הקשר בין חצבת לסרטן - דינה וולודרסקי ונעם לויתן

ממצאים אחרונים מעידים על קשר אפשרי בין נגיף החצבת לסרטן

עישון סיגריות הוא גורם מרכזי לסרטן ריאות, ואולם ממצאים אחרונים מראים כי נגיף החצבת עשוי אף הוא להיות מעורב בהתמרה הסרטנית ולהאיץ את תהליך המחלה.

פרופ' שמואל אריעד (Ariad), מנהל המכון לאונקולוגיה במרכז הרפואי האוניברסיטאי סורוקה, ועמיתיו ערכו מחקר רטרוספקטיבי שבו נבדקו רקמות שמקורן בביופסיה של גידולים מ-65 חולי סרטן ריאות.

במחצית הדגימות נמצאו חלבונים של נגיף החצבת. זהו הממצא הראשון המעיד על קשר אפשרי בין נגיף החצבת לבין סרטן, ממצא מעניין במיוחד נוכח מגפת החצבת הנוכחית בישראל. אריעד הציג את התוצאות בכנס האירופי בג'נבה שעסק בסרטן ריאות. בכנס הוצגו עדויות נוספות של חוקרים אחרים, המדווחים על כך שנגיף החצבת קשור לסרטן הריאות, אם כי לא הוצגה הוכחה שהנגיף הוא שגורם לסרטן.

המקור - Yale Rosen, Flicker

ארש רזזדה (Rezazadeh) מאוניברסיטת לואיסוויל בקנטקי, ארצות-הברית, הציג בכנס את ממצאיו, שלפיהם נגיף הפפילומה (HPV), המוכר כמחולל סרטן צוואר הרחם (וראו: דינה וולודרסקי, "חיסון נגד סרטן", "גליליאו 115), זוהה אף הוא בסרטן הריאה.

נגיף החצבת הוא נגיף RNA, ולכן לא סביר שהמנגנון הקשור להתמרה הסרטנית הוא התמזגות של החומר התורשתי הנגיפי בגנום של התא. אריעד משער כי תאים סרטניים מבטאים קולטן מסוים, שנגיף החצבת עושה בו שימוש על מנת לחדור לתא. על פי השערתו של אריעד, חלבון נגיפי הקרוי MV-phosphoprotein – measles virus phosphoprotein משפיע בעקיפין על חלבון תאי המכונה P53 (חלבון מרכזי בהגנה על התא מפני התמרה סרטנית), וגורם להרס שלו, כך שהתא נעשה מוּעד לנזקים. אריעד סבור כי הנגיף איננו גורם לסרטן, אך מאיץ תהליכים סרטניים שכבר החלו.

המחקר מעלה כמה שאלות חשובות: האם החיסון נגד חצבת (החיסון נעשה באמצעות נגיף מוחלש) משפיע על התהליך, וכיצד? האם החיסון החדש נגד סרטן צוואר הרחם ישפיע גם על סרטן ריאות וסוגי סרטן נוספים? והאם למגפת החצבת הנוכחית תהיינה השלכות על שיעורי התחלואה בסרטן בעתיד?

התשובות לשאלות אלה טרם נמצאו, אך אפשר אולי להתנחם בעובדה שגם בעקבות התפרצות מגפת חצבת בשנת 1982 לא חלה עלייה מהותית בשעורי התחלואה בסרטן הריאה בישראל.

חשוב לציין גם, כי מכיוון שהמחקר הוא מחקר רטרוספקטיבי ונעשה על ביופסיות, לא היתה אפשרות טכנית לבדוק באיזה זן ספציפי של נגיף מדובר, שכן על מנת לבדוק זאת יש צורך ב-RNA של הנגיף, שאותו אפשר להפיק רק מרקמה טרייה. לשם כך יהיה צורך בביצוע מחקר נוסף.

מדובר, אם כן, בממצא חדשני וחשוב, שהשלכותיו המדויקות טרם ברורות לחוקרים.

פורסם ב"גליליאו" 118, יוני 2008 

נגיף ההרפס הרדום - דינה וולודרסקי

אנשים רבים "זוכים" לחוות מפעם לפעם פצעים מכאיבים המופיעים על שפתותיהם, פצעים המאפיינים הדבקה בנגיף ההרפס (Herpes Simplex Virus 1, HSV1). גם כשהפצעים הללו נעלמים, הנגיף עצמו אינו נעלם מהגוף. במשך רוב הזמן, הנגיף מצוי בגופנו בלא תסמינים כלשהם, כלומר, במצב "נשאות". מעל תשעים אחוז מהאוכלוסייה נושאים את הנגיף,

ובדיקה פשוטה יכולה לאבחן את קיומו של הנגיף בגוף על פי הימצאות נוגדנים בדם. כאשר הנגיף מתפרץ, הדבר מתבטא, בדרך-כלל, בשלפוחיות המכונות לעתים "פצעי קור" באזור השפה התחתונה או בחלקים אחרים של הפנים.

פצעי הרפס על השפתיים

המקור: CDC/ Dr. Herrmann

פצעי הרפס על הלשון

המקור: CDC/ Robert E. Sumpter

קרוב משפחה של HSV1, נגיף המכונה HSV2, נחבא גם הוא אל הכלים, ובהתפרצותו גורם לפצעים מכאיבים באזור איברי המין, המחלה המוכרת כ"הרפס של איברי המין".

ההדבקה בנגיפים אלו מתרחשת באמצעות מגע של רוק (HSV1) או קיום יחסי מין עם נושא הנגיף (HSV2). לרוב, כאשר הפצעים פתוחים האדם מידבק יותר, אך יש הוכחות שגם התקופות הרדומות של הנגיף אינן בטוחות מהדבקה. מחקרים הראו שהסיכויים למעבר של נגיף ה-HSV2 מאם לעובּר במהלך ההיריון נמוכים מאוד, אך התינוק עלול להידבק בנגיף במהלך הלידה עצמה. על כן, כאשר יש פצעים פתוחים באזור איברי המין, ניתוח קיסרי עדיף על פני לידה טבעית, שכן היילוד עלול למות או ללקות בפיגור אם יידבק בנגיף.

המילה "נגיף" מעוררת אסוציאציה של מחלה. ואכן, נגיפים הם גופיפים הפולשים לתוך תאים אחרים על מנת לעשות בהם שימוש, ובמקרים רבים גורמים למחלות. למעשה, נגיפים הם "טפילים בהכרח" (אובליגטוריים), קרי, טפילים שאינם יכולים להתרבות בלא פונדקאי חי. מבנה הנגיף כולל מולקולות של חומצת גרעין (DNA או RNA, אך לא שתיהן גם יחד) שהן החומר התורשתי של הנגיף. החומר התורשתי עטוף במעטפת חלבונית הקרויה "ַקפְּסיד", ולעתים גם במעטפת ליפידית. אורך הנגיפים הוא בין עשרה ננומטרים (ננומטר הוא מיליארדית המטר, 10^-9 מטר) לחמישים ננומטר. לשם ההשוואה נציין כי תאים איקריוטיים, דוגמת תאי אדם, גדולים באורכם פי 1,000 ויותר.

עד המאה ה-20 חשבו המדענים שנגיפים אינם אלא רעלנים הנוצרים על-ידי חיידקים, ומכאן השם virus, שפירושו בלטינית "רעלן". בהמשך הצטברו עדויות לכך שנגיפים אינם תוצר של חיידקים, אלא חלקיקים נפרדים.

נגיף ההרפס הוא הנגיף הראשון שבודד בתרביות רקמה. משפחת נגיפי ההרפס היא משפחה של נגיפי DNA גדולים (יחסית, כמובן), הנפוצים מאוד בטבע ומדביקים מגוון של בעלי-חיים. שניים מהנגיפים השייכים לקבוצה זו הם נגיף אפשטיין-בר (Epstein-Barr), האחראי ל"מחלת הנשיקה", ו-varicella zoster, הגורם לאבעבועות רוח.

באדם החולה באבעבועות רוח, גם כאשר הסימפטומים של המחלה חולפים, הנגיף נשאר רדום בגוף, ועלול לשוב ולהתפרץ במצבים של חולשת המערכת החיסונית בצורת דלקת עָצב מקומית וחריפה. ההתפרצות השנייה קרויה"שלבקת חוגרת", ותסמיניה הם כאבים והופעת שלפוחיות לאורך אחד העצבים באזור מוגבל בעור בצד אחד של הגוף (השלפוחיות מסודרות במבנה דמוי-חגורה, ומכאן שם המחלה). השלבקת מופיעה באזורי גוף שונים — בחזה,בגב, בבטן, בראש, בפנים ובגפיים — והכאב המקומי עלול להימשך זמן ארוך (לעתים במשך שנים!) לאחר הופעת השלפוחיות. אדם שנחשף לשלבקת חוגרת ולא חלה בעברו באבעבועות רוח עלול לחלות באבעבועות רוח.

שלבקת חוגרת על זרוע של ילד
צילום: James Heilman, MD, wikimedia commons

ִהגורם לסרקומה על שם קפוֹשׂי (Kaposi's Sarcoma, מחלה סרטנית נדירה ברקמות שמתחת לעור או בבלוטות הלימפה) הוא HSV8, ולוקים בה בעיקר חולי איידס, שמערכת החיסון שלהם מוחלשת. נגיף ה-CMV) Cytomegalovirus), גם הוא ממשפחת ההרפס, עלול לגרום לצהבת בתינוקות ולסיבוכים (כגון פגיעה בראייה עד כדי עיוורון) בחולי איידס. העברת נגיף ה-CMV מהאם לעובר במהלך ההיריון מתרחשת בעיקר כאשר האם נדבקה לראשונה בזמן ההיריון. הנגיף עלול

לגרום למומים בעובר (חירשות בשל נזק לעצבי השמיעה, פגיעה שכלית, שיתוק מוחין ופגיעה בראייה).

במאמר זה נתמקד בשני נגיפים ממשפחת ההרפס: HSV1, הגורם כזכור לפצעים בשפתיים, ו-HSV2, הגורם כאמור לפצעים באיברי המין.

הגנום של HSV1 מכיל כ-100 גנים. כאשר מתרחשת הדבקה, ה-DNA הנגיפי שחדר לתא משתכפל, ונוצרות מולקולות DNA נגיפי חדשות, הנעטפות במעטפותחדשות. לאחר מכן מתים התאים המאכסנים את הנגיף, ומשתחררים הנגיפים החדשים. מחזור הדבקה כזה מכונה שלב ליטי (מלשון lysis, פירוק), והוא אופייני לנגיפים רבים. בין שלבים ליטיים נגיף ההרפס יכול להיכנס לתקופה רדומה — השלב הלטנטי.

האם הרפס הוא בר-ריפוי?

במשך שנים רבות סברו, שאין מרפא למחלות נגיפיות בכלל ולהרפס בפרט. בשנת 1988 זכו גרטרוד אליון (Elion) וג'ורג' היטצ'ינגס (Hitchings) בפרס נובל ברפואה על פיתוח התרופה אציקלוויר (Acyclovir, המוכרת בשמה המסחרי זובירקס). אציקלוויר היתה התרופה הראשונה שהוכחה באופן מדעי כבטוחה וכיעילה לשימוש כנגד נגיפי ההרפס. החומר מעכב את פעולת האנזים האחראי לשכפול ה-DNA הנגיפי, בלא פגיעה בשכפול ה-DNA של האדם. השימוש באציקלוויר ובנגזרותיה יעיל כנגד נגיפים הנמצאים בשלב הליטי בלבד, מאחר שה-DNA הנגיפי משתכפל רק כאשר הנגיף מתרבה. התרופה, אם כן, מטפלת באופן מקומי בסימפטום, אך אינה מסלקת את הנגיף מהגוף. לפיכך, מחקרים רבים מתמקדים ביכולתו של הנגיף להיכנס למצב רדום (latency), בתקווה שפגיעה ביכולת זו תמנע את ההתפרצויות החוזרות ונשנות של המחלה.

התקופה הרדומה של נגיף ההרפס

לאחר ההדבקה הראשונית, הנגיף (הן HSV1 והן HSV2) נשאר בגוף בצורה שקטה, בלא סימפטומים, ויכול לעבור הפעלה כתוצאה מתנאים שונים, כגון עקה נפשית, חולשה של מערכת החיסון, טמפרטורת גוף גבוהה, שינויים הורמונליים, חשיפה ל-UV ועוד.

בתקופה הרדומה הנגיף מתאכסן בגנגליונים (צבירים של תאי עצב במערכת העצבים ההיקפית) המעצבבים את אתר ההדבקה הראשוני. השאלה כיצד מצליח הנגיף להסתתר מפני מערכת החיסון נותרה בלא מענה שנים רבות.

בתקופה הרדומה משועתק גן יחיד, הקרוי LatencyAssociated Transcript  או בקצרה .LAT. תעתיק ה-RNA של הגן LAT אינו מקודד ליצירת חלבון (בניגוד לרוב תעתיקי הגנים). מקטע RNA זה מצטבר בתאי העצב התחושתיים ההיקפיים. מחקרים רבים נערכו במטרה להבהיר את תפקידו של LAT במחזור ההדבקה של הנגיף. ביולי 2006 התפרסם בשבועון המדע Nature מאמר שבו הציגו נייג'ל פרייזר (Fraser) מאוניברסיטת פנסילבניה בפילדלפיה ועמיתיו עדויות לכך, שתעתיק הגן LAT מונע מתאי העצב המודבקים למות בעקבות ההדבקה, כלומר, מונע אפופטוזה; אפופטוזה, כידוע, היא תהליך שבו תאים מודבקים בגורמים מזהמים או תאי סרטן מתים במסלול מתוכנת-גנטית. מוות מתוכנת-גנטית כזה מונע הדבקה או נזק לתאים נוספים בגוף. החוקרים הראו כי חוסר היכולת ליצור תעתיק מהגן LAT פוגם ביכולתו של HSV1 להדביק תאי עצב באופן לטנטי. יתרה מזו, HSV1 מוטנטי, שאינו יוצר את תעתיק הגן LAT, גרם למוות של מספר רב יותר של תאי עצב מאשר הנגיף הרגיל ("זן הבר"). כלומר, בלא LAT פחות תאי עצב מודבקים שורדים, ופחות נגיפים נשארים במצב הרדום. החוקרים העלו השערה, כי במהלך התקופה הלטנטית מתרחשים בפְּרוֹמוֹטוֹר (לאמור, באזור בקרת השעתוק) של הגן LAT ֶ שינויים אפּיגנטיים. הכוונה לשינויים שאינם ברצף הנוקלאוטידים עצמו, אלא בעיבודים השונים שהרצף עובר, כגון רמת הדחיסה שלו.

מה, אם כן, יכול להיות תפקידו של LAT? העובדה שתעתיק ה-RNA אינו מתורגם לחלבון רמזה על האפשרות, שמדובר ב-microRNA הפועל להשתקת גנים אחרים. תופעת ה-microRNA, שחשיבותה ידועה זה כבר ביצורים עילאיים, התגלתה לאחרונה בנגיפים. microRNAs הם מולקולות RNA קצרות, המעורבות בעיקר בבקרה ברמת התרגום של מולקולות mRNA שהן יכולות לעבור עמן זיווג בסיסים (וראו: צחי ארזי וידידיה גפני, "להרוג את השליח — השתקת גנים ויישומיה","גליליאו" 104).

תעתיק הגן LAT יכול לפעול כ-microRNA הן על הגנום הנגיפי והן על גנום המאכסן. חיפוש הגנים המשמשים כמטרה של microRNA אינו פשוט, כיוון שההתאמה ברצף בינם לבין ה-mRNA של גן המטרה אינה מושלמת, ולפיכך ישנם רצפים רבים היכולים לשמש כמטרה ל-microRNA מסוים. על מנת להקל את חיפוש הגנים שאותם משתק הנגיף באמצעות LAT, התמקדו החוקרים בגנים בעלי תפקוד מתאים, כלומר גנים שהשתקתם תסייע לנגיף להסתתר בגוף במצב לטנטי. בעיקר חשודים הגנים האפּוֹפְּטוֹטיים (האחראים למוות מתוכנת של תאים) בגנום האדם, שכן, כאמור, במהלך התקופה הלטנטית, הנגיף מונֵע אפופטוזה של תאי העצב המודבקים. ואכן, כאשר החליפו פרייזר ועמיתיו את LAT בגן אחר, הידוע ביכולתו לעכב אפופטוזה, גן זה מילא את תפקידו של LAT בהצלחה רבה.

המורכבות הרבה הכרוכה בשלב ליטי, בכניסה לשלב לטנטי ובהפעלה מחדש מצביעה על אפשרות סבירה שלגן LAT כמה תפקידים (שטרם פוענחו) התורמים באופנים שונים ליכולתו של הנגיף להיכנס לשלב הלטנטי ולצאת ממנו.

לסיכום, נגיף ה-HSV מדביק אותנו, סולל את דרכו לתאי עצב תחושתיים המעצבבים את אזור הפָּנים או איברי המין וגורם להופעת פצעים מכאיבים. הדבקה זו מעוררת את מערכת החיסון שלנו, המשמידה חלק מהתאים הפגועים. לעומת זאת, מערכת החיסון אינה מזהה תאים שהנגיף נמצא בהם בשלב הלטנטי. מפעם לפעם, נגיף עובר משלב לטנטי לשלב ליטי וגורם להרג של תא העצב. התפרצויות אלה מלוות בהפעלה מחדש של מערכת החיסון. גן ה-LAT תורם לכך שתאי עצב המודבקים באופן לטנטי יהיו בעלי סיכויים גבוהים יותר לשרוד. תאי עצב אלה אינם מייצרים חלבונים נגיפיים, ולפיכך מערכת החיסון של המאכסן מתקשה לזהותם. במקום חלבונים מייצרים תאי העצב את ה-LAT microRNA, התורם ל"ביטחונו" של הנגיף על-ידי יצירת מקום מקלט ממערכת החיסון של האדם.

אם LAT הוא אכן microRNA הפועל להשתקת גנים אחרים, הרי שזו דוגמה לכך שגם בנגיפים יש microRNAs

הפועלים באופן דומה לאלה של יונקים, צמחים ותולעים — כלומר, משתיקים גנים אחרים.

הנגיף המסתתר פרופ׳ ישראל שטיינר, אתה חוקר ורופא מומחה למחלות שגורמים נגיפי ההרפס. מהי שכיחות הנשאים של HSV1 וHSV2- באוכלוסייה? HSV1 נפוץ מאוד, 95%-90% מהאוכלוסייה נושאים אותו. לעומת זאת, לגבי HSV2 התמונה פחות חד-משמעית. והמספרים משתנים בהתאם לחברה שבה מדובר. בארץ אחוזי הנשאים של HSV2 נמוכים יחסית, 40%-20%. בצפון אמריקה מדובר במספרים גבוהים יותר. 60% ויותר. מבחינה אפידמיולוגיה, בשנות התשעים היתה עלייה בתחלואה כתוצאה מ־HSV2. עליה זו נבלמה בשנות האלפיים. לעומת זאת, אין שינויים משמעותיים בתחלואה כתוצאה מ־HSV1 לאורך השנים. הנגיפים HSV2-1 HSV1 שייכים לאותה המשפחה, ויש ביניהם דמיון רב. האם נשאות של נגיף מסוג HSV1 מהווה חיסון בפני הדבקה ב-HSV2, ולהפך? אמנם יש דמיון בנוגדנים המתפתחים בגוף כנגד שני סוגי הנגיפים. אך הדבקה בסוג האחד אינה מחסנת בפני הסוג האחר, ובהחלט ישנם אנשים המודבקים בשני סוגי הנגיף. כלומר, אדם שסיכל מהתפרצויות של הנגיף באזור השפה. איננו חסין מפני הדבקה באיברי המין. ולהפך.  האם חשיפה לנגיף יכולה לגרום להתפרצות או להוות סכנה כלשהי לאדם שכבר נושא את הנגיף? לא. לאדם שכבר נושא בגופו את הנגיף אין נשקפת סכנה בעקבות חשיפה נוספת. בדרך-כלל ההדבקה מתרחשת כאשר אדם שאינו נושא את הנגיף בא במגע עם אדם הסובל מהתפרצות מחודשת של הנגיף. האם גירויים מכניים, כגון טיפול קוסמטי, עלולים לגרום להתפרצות מחודשת של הנגיף? בהחלט, ידועים מקרים של ניתוחי פנים, טיפולי שיניים וניתוחים נוירוכירורגיים שגרמו להתפרצות מחודשת. מהם, לדעתך, אמצעי הזהירות שיש לנקוט בלידה כאשר האם נושאת את נגיף ההרפס מסוג HSV2? זוהי שאלה פתוחה, שאין עליה תשובה חד-משמעית. נגיף ההרפס עלול לגרום נזק קשה ליילוד, ולפיכך המלצתי היא על ניתוח קיסרי בכל מקרה של התפרצות שלפוחיות הרפס באיברי המין בעברה של היולדת (כלומר, אפילו כאשר לא היו התפרצויות בסמוך ללידה או במהלך ההיריון). מחקרים רבים עסקו לאחרונה ביכולת של נגיפי ה־HSV להיכנס למצב רדום, ואף פוענח המנגנון המאפשר את  הקיום הלטנטי של הנגיף. האם לטנטיות זו של נגיפי ה-HSV שונה במהותה מזו הקיימת בנגיפים אחרים? בהחלט קיימים הבדלים רבים. נגיף אחר ממשפחת ההרפס, Varicella zoster הגורם לאבעבועות רוח בילדות ולמחלת השלבקת החוגרת אם הוא מתפרץ שוב לאחר שנים, נשאר אף הוא רדום בגופנו. ואולם, בעוד HSV גורם למחלה מצומצמת יותר וההתפרצויות הן בתדירות גבוהה יחסית (פעם בחודש עד פעם בשנים אחדות), השלבקת החוגרת מתפרצת בדרך כלל באנשים קשישים וההתפרצויות הן נדירות מאוד, בדרך־כלל פעם או פעמיים בלבד במהלך החיים. מבחינת המנגנון המאפשר את הכניסה למצב רדום ב-HSV התברר שמעורב בו ה-microRNA של הגן LAT, ואילו לגבי Varicella zoster טרם פוענח המנגנון המאפשר את המצב הלטנטי. במחקרים שונים מוזכר HIV כנגיף המסוגל להיכנס למצב רדום. אך למעשה נגיף זה איננו מתאים להגדרה הקלאסית של ״נגיף לטנטי״, משום שהוא מקיים מחזור רבייה מלא, אלא שקצב ההתרבות הוא אטי. האם תופעת הלטנטיות מעידה על כשל חיסוני? ביחס להרפס סימפלקס, מערכת החיסון אינה יעילה כנגד הנגיף, משום שהנגיף אינו יוצא מתוך התא המודבק (הנגיף נודד לאורך האקסון של תא העצב עד מקום ההתפרצות בעור. ואינו חשוף למערכת החיסון). התפרצות מחודשת של הרפס סימפלקס אינה מהווה כשל חיסוני. למעט המקרה של מושתלי מח עצם, הסובלים מהתפרצויות חוזרות של הנגיף בתדירות גבוהה יותר מאשר באנשים בריאים, בשל חולשת מערכת החיסון שלהם. לעומת זאת הנגיף Varicella zoster מתפרץ מחדש בדרך-כלל באנשים קשישים הסובלים מדיכוי טבעי (הנגרם עם הגיל) של המערכת החיסונית. האם התרופה אציקלוויר, שפותחה נגד נגיף ההרפס, מהווה פתרון של ממש לסובלים מהנגיף? האציקלוויר משמשת לטיפול הן בהרפס סימפלקס (HSV1 ו-HSV2) והן בשלבקת חוגרת. למעשה, התרופה יעילה יותר בטיפול בשלבקת חוגרת וזאת משום שנגיפי Varicella zoster יוצאים מתוך התא ולפיכך חשופים יותר לתרופה, ולעומתם נגיפי הסימפלקס, כאמור, אינם יוצאים מתוך תא העצב ולפיכך חשופים פחות לתרופה. בהקשר זה ראוי להזכיר כי לאחרונה טיפלנו בבית-החולים הדסה בהר הצופים בחולה שלקתה באנצפליטיס (דלקת המוח), שבמקרים נדירים נגרמת על־יד׳ נגיף ההרפס. חולה זו לא סבלה בעבר מהתפרצויות של הנגיף. אף על פי כן, האבחנה שלנו היתה מיידית, והחולה החלימה לחלוטין. הטיפול היה מתן אציקלוויר דרך הווריד. מדוע אין חיסון נגד הרפס? האם חיסון כזה נמצא בשלבי פיתוח? ישנו חיסון כנגד הנגיף Varicella zoster, הניתן בדרך־כלל נגד אבעבועות רוח, אך הוא יעיל גם נגד שלבקת חוגרת במדוכאי חיסון וניתן בדרך-כלל לקשישים. אין כיום חיסון כנגד הרפס סימפלקס, כיוון שחיסון זה לא ימנע מהנגיף להסתתר ולהימצא באופן רדום בתוך תאים. מנסים לפתח חיסון שיפעל גם כשהנגיף נמצא בתוך התאים, אך הדרך עוד ארוכה, כיוון שכך, הדבקה לטנטית הנגיף מוסתר למעשה ממערכת החיסון. בינתיים אין פריצות דרך שיובילו לפיתוח חיסון או טיפול יעיל יותר מהקיים. האם יש קשר בין נגיף ההרפס סימפלקס למחלת הסרטן? אין עדויות לקשר של הרפס סימפלקס לסרטן. בסוגי הרפס אחרים ישנו קשר מובהק. למשל בנגיף אפשטיין־בר וכמובן בסרקומת קפושי, שגורם HSV8, נגיף ממשפחת ההרפס. כיצד יכול נגיף ההרפס לגרום לדלקת המוח (אנצפליטיס)? באופן תיאורטי, ישנם כמה מגנונים אפשריים. כתוצאה מזיהום ראשוני, שפעול מחדש מתוך הגנגליונים התחושתיים, או שפעול מתוך רקמת המוח. דלקת המוח מסוכנת במיוחד בילדים. אך לא ברור עדיין מה גורם למקרים שבהם הרפס מוביל לדלקת המוח. לאחרונה התפרסם מחקר שלפיו ילדים שפיתחו דלקת מוח כתוצאה מהרפס לוקים בפגם גנטי.  פרופ' ישראל שטיינר הוא רופא ראשי מומחה בנוירולוגיה בבית-החולים הדסה בירושלים. המתמחה בין היתר במחלות שגורמים נגיפי ההרפס וחוקר זיהומים לטנטיים בנגיפי הרפס במערכת העצבים.

לקריאה נוספת:

Gupta, A. ,Gartner, J.J., Sethupathy, P., Hatzigeorgiou, A.G. and N.W. Fraser, Anti apoptotic function of a microRNA encoded by the HSV-1 latency-associated transcript. Nature, 2006. 446(14): p. 82-85.

Sugden, B, Micro Mystery solution, Nature, 2006. 446(14): p. 33-34.

אתר מדליין פלוס של הספרייה הלאומית האמריקנית לרפואה וארגון הבריאות הלאומי (NIH):

הכתבה פורסמה בגליליאו 117, 2008

על קרומי חיידקים וכיצד להילחם בהם - דינה וולודרסקי

חומרים הפוגעים בקרומי חיידקים - תרופות של העידן הבא?

במשך שנים רבות התייחסו החוקרים לחיידקים כאל יצורים יחידאיים, המתרבים בלא תלות זה בזה. קו מחשבה זה התבסס, בין היתר, על תצפיות שנערכו על חיידקים הגדלים באופן חופשי בתמיסה, מצב שאינו מאפיין את תנאי מחייתם בטבע. ואולם, בשנים האחרונות הסתבר כי החיידקים מתקיימים גם בצורות מורכבות יותר. את המונח "ביופילם", המציין קרום ביולוגי הצמוד למשטח קשיח, טבע בשנות השבעים של המאה ה-20 המיקרוביולוג ויליאם קוסטרטון (Costerton) מאוניברסיטת מונטנה, אשר הבחין כי רוב החיידקים החיים על סלעים בפלגי מים מאורגנים במבנה קרומי רב-תאי. מעניין לציין, כי כבר במהלך המאה ה-17 הבחין בביופילם החוקר אנטוני וון לוונהוק (Leeuwenhoek), אשר בנה מיקרוסקופ אור והצליח להבחין בקרום חיידקים בחומר שגירד משיניו, אף על פי שלא הבין זאת בזמנו.

המחקר המתקדם של המבנים הקרומיים הרב-תאיים של החיידקים התאפשר רק בשלהי שנות השמונים, בעקבות התפתחויות בתחומי הביולוגיה המולקולרית והמיקרוסקופיה. התברר כי הביופילמים אינם רק מרבדי חיידקים על גבי משטחים קשיחים, אלא מערכות ביולוגיות מורכבות ודינמיות, והתנהגותו של כל חיידק שונה בתוך הקרום ומחוצה לו. חיידק המצטרף לחיים בקרום משנה את התנהגותו בהתאם; הוא כבר אינו יחידאי ושינויים רבים חלים בו: דופן התא משתנה כך שיתפתחו כוחות תאחיזה בין החיידק לבין המשטח שאליו הוא מחובר, מתרחשת ירידה ברמת הביטוי של חלבונים אשר אינם נדרשים לחיים בקרום (כגון חלבונים האחראים ליכולת התנועה של החיידק), ומנגד - מתרחשת עלייה בביטוי חלבונים אחרים. חלבונים אלה אחראים, למשל, לתקשורת עם החיידקים השכנים וליצירת חומר רב-סוכרי המופרש אל מחוץ לחיידקים, מגן עליהם ומאפשר את בניית הקרום.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרוני: ביופילם של Pseudomonas aeruginosa שהתפתח על גבי קתטר

קרומי חיידקים ומחלות

אחת התכונות המובהקות בצורת הגדילה כקרום היא העמידות המוגברת של החיידקים בקרום להרג, בהשוואה לחיידקים חופשיים. כתוצאה מכך, ביופילמים הם מקור מרכזי לזיהומים. מכון הבריאות הלאומי האמריקני, ה-NIH, העריך לאחרונה כי מעל ל-60% מהמחלות החיידקיות המטופלות בבתי-החולים בארצות-הברית נגרמות על-ידי קרומי חיידקים המתפתחים על התקנים רפואיים או בגוף החולה, ולא על-ידי חיידקים חופשיים. כיום ידוע כי רוב המחלות החיידקיות הכרוניות (אשר אינן ניתנות לטיפול אנטיביוטי) נגרמות כתוצאה מהתפתחות קרומי חיידקים.

