במשך עשורים סברו מדענים כי קביעת מין העובר תלויה בעיקר בכרומוזומי המין: XX לנקבה ו-XY לזכר - ובגנים המקודדים לחלבונים. אלא שמחקר חדש מאוניברסיטת בראילן מציע תמונה מורכבת בהרבה: ייתכן שגורלנו הביולוגי מוכרע דווקא על ידי אות גנטית אחת, באזורים ב-DNA שאינם מייצרים חלבונים ונחשבו בעבר חסרי חשיבות.
המחקר, שערכו ד"ר ניצן גונן והדוקטורנטית אלישבע אברבק מהפקולטה למדעי החיים והמכון לננוטכנולוגיה, ופורסם היום (ה') בכתב העת Nature Communications, מצא כי "מתג" זעיר בשם Enh13 – אזור בקרה מרוחק של הגן המרכזי Sox9 - ממלא תפקיד מכריע בתהליך. צמד החוקרות חשפו כי שינוי של אות אחת בלבד ברצף ה-DNA של Enh13 הספיק כדי להפעיל את התוכנית הזכרית בעוברים בעלי כרומוזומים נקביים (XX). במקום להתפתח עם שחלות, הם פיתחו אשכים והציגו מאפיינים זכריים.
ד"ר גונן, ראש המעבדה לחקר קביעת המין באוניברסיטת בר-אילן, עוסקת כבר שנים בשאלה כיצד נקבע מין העובר ברמה הביולוגית. רגע לפני שהיא מתפנה להסביר את הדרך לגילוי החדש, היא ממהרת להדגיש כי ההבחנה בין מין ביולוגי למגדר היא קריטית. "כשאני מדברת על מין העובר אני מדברת על המין הביולוגי ולא על נושא המגדר או על נטייה מינית", היא אומרת, "אלה דברים חברתיים וסוציולוגיים שנתונים לפרשנות מאוד מורכבת וקשה לחקור אותם במעבדה. חשוב לעשות את ההבחנה הזאת. בעבודה שלנו, אנחנו מתרכזים באיך עובר מתפתח להיות זכר או נקבה".
נושא קביעת מין העובר נחקר כבר שנים רבות. עד היום היה ידוע כי מדובר בתהליך מורכב שמתרחש במספר שלבים במהלך ההתפתחות העוברית. השלב הראשון תלוי בכרומוזומי המין: בכל תא בגוף האדם יש 46 כרומוזומים, כאשר חצי מתקבלים מהאם וחצי מהאב. 22 זוגות הם כרומוזומים רגילים, ואילו הזוג ה-23 הוא זה שקובע את מין העובר: XX לנקבה ו-XY לזכר. "במצב נורמלי הדבר הזה נקבע בשנייה של ההפריה", מסבירה ד"ר גונן. "הביצית תמיד מביאה איתה כרומוזום X והזרע יכול להביא איתו או כרומוזום X או Y. מכאן נגזר שמי קובע את מין העובר במובן הבסיסי הוא האב".
אלא שההבדל הזה אינו בא לידי ביטוי מיד. רק סביב השבוע השישי להיריון מתחיל השלב השני, שבו מתפתח איבר ראשוני משותף לשני המינים. "אשכים ושחלות הם איברים הומולוגיים שנוצרו מאותו איבר ראשוני ומה שקובע מי יתפתח הם גנים מסוימים", ממשיכה ד"ר גונן. "השלב השלישי כולל את הפרשת ההורמונים מהגונדות – האשכים או השחלות. בגברים מופרש טסטוסטרון, שמוביל למסלול של מסקוליניזציה - התפתחות מאפיינים זכריים, כולל איברי המין הפנימיים והחיצוניים, רקמות ושרירים. אצל נשים מופרש אסטרוגן, שמוביל לתהליך הפמיניזציה – התפתחות מאפייני מין נשיים".
עם זאת, למרות המנגנון המסודר הזה, המציאות אינה תמיד חד-משמעית. כיום ידוע כי אחד מכל כ-4,000 תינוקות נולד עם מצב שנקרא DSD (קיצור של Differences of Sex Development) או בלשון העם – אינטרסקס – מצב שבו קיימת אי-התאמה בין המין הביולוגי הצפוי לבין המאפיינים הפיזיים בפועל.
