ה-DNA אחוז תזזית - דינה צפרירי

 

50 שנה מלאו להצגתו של מודל ה-DNA  בידי וטסון  וקריק. בניגוד לדעתם המקורית, לא הכול גלום ברצף רכיבי המולקולה

בדיוק בחודש זה לפני חמישים שנה, ב-1953, הציגו ג׳יימס ווטסון (Watson) ופרנסיס קריק (Crick) את מודל ה-DNA הדו-גדילי, המוכר לכולנו. ווטסון מספר בספרו המרתק ״הסליל הכפול״ שברגע שראה, בכנס בנאפולי בשנת 1951, את תמונת השתברות קרני-X של DNA שעבר קריסטלוגרפיה הבין שהמבנה של מולקולת ה-DNA הוא מבנה מסודר ובר-פיענוח, והשתוקק ללמוד את הכימיה של המולקולה. באותה תקופה, באוניברסיטת קיימברידג׳, פגש את פרנסיס קריק שהיה נלהב כמוהו בעניין ה-DNA ובניגוד לכל המדענים שסביבם שהיו עסוקים בפיענוח מבנם של החלבונים, סבר גם הוא שמולקולת ה-DNA חשובה יותר מהחלבונים.

לאחר שפיענחו את המבנה הסלילי הדו-גדילי של מולקולת ה-DNA ניסו השניים לפתור את חידת התצרף ולשבץ את ארבעת הבסיסים החנקניים המשמשים אבני בניין במולקולה כך שיוכלו להשתבץ במבנה הסליל הדו-גדילי, אותו הסיקו מתמונת השתברות קרני ה-X. היה ברור שהשלד החיצוני בנוי מיחידות מתחלפות של סוכר וזרחה (פוספט) הקשורים בקשר כימי חזק כשהבסיסים החנקניים הטבעתיים - אדנין (A) וגואנין (G) הגדולים יותר; ציטוזין (C) ותימין (T) הקטנים יותר - פונים זה מול זה כלפי פנים. היה זה ווטסון ש״שיחק״ בוקר אחד על שולחנו ביחידות הלגו של הבסיסים שיוצרו לבקשתו, בניסיונותיו למצוא את זוגות הבסיסים החנקניים בסליל, כשלפתע ראה שכאשר אדנין ותימין (A-T) קשורים ביניהם בשני קשרי מימן מתקבלת צורה הזהה לזו של הזוג גואנין-ציטוזין (G-C) כשהם קשורים לפחות בשני קשרים מימניים או שלושה, כך שתמיד נמצא בסיס חנקני גדול מול בסיס חנקני קטן, עובדה שתאמה את המימצא שסכום הבסיסים (A+G) שווה לסכום הבסיסים (C+T). כשהסתבר שזוגות אלה מתאימים למודל המוצע וגם הנתונים מהשתברות קרני תומכים בו, פוענח המבנה.

Zephyris, Wikimedia commons

ריקוד ה-DNA

חמישים שנה לאחר הצגת המודל מתנגדים מדענים רבים לרעיון, שרווח תחילה, שה-DNA הוא מבנה תלת-מימדי קשיח ונייח, שרק רצף הבסיסים שלו מכיל את כל המידע. המעקב אחר התנהגותו של ה-DNA בתא החי התאפשר הודות לשיטות חדישות שפותחו ועדיין נמצאות בפיתוח. התמונה שמצטיירת כיום היא של-DNA יש חיים תוססים משלו בתוך המסגרת התלת-מימדית וגם במימד הזמן. מסתבר שה-DNA משנה את צורתו מצורת הסליל הדו-גדילי לצורות שונות אחרות ושוזר את עצמו לקישורים שונים ומורכבים - תכונה שיוחסה עד אז רק ל-RNA - גם כשהוא מתקפל ודוחס את עצמו לתוך הכרומוזום. גם הכרומוזום יוצר קשרים קצרי מועד עם חלבונים שונים תוך כדי תנועה מתמדת.

ואף זאת: גרעין התא, שנחשב לנייח בהשוואה לציטופלסמה שסביבו, התגלה כמלא חיים בפני עצמו. הסברה שרווחה עד היום בקרב מספר מדענים היא שתנועות ה-DNA הן בעלות חשיבות שאינה פחותה מזו של הרצף עצמו, בכל הנוגע להחלטות אילו גנים יופעלו ואילו יושתקו. יש הוכחות לכך שליקוי בקואורדינציה של ה״ריקוד״ שמתחולל בין ה-DNA לחלבונים גורם למספר מחלות באדם. כך שלמרות שחלף חצי יובל מאז הופעת הבכורה של המולקולה, רק עכשיו מתחילים להבין את פעולתה במימדים הנוספים של תנועה בזמן ובמרחב.

DNA איטר

החריגה הראשונה מהמבנה הקלאסי של הסליל התגלתה על-ידי אלכסנדר ריץ׳ (Rich), מ-MIT בשנת 1979. ה-DNA שהתגלה אמנם שכן במסגרת הסליל הדו-גדילי, אבל הוא היה ״איטר״ - מסובב לשמאל. צורה זו מכונה Z-DNA, על שום צורת הזיג-זג שנוצרת. רק בשנת 1995 פרסמו ריץ׳ ועמיתיו את תגליתם על התפקיד הביולוגי הראשון שנמצא למולקולה ה״שמאלית״,  של ה-Z-DNA.