זה המצב במקרה של סיסטיק פיברוזיס (Cystic Fibrosis, CF); זוהי מחלה תורשתית קשה הגורמת לכך שחלבון, המתפקד כנשא המעביר יוני כלור אל התא ומחוצה לו, פגום ואינו מבצע את עבודתו. חלבון זה אמור לתפקד, בין היתר, בתאי הדפנות הפנימיות של הריאות ודרכי הנשימה. כאשר הנשא פגום או כלל אינו נוצר, הריר המרפד את הריאות וכלי הנשימה אינו מכיל די מלח, ולכן אינו סופג די מים והוא צמיג, בניגוד לריר המימי המופרש באנשים בריאים. בעוד שהריר המימי באנשים בריאים מקל את סילוק החיידקים, הריר הסמיך מהווה כר נוח להתפתחות חיידקים וליצירת ביופילמים.

החיידק Pseudomonas aeruginosa הוא אחד הגורמים העיקריים היוצרים ביופילמים ברֵיאות של חולי סיסטיק פיברוזיס. מערכת החיסון של החולה מנסה להיאבק בחיידקים שיצרו ביופילם, אך בלא הצלחה, ונוצרת במקום דלקת כרונית, שאף מחמירה את המצב. דלקת כרונית זו היא המביאה בסופו של דבר להידרדרות במצב הריאות ולמותם של חולי סיסטיק פיברוזיס.

דוגמה אחרת היא זיהומים על גבי התקנים רפואיים (כדוגמת קתטרים, קוצבי לב, מִפרקים מלאכותיים וצנתרים), אשר אף הם נגרמים לרוב על-ידי ביופילמים של החיידק P. aeruginosa וחיידקים אחרים. השימוש המוגבר בהתקנים אלו, והעובדה שהם מהווים משטח נוח להתפתחות ביופילמים, הם גורם חשוב בעלייה בזיהומי ביופילם בבתי-החולים.

החיידק P. aeruginosa אחראי גם לצרות נוספות: דלקות עיניים הקשורות לשימוש בעדשות מגע וזיהום של כוויות. גם העששת, מחלה ששמה נישא בפי כל, נגרמת כתוצאה מביופילמים של חיידקים על השיניים.

השלבים ביצירת הביופילם

תהליך יצירת ביופילם מתחיל כשחיידקים יחידים נצמדים באופן חלש והפיך אל המשטח הקשיח. בהמשך, ההיצמדות הופכת חזקה יותר ובלתי הפיכה, החיידקים מפרישים חומר חוץ-תאי פולימרי, וחיידקים נוספים - שלא יכלו להיצמד למשטח מלכתחילה - נצמדים לחיידקים ה"ותיקים" בקרום או לחומר החוץ-תאי. הקרום גדל בהדרגה, הן על-ידי צירוף חיידקים חדשים והן על-ידי התרבות של החיידקים הקיימים, עד לקבלת ביופילם בוגר. בסופו של דבר, חלק מהתאים-הצאצאים משתחררים מהקרום ויכולים להתחיל ביצירת קרום חדש באתר אחר.

משמאל לימין: קישור הפיך לפני השטח; היצמדות חזקה יותר ובלתי הפיכה; הפרשת חומר חוץ-תאי פולימרי והבשלת הביופילם; שחרור תאים מהקרום

"לא טוב היות החיידק לבדו", או מדוע יוצרים החיידקים קרומים?

מהם, לדידו של החיידק, היתרונות שביצירת ביופילמים ובהיצמדות למשטחים, שהופכים את תופעת הביופילמים לנפוצה כל-כך? ראשית, המשטחים הקשיחים והארגון של הביופילם מאפשרים יציבות מסוימת ומספקים הגנה מתנאים סביבתיים קשים, כגון חשיפה לרעלים וחומרים אנטיביוטיים. שכבת הסוכרים שמפרישים החיידקים בקרום מגנה עליהם מפני חלק מהחומרים המסוכנים עבורם, והשכבות החיצוניות של הקרום מגנות על השכבות הפנימיות יותר. נוסף על כך, בתוך הביופילם ישנן מובלעות של חיידקים רדומים, המהווים מעין גיבוי ומבטיחים יכולת שיקום של הביופילם בעקבות פגיעה בחיידקים הפעילים (רוב החומרים האנטיביוטיים יעילים כנגד חיידקים פעילים בלבד, מאחר שהאנטיביוטיקה פוגעת באחד ההליכים החיוניים לפעילותו או להתרבותו של החיידק). לאחר טיפול אנטיביוטי, החיידקים השורדים מנצלים את החיידקים שנפגעו כחומרי מזון ומשקמים את הביופילם שניזוק. גם ב"עתות שלום", כאשר הביופילם אינו פגוע, נפוצים מצבים שבהם מין אחד של חיידקים ניזון מתוצרי הפסולת של מין אחר בתוך הקרום.

דבר אלי ב-homoserine lactones, או: חשיבותה של התקשורת בין חיידקים

תופעה חברתית נוספת שהתגלתה בחיידקים, וחשובה להתפתחות ביופילמים, היא יכולתם לתקשר זה עם זה ולתאם את פעילותם. חלק מהחיידקים מפרישים לסביבתם הקרובה acyl homoserine lactones (AHLs), המשמשים כמולקולות איתות. אם החיידק נמצא בסביבה שאין בה חיידקים אחרים, הרי שריכוזם של חומרים אלו יהיה נמוך. לעומת זאת, אם החיידק מצוי בסביבה רווית חיידקים, המפרישים גם הם מולקולות AHLs, ריכוז החומרים יעלה. החומרים יוכלו לחדור לחיידק ולגרום לביטוי גנים ספציפיים.

מולקולות ה-AHLs מאפשרות לחיידק לחוש, שיש בסביבתו מספר גדול של חיידקים. תופעה זו מכונה חישת הקוורום - Quorum sensing (וראו "החיים הקרומיים של החיידקים", "גליליאו" 101). מנגנון זה מווסת את ביטוים של גורמי אלימות בחיידקים וכן את המעבר ממצב יחידאי למצב הקרומי, על-ידי הפעלת גנים האחראים לחלבונים ההכרחיים לחיים קרומיים.

החשיבות של חישת הקוורום להתפתחות ביופילם הביאה לחיפוש מולקולות בלתי פעילות הדומות ל-AHLs, אשר יכולות לשמש כחומר "אנטי-ביופילמי" משום שהן נקשרות לקולטנים של מולקולות האיתות האמיתיות, אך אינן מעבירות את האות הנחוץ. החוקרים סטפן קיילברג (Kjelleberg) ופיטר שטיינברג (Steinberg) מאוניברסיטת ניו סאות' ויילס באוסטרליה מצאו כי האצה האדומית Delisia pulchra מייצרת חומרים הדומים למולקולות AHLs, המפריעים ליצירת הקרומים החיידקיים ומגנים בדרך זו על האצה. גם עאדל ג'בור (Jabbour), תלמיד דוקטורט שעבד בהדרכתם של פרופ' מוריס סרבניק (Srebnik) מבית הספר לרוקחות ושל פרופ' דורון שטיינברג (Steinberg) מהפקולטה לרפואת שיניים באוניברסיטה העברית בירושלים, הצליח לייצר תרכובות כימיות הדומות למולקולות התקשורת הטבעיות ויכולות לשבש את התקשורת בין החיידקים.

חיידקים, קרומים, ברזל ומה שביניהם...

בשנת 2002 התפרסם בכתב-העת המדעי Nature מאמר של פרדיפ סינג (Singh) וצוותו מאוניברסיטת איווה, שבו דיווחו החוקרים שהחלבון לקטופרין (Lactoferrin), הנמצא בריכוזים גבוהים בחלב אם, בדמעות ובהפרשות של דרכי הנשימה, פוגע ביכולתו של החיידק P. aeruginosa ליצור ביופילמים. נמצא כי היכולת של החלבון לקטופרין לספוח אליו ברזל חופשי, ועל-ידי כך למנוע מהחיידקים לעשות שימוש בברזל, היא המונעת את היווצרות הביופילמים. החוקרים הצביעו על האפשרות שברזל משמש כאות חיוני לצורך יצירת הקרום החיידקי, ומתפקד כמתג למעבר ממצב יחידאי למצב קרומי.

ד"ר אהוד בנין מהפקולטה למדעי החיים על שם מינה ואוורד גודמן והמרכז לחומרים מתקדמים וננוטכנולוגיה באוניברסיטת בר-אילן חוקר את תפקידי הברזל ביצירת הקרום החיידקי, ומשתמש בחיידק P. aeruginosa כאורגניזם מודל. בנין הראה כי סף מסוים של ברזל תוך-תאי חיוני ליצירת הביופילם. דיפוזיה פשוטה של ברזל אינה מספיקה כדי להגיע לסף הדרוש, ועל החיידקים להשתמש בנשאי ברזל, הנקשרים לקולטנים על פני התא, המכניסים פנימה את הקומפלקס תוך השקעת אנרגיה. מכיוון שברזל ממלא תפקיד כה חשוב בהתפתחות הביופילמים, פגיעה ביכולתם של החיידקים לספוג את הברזל עשויה למנוע או לעכב את יצירת הקרום החיידקי.

ד"ר בנין הראה כי החומר EDTA, הסופח יונים מתכתיים דו-ערכיים (ולכן - גם ברזל), פוגע בביופילמים. כאשר משתמשים ב-EDTA יחד עם האנטיביוטיקה ג'נטמיצין (gentamicin), הביופילם מושמד כליל.

