השערה: המנגנון המאפשר את הרבייה המינית נוצר כמיליארד שנה לפני הופעתה בפועל
חוקרי הטכניון ועמיתיהם בחו"ל: יתכן שהמנגנונים התאיים המאפשרים את איחוי הזרע והביצית נוצרו כבר לפני 3 מיליארד שנים ביצורים חד-תאיים מסוג ארכיאונים (archaea)
פרופ’ בני פודבילביץ והדוקטורנטית שיאוהוי לי
תהליך הרבייה המינית, המוכר לנו מהמין האנושי וכן מבעלי חיים אחרים וצמחים, מצריך איחוי בין זרע וביצית. הופעתה של הרבייה המינית מתוארכת בדרך כלל לפני כ-1-2 מיליארד שנה, אולם חוקרים מהטכניון ומחו”ל מעלים כעת השערה כי המנגנונים המאפשרים את האיחוי בין זרע לביצית הופיעו כבר לפני 3 מיליארד שנים.
את המחקר בנושא, שהתפרסם ב-Nature Communications, הובילו פרופ’ בני פודבילביץ והדוקטורנטית שיאוהוי לי מהפקולטה לביולוגיה בטכניון עם חוקרים משווייץ, אורוגוואי, שוודיה, צרפת, בריטניה וארגנטינה.
ברבייה מינית, כל תא זוויג (זרע או ביצית) מכיל חצי מהמידע הגנטי הדרוש ליצירת צאצא; האיחוי בין הזרע לביצית מסמן את תחילת ההתפתחות העוברית. תהליך זה מבוקר בקפידה, מאחר ששיבושים בו – למשל איחוי כמה תאי זרע עם ביצית אחת – עלולים להיות הרי גורל. לכן התפתחו באבולוציה חלבונים ייעודיים הנקראים פוזוגנים (fusogens), הנמצאים על הקרום של תא הזוויג בזמן ובמקום הנכונים כדי לאפשר מיזוג תקין.
מעבדתו של פרופ’ בנימין פודבילביץ מהפקולטה לביולוגיה חוקרת פוזוגנים ממגוון אורגניזמים. לאחר שחקרה ופענחה חלבוני איחוי בנמטודות (חלבוני EFF-1 וAFF-1) היא פענחה את המקבילה שלהם בצמחים (GCS1/ HAP2). כך התברר כי מגוון רחב של אורגניזמים נעזר בפוזוגנים החולקים מבנה מרחבי דומה מאוד. משפחה זו של חלבוני איחוי זכתה לשם פוסקסינים (Fusexins) והיא כוללת נציגים שמקורם גם בנגיפים, חיות ויצורים חד-תאיים.
קבוצת המחקר מהטכניון, מימין לשמאל: פרופ’ בנימין פודבילביץ, קטרינה פליאק, קלרי ולנסי, שיאוהוי לי וד”ר ניקולס ברוקמן
כדי לאפיין את מקור הפוזוגנים השייכים למשפחת הפוסקסינים ערכו עמיתיו של פרופ’ פודבילביץ, דויד מוי (David Moi) וצוות חוקרים משותף מארגנטינה ומשוויץ, סריקה של רצפים גנטיים שנדגמו ממגוון מקורות ובכללם אדמה, מי תהום, אגמי מלח וקרקעית הים. החוקרים גילו ברצף שמקורו בארכיאה (Archaea) מאפיינים שרמזו לדמיון עם רצפים גנטיים השייכים לחלבוני איחוי מוכרים. הם כינו את הרצף הגנטי fusexin1 (fsx1). צוות מומחה בראשות פבלו אגילר (Pablo Aguilar), הקטור רומרו (Héctor Romero) ומרטין גראנה (Martin Graña) אישרו כי מדובר במקטע מארכיאון, והעריכו כי fsx1שייך לשושלת אבולוציונית שמקורה לפני כ3- מיליארד שנים. עם זאת, נותרו השאלות הבאות: האם אכן מדובר ברצף היוצר חלבון, האם מבנהו דומה לפוזוגנים ממשפחת הפוסקסינים, והאם הוא מסוגל לתפקד באיחוי תאי?
בכדי לקבוע את המבנה של החלבון Fsx1, שונסוקה נישיו (Shunsuke Nishio) ממכון קרולינסקה בשוודיה השתמש בשיטות קריסטלוגרפיות כדי לנתח את הסידור המרחבי של החלבון Fsx1 והראה כי הקיפול התלת-ממדי שלו מכיל שלושה חלקים מבניים המזכירים במידה רבה חלבונים השייכים למשפחת הפוסקסינים. למרבה ההפתעה, Fsx1 כולל אלמנט רביעי שלא מצוי בשום פוזוגן מוכר. פרופ’ לוקה יובינה (Luca Jovine), שסייע בפענוח המבנה הקריסטלוגרפי, נעזר בתוכנת בינה מלאכותית חדשנית שפורסמה לאחרונה (AlphaFold2) כדי לאשר את המודל המרחבי שהתקבל.
כדי להוכיח כי Fsx1, שמקורו בארכיאון, הוא אכן חלבון איחוי תאי, ערכה הדוקטורנטית שיאוהוי לי ממעבדת פודבילביץ ניסוי ובו ביטאה את החלבון Fsx1 במערכת תאים שמקורה ביונקים. בשיתוף פעולה עם מנהלת המעבדה קלרי ולנסי וחברי המעבדה ד”ר ניקולס ברוקמן וקטרינה פליאק הראתה לי כי אכן, החלבון מסוגל להביא למיזוג בין תאים אשר באופן רגיל אינם מתאחים כלל. מסקנה זו מעידה על כך שארכיאונים אכן מצוידים בחלבון האיחוי התאי הקדום ביותר המאופיין כיום.
באיור של פרופ’ לוקה יובינה (Luca Jovine) ממכון קרולינסקה מופיע המבנה של Fsx1 (מימין) שפוענח על ידי החוקרים. המבנה שייך לארכיאון שמקורו בסביבת מים בעלת מליחות גבוהה (מיוצג במלח משמאל)
חלבוני איחוי ממשפחת הפוסקסינים משחקים תפקיד כפול מבחינה אבולוציונית בשתי קבוצות שונות מאוד בעולם החי. בנגיפים הם מתווכים את חדירת הנגיף אל התא המארח (כך פועל גם נגיף הקורונה), ואילו באאוקריוטים (בעלי גרעין) – צמחים, נמטודות ופרוטיסטים (יצורים חד תאיים) – הם משחקים תפקיד ביצירת רקמות, בתיקון רקמות עצב וכן באיחוי תאי זוויג.
מה קדם למה? האם פוזוגן המשמש לרבייה מינית ‘נחטף’ על ידי נגיף, או שחלבון נגיפי המשמש להדבקה ‘אומץ’ על ידי צמחים? מחקרם של מוי (Moi), נישיו (Nishio), לי ואחרים מעלה תרחיש שלישי אפשרי – מקורם של כל הפוסקסינים הוא בארכיאה, ומהם התפצלו החלבונים למגוון תפקידים התפתחותיים, החל בהדבקה נגיפית וכלה באיחוי בין זרע וביצית, מיליארד שנים לפני הרבייה המינית המוכרת לנו כיום.
המחקר נתמך על ידי תוכנית Horizon 2020 של האיחוד האירופי, מענק מרי קירי, קרן המדע הלאומית ועוד. חלק מהאנליזה של הדגימות נערכה במתקן האירופי לקרינת סינכרוטרון (ESRF).
למאמר: