דמיינו שאתם מוצאים על המדף קופסת פח המיועדת לאחסון עוגיות. אתם פותחים אותה בציפייה לאכול משהו מתוק, אבל במקום עוגיות היא מלאה בכפתורים, חוטים ומחטי תפירה. נכון, אלה לא החפצים שהקופסה נועדה להחזיק, אבל הקופסה שימושית באותה מידה. האבולוציה עושה דבר דומה בתהליך שנקרא קו־אופציה (co-option), שבו מנגנונים ביולוגיים קיימים מגויסים לתפקידים חדשים לגמרי. אחד המקרים המרתקים שרואים בהם מיחזור אבולוציוני הוא ביצירת השלד העוברי של קיפוד־הים.

פרסומת

“מיחזור” ביולוגי מהסוג הזה נפוץ להפתיע בטבע, בפרט מיחזור של תוכניות גנטיות לבניית איברי גוף. תוכנית גנטית היא הדרך שבה הקוד הגנטי שנמצא ב־DNA מתורגם ליצירת חלבונים מסוימים בתאים מסוימים, וליצירת איברים האופייניים ליצור כלשהו. ההבדלים בין התוכניות הגנטיות שמקודדות ב־DNA שלנו ובין אלו שמקודדות בזה של קיפוד־הים, הם שגורמים לשוני הגדול במבני הגוף שלנו, אף על פי שהגנים עצמם, והחלבונים שהם אחראים לייצורם, דומים מאוד. אפשר לחשוב על זה כעל חוברת הדרכה להרכבת לבני לגו: מאבני בניין דומות מאוד ניתן ליצור דמויות שונות לגמרי זו מזו והצורה תלויה בתוכנית. 

המיחזור שאנחנו מדברים עליו כאן מתבטא כששינויים ב־DNA גורמים לשינוי בתוכנית הגנטית כך שבמקום לבנות איבר אחד נבנה איבר אחר עם פונקציה שונה לחלוטין. יש לכך הרבה דוגמאות בטבע. למשל, התוכנית הגנטית שבונה גפיים בחרקים מסוימים גויסה בחיפושית הקרנפית [1] ליצירת הקרניים הגדולות שלה. תופעת הקו־אופציה מעלה שאלות חשובות: כשאבולוציה "ממחזרת" תוכנית התפתחותית – אילו חלקים נשמרים, אילו משתנים ואילו מתווספים כדי ליצור מבנה חדש?

במחקר שלנו בדקנו זאת באמצעות בחינת האופן שבו עוברי קיפודי־ים בונים את השלדים שלהם. קיפודי־הים הם חסרי חוליות השייכים למערכת קווצי העור, המונה כ־6500 מינים [2]. לקווצי העור אין חוליות, אבל יש להם שלד שבנוי ממוטות צינוריים בצורת מחטים (spicules) העשויים מהמינרל קלציט. הצינורות הללו נוצרים על ידי תאי שלד ייעודיים (תמונה 1א' [2]), שקרומיהם מתאחים זה עם זה כדי ליצור מבנה משותף הנקרא סינסיציום (syncytium) המזכיר צורה של כבל המחבר בין התאים (תמונה 1ב'). מבנה התאים המאוחד הזה יוצר בתוכו חלל פנימי שמתמלא בסידן פחמתי המתגבש והופך לשלד קלציט קשיח (תמונה 1ב'). החלל הפנימי מתארך על ידי השקעה של סידן פחמתי בקצוות ומקבל צורה של צינור (תמונה 1ג').

חקרנו את התוכנית הגנטית שבונה את השלד בעוברי קיפוד־הים וגילינו שימוש באותם גנים וחלבונים שבעזרתם חולייתנים, וביניהם בני האדם, בונים את צינורות הובלת הדם שלהם [3]. בפרט, התאים שבונים את צינורות הובלת הדם בחולייתנים ואת שלד המחטים בקיפוד־הים משתמשים באותן מערכות איתות בין תאים כדי לכוון את הצמיחה של הצינורות. מערכות איתות בין תאים מבוססות על חלבוני איתות שאותם תא אחד מפריש וקולטנים בתא אחר קולטים, מה שגורם להפעלת מנגנונים שאומרים לתא ה"קולט" להתקדם לכיוון התא ה"משדר". גילינו כי גם במהלך צמיחת צינורות הובלת הדם בחולייתנים וגם במהלך צמיחת המחטים של קיפוד־הים משתתף חלבון האיתות VEGF (קיצור של Vascular endothelial growth factor). החלבון VEGF פועל כמורה דרך המכוון את נדידת התאים, ומפעיל ישירות את המנגנון התאי ERK שמבקר נדידה של תאים והפעלה של גנים (מקור מס' 4 וראשי תיבות של Extracellular signal-regulated kinase). 

