כמו שתי טיפות DNA

לא פעם, גם בשיחות יומיומיות, מתעורר הוויכוח עד כמה התורשה משפיעה על תכונות – בין שאלו תכונות "חיוביות" כמו כישרון מוזיקלי או טכני, או תכונות "שליליות", כמו מחלות. מחקרים שעשויים להכריע בשאלה הזאת הם מחקרי תאומים – בהם נבדקים זוגות תאומים זהים, שחולקים בדיוק אותו DNA. מערך המחקר הקלאסי משווה את הדמיון בתכונה מסוימת בין תאומים זהים, לדמיון באותה תכונה בין תאומים שאינם זהים (שדומים מבחינה גנטית כמו שני אחים שנולדו בלידות שונות). ההבדל בין הדמיון בין תאומים זהים לדמיון בין תאומים לא-זהים מסייע ללמוד עד כמה התכונה הזאת מושפעת מהתורשה.

תורשתיות וקונקורדנציה

ככל שהדמיון בתכונה מסוימת בין תאומים זהים גבוה יותר מהדמיון בין תאומים לא-זהים, אפשר לומר שמתוך כלל השונות באוכלוסייה, שיעור גבוה יותר מוסבר על ידי התורשה. לשיעור זה קוראים תורשתיות (heritability). ניקח לדוגמה גובה: יש שונות רבה למדי באוכלוסיה בתכונה זו, כאשר חלק מהאנשים גבוהים מאוד, חלקם נמוכים מאוד, והרוב נמצאים איפשהו באמצע. חלק גדול מהשונות הזו מוסבר באמצעות התורשה: ילדים לאנשים גבוהים נוטים להיות גבוהים בעצמם, בשל הגנים שקיבלו. אבל חלק מסוים מהשונות מוסבר גם באמצעות גורמים סביבתיים. אנשים שלא קיבלו מספיק מזון בילדותם, למשל, יהיו נמוכים יותר מאנשים בעלי גנים זהים שאכלו היטב.

במילים פשוטות יותר, המונח "תורשתיות" מציין כמה, באופן יחסי, תורמת התורשה לתכונה כלשהי. במקרה שהתכונה נקבעת רק על ידי הגנים התורשתיות שלה תהיה מאה אחוזים, וככל שהסביבה משפיעה על התכונה, ערך התורשתיות ירד.

במובן הרחב, תורשתיות פירושה כל התרומות התורשתיות לשונוּת באוכלוסייה, לרבות אינטראקציות בין גֶנים שונים – ולא רק תכונות המוכתבות על ידי גֶן יחיד, שהן מעטות יחסית. תכונות שונות נבדלות זו מזו במידת התורשתיות שלהן. למשל, לגובה כאמור יש תורשתיוּת גבוהה, ואילו לתכונות אישיוּת יש תורשתיוּת בינונית.

מדד נוסף שנבדק במחקרי תאומים הוא קונקורדנציה (concordance) – הסיכוי שתכונה תופיע באחד מזוג תאומים זהים, בהינתן שהיא קיימת בתאום השני. הקונקורדנציה בסכיזופרניה היא מעל 40 אחוזים, כלומר אצל יותר מ-40 אחוזים מזוגות התאומים הזהים בהם אחד לוקה בסכיזופרניה, התאום השני לוקה במחלה גם הוא. לשם השוואה, אם אחד מההורים לוקה בסכיזופרניה, הסיכוי של כל אחד מילדיו ללקות במחלה הוא 13 אחוזים. התוצאות האלו מראות שסכיזופרניה מושפעת מאוד מהגנים, אך יש גם השפעה של הסביבה, משום שהקונקודנציה אינה של מאה אחוזים. מדד הקונקורדנציה רלוונטי במחלות שמופיעות בגיל מאוחר יחסית ולא ידוע על גֶן אחד שגורם להן, או כמה הן מושפעות מגורמים אחרים. זאת בניגוד למחלות שידוע שמקורן בפגם בגֶן יחיד, כמו סיסטיק פיברוזיס.

