נוסחת הזוגיות המנצחת של השמרים

בעוד שבני-אדם מתקשים למצוא בן-זוג שגם מושך אותם וגם מתאים להקמת משפחה, מתברר שהשמרים כבר פיצחו את הנוסחה: בבואם לבחור בני-זוג, הם נוטים להעדיף את מי שמגדיל את סיכויי ההצלחה של צאצאיהם – כך עולה ממחקר חדש של מדעני מכון ויצמן למדע שממצאיו מתפרסמים כעת בכתב-העת המדעי Cell Reports. במעבדתו של פרופ' יצחק פלפל ביצעו המדענים ניסוי חסר תקדים בהיקפו, שבמסגרתו הוכנסו כ-10 מיליון תאי שמרים מכ-100 זנים למבחנה אחת ונמדדו העדפותיהם הזוגיות. המחקר חשף את הקשר בין מידת ההצלחה של ההורים לזו של הצאצאים ומסייע להבין את האבולוציה של הרבייה המינית.

שמר האפייה, המוכר לנו מתעשיית הלחם והאלכוהול, מעמיד צאצאים במגוון דרכים: כשתנאי הסביבה נוחים הוא מתרבה באמצעות שכפול עצמי, ואילו בזמני רעב הוא יוצר נבגים בהמתנה לימים יפים יותר. הנבגים מקבלים מחצית מהחומר הגנטי של תא השמר ה"הורה" ונחלקים למינים a ו-α, המזכירים את החלוקה לזכר ונקבה. כשהתנאים משתפרים מפרישים הנבגים פרומונים (חומרים ריחניים), מחזרים זה אחר זה ומתמזגים לצאצא שלם אחד.

כשם שבני-אדם נחלקים לאוכלוסיות שונות, לשמר האפייה אלפי זנים. בטבע, הנבגים של כל תא שמר נוצרים בשק נפרד, ורבייה מינית קורית כמעט תמיד בין אחים בשק. לפיכך זיווגים בין זנים הם נדירים יחסית אך מעניינים במיוחד, שכן ביכולתם לחשוף איך תכונות עוברות בתורשה והאם יש העדפה זוגית ביצורים קדמונים אלה.

""תגלית זו מקרבת אותנו לפתרון שאלת יסוד באבולוציה – האם היכולת לבחור בני-זוג היא חלק בלתי נפרד מרבייה מינית, או שמדובר ב'שכלול' שהופיע מאוחר יותר?"

במחקר החדש, שהובילה ד"ר סיון קמינסקי-שטראוס בהנחיית פרופ' פלפל וד"ר אורנה דהאן, ערכו החוקרים אירוע הזדווגות המוני בין נבגים מכ-100 זנים שונים על-ידי הכנסתם למבחנה אחת ל-20 שעות. כל זן הוכנס באלפי עותקים כך שיהיו לו הזדמנויות רבות להזדווג עם הזנים האחרים, והמדענים יוכלו לספור בדיוק כמה פעמים הוא בחר בכל זן אחר. "הכנסנו לקוד הגנטי של כל זן 'הורים' ברקוד מזהה", מסבירה ד"ר דהאן. "כמו כן, הכנסנו מנגנון שפועל רק אצל הצאצאים ומבטיח שהברקודים משני ההורים יתחברו לרצף אחד, שבאמצעותו נדע בסיום הניסוי מי היו ההורים של כל צאצא".

המדענים הופתעו לגלות שחלק מזני השמרים נמנעו באופן שיטתי מלהזדווג זה עם זה. השוואת זוגות זנים שהעמידו יותר ופחות צאצאים חשפה הבדלים מסוימים שאינם תלויים רק ברמת הפעילות המינית של כל זן – במלים אחרות, נראה שהחוקרים גילו העדפה זוגית בשמרים. צוות המחקר ביצע את הניסוי בשני תנאי מחיה עיקריים: על מצע מזון המועדף על מרבית השמרים ועל מצע מזון שלמרביתם קשה לפרקו. כשהמזון המועדף היה זמין, נטו השמרים להעדיף בני-זוג שהזיווג איתם הוביל לצאצאים מוצלחים יותר.

