איך איבד האדם את זנבו

שינוי גנטי פשוט מסביר למה לקופי האדם ולאדם אין זנבות, בעוד לפרימטים אחרים יש

נעם לויתן

קוף גנון אדום זנב מציג את זנבו הארוך. צילום: Charles J. Sharp, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

לרוב בעלי החיים בעלי החוליות יש זנב. לאבותינו הדגים היה זנב. לאבותינו הזוחלים היה זנב. גם לאבותינו הקופים הקדומים, כפי שידע כבר צ'רלס דרווין, היה זנב. אבל לפני כ-25 מיליון שנה, כשהשושלת של קופי האדם התפצלה מהשושלת של קופי העולם הישן, הכיף נגמר והזנב נעלם.

כל שנותר לקופי האדם ולאדם כמזכרת מהזנב של אבותינו, הוא כמה חוליות בקצה עמוד השדרה, שמרכיבות את עצם הזנב (עצם העוקץ). חוסר הזנב הזה מאפיין אותנו – אם לפרימט כלשהו יש זנב אפשר לדעת בוודאות שהוא אינו קוף אדם.

אבל איך איבדנו את הזנב? במחקר שהתפרסם בשבוע שעבר בכתב העת Nature, זיהתה קבוצת חוקרים מארצות הברית את המנגנון הגנטי שאולי גזל את הזנב שלנו: רצף DNA טפילי ש"קפץ" לתוך גן.

תאונה ממוזלת

החיפוש אחר המנגנון החל בעקבות תאונת דרכים שעבר בּוֹ שיאה (Xia), שהיה באותה תקופה דוקטורנט במעבדות של איתי ינאי (Yanai) וג'ף בוקה (Boeke) באוניברסיטת ניו יורק וכיום הוא חוקר במכון ברוד. עצם הזנב של שיאה נפגעה בתאונה וגרמה לו לכאבים רבים.

"נדרשה לי כמעט שנה להחלים מהפציעה", אמר שיאה בפודקאסט Night Science. "בכל פעם שהתיישבתי הרגשתי את הכאב מעצם הזנב שלי, וזה הזכיר לי בכל פעם לחשוב על כך שאין לי זנב [שיכול] להגן עליי מהתאונה". בהשראת הפציעה החל שיאה לחפש תשובה לשאלה שעניינה אותו כבר מילדות: איפה הזנב שלו, שלנו, ושל קופי האדם בכלל?

כדי למצוא את הגן או הגנים האחראים לאובדן, בחן שיאה 140 גנים שידוע ממחקרים קודמים שהם קשורים לחוסר זנב בעכברים או בפרימטים. הוא חיפש ביניהם גן שהרצף שלו בקופי אדם ובאדם שונה מאשר אצל פרימטים בעלי זנב. שיאה מצא גן אחד כזה, TBXT. זהו גן שהחלבון שנוצר על פיו מבקר את פעילותם של גנים רבים אחרים.

הגן TBXT מוכר כבר כמעט מאה שנים. הוא התגלה בשנות ה-20 של המאה הקודמת, לאחר שהחוקרת נדייה דוברובולסקה-זוודזקה (Dobrovolska-Zavadska) יצרה בעכברים מוטציה שגרמה להם להיוולד עם זנב קצר או פגום. המוטציה נקראה ברכיורי (brachyury), "זנב קצר" ביוונית. מאוחר יותר התגלה שהמוטציה הזו התרחשה בגן TBXT, הקרוי גם ברכיורי, על שמה. מוטציות שונות בגן זה העלימו בין היתר את הזנב של חתולי מַנְקְס ושל כמה גזעי כלבים.

חתול מַנְקְס חסר זנב. צילום: Michelle Weigold, CC BY-SA 4.0, via Wikimedia Commons

שיאה גילה שהגן TBXT אצל קופי אדם ובני אדם כולל רצף DNA קצר, שהמיקום שלו זהה אצל כולם. הרצף הקצר שייך למשפחה מסויימת של רצפי DNA טפיליים – רֶטְרוֹטְרַנְסְפּוֹזוֹנִים – הקרויה Alu. אלה רצפי DNA זרים שחדרו לפני עשרות מיליוני שנים לגנום של הפרימטים ומאז מתקיימים בו באופן עצמאי. הם מסוגלים ליצור עותקים של עצמם בשיטת "העתק-הדבק" וכך הם מתרבים ומופיעים במקומות חדשים בגנום. רצפי Alu מרכיבים כיום כ-11 אחוזים מגנום האדם, ויש בו כמיליון עותקים שלהם.