ניסוי התאומים האסטרונאוטים

אחד המחקרים המעניינים ביותר על תאומים נועד לענות על השאלה כיצד השהות בחלל משפיעה על הגֶנים. לצורך כך בחרה נאס"א זוג תאומים זהים אסטרונאוטים, סקוט ומארק קלי (Kelly). סקוט קלי שהה כמעט שנה שלמה ברציפות בתחנת החלל הבינלאומית, בעוד שתאומו נשאר על פני כדור הארץ. מכיוון שבתחילת הניסוי, טרם טיסתו של סקוט לחלל, אפשר להניח שה-DNA של שני התאומים היה זהה כמעט לחלוטין (שכן מתרחשות מוטציות במהלך החיים), הרי שכל הבדל שהתגלה לאחר שהותו של סקוט בחלל אפשר לייחס לשהות זו. כמו כן, נלקחו דגימות דם של סקוט לפני המשימה, במהלכה ואחריה, כך שאפשר גם להשוות בין דגימות שנלקחו בנקודות זמן שונות.

הממצאים המעניינים ביותר נגעו לשינויים אפיגנטיים. אלו הם שינויים בסימון ובצורת האריזה של ה-DNA, שאינם משפיעים על רצף ה-DNA עצמו, ולכן גם לא על רצף החלבון שהוא מקודד; לעומת זאת, הם משפיעים על קצב התעתוק של ה-DNA, כלומר על הקצב שבו התא יוצר חלבונים מאותו גן. בהשוואה בין סקוט למארק קלי מצאו החוקרים גֶן מסוים שהסימון הכימי שלו, שקובע כמה תעתיקים ייווצרו ממנו, ירד אצל סקוט, התאום ששהה בחלל, אך עלה אצל מארק. הגנים שהתחוללו בהם שינויים מסוג זה קשורים לתהליכים שיכולים להיות רלוונטיים למשימות עתידיות, ולכן כדאי להבינם לעומק: למשל, מצב של חוסר חמצן בתאים שמאפיין שהות בחלל, או עקה (סטרס) של המיטוכונדריה – "תחנות הכוח של התאים".

חשוב להדגיש: העובדה שמספר התעתיקים של גֶנים מסוימים השתנה אין משמעותה שהקוד הגנטי השתנה בעקבות השהות בחלל. למרות זאת, נוצר הרושם המוטעה שסביבת תחנת החלל שינתה באופן קבוע את הקוד הגנטי של התאום ששהה בה, באופן כזה שהתאומים לא היו זהים עוד.

מחקר התאומים האסטרונאוטים מקדם אותנו בהבנת ההשפעה של טיסת חלל על גוף האדם ברמה המולקולרית. הממצאים שלו עשויים להיות חשובים במיוחד אם וכאשר יצאו אסטרונאוטים למשימות ממושכות במאדים, למשל.

עזרו לבדוק כיצד שהות בחלל משפיעה על ה-DNA. התאומים האסטרונאוטים מארק וסקוט קלי | NASA

השפעות של תורשה על תחלואה

בתוך הוויכוח הכללי של "תורשה מול סביבה" יש עניין מיוחד בשאלה מה משפיע יותר על הבריאות ועל תוחלת החיים: התורשה או סביבת החיים. כדי לבדוק זאת, מחקר חדש בכתב העת היוקרתי Nature Genetics בחן נתוני בריאות של 56 אלף זוגות תאומים (זהים וגם לא-זהים) ושל 724 אלף זוגות אחים שנולדו מ-1985 ואילך, מתוך מאגר של כ-45 מיליון תביעות ביטוח בריאות שהוגשו לחברת הביטוח "אטנה" (Aetna). כצפוי, התקבלה תמונה מורכבת: מבין 560 מחלות ותנאים רפואיים שנחקרו, ב-40 אחוזים הייתה תרומה גנטית מובהקת סטטיסטית, ואילו כ-25 אחוזים הושפעו באופן מובהק מסביבת המגורים. ליקויים שכליים, כמו הפרעת קשב וריכוז, התאפיינו בהשפעה הגנטית החזקה ביותר, בעוד שליקויי ראייה ומחלות נשימה, כגון סינוסיטיס והיפרוונטילציה, הושפעו יותר על ידי הסביבה.