"תגלית זו מקרבת אותנו לפתרון שאלת יסוד באבולוציה – האם היכולת לבחור בני-זוג היא חלק בלתי נפרד מרבייה מינית, או שמדובר ב'שכלול' שהופיע מאוחר יותר?", אומר פרופ' פלפל. "מצד אחד, רבייה מינית, להבדיל משכפול עצמי, אולי נשמרה באבולוציה פשוט משום שהיא יוצרת שונות גנטית. מצד שני, ייתכן שהיכולת לברור בן-זוג שמשביח את הצאצאים היא העיקר. העובדה שהעדפה זו קיימת בשמר מרמזת שזהו מנגנון קדום ובסיסי. כדי להכריע בסוגייה, אנו בודקים בימים אלו האם ניתן להשתיק את הגנים שאחראיים להעדפה זוגית בשמרים מבלי שזה יבטל את הרבייה המינית כולה, או שהן בלתי נפרדות. שאלה פתוחה נוספת היא כיצד מזהה זן שמר את בן-הזוג המתאים? אחת האפשרויות היא שבפרומונים של כל זן יש הבדלים כימיים ייחודיים המסגירים לאחרים מידע על תכונות חשובות שלו".

הסוד לצאצאים מוצלחים

ניסוי הרבייה בשמרים יצר הזדמנות נדירה לגלות גם כיצד מידת ההצלחה בחיים עוברת בתורשה מהורים לצאצאים. עבור חוקרי אבולוציה הצלחה היא בראש ובראשונה "כשירות", מונח המתאר את מידת הגדילה וההתרבות של אורגניזם. כשירות היא תכונה מורכבת – היא תכונה כמותית עם טווח של רמות שונות, היא מושפעת מגנים רבים מאוד וגם מתנאי הסביבה. זמן הדור של שמרים הוא פחות משעתיים וזה מאפשר למדוד את מידת הכשירות שלהם בקלות ובמהירות על-ידי תחרויות גדילה במעבדה. כדי להתחקות אחר תורשת הכשירות, ערכו המדענים תחרויות גדילה בין ההורים וכן בין צאצאיהם.

"כשהמזון המועדף היה זמין, ככל שכל אחד מההורים היה כשיר יותר כך גם הצאצא", מתארת ד"ר קמינסקי-שטראוס. "בהיעדר מזון מועדף, מה שהיה חשוב זה השוני הגנטי בין ההורים – כשירות הצאצא עלתה ככל ש'המרחק הגנטי' בין ההורים גדל עד למרחק מיטבי, ומעבר לו ירדה. בהמשך, הצלחנו לפתח מודל סטטיסטי שמנבא על סמך תכונות ההורים, כמו כשירות ומרחק גנטי, כמה כשיר יהיה הצאצא בתנאי מחיה שונים".

המחקר החדש מהווה אבן דרך בהתפתחות של גנטיקה כמותית, תחום מחקר שמשלב שיטות גנטיות וסטטיסטיות במטרה לחקור תכונות כמותיות מורכבות וכיצד הן עוברות בתורשה. כמו כן, הוא מניח תשתית לחקר העדפות זוגיות בבני-אדם. "אמנם לא ניתן לערוך ניסוי הזדווגות המוני באנשים, אך ניתן לחקותו בעזרת שיטות של גנטיקה כמותית ומאגרי מידע גנטי של אלפי אנשים", אומר פרופ' פלפל. "במחקר המשך, שמוביל תלמיד המחקר בר כהן, אנו מחשבים איך הגנום האנושי היה נראה לו היינו בוחרים בני-זוג באקראי, ומנסים לזהות אזורים בגנום שסוטים מאוד מהמודל האקראי. אזורים אלו עשויים להכיל את הגנים שמשפיעים על ברירת בני-זוג".

במחקר השתתפו גם רותי גולומב, דוניה חורי, ד"ר נועה אהרון-חפץ והדר מאיר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון; ד"ר דייג שייח'קרימלי מאוניברסיטת טורונטו; ופרופ' ג'אני ליטי מאוניברסיטת קוט ד'אזור בניס, צרפת.