קבוצת המדענים זיהתה אנזים שידוע כקשור ב״עריכה״ של המסר הגנטי ונקשר בזיקה גבוהה לצורת ה-Z-DNA. אנזים זה, אדנוזין דאמינז, מכיל RNA דו-גדילי, והוא הופך במקומות מתאימים את האדנין לגואנין ב-RNA-שליח, שינוי שגורם לשינוי בחומצת האמינו המוצבת בחלבון. אחד החלבונים שעובר ״עריכה״ כזו על-ידי האנזים הוא חלבון המרכיב תעלת יונים במערכת העצבים המרכזית וההחלפה חשובה לספציפיות הפיזיולוגית של התגובה. המבנה הסלילי השמאלי פחות יציב מהסליל הימני ודורש השקעת אנרגיה. אנרגיה זו מתקבלת מהאנזים שמשעתק את ה-DNA ל-RNA ולפיכך צורת ה-Z-DNA מאפשרת ל-RNA לעבור עריכה במקומות הנחוצים רק בעת שהוא משועתק בפועל.

בשנת 2001 הראה צוות מדענים בראשותו של קג׳י זאהו (Zaho) שחלק מהרצף של גנים הקשורים בבקרה של המערכת החיסונית חייב לעבור לצורת Z-DNA על מנת שהגן יוכל להשתפעל. כיום סבורים שקיימים בגנום האנושי כ-100,000 קטעים שעוברים באופן זמני לצורת Z-DNA כדי לשפעל גנים כך שיהיו יותר נגישים לחלבונים גורמי שיעתוק המזרזים את פעילותם. לאחרונה העלה ריץ׳ את הסברה שנגיף האבעבועות השחורות תוקף באופן ייחודי את צורות ה-Z-DNA.

DNA מרובע

צורה שונה לגמרי מהמבנה הסלילי הדו-גדילי של ה-DNA התגלתה לראשונה בטלומרים, שהם קטעים הנמצאים בקצות הכרומוזומים. עד לא מכבר חשבו שהטלומרים חשובים לשמירת קצות הכרומוזומים מפגיעה בעת חלוקת התא. והנה מתברר שלטלומרים ולחלבונים הנקשרים אליהם תפקיד חשוב בבקרה על מחזור התא, קביעת אורך חיי התא והשתקת גנים. אחרי כמאה חלוקות-תא מתחילים הטלומרים להתקצר בכל חלוקת תא נוספת עד שהם נעשים כה קצרים שהתא לא יכול עוד לשכפל את ה-DNA והוא מפסיק להתחלק ומת. לכן נחשבים הטלומרים כ״שעון" הקובע את מספר החלוקות שתא יכול להתחלק. האנזים טלומרז יכול להקנות לתא חיי נצח על ידי הוספת היחידות שהתקצרו. לצערנו - או למזלנו - אנזים זה פעיל רק בתאי המין, בתאי אב שאחראים על יצירת תאים חדשים ברקמות שבהן התאים מתחדשים כל הזמן, כמו בתאי דם ובתאי העור, וכמובן בתאים סרטניים.

הטלומרים בנויים כרצף נוקליאוטידים חוזר: TTAGGG. כשבקצהו נמצא סרח עודף חד-גדילי. מסתבר שרצפים עשירים בגואנינים צמודים (כמו GGG) נוטים ליצור מבנה מורכב הנקרא קוודרופלקס (quadruplex) הבנוי מארבעה גדילים. ביצירת המבנה משתתפים חלבונים שנקראים צ'פרונים (chaperons). בגרעין התא יש חלבונים, הקשורים לשיכפול ולשיעתוק של ה-DNA, שנקשרים בזיקה גבוהה רק לצורת הקוודרופלקס ופגיעה בחלבונים אלה משבשת את תהליכי השיכפול והשיעתוק בתאים. לעומת זאת הטלומרז נקשר אך ורק לצורה הישרה-הקווית בעלת הסרח החד-גדילי. עובדה זו מבטיחה כר פעולה נרחב לחברות התרופות המחפשות תרופות שתפגענה בתאים הסרטניים: כל מולקולה קטנה בעלת זיקה גבוהה למבנה הקוודרופלקס תיקשר אליו ותייצב אותו כך שלא יוכל להפוך מחדש למצבו הקווי-הישר ובכך יימנע קישורו של הטלומרז והתאים יהפכו שוב לבני תמותה.

ריקודי זוגות 

עד לאחרונה קישור החלבונים ל-DNA נחשב גם הוא ליציב יחסית. רק עם פיתוח שיטות הצילום בווידאו בזמן אמת הסתבר שמה שנעשה בתוך הגרעין מזכיר יותר קן נמלים פעיל, והמילה סטטי בהקשר של הגרעין נעלמה מהמילון, כפי שהתנסח טום מיסטלי (Misteli), מהמכון הלאומי לסרטן בבת'סדה. מיסטלי השתמש בשיטה שבה קושרים החוקרים לחלבון סמן פלואורסצנטי, כגון חלבון שזוהר באור ירוק ושבודד ממדוזה הזוהרת באור ״ירוקות״. את החלבון המהונדס מכניסים לתאי יונקים ומקרינים נקודה קטנה בתא החי שמכיל את החלבון בקרן לייזר בעוצמה גבוהה. קרן הלייזר גורמת נזק לחלבון וכתוצאה מכך הזוהר הפלואורסצנטי דועך. מודדים את משך הזמן עד שאותה נקודה שבה לזהור, בעקבות חילוף החלבון הפגוע בחלבון אחר שנע ותפס את מקומו.

