לפני 30 שנה הצליחו חוקרים במשימה שהייתה עד אז נחלת המדע הבדיוני בלבד: הם שיבטו יצור חי מורכב - הכבשה דולי. בתהליך השיבוט לוקחים תאים מגוף החיה התורמת - אִימה או אביה הביולוגיים של הצאצא/ית המשובט/ת - ומוציאים מהם את גרעין התא, המכיל את רוב החומר התורשתי פרט לזה שמצוי באברונים בתא שנקראים מיטוכונדריה. את הגרעין הזה מכניסים לתוך תא ביצית שנלקחה מנקבה אחרת, ושגם ממנה הוציאו את הגרעין. הביצית מגודלת במבחנה בתחילת ההתפתחות העוברית, ולבסוף העובר מושתל ברחם של נקבה נוספת ומתפתח שם בהיריון רגיל. החיה שנולדת מהשיבוט זהה כמעט לחלוטין לחיה התורמת.
דולי, שהיתה היונק הראשון ששובט, הפכה לכוכבת, מה שכנראה גם החיש את מותה. מאז ועד היום שובטו בהצלחה עכברים וחולדות, פרות, סוסים, כלבים וחתולים, ואפילו קופי מקוק.
למרות ההצלחות הרבות, השיבוט נותר תהליך מאוד לא יעיל, שכרוך בבעיות רבות. על מנת להבין טוב יותר את מה שמתרחש בתהליך השיבוט, וכדי ללמוד עוד על האפשרויות הגלומות בטכנולוגיה הזאת, חוקרים בדקו אם יש גבול למספר הדורות של שיבוטים שעובר יצור חי.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
האיש שפתח לישראל את הדלת לחלל
מיטוכונדריה: לא רק תחנת כוח
מחלות ללא גבולות: קדחת באפריקה, חצבת בכל מקום
מה זה ערוד? שטיפת מוח מדעית
3 צפייה בגלריה
בתהליך השיבוט לוקחים תא מגוף של חיה אחת ומוציאים ממנו את הגרעין, אותו מכניסים לתוך תא ביצית שנלקחה מנקבה אחרת. העובר שנוצר מהתא מושתל ברחם של נקבה נוספת. אילוסטרציה של שיבוט כבשה
(איור: Shutterstock, grayjay)
איפה עובר הגבול?
בשנת 2013 פרסמו הביולוג ההתפתחותי טרוהיקו יָקָיָאמָה (Yakayma) ואנשי המעבדה שלו מאוניברסיטת יָמָנָשִי ביפן מחקר שעקב אחרי 25 דורות של שיבוט של אותה עכברה והראו שיעילות התהליך לא נפגעה כלל עקב השיבוטים החוזרים. למעשה היא אפילו עלתה: מ-8-5 אחוזי הצלחה בדורות הראשונים ל-14-10 אחוזים בדורות המתקדמים, למרות שהחוקרים השתמשו באותה טכנולוגיה. כמו כן, לא נמצאו סימנים לירידה בבריאותן של העכברות המשובטות לאורך הדורות.
מכאן התעוררה השאלה אם אפשר להמשיך את השיבוטים בלי הגבלה. לאחרונה, במחקר חדש שפרסמו בכתב העת Nature Communications, הראו החוקרים שבכל זאת יש גבול למספר הדורות שאפשר לשבט. הם מצאו כי מהדור ה-27 ואילך החלה יעילות השיבוט לדעוך בהדרגה, עד שהתהליך נקלע למבוי סתום בדור ה-58. בדור ה-57 יעילות התהליך ירדה ל-0.6 אחוז בלבד, ובדור הבא שום צאצאית לא שרדה יותר מיממה אחרי לידתה.
בסך הכול נולדו לאורך כל הדורות כ-1,200 עכברות, כולן שיבוטים של אותה עכברה משנת 2005. כולן היו זהות כמעט לחלוטין בחזותן ובחומר התורשתי שלהן לעכברה המקורית. תוחלת החיים שלהן עמדה על כשנתיים בממוצע לאורך כל הדורות עד הדור ה-56, בדומה לתוחלת החיים של עכברים לא משובטים. העכברות בדור 57 מתו צעירות יותר: בגיל חודשיים ובגיל שישה חודשים.
אצל עכברים משובטים יש כמה תופעות חריגות שמבדילות אותם מעכברים שנולדים בדרך הטבעית. לדוגמה, הוולדות והשליה שלהם גדולים יותר, וכך גם אזור החיבור של השליה לרחם. עם זאת, החוקרים לא מצאו החמרה של החריגויות האלה בין הדורות. כמו כן לא נמצאו הבדלים בהתפתחות העוברים במהלך שלבי ההתפתחות המוקדמת שלהם, לפני השתלתם ברחם.