אמנם, למערך המחקר הייתה מגבלה – החוקרים לא ידעו אילו תאומים הם זהים ואילו אינם זהים, ולכן הם חישבו את התורשתיות בהתבסס על הנחות מסוימות, למשל, שתאומים מאותו מין יכולים להיות גם זהים וגם לא-זהים, ואילו תאומים ממינים שונים הם כמעט בוודאות לא-זהים. בחישוב זה יכולות להיות הטיות, אבל גם כך, כאשר משווים את מדדי התורשתיות שהחוקרים מצאו למחקרי תאומים קודמים בעבור 81 מצבים בריאותיים שונים, הממצאים תואמים במידה רבה. עם זאת, כאשר מסתכלים על מדד התורשתיות ועל השפעת הסביבה לאחר שקלול על פני כל המצבים הבריאותיים שנבדקו ולא ביחס למצבים בודדים, המחקר הנוכחי מצא תורשתיות נמוכה מכפי שנמצא במחקרים קודמים (31 לעומת 59 אחוזים) והשפעה מעט גבוהה יותר של הסביבה (9 לעומת 4.2 אחוזים). סך ההשפעות של התורשה והסביבה על מצבים בריאותיים במחקר הנוכחי מגיע ל-40 אחוזים, מה שמשאיר 60 אחוזים מההשפעה ללא הסבר – שאולי אפשר לייחס לאקראיות, או לנתונים שגויים או חסרים.

הדבר שעולה בבירור מהמחקר, כמו גם ממחקרי תאומים קודמים, הוא שלא ניתן להפריד באופן מוחלט בין ההשפעות השונות. שיראג פאטל (Patel), מדען נתונים בבית הספר לרפואה של הרווארד, שפיקח על העבודה שהוביל שיראג לקהאני (Lakhani), אומר בריאיון: "ההשפעה היחסית של סביבת המגורים או של הקוד הגנטי מלאת דקויות במידה שלא תיאמן". טים ספקטור (Spector), חוקר בתחום האפידמיולוגיה הגנטית בקולג' קינג בלונדון, שמתמחה במחקרי תאומים ולא היה מעורב במחקר, אומר: "זה לא 'טבע מול סביבה', אלא 'טבע דרך סביבה'; יש אינטראקציה ברורה בין השניים". הוא מוסיף שהמחקר החדש הוא תרומה רבת-ערך לתחום הודות להיקפו הנרחב: זהו המחקר הגדול ביותר שנעשה עד כה בתאומים אמריקניים. אך ספקטור הצביע על מגבלה נוספת: בגלל מבנה ביטוח הבריאות בארצות הברית, רק תאומים מעל גיל 24 יכלו להשתתף במחקר.

עוד מגבלה, שמציינת מלודי גודמן (Goodman), ביוסטטיסטיקאית במכללת ניו-יורק לבריאות ציבורית, היא שמאגר הנתונים מייצג אוכלוסייה שמבוטחת באופן מסחרי, דרך מקום העבודה. לכן סביר שהיא לא משקפת את אחד הגורמים העיקריים לתחלואה: עוני. לדבריה, כלים גנטיים הם חשובים ובעלי ערך, אבל יש גורמים רבים אחרים שמשפיעים על הבריאות, ואלו היו ידועים כבר לפני כן. "גם אם נתקן את כל הגורמים הגנטיים, זה לא יעלים את ההשפעה של עוני על הבריאות".

מחקרי תאומים הם כלי מחקרי מועיל ביותר. היתרון הגדול של תאומים זהים הוא, שהם מהווים למעשה מדגם מזווג – שתי קבוצות שלכל פרט באחת מהן יש קשר חזק לפרט בקבוצה השנייה. דוגמה אחרת למחקר במדגמים מזווגים היא מחקרים על השפעת תרופות, שבהן כל חולה נבדק לפני הטיפול ואחריו. מחקרים על מדגמים מזווגים הם בעלי כוח סטטיסטי גבוה יותר מזה של מחקרים על קבוצות לא-מזווגות, כלומר בהינתן שיש הבדל בין קבוצות באוכלוסייה, יהיה קל יותר למצוא אותו במדגמים מזווגים. לאור התקדמות הטכנולוגיות לריצוף גנטי ומהפכת ה"big data" (נתוני עתק), שמאפשרות להפיק כמות עצומה של נתונים ולנתחם בזמן קצר, מחקרי תאומים עשויים בעתיד הקרוב "לעלות מדרגה" ולהביא תועלת רבה עוד יותר.