האם טמפרטורה גבוהה יכולה להאיץ את קצב האבולוציה?

מה גרם לתולעת להעדיף רבייה זוויגית עם זכרים, כשהיא יכולה להפרות את עצמה, ואיך זה השפיע על הדורות הבאים? חוקרים מאוניברסיטת תל אביב גילו כי הורשה אפיגנטית (מחוץ לרצף הדנ״א) יכולה להשפיע על הרכב הגנים באוכלוסייה למשך מספר רב של דורות. את המחקר, שמתפרסם היום בכתב העת החשוב Development Cell, הובילו פרופ' עודד רכבי וד״ר איתי טוקר, וד״ר איתמר לב וד״ר יעל מור שעשו דוקטורט בהנחייתו, מהמחלקה לנוירוביולוגיה בפקולטה למדעי החיים ומבית ספר סגול למדעי המוח באוניברסיטת תל אביב. המחקר נערך בשיתוף פעולה עם אוניברסיטת רוקפלר בניו יורק.

"גידלנו במעבדה תולעים מסוג C. elegans תחת תנאי עקה של חום, כלומר בטמפרטורות מעט גבוהות מהרגיל", מסביר פרופ' רכבי. "התוצאה הייתה שהנקבות הפכו להיות מושכות יותר והזדווגו יותר עם זכרים. זה מעניין, אבל הממצא המרתק באמת הוא שגם אחרי שהתולעים הוחזרו לטמפרטורות רגילות, בדורות הבאים, צאצאיות התולעים הללו המשיכו למשוך יותר זכרים. כשהתולעים מזדווגות עם זכרים במקום להפרות את עצמן הן מעבירות רק חצי מהגנום שלהן לדור הבא. 'דילול' התרומה התורשתית בחצי הוא מחיר כבד לשלם, אבל התועלת היא הגדלת המגוון הגנטי, ובאמת גילינו בעזרת ניסויי אבולוציה במעבדה שזו עשויה להיות אסטרטגיה מועילה, כלומר אדפטיבית".

נקבות התולעים מסוג C. elegans מייצרות גם את הביציות וגם את הזרע של עצמן וכך מפרות את עצמן (ולכן הן נחשבות להרמפרודיטיות). התולעים מייצרות את הזרע רק בשלב מסוים בהתפתחותן, ובהמשך הן מייצרות רק ביציות. במקביל, יש באוכלוסייה גם זכרים נדירים שיכולים להזדווג איתן – כך שזו בחירה של הנקבה אם לערבב את הגנים שלה ברבייה זוויגית עם זכר. התנאים הסביבתיים בניסוי דחפו יותר נקבות להזדווג, תכונה שנשמרה גם בצאצאיותיהן שגדלו בסביבות נוחות, ולא חוו את עקת החום.

מהפרייה עצמית לרבייה זוויגית

"במעגל החיים של התולעת ההרמפרודיטית, מאגר הזרע העצמי אוזל כשהיא מזדקנת", מספר ד״ר איתי טוקר. "בשלב הזה כדי להמשיך להתרבות אין לה ברירה אלא להפריש פרומון שמושך את הזכרים. תנאי החום שיצרנו שיבשו את ההורשה של מולקולות רנ"א קטנות ששולטות בצורה מורשת על ביטוי של גנים בזרע, כך שהזרע של התולעת לא הצליח להפרות את הביצית ביעילות הרגילה. התולעת חשה שהזרע שהיא מייצרת פגום חלקית ולכן החלה להפריש את הפרומון ולמשוך זכרים מוקדם יותר, כשהיא עדיין צעירה. כך קרה שתולעים רבות התרבו בגיל צעיר עם תולעים זכרים. התכונה הזו הורשה במשך דורות רבים לצאצאיות שלא חוו את תנאי החום."

"בעבר גילינו מנגנון ייעודי שמוריש את מולקולות הרנ״א הקטנות לדורות הבאים, במקביל ובצורה אחרת מהמנגנון הרגיל שמוריש דנ״א לדורות הבאים, ומאפשר הורשה של תכונות נרכשות מסוימות. על ידי עיכוב של מנגנון הורשת הרנ״א הקטנים הוכחנו שההורשה של המשיכה המוגברת תלויה בהעברה בין דורית של רנ״א קטנים אשר שולטים על פעילות הזרע. בהמשך ערכנו ניסוי באבולוציה: עקבנו אחרי הצאצאיות של אימהות שמורישות משיכה לזכרים בעזרת רנ״א קטנים ונתנו להן להתחרות על זכרים, במשך דורות רבים, מול צאצאיות רגילות משושלת ביקורת. ראינו שהורשה של משיכה מינית הובילה ליותר הזדווגות בתנאים התחרותיים האלה, ושכתוצאה מכך הצאצאיות המושכות הצליחו להפיץ את הגנים שלהן באוכלוסייה בהצלחה רבה יותר".

הסביבה משפיעה על המגוון

ככלל, יצורים חיים מגיבים לסביבתם על ידי שינויים בביטוי הגנים שלהם – וזאת מבלי לשנות את הגנים עצמם. אחד מאותם מנגנוני פיקוח הוא מולקולות רנ"א קטנות (small RNA) שהורסות מולקולות בשם רנ״א שליח (mRNA) האחראיות על העברת המידע הגנטי מהדנ"א לחלבונים – ובכך משתיקות גנים שאין בהם צורך בסביבה הנתונה. ההבנה לפיה חלק מהמידע האפיגנטי שמקודד במולקולת רנ"א קטנות עובר מדור לדור מחוללת מהפכה בהבנה שלנו של תורשה, ומאתגרת את הדוגמה ששלטה באבולוציה במשך מאה שנים ויותר. עם זאת, עד היום לא הצליחו חוקרים למצוא דרך בה הורשה אפיגנטית תוכל להשפיע על הרצף הגנטי עצמו (הדנ״א).

"אפגנטיקה בכלל, והורשה של תכונות נרכשות שמתווכת על ידי רנ״א קטנים בפרט, היא תחום חדש ומרעיש", אומר ד"ר לב. "כעת הוכחנו לראשונה שהסביבה יכולה לשנות לא רק את ביטוי הגנים – אלא, בצורה עקיפה, גם את התורשה הגנטית עצמה, ולאורך דורות. לרוב, הורשה אפיגנטית של מולקולות רנ"א קטנות היא עניין חולף: האורגניזם נחשף לסביבה מסוימת, ומשמר את השונות האפיגנטית במשך 3-5 דורות. לעומת זאת, שינוי אבולוציוני אורך מאות ואלפי דורות. אנחנו חיפשנו קשר בין אפיגנטיקה לגנטיקה ומצאנו ששינוי בסביבה שרלוונטי להתחממות גלובלית משרה הורשת הפרשת פרומון למשיכת זכרים וכך משפיע על אבולוציית הגנום של התולעים״.

ד״ר מור מוסיפה: ״זאת למעשה דרך של הסביבה לכוונן את השונות הגנטית. הרי אבולוציה מצריכה מגוון וברירה. התיאוריה הקלאסית היא שהסביבה יכולה להשפיע על הברירה, הסלקציה, אבל לא יכולה להשפיע על המגוון – שנוצר באקראי כתוצאה ממוטציות. אנחנו הראינו שהסביבה דווקא כן יכולה להשפיע על המגוון בתנאים מסוימים".