הורשה באמצעות RNA?

בניסוי שהתקיים באוניברסיטת ניס-סופיה שבניס, צרפת, שערכה קבוצה בראשותה של פרופ' מינו רסולזדגן (Rassoulzadegan), נמצא כי עכברים בעלי כתם לבן בקצה זנבם ירשו את התכונה מהוריהם, אף שהגנים של ההורים היו נורמליים והיו אמורים להעביר לצאצאים זנבות שחורים.

תופעות החורגות מחוקי מנדל מוכרות זה למעלה מ-50 שנה, ולפני כעשור כונו בשם הכולל "אֶפִּיגנטיקה" – תופעות שבהן שינויים מורָשים אינם קשורים לשינויים ברצף ה-DNA. המנגנונים האחראים לסוג זה של תורשה הם מתילציות (קשירת קבוצות מתיל) של ה-DNA ושינויים במבנה הכרומטין (הכרומטין הוא ה-DNA בצירוף החלבונים הנלווים אליו).

השינוי המורש בעכברים שבהם נעשה הניסוי מזכיר תופעה המכונה פָּארָאמוטציה (paramutation). תופעה זו, הנכללת אף היא בתחום האפיגנטיקה, מוכרת בעיקר בצמחים, ונחקרה בתירס כבר בשנת 1956. באירועים של פאראמוטציה, אלל של גן שעבר מוטציה משפיע על האלל התקין של הגן, ובדרך-כלל גורם להשתקתו. בתירס נחקרו שני גנים כאלה: b booster ו-r - red, המקודדים לחלבונים גורמי תעתוק המבקרים את הסינתזה של פיגמנט האנתוציאנין בתירס, וכתוצאה מפעילותם נוצרים גרגירי תירס צבעוניים. מוטציה באחד האללים של גנים אלה מונעת את סינתזת הפיגמנט בהטרוזיגוט.

האלל הפאראמוטגני

לכאורה, אפשר להסביר השתקה זו גם לפי חוקי מנדל: היווצרות מוטציה דומיננטית, שבמצב הטרוזיגוטי מבטלת את תכונות האלל התקין. ואולם, כשמכליאים צמח תירס הטרוזיגוטי לאחד מגנים אלה (b או r) עם צמח תירס בעל שני אללים תקינים של הגן, אזי, שלא כצפוי על פי חוקי הגנטיקה המוכרים, כל הצאצאים, ובכללם ההומוזיגוטיים הנושאים שני אללים תקינים של הגן, אינם מסנתזים את הפיגמנט.

תופעה זו, שבה אלל מוטנטי משנה את התכונות שמקנה האלל התקין של אותו גן והשינוי מורש לצאצאים גם בלא נוכחות האלל המוטנטי, מכונה פאראמוטציה. האלל המוטנטי, הגורם לשינוי, נקרא אלל פאראמוטגני, והאלל התקין שבו חל השינוי, בלא שינוי ברצף, מכונה אלל מוּעד לפאראמוטציה (paramutable allele). בכל אחד משני הגנים שהוזכרו לעיל פועל מנגנון שונה, אך בשניהם חל שינוי ברמת המתילציה של ה-DNA ובמבנה הכרומטין. התברר שמנגנונים שונים פועלים גם בשלב הופעת הפאראמוטציה, לעומת שלבי אחזקתה והעברתה.

בבדיקת רצף הגן b התברר שהמעֲצֵם(enhancer) של הגן, הכולל 853 זוגות בסיסים ונמצא במרחק 100 בסיסים לפני האזור המקודד, מופיע באלל הפאראמוטגני בכמה חזרות עוקבות, שמספרן מגיע אף לשבע. כמו כן נמצא, כי ככל שמספר החזרות גדול יותר, כך האלל הוא פאראמוטגני יותר.

תופעה כזו התגלתה לאחרונה גם באמבות, על-ידי החוקרת רבקה ברכה, ממעבדתו של פרופ' דוד מירלמן במכון ויצמן. טפיל האמבה באדם (Entamoeba histolitica) הוא בעל גנים רבים המקנים לו אלימות (כלומר, אחראים ליכולתו לגרום למחלה). אחד הגנים ההופכים את האמבה לאלימה הוא הגן המקודד לחלבון היוצר חורים בממברנת תאי המאכסן והורג אותם.