זרם דק של שגיאות
ריצוף גנטי של העכברות גילה כי לאורך הדורות הצטברו בגֵנים שלהן יותר ויותר שגיאות, שנקראות מוטציות. השגיאות האלה משפיעות על היעילות של התפתחות הביציות לעוברים. בהפרית מבחנה עם זרע של עכברים רגילים, החוקרים מצאו ש-97 אחוז מהביציות המופרות של עכברות רגילות התפתחו לעוברים. לעומת זאת, רק כ-40 אחוז מהביציות המופרות של עכברות משובטות מהדור ה-25 התפתחו בהצלחה לעוברים. בדור ה-53 שיעורן פחת לעשרים אחוז בלבד. מכאן אפשר כנראה להסיק שהמוטציות המתרבות פוגעות בהתפתחות התקינה של העוברים.
החוקרים מצאו כי בכל דור מצטברים אצל השיבוטים כשבעים שינויים גנטיים נקודתיים בממוצע, כלומר החלפות של אבן בניין יחידה ברצף התורשתי, ובסך הכול כ-3,700 מוטציות בדור האחרון. קצב השינויים הגנטיים הזה גבוה פי שלושה מרבייה רגילה. בנוסף הצטברו בתאיהן של העכברות המשובטות כשמונים שינויים גדולים בחומר התורשתי, ובכלל זה 16 מקרים של מחיקת מקטעים ארוכים של עשרות אלפי אבני בניין מהגנים, מעבר של מקטעים ארוכים מכרומוזום אחד לשני ואפילו אובדן של אחד משני כרומוזומי ה-X – כרומוזום המין הנקבי. השינויים האלה החלו להופיע רק החל מהדור ה-25 והלאה. בנוסף, התברר שרוב המוטציות המזיקות הצטברו בדורות המאוחרים.
הבעיות של המשובטים לא התמצו רק בחומר התורשתי המשובט. החוקרים בדקו גם מה קורה אם משתילים גרעין תא של עכברה רגילה בביצית של עכברה משובטת מהדור ה-56. אילו הבעיה היחידה הייתה מצב החומר התורשתי בגרעין, לא הייתה אמורה להימצא כל בעיה בהתפתחות העוברים, בהשוואה להשתלה בכיוון ההפוך – גרעין של עכברה משובטת בביצית של עכברה רגילה. אולם בשני המקרים נמצא שיעילות יצירת העוברים הייתה נמוכה והסתכמה ב-8-7 אחוזים. המסקנה הייתה שפרט למוטציות בחומר התורשתי שבגרעין התא, ייתכן שמצטברים שינויים גם בחומר התורשתי שבמיטוכונדריה, ואולי גם בעיות בהרכב החומרים והאברונים בנוזל התוך תאי של הביצית עצמה.
(עכברה מהדור ה-56)
מעניין לציין שכשהכליאו עכברות מהדור ה-55 עם זכרים, נולדו להם צאצאים בריאים. יתר על כן, כל התופעות החריגות שנמצאו אצל המשובטות נעלמו אצל נכדיהן שנולדו בהפריה טבעית. כלומר גם היצורים המשובטים, כמעט עד הדור האחרון, עדיין יכולים להעמיד צאצאים בריאים. החוקרים מסבירים את זה בכך שהחומר התורשתי התקין של האבות מונע מרוב המוטציות שצברו העכברות המשובטות לבוא לידי ביטוי ולפגוע בתפקודם של הצאצאים.
אפשר, אם כן, לשבט דורות רבים של עכברים מעכבר בודד, אך בהדרגה מצטברים אצלם יותר ויותר שינויים ופגמים שבסופו של דבר לא מאפשרים שיבוטים נוספים. הגבול שאליו הגיעו החוקרים בניסוי הנוכחי הוא 58 דורות, אך המספר הזה אקראי ונובע מכמות המוטציות שהצטברו ומסוג המוטציה – מתי מופיעה מוטציה הרסנית. ייתכן בהחלט שבניסוי אחר היו מוצאים גבול מוקדם או מאוחר יותר.
כמו כן, קצב ההצטברות של השינויים הגנטיים בשיבוטים, וסוג המוטציות, עשוי להשתנות מיונק ליונק, כך שקשה לדעת עד כמה הממצאים ממחקר על עכברים משובטים מתאימים גם לכלבים, פרות, קופים ובני אדם.
החוקרים מונים שני תהליכים מרכזיים שמובילים להצטברות החריגה של המוטציות: האחד הוא הצטברות של מוטציות של אזורים גדולים – דבר שקורה באופן שגרתי אך נדיר גם בתאי מין, ביציות ותאי זרע, אשר בדרך כלל מוגנים יותר מתאים “רגילים”. השני הוא שבתהליך יצירת תאי מין מתקיים תהליך של שחלוף, שבו מקטעים של חומר תורשתי עוברים מכרומוזום אחד לאחר. תהליך השחלוף מאפשר לתקן חלק מהמוטציות המצטברות, אך הוא לא קיים בתאים משובטים ולכן יותר מוטציות מצטברות לאורך הדורות. כדי שנצליח לשבט חיות שוב ושוב בעתיד, חוקרים יצטרכו ללמוד איך להתמודד עם בעיית הצטברות המוטציות.
ד"ר גל חיימוביץ', מכון דוידסון לחינוך מדעי, הזרוע החינוכית של מכון ויצמן למדע
