חיים בהילוך מהיר

דג אפריקאי קצר חיים מאפשר לחקור את הגנטיקה של הזדקנות האדם ושל מחלות זקנה

בסוואנות של מוזמביק וזימבבואה שבאפריקה חי דג קטן את כל ימיו בבריכות עונתיות, שלוליות, שמתקיימות רק למספר חודשים. במהלך העונה הגשומה נקווים מי הגשמים, ממלאים שקעים בקרקע, מציפים שטחים ויוצרים שלוליות, שישובו ויתייבשו במהירות כעבור כמה חודשים בעונה השחונה. לפני התייבשות מקווי המים הזמניים מטיל הדג ביצים בנות קיימא – ביצים המסוגלות לשרוד בתנאי יובש חודשים ואף שנים – וקובר אותן בקרקעית השלולית. עם תחילת עונת הגשמים והתמלאות של מקווי המים בוקעים מביצים אלו דגיגים צעירים החייבים להספיק לגדול, להתבגר מינית ולהתרבות לפני שובה של העונה השחונה.

אכן, ככל הנראה בשל אופיים הזמני של מקווי המים התפתחה אצל הדג – הקרוי נוֹתוֹבּרַאנק פוּרזֵרִי (Nothobranchius furzeri) ושמכונה פשוט דג קִילִי – תוחלת חיים קצרה. ההתבגרות המינית שלו היא מהמהירות מבין בעלי החוליות, בגיל 25-30 ימים מהבקיעה, והוא מת מזקנה בגיל ארבעה עד שישה חודשים. יתרה מזאת, במהלך חייו הקצרים דג הקילי מראה סימני זקנה, כגון ירידה ביכולות קוגניטיביות וירידה בפוריות, וכן מפתח מחלות הקשורות לגיל דוגמת גידולים סרטניים ושפירים ומחלות ניווניות של מערכת העצבים.

הזדקנות אינה מחלה מוגדרת, אלא אוסף תסמינים שמופיעים עם הגיל, ורוב בעלי החיים מזדקנים באופן דומה, גם אם קצב ההזדקנות שלהם שונה. לפיכך, אפשר ללמוד מההזדקנות של בעל חיים אחד על זו של אחר. ואמנם, בניסיון להבין את ההזדקנות של בני האדם חוקרים אותה במעבדה באמצעות אורגניזמים שונים.

חקר הזקנה והגנטיקה של הזקנה נעשה בין היתר בשמרים או בחסרי חוליות כגון תולעים וזבובים. מאחר שתוחלת החיים שלהם קצרה אפשר לעשות איתם ניסויים מהירים, ובאמצעותם התגלו גנים שמבקרים את תהליך ההזדקנות וכמעט לא השתנו במהלך האבולוציה – כלומר גנים שנשמרו וקיימים בשמרים, בתולעים, בזבובים ובבני אדם. עם זאת, הם לא מאפשרים לחקור מערכות יחודיות לבעלי חוליות, כמו הדם, מערכת השלד ומערכת החיסון הנרכש.

נראה כי דג הקילי, שהוא בעל חוליות, מתאים במיוחד לחקר הזקנה במעבדה. כאמור, מהלך החיים שלו – מבקיעה, דרך העמדת צאצאים ועד לזקנה ולמוות – נדחס לתקופה קצרה של לא יותר משישה חודשים, כך שבדומה לחסרי החוליות אפשר לערוך בו ניסויים מהירים. כמו כן, הוא דג אקווריום שכיח שקל לגדלו. למרות כל זאת הוא לא נפוץ במיוחד במעבדות.

לעומתו, דג אחר, דג הזברה, הוא חיית מחקר נפוצה המשמשת כמודל חשוב לחקר ההתפתחות של חולייתנים ושל הגנים המעורבים בכך. גם העכבר המצוי נפוץ מאוד במעבדות ונערכים עליו מחקרים רבים, גנטיים ואחרים, למשל בביולוגיה, ברפואה ובפסיכולוגיה. העכבר אף זכה לשם "עכבר מעבדה" מאחר שהוא חיית מעבדה חשובה כל כך ופופולרית.

שתי חיות המעבדה הפופולריות האלו אכן משמשות לחקר הזקנה ולמציאת גנים הקשורים אליה, אך תוחלת החיים הארוכה יחסית שלהן מקשה על המחקר. תוחלת החיים של דג הזברה היא כחמש שנים ושל העכבר בין שלוש לארבע שנים. חייהם הארוכים עוברים את תוקפה של מלגת המחקר הממוצעת ואת משך תקופת הפוסט-דוקטורט הממוצעת הנמשכים לרוב עד חמש שנים. נוסף לכך, עלות החזקת בעלי החיים לזמן ממושך גבוהה, בייחוד כשמדובר בעכברים.