ממדידות שנעשו נראה שרוב החלבונים שבגרעין התא נעים במהירות, באופן קבוע הלוך ושוב, כך שהם חוצים את הגרעין בפחות מחמש שניות. הסתבר שגם החלבון המכונה היסטון-1, שנחשב כצמוד ל-DNA בקשר יציב מאוד, ניתק ונקשר בערך בכל דקה. מיסטלי משער שסחרחורת זו של החלבונים מסייעת לתאים להפעיל בקרה על פעילות הגנים תוך שליפת גורמי השיעתוק המתאימים מתוך ה״מרק״ של כל החלבונים שמסתובבים בתוך הגרעין. ה-DNA עצמו נעטף בחלבוני היסטונים ויוצר מבנה שנקרא כרומטין, וזה נכרך סביב עצמו ויוצר את המבנה האופייני לכרומוזומים.

גם סידורם של הכרומוזומים עצמם בתוך הגרעין אינו מקרי. מחקרה של ונדי ביקמור (Bickmore) מהיחידה לייעוץ גנטי במרכז למחקר רפואי באדינבורג, התרכז בכרומוזומים 18 ו-19. כרומוזום 19 מכיל ברובו כרומטין עשיר בגנים, בעוד כרומוזום 18 מכיל כרומטין דל בגנים. נמצא שיש קשר הדוק בין מיקום הכרומוזומים בגרעין לבין כמות הגנים שהם מכילים - ככל שהכרומוזום עשיר יותר בגנים הוא ממוקם קרוב למרכז הגרעין בלא שום חיבור לקרום הגרעין, לעומת זאת, הכרומוזומים המכילים מעט גנים ממוקמים קרוב לקרום הגרעין. סידור זה שמור בכל הפרימטים החל מלפני כ-30 מיליון שנה, ומלמד, לפיכך, על החשיבות האבולוציונית שלו, אך עדיין לא ברור מהם היתרונות שמקנה הסידור הייחודי הזה. יש המשערים שהכרומוזומים שנמצאים בהקף הגרעין, כשהכרומטין שלהם קשור בנקודות מסוימות לחלבוני קרום הגרעין, מוגנים בפני המנגנונים המפעילים את הגנים שאמורים להיות מושתקים. ביקמור העלתה את ההשערה שהכרומוזומים שנמצאים בפריפריה מגינים בגופם על הכרומוזומים הפנימיים מפני פגיעות!

גם הכרומוזומים הנמצאים במקומותיהם אינם שוקטים על מקומם, הם מתנועעים כאחוזי אמוק בתוך הטריטוריה שלהם. עובדה זו התבררה באמצעות השיטה שפיתח אנדרו בלמונט (Belmont) מאוניברסיטת אילינוי באורבנה-שמפיין. בלמונט הינדס תאי יונקים על-ידי כך ששתל בתוך ה-DNA שלהם מספר עותקים גדול של קטעי DNA חיידקיים. קטעי ה-DNA החיידקיים נקשרים לחלבונים חיידקיים זוהרים, וכך ניתן להבחין בהם. בדרך זו ניתן היה לצלם את תנועתם של הכרומוזומים בכל שנייה בתאים החיים. כדי ללמוד מה קורה לכרומטין בשעה שגנים משופעלים השתמש בלמונט בחלבונים זוהרים המשפעלים את הגנים החיידקיים בזמן רצוי. הוא מצא שבתוך כמה שעות מזמן ההפעלה נפרש ה-DNA מנקודות דחוסות של כרומטין לסיבים דלילים. כשהשתמש באשכולות קטנים בהרבה של גנים חיידקיים, הכרומטין באזור הפעיל נע מקצה הגרעין למרכזו.

באותו זמן הראו אמנדה פישר (Fisher) ועמיתיה מהקולג׳ המלכותי בלונדון, שלפיתוליו של הכרומטין תפקיד ב״נעילת״ גנים שאינם אמורים להשתכפל. התברר כי בתאי המערכת החיסונית, כרומטין שנושא גנים שאינם נחוצים עוד נע קרוב לאזור הלא פעיל ב-DNA, אזור המכונה הטרוכרומטין, ומדכא את הגנים שבסביבתו. אם שינוי המקום לא מתרחש משופעלים הגנים מחדש.

ווטסון וקריק פתחו עולם חדש נפלא ומרתק אך מסתבר שהמציאות מרתקת עוד יותר, ואינה שוקטת על שמריה, תרתי משמע. ואין משפט מתאים יותר לסיכום מזה של פיטר קוק (Cook) מאוניברסיטת אוקספורד, שחוקר את המבנה והפעילות של הגרעין: ״ווטסון וקריק חשבו שברצף ה-DNA גלום הכול מכול, אבל מסתבר שהחיים הרבה יותר מורכבים מזה״.

ד״ר דינה צפרירי היא דוקטור למיקרוביולוגיה מאוניברסיטת תל-אביב

פורסם ב"גליליאו" 55, מרץ 2003

שלום דולי - צבי עצמון

 

 

ביום שישי, 14 בפברואר, הוא יום ולנטיין, יום האוהבים, הודיעו מדעני מכון רוסלין שליד אדינבורו, סקוטלנד, על מותה של הכבשה דולי - היונק הראשון בהיסטוריה שהיה שיבוט (clone) של יונק בוגר. דולי לא מתה מוות טבעי אלא ״הורדמה לנצח״, כלומר הומתה בדרך הומנית לאחר שאובחנה אצלה מחלת ריאות מתקדמת. מדעני מכון רוסלין - ובראשם יאן וילמוט (Wilmut), הם שיצרו אותה מלכתחילה.

