שני גרעינים שונים בכל תא, ובהם יותר מ-200 כרומוזומים שונים – שכמה מהם מופיעים במאות אלפי עותקים. למי שייכת המערכת הגנטית המורכבת הזאת? דווקא למין של יצור חד-תאי

כרומוזומים אחדים, או לכל היותר כמה עשרות כרומוזומים – זה מה שנמצא בתאים של רוב היצורים החיים. אבל מין מסוים של ריסָנית חורג מאוד מהטווח הזה: לאוקסיטריכה טריפאלאקס (Oxytricha trifallax) יש הרבה מאוד (מאוד) כרומוזומים קטנטנים. עד לאחרונה אמדו את מספרם בכ-16 אלף. כעת, חוקרים השתמשו באוקסיטריכה כדי לבדוק טכנולוגיית ריצוף DNA חדשנית, ובהזדמנות זו גילו שמספר הכרומוזומים שלהם גדול הרבה יותר.

ריסניות הן חד-תאים מכוסים ריסים השייכים לקבוצת האיקריוטים (בעלי גרעין תא). ישנם כ-4,500 מינים ידועים של ריסניות, הנמצאים במקווי מים ברחבי העולם. שלא כמו רוב היצורים האיקריוטיים, שבתאים שלהם יש גרעין אחד ויחיד, לריסניות יש שני גרעינים: גרעין גדול וגרעין קטן. הגרעין הקטן, הקרוי גרעין נֶבֶט, מכיל את כל הגנום של הריסנית – החומר הגנטי שעובר לדורות הבאים – והוא משמש רק בעת הזדווגות. במהלך ההזדווגות, הגנום בגרעין הקטן מועתק, והעותק עובר קיצוץ של חלקים נרחבים מהגנום והופך לגרעין הגדול, הנקרא גרעין הגוף. המידע שבגרעין הגדול משמש לתפקוד היומיומי של הריסנית, כלומר מכיל הוראות ליצירה של חלבונים. 

אך יש עוד שני הבדלים בין שני הגרעינים. הבדל אחד הוא, שהגנום שבגרעין הקטן קיים רק בשני עותקים, לעומת עשרות ומאות עותקים בגרעין הגדול. ההבדל השני הוא שהגנום בגרעין הקטן ארוז במספר קטן של כרומוזומים – לרוב כרומוזומים אחדים, לעומת עשרות ומאות כרומוזומים בגרעין הגדול. לדוגמה, אצל הריסנית טטרהימנה יש חמישה כרומוזומים בגרעין הקטן ו-225 כרומוזומים (!) בגרעין הגדול, שכל אחד מהם מופיע ב-45 עותקים. אצל סנדליות יש כ-50 כרומוזומים בגרעין הקטן ואילו בגרעין הגדול יש כ-200 כרומוזומים, שכל אחד מהם מופיע במאות עותקים. 

גרעין גדול, גרעין קטן. הריסנית tetrahymena themrophila| מקור: ויקיפדיה
גרעין גדול, גרעין קטן. הריסנית tetrahymena themrophila| מקור: ויקיפדיה

כמו מרבית היצורים האיקריוטים החד-תאיים, הריסנית מסוגלת להתרבות ברבייה זוויגית – שבה הצאצא מקבל חומר גנטי משני הורים – וגם ברבייה אל-זוויגית, שבה הצאצא נוצר מהורה אחד והוא זהה לו גנטית. כאשר הריסנית מתרבה בצורה אל-זוויגית, הכרומוזומים שבגרעין הקטן מוכפלים ומתחלקים באופן שווה בין תאי-הצאצא. אך הכרומוזומים הרבים שבגרעין הגדול אינם מתחלקים בהכרח באופן שווה, ולכן תוך כמה דורות יש אובדן של חלקים מהחומר התורשתי, והתאים ניזוקים ומזדקנים. 

ברבייה זוויגית, לעומת זאת, הגרעין הקטן עובר תהליך של הכפלה וחלוקת הפחתה (מיוזה), כמו בתהליך שבו נוצרים תאי הזרע והביציות של בני אדם, וכל תא ריסנית תורם לצאצא גרעין קטן ובו מחצית מהמטען הגנטי. הגרעין הגדול הזקן נהרס, והתא החדש מייצר לעצמו גרעין גדול חדש. ביצורים אלה, הזדווגות אינה משמשת לרבייה אלא לחידוש הגרעין הגדול.

כרומוזומים לכל דורש

ההבדלים בין הגרעינים של האוקסיטריכה, ריסנית של מים מתוקים, הם קיצוניים גם לעומת ריסניות אחרות. ראשית, רק 5 אחוזים מהגנום נמצאים בגרעין הגדול, לעומת כ-70 אחוזים אצל טטרהימנה או סנדלית. שנית, מספר עותקי הכרומוזומים קופץ מכמה מאות בגרעין הקטן לאלפים רבים בגרעין הגדול. לורה לנדוובר (Landweber) מאוניברסיטת קולומביה (לשעבר מאוניברסיטת פרינסטון) עומדת בראש קבוצת מחקר שעוסקת בחקר של איקריוטים חד-תאיים בעלי גנומים מורכבים. בשנת 2013 פרסמה לנדוובר מחקר שנועד לקבוע את ההרכב הגנטי של אוקסיטריכה. המחקר הראה שלאוקסיטריכה יש כ-16,000 כרומוזומים בגרעין הגדול, שכל אחד מהם נמצא בגרעין בכ-2,000 עותקים בממוצע. כמו כן, בעוד שאצל רוב האיקריוטים כל כרומוזום מכיל מאות או אלפי גנים, הרי ש-90 אחוזים מהכרומוזומים של האוקסיטריכה הכילו גן בודד, ורק 10 אחוזים הכילו שניים עד עשרה גנים.