אם כך, מדוע חוקרי זקנה רבים לא בוחרים בדג הקילי – שתוחלת החיים שלו קצרה כמעט כמו של חסרי החוליות המשמשים במחקר ושהוא בעל רקמות ואיברים שחשובים לאדם – כחיית המחקר שלהם?

מפני שבלי להכיר את כל הגנום (רצף ה-DNA) של הדג ואת הגנים שלו, וכן ללא כלים שמאפשרים לערוך את הגנים שלו כדי ליצור מוטנטים שפגומים בגנים מסוימים או להקנות לו תכונות חדשות, כמעט בלתי אפשרי לחקור את הגנטיקה של הדג או ללמוד ממנו על מחלות זקנה באדם. ומאחר שעד עתה היו רק כלים מעטים וראשוניים המותאמים לעבודה עם הדג, מי שרצו לחקור את הגנטיקה של ההזדקנות נאלצו לבחור בחיית מעבדה אחרת.

דג קילי צעיר (למעלה) וזקן (למטה). צילום: Itamar Harel

כעת, במאמר שפורסם בכתב העת המדעי הנחשב Cell, מתארים איתמר הראל (Harel), שעשה דוקטורט במכון ויצמן ועושה כרגע פוסט-דוקטורט במעבדה של אן ברונט (Brunet) באוניברסיטת סטנפורד שבקליפורניה, ועמיתיו "ארגז כלים" שלם המאפשר מחקר מהיר של הגנטיקה של ההזדקנות ושל מחלות הזקנה באמצעות דג הקילי.

החוקרים ריצפו את הגנום של הדג, כלומר מצאו את סדר הנוקלאוטידים ("אותיות" ה-DNA) שלו, ונוסף לכך זיהו את הגנים שלו ואת מיקומם בגנום. לאחר מכן הם השתמשו במידע זה כדי לאתר 13 גנים הידועים מאורגניזמים אחרים כקשורים להזדקנות ולמחלות ויצרו דגים מוטנטים שפגומים בגנים אלו.

הראל ועמיתיו יצרו את המוטנטים באמצעות שיטת עריכת גנים בשם CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats, קריספר), לאחר שהתאימו אותה לעבודה בדג. שיטה זו נמצאת בשימוש משנת 2012 ומבוססת על חלק ממערכת החיסון של חיידקים שמגנה עליהם מפני נגיפים. כאשר נגיפים, שהם טפילים תוך תאיים, מחדירים את החומר הגנטי שלהם לתוך חיידק, הוא מעתיק באמצעות אנזימים בשם Cas (קאס) חלק קצר מהרצף הגנטי הנגיפי ושומר אותו. בפעם הבאה שבה נגיף עם רצף דומה מנסה להחדיר את החומר הגנטי שלו לחיידק – הרצף שנשמר מזהה אותו ומנחה אנזים קאס לעברו. האנזים מפרק את החומר הגנטי של הנגיף הפולש.

כדי להשתמש בקריספר להנדסה גנטית אפשר ליצור את הרצף הקצר במעבדה כך שינחה את אנזים הקאס לעבר גן המטרה, הגן שאותו רוצים לערוך. לאחר מכן מחדירם קאס ואת הרצף המנחה לתא שאת הגנום שלו רוצים לשנות, למשל לתוך ביצית מופרית. קאס נצמד לרצף הרצוי בגן המטרה וחותך אותו. אחרי החיתוך מנגנון התיקון הטבעי של ה-DNA בתא נכנס לפעולה ומאחה את ה-DNA הקטוע כך שמתקבל DNA שלם אך ללא עותק תקין של הגן.

הגן הראשון שבו בחרו החוקרים לפגוע, כהדגמה עקרונית של המערכת אותה פיתחו, היה גן המקודד לאנזים טלומראז, שמייצב טלומרים. טלומרים הם רצפי DNA מיוחדים השוכנים בקצוות הכרומוזומים ומגנים עליהם כפי שהאגלטים (פיסות הפלסטיק שבקצוות השרוכים) מגנים על שרוכי הנעל. ברוב התאים הטלומרים מתקצרים והולכים, "נשחקים", בכל פעם שהתא מתחלק. "שחיקת" הטלומרים נחשבת לאחד מתשעת המאפיינים העיקריים של ההזדקנות וכשהם נעשים קצרים מדי התא מפסיק להתחלק ומת. עם זאת, בתאים מסוימים בגופנו פועל הטלומראז המאריך את הטלומרים ובכך מונע מהכרומוזומים להתקצר. תאי המין הם דוגמה לתאים כאלו וכן חלק מהגידולים הסרטניים.

הדגים שהגן המקודד לטלומראז שלהם נפגע פיתחו סימפטומים דומים לאלו של בני אדם הלוקים בהפרעה הגנטית הנדירה דיסקרטוזיס קונגניטה (dyskeratosis congenita) הנגרמת מפגיעה בפעילות הטלומראז. בדגים שטופלו באופן זה רקמות המאופיינות בחלוקות תאים רבות כמו מערכת הרבייה, הדם והמעי הושפעו מאוד מהמוטציה: כמות תאי המין של הדגים קטנה עם הזמן עד שהפכו לעקרים, המעי שלהם החל להתנוון ומגוון תאי הדם שלהם קטן. הדור הבא של הדגים האלו התפתח בצורה לא תקינה ואפילו לא בקע מהביצה, ככל הנראה מאחר שהטלומרים של העוברים היו קצרים מדי.

