מפת דרכים גנטית

כל גנן יודע שצמחים גדלים באופן שונה כשהם חשופים לקור או לחום,
לשמש או לצל, לגשם או לרוח יבשה

בעלי- חיים יכולים להימלט ולחפש מחסה מפני פגעי הטבע. צמחים אינם יכולים לעשות זאת. הם נותרים נטועים במקומם ומנסים להתמודד עם הקשיים באמצעות הפעלת דרכים שונות לשליטה בהתפתחותם.

דוגמה קיצונית לכך היא אמנות הגננות היפאנית, הקרויה בונסאי. מעצבי הבונסאי מאלצים עץ, שבאופן טבעי היה צומח ונעשה גדול ממדים, להסתפק בגודל שמאפשר לו להתקיים בעציץ קטן המונח על אדן החלון. כיצד יכולים צמחים בעלי גנים זהים לגדול בצורה כל כך שונה? זו בדיוק השאלה המעסיקה את פרופ' רוברט פלור, ראש המחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן למדע. הוא מנסה להבין כיצד הצמחים משתמשים במידע הצפון בגנים שלהם כדי להגיב ולהתגונן מפני פגעי מזג האוויר, סביבה עוינת או מחלות. הבנת המנגנונים האלה עשויה להשפיע השפעה משמעותית על הדרך שבה בני-אדם יגדלו צמחים בעתיד.

פרופ' פלור מודע למגבלות ההבנה שאפשר להשיג כיום באמצעות מיפוי הגנום של צמח זה או אחר. הוא משווה את הדבר למפת דרכים שחסרים בה כמה צמתים חשובים. אפשר לנווט על-פי המפה הזאת, אבל מי שיעשה זאת לא יכול להיות בטוח שיגיע למטרה. הגנום של הצמח דומה במובנים רבים למפה חסרה כזאת.

שרשרת התקשורת שהמידע הביולוגי עובר בה, מהגנים, דרך יצירת תעתיק ה-RNA שליח ועד לייצור החלבונים, מתנהלת בדרכים מורכבות שאינן מובנות עדיין כל צורכן.

בעבר התברר שהמקטע הגנטי שמקודד את החלבון אינו מופיע במאגר הגנטי כרצף אחיד. למעשה, הוא מורכב ממספר קטעים נושאי מידע שביניהם ממוקמים קטעים שאינם נושאי מידע. בתהליך התבטאות הגן, בדרך לייצור החלבון, בשלב שבו נוצר תעתיק ה-RNA שליח, מתנתקים הקטעים חסרי המידע, ואילו הקטעים נושאי המידע נצמדים זה לזה ויוצרים רצף חדש, שהוא המקודד את החלבון. מדובר בתהליך של מעין "עריכה מחדש" של תעתיק ה-RNA: קטעים שונים מוגדרים, מסולקים, וקטעים אחרים מוצמדים זה לזה ויוצרים "טקסט" חדש. למעשה, הקטעים הנושאים את המידע לבניית החלבון עשויים להתחבר זה לזה בשילובים שונים. כך, כל גן יכול ליצור תעתיקי RNA שליח בתבניות שונות, שכל אחת מהן תוביל ליצירת חלבונים שונים. תופעה זו - שעדיין אינה מובנת כל צורכה - מכונה "עריכה חלופית". פרופ' פלור וחברי קבוצת המחקר שלו שואפים להבהיר את המנגנונים השולטים בעריכה החלופית. הם מניחים, כי צמחים "עורכים" את תעתיקי ה-RNA שליח שלהם בהתאם לתנאים, וכי הודות לכך הם יכולים להתאים את עצמם ולהסתגל לשינויים שמתחוללים בסביבתם.

במחקר קודם גילו המדענים אנזים בשם 12PK השייך למשפחת אנזימים מסוימת (קינזות מקבוצת LAMMER). אנזים זה מופעל על-ידי ההורמון הצמחי אתילן, המופעל כשהצמחים נקלעים למצבי עקה (חשיפה לגורמי מחלות, מליחות, קור ועוד). המדענים שיערו שהאנזים 12PKממלא תפקיד בשליטה על תהליכי התרגום של המידע הגנטי _ דרך יצירת האר-אן-אי שליח - לחלבון. כדי להבין איך בדיוק פועל האנזים החליטה תלמידת המחקר סיגל סבלדי-גולדשטיין מקבוצתו של פרופ' פלור, לנסות ולראות מה קורה כשמשנים - באופן מלאכותי, יזום - את פעילותו של האנזים 12PK הניסוי בוצע בצמחים מהונדסים גנטית הגדלים בתנאים ללא עקה. תוצאות הניסוי הזה הושוו לנתונים של צמחים במצבים רגילים. המדענים ניתחו את דרכי העברת המידע בתהליכי העריכה של תעתיקי ה-RNA שליח באמצעות שבב DNA, המסוגל לבדוק התבטאות של אלפי גנים בעת ובעונה אחת. טכנולוגיה מתקדמת זו איפשרה להם לזהות שינויים עמוקים יותר בצמח, ולעקוב אחריהם. כך התברר, שאנזים זה, הפועל לבדו, יכול לחולל שינויים בכל המבנה של הצמח. לדוגמה, בצמחים שמייצרים כמות גדולה של 12PK נוצרים תעתיקי RNA שליח מסוימים, הגורמים לייצור חלבונים שאחראיים לגידול של עלים וגבעולים קטנים יחסית.

כשהאנזים 12PK עבר שינוי, התבטא הדבר בשינויים מובהקים בתהליכי העריכה של תעתיקי ה-RNA שליח. הבדיקות שביצעה ד"ר אולגה דוידוב, באמצעות שבב DNA, הראו שינויים בביטוי הגנים שהצביעו על כך שפעילותו של 12PK והשפעותיו על תהליכי העריכה החלופית גרמו להיווצרות חלבונים חדשים ולשיבוש מסוים של מערכות שונות. כתוצאה מכך נכנסה לפעולה קבוצה של אנזימים האחראים לפירוק ולמיחזור של חומרים לא רצויים.

פרופ' פלור: "נראה שהצורך של הצמח לשמור על האיזון בלם במידה מסוימת את העריכה החלופית. מכאן עולה, שהפעילות של 12PK עשויה להועיל לצמח רק כאשר היא מתבצעת בזמן נכון ובתנאים נכונים".

פרופ' פלור ותלמידת המחקר הדס נר-גאון מכינים בימים אלה מאגר מידע של הממצאים שהתקבלו באשר לתהליכים המעורבים בעריכה החלופית. ריכוז המידע הזה ועיבודו עשויים לסייע להבנה טובה יותר של מפת הדרכים המורכבת שמתארת את מסלול המידע הגנטי מגרעין התא, דרך היווצרות תעתיק ה-RNA שליח, ועד לייצור החלבונים. הבנה כזאת עשויה לסייע בהשגת הבנה טובה יותר של תהליכי החיים בצמח, דבר שיאפשר לחזק את תגובת הצמח למצבי עקה משתנים, ואף להקנות לצמחים עמידות כנגד חיידקים גורמי מחלות.