האם כל המוטציות הן אקראיות?

19/08/2007 בשעה 13:58 | פורסם בהספרייה המדעית | סגור לתגובות על האם כל המוטציות הן אקראיות?

הנחת היסוד בתורת התורשה גורסת שהמוטציה מתחוללת באופן אקראי, ולגורמי הסביבה אין כל השפעה על עצם היווצרותה. ניסויים רבים שנערכו ברבות השנים איששו השערה זו. ברם, מספר חוקרים גילו כי אצל חיידקים קיים מנגנון אשר מחולל מוטציות בשל השפעת התנאים הסביבתיים, ועובדה זו מערערת לחלוטין את אבני הבניין של התיאוריה האבולוציונית הקיימת.


לפי תורת האבולוציה, לא תגרום הברירה הטבעית להתפתחות מינים חדשים אם לא תיווצרנה וריאציות גנטיות. זהו תנאי הכרחי לכל מנגנון שינוי אבולוציוני. אחד המקורות של הווריאציה הגנטית היא המוטציה, דהיינו, השינוי ברצף הנוקלאוטידים במולקולת הדנ"א או הרנ"א. מקובל לחשוב שהמוטציה היא אקראית, במובן זה שהשינוי ברצף אינו מכוון על ידי הסביבה, ואינו מהווה תגובה הסתגלותית לסביבה זו. ודאי שאין פירוש הדבר כי לכל מוטציה יש הסתברות שווה להתחולל, או שאינה תלויה הגורמים פנימיים וחיצוניים.

אם הסביבה היתה מכוונת חלק גדול מהמוטציות, למשל, ריחוף בחלל בתנאי חוסר כבידה יביא בסופו של דבר לפיתוח גפי תעופה, כי אז קיומה של הומולוגיה בין רצפי דנ"א של יצורים השייכים למינים שונים, לא היתה מורה בהכרח על מקור משותף, אלא היתה מצביעה על חשיפתם במועד כלשהו לתנאי סביבה דומים, אשר השרו בשניהם אותה מוטציה. לדוגמא, גפי השחייה של הלוויתן וגפי השחייה של כלב הים הם איברים הומולוגיים, ואילו סנפירי הדגים הם אנלוגיים אליהם. אילו מוטציה מסוימת היתה מסוגלת ליצור איבר שחייה בגלל השפעת הסביבה המימית, ניתן היה לשער שמקור כל הסנפירים הוא משותף, אף כי בפועל לא כך הדבר.

תוצאות ניסויים רבים תמכו בהשערת התרחשותן האקראית של מוטציות בלא תלות בסביבה. בשנת 1943 פיתחו סלבדור לוריה (Salvador Luria) ועמיתו, מקס דלברוק (Max Delrück), את מבחן הפלוקטואציה (fluctuation) ובדקו בשיטה זו את המוטציה המקנה לחיידקי אשריכיה קולי (E. coli) עמידות לפאז' T1 (נגיף הפוגע בחיידק). השיטה מסתמכת על שיקולים סטטיסטיים של מידת השונות (variance) הצפויה במספר החיידקים העמידים לפאז', במצב של השריה סביבתית, לעומת מצב של מוטציה שאינה מותנית בתנאי הסביבה.

אם המוטציה מכוונת וחיידקים עמידים מופיעים רק לאחר החשיפה לפאז', הרי שאם מגדלים תרביות שונות במצע רגיל, ואחר כך מעבירים אותן למצע המכיל פאז', צפוי להימצא מספר דומה של מוטנטים עמידים לפאז'. זאת כיוון שלאחר השריה סביבתית יש הסתברות קבועה כביכול להופעת מוטנטים עמידים בטרם יצליחו הפאז'ים להמית את כולם. אולם, אם המוטציות הינן אקראיות ומתרחשות באופן בלתי תלוי במצע הברירה – קרי, לפני שהחיידקים נחשפו לפאז' – הרי שבתרביות הנפרדות יימצא מספר שונה של מוטנטים עמידים לפאז'. מספר זה יהיה תלוי, כמובן, בשלב שבו אירעה המוטציה. אם המוטציה אירעה בשלב מוקדם אזי יהיו מוטנטים רבים, ואילו אם המוטציה אירעה בשלב מאוחר, יהיו מוטנטים מעטים. במידה שמוטציות הן אקראיות תהיה אם כך שונות גדולה. לוריה ודלברוק אומנם מצאו כי עבור המוטציה לעמידות לפאז' T1, ההתפלגות מתאימה להנחה שהמוטציה אקראית ואינה מכוונת על ידי הסביבה.

