מעבר קריטי בהתפתחות אנושית מוקדמת מוסדר לא על ידי הגנים שלנו, אלא על ידי אלמנטים של DNA הנקראים טרנספוזונים שיכולים לנוע סביב הגנום, מצאו חוקרי בריאות סיני.
התגלית המדהימה הזו מאתגרת את ההבנה הקודמת שלנו לגבי מקטעי DNA חמקמקים אלה, ושופכת אור חדש על התפקידים שהם ממלאים בהתפתחות ובמחלות של בני האדם.
"אנשים נוטים לחשוב על טרנספוזונים כמו נגיפים שבהם הם חוטפים את התאים שלנו רק במטרה להפיץ את עצמם", אומר שותף בכיר במחקר, ד"ר מיגל רמאלהו-סנטוס, חוקר בכיר במכון המחקר לוננפלד-טננבאום (LTRI) , חלק מבריאות סיני, ופרופסור במחלקה לגנטיקה מולקולרית באוניברסיטת טורונטו.
"אבל כאן גילינו שהאלמנטים האלה אינם טפילים גנומיים בלבד אלא חיוניים להתפתחות מוקדמת", אמר ד"ר רמאלהו-סנטוס, בעל הקתדרה למחקר של קנדה 150 באפיגנטיקה התפתחותית.
המחקר שלהם, שפורסם בכתב העת תא התפתחותימצביע על כך שאלמנטים הניתנים להעברה הם קריטיים כדי להבטיח שתאי עובר אנושיים מתקדמים כרגיל דרך התפתחות מוקדמת, במקום לחזור אחורה בזמן.
החוקרים התמקדו ביסודות הניתנים להפיכה הידועים בשם LINE-1, עבור אלמנט גרעיני-1 שזור ארוך. בניגוד לגנים שלנו, המהווים פחות מ-2% מהגנום שלנו, האלמנטים LINE-1 מהווים 20% מדהים מהחומר הגנטי בתאים שלנו. חלק מהאלמנטים של LINE-1 יכולים להגביר ולנוע ברחבי הגנום, ולהחדיר את עצמם במקומות חדשים. מכיוון שהם התפשטו מעצמם באופן שיכול לשבש תפקודים נורמליים של גנים, זה זיכה אותם בכינוי "DNA אנוכי".
במשך שנים, מדענים האמינו שהאלמנטים הללו מזיקים לרוב, מזמנים מדי פעם הרס בגנום ותורמים למגוון מחלות, מהמופיליה ועד הפרעות נוירולוגיות וסרטן.
ד"ר חואן ג'אנג, מחבר שותף בכיר ועמית בתר-דוקטורט שעמד בראש המחקר, מצא בתחילה שזה מסקרן שהודעות RNA LINE-1 מצויות בשפע בעובר מוקדם. מולקולות מסרי RNA מתועתקות מחלקים מהגנום הפעילים, מה שמצביע על כך שאלמנטים LINE-1 מופעלים בשלבים מוקדמים קריטיים אלה.
אם טרנספוזונים הם רעים ומסוכנים, מדוע אנו רואים אותם פעילים בעובר המוקדם? זהו עובר שרק מתחיל את היווצרותו. כל החדרה מסוכנת לגנום בשלב זה הולכת להתפשט לאורך שאר ההתפתחות של הפרט."
ד"ר חואן ז'אנג, מחבר שותף בכיר ועמית פוסט-דוקטורט
כאשר ד"ר ג'אנג עיכב ביטוי LINE-1 בתאי גזע עובריים אנושיים מתורבתים (ESCs), התרחש היפוך, שהחזיר אותם לשלב הפרימיטיבי יותר של 8 תאים. בשלב זה, כל אחד משמונת התאים זהה וטוטיפוטנטי, מסוגל להתפתח הן לעובר והן לשליה. עם זאת, מעבר לשלב זה, בעוד ESCs עדיין יכולים ליצור את כל תאי העובר, הם הופכים פחות ופחות מסוגלים לתרום לשליה, שדרכה העובר מקבל חומרי הזנה מהאם.
ניסויים נוספים הראו שמולקולות המסר LINE-1 הללו פועלות כפיגום לארגון ה-DNA במרחב התלת-ממדי של גרעין התא. הם עוזרים להעביר את כרומוזום 19-; הביתה לגנים חיוניים לשלב 8-התאים-; לאזור השתקת גנים של הגרעין, מה שמבטיח שהעובר יכול להתקדם לשלבים הבאים ללא תקלה.
"אנו מראים ש-LINE-1 מסדיר את ביטוי הגנים בנקודת מפנה מכרעת שבה העובר מתחיל להתמחות בתאיו לתפקודים שונים. התוצאות שלנו מצביעות על כך שלא מדובר באירוע מקרי אלא במנגנון אבולוציוני חיוני", אמר ד"ר ג'אנג.
בנוסף להפתעות, התפקיד החדש הזה של אלמנטים LINE-1 חורג מההתנהגות האופיינית שלהם לקפוץ למיקומים גנומיים חדשים ובכך לגרום למוטציות שעלולות להיות מזיקות. במקום זאת, בהקשר קריטי זה, מרכיבי LINE-1 מטפחים באופן בלעדי התקדמות התפתחותית, פעולה ייחודית המדגישה את חשיבותם בצמיחה אנושית מוקדמת.
למחקר היסודי הזה יש השלכות חשובות על טיפולי פוריות ושימוש בתאי גזע ברפואה רגנרטיבית. יתר על כן, עבודה זו חושפת תפקידים חדשים עבור LINE1 שניתן כעת לחקור בהקשרי המחלה שבהם היא הייתה מעורבת, מהפרעות נוירולוגיות ועד סרטן.
ד"ר אן-קלוד גינגראס, מנהלת LTRI וסגנית נשיא למחקר לבריאות סיני אמרה, "המחקר הזה מדגיש עד כמה יש עוד ללמוד, לא רק על התפתחות האדם אלא גם על מרכיבי הגנום האניגמטיים הללו שתפקידם הוא רק אני מברך את עמיתיי על פריצת דרך עם התובנה המרתקת הזו בביולוגיה האנושית, ואני צופה בשקיקה לגילויים נוספים כשהם ממשיכים בעבודתם".
מחקר זה נתמך על ידי מימון מהמכונים הקנדיים לחקר בריאות, קרן הצדקה של Great Gulf Homes ויוזמת עיצוב הרפואה באוניברסיטת טורונטו.