מה עושה אתכם… אתם?

האם חשבתם אי פעם אם הייתם שונים לוּ הייתם גדלים במקום אחר או בזמן אחר? האם הייתם אותו אדם שאתם כרגע? לחוויות שלנו תפקיד משמעותי בקביעת הזהוּת שלנו. המשפחה שלכם, הבית שלכם, בית הספר שלכם וכל הדברים שעשיתם עיצבו את האדם שאתם היום. אבל עד כמה? לוּ נולדתם במִצְרים העתיקה, בימי הביניים בצרפת או במונגוליה של היום, ייתכן שהייתם אותו אדם שאתם עכשיו, או אולי הייתם שונים לחלוטין. הדבר היחיד שאינכם יכולים לשנות בכם הוא הדנ“א שלכם. אתם קיבלתם חצי מהדנ”א שלכם מאימכם, ואת החצי האחר מאביכם. אינכם יכולים לשנות את הדנ“א שקיבלתם מהם, אבל הדברים שאתם עושים – החוויות שאתם עוברים – יכולים לשנות את האופן שבו הדנ”א שלכם מתבטא. מה משמעות הדבר?

מגֶנוֹטיפ לפֶנוֹטיפ

הדנ“א שלכם מְפָרֵט את הגֶנוֹטִיפּ – סדרת ההוראות אשר עושות אתכם למי שהנכם. חשבו על כך כעל ספר הוראות לבנייה של האורגניזם שהוא... אתם. כל פרק הוא סִדְרה של גֶּנים, קבוצת דפים מקושרים הפועלים יחד. גֶּן הוא חלק מסדרת הוראות זו לייצור תוצר מסוים אחד, חלבון כלשהו. ישנם אלפים רבים של גנים ליצירת תוצרים מסוגים שונים, שגופכם זקוק להם כדי לתפקד.

תוצרי גֶּן אלה בונים את מה שנקרא הפֶנוֹטִיפּ שלכם, שהוא מה שבאמת עושה אתכם מי שאתם. פעולתם יחד של חלבוני הפנוטיפ קובעת את המאפיינים שלכם כגון צבע עיניים, גובה וצבע שׂיער. תוצרי הגֶן פועלים יחד ליצירת מאפיינים מורכבים כמו האם אתם אוהבים ברוקולי או לא? האם אתם אלרגיים לחתולים או נהנים ממוזיקה קלאסית?

החלק הבעייתי בספר ההוראות של הדנ”א הזה הוא שלא נעשה שימוש בכל הפרקים כל הזמן. ייתכן שקיים אצלכם פרק לקבוצת גֶּנים מסוימת, אבל הַתָּאִים שלכם אף פעם לא קוראים בו, כך שתוצרי הגֶנים האלה אינם נוצרים. משמעות הדבר היא שהגן אינו מתבטא.

כיצד החוויות שאנו עוברים מעצבות אותנו?

די קשה לנחש אם הייתם שונים לוּ נולדתם בפֶּרוּ לפני 100 שנים. קשה לבחון זאת. אבל, דרך אחת שבעזרתה אנו כן יכולים לחקור גנוטיפים ופנוטיפים היא באמצעות תאומים זהים, במיוחד אם הם הופרדו מיד לאחר הלידה. לתאומים זהים יש בדיוק את אותו גנוטיפ – הדנ“א שלהם זהה. אחרי שהם גדלים בנפרד וחווים חוויות שונות, ייתכן כי לתאומים זהים יהיו פנוטיפים שונים. למשל, ייתכן שאחד יסבול מדלקת מִפְרָקִים והאחר לא¹. אם כך, הודות לתאומים אלה יש לחוקרים הזדמנות לבדוק עד כמה הפנוטיפים של התאומים נקבעו על-ידי הגנוטיפ שלהם, ועד כמה הם נובעים מהחוויות שעברו.

אבל, יש דרך נוספת לחקור גנוטיפים ופנוטיפים – לא על בני אדם אלא על צמחים! זיכרו, גם לצמחים יש דנ”א!