כשבדקנו אם התוכנית הזו שימשה בעלי חיים קדומים יותר, ראינו שגם שם היא קשורה בבקרה על בניית צינורות הובלה מסוגים שונים. הבנו שקווצי העור הסבו את תוכנית ההובלה הקדומה הזאת לתוכנית בניית שלד מחטי, ואילו חולייתנים השתמשו בה כדי לייצר את צינורות הובלת הדם בגופם.  בשני המקרים התאים יוצרים צורה של צינור, בקיפודי־ים הצינור מלא במינרל, ואילו בחולייתנים הצינור מלא בדם. הגילוי הזה העלה את השאלה: איך התוכנית הגנטית הקדומה לבניית צינור מלא בנוזל, שהוא רך מאוד, הותאמה בקווצי העור לבניית צינור מלא במינרל, שהוא קשה מאוד?

מתברר שההתאמה נעשתה על ידי הוספת רכיב, החש את המבנה הקשיח של השלד ומגיב לו, אל התוכנית הקדומה [4, 5]. מנגנוני החישה האלו מופעלים בתאי השלד של קיפוד־הים בתגובה ליצירת המינרל הקשה, ומפעילים את ERK שעוזר לתאים לעצב את המבנה של מחטי השלד [5]. במילים אחרות, קיפודי־ים שימרו את החלקים החיוניים של התוכנית הקדומה, כמו מערכות האיתות, VEGF ו־ERK, אך הוסיפו להם רכיב של "חישת מבנה קשה", כדי להתאים את התוכנית לדרישות הייחודיות של בניית שלד קשיח. 

העבודה שלנו לא רק מעמיקה את ההבנה של התפתחות קיפודי־הים, אלא גם מספקת תובנות על היכולת המופלאה של רשתות איתות בתאים להשתנות וליצור איברים חדשים במהלך האבולוציה. זו דוגמה יפה לאופן שבו החיים ממחזרים ומעצבים מחדש תוכניות בנייה קדומות כדי לבנות את מגוון הצורות ומבני הגוף שאנו רואים היום.

תמונה 1: תיאור של השקעת השלד ובניית מחטי שלד בעובר קיפוד־הים. (א) עובר קיפוד־ים בשלב שבו נוצרות שתי מחטים שיהפכו לשלד. תאי השלד (באדום) מחוברים זה לזה בכבל שהם יוצרים ובתוכו מתפתחות המחטים. (ב) הגדלה של האזור ב־(א) שבו גדלה מחט אחת (באפור). כאן ניתן לראות את צמיחת המחט בתוך הכבל העובר בין תאי השלד. עוד אפשר לראות שהמחט גדלה על ידי השקעת בועיות המלאות בסידן פחמתי לתוך החלל הפנימי שנוצר בתוך הכבל. (ג) בתמונת חתך ניתן לראות את המינרל המתגבש לקלציט בתוך החלל הפנימי. מבוסס על מקור [2].

עריכה: גליה הלוי-שדה

מקורות:

1. חיפושית קרנפית
2. הספר הוד הים – איתנות ויציבות במערכות הימיות של ישראל, 2025, פרק 25 על קיפוד־הים המצוי   
3. מאמר על הדמיון בין התוכנית הגנטית שבונה את השלד בקיפוד־הים לתוכנית שבונה כלי דם בבעלי חוליות
4. מאמר על הקשר בין ERK ל־VEGF במהלך התארכות השלד של קיפוד־הים
5. מאמר על החישה המכנית במהלך יצירת השלד של קיפוד־הים