"ילדים שהם ילדי אינטרסקס, לא בדיוק מתאימים למה שהם היו אמורים להיות מבחינת כרומוזומים, והיכולת שלנו לאבחן אותם גנטית היא מאוד נמוכה. גם אם אנחנו עושים ריצוף של כל הגנים שמקודדים בגנום, רק בפחות מחמישים אחוז מהמקרים נמצא את המוטציה"
"ילדים שהם ילדי אינטרסקס, לא בדיוק מתאימים למה שהם היו אמורים להיות מבחינת כרומוזומים, והיכולת שלנו לאבחן אותם גנטית היא מאוד נמוכה", מרחיבה ד"ר גונן. "גם אם אנחנו עושים ריצוף של כל הגנים שמקודדים בגנום, רק בפחות מחמישים אחוז מהמקרים נמצא את המוטציה".
הפער הזה, בין המורכבות הביולוגית לבין היכולת לאתר את המקור הגנטי, הוביל חוקרים לחפש תשובות מעבר לגנים עצמם, דווקא באותם אזורים שנחשבו בעבר חסרי חשיבות. "כשמדברים על ה-DNA שלנו, רק שני אחוזים מה-DNA הם גנים שמייצרים חלבון, ככה ש-98% מה-DNA זה מה שהיה נקרא בעבר 'DNA זבל'. אלה אזורים בגנום שהם לא מקודדים, לא מייצרים חלבונים, עושים כל מיני תפקידים, וביניהם תפקידי בקרה".
התוצאה המפתיעה
כאן נכנס הגילוי החדש שמערער את ההבנה המקובלת לגבי קביעת מין העובר. ד"ר גונן וצוותה כבר גילו במחקר קודם כי קיימת חתיכת DNA קצרה, שאינה מקודדת לחלבון, אך ממלאת תפקיד חשוב בבקרה על גנים, לה קראו בשם Enhancer 13. "זו חתיכת DNA לא מקודדת, שיושבת במה שקראו פעם 'DNA זבל', ויש לה תפקיד לדאוג שהגן שאותו היא מבקרת יתבטא בזמן הנכון ובמקום הנכון", היא אומרת. באמצעות טכנולוגיית קריספר – טכנולוגיה המאפשרת לחתוך ולשנות מקטעים ספציפיים ב-DNA - מחקו החוקרות את אותה חתיכה. התוצאה שהתקבלה הייתה מפתיעה: עכברים בעלי כרומוזומי XY שאמורים היו להתפתח כזכרים, נולדו דווקא כנקבות.
"זה בעצם היה תחילת הסיפור", אומרת ד"ר גונן. "הבנו שיש כאן משהו קריטי, וניסינו להבין מה בתוך החתיכה הקטנה הזו באמת חשוב". בשלב הבא ביצעו החוקרות שורה של שינויים ממוקדים בתוך אותו רצף, כולל מחיקות זעירות של מספר בסיסים. ואז הגיע הממצא החריג ביותר.
"הכנסנו אות אחת ב-DNA מתוך שלושה מיליארד שיש לנו בגנום", היא מתארת. "ולהפתעתנו גילינו שזה עושה את המצב ההפוך - עוברות XX שהיו אמורות להתפתח כנקבות, פיתחו אשכים ונולדו חיצונית כזכרים". לדבריה, מדובר בתוצאה יוצאת דופן. "זה פנוטיפ מטורף. אתה מכניס אות אחת ב-DNA מתוך מיליארדים, ומצליח לגרום לעכבר לגדל אשכים בלי כרומוזום Y".
ההסבר, לפי החוקרות, טמון בתפקיד המורכב של אותו רצף בקרה. "החתיכה הזו היא לא רק Enhancer", אומרת גונן. "היא גם Enhancer וגם Silencer - כלומר, היא גם יכולה להפעיל את הביטוי של הגן וגם לדכא אותו, תלוי בהקשר. גם זכרים וגם נקבות נלחמים על התפקוד של ה-Enhancer הזה. פקטורים זכריים נקשרים אליו ומאקטבים אותו, ופקטורים נקביים אמורים להיקשר אליו ולדכא אותו. מי שמנצח במאבק הזה - קובע אם נתפתח כזכר או כנקבה. הכנסת אות אחת מנעה את היכולת לעשות דיכוי, ולכן נקבות לא הצליחו להשתיק את הגן, והתפתחו כזכרים".