התירס לעזרת המדע

מתברר שתירס אינו רק טעים; הוא גם נהדר לצורכי המדע. תירס הוא אורגניזם מוֹדֶל טוב, כלומר אפשר להשתמש בו כדי ללמוד על דברים כגון דנ“א, ומה שאנו לומדים מאורגניזם המודל יכול להיות מיושׂם גם על אורגניזמים אחרים. מִשְׁתַּנֶּה הוא משהו שהחוקר משנה מניסוי אחד למשנהו כדי לבדוק כיצד הוא משפיע על מושא המחקר. כדי לחקור גנוטיפים ופנוטיפים חוקרים בוחנים איך המשתנים של חוויות חיים אחדוֹת יכולים לשנות את האורגניזם. נהדר לעבוד עם צמחים, כי... הם לא זזים. חוקרים יכולים לעקוב אחר ה”חוויות“ שעוברות על הצמחים בקלות רבה יותר, ויש בצמחים דברים שֶׁקַּל למדוד. המשתנים שהחוקרים יכולים לבדוק בצמחים כוללים את סוג הקרקע, כמות המים, רמת קרינת השמש ומידת החשיפה למזיקים כגון חרקים, שלועסים את העלים שלהם.

חוקרים עקבו אחר צמחי תירס שגדלו בתנאי עָקָה שונים. בדיוק כמונו, צמחים נתונים לעקוֹת אם הם נמצאים בתנאים קשים. עבורנו, ייתכן שאנו חשים עקה אם אנו חולים או אם חסרה לנו שינה. עבור צמח, הצורך לשרוד בתנאי יובש שבהם אין מספיק מים מעיק לא פחות.

חוקרים גם בחנו אם צמחים שחוֹוים תנאי עקה שונים הושפעו באופן שונה לעומת צמחים שחוו רק סוג אחד של תנאי עקה. אם צמח גדל בתנאֵי יובש וגם תוקף אותו וירוס – ייתכן שתהיה לכך השפעה שונה על חייו לעומת התמודדות עם כל אחד מתנאי העקה האלה בנפרד [1].

כאשר לתירס לא אכפת מתנאי העקה

כאשר צמחים גדלים בסביבה שאין בה הרבה תנאי עקה, הם נוטים להיראות די דומה. קל לראות זאת במאפיינים אשר קל למדוד כגון גובה. כל הצמחים הם כמעט באותו גובה.

אבל, כאשר מוסיפים לסביבה גורם עקה, משהו משתנה. הצמחים מגיבים באופן שונה זה מזה. חלק מהצמחים מסתדרים היטב, בעוד שאחרים אינם מסתדרים כלל. השוֹנוּת היא הדבר החשוב. ייתכן כי תצפו שבמקרה של תנאי יובש כל הצמחים יהיו נמוכים או שכֹּל הצמחים לא ייצרו הרבה קלחי תירס. אך לא כך הדבר – חלק מהצמחים ממשיכים לשגשג למרות תנאי העקה. הַמַּפְתֵּחַ להצלחה זו הוא בגנוטיפ שלהם.

במידה מסוימת, גם בני האדם הם כך. בתנאים אידיאליים, אנשים רבִּים גדלים מאושרים ובריאים. אבל כשהמצב קשה, יש אנשים שממשיכים בחייהם למרות זאת, בעוד שאחרים סובלים מאוד.

בתרשים זה² (וידיאו 1) יש שני גושי נקודות המייצגים את הגובה שאליו צמח התירס יכול להגיע. משמאל, הנקודות מייצגות את הגובה שאליו עשויים צמחי התירס להגיע בתנאים רגילים – קבוצת צמחים שלא נחשפה לתנאי עקה. כל הצמחים די גבוהים, וכמעט אין שוֹנוּת בין הנקודות.