בתאונה ממוזלת חדר רצף Alu אחד כזה אל TBXT באב הקדמון המשותף של קופי האדם והאדם. הרצף החדש הזה הוביל לאובדן הזנב, אף על פי שנכנס לאזור בגן שלא מיוצר על פיו חלבון, ולכן כביכול לא צפויה שתהיה לו השפעה כלשהי.

מתברר שבכל הפרימטים TBXT כולל רצף Alu נוסף, גם הוא באזור שלא מיוצר על פיו חלבון. הקרבה בין שני הרצפים, הרצף הזה והרצף שקיים רק בקופי אדם ובאדם, משפיעה על התהליך שבסופו נוצר חלבון על פי הגן.

בלי הזנב בין הרגליים

רצף ה-DNA של הגן הוא מעין רצף הוראות, "מתכון", להרכבת חלבון. כדי לייצר חלבון, ה-DNA של הגן מועתק לחומר דומה מאוד בשם RNA. ה-RNA הזה עובר עיבוד שבמהלכו נחתכים החוצה רצפים שלא יהפכו לחלבון ומתקבלת מולקולת RNA שליח או mRNA. לפי ההוראות המצויות ב-mRNA מנגנוני התא מרכיבים את החלבונים. אפשר לחשוב על ה-mRNA כמתכון שהעתקתם מספר הבישול השמור היטב של סבתא שלכם, ומכיל רק את ההוראות המדויקות להכנת כריך הפסטרמה המפורסם שלה.

שני רצפי ה-Alu בגן יכולים, לאחר שהגן מועתק ל-RNA, להיצמד זה לזה ולגרום לכך שהרצף שביניהם ייחתך החוצה, לקבלת מולקולת mRNA קצרה מהרגיל, ובעקבותיה חלבון קטן יותר. אם נחזור לספר המתכונים של סבתא, ייתכן שמדי פעם שני דפים יידבקו זה לזה ובגלל זה המתכון שתעתיקו יהיה פתאום טבעוני: כריך פסטרמה ללא פסטרמה.

עכברים מהונדסים עם גן Tbxt שדומה לזה של האדם, הם חסרי זנב (משמאל), או עם זנב קצר מהרגיל, או עם זנב ארוך (שני מימין). צילום מתוך: Xia, B. et al. Nature 626, 1042-1048 (2024). doi: 10.1038/s41586-024-07095-8, CC BY 4.0

שיאה ועמיתיו שיערו שהחלבון הקטן הוא זה שאחראי לחוסר הזנב. כדי לבדוק זאת הם הינדסו גנטית עכברים כך שיווצרו אצלם שתי הצורות של ה-mRNA של Tbxt עכברי: הארוכה, שבאופן טבעי רק היא קיימת אצלם, והקצרה. חלק מהעכברים המהונדסים היו חסרי זנב, אצל אחרים היה זנב אבל קצר מהרגיל, ואילו אצל חלקם נותר זנב ארוך. החוקרים הראו גם שככל שהיו לעכברים המהונדסים יותר מהעותקים הקצרים של ה-mRNA, יחסית לארוכים, הזנב שלהם היה קצר יותר ויותר, או לא קיים כלל.

תוצאות אלו מראות שהמוטציה בגן TBXT אצל קופי האדם והאדם תרמה רבות לאובדן הזנב, אך היא לא הסיבה היחידה לכך. אחרי הכול בעוד העכברים צימחו, או לא צימחו, מגוון של זנבות, לכולנו אין זנב. סביר שבתחילה אבותינו הסתובבו גם הם עם זנבות באורכים שונים, עד שהצטברו מוטציות נוספות שהעלימו סופית ולתמיד את זנבותיהם.

