית ATP. ככל שהתא נמרץ יותר, גדולים יותר צורכי האנרגיה שלו והוא מכיל מספר רב יותר של מיטוכונדריונים.

תא כבד ממוצע מכיל יותר מאלף מיטוכונדריונים ואילו תא שריר שלד פעיל עשוי להכיל עד ארבעת אלפים מיטוכונדריונים. במרכזו של כל מיטוכונדריון טמונה פיסת דנ"א זעירה, מיני-כרומוזום, שאורכו רק 16,500 נוקליאוטידים – זהו מספר זעיר לעומת שלושה מיליארד הנוקליאוטידים בכרומוזומים שבגרעין התא. הנוקליאוטידים המרכיבים את הדנ"א מכונים פעמים רבות גם "בסיסים", משום שהרכיב המבדיל בין הנוקליאוטידים השונים הם בסיסים חנקניים – כל נוקליאוטיד כולל אחד מתוך ארבעה בסיסים אפשריים: A, T , C או G.

אף על פי שמורכבות התאים, הרקמות והיצורים השלמים עוצרת נשימה, הדרך בה נכתבות הוראות הדנ"א (DNA) היסודיות פשוטה להדהים. בדומה לשיטות קידוד מוכרות יותר, כמו שפה, מספרים או קוד בינארי, לא הסמלים עצמם הם החשובים אלא סדר הופעתם. לדוגמה: משמעותן של שתי המילים "רזה" ו"זרה" המכילות אותן אותיות, נבדלת רק בגלל סדר האותיות.

הדנ"א המיטוכונדרי יחיד במינו מכמה בחינות: ראשית, זהו דנ"א מעגלי, בדומה לדנ"א של חיידקים. שנית, הגנים האחראיים על פעולת המיטוכונדריונים מצויים בחלקם בדנ"א הגרעיני ובחלקם בדנ"א המיטוכונדרי. ושלישית – וזו התכונה החשובה ביותר לענייננו: שלא כדנ"א הגרעיני, הדנ"א המיטוכונדרי עובר בירושה רק מהאם, וזאת גם לבנותיה וגם לבניה הזכרים.

כיצד קורה הדבר? בציטופלזמה של ביצית אישה דחוסים כרבע מיליון מיטוכונדריונים. בזירעון הגבר, לעומת זאת, יש מיטוכונדריונים מעטים בלבד, די הצורך לספק אנרגיה לשחיית תא-הזרע במעלה הרחם וצינור הביציות (החצוצרה) כלפי הביצית. בעת ההפריה תא הזרע חודר כולו לתוך הביצית, ובהמשך חל פירוק של ראש תא הזרע מן הזנב.

הפירוק כולל את המיטוכונדריונים שמקורם בתא הזרע. בזיגוטה שנוצרה מהתלכדות הביצית עם הזירעון יש עכשיו דנ"א גרעיני משני ההורים, אבל המיטוכונדריונים היחידים שיש בתוכה, לאורך כל תהליך ההתפתחות מעובר לבוגר, הם אלה שהיו בציטופלזמה של ביצית האם או עותקיהם המדויקים. כמובן שגם לזכרים יש מיטוכונדריונים בכל תאי הגוף, אך רק הנשים מעבירות את הדנ"א המיטוכונדרי אל הצאצאים.

שבע בנות חווה המיטוכונדרית

בריאן סייקס, פרופסור לגנטיקה של האדם באוניברסיטת אוקספורד, אנגליה, חקר במעבדתו את המסר החבוי בדנ"א המיטוכונדרי ועובר מדור לדור דרך אילן היוחסין האימהי. תוך כדי המחקר הסתבר כי בדנ"א המיטוכונדרי רשומה לא רק ההיסטוריה הפרטית שלנו, אלא גם ההיסטוריה של המין האנושי כולו. הדנ"א שבגופנו יכול לשמש כמסמך שהועבר אלינו מאבותינו... סליחה, מאימותינו. מסמך שאינו דוהה, אינו נשחק ברוח ובגשם, וגם לא נהרס באש וברעידת אדמה. "זהו נוסע מארץ קדומה החי בגופו של כל אחד מאתנו" אומר סייקס.