"יש לזה השלכות רחבות. בין 50% ל-70% מהאנשים שהם אינטרסקס לא מקבלים כיום אבחנה גנטית. התוצאה של המחקר מראה שאנחנו לא בהכרח צריכים לחפש את התשובה רק בשני האחוזים של הגנום שמקודד לגנים. כדאי מאוד לחפש גם בגנום הלא מקודד. יכול מאוד להיות - וסביר - ששם נמצאות התשובות"
המשמעות של הגילוי הזה לא נעצרת בגבולות המעבדה. למעשה, הוא עשוי לערער הנחות יסוד שהיו מקובלות במשך עשרות שנים: לא רק לגבי קביעת מין העובר, אלא לגבי האופן שבו אנחנו מבינים את הגנום האנושי כולו. אם עד היום חיפשו את התשובות בעיקר בגנים עצמם, ייתכן שהמפתח נמצא דווקא באזורים שנדחקו לשוליים - אותם חלקים ב-DNA שלא מייצרים חלבונים, ושנחשבו בעבר לחסרי חשיבות.
עבור רופאים, חוקרים ובעיקר עבור מטופלים, מדובר בפוטנציאל לשינוי תפיסה: מהבנה חלקית של מצבים גנטיים מורכבים - לאפשרות לאבחון מדויק יותר, ואולי בעתיד גם לטיפול מותאם יותר. במילים אחרות, מה שנראה עד לא מזמן כרעש רקע גנטי, עשוי להתגלות כגורם מכריע.
"יש לזה השלכות רחבות", אומרת ד"ר גונן. "בין 50% ל-70% מהאנשים שהם אינטרסקס לא מקבלים כיום אבחנה גנטית. התוצאה הזו מראה שאנחנו לא בהכרח צריכים לחפש את התשובה רק בשני האחוזים של הגנום שמקודד לגנים, כי מוטציה כמו זו שהראיתי לך לא נמצאת בגנום המקודד - אנחנו עיוורים אליה ולא רואים אותה". לדבריה, המשמעות היא שינוי כיוון בחיפוש אחר מקור הבעיה. "כדאי מאוד, באנשים שלא הצלחנו לפתור, לחפש גם בגנום הלא מקודד. יכול מאוד להיות - וסביר - ששם נמצאות התשובות".
מעבר להבנה המדעית, יש לכך גם השלכות ישירות על חיי המטופלים ומשפחותיהם. "יש חשיבות מאוד משמעותית גם לחולה וגם למשפחה להבין איפה קרתה הבעיה", היא מסבירה. "זה מאפשר להורים שכבר יש להם ילד אחד לעשות בדיקות גנטיות כדי לשלול הישנות של המצב בילדים נוספים. בלי זה, הם לא יכולים לבצע הפריה חוץ-גופית עם ברירת עוברים, כי אם אתה לא יודע מה הבעיה, אתה לא יודע מה לחפש".
המידע הגנטי המדויק, היא מוסיפה, משפיע גם על קבלת החלטות רפואיות. "זה חשוב מאוד למשפחה ולילד לדעת איפה קרתה התקלה, כי יש לזה השלכות קליניות - איך לטפל בהם, האם להתערב, האם להסיר גונדות אם יש סיכון לסרטן. ברגע שאתה מבין מה מקור הבעיה, אתה מבין איך לטפל נכון".
אך ההשלכות אינן מוגבלות רק לקביעת מין. "המשמעות הרחבה יותר היא שבכלל, לא רק בהקשר של קביעת מין, יש מחלות גנטיות רבות שאנחנו לא מצליחים להסביר באמצעות מוטציות בגנים", אומרת ד"ר גונן. "אנחנו הראינו ששינוי של אות אחת מתוך שלושה מיליארד אותיות ב-DNA יכול לשבש בצורה דרמטית ביטוי של גנים ולגרום למחלה משמעותית. אנחנו צריכים להתחיל להסתכל על הגנום הלא מקודד - על אותם 98% מה-DNA שלא מייצרים חלבונים. יש להם חשיבות עצומה, והרבה פעמים שינויים מאוד קטנים שם יכולים לגרום להשפעות גדולות שאנחנו לא מצליחים להסביר היום".