תמונת מיקרוסקופ קונפוקלי: תמונה של ביופילם של P. aeruginosa לאחר טיפול ב-EDTA. הצבע האדום הוא סמן לתאים מתים, ואילו הצבע הירוק הוא סמן לתאים חיים. אפשר לראות כי רוב הביופילם הושמד. יתר על כן, התאים שבמרכז הביופילם, שברוב המקרים מראים עמידות מוגברת להרג, הם אלו שהושמדו.

שיטה אחרת, שפותחה בשיתוף עם פרופ' מרדכי חביון (Chevion), פרופ' אייל בנין (Banin) מהאוניברסיטה העברית ופרופ' פיטר גרינברג (Greenberg) מאוניברסיטת וושינגטון, היא שיטת ה"סוס הטרויאני", אשר נועדה להקטין את כמות הברזל התוך-תאי ולפגוע ביצירת הביופילם. הסוס הטרויאני הוא נשא שהחיידקים משתמשים בו באופן טבעי לקליטת ברזל, אך במקום ברזל, נושא הנשא יון רעיל לחיידקים, וכך החיידק "מרומה" ומקבל רעל במקום ברזל. בנין ועמיתיו הראו כי שיטת הסוס הטרויאני יעילה לטיפול בביופילם של החיידק P. aeruginosa במצבים שבהם הטיפול האנטיביוטי נכשל. את יעילותה של השיטה הדגימו החוקרים בארנבות שלקו בדלקת של חיידק זה בקרנית העין. טיפול משולב בשיטת הסוס הטרויאני ובאנטיביוטיקה הצליח לפגוע בחיידקים פגיעה ניכרת. כעת נותר להעריך את היכולת של החיידק לפתח עמידות כנגד הטיפול החדש.

ד"ר בנין עוסק בחיפוש אחר חומרים אחרים, שיוכלו גם הם לעכב את התפתחות קרומי החיידקים או לפגוע בקרומים קיימים. לשם כך פנה אל הטבע. הנחת היסוד היא, שבמהלך האבולוציה נאלצו צורות החיים השונות בטבע להתמודד עם התיישבות חיידקים ולמנוע אותה בצורה יעילה. לכן קיים סיכוי רב לאתר חומרים הפוגעים בביופילמים באזורים שבהם היינו מצפים להתפתחות קרומים חיידקיים, אך התפתחות זו מעוכבת. בנין וקבוצתו סבורים, שיש סיכוי סביר למצוא חומרים מונעי התיישבות חיידקים בחומרי טבע מהסביבה הימית (דוגמת אלה שמפרישה האצה האדומית), ובצמחי תבלין מסוימים.

העין היא דוגמה נוספת למקור אפשרי לזיהוי חומרים חדשים המעכבים התיישבות חיידקים. העין חשופה באופן תמידי לחיידקים גורמי מחלות, ובכל זאת, זיהומים בעין הם נדירים יחסית. מכיוון שבקרנית אין כמעט כלי דם, יכולתה של מערכת החיסון בה מוגבלת. נוזל הדמעות משמש כהגנה הראשונית, באמצעות מרכיבים המפריעים להיווצרות קרומי חיידקים.

קרומים ביולוגיים: הטוב, הרע והסוס הטרויאני

ד"ר אהוד בנין, אורגניזם המודל העיקרי שאתה משתמש בו במחקריך הוא החיידק P. aeruginosa. מדוע בחרת דווקא בו?

למעשה, זהו החיידק המועדף כאורגניזם מודל בקרב רוב חוקרי הביופילמים. מדובר בחיידק נפוץ מאוד בסביבה, שאפשר לבודד אותו מדגימות אדמה ומצמחים. זהו פתוגן אופורטוניסטי, כלומר רק לעתים נדירות גורם למחלה באנשים בריאים, אך מסוכן לאנשים שמערכת החיסון שלהם מוחלשת. החיידק הוא גורם מרכזי בהתפתחות זיהומי ביופילם בבתי-חולים, ולכן הוא בעל חשיבות קלינית רבה.

מבחינה מחקרית זהו חיידק מעניין ביותר, מכיוון שיכולת ההסתגלות שלו לסביבה שבה הוא נמצא היא גבוהה מאוד. החיידק נוטה לעבור שינויים רבים בהתאם לסביבה שבה הוא חי, וכך מצליח לשרוד בסביבות שונות. התברר כי אם נוטלים לאורך שנים אחדות דגימות של החיידק מאותו חולה, ובודקים את הרצף הגנומי שלו, מוצאים שינויים המשפרים את שרידותו במאכסן.

מחקרך מתמקד בברזל כמצרך חיוני ליצירת הביופילם. האם יש קשר בין הצורך בברזל לבין חישת הקוורום (Quorum sensing), שכבר הוכח כי היא הכרחית ליצירת הביופילם?

אכן, מצאנו קשר בין כמות הברזל בסביבה לבין חישת הקוורום. מערכת חישת הקוורום בהחלט מושפעת מהתנאים הסביבתיים, וביניהם ריכוז הברזל. כאשר ישנם תנאים של הרעבה לברזל, מתחוללת עלייה ביצירת האותות של חישת הקוורום. בדקנו זאת על-ידי גידול חיידקים בסביבות בעלות ריכוזים שונים של ברזל והפקה וכימות של ה-AHLs - שהם האותות של חישת הקוורום - מתוך המצע שבו גדלו החיידקים. הקשר בין ברזל לתקשורת בין חיידקים פותח פן מחקרי חדש, הקושר שני מנגנוני בקרה חשובים ביותר להתפתחות הביופילם ומדגים כי חישת הקוורום אינה תלויה אך ורק בצפיפות החיידקים אלא גם בגורמים מטבוליים.

אילו יתרונות יש לטיפולים ה"אנטי-ביופילמיים" לעומת הטיפולים האנטיביוטיים המוכרים לנו?

הרעיון הכללי הוא לזהות תהליכים חיונים לביופילם, אשר יכולים לשמש אתרי מטרה לטיפול. כך, לדוגמה, המחקר הבסיסי שלנו, שהצביע על חשיבות הברזל בהתפתחות הביופילם והביא לפיתוח הסוס הטרויאני. דוגמה נוספת היא פיתוח של חומרים מונעי תקשורת בין חיידקים. זוהי כעין "מלחמה אלקטרונית". כאשר מפריעים לתקשורת בין החיידקים, מקבלים החלשה של הביופילם ומקנים יתרון למערכת החיסון שלנו. מצד אחר, העובדה שלא הורגים את החיידקים באופן ישיר מורידה באופן משמעותי את הלחץ הסלקטיבי של החיידקים לפתח עמידות.

האם הפתרונות שאתה מציע, כגון שיטת הסוס הטרויאני והשימוש בסופח היונים EDTA, אינם מסוכנים לבני-אדם?

השיקול הוא תמיד עלות מול תועלת. גם לחומרים האנטיביוטיים, שכולנו משתמשים בהם, עלולות להיות תופעות לוואי שליליות. לגבי שיטת הסוס הטרויאני: שני החומרים שנעשה בהם שימוש הם תרופות מוכרות (כל אחד לחוד), ובריכוזים שבהם אנו משתמשים לא צפויות תופעות לוואי. בניסוי בארנבות לא נראו השלכות מזיקות. עם זאת, החומר עדיין רחוק מלהיות משווק ועליו לעבור את אישור מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA).

מה תרצה להוסיף לסיום?

אף שאני מתמקד בדרכים לפגוע בביופילמים, יש לזכור שבמקרים רבים הקרומים החיידקיים משמשים לטובתו של האדם, למשל לטיהור שפכים, לניקוי פסולת מסוכנת וכפילטרים ביולוגיים.

לגבי הלוחמה בביופילמים, אני חושב שאנו נמצאים בתקופה שבה יש הן האפשרות (ההתפתחויות הטכנולוגיות והשיטות שהזכרתי) והן הצורך (בעיית העמידות לחומרים אנטיביוטיים) לחקור את הנושא. ההשלכות הרפואיות שיכולות להיות להבנת מנגנוני הקרומים החיידקיים הן בעלות חשיבות רבה אם ברצוננו לתת מענה לבעיה זו.

לקריאה נוספת

אתר של אוניברסיטת מונטנה, ובו קטעי וידיאו המתארים היווצרות והתפתחות של ביופילמים:

Hall-Stoodley,L., J.W, Costerton, and P.Stoodley. 2004. Bacterial biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nature Reviews 2:95-108.

פורסם ב"גליליאו" גיליון 116, עמ' 68-64, אפריל 2008

חיסון נגד סרטן - דינה וולודרסקי

החיסון נגד נגיף סרטן צוואר הרחם

טיפול בסרטן: מניעה בשלוש רמות

מחלות הסרטן מאופיינות בנוכחות תאים סרטניים בגוף. בתאים אלה התחוללה סדרת מוטציות, שגרמה להם להתחלק באופן בלתי מבוקר. התאים הסרטניים יוצרים גוש או לחלופין מתפשטים, תופסים מקום ומפריעים לאיברים שונים. בשלבים מתקדמים, גם תאים יוצרי-גוש יכולים לנדוד ברחבי הגוף וליצור גרורות - גידולים משניים.

סרטן איננו מחלה אחת, אלא קבוצה של מחלות, וסוג הסרטן נקבע לפי סוג האיבר וסוג התאים שבהם מתפתח הגידול. לימפומה, למשל, היא סרטן של קשרי הלימפה, ואילו מלנומות הן גידולים ממאירים של התאים המייצרים את הפיגמנט מלנין.

מחלות הסרטן הן אחד האתגרים החשובים ביותר העומדים בפני הרפואה המודרנית. בכל שנה מאובחנים בישראל כ-23,500 חולים חדשים במחלות השייכות לקבוצת מחלות הסרטן. אפשר להתייחס לטיפול בסרטן כאל מניעה בשלוש רמות: מניעה ראשונית היא מניעה של הופעת הגידול מלכתחילה, על-ידי צמצום החשיפה לגורמי הסיכון. מניעה שניונית מוגדרת כהגבלת ממדי הגידול, וזו נעשית בעיקר באמצעות אבחון מוקדם. מניעה שלישונית היא חסימת ההתפשטות של גרורות.

