רגע ההפריה, שבו תא זרע חודר לתא ביצית, מורכב בהרבה מששיערנו. עד כה, החלבונים האחראים על רגע המיזוג עצמו נותרו עלומים. מחקר חדש מציע כי לחלבון בשם איזומו, המצוי על פני תאי הזרע, יש למעשה תפקיד כפול: ראשית הוא מסייע להצמיד את הזרע לביצית, ולאחר מכן מסוגל לאחות ביניהם.

מאת ידידי עמותת "מדע גדול, בקטנה", ד"ר ניקולס ברוקמן ויעל יוסילבסקי

עוד משחר האנושות, המסתורין שבהופעת חיים חדשים ריתק את ההוגים. הפילוסופים ביוון העתיקה קבעו כי חייבת להיות תרומה כלשהי מצד האם ומצד האב, אולם מהן – יכלו רק לנחש. במאה השבע עשרה בהולנד, חלוצי המיקרוסקופיה אנטוני ואן ליוונהוק (Antoni van Leeuwenhoek) וניקולס הרטסוקר (Nicolaas Hartsoeker), גילו לראשונה את תא הזרע. ואן ליוונהוק האמין כי הזרע כשמו כן הוא – וכי תפקיד הנקבה לספק עבורו אדמה פורייה כך שיצמח. הרטסוקר צייר את מה שראה (או האמין שראה) בתוך תא הזרע: אדם בזעיר אנפין – הומונקולוס (homunculus) (ראו איור):

הומונקולוס (humunculus): מה שתיאר לראשונה ניקולס הרטסוקר כשהתבונן בזרע תחת מיקרוסקופ, שנת 1695. התמונה נלקחה מתוך ויקיפדיה.

מאה שנים לאחר מכן, פיזיולוג איטלקי בשם לזארו ספלנצני (Lazzaro Spallanzani) סינן נוזל זרע מקרפדה, והראה כי בחומר שנשאר לאחר סינון הנוזל מצוי גורם המסוגל להפרות ביצית. עם זאת, אפילו הוא לא תיאר לעצמו שתאי הזרע עצמם הם הגורם – הוא חשד כי מדובר בחיות טפיליות... 

מאה שנים נוספות עברו, והזואולוג הגרמני אוסקר הרטוויג (Oscar Hertwig) ניתח את המתרחש כאשר מערבבים זרע וביציות של קיפודי ים. הוא זיהה לראשונה כי זרע בודד מעביר את גרעין התא שלו אל תוך הביצית. גרעיני הזרע והביצית, המכילים את המידע הגנטי מהאב ומהאם, בהתאמה, מתאחים ליצירת גרעין תא יחיד שממנו יתפתח עובר. ניסוי זה, משנת 1875, הראה באופן חד משמעי כי שני התאים נחוצים לצורך ההפריה [1].

במרוצת השנים נוסף ידע רב על אודות התהליך שנחוץ לפני רגע האיחוי בין הזרע והביצית: הביצית עטופה במעטה-מגן עשוי חלבונים הקרוי Zona pellucida (בתרגום חופשי: האזור השקוף), השומר עליה במעבר אל הרחם. כדי שיוכל לחדור דרך שכבת המגן, על הזרע לעבור תהליך הבשלה הקרוי capacitation (מילולית: הקניית יכולת). כחלק מתהליך זה משתחררים חלבונים המסוגלים לפרק מקומית את המעטה המגן שעל הביצית, והזרע נדחק לתוכו עד שהוא בא במגע עם קרום תא הביצית עצמו.

השלב האחרון והחיוני בהפריה, ובו עוסק הסיפור שלנו, הוא היצמדות קרומי התאים של הזרע והביצית והאיחוי ביניהם ליצירת תא יחיד. בציורים זה נראה פשוט – הם נוגעים ומתחברים – אבל קרומי תא אינם נוטים להתמזג זה עם זה ספונטנית. אם זה היה כך, כל רקמות הגוף שלנו היו תא אחד גדול. הנטייה של שני תאים להפוך ליחיד דורשת חיבור הדוק והשקעת אנרגיה מקומית, ומכאן שההצמדה ורגע האיחוי בין הזרע והביצית הם נקודות מפתח, הן בקביעת יכולת הזיווג (תאי זרע וביצית ממינים שונים לא בהכרח יוכלו להיצמד) והן בהבטחה להפריה על ידי תא זרע בודד (עובר לא ישרוד עם מטען כפול של חומר גנטי מהאב).