דולי הייתה לא סתם כבשה, אלא ציון דרך היסטורי, מהפכני, בתולדות הביולוגיה של התא וההתפתחות העוברית. היא נולדה ב-5 ביולי 1996, אך הדיווח על הלידה ההיסטורית התעכב עד 23 בפברואר 1997, עת פורסם בשבועון המדע Nature (״אני והתא נשמההה את העולם״). לדולי היו, כך כתבנו אז, שלוש אימהות, ואף לא אב אחד: האם תורמת הגרעין והכרומוזומים, האם תורמת הביצית - נטולת-הגרעין, והאם הפונדקאית, שברחמה התפתחה דולי - היא האם שהמליטה אותה. האם הגרעינית, שתרמה לדולי את עיקר ה-DNA - את הכרומוזומים, היתה כבשה כבת 6 שנים, מגזע פיו־פורסט. דולי לא היתה בתה במובן המדויק של המילה, אלא קרובה יותר לתאומתה הזהה, ונמנתה גם היא עם הגזע פין-פורסט. דולי היתה טליה חמודה שהתפתחה לכבשה בריאה. היא הרתה לאיל הרים ולשי ששמו דיוויד, והמליטה את בכורתה בוני באפריל 1998. בהמשך הרתה והמליטה טלאים נוספים, כולם בריאים.

דולי הקטנה והאם הפונדקאית שהרתה והמליטה אותה

בהיותה כבת ארבע שנים נראתה דולי בריאה ומאושרת. ואולם כבר ב-1999 החלו עננים קלים להעיב. בבדיקה שערכו החוקרים לתאיה נמצאו טלומרים קצרים מהצפוי מכבשה שנולדה אך שלוש שנים קודם לכן. טלומרים, נזכיר, הם מבנים מיוחדים השוכנים בקצות הכרומוזומים, מבנים שמתקצרים והולכים, ״נשחקים״ עם הגיל, כשגדל מספר החלוקות שהתאים עברו למן היווצרות העובר. אך לאחרונה דיווחו חוקרים כי עכברים בעלי טלומרים קצרים במובהק, פרוותם מאפירה בטרם עת, הם מרבים לחלות בסרטן ולעתים קרובות מתים בגיל (כרונולוגי) צעיר.

האם הטלומרים הקצרים ניבאו את דלקת הפרקים שנתגלתה בדולי לפני כשנה, בינואר 2002? דלקת פרקים היא מחלה מוכרת בכבשים, אלא שהיא מופיעה בדרך כלל בכבשים מבוגרות יותר מהגיל בו נתגלתה בדולי - חמש וחצי. יתר על כן - כפי שציין וילמוט, המחלה הייתה לא רגילה ביחס לגילה של דולי וגם מאפייניה היו חריגים: הדלקת הופיעה במפרקי הרגליים האחוריות, מקום שכרגיל אינו נפגע מדלקת פרקים. מכל מקום דולי הגיבה היטב לתרופות והייתה תקווה שמדובר בסך הכול בחוסר מזל רפואי, ולא בסימן לבעיות מהותיות של תהליך השיבוט. אך הנה, לאחרונה התגלתה בה מחלת ריאות מתקדמת והחוקרים גאלו אותה מייסוריה בדרך הומנית שנמנעת מאיתנו, בני האדם. תרבץ בשלום על משכבה.

כבשים - מיעוט זעום מביניהן שאינן נשחטות קודם לכן, יכולות לחיות עד גיל 11 - 12 שנים, ויש הגורסים עד זיקנה מופלגת של 16 שנה. מכל מקום, על-פי תאריך לידתה דולי לא היתה זקנה במותה אלא אמורה להיות במיטב שנותיה. ואף שהומתה משום צער-בעלי-חיים, סביר להניח שגם ללא עזרה זו הייתה מתה בתוך זמן קצר מחמת מחלתה הקשה. ושוב עולה - וביתר שאת - שאלת גילה הביולוגי בהבדל מגילה הביוגרפי. שאלה זו יש לה חשיבות מכרעת כשמדובר בדולי כחלוצת היונקים ששובטו מתאים שמקורם בפרט בוגר, ובאורח חריף ביותר ביחס לשיבוט בני אדם בוגרים. אכן, דולי מתה לאחר שאובחנו בה טלומרים קצרים, לאחר שחלתה בדלקת פרקים לא-אופיינית ולאחר שהתפתחה בה מחלת ריאות קשה ומתקדמת, המופיעה אמנם מידי פעם בכבשים, אך כרגיל במבוגרות יותר. האם דולי היתה זקנה? זאת ועוד: דולי מתה שבוע בלבד לאחר מותה הפתאומי של הכבשה הראשונה שנוצרה באוסטרליה כתוצר של שיבוט.

דולי שובטה, כאמור, מתא שמקורו בכבשה בוגרת - תא שהוצא מן העטין דווקא, ושהוא המקור ל-DNA הגרעיני שלה, הכרומוזומים שלה. מעט DNA (ה-DNA שבמיטוכונדריונים) קיבלה מאמה ״השנייה״, האם שתרמה את הביצית נטולת הגרעין ששימשה ליצירת העובר ממנו התפתחה דולי. מאז באה לאוויר העולם נוצרו יונקים אחרים מתאים בוגרים. ואולם יעילות התהליך נמוכה מאוד: אחוז קטן מאוד מהביציות נטולות הגרעין שאליהן מוחדר גרעין בוגר (או שהן עוברות התמזגות עם תא בוגר - זו הדרך שאותה נקטו וילמוט ועמיתיו ביצירת דולי) מתפתחות לעובדים המגיעים ללידה. עוברי שיבוט רבים אינם מתפתחים כלל, ורבים מן המתחילים להתפתח מתים בעודם ברחם, או נולדים עם פגמים קשים. באותם בעלי חיים שנולדו בעקבות שיבוט מתגלים במקרים רבים פגמים בלב, בכליות, בכבד ובריאות, ויש מביניהם שמתים ימים ספורים לאחר שנולדו.