דבר נוסף ששיאה ועמיתיו גילו הוא שעכברים שאין להם כלל mRNA באורך רגיל מתו בהמלטה או לפניה. כמו כן, חלק מהעכברים חסרי הזנב סבלו מפגיעה בהתפתחות העוברית של הצינור העצבי, מבנה שבהמשך מתפתח לחוט השדרה ולמוח. עמוד השדרה שלהם לא "נסגר" כראוי ויצר פגם שדומה לספינה ביפידה (שדרה שסועה), מום שמשפיע על אחד מכל 1000 תינוקות אדם. אולי זה המחיר ששילמנו על אובדן הזנב. בעבר עלה חשד שהגן TBXT קשור למום, אם כי גורם הסיכון העיקרי לספינה ביפידה הוא חוסר בחומצה פולית במהלך ההיריון.

מה עם הלמה?

החוקרים סבורים שהיתרון באובדן הזנב היה כה גדול, עד שאפילו העלייה בסיכון ללקות בספינה ביפידה לא מנעה אותו. "לזנב אולי יש יתרונות כשחיים על העצים", כתב ינאי, אחד משני החוקרים הבכירים החתומים על המאמר. "אך ברגע שיורדים לקרקע, הוא יותר נטל. לוותר על הזנב הקל אולי על התפתחותם של עוד מהחידושים בשושלת האבולוציונית שלנו".

נקבת גיבון זהוב לחי עם גור מתנדנדת מענף לענף, בלי זנב שעלול להפריע. צילום: Ramon Vloon on Unsplash

חוקרים אחרים סבורים אחרת. ריק פוטס (Potts), מנהל התוכנית למוצא האדם במכון סמיתסוניאן שבוושינגטון, שלא היה מעורב במחקר, טען שאובדן הזנב אולי איפשר בסופו של דבר את המעבר להליכה זקופה על שתי רגליים, אבל הקנה יתרון עוד לפני הירידה מהעצים. גם היום גיבונים ואורנגאוטנים, שהם קופי אדם, חיים על העצים, אך הם זזים בשונה מקופים. קופים הם קטנים יותר, ומתרוצצים על הענפים תוך איזון בעזרת זנבם. קופי האדם נתלים מהענפים עם ידיהם, ועוברים מענף לענף בעודם זקופים – פעולה שככל הנראה זנב היה רק מקשה עליה.

מרים קונקל (Konkel), גנטיקאית אבולוציונית מאוניברסיטת קלמסון בקרוליינה הדרומית, ואמילי קזנובה (Casanova), חוקרת מוח וביולוגית אבולוציונית מאוניברסיטת לויולה בניו אורלינס, שלא היו מעורבות במחקר, סקרו אותו במאמר שליווה את פרסומו. הן סבורות שייתכן שאובדן הזנב והתפשטות התכונה הזו באוכלוסייה התרחשו במקרה, מאחר שקרו באוכלוסייה קטנה ומבודדת, ולאו דווקא בגלל יתרון כלשהו. כמו המקרה של חתולי מנקס, באי מאן, שאובדן הזנב שלהם לא מקנה להם יתרון, וגם מלווה במומים בחוט השדרה.

"נצטרך מכונת זמן כדי לדעת בוודאות" מדוע איבדנו את הזנב, כתב ינאי. אך "גם אם לא נדע בסופו של דבר את הסיבה לכך", סיכמו קונקל וקזנובה. "תוצאות המחקר של שיאה ושותפיו מציגות פרק חדש ומרתק בסיפורו של הזנב שלנו".

עקבו אחרי גם ב:

פרופילים אישיים, לא רק על מדע

הרשומה נכתבה בעקבות בקשה של "מדע גדול, בקטנה". גרסה שלה תתפרסם גם באתר העמותה.

למידע נוסף

המאמר המקורי:

Xia, B. et al. On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes. Nature 626, 1042–1048 (2024). doi: 10.1038/s41586-024-07095-8

מאמר נלווה הסוקר את המחקר ב-Nature

הודעה לעיתונות של של אוניברסיטת ניו יורק על המחקר

המחקר פורסם לראשונה ב-2021 כטיוטה (preprint) באתר bioRxiv, שמאפשר לחוקרים לפרסם מאמרים טרם הפרסום בכתבי עת מדעיים ולפני שעברו ביקורת עמיתים רשמית