איך משפיעים הגנים על התפתחות המוח האנושי?

אחת השאלות החשובות באבולוציה היא איך נוצרות תכונות חדשות. תכונות רבות מקודדות בחומר התורשתי שלנו (DNA) בצורה של גֵנים. אחת הדרכים להופעה של תכונות חדשות היא הכפלה של גֵנים, כלומר תהליך שבו נוצר עותק נוסף של גֵן כלשהו במקום אחר ב-DNA, והעותק הזה צובר בהדרגה שינויים (מוטציות) שמקנים לחלבון שנוצר ממנו תפקיד חדש.

מנגנון נוסף שנחשף במהלך שני העשורים האחרונים לא משנה את התפקיד של הגֵן, אלא מעניק תפקיד לגֵן שעד כה לא ייצר חלבון. מחקר חדש מצא שהמוטציות הדרושות לשם כך מאפשרות למולקולות ה-RNA שנוצרות על פי הגֵן לצאת מגרעין התא וכך לאפשר את יישום ההוראות שקודדו בהן.

הכתבה פורסמה במקור באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי

מאגר הוראות פוטנציאלי

פרויקט הגנום האנושי, שמיפה את ה-DNA של האדם, מצא שיש לנו כעשרים אלף גֵנים שמכילים הוראות לייצור חלבונים. החלבונים, בתורם, הם אלה שאחראים לכל התהליכים המתרחשים בגופנו, החל בקביעת תכונות כמו צבע העיניים וכלה בתפקודים ספציפיים של תא מסוים – למשל חלבון שמשמש קולטן בדופן של תא עצב. מנגנונים בגרעין התא בונים על פי מבנה הגֵן מולקולות שנקראות RNA, שחלקן יוצאות מהגרעין לחלל התא ומתחברות שם לאברונים שתפקידם לייצר חלבונים.

הרצפים הללו הם פחות משני אחוזים מכלל רצפי ה-DNA – החומר התורשתי. שאר ה-DNA מכיל בעיקר אזורי בקרה ורצפים חוזרניים. בנוסף, בשנים האחרונות התגלתה משפחה נוספת של גֵנים שיוצרים מולקולות RNA ארוכות שאינן בונות חלבונים. מעריכים כי לכל אדם יש 100-16 אלף גֵנים כאלה. אולם חשיבותם אינה ברורה. חלק ממולקולות ה-RNA הללו משמשות מעין פיגום מולקולרי לחלבונים, ואחרות מעורבות בעיבוד של מולקולות RNA אחרות בתא. בשנים האחרונות התברר במחקרים על שמרים ועל בני אדם שאלפים מהן מייצרות חלבונים בכל זאת, אך הם קטנים מאוד ולכן לא זוהו בעבר. ההשערה היא שמדובר בטרום-גֵנים, כלומר שלב ביניים אבולוציוני בין גֵן חסר תפקיד לגֵן פעיל.

לפני כעשר שנים מצאה קבוצת מחקר מאוניברסיטת בייג'ינג בסין 24 גֵנים חדשים שיש לאדם – כלומר גֵנים שאין להם מקור אבולוציוני חד-משמעי כמו הכפלת גֵנים. כמו כן הם מצאו שגם לקופי מקוק יש גֵנים כמעט זהים, אך אצלם הגֵנים הללו לא מייצרים חלבון. מסקנת החוקרים הייתה שבשלב מסוים באבולוציה של האדם, הגֵנים הללו עברו שינויים שאפשרו להם לייצר מולקולות RNA שיהפכו לחלבון. במחקר המשך שפורסם לאחרונה בכתב העת Nature Ecology & Evolution, זיהו החוקרים את המוטציות העיקריות שאחראיות להבדלים בין בני האדם לקופי המקוק בגֵנים האלה ובגֵנים נוספים.

הדרך החוצה

אחד ההבדלים העיקריים בין מולקולות RNA שמביאות לייצור חלבונים לבין אלה שלא, הוא שהמולקולות מהסוג השני מצטברות בגרעין התא ואינן יוצאות ממנו לאזורים בתא שבהם נמצאים הריבוזומים – מפעלי ייצור החלבונים של התא. החוקרים אספו  מולקולות RNA משני הסוגים בגרעין התא או מחוץ לגרעין, אצל בני אדם וקופי מקוק, וחיפשו הבדלים ביניהם שעשויים להסביר מדוע חלקן מצטברות בגרעין.

החוקרים מצאו שבמולקולות של RNA שמייצרות חלבונים יש הרבה יותר אתרים שמאפשרים שחבור – תהליך חשוב שבמהלכו נחתכים מהמולקולה חלקים מסוימים, כך שהיא נהיית קצרה באופן משמעותי מהגֵן שממנו היא הועתקה. החוקרים הרחיבו את רשימת הגֵנים המבדילים בין קופי מקוק לאדם ל-74 גֵנים, ומצאו שאצל בני האדם הם עוברים יותר שחבור, ויותר יוצאים מהגרעין לעומת המקבילים להם אצל הקופים. בחינה נוספת של המוטציות באחדים מהגֵנים העלתה שהבדלים ביכולת השחבור אכן אחראים גם להבדלים ביציאה מהגרעין.

האם לגֵנים החדשים האלה אכן יש תפקיד חדש, או שלחלבון שהם מייצרים אין משמעות? החוקרים מצאו שכרבע מהם פעילים בעיקר במוח, כך שייתכן שיש להם השפעה על תפקוד המוח האנושי. כשהתמקדו באחד מהגֵנים הללו וגידלו רקמת מוח בסיסית (אורגנואיד) מתאים ללא הגֵן הזה, גדלו מוחות קטנים יותר מהרגיל. לעומת זאת, תאים שגרמו להם לייצר כמות גדולה יותר של הגֵן הובילו להתפתחות מוחות גדולים יותר מהרגיל.

לבסוף, כשהחדירו את הגֵן לעכברים, נמצא שקליפת המוח שלהם הייתה גדולה יותר בכ-0.3 מילימטרים לעומת עכברים רגילים, ושכבות התאים בקליפת המוח שלהם היו רחבות יותר בכ-50 אחוז. מכאן עולה שיתכן שלגֵן החדש הזה יש תפקיד משמעותי בהתפתחות המוח ובקביעת גודלו הפיזי. עם זאת, החוקרים לא בדקו אם השינויים הללו השפיעו על כישורי החשיבה של העכברים.

ממצאי המחקר מחזקים את ההשערה שהחומר התורשתי שלנו כולל מקטעים רבים שטמון בהם הפוטנציאל ליצור חלבונים חדשים לגמרי. האזורים הללו משמשים בסיס למולקולות RNA, שרק מעטות מהן מצליחות לצאת מגרעין התא. אם החלבון החדש שנוצר באמצעותן נותן לבעליו יתרון אבולוציוני, הרי שמוטציות שיאפשרו ליותר RNA לצאת מהגרעין יקנו לו יתרון אבולוציוני נוסף. עדיין לא לגמרי ברור איך הבדלים ביכולת השחבור משפיעים על היציאה מהגרעין, ויידרשו מחקרים נוספים כדי לפענח את המנגנון הזה.