״עובדות אלו חייבות להרתיע כל מי שמעלה בדעתו לשבט בני-אדם״, אומר יאן וילמוט, שבאופן עקבי מביע התנגדות נחרצת לשיבוט אדם. בשלב זה נדמה שכל תוכנית מעשית לשיבוט אדם נראית לא אחראית בשפה זהירה, ובשפה פחות רשמית: מזעזעת. וזאת יש לזכור: כדי לקבל אישור לשימוש בחומר חדש כתרופה, ולו תרופה עבור אנשים חולים אנושות, שמצבם כלאחר יאוש, יש לעבור תהליך ארוך ומתיש, שבמהלכו נדרשים המפתחים להוכיח כי התרופה בטוחה לשימוש ומועילה לחולים. והנה, כאן מדובר בתהליך שיעילותו - לפחות בשלב זה - נמוכה ביותר, ושתוצאותיו במקרים רבים קשות מאוד. מחלותיה של דולי ומותה מחריפים, כאמור, את החששות: גם אם העובר מתפתח באורח תקין ונולד בריא, עדיין קיים, ועתה אף מתחזק, החשש כי תוחלת החיים שלו קצרה, וכי בגיל ביוגרפי צעיר יתגלו בו סימני זיקנה וניוון. לא פלא שמדענים ברחבי העולם מצפים בכיליון עיניים לתוצאות בדיקה מדוקדקת של גופתה של דולי.

דולי - שרועה ושרועה עכשיו בשדות המרעה השמימיים הנצחיים - בעתיד הקרוב תהווה אנדרטה של עצמה: לאחר שתיערך בה בדיקה מדוקדקת, יפחלצו את גופה, והיא תוצג לראווה במוזיאון הסקוטי הלאומי באדינבורו. שלום דולי.

החתלתול ״קרבון-קופי״ ("העתק") שנולד בדיוק שנה לפני מותה של דולי - ב- 14 בפברואר 2002 -
הוא החתול המשובט הראשון בהיסטוריה

פורסם ב"גליליאו", 54,  פברואר 2003

מזון למחשבה - דינה צפרירי

 

יצור ש״אוכל את מוחו"

תופעה שעל פניה נתפשת כלא סבירה נצפתה בשמרים שהם יצורים חד-תאיים, על-ידי פרופ׳ דייוויד גולדפרב (Goldfarb) מהאוניברסיטה של רוצ׳סטר. התברר, שבניגוד לכל מה שהאמינו הביולוגים קודם לכן, התא ״אוכל״ את הגרעין של עצמו, הגרעין שמכיל את מולקולת ה-DNA - המולקולה שאוצרת בתוכה את קוד החיים של התא. כך, מתברר, הוא ניפטר מקטעים שהזדקנו או ניזוקו. באנלוגיה משווים את התופעה לאדם שאוכל את מוחו.

אף שידוע זה מכבר שתאים ממחזרים את המקרומולקולות שלהם, היה מקובל והגיוני לחשוב ש״אכילת״ הגרעין היא מחוץ לתחום. אולם גולדפרב מצא, כאמור, שתא השמר יכול לאכול חלקים מהגרעין כשהוא מרחיק את הקטעים הלא-חיוניים ושומר את המרכיבים החיוניים כמו הכרומוזומים. גולדפרב טוען שבעוד תהליך איסוף ומיחזור האשפה בחברה האנושית אינו נחשב למיזם מזהיר במיוחד, הרי שבעולם התאים זהו תהליך בעל ערך עצום.

האכילה העצמית (autophagy) התפתחה באבולוציה כמנגנון ייחודי המבוקר בצורה מאוד מתוחכמת על מנת לאפשר פירוק חלקים מסוימים של אברונים חיוניים בתא. כאכילה עצמית מוגדרת משפחה של תהליכים בהם מזוהות מקרומולקולות ומועברות לבועיות ולליזוזומים, שהם מעין שלפוחיות מלאות בחומצה ואנזימים מעכלים, כמו הקיבה שלנו, שם מפורקות המולקולות המורכבות לאבני הבניין שלהן. אבני הבניין מועברות למקומות שבהם הן משמשות כחומר גלם למקרומולקולות חדשות (מיחזור) או כמקור אנרגיה לתא.

תרשים של אוטופגיה
Abigailallen95, Wikimedia commons

החלק היחיד בתא שנחשב לפטור מגורל זה היה הגרעין, שחיוני לתא כמו שהמוח חיוני לגוף. הביולוגים האמינו שנגיסה בגרעין תגרום בהכרח לקצו של התא. גולדפרב מצא שתאי השמר שולחים בועיות שמסירות מהגרעין חתיכה דמוית אגל-דמעה ומעכלות אותה. תהליך ייחודי זה מכונה ״מיקרו אכילה עצמית של הגרעין׳׳ ומתרחש בצומת שבין הבועית לקרום הגרעין. גולדפרב מאמין שתהליך זה של מיחזור קטעים חסרי תועלת או קטעים שניזוקו בגרעין מאריך את החיים של תאי השמר. למרות שתהליך זה אינו מוכר בתאי אדם יש מקרים, כמו למשל במחלת בלום (Bloom) - מחלה גנטית שבלוקים בה מתגלים פגמים מרובים בכרומוזומים - שבתאי הגוף מוסרות חתיכות מהגרעינים ומועברות לציטופלזמה. ייתכן שהתהליך בשמרים יוכל לשמש בסיס להבנת התופעה באדם.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 54 פברואר 2003.

