קנה מידה עוברי

כיצד בני אדם ובעלי חיים מגדלים גפיים בגודל שמתאים בדיוק לגופם? מחקר חדש מגלה כיצד נשמרות פרופורציות נכונות בין איבריו של עובר שגדל ומתפתח. תורת היחסות

21 בינואר 2014

כיצד בני אדם ובעלי חיים מגדלים גפיים בגודל המתאים בדיוק לגופם? כיצד העובּרים המתפתחים שומרים על פרופורציות נכונות בין האיברים הגדלים בהדרגה? מדעני מכון ויצמן למדע עשו באחרונה צעד חשוב בכיוון ההבנה כיצד נעשית השמירה על קנה מידה, כלומר, כיצד מצליחות תבניות ההתפתחות השונות לשמור על סנכרון עם הגודל הכללי של עובּר, או של יצור חי גדל ומתפתח.

במחקר שהתפרסם השנה בכתב-העת Current Biology, הצליחו פרופ' נעמה ברקאי ופרופ' בני שילה ותלמיד המחקר דני בן צבי מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית להסביר כיצד נשמר קנה המידה בכנפיו של זבוב הפירות, המכוסות ברשת ורידים מסועפת ומורכבת. ממצאיהם עשויים להיות רלוונטיים לתהליכי התפתחות עובּרית בבני אדם.

החוקרים בדקו כיצד נשמר קנה המידה בכנפיו של זבוב הפירותצילום: שאטרסטוק
החוקרים בדקו כיצד נשמר קנה המידה בכנפיו של זבוב הפירות
צילום: שאטרסטוק

היחס בין המרחיב למעכב

המדענים ידעו כי המנגנון המבקר את לבישת הצורה של העובר מבוסס על חומר יחיד המעביר את המסרים האלה הקרוי מוֹרְפֿוֹגֶן. המורפוגן מופרש מכמה תאים במרכזו של העובר המתפתח, ומשם הוא מפעפע כלפי חוץ, תוך שריכוזו יורד והולך. באופן זה, ריכוז המורפוגן הוא ש"מיידע" את התאים המתפתחים על מיקומם היחסי בעובּר ועל התפקיד שימלאו ביצור המתפתח. עם זאת, מאחר שהמורפוגן מופרש בקצב אחיד הן ביצורים קטנים והן בגדולים, הוא אינו יכול לקבוע לבדו את קנה המידה.

לפני כמה שנים הצליחו המדענים למצוא את הגורם המשפיע על ממד הגודל. בניסוי שנעשה בעוברי צפרדעים הם גילו חומר הנוצר בקצוות העובר ומפעפע כלפי פנים! הפיזור שלו בתאים הוא שקובע את האיתות שמקבל כל אחד מהם, באופן שמתחשב גם בגודל העובר. בהמשך יצרו המדענים מודל תיאורטי, על פיו החומר הנוצר בקצוות העובר – הקרוי חומר מרחיב – מסייע בהפצת המורפוגן. המורפוגן, מצידו, מתפקד כחומר מעכב, משום שהוא מפסיק את ייצורו של החומר המרחיב בקצה העובר. המודל תיאר במדויק כיצד יחסי הגומלין בין החומר המרחיב לבין המורפוגן קובעים את התאמת קנה המידה בעובר.

במחקר הנוכחי בדקו המדענים את תקפותו של המודל שיצרו באמצעות סדרת ניסויים, שעקבו אחר התפתחות הכנפיים של זחלי זבובי פירות. בצברי תאים שהם מעין "הכנה לכנפיים" פועל מורפוגן הקרוי Dpp. נוסף על כך, מחקרים שנעשו באחרונה הראו כי חומר הקרוי "פֶּנטָגון" ממלא תפקיד בהתפתחות רשת הוורידים בכנפי הזבוב, דבר שעורר את החשד כי הוא מתפקד כחומר מרחיב. המדענים אספו זחלים של זבובי פירות בגדלים שונים והשתמשו בשיטות כמותיות שפיתחו כדי למדוד את התפלגות ריכוזי המורפוגן. לאחר מכן, הם מנעו את היווצרותו של ה"פנטגון" בכנף המתפתחת, וחזרו על הבדיקה.

כיצד מצליחות תבניות ההתפתחות השונות לשמור על סנכרון עם הגודל הכללי של כל יצור חי גדל ומתפתחצילום: שאטרסטוק
כיצד מצליחות תבניות ההתפתחות השונות לשמור על סנכרון עם הגודל הכללי של כל יצור חי גדל ומתפתח
צילום: שאטרסטוק

חוקיות אוניברסלית

הממצאים הראו כי במקרה הראשון, בו שני החומרים תפקדו כרגיל, פעילותו של המורפוגן בקביעת קנה המידה התאימה לחיזוי של המודל, וכי קיים מִתאם בין האיתותים שלו לבין גודל הכנף. לעומת זאת, בזחלים ללא פנטגון, המורפוגן התפזר בצורה שווה בכל הכנפיים שנבדקו, ללא קשר לגודלן היחסי.

באופן זה הם הוכיחו כי הפנטגון הוא אכן החומר המרחיב, וכי המודל המבוסס על פעולתם של חומר מרחיב וחומר מדכא אכן ניתן ליישום עבור יצורים שונים זה מזה: צפרדעים וזבובים. "גישה זו נותנת לנו אמצעי חדש ומקורי לחקור את שמירת קנה המידה, על פיה, במקום ללכת לאיבוד בסבך של מנגנונים מולקולריים מורכבים, אנחנו יכולים להתחיל בחיפוש אחר חוקיות אוניברסלית פשוטה יחסית", אומר פרופ' שילה.