מחקר חדש מגלה כיצד נשמרות פרופורציות נכונות בין האיברים המתפתחים בעובר
איך שומרים העוברים במהלך התפתחותם על פרופורציות נכונות בין האיברים הגדלים בהדרגה? כיצד בני אדם ובעלי חיים מפתחים ידיים ורגליים שמתאימים בדיוק לגופם? מחקר חדש של חוקרים ממכון ויצמן למדע ברחובות שופך אור על המנגנון שבאמצעותו נשמר קנה המידה, באופן המאפשר לתבניות התפתחות שונות להשאר מסונכרנות מבחינת יחסי הגודל וההתפתחות עם הגודל הכללי של עובר המתפתח.
ממצאי המחקר שפורסמו על ידי החוקרים הפרופסור בני שילה, הפרופסור נעמה ברקאי, ותלמיד המחקר דני בן צבי מהמחלקה לגנטיקה מולקולארית בכתב העת Current Biology, מסבירים איך נשמרות הפרופורציות בכנפיים של זבוב הפירות – המכוסות ברשת ורידים מסועפת ומורכבת. לממצאי המחקר השלכות יישומיות ביחס לתהליכי התפתחות מגוונים, וביניהם התפתחות עוברית של בני אדם.
החוקרים התבססו על הידע לפיו המנגנון אשר מבקר את לבישת הצורה של העובר מבוסס על מורפוגן שהינו חומר יחיד שמעביר את המסרים. המורפוגן מופרש ממספר תאים במרכזו של העובר המתפתח, ומשם הוא מפעפע כלפי חוץ, תוך שריכוזו הולך ויורד. בדרך זו, ריכוז המורפוגן הפוחת הוא שמסמל ומעביר את המידע לתאים המתפתחים ביחס למיקום היחסי שלהם ובנוגע לתפקיד שימלאו ביצור המתפתח. ואולם, משום שהמורפוגן מופרש בקצב אחיד ביצורים גדולים וגם ביצורים קטנים, הרי שהוא אינו הגורם היחידי שקובע קנה המידה. לפני שנים ספורות הצליחו החוקרים למצוא את שגורם המשפיע על מימד הגודל. בניסוי שערכו בעוברים של צפרדע גילו החוקרים חומר אשר נוצר בקצוות העובר ומפעפע כלפי פנים. הפיזור שלו בתאים הוא שקובע את האיתות שמקבל כל אחד מהם, באופן שמתחשב גם בגודל העובר.
לאחר מכן יצרו החוקרים מודל תיאורטי, על פיו החומר הנוצר בקצוות העובר – הקרוי חומר מרחיב – מסייע בהפצת המורפוגן. המורפוגן, מתפקד כחומר מעכב, מכיוון שהוא עוצר את ייצורו של החומר המרחיב בקצה העובר. המודל תיאר במדויק איך האינטראקציה בין החומר המרחיב לבין המורפוגן קובעת את הפרופורציות בעובר.
במחקר זה בחנו החוקרים את תקפות המודל בעזרת סדרה של ניסויים, בהם החוקרים עקבו אחר התפתחות הכנפיים של זחלי זבובי פירות. בצברי תאים המהווים מעין "הכנה לכנפיים" פועל מורפוגן המכונה Dpp. בנוסף, מחקרים שנעשו באחרונה הראו כי חומר הקרוי "פנטגון" ממלא תפקיד בהתפתחות רשת הוורידים בכנפי הזבוב, דבר שהעלה סברה שהחומר פועל כחומר מרחיב.
המדענים אספו זחלים של זבובי פירות בגדלים שונים, ובחנו את ההתפלגות של ריכוזי המורפוגן ואז מנעו היווצרות "פנטגון" בכנף המתפתחת, וחזרו על הבדיקה. מן הממצאים עולה כי כאשר שני החומרים תפקדו כרגיל, פעילות המורפוגן בקביעת הפרופורציות תאמה את החיזוי של המודל התיאורטי שפיתחו החוקרים, וכי קיים קשר מיתאמי ישיר בין האיתותים לבין גודל הכנף. מאידך, בזחלי זבובים ללא פנטגון, המורפוגן התפזר בצורה שווה בכל הכנפיים שנבדקו, ללא קשר לגודלן היחסי. כך החוקרים הוכיחו שהפנטגון הוא אכן החומר המרחיב, והראו שהמודל המבוסס על פעולתם של חומר מרחיב וחומר מדכא אכן בר ליישום עבור יצורים שונים זה מזה: צפרדעים וזבובים.
לדברי הפרופסור שילה גישה זו המשלבת מודל תיאורטי עם ביולוגיה ניסויית נותנת לחוקרים כלי 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.