בשנת 2005 זוהה חלבון בשם IZUMO1 על גבי הזרע, אשר הכרחי להצמדה בין הזרע והביצית [2]. בהיעדרו, תאי הזרע הגיעו עד לקרום הביצית, אך לא חברו יחדיו [2]. מצד הביצית, בשנת 2014 זוהה החלבון JUNO, אשר יוצר חיבור הדוק עם איזומו וכך "נועל" את תא הזרע והביצית בסמוך זה לזו. [3] (איזומו - Izumo הוא מקדש יפני הקשור לנישואין, ואילו ג'ונו/יונו - Juno היא אלת הפריון במיתולוגיה הרומית). גילוי הצמד איזומו-ג'ונו סיפק הסבר ליכולת ההצמדה בין זרע וביצית – אולם האיחוי שלהם נותר תעלומה.

כדי לחקור מהם החלבונים המסוגלים להביא שני תאים להתאחות יחדיו, עלינו לדעת אם הוספת החלבון תגרום למיזוג בין תאים שאינם נוטים להתאחות. כדי לדעת אם הם מתמזגים, אנו מערבבים תאים בצלחת פטרי משתי קבוצות: באחת הוכנס מקטע דנ"א זר שמביא לצביעת התא בירוק, ובשנייה הוחדר דנ"א שמביא לצביעת הגרעין באדום. הדרך היחידה לקבל תא ירוק עם גרעין אדום היא כששני תאים מתאחים, ובדרך כלל אין הרבה מקרים כאלו. בשלב השני, אנו מעבירים לתאים אלו דנ"א נוסף, שיביא אותם לייצר חלבונים שאנו חושדים שיש להם תפקיד באיחוי. אם נזהה עלייה במספר התאים הירוקים בעלי גרעין אדום, ייתכן שזהו המקרה (ראו תמונה):

ניסוי המדגים ערבוב תכולה בין תאים. שתי קבוצות תאים העטופות בחלבון איזומו יכולות להתמזג ולייצר תאים בעלי שני צבעים: גרעין התא באדום, ותכולת התא בירוק. קרדיט לתמונה: הותאם מתוך המאמר [5], האיור נעשה בעזרת Biorender.

חלבונים כאלו זוהו בעבר, בין השאר בהפריה בצמחים, ביצורים חד תאיים ובחיבור רקמות העור בתולעים [4], אולם אותנו עניין האיחוי בין זרע וביצית ביונקים. כדי שההשוואה תהיה הוגנת ככל האפשר, רצינו לקבוע קבוצת ביקורת: הצמד המוכר איזומו-ג'ונו, שדרוש להצמדה בין זרע וביצית, אך לא מעורב באיחוי. קבוצה אחת של תאים העטופים בחלבון איזומו תעורבב עם קבוצה שנייה, בעלת ג'ונו. כאן הופתענו: הם התאחו [5].

בניסויים שבהם אחת מקבוצות התאים או שתיהן הכילו את החלבון איזומו, התגלה כי התאים מסוגלים להתאחות, ללא צורך בחלבון המוכר ג'ונו. קבוצה יפנית שעמה שיתפנו פעולה חיזקה את האבחנה; הקבוצה צילמה סרטונים של תאים כאלו, שבהם רואים את החלבון איזומו נוצר ואת התאים מתאחים יחדיו. תוצאות אלו הדגימו לראשונה שלחלבון איזומו יש תפקיד כפול: בתחילה, הוא מאפשר את ההצמדה הנכונה בין הזרע והביצית, ובהמשך הוא מביא לאיחוי בין שניהם ולהשלמת תהליך ההפריה [5].

שאלות רבות נותרו פתוחות: האם איזומו אכן פועל לבדו? האם ישנם חלבוני איחוי נוספים בתאי המין ביונקים שלא זיהינו עדיין? כיצד איזומו מסוגל להביא למיזוג בין קרומי התאים? אלו נושאי הניסויים המעסיקים אותנו כעת.

בתמונת הנושא: תא ביצית מעכברה שאליו צמודים תאי זרע. החומר הגנטי צבוע בכחול. חלבון בשם CD9 המצוי על גבי רוב קרום תא הביצית צבוע בירוק. איזומו צבוע בוורוד (מג'נטה). קרדיט לתמונה: ד"ר ניקולס ברוקמן

ד"ר ניקולס ברוקמן הוא פוסט דוקטורנט במעבדתו של פרופ' בנימין פודבילביץ בפקולטה לביולוגיה בטכניון, והחוקר הראשי במאמר [5]. יעל יוסילבסקי היא דוקטורנטית באותה המעבדה וסייעה בניסוח הטקסט בעברית.

עריכה: ינון קחטן

למקורות ולקריאה נוספת:

[1] פרק מתוך ספר לימוד על ביולוגיה התפתחותית, העוסק במבנה תאי המין (גמטות)

 [2] המאמר המקורי שבו התגלה איזומו

[3] המאמר שזיהה את הצמד איזומו-ג'ונו

[4] מאמר סקירה על חלבוני איחוי

[5]  המאמר המקורי שעליו מבוסס הפוסט