שלוש טבעות שמורות, אחת עובדת - אדווה ברוך

נחשפו מנגנוני ההגנה של היצור העמיד ביותר בעולם לקרינה רדיואקטיבית

לחיידק שהוגדר כיצור העמיד ביותר עלי אדמות כנגד קרינה רדיואקטיבית קוראים Deinococcus radiodurans.

עמידותו, כך עולה ממחקר של פרופ' אברהם מינסקי ממכון ויצמן למדע, נובעת בעיקר מהדרך שבה הוא מארגן את החומר הגנטי שלו: בצורת טבעות.

החיידק Deinococcus radiodurans מסוגל לשרוד גם כשהוא סופג קרינה בעוצמה של 1.5 מיליון רד - פי אלף מהעוצמה שבה מסוגל לעמוד כל יצור חי אחר על כדור הארץ, ופי 3,000 מעוצמת הקרינה שבה מסוגלים לעמוד בני אדם. אם לא די בכל אלה, מתברר שהוא עמיד במיוחד גם בתנאים קיצוניים של יובש וקור, תכונה שבזכותה הוא גם אחד היצורים הבודדים שמסוגלים לחיות בקוטב הצפוני.

עמידותו של החיידק היתה בשנים האחרונות במרכז ויכוחים בין מדעני NASA לבין מדענים רוסים, הטוענים שהוא הגיע לכדור הארץ ממאדים, שם רמת הקרינה הרדיואקטיבית גבוהה יותר בהשוואה לקרינת הרקע של כדור הארץ.

התעלומה הגיעה באחרונה לפתרונה, כאשר פרופ' מינסקי מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע מצא שה-DNA של החיידק העמיד ארוז בצפיפות בצורת טבעות, מה שמקנה לו את עמידותו בפני גורמים חיצוניים (דוגמת קרינה רדיואקטיבית), הפוגעים בחומר הגנטי ושוברים את הרצף הכימי שלו. ממצאי המחקר התפרסמו בשבועון המדע Science. על שום הטבעות הוצמד לו הכינוי "שר הטבעות".

Deinococcus radiodurans

קרינה שפוגעת בחומר הגנטי עלולה לקטוע את שני הגדילים של מולקולת ה-DNA. כרגיל, תאים מסוגלים לתקן פגיעות ספורות בלבד ב-DNA שלהם, בשעה שחיידקים אחרים מסוגלים לתקן רק שלוש עד חמש פגיעות כאלה, "שר הטבעות", Deinococcus radiodurans, מסוגל לתקן יותר מ-200 פגיעות כאלה. יכולת התיקון מעוררת הקנאה שלו גרמה לכמה חוקרים להעלות את ההשערה כי הוא מפעיל אנזימי תיקון יעילים במיוחד, אבל מניסויים מדוקדקים התברר כי אנזימי התיקון שלו דומים מאוד לאלה הקיימים בחיידקים אחרים.

והנה, חברי קבוצת המחקר של פרופ' מינסקי גילו כי ה-DNA של Deinococcus radiodurans מסודר בטבעת שמונעת מחתיכות שבורות של DNA להתפזר בנוזל התא, כפי שקורה ביצורים אחרים, כולל באדם. במילים אחרות, גם כאשר החומר הגנטי שלו נשבר למקטעים זעירים כתוצאה מקרינה רבת עוצמה, "שר הטבעות" הזעיר אינו מאבד חומר גנטי, אלא שומר את השברים במקומותיהם הקבועים, במבנה של טבעת הדוקה. לאחר מכן, אנזימי התיקון עוברים על הטבעת, "מלחימים" את המקטעים הגנטיים אלה לאלה ומחזירים את המצב לתקנו.

במחקרי המשך מצאו המדענים שתהליך תיקון ה-DNA של "שר הטבעות" מתנהל בשני שלבים. בשלב הראשון ה-DNA עובר תהליכי תיקון במסגרת הטבעת. בשלב השני מתרחש תהליך מפתיע: Deinococcus radiodurans הוא יצור חד-תאי המחולק לארבעה "חדרים" נפרדים. כל חדר מכיל העתק של ה-DNA שלו. החוקרים מצאו שני מעברים זעירים המחברים את ארבעת החדרים. מעקב מדוקדק אחר תהליך התיקון העלה שלאחר כשעה וחצי של תיקון בתוך הטבעת, מתחיל השלב השני של התיקון: ה-DNA משתחרר ממבנה הטבעת ונודד לחדר הסמוך, שם הוא מתאחד עם העתק ה-DNA השוכן שם. בשלב זה. מנגנוני התיקון ה"רגילים", הקיימים בבני אדם וביצורים אחרים, מתחילים לפעול: אנזימי תיקון משווים בין שני העתקי החומר הגנטי, כשהם משתמשים בכל אחד מהם כבגיבוי למידע החסר בשני. מאחר שה-DNA כבר עבר את השלב הראשון של התיקון, שבמהלכו תוקנו שברים רבים, השלב השני נעשה בקלות יחסית.

