האם אי פעם הסתכלתם על האצבע שלכם והבחנתם בכך ששני צדדיה שונים? בצד אחד נמצאת הציפורן ובצד שני לא. באופן דומה, מאפיינים רבים של גבכם שונים מאוד ממאפייניה של הבטן שלכם. זה נכון עבור מרבית החיות, כולל פרפרים. לפרפרים יש תבניות על משטח אחד של הכנפיים שהן שונות מאוד מהתבניות על המשטח האחר (איור 1A). לעיתים קרובות פרפרים משתמשים בצבעים ובתבניות דהויים על צד אחד של הכנפיים שלהם כדי להתחבא מטורפים, ובצבעים בוהקים על המשטח השני כדי למשוך זיווג. נוסף על כך מֵאַחַר שמרבית הפרפרים יושבים לרוב עם כנפיים סגורות, הצד התחתון (ונטרלי) של הכנפיים שלהם, בעל הצבעים המוצנעים, הוא המשטח שנראה היחיד. החלק העליון (דורסלי), בעל הצבעים הבוהקים, חבוי כאשר הכנפיים סגורות. לכן פרפרים יכולים להתחבא ביעילוּת מפני טורפים בתנוחה זו, ועדיין יכולים לפתוח את הכנפיים שלהם ולנפנף בהן כדי להראות את הצבעים הבוהקים החבויים, כשהם מחפשים זיווג פוטנציאלי. חשבו על כנפיו של פרפר כפיסת נייר שיכולה להכיל שני מסרים כתובים, אחד בכל צד, שאותם אפשר להראות לאנשים שונים.

כיצד נוצרות תבניות כנפיים אצל פרפרים?

מה שרצינו להבין באמצעות הניסויים שלנו היה כיצד נוצרות התבניות השונות על שני צידי הכנפיים. אולם לפני שנעסוק בזה, בואו נדבר על האופן שבו כנפיים והתבניות שלהן נוצרות אצל פרפרים, ומה אנו יודעים על התהליך הזה. פרפרים, כמו גם חיפושיות, זבובים, עָשִׁים וצרעות, שייכים לקטגוריה של חרקים שעוברים מטמוֹרפוֹזה מלאה. משמעות הדבר היא שפרפרים עוברים שינוי צורה מִזחל לחיה בוגרת בעלת כנפיים, רגליים גדולות וצנומות ועיניים גדולות. פרפרים עוברים ארבעה שלבי חיים שונים במהלך התפתחותם. שלבים אלה הם שלב הָעֻבָּר (שמתרחש בתוך ביצה); שלב הזחל; שלב הגולם ושלב הפרפר הבוגר. הביצים מוטלות על עלים של צמחים מסוימים, והזחלים שבוקעים מהן אוכלים את העלים האלה עד שהם נכנסים לשלב הגולם. שלב הגולם הוא השלב שבו רקמות הגוף של הזחל מתפרקות ומתחברות מחדש כדי ליצור את הפרפר הבוגר שמפציע בסופו של דבר. כנפי הפרפרים נוצרות מקבוצת תאים מסוימת בצורת דיסקים אִימָגִינָלִים אשר מונחת בצד במהלך שלב העובר. הדיסקים האימגינלים האלה גדלים בתוך גוף הזחל במהלך התפתחותו, אולם בשלב הגולם הם עוברים לחלקו החיצוני של הגוף ומפתחים את גודלם וצורתם הסופיים. אתם יכולים לראות בקלות את החלק הקדמי של כנפיו של פרפר על-ידי התבוננות זהירה בשני צידי הגולם.

תבניות של כנפיים בוגרות מתפתחות בהדרגה על הדיסקים האימגינלים של הכנפיים בזמן שהדיסקים האלה גדלים להיות הכנפיים הבוגרות. בנקודה מסוימת במהלך שלב הזחל, הכנף “מתחלקת” לצד עליון ולצד תחתון. חלוקה זו מתרחשת מאחר שגנים מסוימים (חלקים בדנ“א שמכילים הוראות מסוימות לבניית האורגניזם) מתבטאים רק במשטח אחד של הכנף, נניח בצד העליון, אך לא בצד האחר. אחרי השלב הזה מופיעות על הדיסק קְדַם-תבניות כתוצאה מהתבטאות של גנים שונים במיקומים שונים בכנף (איור 1B). בשלב המוקדם הזה כבר ברור שהקדם-תבניות שונות בצדדים העליון והתחתון של הכנפיים. בשלב מאוחר יותר מופיעים בקדם-תבניות צבעים מאחר שהגנים של הפיגמנטציה (צבע) נעשים פעילים [1]. אם להשתמש שוב באנלוֹגיה של פיסת הנייר, אנו יכולים ליצור צדדים שונים בנייר באמצעות ציור קווים ויצירת קיפולים כפי שמודגם באיור 1C (באמצע). לאחר מכן, אנו יכולים לצייר תמונה על אחד הצדדים של הנייר אשר מייצגת את הקדם-תבנית, ולבסוף לצבוע את התמונה באמצעות שילובי צבעים שונים כדי לקבל את התבניות הבוגרות הסופיות )איור 1C מימין).