מובן שמניעה ראשונית באוכלוסייה בריאה היא האפשרות המועדפת, ואכן נעשית הסברה רבה על גורמי סיכון כגון עישון, אלכוהול, קרינה, מאכלים שומניים וכדומה. לאחרונה התפתח ענף חדש בתחום המניעה הראשונית - פיתוח חיסונים כנגד נגיפים הגורמים לסוגי סרטן מסוימים.

חיסון נגד דלקת כבד (הפטיטיס) מסוג B, לדוגמה, הוריד מאוד את התחלואה בסרטן הכבד, ואילו החיסונים החדשים נגד נגיף הפפילומה מהווים פריצת דרך רפואית, ומצליחים למנוע ביעילות הקרובה ל־100 אחוזים הידבקות בנגיפים הגורמים לסרטן צוואר הרחם.

נגיף הפפילומה והסרטן

נגיפי הפפילומה נפוצים הן באדם והן בבעלי-חיים אחרים, מדביקים את העור ואת הרקמות הריריות ומועברים בעיקר ביחסי מין. למעשה, נגיפים אלה הם גורם המחלה הנפוץ ביותר המועבר ביחסי מין. באדם זוהו יותר מ־100 זנים שונים של נגיף הפפילומה של האדם (HPV, human papilloma virus); רוב הזנים גורמים ליבלות, בדרך-כלל על איברי המין, ואילו קבוצה קטנה מעורבת בהתמרה סרטנית.

תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים של נגיפי פפילומה של האדם (הצבעים הוספו לתמונה לשם הדגשה)

למשל, הזנים המכונים HPV16 ו-HPV18  שייכים לקבוצה המסוכנת ואחראים לכ-70% ממקרי סרטן צוואר הרחם. לעומתם, הזנים HPV6 ו-HPV11 אחראים ליבלות באיברי המין.

נגיף הפפילומה חודר דרך פצעים זעירים ברקמת העור, ומדביק את התאים הבזליים (תאים בשכבה התחתונה של אפיתל העור, שעדיין אינם ממוינים). מחזור הרבייה של הנגיף מתואם עם התמיינות התאים. עם החדירה לתא הבזלי, הנגיף גורם להגברת קצב החלוקה של התאים, דבר המביא ליצירת יבלת על פני העור. אם הזן המדביק נמנה עם הזנים הגורמים לסרטן, התאים שנדבקו מאבדים את היכולת להתמיין (לקבל תפקיד מוגדר). לעומת זאת, בזנים גורמי-היבלות הנגיפים מבשילים לאורך תהליך התמיינות התא, ולבסוף נוצרים נגיפים חדשים. כאשר התאים מגיעים לשכבה העליונה של העור ומתים - שהרי השכבה העליונה ביותר של העור, החשופה לפגעי הסביבה, מורכבת מתאים מתים - הנגיפים יוצאים מהם.

תרשים של איברי הרבייה של האשה

החומר התורשתי של נגיפי הפפילומה הוא DNA שצורתו מעגלית. בתא שמתחוללת בו התמרה סרטנית, מולקולת ה-DNA המעגלית של הנגיף נפתחת, משתלבת בתוך ה-DNA הגרעיני של התא ומשתכפלת במהלך חלוקת התא. בתא שאינו עובר התמרה סרטנית, ה-DNA הנגיפי מתקיים באופן חופשי בגרעיני התאים המודבקים, כלומר מצוי כאפיזום.

החלבונים המקודדים על־ידי ה-DNA הנגיפי מבוטאים בתאים מודבקים (לא סרטניים) בהדרגה: תחילה הגנים המכונים ״הגנים המוקדמים״, הקשורים בשכפול החומר התורשתי הנגיפי, ולאחר מכן ״הגנים המאוחרים״ המקודדים יצירת חלבונים של המעטפת החלבונית (קפסיד) של הנגיף.

בעוד שהגנים המאוחרים פעילים רק בשלבים האחרונים של התמיינות התאים, ואינם פעילים כלל במצבים ממאירים, הגנים ה״מוקדמים״, המכונים E6 ו-E7, הם בעלי תפקיד בהתמרה הסרטנית. גנים נגיפיים אלה אחראים ליצירת חלבונים המפריעים לפעולתם של חלבונים תאיים, המעורבים בהגנה על התא מפני שינויים ממאירים. החלבונים הללו מקודדים על-ידי גנים הנקראים "גנים מדכאי גידולים”(Tumor suppressor genes), משום שתפקידם לעכב את מחזור התא או לגרום ל״התאבדות״ (אפופטוזה) של התא אם נגרם נזק בלתי הפיך ל-DNA שלו. כאשר החלבונים הנגיפיים מעכבים את ״מדכאי הגידולים״ של התא, תאים שה-DNA שלהם ניזוק יכולים להתחלק ולהתרבות.

מחקרים העלו כי ה-DNA הנגיפי של נגיף הפפילומה, ה-HPV, נמצא ב-99.7% מדגימות התאים של סרטן צוואר הרחם. אף על פי כן, חשוב להבין שההדבקה כשלעצמה אינה מהווה תנאי מספיק להתפתחות גידול סרטני, אלא דרושים אירועים נוספים. יתר על כן, הנגיף יכול להישאר במצב בלתי פעיל במשך שנים מרגע ההדבקה. למרבה המזל, אפילו ההדבקה בזנים המסוכנים ביותר של הנגיף אינה מובילה בדרך-כלל למחלה, הודות למערכת החיסון של הגוף, המצליחה כרגיל להתגבר על הנגיף.

מדוע חיסון?

חיסון הוכח זה כבר כאמצעי היעיל ביותר למלחמה במחלות זיהומיות. החיסון המונע ניתן לאנשים בריאים על מנת למנוע הידבקות במחלה טרם החשיפה לגורם הזיהומי, ותופעות הלוואי של החיסון הן לרוב מצומצמות.

הטיפול המוצלח ביותר בסרטן הוא למנוע את המחלה - אך קשה למדי להימנע לחלוטין מגורמים מסרטנים. לפיכך, אין זה מפתיע שרעיון החיסון נגד סרטן קסם לרבים. ביוני 2006 אישר מנהל המזון והתרופות האמריקני (FDA) את השימוש בתרכיב החיסון גרדסיל (Gardasil) של חברת מרק (Merck). זהו חיסון מונע כנגד נגיף הפפילומה של האדם. תרכיב חיסון נוסף, הקרו סרבריקס (Cervarix), שמייצרת חברת גלקסו-סמית-קליין (GlaxoSmithKline), כבר אושר לשימוש באוסטרליה.

פיתוח החיסון

הידע הקיים בתחום החיסונים נגד סרטן הצטבר בעיקר בעקבות ניסויים בבעלי־חיים. המודלים המקובלים הם השתלת גידולים בגופם של בעלי-החיים; או השריית גידולים באמצעות חשיפה לגורמים מסרטנים; או השריית שינויים גנטיים מכוונים.

קצב התקדמות הגידול בעכברים מהונדסים גנטית הוא אטי יחסית לקצב התקדמות גידול המושתל בעכבר, ולפיכך מתאפשרת אינטראקציה בין הגידול לבין מערכת החיסון של העכבר. בפיתוח החיסון נגד נגיף הפפילומה, נעשו ניסויים רבים בזני נגיף שאינם מדביקים בני-אדם, משום שזני הפפילומה של האדם (הזנים ה״אנושיים״), כשמם כן הם - מדביקים בני-אדם בלבד.

במקרה של נגיף הפפילומה של האדם, חיסון המבוסס על נגיף מוחלש אינו אפשרי בשל הסכנה שבדבר: כאמור,

הנגיף מכיל גנים המעודדים התמרה סרטנית (אונקוגנים).

החיסון פותח לבסוף בשיטות של הנדסה גנטית, תוך שימוש בחלבון הנגיפי L1 כאנטיגן, קרי, מולקולה המעוררת את מערכת החיסון לייצר נוגדנים כנגדה. החלבון L1 הוא אחד החלבונים ה״מאוחרים״ של הנגיף, והוא אחד החלבונים החשובים במעטפת החלבונית של הנגיף. החיסון איננו מכיל, אם כן, חומר תורשתי נגיפי, היכול לחדור לתאים ולעבור שכפול, אלא רק חלבון אחד של הנגיף, ולכן איננו עלול לגרום להתמרה סרטנית.

בשלב הניסויים הקליניים בבני-אדם, נעשו ניסויים בחיסונים המבוססים על תערובות של חלבון L1 מזני הנגיפים המסוכנים ביותר. תרכיב החיסון הראשון שאושר לשימוש הוא הגרדסיל.

תרכיב הגרדסיל

הגרדסיל הוא חיסון"מרובע״, המבוסס על חלבון L1 של נגיפי הפפילומה מזנים HPV16 ו-HPV18 כנגד סרטן צוואר הרחם, והזנים HPV6 ו-HPV11 כנגד יבלות על איברי המין. בעזרת תאי שמרים יצרה חברת מרק חלקיקים דמויי- נגיף (virus like particles), שהם חלקיקים בעלי מעטפת חלבונית של הנגיף, אך חסרים את החומר התורשתי הנגיפי. חלקיקים אלה מסוגלים לעורר את מערכת החיסון, אך אינם מסוכנים, כיוון שאין בהם DNA, ולכן אינם יכולים להדביק תאים או להתרבות בהם.

כמקובל בחיסונים, גרדסיל כולל לא רק את החומר הפעיל, אלא גם חומר שנועד להגביר את התגובה החיסונית (adjuvant). במקרה זה, משתמשים במלחי אלומיניום.

