איך נבנה המוח האנושי כבר בשלביו הראשונים, ומה מבדיל בין התפתחות תקינה לבין כשל שמוביל לאוטיזם או לעיכוב התפתחותי אחר? מחקר רחב היקף של חוקרי האוניברסיטה העברית מציע כעת תשובות חדשות לשאלות היסוד הללו, באמצעות מיפוי שיטתי של מאות גנים החיוניים להתפתחות תאי עצב. מעבר לתמונה הכוללת, המחקר הוביל גם לזיהוי של גן אחד, PEDS1, כגורם להפרעה נוירו-התפתחותית חמורה שלא תוארה עד כה בבני אדם - ממצא שמחבר בין מחקר בסיסי, אבחון קליני והבנה עמוקה יותר של מחלות המוח המתפתח.
את המחקר הוביל פרופ' שגיב שיפמן מהמחלקה לגנטיקה במכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית, בשיתוף חוקרים מצרפת ומיפן. המחקר ראה אור בימים האחרונים בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Neuroscience. ממצאיו מציעים דרך חדשה לזיהוי גנים המעורבים בהפרעות נוירו-התפתחותיות, ובהן גם אוטיזם ועיכוב התפתחותי.
"רצינו שלמחקר תהיה השפעה בעולם האמיתי"
לדברי פרופ' שיפמן, מטרת המחקר הייתה לייצר כלי שיוכל לסייע בזיהוי ואפיון של הפרעות נוירו-התפתחותיות שעד היום לא תוארו. "במציאות הקלינית יש לא מעט ילדים שמאובחנים עם מגוון בעיות התפתחותיות, ובחלק מהמקרים מבוצע ריצוף גנטי מלא או חלקי. התוצאה היא לא פעם רשימה ארוכה של ממצאים גנטיים – ולא תמיד ברור איזה מהם משמעותי ואיזה פחות".
הוא מסביר כי בקליניקה מנסים בדרך כלל להצליב את הממצאים עם מקרים דומים שמתוארים בספרות הרפואית, כדי להבין אם מדובר בתסמונת מוכרת. "לפעמים זה פשוט: הממצא הגנטי מתאים בדיוק לתיאור קיים, וניתן לומר מהי ההפרעה הנוירו-התפתחותית. אבל במקרים רבים אין תיאור כזה בספרות – יש הרבה שונות גנטית, והרבה ממצאים שאין להם פרשנות ברורה".
פרופ' שגיב שיפמןצילום: האוניברסיטה העבריתכאן נכנס המאגר שהם פיתחו במחקר, שלדברי פרופ' שיפמן, היה יוזמתה של תלמידת המחקר אלנה אמלן. "המאגר הזה מאפשר לתת פרשנות פונקציונלית לגנים, ולהעריך בהסתברות גבוהה יותר מהו הגורם הגנטי לבעיה שממנה סובל הילד", מסביר פרופ' שיפמן. "זו למעשה מפה פונקציונלית של הגנום בהקשר של יצירת תאי עצב. יש היום כלים שונים בעולם הקליני, ואנחנו מקווים שהמאגר הזה יהפוך לאחד מהם. היה לנו חשוב מאוד שלמחקר תהיה השפעה בעולם האמיתי - לא רק הבנה ביולוגית, אלא גם תרומה ישירה לבני אדם, ובפרט לאנשים שעד היום לא ברור מה מקור הבעיה הרפואית שלהם".
5 צפייה בגלריה
באמצעות טכנולוגיית CRISPR הצליחו החוקרים “לכבות” אלפי גנים בזה אחר זה ולבדוק אילו מהם חיוניים להתפתחות תאי עצב
(צילום: Shutterstock)
כדי לאפשר לקהילה המדעית להמשיך ולחקור את הממצאים, פתחה קבוצת המחקר מאגר נתונים מקוון שבו מוצגות תוצאות הסריקה הגנומית במלואן. המאגר פתוח לחוקרים מכל העולם ונועד לסייע בזיהוי גנים נוספים המעורבים בהפרעות נוירו-התפתחותיות.
המפה שיצרו מראה אילו גנים חשובים לתהליך יצירת תאי העצב - לא רק אילו גנים מעורבים, אלא גם מתי הם חשובים. "לא בדקנו גן אחד או שניים: יש לנו מידע על כל הגנים בגנום", הוא אומר. "אנחנו יודעים אילו גנים חיוניים באופן כללי - כאלה שבלעדיהם התא לא מתחלק כראוי או לא שורד - ואילו גנים חיוניים דווקא בשלבים הספציפיים של יצירת הנוירונים. יש גנים שחשובים מהשלבים המוקדמים ביותר, ויש כאלה שקריטיים במהלך תהליך ההתמיינות עצמו".
במחקר הם הצליחו להראות גם כיצד פגיעה בגנים מסוימים משפיעה על מבנה המוח. "אבל היה לנו חשוב להדגיש שהממצאים לא מיועדים רק לעתיד הרחוק - אלא רלוונטיים כבר עכשיו", מדגיש פרופ' שיפמן. "בערך שני שלישים מהגנים שזיהינו עדיין אינם מקושרים כיום להפרעות נוירו-התפתחותיות מוכרות. אנחנו טוענים שדווקא אותם גנים הם מועמדים פוטנציאליים להפרעות שטרם זוהו".
אילו גנים בונים את המוח?
נקודת המוצא של החוקרים הייתה שאלה פשוטה אך יסודית: אילו גנים חייבים לפעול כדי שתאי מוח יתפתחו כראוי ויהפכו לתאי עצב מתפקדים. כדי לענות עליה השתמש הצוות בטכנולוגיית CRISPR - "מספריים גנטיים" שמאפשרים לכבות גנים באופן ממוקד ומדויק.