מוטציות ואבולוציה

שינויים בדנ"א התאי, הן בזה שבמיטוכונדריונים והן בזה שבגרעין, מתרחשים באופן אקראי כתוצאה מתהליכים שונים: כשנופלות שגיאות בהעתקת הדנ"א בזמן חלוקת התא, ובתנאי חשיפה לגורמים מוטגניים – משרי מוטציות, כמו לקרינה על-סגולה וקרני X או לחומרים מסרטנים.

בתאי הגוף מצויים מנגנונים משוכללים לסילוק טעויות כאלו, אבל למרות זאת, לעתים חומקות טעויות מן הפיקוח הזה. טעויות כאלו מכונות "מוטציות". אם המוטציות מתרחשות ב"תאי הנבט" שמהם נוצרים ביציות וזרעונים, הן עשויות לעבור הלאה אל הדור הבא. מוטציות המתרחשות בשאר תאי הגוף - התאים ה"סומָטים" – לא יעברו לדורות הבאים.

למרבית המוטציות אין כל השפעה על היצור החי או על צאצאיו; במוטציות ניתן להבחין רק לעתים רחוקות, כשהן משבשות את פעולתו של גן וגורמות למחלה. בתנאים רגילים, קצב התרחשות המוטציות בדנ"א הגרעיני נמוך ביותר: בכל חלוקת תא, עלולה להופיע, בממוצע, טעות בהעתקה של נוקליאוטיד דנ"א אחד לכל מיליארד נוקליאוטידים.

את האבולוציה של בעלי החיים, שהתרחשה לאורך עשרות ומאות מיליוני שנים, ניתן לחקור באמצעות מעקב אחר מוטציות בדנ"א הגרעיני. קצב המוטציות האיטי מתאים למעקב אחר שינויים בפרק זמן כה ארוך. ההיסטוריה של המין שלנו Homo sapiens התרחשה לאורך כמאה וחמישים אלף שנים, שהם כ-600 דורות לפי 25 שנה לדור. על מנת לבצע מחקר אבולוציוני לאורך ההיסטוריה האנושית הזו דרוש לחוקרים "שעון מולקולרי" מהיר יותר מזה שמשמש כרגיל לחקר האבולוציה, "שעון" שבאמצעותו ניתן יהיה לחשב את מהלך הזמן לפי עדויות בדנ"א.

כשהקצב איטי - המעקב פחות אמין

כאשר קצב המוטציות אטי, כמו בדנ"א הגרעיני, השינויים שהופיעו במהלך הדורות אינם מספיקים לצורך מעקב אמין אחר ההיסטוריה האנושית. והנה, השינויים בדנ"א המיטוכונדרי מספקים תיעוד שכזה, מכיוון שתהליך שיכפול הדנ"א המיטוכונדרי מצטיין בקצב מוטציות גדול פי עשרים מזה של הדנ"א הגרעיני. מאחר שידוע מהו קצב "תקתקו של השעון המולקולרי" ניתן לחשב בעזרתו מהו גילה של השושלת, מכיוון שלאורך אלפי השנים בהן הועבר הדנ"א מדור לדור צברו השושלות העתיקות שינויים מולקולריים רבים יותר מהצעירות.

התכונות שמנינו בדנ"א המיטוכונדרי הן מושלמות מבחינת מחקר אבולוציוני-אנושי: קטע קצר של דנ"א עשיר במוטציות נייטראליות, העובר רק דרך שושלת אימהית.

השיטה בה משתמשים לחקר רצף המבנה של דנ"א מיטוכונדרי מתבססת על השוואה בין הרצף הנבדק לבין מערכת ייחוס, שהיא הדנ"א המיטוכונדרי האנושי הראשון שהרצף שלו פוענח בשלמותו כבר בשנת 1981.

האוגרת הזהובה והצאר הרוסי

בשלב הראשון של המחקר נשאלה השאלה: האם קצב המוטציות באזור הבקרה המיטוכונדרי אינו גבוה מדי ? קצב המוטציות צריך לאפשר תוצאות משמעותיות במהלך תורשה לאורך כ-600 דורות. הדרך האידיאלית לענות על שאלה זו הייתה למצוא מספר גדול של בני אדם חיים שהם צאצאים ידועים של אשה אחת. ואולם זו הייתה דרך ארוכה ומסובכת. פתרון טוב יותר עלה בדעתו של פרופ' סייקס: להשתמש בחיות.