המחקר הקליני נערך על 12,000 נשים צעירות ובריאות בגילים 26-16. טווח גילים זה נבחר לצורך המחקר הראשוני על סמך ההנחה, שאלה הם הגילים שבהם רוב הנשים באות במגע מיני עם בני-זוג חדשים ונשקפת להן סכנת הדבקה. כל נערה או אשה קיבלה את חיסון הגרדסיל או פלסבו (כביקורת). המחקר היה כפול־סמיות (double blind), כלומר, המידע על השתייכותה של כל משתתפת לקבוצת הניסוי או לקבוצת הביקורת נשאר חסוי הן מן הרופאים והן מן הנשים המשתתפות. החיסון ניתן ב־3 מנות, כאשר זמן מתן החיסון הראשון הוגדר כזמן 0, החיסון השני ניתן לאחר חודשיים והחיסון השלישי לאחר 6 חודשים. מן המחקר עולה כי במהלך תקופת המעקב החיסון היה יעיל ב־100 אחוזים במניעת הופעת יבלות ושינויים טרום- סרטניים שגורמים ארבעת זני הנגיף שנגדם כוון. התברר כי לא היה יתרון למחוסנות מבחינת עמידותן לנגיפי פפילומה מזנים אחרים. כן נמצא כי התגובה לחיסון מתחילה כ-3 חודשים לאחר מתן החיסון הראשון, ומגיעה לערכה המרבי כחודש לאחר מתן החיסון האחרון. ממחקרים נוספים שנערכו על קבוצות נוספות עלו תוצאות דומות.

בהמשך נערכו שני מחקרים נוספים להערכת התגובה החיסונית (כמות הנוגדנים) בעקבות החיסון בילדות ונערות בגילים 15-9, על מנת להעריך את יעילות החיסון גם בגילים צעירים. נמצא שהיעילות דומה, ולכן אושר החיסון גם לגילים אלה.

המסקנות על יעילות החיסון מוגבלות לטווח זמן של כ-5 שנים מרגע החיסון, שכן הניסויים הקליניים הופסקו לאחר פרק זמן זה מסיבות אתיות - כדי לאפשר לנשים שהשתייכו לקבוצות הביקורת לקבל את החיסון, שהוכח כיעיל.

תרכיב הסרבריקס

תרכיב הסרבריקס (Cervarix) מיועד כנגד הזנים HPV16ו-HPV18 (הגורמים להתמרה סרטנית) בלבד, והמחקרים בו נערכו בנשים שגילן עד 45, במטרה לאשר את השימוש בו גם לאוכלוסייה זו.

גם חיסון זה מבוסס על יצירת חלקיקים דמויי-נגיף הכוללים את החלבון הנגיפי L1, אך המערכת שבה פיתחו החוקרים את החלקיקים המהונדסים היא תאי חרק (לעומת מערכת תאי שמרים בתרכיב הגרדסיל). הבדל נוסף הוא שימוש בתכשיר מיוחד (תערובת המכונה AS04) כמסייע לתגובה החיסונית (לעומת מלחי אלומיניום בחיסון הגרדסיל), כדי לקבל תגובה חיסונית בעלת יעילות גבוהה יותר ולהאריך את משך ההגנה שמקנה החיסון.

מי צריך להתחסן?

רצוי לקבל את החיסון טרם תחילת קיום יחסי מין. עם זאת, גם נשים שנדבקו באחד הזנים לפני החיסון תזכינה בהגנה מפני הזנים האחרים. נוסף על כך, ייתכן שהחיסון ימנע או יצמצם את העברת הנגיף לבן הזוג. כמו כן ייתכן, שמתן החיסון לנשים הסובלות מיבלות באיברי המין יצמצם את העברת הנגיף ליילוד (הנגיף עלול לגרום לכשלי נשימה ביילודים). אף שלא נתגלו בעיות בנשים הרות שהשתתפו בניסוי, חיסון נשים בהיריון אינו מומלץ בשלב זה, משום שהיתה קבוצה קטנה למדי של אוכלוסייה זו בין המשתתפות במחקר.

האם גם לגברים כדאי להתחסן? יעילות החיסון בגברים נחקרת כעת. סביר להניח שחיסון זה יוכל לצמצם את התחלואה בסרטן פי הטבעת, בסרטן הפין (איבר הזכרות) ובסרטן הלוע והפה, הנגרמים אף הם בסבירות גבוהה כתוצאה מהדבקה בנגיף הפפילומה, בדרך-כלל בעקבות קיום יחסי מין. מובן שחיסון הגברים יסייע גם בהגנה על הנשים מהדבקה בנגיף במהלך יחסי מין. חברת מרק עורכת בימים אלה ניסוי על מנת לבדוק את יעילות החיסון בגברים, אף שיש מדינות, ובהן אוסטרליה ובריטניה, שאינן ממתינות לתוצאותיו. מכל מקום, בישראל חיסון הגרדסיל מאושר כיום לשימוש לנערות ולנשים בגילי 26-9.

האם יט סכנה בחיסון?

חיסון המיועד לאוכלוסייה בריאה מעורר תמיד חשד רב יותר מאשר תרופה שנועדה לרפא מחלה באדם חולה. תופעות הלוואי, הנסבלות אולי לדידו של מי שאין לו ברירה, הן חמורות בהרבה מנקודת מבטו של מי שרוצה להתחסן בפני מחלה אפשרית עתידית. כך, לדוגמה, במחלת המלנומה ישנו טיפול שתופעת לוואי שלו היא הופעת אזורי עור נטולי פיגמנט (התופעה מכונה vitiligo). בעוד שעבור החולים תופעת לוואי זו מהווה הוכחה ליעילות הטיפול, מובן שחיסון מונע (לאוכלוסייה בריאה) הגורם לתופעת לוואי כה קשה - לא יאושר.

במחקרים לגבי החיסונים החדשים לא נתגלו תופעות לוואי חמורות. התקבלו בעיקר דיווחים על חום חולף או נפיחות קלה במקום ההזרקה. לגבי דיווחים חמורים יותר, לא הוכח קשר סיבתי למתן התרכיב. החוקרים בדקו גם, אם חיסון כנגד ארבעה זני נגיף מסוימים יגרום לעלייה בתחלואה כתוצאה מזני הנגיף האחרים. בזמן המחקר לא נראו עדויות לתופעה כזו, ממצא התואם את המצופה, שכן לא ידוע על תחרות בין הזנים.

אף על פי כן, יש לזכור כי משך הניסויים היה קצר יחסית, ודרושים מחקרים נוספים׳ על מנת להסיק מסקנות ארוכות-טווח יותר.

אמצעים אחרים

ברמת מניעת ההדבקה, ישנן ראיות לכך שאמצעים נוספים (כגון שימוש בקונדומים ומילת גברים) יכולים לצמצם את העברת הנגיף, אם כי יעילות החיסון גבוהה יותר במניעת ההדבקה. ובכל זאת, מכיוון שהחיסון אינו מגן מפני כל זני הנגיף המסוכנים וכן אינו מועיל כנגד הדבקה קיימת, אין הוא מבטל את הצורך בשיטות הסקר המוקדם כגון משטחי צוואר הרחם (Pap smear; ראו תיבה). שילוב השיטות הקודמות עם החיסון החדש מסתמן כדרך המניעה הרצויה: מחקרים הראו, כי דרך המניעה הטובה ביותר היא קבלת תרכיב חיסון נגד הנגיף בגיל העשרה, ובדיקות משטחי צוואר הרחם החל מגיל 25.

מבט לעתיד

החיסון, כאמור, מהווה פריצת דרך רפואית משמעותית. עם זאת, רבות הן השאלות שטרם קיבלו מענה ודורשות מחקר המשך. בראש ובראשונה, יש להמשיך לבחון את בטיחות החיסון. נוסף על כך, יש לבנות מודל מתמטי שיקבע מהו החיסון המיטבי. על מודל כזה להביא בחשבון גורמים רבים: מספר זני הנגיף שכנגדם יפעל החיסון, אוכלוסיית היעד (מין, גיל, אוכלוסיות מיוחדות כגון מדוכאי חיסון), החלבון הנגיפי שעליו מבוסס החיסון (האם לכלול בחיסון גם חלבון נגיפי נוסף?). כמו כן יש לברר באיזו מידה יעיל החיסון כנגד סוגי סרטן נוספים הנגרמים כתוצאה מנגיף הפפילומה.

סוגיית עלות החיסון גם היא קריטית, במיוחד לאור העובדה כי במדינות מתפתחות סרטן צוואר הרחם הוא נפוץ מאוד ותכניות המניעה והסריקה המוקדמת אינן נגישות.

הוזלת מחיר החיסון תתאפשר אם תפותח שיטה לחיסון בלא צורך במחטים (השימוש במחט הזרקה מחייב כוח אדם מיומן וציוד חד־פעמי); בלא צורך בקירור (על מנת לאפשר את הובלת החיסון בלא תנאים מיוחדים); ומתן חד־פעמי של החיסון (במקום הטיפול בשלוש מנות הניתן כיום).

נוסף על כך, יש לבדוק כיצד יפעל החיסון לא רק כמניעה, אלא גם בעידוד למערכת החיסונית כנגד גידול קיים.

בדיקת משטח צוואר הרחם

בדיקת משטח צוואר הרחם (Pap smear) נקראת על שם ממציאה, רופא בשם ג׳ורג' פאפאניקולו (Papanicolaou), שהגה את הרעיון בשנת 1920. בדיקת משטח צוואר הרחם היא בדיקה ציטולוגית, שבה נוטלים דגימת תאים מצוואר הרחם, והתאים נבדקים כדי לגלות אם התחוללו בהם שינויים טרום-ממאירים. ממצאים לא-תקינים של המשטח מחייבים בדיקת קולפוסקופיה (בדיקה של צוואר הרחם באמצעות מיקרוסקופ מיוחד), המאפשרת לאתר את מקור התאים הלא-תקינים. בדיקת משטח צוואר הרחם נערכת כפעם בשנה, לכל אשה המגיעה לביקורת שגרתית אצל רופא הנשים. בארצות-הברית ובמדינות מפותחות אחרות פחת שיעור התמותה מסרטן צוואר הרחם בעשרות אחוזים מאז הונהגה הבדיקה באופן שגרתי. נוסף על בדיקת משטח צוואר הרחם, אפשר לאסוף מצוואר הרחם תאים ולבדוק אם הם מכילים DNA של נגיף הפפילומה. בדיקה זו היא רבת-ערך, שכן היא מאפשרת זיהוי של הנגיף גם אם הוא מצוי במצב רדום ואינו פעיל בעת הבדיקה.