דג הקילי חסר הטלומראז הוא המודל המהיר ביותר לדיסקרטוזיס קונגניטה בבעלי חוליות. עד עתה השתמשו בעכברים כמודל למחלה אך מאחר שהטלומרים שלהם ארוכים בערך פי עשרה משל האדם ושל הדג צריך להמתין כמה דורות לפני שמבחינים בהשפעה כלשהי מהתקצרותם. לעומת זאת, בדגים אורך הטלומרים דומה לשל האדם והמחלה הופיעה כבר בדור המוטנטי הראשון.

בבני אדם, הפגיעה בפעילות הטלומראז, שמובילה לדיסקרטוזיס קונגניטה, היא בדרך כלל שינוי קטן ברצף של הגן ולא בעקבות חיתוך, חסר, של חלק גדול מהגן. לנוכח זאת, לאחר שהראל ועמיתיו הדגימו בהצלחה כי הדג יכול לשמש כמודל למחלות אנושיות וכי אפשר להנדס אותו גנטית בקלות יחסית, הם לקחו רצף של הגן האנושי הפגום והכניסו אותו לגנום של הדג במקום הגן שלו. דרך זו מאפשרת לחקות את המחלה בדג בצורה מדויקת יותר. נוסף לכך, הם המשיכו ויצרו מוטציות בגנים הנוספים שקשורים למחלות זקנה (כמו הגן לקולטן לגורם גדילה דמוי אינסולין 1, IGF1R) שיאפשרו לחקור במהירות את השפעת הגנטיקה על ההזדקנות. תהליך יצירת דג מהונדס גנטית חדש, שגם יעביר את המוטציה לצאצאים שלו, הוא מהיר ונמשך כשלושה חודשים.

סיכום גרפי של המאמר ותשעת המאפיינים העיקריים של ההזדקנות. איור: Itamar Harel. גרסה עברית: נעם לויתן

החוקרים הפכו את דג הקילי מחיית מעבדה שחסרה את הכלים הבסיסיים הדרושים למחקר גנטי, לבעל חיים המשמש כמודל למחלות באדם ויכול לסייע להבין כיצד המידע בגנום מקודד תכונות מורכבות, כגון אורך חיים או נטייה לפתח מחלה מסוימת. זאת ועוד, שיטת העבודה שנקטו אינה ייחודית לדג זה ובעזרתה יוכלו בעתיד חוקרים לבחור את האורגניזם המתאים ביותר לבירור השאלה המדעית המעניינת אותם, גם אם הוא לא אורגניזם מחקר שכיח, ולהפיק את המידע הגנטי ואת הכלים הגנטיים המותאמים לעבודה עימו.

מעטים מאבותינו הגיעו לגיל זקנה ואילו היום העולם מאפיר והולך. מספר הקשישים באוכלוסייה עלה ועולה משמעותית מאחר ששמירה על היגיינה, שיפור התזונה, המצאת החיסונים, גילוי האנטיביוטיקה ועוד מונעים מוות בגיל צעיר וכך מאפשרים ליותר ויותר אנשים להגיע לשיבה. גם הטיפול במחלות האופייניות לגיל מבוגר משתפר בהתמדה. הכלים שהראל ועמיתיו פיתחו מאפשרים להשתמש בדג הקילי למחקר מהיר של הגנטיקה של הזקנה ושל מחלות הזקנה. מחקרים אלו ודאי יובילו לזיהוי של גנים ושל טיפולים שיוכלו לשפר את איכות חיי הקשישים ואולי אף לעכב את הזקנה.

תודה ליונת אשחר על העזרה הרבה ותודה ומזל טוב לאיתמר הראל.

Featured Image: Itamar Harel. This is a derivative of Handful of Water by Biswarup Ganguly, CC-BY

למידע נוסף

המאמר המקורי [PDF]:

Harel, I. et al. A platform for rapid exploration of aging and diseases in a naturally short-lived vertebrate. Cell 160 (2015). doi: 10.1016/j.cell.2015.01.038

ד"ר איתמר הראל ופרופ' אן ברונט מספרים על המחקר:

בן-עמי סלע, "האם ניתן לעכב תהליכי הזדקנות", "גליליאו" 80 – חלק 1, חלק 2, חלק 3.

לאהוב עד מוות – יונקי כיס שחיים מהר ומתים צעירים. הזכרים שלהם מזדווגים פעם אחת ומתים.

מאמר המבוסס על רשומה זו התפרסם בגליליאו גיליון 199, אפריל 2015