מדענים חקרו התפתחות של כנפיים אצל זבובי פירות (שם מדעי: Drosophila melanogaster) במשך שנים רבות, וזיהו הרבה גנים שחשובים עבור יצירת צדדים שונים ותבניות. מאחר שהתפתחות הכנפיים אצל זבובי פירות ואצל פרפרים דומה מאוד, השלבים הראשונים של התפתחות הכנפיים, כמו למשל יצירת הצדדים השונים בכנפי הפרפר, נעשו די מובנים באמצעות חֵקֶר זבוב הפירות. אולם פרפרים שונים מזבובים בכך שלפרפרים יש תבניות כנף מורכבות וצבעוניות. חוקרים הצליחו לזהוֹת כמה גנים שיוצרים את התבניות האלה. לדוגמה, זוהו גנים רבים שמעורבים בהתפתחות תבניות שנראות כמו עיניים, אשר נקראות Eyespot patterns. בפרפר ממין Bicyclus anynana, גנים שמכונים spalt ו-distal-les מבוטאים במרכזי תבניות העיניים, וה-spalt מבוטא גם בטבעת השחורה. גן אחר שמכונה engrailed/invected מבוטא בסביבת הטבעת הזהובה (איור 1B) [2].

אם כן, בהתבסס על המחקרים האלה ועל הדמיון בהתפתחות של כנפי הפרפר והזבוב, שׁיערנו כי גן שנקרא apterous A עשוי להיות אחראי על יצירת תבניות שונות בצדדי הכנף העליונים והתחתונים של הפרפר. בחרנו את הגן הזה מאחר שבכנפיים של זבובים ופרפרים גן זה מבוטא רק במשטח העליון, והוא נעדר מהמשטח התחתון [4, 3]. השתמשנו בפרפר B. anynana כדי לבחון את ההשערה הזו. במטרה להראות שהגן הזה אחראי ליצירת התבניות השונות אצל הפרפרים, היינו צריכים למחוק אותו ולהסתכל על תבניות הכנף בפרפרים שאין להם את הגן הזה. אם apterous A אכן אחראי ליצירת התבנית בצד העליון של הכנף, שהיא שונה מהתבנית בחלק התחתון, אז כאשר מוחקים אותו התבנית העליונה צריכה להפוך לדומה לתבנית התחתונה. כדי למחוק את הגן apterous A השתמשנו בטכניקה חדשה שנקראת CRISPR-Cas9.

מהי טכניקת CRISPR-Cas9?

טכניקת CRISPR-Cas9 היא טכנולוגיה חדשה ועוצמתית מאוד אשר מאפשרת למדענים ליצור בקלות מוּטציוֹת בגנים ולמחוק תפקודים של גנים [5]. המערכת הזו זוהתה לראשונה אצל חיידקים כתגובה של מערכת החיסון, שמטרתה להגן על חיידקים מפני סוכנים מזיקים כמו וירוסים [5]. כשמדענים משתמשים בטכניקת CRISPR-Cas9 כדי למחוק גנים מסוימים בחיות, הם יכולים לראות מה קורה כאשר הגנים חסרים. טכנולוגיית CRISPR-Cas9 מכילה באופן בסיסי מספריים מולקולריים (אֶנְזִים Cas9) אשר מוּבלים לגן שבו מעוניינים על-ידי חתיכת רנ”א. רנ“א, בדומה לדנ”א, הוא מולקולה שמבצעת תפקודים ביולוגיים חשובים בתוך התא. רֶצֶף הרנ“א המוביל אומר למספריים איזה גן לחתוך, ואז מספרי ה-Cas9 חותכים אותו. אולם מנגנוני התיקון שפועלים לאחר חיתוך האזור הרצוי הם די חלשים; הרבה רצפים נמחקים או מתווספים, מה שהורס את תפקוד הגן הזה (איור 2).

כדי להשתמש במערכת הזו בפרפרי B. anynana תיכננו רנ”א מוביל שמזהה את הגן apterous A בפרפר הזה, ואז הזרקנו את הרצף הזה יחד עם מספרי ה-Cas9 אל תוך הביצים (איור 2). לאחר מכן גידלנו את הזחלים עד שהם התבגרו, ואז חקרנו את תבניות כנפי הפרפרים כדי לראות כיצד נראו התבניות בצדדים העליונים והתחתונים של הכנפיים. התבניות המוּטנטיוֹת הן בדרך כלל בצורת פסיפס (מופיעות כטלאים על משטחי הכנף) מאחר שחלק מהתאים של הפרפר (אבל לא כולם) אותרו על-ידי המספריים כאשר הזרקנו אותם לתוך הביצים (איור 2). לאחר מכן אנו יכולים לאשר שהגנים הנכונים עברו מוטציה באמצעות בחינת הדנ“א של הפרפרים האלה, ובחינה אם רצף הגן apterous A השתנה.