בשנת 1952 ביקשו ג'ושוע ואסתר לדרברג (Lederberg) לאשש בשיטת ההעתקה (replica plating), כי פניצילין אינו משרה בחיידקים את המוטציה לעמידות נגדו. הם זרעו על צלחת אגר מעוקרת חיידקים הרגישים לפניצילין. לאחר הדגרה בת כמה שעות שבה נוסדו מושבות רבות, הם הניחו בד מעוקר על הצלחת, הרימו אותו והניחוהו על צלחת אגר דומה, אך שמכילה פניצילין, כך שמיקום מושבות החיידקים זהה למיקומן בצלחת המקור, ונוצר העתק מדויק שלה. אולם הואיל והצלחת השנייה מכילה פניצילין, רק חיידקים עמידים לחומר זה יכלו לגדול עליה. החוקרים שבו לצלחת המקור ואיתרו בה את מושבות החיידקים העמידות לפניצילין, למרות שמעולם לא נחשפו אליו. במילים אחרות, המוטציה לעמידות לפניצילין התרחשה באופן אקראי, ולא בהשפעת גורם ברירה זה.

המסקנה שמוטציות הינן אקראיות ולא מכוונות על ידי הסביבה הוכללה לכל סוגי המוטציות. ברם, בשנת 1988 נתפרסמו תוצאות מחקרם של ג'ון קרנס (John Cairns) ועמיתיו שהפכו את היוצרות. חוקרים אלה טענו כי בניסויים שערכו קודמיהם, לא ניתן היה לבדוק כלל את ההשערה כי מוטציות עשויות להיות מכוונות, שכן גורם הברירה שבו השתמשו (פאז' T1 או פניצילין) גורר מוות מהיר. לפיכך, אין כל סיכוי כי תתרחש התאמה פיזיולוגית למצב הברירה שגם תשפיע על הדנ"א. לדבריהם, החיידקים ששרדו באותם ניסויים היו מבין אלה העמידים לגורם הברירה מלכתחילה.

לדעת קרנס ועמיתיו, אפשר לבדוק את קיומן או אי קיומן של מוטציות מכוונות, רק אם חושפים את החיידקים לגורם ברירה שאינו קוטל אותם מיד, אלא גורר הפסקת הגידול בלבד כמו התנאי הרעבה. החוקרים בחרו לצורך הניסוי במוטנט lac(-) של אשריכיה קולי. מוטציה זו אינה מאפשרת לחיידק להשתמש בלקטוז שאותו הוא צורך כרגיל כמקור פחמן. בשלב אחרי כן, הם סיפקו למוטנטים לקטוז כגורם ברירה, ובדקו האם מופיעה מוטציה מחזירה בגן – זו שגורמת ליצירת אנזים תקין. החוקרים מצאו כי כשגודלו המוטנטים על מצע שהכיל רק לקטוז – אשר בו הם אינם מסוגלים להשתמש – התרחשו יותר מוטציות דווקא בגן לאנזים זה, ולא בגנים לאנזימים אחרים, מאשר כשגידלו מוטנטים על מצע חסר לקטוז או כל מזון אחר. דהיינו, במצב של חשיפה ללקטוז, הופיעו יותר חיידקים שיכולים להשתמש בו, מאשר במצב שבו לא נחשפו המוטנטים לגורם הברירה.