באותו מחקר משנת 2013 נעשה שימוש בשיטת הדור השני של ריצוף ה-DNA. לעומת שיטת הדור הראשון שהמציא פרדריק סנגר, תהליך איטי יחסית שבו ניתן לקבוע בכל פעם את הרצף של מספר קטן של מקטעים שאורכם עד כאלף "אותיות", בשיטת הדור השני חותכים את ה-DNA למקטעים קצרים של 75 עד 150 אותיות, ואפשר לקרוא מיליוני מקטעים כאלה במקביל. שיטה זו היא זולה ומהירה בהרבה – ניתן לרצף גנום אנושי בתוך שבוע, לעומת כמה שנים בשיטת הריצוף מהדור הראשון. 

הקושי העיקרי בריצוף מהדור השני הוא הארגון של כל הרצפים הקצרים בסדר שבו הם מופיעים בגנום השלם. אזורים מסוימים בגנום הם מאתגרים במיוחד מבחינה זו – למשל אזורים ארוכים המורכבים מרצפים קצרים וזהים שחוזרים שוב ושוב. הדור השלישי של טכנולוגיות ריצוף חדשות מנסה ליהנות משני העולמות. בטכנולוגיית SMRT של חברת פסיפיק ביוסיינסז (PacBio), שפותחה בעשור האחרון, אפשר לקבוע רצף של מולקולת DNA יחידה באורך של עד 50 אלף אותיות, ואפשר לבצע זאת על עשרות אלפי מולקולות DNA במקביל.

25 אלף כרומוזומים

50 אלף אותיות הן עדיין רצף קצר בהרבה מהאורך של כרומוזום אנושי ממוצע, אבל די והותר בשביל הכרומוזומים הקטנים של האוקסיטריכה. במחקר חדש שפורסם בכתב העת BMC Genomics, ביקשה לנדוובר לבדוק את היעילות של טכנולוגיית SMRT באמצעות קביעה מחדש של הרצף הגנטי של האוקסיטריכה, מתוך מחשבה שאפשר לרצף כך את הכרומוזומים לכל אורכם, מבלי לחתוך אותם לפיסות קטנות ואז לזהות את הסדר הנכון של הרצפים.

לנדוובר מצאה שכמחצית מהכרומוזומים רוצפו בהצלחה כמולקולות בודדות – ללא צורך לחתוך אותם לכמה חלקים. אפשר לדעת בוודאות שהרצף שנמצא אכן שייך לכרומוזום שלם כאשר בשני קצותיו יש רצפים של טלומרים – רצפים שנמצאים רק בקצוות של כרומוזומים. במחקר נקבעו רצפים של 18,617 כרומוזומים, אך לכ-7,000 מהם היו כמה וריאציות, שנוצרו ככל הנראה בעקבות שבירה ואיחוי של הכרומוזומים ה"רגילים". כלומר, בפועל יש לאוקסיטריכה כ-25 אלף כרומוזומים שונים! המחקר הנוכחי הראה כי אף שמספר העותקים הממוצע של כל כרומוזום הוא כ-2,000, הממוצע הזה מייצג מגוון עצום: יש כרומוזומים שמופיעים בעותק יחיד ואחרים שמופיעים בכ-200 אלף עותקים.

למרות ההצלחה, לנדוובר מציינת שלשיטת SMRT יש תדירות טעויות גבוהה של כ-13 אחוזים, לעומת תדירות טעויות של חצי אחוז בריצוף מהדור השני. מכיוון שהטעויות בקריאת הרצף הן אקראיות, נהוג לבצע מספר גדול של חזרות (כמה עשרות) כדי לזהות את הטעויות ולתקנן. לנדוובר השוותה בין תיקון טעויות ריצוף בשיטת SMRT לבדה לבין שילוב של SMRT עם שיטת ריצוף מהדור השני, ומצאה שהשיטה המשולבת טובה יותר לתיקון הטעויות, בייחוד בכרומוזומים שמופיעים בעותקים מעטים, ואף עזרה לגלות שני כרומוזומים שלא היו ידועים עד כה.

השיטה המשולבת תאפשר לחוקרים לרצף בהצלחה את הגנום של יצורים נוספים בעלי גנומים מורכבים, ולהפיק ממנו מידע על האקולוגיה והאבולוציה שלהם. המספר הגדול של הכרומוזומים של האוקסיטריכה, וכן הממצא המעניין שחלקם מופיעים בעותקים יחידים בעוד שאחרים מופיעים באלפי עותקים, מציעים הזדמנות לחקור מנגנונים שונים של ארגון ה-DNA בתאים, ומראים פעם נוספת שלמורכבות הביולוגית אין גבולות.