מסקרנות של ילדה - למחקר פורץ דרך
תוצאות המחקר האחרון מצטרפות למסלול מחקר ארוך של ד"ר גונן - מסלול שהחל כבר בתחילת דרכה ונשען על סקרנות מדעית עמוקה סביב אחת השאלות הבסיסיות ביותר בביולוגיה: כיצד נקבע מין העובר. לאורך השנים הפכה השאלה הזו מציר תיאורטי למחקר מעשי, כזה שמחבר בין ביולוגיה התפתחותית, פוריות ורפואה קלינית, ונוגע לא רק במנגנונים מולקולריים אלא גם בחיים עצמם.
היא בת 44, מתגוררת בהוד השרון, נשואה ליובל ולהם ארבעה ילדים. "אנחנו ביחד מאז גיל 17. אמא שלו הייתה המורה שלי לביולוגיה בתיכון. אבל בסדר, נראה לי שהוכחתי שאני אוהבת ביולוגיה באמת, ולא בגלל הבן שלה", היא צוחקת.
את שלושת התארים הראשונים שלה עשתה בטכניון, משם יצאה לפוסט-דוקטורט בלונדון, ולפני שש וחצי שנים חזרה לארץ ופתחה את המעבדה שלה בבר-אילן. מאז, היא וצוותה מנסים לפרק את התהליך הזה לשכבותיו - להבין כיצד מערכת מורכבת כל כך- התפתחות העובר - שמתחילה מתא בודד, מצליחה לקבל החלטה ביולוגית שמעצבת את כל המשך ההתפתחות.
"שני הבנים שלי נולדו כשהייתי בדוקטורט ושתי הבנות כשהייתי בפוסט דוקטורט, חזרנו לארץ לפני שש שנים, ממש ל'שש השנים הרעות': ישר לקורונה, מהפכה משפטית, 7 באוקטובר, מלחמה, איראן ראשון, איראן שני. אבל בסדר, אם סופרים עוד חצי שנה זה צריך להסתיים, ונעבור לשבע השנים הטובות. נקווה לטוב".
לצד חקר קביעת מין העובר, היא עוסקת גם במצבים שבהם התהליך הזה משתבש, ובניסיון לפתח מודלים שיאפשרו להבין לעומק תהליכי פוריות ועקרות. "במעבדה שלי אנחנו חוקרים איך נקבע מין העובר, גם עובדים על אנשים שבהם התהליך לא קרה בצורה תקינה, וגם מנסים לייצר אשכים ושחלות מלאכותיים בצלחת. אנחנו חושבים שאם יהיו לנו אשכים ושחלות מלאכותיים, זה יאפשר לנו לקדם בצורה משמעותית את ההבנה של איך התהליך הזה מתרחש", היא אומרת.
"אלה היו שנים מאתגרות גם ברמה המדינית והארצית. גם עכשיו המעבדות די סגורות לאור כל המצב, וזה לא פעם ראשונה ולא שנייה. אני חושבת שזה הישג מאוד מרשים שלמרות כל מה שמפילים עלינו, אנחנו מצליחים בישראל להוציא מחקרים שהם חשובים ומשמעותיים"
אלא שכאמור, העבודה הזו מתבצעת בשנים לא פשוטות. "אלה היו שנים מאתגרות גם ברמה המדינית והארצית", היא מתוודה. "היה לא פשוט לנסות להקים מעבדה ולבסס צוות ומחקר תחת כל המגבלות. גם עכשיו המעבדות די סגורות לאור כל המצב, וזה לא פעם ראשונה ולא שנייה. אני חושבת שזה הישג מאוד מרשים שלמרות כל מה שמפילים עלינו פה בארץ, אנחנו מצליחים בישראל להוציא מחקרים שהם חשובים ומשמעותיים".
למה דווקא התחום הזה ?
"האמת שכל הנושא ריתק אותי מאז ומעולם. כשעוד הייתי בתיכון אני זוכרת שכל הקונספט של הפריה חוץ גופית והעובדה שאתה יכול לקחת בצלחת ביצית וזרע וליצור חיים באינקובטור היה משהו שהדהים אותי. כבר אז עשיתי פרויקט אצל רופאה גינקולוגית שעבדה על נושא של הפריה חוץ גופית, והנושא הזה מאוד משך אותי לרבייה ופוריות. אני חושבת שאחת התגליות המדהימות שפותחו זה הנושא של הפריה חוץ גופית, יש מיליוני ילדים בעולם שבעצם נולדו בזכות הטכנולוגיה הזו".