גילוי האריזה הטבעתית הצפופה גרמה לתמיהה בקרב החוקרים: כיצד מסוגל יצור כלשהו לתפקד כשהחומר הגנטי שלו ארוז באריזה כל כך הדוקה, הרי כדי לבצע את תפקידם העיקרי, גדילי ה-DNA חייבים להיפרם ולאפשר היווצרות של RNA שליח. שהוא השלב הראשון בדרך לייצור חלבון. אבל איך הם יכולים להיפרם כאשר הם ארוזים בהידוק כה רב עד שכמעט אינם מסוגלים לזוז?

שאלה זו הובילה לחשיפת טכניקת הישרדות נוספת של החיידק: מתוך ארבעת ההעתקים של ה-DNA המצויים בכל חיידק כזה, תמיד יש שניים או שלושה המצויים במבנה טבעתי. בעוד שהאחרים חופשיים לנוע. כך, בכל רגע נתון קיימים העתקי DNA היכולים להתבטא וליצור חלבונים. בעוד שהעתקים אחרים ארוזים בטבעת המהודקת, שאינה פעילה, אבל מעניקה לחיידק את עמידותו המופלאה.

לדעת החוקרים, תכונותיו הייחודיות של החיידק התפתחו על כדור הארץ באזורים יבשים במיוחד, שבהם כמעט לא מתקיימת שום צורת חיים אחרת, והמנגנון שהתפתח כדי לתת לחיידק יכולת עמידות בתנאים אלה הוא שמעניק לו גם כושר הישרדות בקרינה חזקה.

מציאת הדרך שבה מספק מבנה הטבעת יכולת עמידות בתנאים קשים עשויה לסייע בהבנת מנגנונים להגנה על החומר הגנטי במערכות אחרות, דוגמת תאי זרע אנושיים ונבגים של חיידקים שונים, שגם ה-DNA שלהם מאורגן בצורת טבעת. עם זאת, למרבה הצער, אין לצפות שהממצאים יובילו להגנה על בני אדם מפני קרינה רדיואקטיבית. "החומר הגנטי שלנו מאורגן באופן בסיסי בדרך שונה", אומר מינסקי.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 54, עמ' 12, פברואר 2003.

העמידות לאנטיביוטיקה - עבר זמנה - דינה צפרירי

התגלתה תרופה שחיידקים אינם מסוגלים לפתח עמידות כלפיה; זאת, בשל מנגנון הפעולה שלה, הדומה לפעולתו של נגיף בתאי החיידקים

העש - Hyalophora cecropia - ממנו בודד הצקרופין A
Tom Peterson, Fermilab

חוקרים מבית-ספר לרפואה של אוניברסיטת פנסילבניה גילו שצקרופין-A (Cecropin-A), תרופה ששייכת למשפחה של תרכובות חלבוניות המיוצרת על-ידי חרקים, "מחוסנת" מיצירת עמידות נגדה בחיידקים. זאת בשל העובדה שהיא נכנסת לתא החיידקי ולוקחת פיקוד על המנגנון הגנטי, בדומה לפעולתו של נגיף בתאים. בעוד רוב האנטיביוטיקות הורגות את החיידקים על-ידי כך שהן תוקפות מערכות אנזימטיות החיוניות להם, הרי שצקרופין-A מתגנב לתוך התא ומפעיל ומעכב גנים מסוימים.

במשך עשרות שנים התמקדו החוקרים בלימוד פעולת צקרופין-A על דופן וקרום החיידקים, אולם לדברי פאול אקסלסן (Axelsen) מהמחלקה לפרמקולוגיה ומחלות זיהומיות, נכנס הצקרופין לחיידק ומשנה את דרך בקרת הגנים שבו, כמעין סוס טרויאני. במחקרו טיפל אקסלסן בחיידק המעיים E. coli במנה נמוכה של צקרופין-A ,שאינה מספיקה על מנת להרוג אך בעזרתה ניתן ללמוד על השפעת התרופה בתוך התא, ומצא שכ-26 גנים מושפעים מפעילות תרופה זו, מתוכם 11 שפעילות החלבונים שהם מקודדים להם אינה ידועה. עוד הסתבר כי אין אלה אותם גנים המושפעים מתנאי עקה כגון רעב, טמפרטורה גבוהה, חימצון או שינויים אוסמוטיים.

מנגנון התרופה מהווה עדיין תעלומה, הן מבחינת דרך כניסתו לחיידק והן בכל הנוגע לפעולתו על הגנים. לחרקים אין מערכת חיסונית כמו באדם ועליהם לסמוך על תרכובות חלבוניות כמו צקרופין-A שיעשו בשבילם את העבודה. חלבונים אלה הורגים חיידקים במהירות אך אינם מזיקים לתאי אדם או לתאי בעלי-חיים אחרים. אולם המימצא החשוב הוא שהחיידקים אינם מפתחים עמידות כנגדם בניגוד לאנטיביוטיקות, שכל שינוי קל באנזים שאותו הן תוקפות יהפוך את פעולתן לחסרת ערך. לפיכך, במרוץ האינסופי אחר תרופות חדשות הפועלות על חיידקים, תרכובות אלה המיוצרות על-ידי חרקים יכולות להציע טיפול תרופתי בעל ערך עצום במלחמה בחיידקים. אמנם, מעט זהירות וצניעות מפני כוחם של החיידקים לא תזיק: הניסיון ההיסטורי מלמד, למרבה הצער, כי כבר היו תרופות שנחשבו כתרופות אולטימטיביות, ובכל זאת התברר בהמשך כי מופיעים זנים עמידים בפניהן.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 54 פברואר 2003.

איידס: חדשות רעות למחוסנים? - דינה צפרירי

 

האם יש צורך בפיתוח חיסונים חדשים נגד איידס?