מימין, תראו נקודות שמייצגות את הגובה שאליו הגיעו צמחי התירס שנחשפו לתנאי עקה. כמה מהן נמצאות כמעט בתחתית התרשים; הצמחים לא הגיעו לגובה כלל. אבל, ראו עד כמה רבָּה השוֹנוּת. חלק מהצמחים – הנקודות בחלק העליון ביותר בתרשים – אפילו הגיעו לגובה של רבִּים מצמחי התירס שלא נחשפו לתנאי עקה.

עכשיו, בואו נסתכל על ההבדלים בגנוטיפ של הצמחים האלה, ונבדוק איך הבדלים אלה תורמים לפנוטיפ הגובה. בדוגמה שלנו, יהיו לנו גנוטיפים עגולים כחולים וריבועיים אדומים. לחצו על לחצן התרשים שמשמאל (ראו הערת שוליים 2) או המשיכו להביט בסרטון (קובץ נוסף של וידיאו 1) כדי לראות את הצבעים. העיגול הכחול והריבוע האדום מייצגים את סוגי ההבדלים בפנוטיפים של הגובה שאנו מצפים למצוא, כאשר נעשה שימוש בפרקים נוספים של הדנ”א. תוכלו לראות שבקבוצה שגדלה בתנאים רגילים אין הבדל גדול בשימוש בפרק הכחול או בפרק האדום, שכן לא משנה איזה מהם מתבטא, כך או כך הצמחים די גבוהים. בתנאי עקה הצמחים עם התבטאות של פרק הגֶן ה“אדום” הם די נמוכים (“רחפו” מעל לתרשים האינטראקטיבי כדי לראות את ההסברים עבור כל חלק). בדרך זו, על-ידי השוואת צמחים שגדלים בתנאי עקה לצמחים שגדלים בתנאים רגילים (במילים אחרות: סיווג לפי משתנה רמות העקה), אנו יכולים למצוא פרקים שונים שלא היינו יכולים לדעת על קיומם לוּ היינו מסתכלים רק על הצמחים שגדלו בתנאים רגילים. בצמחים נמצא הדנ“א של כל הפרקים (גם פרקי הגֶנים ה”כחולים“ וגם פרקי הגֶנים ה”אדומים“ בתרשים לדוגמה שלנו), אבל הם שונים ביניהם בשימוש בפרקים אלה; הצמחים שמשתמשים בגֶנים המסומנים באדום אינם יכולים לגדול לגובה רב, כאשר הם נחשפים לתנאי עקה. אנו יודעים זאת כי חקרנו את סידור הנקודות שבתרשים. הטווח (או הפיזור) של הנקודות מלמעלה למטה בתרשים מנקודת המבט השחורה או הלבנה מרמז לנו שעלינו לחפש שימוש בגֶנים שונים. אנו משווים את הנקודות המסומנות באדום לנקודות המסומנות בכחול כדי לראות איזה פרק של התבטאות גנים משמעותי יותר.

לוּ לא היו לנו שני הדברים – גם את ההבדלים הגנוטיפיים היסודיים שמאופיינים בנקודות הכחולות והאדומות, וגם את משתנה העקה בתרשים מבחן התירס – לעולם לא היינו יודעים שהגֶנים המסומנים באדום גורמים לתירס להיות רגיש לתנאי עקה. השוֹנוּת (הפיזור הנרחב של הנקודות מגבוה לנמוך והגנוטיפים השונים – המוצגים בתרשים כצבעי הנקודות) מספקת לנו מידע שימושי!

רעיון זה והשיטות ששימשו כדי לחקור זאת מוסברים ביתר פירוט במאמר הסקירה המדעית [2], ובאופן כללי יותר במאמר הסקירה [3]. דוגמה עדכנית לסוג זה של ניתוח במחלות של בני אדם אפשר למצוא במקור [4].

מה עוד יש לדעת?

כמו הרבה דברים במדע, מחקר זה מְסַפֵּק רעיונות להמשך המחקר. אפשר לבדוק יותר סוגים של צמחים, לעקוב אחר כמות גדולה יותר של הדנ”א שלהם ולגלות עוד על אופן ביטויוֹ. הבנת הדברים האלה עשויה להוביל לכל מיני סוגים של יֶדַע ושל טכנולוגיה נהדרים.