במהלך התארים שעשתה, נחשפה ד"ר גונן לתחום שנקרא ביולוגיה התפתחותית ונמשכה מיד. "זה תחום שמתאר איך עובר מתפתח, איך כולנו נוצרנו מתא אחד, ואיך התא האחד הזה יודע לעשות מה שהוא אמור לעשות בזמן הנכון ובמקום הנכון, ומתוכו ליצור אורגניזמים עם מיליארדים של תאים, עם סוגים כה שונים של תאים ויכולות כל כך מורכבות", היא אומרת ושומעים את ההתלהבות בקולה. "זה מה שמשך אותי לתחום הזה".
בנוסף למעבדה שלה בבר אילן, ד"ר גונן גם נמנית על מקימי היחידה הטרנסגנית באוניברסיטה. "זו יחידה שבה אנחנו יכולים לעשות שני דברים. דבר אחד זה עריכת גנום. משתמשים הרבה מאוד בקריספר במעבדה כדי לייצר עכברים עם איזשהו שינוי גנטי שאנחנו רוצים לחקור. כדי להוכיח שמשהו חשוב, אתה צריך לפגוע בו, לשנות אותו.
"הרבה פעמים אנחנו מייצרים עכברי מודל למוטציה שנמצאה בחולים. יש לנו הרבה שיתופי פעולה עם רופאים גנטיקאים או אנדוקרינולוגים שמוצאים מוטציות שהם חושדים שגרמו לחולים שלהם למחלה, והם לא יכולים להוכיח. הרי אי אפשר לקחת ילד ליצור לו מוטציה ולראות אם זה מה שגרם לבעיה. עם עכברים כן אפשר. בנוסף לזה, אנחנו גם עושים ביחידה הליכים כמו במרפאות IVF – הקפאות זרע בעכברים, הפריה חוץ-גופית וכו'".
אם המחקר הנוכחי הצליח לחשוף עד כמה אות אחת בודדת יכולה להסיט מסלול התפתחות שלם, עבור ד"ר גונן, הוא בעיקר מצביע על מה שעדיין נסתר מהעין. מדובר בעוד שכבה שמתקלפת מתוך מערכת מורכבת בהרבה, שעדיין רחוקה מלהיות מפוענחת. אך אנחנו בדרך לשם, והיא מעודדת מהתוצאות.
"שני דברים עומדים על הפרק", היא אומרת. "בהקשר של הגנום הלא מקודד, אנחנו חושבים ש- Enhancer 13, הוא רק קצה הקרחון. יש עוד עשרות, אם לא מאות, אלמנטי בקרה חשובים שצריכים להתגלות, שקשורים לתהליך של קביעת מין, ושמוטציות בהם יכולות להסביר הרבה מאוד מהחולים שאנחנו לא מסוגלים להסביר היום". כדרכה של חוקרת, השלב הבא של המחקר כבר בהתהוות, אך עליו היא עוד לא רוצה להרחיב ומבקשת לחכות בסבלנות למאמר הבא. ובכל זאת, יש דברים שכבר עכשיו היא יכולה לגלות. המבט מבחינתה, מכוון קדימה – אל החיבור בין הביולוגיה הבסיסית לבין הקליניקה.
"אנחנו מנסים ליצור מתאי גזע אשכים ושחלות בצלחת, וגם להשתמש בהם כדי לחקור ולהבין טוב יותר איך הם אמורים להתפתח", היא אומרת. "אני אגיד בזהירות שאם נצליח לייצר אשכים ושחלות בצלחת, נוכל לבדוק האם זה מאפשר ליצור את תאי המין בתוכם. האם נוכל בעתיד ליצור תאי זרע מתאי גזע. זה מאוד משמעותי, כי זה אולי יאפשר בעתיד הרחוק לאנשים שהם עקרים ולא מסוגלים לייצר זרע, לייצר זרע ביולוגי שלהם, עם החומר הגנטי שלהם, ואולי להיות הורים לילדים ביולוגיים ולא מאומצים. אבל זה ייקח עוד הרבה זמן".
במחקר השתתפו: הדוקטורנטית אלישבע אברבק, ד"ר משי רידניק, ד"ר איזבל סטבאנט, רוני וייס, כרמל במברגר, ד"ר שלי זיו להרמן, מאור לובמן, יומי מיניי יאו, ד"ר אריאל אפק, וד"ר פרנסיס פולאט.
