חוקרים ב-UNSW סידני גילו מנגנונים חדשים של פיצוי מינון כרומוזומי מין בפלטיפוס ועוף, מאתגרים הנחות קודמות ומספקים תובנות חדשות לגבי ויסות גנטי בין מינים.
מחקר חדש מגלה כי פלטיפוסים ותרנגולות מאזנים את רמות החלבון בין המינים באמצעות מנגנון פיצוי מינון ייחודי, שונה מבני אדם, המאתגר הנחות גנטיות ארוכות שנים ומשפר את ההבנה שלנו לגבי אבולוציה וויסות גנטיים.
חוקרים ב-UNSW סידני חשפו הבדלים מהותיים בתהליכים ביולוגיים בין זכרים ונקבות על ידי בחינת מערכות כרומוזומי המין הייחודיות והמגוונות של הפלטיפוס והתרנגולת.
הממצאים, שפורסמו ב הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים (PNAS), מהווים הפתעה בתחום הגנטיקה. התגליות יעזרו לבנות הבנה טובה יותר של האופן שבו כרומוזומי המין התפתחו, כיצד גופנו מתפקד – והם עשויים להוביל לתגליות חדשות בביולוגיה.
"ליונקים, כמו בני אדם, יש נקבות עם שני כרומוזומי X ולזכרים עם כרומוזום X אחד וכרומוזום Y אחד, מה שיוצר חוסר איזון בין המינים", אומר המחבר הראשי ד"ר ניקולס ליסטר מבית הספר לביוטכנולוגיה וביו-מולקולרית של UNSW. "חוסר האיזון הזה מתוקן על ידי תהליך הנקרא פיצוי מינון כרומוזומי מין."
מדענים יודעים זה מכבר שלבעלי חיים יש פתרונות לאיזון הבדלי כרומוזומי המין ולהשיג תפקוד 'נורמלי'.
ד"ר ליסטר אומר: "ביונקים נקבות, כמו בני אדם ועכברים, לנקבות XX ולזכרי XY יש מספר שונה של כרומוזום X. כדי לאזן את ההבדל הזה, אחד מכרומוזומי X אצל נקבות מושתק בדרך כלל. השתקת כרומוזום X אחד אצל נקבות משווה את תוצרי הגנים על כרומוזומי המין. זה מונע מהנקבות לייצר מספר כפול של חלבונים מה-X בהשוואה לזכרים".
איזון המאזניים
כל תא בגופנו משתמש בחלבונים לביצוע פונקציות ספציפיות.
"הם מתורגמים מ-mRNA, הנושא את ההוראות לתאים ליצור חלבונים", אומר מוביל המחקר של המחקר, פרופסור חבר פול ווטרס, גם הוא מבית הספר לביוטכנולוגיה וביו-מולקולרית של UNSW. "היותך זכר או נקבה משפיע על רמות ה-mRNA של גנים של כרומוזום X, שלאחר מכן היינו מצפים שישפיעו על ייצור החלבון."
לפלטיפוס ולתרנגולת יש מערכות כרומוזומי מין שונות בתכלית מבני אדם – מה שיכול לתת לנו תובנות חשובות לגבי עבודת הגוף שלנו. קרדיט: Shafagh Waters וליסה מליסה
אבל א/פרופ. ווטרס אומר שהמחקר הזה מדגים – לראשונה – שאיזון של חלבונים מתרחש בין המינים, גם כאשר רמות ה-mRNA אינן מאוזנות.
"הממצאים מצביעים על כך שפיצוי מינון הוא תהליך מכריע ב מִין עם כרומוזומי מין מובחנים כדי להבטיח שרמות החלבון מאוזנות", הוא אומר. "תוצאות אלה משמעותיות מכיוון שהן מצביעות על כך שפיצוי מינון של כרומוזומי מין הוא חיוני אחרי הכל – ובכל מיני בעלי חוליות, לא רק שליה ויונקים של כיס."
למה הפלטיפוס והעוף?
המחקר התמקד בפלטיפוס ובתרנגולת – שני מינים עם מערכות כרומוזומי מין שונות בתכלית המציעות תובנות חשובות לגבי האבולוציה והמנגנונים של פיצוי מינון.