באמצעות השיטה הזו של עריכה גנטית השביתו החוקרים, בזה אחר זה, כמעט 20 אלף גנים בתאי גזע עובריים של עכבר, ובדקו כיצד כל פגיעה כזו משפיעה על יכולת התאים להתמיין ולהפוך לתאי עצב. כך נוצרה סריקה גנומית רחבת היקף ומבוקרת, שמיפתה שלב אחר שלב את תהליך ההתפתחות של מערכת העצבים.
התוצאה הייתה זיהוי של 331 גנים החיוניים לבניית תאי עצב. רבים מהגנים הללו לא היו מוכרים קודם לכן כמעורבים בהתפתחות המוח, והם מספקים כעת בסיס גנטי חדש להבנת מגוון רחב של ליקויים נוירו-התפתחותיים - משינויים בגודל המוח ועד אוטיזם ועיכוב התפתחותי.
5 צפייה בגלריה
עכברי מעבדה שימשו לבדיקת השפעת השבתת גנים חיוניים על התפתחות המוח
(צילום: Shutterstock)
גן אחד, מחלה חדשה
פרופ' שיפמן מסביר שבמסגרת המחקר הם בחרו שמונה גנים ובדקו אותם לעומק - גם בתאים וגם בעכברים - והראו שהם משפיעים על התפתחות המוח. "מתוכם הצלחנו, עבור חמישה גנים, לאתר גם אנשים עם שינויים גנטיים תואמים ועם הפרעות נוירו-התפתחותיות שעדיין לא תוארו בספרות. בסופו של דבר בחרנו להתמקד בגן אחד ולבצע בו אפיון מעמיק יותר".
זיהוי הגן PEDS1 כגורם להפרעה נוירו-התפתחותית חמורה, שלא תוארה עד כה בבני אדם, הוא אחד הממצאים המרכזיים והמשמעותיים ביותר במחקר. גן זה אחראי לייצור פלסמלוגנים - סוג ייחודי של שומנים המהווים מרכיב חשוב בקרום התא, ובמיוחד במיאלין, המעטפת השומנית העוטפת את סיבי העצב. במסגרת הסריקה הגנטית התברר כי תפקידו של הגן אינו מוגבל למיאלין בלבד: הוא חיוני גם לעצם היצירה וההתפתחות התקינה של תאי עצב.
5 צפייה בגלריה
תאי עצב במהלך התפתחותם – תהליך שנשלט על ידי מאות גנים שנחשפו במחקר
(צילום: Shutterstock)
כאשר החוקרים השביתו את PEDS1 בעכברים, הם זיהו פגיעה משמעותית בהתפתחות המוח, שהתבטאה גם במוח קטן מהרגיל. ממצאים אלה הובילו להשערה כי פגיעה דומה בגן זה עלולה לגרום לנזק גם בבני אדם. ואכן, בבדיקות גנטיות שנערכו לשתי משפחות שונות נמצאה מוטציה נדירה ב-PEDS1, שגרמה אצל שני ילדים להפרעה התפתחותית חמורה שהתבטאה בעיכוב התפתחותי ובמוח קטן.
ניסויים נוספים, שבהם הושבת הגן בתאים ובעוברים של עכברים, הראו כי PEDS1 חיוני ליצירה, להתמיינות ולנדידה התקינה של תאי עצב במוח המתפתח - מנגנון שיכול להסביר באופן ישיר את הפגיעה שנצפתה אצל הילדים.
דפוסי תורשה ואוטיזם
מעבר לזיהוי של גנים ספציפיים, המחקר מספק גם תמונה רחבה יותר על האופן שבו סוגים שונים של גנים קשורים לצורת התורשה של הפרעות נוירו-התפתחותיות. החוקרים מצאו כי גנים שתפקידם לווסת את פעילותם של גנים אחרים - למשל בתהליכי שעתוק וכרומטין - קשורים בדרך כלל להפרעות דומיננטיות, שבהן שינוי בעותק אחד בלבד של הגן עלול להספיק כדי לגרום למחלה. לעומת זאת, גנים המעורבים בתהליכים מטבוליים, ובהם גם PEDS1, נקשרו לרוב להפרעות רצסיביות, המחייבות פגיעה בשני עותקי הגן, כך ששני ההורים הם נשאים.
מיפוי מדויק של שלבי ההתפתחות שבהם כל גן חיוני אפשר לחוקרים גם להבחין בין מנגנונים שונים העומדים בבסיס אוטיזם לעומת עיכוב התפתחותי כללי. נמצא כי גנים החיוניים להתפתחות הכללית של תאי המוח נקשרו בעיקר לעיכוב התפתחותי, בעוד שגנים שפעלו באופן ממוקד בשלבים מוקדמים במיוחד של יצירת תאי העצב נמצאו קשורים לאוטיזם.
ממצאים אלה מחזקים את ההבנה ששיבושים מוקדמים מאוד בהתפתחות המוח עשויים להיות גורם מרכזי בהתפתחות אוטיזם. הממצאים מציגים תמונה מקיפה וחדשה של הבסיס הגנטי להתפתחות המוקדמת של מערכת העצבים, ועשויים בעתיד לשפר את האבחון הגנטי של הפרעות נוירו-התפתחותיות, לסייע בייעוץ גנטי למשפחות – ולהוות תשתית למחקרים רפואיים שיבחנו דרכים חדשות למניעה ולטיפול.
במחקר השתתפו, מטעם האוניברסיטה העברית, פרופ' תמר הראל, ד"ר גליה מונדרר-רוטקוף, אלנה אמלן, עהד סלים, אלעד דביר, בהובלת פרופ' שגיב שיפמן מהמחלקה לגנטיקה במכון למדעי החיים.