סייקס החליט לבדוק את הדנ"א המיטוכונדרי של אוגרי המחמד הזהובים, אשר לפי מידע שהיה בידו, מוצא כולם מאם אחת - אוגרת שנתפסה במדבר הסורי בשנת 1930 (על-ידי הזואולוג ישראל אהרוני). האוגרים מעמידים בין ארבעה לחמישה דורות בשנה. לפי החישוב, כבר עברו 250 דורות מאותה אם הראשונה. בדיקת 35 אוגרים מכל רחבי העולם העלתה כי רצף הנוקליאוטידים באזור הבקרה המיטוכונדרי זהה בכולם לחלוטין!

המסקנה הייתה כפולה:

א. הסיפור על האם הקדמונית של האוגרים הזהובים מדויק: כולם צאצאיה של נקבה אחת.

ב. חשוב יותר מבחינתנו: אזור הבקרה המיטוכונדרי נשאר יציב לחלוטין במשך 250 דורות. אין יסוד לחשש שמא המוטציות באזור זה מתרחשות מהר מדי.

בשלב הבא של המחקר, היה צורך לענות על השאלה הבאה: האם, על פי בדיקות דנ"א מיטוכונדרי שהופק מעצמות עתיקות, ניתן לקבוע קרבת משפחה של בני אדם חיים לקרוביהם המתים?

הבעיה שהטרידה את העם הרוסי

אל מנת לענות על שאלה זו החליט סייקס לרתום את הידע המעבדתי לפתרון בעיה שהעסיקה את העם הרוסי: מהו מקום קבורתם של אחרוני המשפחה המלכותית של רוסיה – משפחת רומנוב.

בשנת 1991 הוצאו שרידי תשע גופות מקבר בהרי אוראל שברוסיה. ההשערה הייתה שאלה הם שרידי משפחת רומנוב, שהוצאו להורג ביולי 1918 עם הרופא שלהם ושלושה משרתים במרתף הבית בו הוחזקו אסורים בידי הבולשביקים. על מנת להתחקות אחר מקורם של השרידים, הופק מעצמותיהם דנ"א מיטוכונדרי. בבדיקות זוהו שתי מערכות דנ"א מיטוכונדרי מלכותי: הצארינה המשוערת וכל שלוש בנותיה היו בעלות רצף זהה, ואילו הצאר המשוער, שקיבל את הדנ"א המיטוכונדרי מאמו, היה בעל רצף שונה. תוצאות כאלר נכונות לגבי כל משפחה: תמיד יהיה הדנ"א המיטוכונדרי של האב שונה מזה של האם ושל ילדיו.

זו אמנם הוכחה לכך שניתן להשוות רצפי דנ"א שהופק מאנשים חיים לזה שהופק מעצמות, אך עדיין נותר לוודא את הזיהוי השרידים כשרידי משפחת רומנוב. לשם כך היה צורך למצוא קרובים חיים של הצאר ושל הצארינה מצד האם בלבד. למרבה המזל, נמצאו קרובים כאלה והתקבלו מהם דגימות דנ"א להשוואה עם הדגימות שנחפרו. והתוצאות: הרצפים של הצארינה המשוערת ושלוש בנותיה הראו התאמה מדויקת לרצף של הדוכס מאדינבורו - קרובן החי מצד שושלת האם.

לעומת זאת, רצף הדנ"א של הצאר המשוער היה שונה בבסיס אחד מזה של קרובו החי מצד שושלת אמו – הרוזן טרובוצקי. בדיקה נוספת של הדנ"א הצארי המשוער העלתה שיש בו תערובת של שני רצפי דנ"א מיטוכונדריים. התגלה כאן מצב נדיר: מוטציה חדשה בשושלת, בבסיס מספר 169, שהיתה בדרכה להפוך למוטציה מבוססת, הופיעה רק בחלק קטן של המיטוכונדריונים של שרידי הצאר, אך בדנ"א של קרובו החי כבר התבססה המוטציה והשתלטה על כל אוכלוסיית הדנ"א המיטוכונדרי.

תופעה זו, שבה מוצאים שני סוגים של דנ"א מיטוכונדרי אצל אדם אחד, קרויה הטרופלזמה. באמצעות הדנ"א המיטוכונדרי הצליחו להוכיח, אם כן, קשר-אם רצוף בין עצמות הצאר שנמצאו לבין קרובו החי של הצאר ניקולאי. הטכניקה עובדת!