ללמוד על קביעת המין בצלחת – כבר לא מדע בדיוני

במהלך ההתפתחות העוברית מתפתחת תחילה גונדה (gonad), איבר ראשוני המשותף לשני המינים – זכרים ונקבות. אותה גונדה ראשונית תתפתח להיות זכרית (אשכים) או נקבית (שחלות), בתלות במפל של העברת אותות הפועל בצורה מנוגדת בין זכרים לנקבות. טעויות בתהליך זה גורמות להפרעות בהתפתחות המין, המאופיינת בחוסר התאמה בין המין הכרומוזומלי, הגונדאלי (אשך או שחלה) והאנטומי. הידע וההבנה של מנגנוני קביעת מין והפרעות בהתפתחות מינית, שנצברו עד היום, מתבססים על מחקרים שנעשו בעוברי עכברים ועל אנליזות גנטיות של אנשים עם הפרעות בהתפתחות מינית. אולם, המודל העכברי מוגבל עקב הבדלים אבולוציונים בין בני אדם לעכברים, ואילו מודלים מתאים הומניים שהוצעו אינם מחקים נאמנה את התאיים הטבעיים. לפיכך, היעדר מערכת מחקר חוץ-גופית מתאימה ונגישה מהווה מכשול מרכזי בהבנת מנגנונים של קביעת מין והפרעות בהתפתחות מינית.

צוות חוקרים בינלאומי בהובלתה של ד"ר ניצן גונן מהפקולטה למדעי החיים ע"ש מינה ואבררד גודמן והמכון לננוטכנולוגיה באוניברסיטת בר-אילן פיתחו מודל רב עוצמה המאפשר לחקור כיצד מתרחש תהליך קביעת זהות והתמיינות האשכים בעכברים ובבני אדם, כמו גם לחקור השפעות תאיות ומולקולריות של גנים הקשורים להפרעות בהתפתחות מינית.

ראשית, החוקרים עבדו עם תאי גזע עכבריים ופיתחו פרוטוקול המחקה את המסלול הידוע של התפתחות הגונדה באמצעות שימוש במדיום גידול בעל הרכב מוגדר היטב והוספת פקטורי גידול ומולקולות קטנות באופן מאוד מתוזמן. החוקרים מיינו תאי גזע (תאים בעלי פוטנציאל להפוך כמעט לכל תא שהוא) לתאי אב גונדאליים (תאים שיתמיינו לתאים באשך או שחלה). לאורך תהליך ההתמיינות, החוקרים בדקו ביטוי של סמנים אופייניים לכל שלב בתהליך ההתמיינות, מתאי גזע לתאי אב גונדאליים, הן ברמת תעתיקי RNA והן ברמת החלבונים. נוסף על כך, החוקרים השוו את ביטוי הגנים בתאי אב גונדאליים שהם יצרו למאגר נתונים של ביטוי גנים בגונדות של עוברי עכברים, ומצאו שהתאים שהם יצרו דומים לתאי גונדות זכריים (XY) ונקביים (XX) של עובר בן 11.5 ימים.

בשלב הבא, החוקרים התקדמו צעד נוסף ומיינו את תאי האב הגונדאליים שהם יצרו לתאים דמויי-סרטולי, תאי אשך החיוניים ליצירת האשך ולתהליך ייצור הזרע. בכדי לגרום להתמיינות לתאי סרטולי, הוחדרו לתוך תאי האב הגנים Nr5a1 ו-Dmrt1, הידועים כחשובים לצורך התמיינות לתאי סרטולי. תאי גזע עכבריים, שהחוקרים בחרו לעבוד איתם, מכילים חלבון פלורוסנטי באורך גל של צבע טורקיז שמתבטא כאשר התאים הופכים לתאי סרטולי. ואכן, כתוצאה של ביטוי הגנים Nr5a1 ו- Dmrt1 החוקרים קיבלו תאים פלורוסנטים בצבע טורקיז. יתרה מכך, התאים הללו יצרו מבנים דמויי צינורות, המזכירים את מבנה באשך.

לאחר מכן, החוקרים יישמו את הפרוטוקול שפיתחו למיון תאים דמויי-סרטולי על תאי גזע אנושיים ובדקו אם השימוש בפרוטוקול יאפשר ליצור מודל לחקר פתולוגיה שגורמת להיפוך מין בין זכר לנקבה. לשם כך, החוקרים עבדו עם תאי גזע שנוצרו מזכר בריא (46,XY), נקבה בריאה (46,XX) ומאדם שהוא זכר גנטית אך כתוצאה ממוטציה בגן Nr5a1 סובל מהפרעה בהתפתחות מינית (46,XY DSD) ונולד חיצונית כנקבה. הביטוי הפיזי (פנוטיפ) למוטציה בגן Nr5a1 מגוון ונע בסקאלה שבין היעדר מוחלט של אשכים לבין אשכים בעלי צורה תקינה אך לא פוריים. במהלך תהליך ההתמיינות לכיוון תאי סרטולי, התאים הציגו שינויים בצורה ובביטויי גנים, אך בתום ההתמיינות, רק תאים מזכר בריא (46,XY) עברו סידור מחדש והצטברות בצלחת הגידול. נוסף על כך, רק תאי ה-46,XY יצרו מבנים צינוריים המאפיינים תאי סרטולי כאשר נזרעו על מצע רך. 

כדי להעריך את היכולת של התאים שנוצרו לנדוד, להצטבר וליצור מבנים תלת ממדיים, החוקרים תכננו מכשיר מיקרופלואידי בעל שלושה ערוצים: אחד מרכזי לטעינת המצע הרך, ושני ערוצים בצדדים לטעינת מצע גידול ותאים. תאים דמויי סרטולי אנושיים שמוינו נזרעו לתוך המכשיר המיקרופלואידי, והתאים צולמו במשך 72 שעות. סרטים שצולמו בזמן אמת הראו שכל התאים שרדו והתרבו. התאים מזכר בריא ומזכר עם הפרעות בהתפתחות מינית (46,XY ו-46,XY DSD) נדדו ופלשו לערוץ המרכזי המלא במצע רך, ואילו התאים הנקביים (46,XX) לא עשו זאת. אך רק תאי 46,XY נדדו בצורה מתואמת ויצרו מבנים צינוריים אופייניים, בעוד תאי 46,XY DSD היו פחות מתואמים ולא יצרו מבנים צינוריים.

לבסוף, החוקרים רצו לבדוק אם מתאי גזע מוטנטים שמקורם מזכר עם הפרעות בהתפתחות מינית (46,XY DSD) שתוקנו באמצעות קריספר, טכנולוגיה של עריכה גנומית, אפשר לקבל תאי סרטולי תקינים. החוקרים מיינו את התאים הערוכים בפרוטוקול שפותח על ידם, ובדקו בתאים הללו ביטוי של תעתיקי רנ"א וחלבונים האופייניים לגונדות זכריות. הביטוי של המרקרים בתאים המתוקנים והממוינים הזכיר את הביטוי שבתאי זכר בריאים וממוינים (46,XY). יתרה מכך, כאשר נזרעו על מצע רך, התאים המתוקנים יצרו את אותם מבנים צינוריים כמו תאים מזכר בריא.

המודל שפותח על ידי ד"ר גונן ועמיתיה מהווה כלי חשוב בהבנת התהליכים המולקולריים של התמיינות האשכים והפרעות בהתפתחות מינית ואולי אף בהבנת תהליכים הקשורים בבעיות פוריות.

עבודה זו פורסמה בעיתון היוקרתי Science Advances.