חוקרים אחרים ששבו על ניסוייהם של קרנס ועמיתיו מצאו תוצאות כמעט זהות. עבודות נוספות שנערכו בעקבות זאת גילו ממצאים דומים, וחוללו מהומה רבה בקרב הביולוגים. נראה היה כי בחיידקים עשויה להתקיים מוטציה מכוונת (directed mutation), ותופעה שכזו סותרת כליל את ההנחה הבסיסית כי כל המוטציות הן אקראיות.

בשנת 1990 הראה בארי הול (Barry Hall) כי בזמן דחק ישנם חיידקים שמסוגלים להשרות מוטציה כמו lac(-) כדי לתקן את הגן הפגום, אך אינם משרים מוטציות אחרות. הווה אומר, מוטציה מתקנת זו אינה חלק ממכלול של המוטציות האקראיות המתרחשות בתא. הוא מצא בעבודתו כי לגבי trp(-) מתקיימת, בתנאים של היעדר טריפטופן לזמן ממושך מאד, מוטציה מחזירה (reverse mutation) בתדירות גבוהה יותר לרוורטנט trp(+) – כשתיקון ודאי מועיל – מאשר בנוכחות טריפטופן כשלתיקון אין כל השפעה. בתנאי ביקורת נמצא כי תדירות המוטציה המחזירה לא גדלה בתנאים של היעדר ציסטאין. מכאן הניח הול כי משך זמן הניסוי הינו מכריע לגבי המסקנות, ואם בדיקותיו לא היו מתמשכות תקופה ארוכה יחסית, נמנע היה ממנו להשיג אותן תוצאות.

לפיכך הציע הול כי אפשר שמצוי מנגנון אחר בקרב מושבות ותיקות של חיידקים, ששונה מזה המוכר אצל מושבות בזמן הגדילה. הול פסל, אם כך, את אפשרות קיומן של מוטציות מוטות ברירה (selection-dependent mutation) בשלב הגדילה, ומצא בעבודתו חיזוק נוסף לתיאוריה הניאו-דרו'יניסטית. לתפישתו, השימוש בתנאי רעב אצל קרנס ועמיתיו, לא רק שמנע מוות מיידי אלא האריך עד מאד את משך הניסוי, ותגליתם היתה מכניזם חדש, וזו, כמובן, כלל אינה מפריכה את התיאוריה השלטת.

בשנת 2002 מצאו ג'ון רות (John Roth) ועמיתיו, כי התופעה שנראתה לקרנס ודומיו כמוטציה מכוונת לכאורה, אינה אלא רצף אירועים בתהליך הברירה הטבעית: א. התפתחות של תנאים מגבילים מפלה לטובה צמיחה של תת-אוכלוסיית lac(+); ב. ישנה העדפה סלקטיבית של חיידקי lac(+); ג. מתקיימת הפרדה המסלקת את מוטנטי lac(-) עד שהגן התקין משתלט על האוכלוסייה כולה. בעקבות ממצאים אלה, שוב אין לדבר על מוטציות שאינן אקראיות, וגם לא על מכניזם בלתי ידוע במושבות ותיקות.

לקריאה נוספת:

Salvador Luria & Max Delrück. 1943. Mutation of bacteria from virus-sensitive to virus-resistant. Genetics 28: 491-511

Joshua Lederberg & Esther Lederberg. 1952. Replica plating and indirect selection of bacterial mutants. Journal of Bacteriology. Vol. 63. No. 3: 399-406

John Cairns, Julie Overbaugh & Stephan Miller. 1988. The origin of mutants. Nature 335: 142-145

Barry Hall. 1990. Spontaneous point mutations that occur more often when advantageous than when neutral. Genetics 126: 5-16

Heather Hendrickson, Susan Slechta, Ulfar Bergthorsson, Dan Andersson & John Roth. 2002. Amplification-mutagenesis: Evidence that "directed" adaptive mutation and general hypermutability result from growth with a selected gene amplification. Proceedings of the National Academy of Sciences 99: 2164-2169

מודעות פרסומת

בלוג בוורדפרס.קום.
Entries וכן תגובות feeds.