רצפים מסוימים בגנום גורמים להפעלה או כיבוי של גנים. עד כה, לכל אחד מהמתגים הללו, או מה שנקרא משפרים, חשבו שיש לו מקום משלו ב-DNA. משפרים שונים מופרדים אפוא זה מזה, גם אם הם שולטים באותו גן, ומפעילים אותו בחלקים שונים בגוף. מחקר שנערך לאחרונה מאוניברסיטת בון וה-LMU מינכן מאתגר רעיון זה. הממצאים חשובים גם בגלל מתגים גנים נחשבים למלא תפקיד מרכזי באבולוציה. המחקר פורסם בכתב העת התקדמות המדע.
השרטוט של צורות צמחים ובעלי חיים מקודד ב-DNA שלהם. אבל רק חלק קטן מהגנום – כשני אחוז ביונקים – מכיל גנים, ההוראות לייצור חלבונים. השאר שולט במידה רבה מתי והיכן הגנים האלה פעילים: כמה מהתמלילים שלהם מיוצרים, וכך כמה חלבונים עשויים מהתמלילים האלה.
חלק מהרצפים הרגולטוריים הללו, הנקראים 'משפרים', פועלים כמו מתגי עמום המשמשים לוויסות האור בסלון שלנו. ואכן, הם מגבירים באופן ספציפי את הביטוי של גן מסוים, היכן ומתי נדרש גן זה. גנים השולטים במורפולוגיה מגיבים לעתים קרובות למספר משפרים עצמאיים, שכל אחד מהם קובע את הביטוי של הגן בחלק גוף אחר.
משפרי שליטה תסיסנית צבעוניות
עד עכשיו, משפרים נחשבו מודולריים. המונח מרמז שכל משפר תופס קטע מבודד של DNA. "עם זאת הראינו שזה לא נכון לחלוטין", מסבירה מריאם מוסרידזה. היא סטודנטית לדוקטורט במכון בון לביולוגיה אורגנית בקבוצתו של פרופ' ד"ר ניקולס גומפל והמחבר הראשון של המחקר. גומפל הוא גם חבר באזור המחקר הטרנס-תחומי (TRA) 'חיים ובריאות' באוניברסיטת בון.
החוקרים חקרו איך גן נקרא צָהוֹב מוסדר בזבוב הפירות תסיסנית. גן זה גורם לחרק לייצר את הפיגמנט החום מלנין. ישנם מספר משפרים השולטים בפעילות של צָהוֹב. אחד מהם, למשל, אחראי לפיגמנטציה של שיני הרימות, בעוד אחר אחראי להיווצרות תבנית הפסים על בטן הזבוב.
"בדקנו מקרוב שניים מהמשפרים האלה", אומר מוסרידזה. הראשון שולט על היווצרות דפוס הצבע על הכנפיים, בעוד השני שולט על צביעת הראש, בית החזה והבטן. שניהם פעילים בו זמנית במהלך המטמורפוזה של הזבוב. הצוות גילה שמשפר הגוף אינו ממוקם, כצפוי, באזור שונה של DNA ממשפר הכנפיים. במקום זאת, ישנם אזורים נרחבים של DNA השייכים לשני מתגי הגנים, כלומר הם משפיעים על הפיגמנטציה של הכנף ושל הגוף.
התוצאות מצביעות על כך שהארכיטקטורה של רצפים מווסתים בגנום מורכבת הרבה יותר ממה שחשבו בעבר. יש לכך השלכות מרחיקות לכת על האופן שבו תכונות משתנות במהלך האבולוציה. על פי הידע הנוכחי, המשפרים ממלאים תפקיד מפתח בתהליך זה.
משפרים כמגרש משחקים אבולוציוני
הסיבה לכך היא שחלבונים רבים כל כך חשובים לאורגניזם, עד שמוטציה בגן שלהם (כלומר, רצף ה-DNA המכיל את ההוראות לבניית החלבון) תגרום לבעיות חמורות או אפילו למוות בטוח. כתוצאה מכך, גנים השולטים בצורת הגוף, כמו מספר הכנפיים או הרגליים, משתנים רק לעתים רחוקות במהלך האבולוציה. משפרים מציעים מוצא מהדילמה הזו: כאשר הם עוברים מוטציה, הפעילות של הגן המתאים משתנה, אבל רק ברקמה ספציפית ובזמן מסוים.
"לפיכך העלות של ביצוע מוטציה של משפר היא לעתים קרובות נמוכה יותר מהעלות של מוטציה ישירה של הגן", אומרת מריאם מוסרידזה. זה מקל על תכונות חדשות להופיע במהלך האבולוציה. זה כמו לאפות עוגה: אם מערבבים ביצים, קמח, חלב וסוכר, אפשר לקבל סוגים שונים לגמרי של בצק, בהתאם ליחס הערבוב. במטאפורה זו, המשפרים יהיו אחראים לכמות המרכיבים, לא לסוג המרכיבים.
מוטציה גנטית היא כמו להחליף בטעות מרכיב אחד במשהו אחר לגמרי – למשל, שימוש בנסורת במקום בקמח. התוצאה בהחלט לא תהיה טעימה במיוחד. מוטציה במשפר, לעומת זאת, תשנה את כמות הקמח. "אם המשפרים אינם מודולריים כמו שחשבנו, זה אומר שלמוטציות בהם יכולות להיות השפעות רחבות בהרבה", אומר Museridze. המשמעות היא שמוטציה כזו יכולה להשפיע על כמות של מספר מרכיבים בו-זמנית. עם זאת, ייתכן גם שהמשפרים שומרים על עצמאותם וממשיכים לשלוט בכמות של מרכיב בודד, למרות שהרצפים שלהם שזורים ומשותפים. "עכשיו אנחנו רוצים לחקור את האפשרויות הללו ביתר פירוט", מסביר פרופסור גומפל. "אנחנו גם רוצים לגלות עד כמה כלליים הממצאים שלנו וכיצד זה משפיע על ההבנה שלנו לגבי מנגנונים אבולוציוניים".