הגן apterous A יוצר תבניות בצידהּ הקדמי של כנף הפרפר

גילינו שכאשר apterous A נמחק מהדנ”א של הפרפרים האלה, הופיעו על הכנפיים שלהם תבניות פסיפס שדומות לתבניות של הצד האחורי של הכנף (איור 3) [6]. בזכרים למשל מאפיינים מסוימים כמו הבלוטה שמשמשת ליצירת בְּשָׂמֵי חיזור, שבאופן רגיל ממוקמת במשטח האחורי, הופיעה כעת על המשטח הקדמי (חץ אדום באיור 3 טור 2). כמו כן אצל פרפר אחד שחלק הכנף הקדמי שלו מכיל בדרך כלל בין 2-0 כתמים, הופיעו תבניות בצורת כתמי עיניים שדומים לתבניות שבצד האחורי של הכנף (שבעה כתמים שאפשר לראות בטור הימני באיור 3). כאשר ניתחנו את רצף הגן apterous A בפרפרים האלה, אישׁשׁנו שהרצף השתנה. תוצאות אלה אומרות לנו שהגן apterous A אכן אחראי על יצירת תבניות כנף שייחודיות לצד הקדמי של כנף הפרפר.

לאן המידע הזה מוביל אותנו?

המִגוון בתבניות תלויות-משטח בכנפי פרפרים הוא עצום. תוכלו להבחין בכך אם אי פעם תבקרו בפארק של פרפרים או כשתראו פרפרים בגינה שלכם. זיהינו גן שיכול ליצור את הווריאציות בתבניות האלה בין המשטחים הקדמיים והאחוריים של כנפי פרפרים. באופן מעניין, אותו הגן (apterous) גורם לכנפיים העליונות של חיפושית להיות נוקשוֹת ומוצקוֹת מאוד. גנים אחרים מאותה המשפחה של apterous מסייעים ליצור מאפיינים קדמיים ואחוריים שונים בבעלי חוליות כמו עכברים. לכן, שאלה מעניינת שעולה מעבודה זו היא האם אותה משפחת גנים אחראית על התבניות הקדמיות והאחוריות השונות בבעלי חיים שונים, וכיצד משפחת גנים אחת יכולה ליצור את כל הווריאציות האלה?

שימוש נוסף ומעניין מאוד בנתונים האלה הוא ככלי לבחירת תאים שיכולים לשמש לביצוע דברים מגניבים אחרים. למשל, אם תסתכלו על מיני פרפר ה- Morpho הידוע (איור 1A) תוכלו לראות את הצבע הכחול היפהפה בצידה הקדמי של הכנף בעוד שצידה האחורי חום בעיקרו. הצבע הכחול מעניין מאוד מדענים מאחר שהוא לא נוצר על-ידי פיגמנטים אלא על-ידי מנגנון שבו האור מְתַקְשֵּׁר עם מבנים קטנים מאוד על פני השטח של קשׂקשׂי הכנף. אם הגן A apterous מבוטא רק במשטחים הקדמיים משמעות הדבר היא שכֹּל התאים שנעשים כחולים מְבַטְּאִים את הגן הזה. באמצעות שיטות של מיון תאים שמבטאים ושאינם מבטאים את apterous A אנו יכולים להפריד את תאי הקשקשים הכחולים בלבד, ולחקור כיצד התאים האלה מייצרים את המבנים הקטנטנים האלה. הידע הזה יוכל לשמש מדענים ליצירת משטחים שמייצרים צבעים, או אולי אפילו לשנות תאים חיים כמו חיידקים כך שהם יוכלו לייצר צבעים שונים!

מילון מונחים

מטמורפוזה מלאה (Holometabolous): ↑ צורת התפתחות של חרקים שכוללת ארבעה שלבי חיים. השלבים הם: שלב העובר (בתוך הביצה); שלב הזחל; שלב הגולם והשלב הבוגר.

דיסקים אימגינלים (Imaginal discs): ↑ מבנים בתוך גופו של חרק שעובר מטמורפוזה מלאה אשר מתפתחים להיות המבנים החיצוניים בגופו של החרק הבוגר (כמו למשל כנפיים ורגליים).

קדם-תבניות (Prepatterns): ↑ תבניות שנוצרות על-ידי קבוצת תאים שמבטאים שילובים שונים של גנים, אשר בסופו של דבר מכתיבים את התפתחותם של צבעים שונים.

CRISPR-Cas9: ↑ טכנולוגיה חדשה שמסייעת למדענים לְאַתֵּר גנים מסוימים ולשנות את הריצוף שלהם ואת התפקודים שלהם.

הצהרת ניגוד אינטרסים

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