במקרה של התירס, ההבנה כיצד הסביבה משפיעה על צמחים שונים יכולה להוביל לשיטות חקלאיות טובות יותר. אולי נצליח לקבל יותר קלחי תירס תוך שימוש בפחות שטחי אדמה. זה יכול להיות נהדר לכולם, החל מהחקלאי שקוטף את התירס וכָלֶה באדם שאוֹכֵל קֶלַח של תירס שהוכן “על האש”.

אבל זיכרוּ, לא מדובר רק באורגניזם המסוים הזה. ההבנה כיצד לעזור לצמחי התירס לשגשג תעזור לנו להבין איך אפשר לגרום לאורגניזמים אחרים, כולל בני אדם, להיות במיטבם בסביבה כלשהי. כל זה חלק מהתמונה הגדולה המתארת איך אפשר ללמוד מדנ“א על עצמנו, וכמה מהזהוּת שלנו אינה טמונה בדנ”א, אלא בחוויות שלנו ובמה שאנו עושים אִתן. במילים אחרות – איך ביטוי גֶּנים משפיע על החיים שלנו.

תודות

המחברים מודים לסטודנטים Thomas Billman ו-Dave Hiltbrand מאוניברסיטת צפון קרולינה ווילמינגטון (UNCW) — על כך שהכינו עבורם את התרשים האינטראקטיבי המבריק. קוד ה־R וההסבר לבניית הסימולציה הזו, וגם הדמיית התרשים זמינים בכתובת: https://github.com/tbillman/R-Shiny.

מילון מונחים

אורגניזם (Organism): ↑ יצור חי.

דנ“א (DNA): ↑ המולקולה דמוית הסולם הלולייני שנמצאת בכל היצורים החיים, ומשמשת כספר ההוראות לבניית אורגניזם ולקיומו.

ביטוי (Express): ↑ הפעולה של שימוש בדנ”א ליצירת תוצר של גֶּן – חלבון. הדנ“א באורגניזמים מכיל הרבה גֶּנים שנעשה בהם שימוש בזמנים שונים או במקומות שונים באורגניזם.

גנוטיפ (Genotype): ↑ כְּלַל הדנ”א שבספר ההוראות של האורגניזם, שהוא זהה בתאומים זהים, אבל שונה בפרטים שאינם זהים.

גֶּן (Gene): ↑ חלק מסוים בדנ“א – פרק בספר ההוראות של הדנ”א – המכיל הוראות ליצירת תוצר של גֶּן.

תוצר של גֶּן (Gene product): ↑ מולקולה שנוצרת לפי ההוראות של הגֶן. תוצרי גֶּנים יכולים לייצר מיד חלבונים, או שהם יכולים להיות מוּוסתים על-ידי מולקולות רנ“א המווסתות את האופן שבו חלבונים אחרים פועלים.

פנוטיפ (Phenotype): ↑ התוצאה של גנוטיפ האורגניזם שהתבטא, כלומר כל המאפיינים של האורגניזם שאפשר לבחון (תכונות).

אורגניזם מודל (Model organism): ↑ אורגניזם שבו משתמשים מדענים בניסויים שלהם כדי ללמד בעזרתו גם על אורגניזמים אחרים. אורגניזמים מודל נפוצים הם החיידק א. קולי, זבוב הפירות, דגי זברה, צמחי תירס ועכברים.

משתנה (Variable): ↑ חלק בניסוי שנבחן על-ידי שינויו מניסוי לניסוי. למשל, אם אתם רוצים לדעת כיצד מים משפיעים על גידולו של צמח תוכלו לתכנן ניסוי שבו המשתנה הוא כמות המים הניתנים לצמחים שונים מדי יום ביומו.

עקה (Stress): ↑ היבטים של הסביבה שעלולה להיות להם השפעה שלילית על האורגניזם.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.

הערות שוליים

[1] ↑ http://learn.genetics.utah.edu/content/.epigenetics/twins

[2] ↑ https://dhbrand.shinyapps.io/young_minds