הגן נשאר משותק

כדי ללמוד על פעולת הגן, החדירו החוקרים לאמבה פלסמיד המכיל את הגן המקורי, את האזור המקַדם של הגן המקורי, וכן מקטע הנמצא לפניו ומופיע באמבה פעמים רבות. הגן יוצר החורים באמבה הושתק לחלוטין, ולהפתעתם הגמורה של החוקרים, נשאר מושתק גם לאחר הרחקת הפלסמיד. השתקה זו עמדה בעינה במשך דורות רבים של האמבות, ולמעשה עד היום שבו נכתבת כתבה זו, וזאת בלא שינוי ברצף הגן המקורי. החוקרים לא הבחינו בשינויים ברמת המתילציה של ה-DNA, אך הבחינו בשינויים במבנה הכרומטין. בעזרת אותו מקטע DNA, כשהוא מצורף לגנים שונים, הצליחו החוקרים לגרום להשתקתם של גנים נוספים האחראים לאלימות האמבה.

ובחזרה לעכברים שעל זנבם כתם לבן. החוקרים בקבוצתה של רסולזדגן יצרו מוטציה המדכאת את פעולתו של הגן kit, גן המקודד לקולטן המגיב לליגנדים שונים המעוררים חלוקת תאים והתמיינות. הקולטן הוא בעל פעילות של טירוזין קינאז (אנזים המוסיף זרחן לשיירי טירוזין וגורם להפעלה של אנזימים שונים נוספים), ומשתתף בתהליכי התפתחות חשובים, ובהם השלבים המוקדמים של התפתחות תאי הזרע, התפתחות שורות תאי דם ויצירת מלנוציטים – תאים היוצרים את הפיגמנט מלנין. כמו כן משתתף הקולטן בתהליכים תאיים המתווכים באמצעותו, כמו התרבות תאים, היצמדות והתמיינות. פגיעה בגן באדם גורמת להופעת סוגי סרטן שונים. עכברים הומוזיגוטיים למוטציה מתים זמן קצר לאחר לידתם, ואילו העכברים ההטרוזיגוטיים שורדים כשבקצה זנבם מופיע כתם לבן.

כמו במקרה של התירס, גם כאן, בהכלאה של העכברים ההטרוזיגוטיים ל-kit עם עכברים בעלי שני אללים תקינים של הגן, כל הצאצאים נשאו בקצה זנבם את הכתם הלבן, בלא תלות בנוכחות האלל המוטנטי או במין ההורה שנשא את המוטציה (בניגוד לתופעת ההטבעה ההורית, שבה יש חשיבות למין ההורה שהוריש לצאצא רצף DNA מסוים).

מכיוון ש-kit מעורב בהתפתחות תאי הזרע, בדקו החוקרים את ההבדלים בין תאי זרע תקינים לתאי זרע של עכברים פאראמוטנטיים. בהתפתחות נורמלית של תאי הזרע בעכברים, ל-kit יש תפקיד רק בשלב יצירת הספרמטוגוניה – תאי המוצא הדיפלואידיים של תאי הזרע. מהשלב הבא, שהוא שלב חלוקת המיוזה, והלאה, תעתוק הגן נפסק. לעומת זאת, בעכברים הפאראמוטנטיים וההטרוזיגוטיים לגן, נמצאה כמות מרשימה של RNA של הגן kit גם בשלבים המאוחרים יותר, ובכלל זה בתא הזרע הבשל. חצי מכמות ה-RNA היתה בגודל ה-RNA התקין, והשאר היה באורכים שונים, קצרים מהאורך התקין, שנבעו כנראה מעצירה לא-תקינה של תעתוק הגן.

החוקרים רצו לברר אם ה-RNA של גן זה מעורב בהשראת הפאראמוטציה. לשם כך הזריקו לעוברי עכברים בעלי גן תקין RNA שבודד מתאי זרע של עכברים הטרוזיגוטיים לגן. כמחצית מהעכברים שנולדו, וכן צאצאיהם, היו בעלי כתם לבן על זנבם.

זוהי הפעם הראשונה שהוכחה מעורבותו של RNA בהעברת תכונות בתורשה, אף שבמקרים רבים של פאראמוטציות הועלתה אפשרות זו. לדברי רסולזדגן, דרושים ניסויים נוספים לבירור המנגנון שבו פועל ה-RNA בשימור המוטציה.