"פלאטיפוס הם יונקים מונוטרמיים, עם מערכות כרומוזומי מין מעניינות", אומר ד"ר ליסטר. "יש להם חמישה זוגות של כרומוזומי X אצל נקבות וחמישה X וחמישה Y אצל גברים. לציפורים – כמו תרנגולות – יש מערכת ZW, שבה לזכרים יש שני עותקים של כרומוזום Z ולנקבות יש כרומוזום Z ו-W."
א/פרופ. ווטרס אומר שהמדענים כבר צפו בפיצוי כמעט מושלם של כרומוזומי מין של RNA בין זכרים ונקבות ביונקי שליה וחיות כיס.
"עם זאת, בציפורים ובמונוטרמים, יש חוסר איזון של mRNA בין המינים", הוא אומר. "זה משהו שחשבנו שהוא בלתי אפשרי. בפעם הראשונה, אנו מראים שחוסר איזון זה מתוקן ברמת החלבון. זה אומר שלפלטיפוס ולתרנגולת יש מנגנון חדשני של פיצוי מינון השונה מהאופן שבו אנו בני האדם עושים זאת".
האם הגנים שלנו באמת שולטים?
מחברת שותפה פרופסור ג'ני גרייבס, מהמחלקה לאיכות הסביבה והגנטיקה באוניברסיטת לה טרוב, הדגימה שגנים על כרומוזום X האנושי הלא פעיל אינם מועתקים ל-RNA כבר ב-1986.
השתקה ברמת ה-RNA הפכה אז לפרדיגמה של כל השתקה אפיגנטית.
"מכיוון שהגנים הושתקו בשל כישלונם לייצר RNA, ההנחה הייתה שהשליטה בפיצוי המינון היא ברמה של RNA בלבד – לא ברמה של ייצור חלבונים", אומר פרופ' גרייבס.
"אבל רמות ה-mRNA לגנים בכרומוזומי המין לא היו מאוזנות בפלטיפוס או בעוף", היא אומרת. "לכן, מדענים הטילו ספק בהנחה שפיצוי מינון חיוני לחיים."
א/פרופ. ווטרס אומר שמדידת רמות חלבון הייתה מאמץ הרבה יותר מסובך מאשר מדידת רמות mRNA, בשל אתגרים טכנולוגיים.
"ועכשיו כשהטכנולוגיה רגישה יותר, אנו יכולים לראות שפיצוי המינון של כרומוזומי המין בין זכרים ונקבות נצפה ברמת החלבון בפלטיפוס ובתרנגולת", א/פרופ'. ווטרס אומר. "הזכרים והנקבות ממינים אלה מייצרים כמויות דומות של חלבונים, למרות הפערים בכמויות ה-mRNA."
כיצד ייושם ידע זה?
המחברים מדגישים את המורכבות של ויסות גנטי ואת החשיבות של התחשבות ברמות מרובות של שליטה בביטוי גנים.
מחבר שותף ד"ר Shafagh Waters מבית הספר למדעי ביו-רפואי של UNSW אומר שהמחקר סולל את הדרך להבנה מעמיקה יותר של ויסות גנטי.
"חקר מינים ייחודיים כמו הפלטיפוס מספק לנו תובנות חדשות לגבי המנגנונים התאיים והמולקולריים שיכולים לווסת היבטים שונים של הפיזיולוגיה האנושית, או להיות מעורבים במצבי מחלה", היא אומרת. "לכן, בעוד שתהליכים אלה עשויים שלא לחול ישירות על פיצוי מינון אנושי, הם מאירים כיצד הגוף שלנו מנהל ביטוי גנים וייצור חלבון. לממצאים שלנו יש פוטנציאל לקדם ידע בביולוגיה אבולוציונית ולהוביל לטיפולים חדשניים בגנטיקה רפואית. הבנת המנגנונים הללו על פני מינים שונים יכולה לעזור לזהות יעדים חדשים למחלות שבהן חוסר תפקוד חלבון הוא המפתח."
ד"ר ליסטר אומר שמחקר עתידי יבחן את המנגנונים התורמים לפיצוי המינון.
"עבודה זו תעזור לנו לגלות מערכות פיצוי מינון אחרות בטבע", הוא אומר. "אנו יכולים לגלות כיצד אלה התפתחו וכיצד הם פועלים במינים אחרים."
א/פרופ. ווטרס אומר, "הבנת התהליכים הללו במינים אחרים יכולה לשפר את התפיסה שלנו בוויסות הגנים ברמה בסיסית."