ביום האיידס הבינלאומי, שחל בדצמבר האחרון, התעורר ויכוח סביב דיווח שהתפרסם בכתב העת Nature, על אודות חולה איידס שקיבל חיסון נגד זן מסוים של נגיף (וירוס) ה-HIV, ונדבק בזן אחר שלו.

בגלל חולשת המערכת החיסונית של חולי האיידס, הס מטופלים לרוב ב״חיסון סביל״, כלומר - מזריקים להם נוגדנים מוכנים המכוונים כנגד הנגיף (להבדיל מ״חיסון פעיל״, שבו ניתנת גירסה מוחלשת של הווירוס או החיידק לאדם בריא, כדי שהגוף ייצור בכוחות עצמו חיסון).

כמקובל בסוג זה של טיפולים, הנוגדנים ניתנים לחולה רק עד שהנגיף מדוכא. עם נסיגתו מתאוששים (ברוב המקרים) חלקים של המערכת החיסונית ושומרים את הנגיף תחת בקרה, לעתים עד כמה חודשים. אותו חולה הגיב היטב לטיפול, אך נדבק בזן אחר של הנגיף, כנראה תוך קיום יחסי מין עם נשא איידס, והמערכת החיסונית שלו קרסה במהירות.

זהו המקרה הראשון שפורסם, שבו נצפתה הידבקות-על (superinfection), כלומר, הידבקות נוספת אצל אותו חולה. ד״ר ברוס ווקר (Walker) מבית הספר לרפואה באוניברסיטת הרוורד אומר שעד כה חשבו שאדם שחוסן נגד זן אחד של HIV מחוסן למעשה נגד כולם. הזן שבו נדבק החולה בשנית דומה מאוד לזן הראשון, ונפוץ מאוד בארה״ב. בכל זאת, המערכת החיסונית של החולה לא יכלה לו.

שרה רולנד-ג׳ונס (Rowland-Jones), המפתחת חיסונים נגד איידס באוניברסיטת אוקספורד שבבריטניה, אומרת כי המערכת החיסונית של חולי האיידס אינה משתקמת לגמרי אחרי החיסון, ומידת השיקום שונה מחולה אחד למשנהו.

הוויכוח שהתעורר בעקבות הדיווח עוסק בשאלה אם מדובר במקרה נדיר ולא מייצג (כפי שטוענת רולנד־ג׳ונס), שיש לו השפעה זעומה על אוכלוסיית נשאי האיידס (כ-40 מיליון איש ברחבי העולם), או שכדאי לפתח חיסונים נוספים נגד איידס. ליתר ביטחון, הרופאים ממליצים לזוגות של נשאי וחולי איידס להשתמש באמצעי מניעה.

הדבקה בנגיפי HIV
איור: Victor Padilla-Sanchez, PhD - Wikimedia commons

פורסם בגליליאו 53, ינואר 2003

תיאוריה מהפכנית על היווצרות החיים - דינה צפרירי

 

חוקרים טוענים כי התהליך התרחש על קרקעית האוקיינוס

״החיים על פני כדור הארץ החלו לפני יותר מארבעה מיליארד שנים, בתוך סלעים על קרקעית האוקיינוס, בחללים זעירים שנוצרו בתוך מינרלים שהיוו את התאים הראשונים״. תיאוריה מהפכנית זו, הסותרת את כל קודמותיה, פורסמה על ידי פרופ׳ וויליאם מרטין (Martin) מאוניברסיטת דיסלדורף וד״ר מייקל ראסל (Russell) מהמרכז הסקוטי לחקר הסביבה בגלזגו, בכתב העת לפרסומים פילוסופיים של החברה הבריטית המלכותית.

לפי התיאוריות המקובלות, מקור החיים הוא בתהליכים כימיים שהתרחשו באטמוספרה של כדור הארץ הצעיר. כתוצאה מן התגובות הכימיות הללו נוצרו אבני הבניין שיצרו יצורים בעלי יכולת שכפול עצמי; רק מאוחר יותר רכשו לעצמם יצורי-בראשית אלה קרומית עוטפת. כלומר, קודם נוצרו יצורים בעלי כושר שכפול, ורק לאחר מכן הופיעו התאים.

מרטין וראסל הפכו את היוצרות. לדעתם, בראשית נוצרו תאים לא-חיים, אי-אורגניים, עשויים מברזל גופרי. לטענתם, התהליך לא התרחש על פני כדור הארץ, אלא עמוק בחשכת הקרקעית הסלעית של האוקיינוס. זרמי מים חמים, עשירים בתרכובות של מימן וגופרית, וכן ציאניד, אמוניה ופחמן חד-חמצני שעלו דרך קרום כדור הארץ, יצרו את שכבת המחצב הנקובה בחללים בקוטר של כמה מאיות המילימטר.

חללים אלה היוו מיקרו-סביבה אידיאלית ליצירת תרכובות אורגניות מהמרכיבים האי-אורגניים שנשאו איתם המים, כשהברזל הגופרי משמש כזרז. בחללים זעירים אלה יכלו התרכובות החדשות שנוצרו להישמר בריכוז גבוה מבלי להישטף למימי האוקיינוס, ולגרום ליצירת מולקולות מורכבות, דוגמת חלבונים ו-DNA. עכשיו מקווה מרטין לשחזר תנאים כאלה במעבדתו, ולהוכיח כי ה״חיים״ נטשו את הסלעים כאשר התפתחה קרומית תא עוטפת.

Champagne vent white smokers
NOAA

פורסם בגליליאו 53, ינואר 2003