תאים מבדיקת פאפ - לאבחון גידולים בצוואר הרחם. משמאל תאים תקינים, מימין תאים מודבקים בנגיפי פפילומה.
המקור: Ed Uthman, Flicker

תודה לפרופ׳ סטלה מיטרני־רוזנבאום על הערותיה המועילות.

דינה וולודרסקי היא תלמידת מחקר במכון ויצמן.


לקריאה נוספת

Your disease Risk - אתר מידע למניעת מחלות מטעם מרכז סייטמן לחקר הסרטן

דף סרטן צוואר הרחם באתר NCI, המכון הלאומי לחקר הסרטן בארצות-הברית

מרכז המידע של ארגון הבריאות העולמי (WHO/ICO) על HPV וסרטן צוואר הרחם

אתר על סרטן צוואר הרחם מטעם חברת מרק, יצרנית גרדסיל


פורסם בגליליאו 115, מרץ 2008

חיידקים מביאים את הגשם - רועי צזנה

מסביב לחיידקים נוצרים גבישי קרח זעירים, שמושכים אליהם טיפות מים נוספות והולכים וגדלים כל העת, עד נפילתם לקרקע. אפשרי שנמצאה דרך נדידה חדשה לחיידקים

כבר מזה זמן רב אנו מודעים למעורבותם של מיקרואורגניזמים, כגון חיידקים ופטריות, בכל תחומי החיים. שמרים מייצרים עבורנו אלכוהול, פטריות חיות ביחסי-גומלין עם עצים רבים ומסייעות להם לגדול, חיידקים קיימים במעינו ומעכלים עבורנו את המזון הקשה יותר לעיכול, והפלנקטון מספק כמות עצומה של חמצן לאטמוספירה. אך במחקר שנערך לאחרונה התגלה כי לחלק מהחיידקים יש יכולת להשפיע ישירות על האקלים של כדור-הארץ.

המחקר התפרסם בשבוע האחרון בכתב העת היוקרתי Science, והוא מאשש את תיאוריית הביו-משקעים. במילים פשוטות, המחקר מוצא קשר בין חיידקים לבין גשם. לטענת ברנט כריסטנר, כותב המאמר ופרופסור למדעי הביולוגיה באוניברסיטת לואיזיאנה, קיים מאגר עשיר של חיידקים באטמוספירה. מסביב לחיידקים נוצרים גבישי קרח זעירים, שמושכים אליהם טיפות מים נוספות והולכים וגדלים כל העת. כאשר הם נהפכים לכבדים מדי, הם נופלים לקרקע בצורת גשם. החיידקים ששורדים את התהליך ונופלים על צמחים יוצרים מושבות, ואלו נסחפות על-ידי הרוח ומוחזרות לאטמוספירה. כך חוזר על עצמו מעגל הביו-משקעים.

חיידקים  במי גשם
Brent Christner/Louisiana State University

רעיון לא חדש

על אף שהרעיון עצמו הוצע כבר לפני 25 שנה על-ידי דיוויד סנדס, הוא לא התקבל ברצינות מצד רוב המדענים. כריסנר בחן במחקר החדש משקעים מאיזורים שונים בעולם והראה שגרעיני הקרח היעילים ביותר ליצירת גשם הם ביולוגיים במקורם. לתגלית חשיבות גדולה, שכן יצירת גבישי הקרח בעננים נחוצה לנפילת שלג ורוב משקעי הגשם. גם חלקיקי אבק ופיח יכולים לזרז יצירת גרעיני קרח, אך חלקיקים ביולוגיים יכולים ליצור קרח בטמפרטורות גבוהות יותר.

המחקר עשוי להשפיע על הדרך בה אנו רואים מערכות אקולוגיות, וכיצד נוכל לשנותן. מחקרים עוקבים ופיתוחים ביו-טכנולוגיים יוכלו לצמצם את איזורי המדבריות ולהגדיל את יצירת הגשם בעולם, בעזרת עידוד של מחזור הביו-משקעים. אתרי גידול חיידקים שימוקמו באיזורים מוכי-רוחות יוכלו לספק זרזים לירידת הגשם. הגשם יכיל את אותם החיידקים שישובו לאתרי הגידול המקוריים, וכך יחזור המעגל על עצמו.

ברנט כריסנר, פרופסור למדעי הביולוגיה, אוסף דגימות משקעים באנטרקטיקה. המסקנות מן המחקר פותחות דלת נוספת למחשבה, בין היתר בשל העובדה שרוב החיידקים היוצרים גבישי קרח בעננים גם גורמים למחלות בצמחים. עד עתה התמקד המחקר במחלות הצמחים בשלב בו החיידקים כבר נמצאים בצמח, אך התעלם מדרך ההגעה שלהם אל הצמח. עתה נראה כי לחיידקים הגורמים למחלות בצמחים, קיים שלב העברה דרך האטמוספירה כולה. בדרך זו החיידקים יכולים לעבור דרך ארוכה מאד – לכל אורכו ורוחבו של כדור-הארץ – בזמן קצר ביותר.

מודלים דומים הוצעו גם לגבי הגורמים למחלות מדבקות שונות באדם, כגון וירוס השפעת אשר מועבר מסביב לעולם בדרכים שונות. לא ניתן לפסול את האפשרות שבין המיקרואורגניזמים השונים המעורבים במחזור הביו-משקעים יתגלו גם חיידקים ווירוסים הגורמים למחלות אנושיות. מודלים מתמטיים שיפותחו בהתאם יהיו עשויים לחזות את נדידתן של מחלות מדבקות באטמוספירה, בדומה לדרך בה החזאים כיום מבשרים על בוא הגשם.

פורסם ב"מים והשקיה": ירחון ארגון עובדי המים , 496: 51, 2008

מאדים - תקווה לחיים שנגוזה (בינתיים)? - עידן פייביש

עקבות החיים במטאוריט המפורסם ממאדים נוצרו בתהליכים גאוכימיים קדומים

המטאוריט Allan Hills התגלה בשלהי שנת 1984 בגבעות אלן שבאנטארקטיקה; שמו המקוצר ALH84001. המטאוריט שהה במקום כ-13,000 שנה מאז נפילתו על הארץ ועד שנתגלה. גוש הסלע, שמסתו כשני קילוגרמים, הצליח להצית פולמוס סוער בקהילה המדעית, וחולל דיון סוער בסוגיית קיומן של צורות חיים מיקרוסקופיות שנמצאו, כביכול, בתוכו. דיווח על מחקר שהתפרסם לאחרונה קורא תיגר על המסקנות שהוצגו לפני כעשור, ומביא הסבר חדש לממצאים.

בקיץ שנת 1996 התפרסם בשבועון המדע Science מחקר של האסטרוביולוג ד”ר דייוויד מקאי (McKay), ראש מדעני נאס”א, ושל אנשי צוותו, שעסק במטאוריט. מאנליזות שנערכו במטאוריט עלו שתי מסקנות עיקריות : הראשונה, שלגביה לא היה כמעט ויכוח, היא כי בתקופה שלפני 3.5 מיליארדי שנים — אז היה עדיין המטאוריט חלק מכוכב-הלכת השכן — היו במאדים מים זורמים בשפע. עובדה זו עולה בקנה אחד עם תמונות של מאדים ששידרה החללית מרינר בשנות השבעים, שבהן נראו ערוצים הנראים כערוצי נחלים. העדויות הכימיות למים זורמים בעברו של מאדים מתבססות על תכולת המינרלים והפחמות שבאדמתו, כדוגמת המינרל הֶמָטיט (Fe₂O₃).

אם נכון הדבר — היכן המים היום? סביר להניח, כי עם חלוף הזמן התאדו חלק ממאגרי המים או הועפו ברוח השמש, שהיא חזקה על פני מאדים מאחר שהוא נטול שדה מגנטי של ממש, ואילו המים שנותרו חלחלו בקרקע והפכו לקרח.

המסקנה השנייה , שעוררה ויכוח מדעי ותקשורתי שהדיו נשמעו עד לא מזמן, היתה בדבר קיומם של אורגניזמים מיקרוסקופיים מאובנים. חסידי השערה זו התבססו על מבנה דמוי -תולעת, קטן ממדים, שצולם מבעד למיקרוסקופ אלקטרונים, וכן על בדיקות איזוטופיות (תהליכים ביוכימיים מבדילים פעמים רבות בין איזוטופים שונים של אותו יסוד), שהעלו תוצאות דומות לאלה שמעלות בדיקות של ארכאונים (Archaea) ארציים אל-אווירניים מתאנוגניים (יוצרי מתאן - CH₄). כמו כן נמצאו במטאוריט גם תרכובות אורגניות ומינרלים העשויים להעיד על עקבותיהם של יצורים חיים. דוגמה אחת לכך היא פחמימנים בֶּנזֶנים רב-טבעתיים (PAH, Polycyclic benzenoid Aromatic Hydrocarbons), שעל פני כדור-הארץ נמצאים בצמחים או נוצרים כתוצאה מבערת תרכובות פחמימניות. במטאוריט נמצאו גם גופיפים כדוריים המכילים סידן פחמתי כמינרל גירי (CaCO₃), הידוע כמרכיב שכיח בסלעי משקע ארציים, אך נדיר במטאוריטים. תרכובת זו נוצרת על כדור-הארץ כתוצאה מהשקעת סידן בתהליך ביומינרליזציה, המתרחש בעיקר בבניית השלד החיצוני של חסרי-חוליות. מינרלים נוספים שנמצאו במטאוריט HLA הם תחמוצות ברזל, דוגמת מגנטיט (Fe₃O₄) הקיימות בסלעי יסוד ובסלעי משקע ארציים וכן בחיידקים ארציים, וכן ברזל גפרי (FeS) המאפיין תוצרי פסולת של אורגניזמים ארציים.

פיסה מהמטאוריט Allan Hills תחת מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). חיים מיקרוסקופיים קמאיים או התגבשות של תרכובות מינרליות במבנה דמוי-תולעת? באדיבות NASA

חוקרים במעבדה הגאופיזית במכון קרנגי, וושינגטון הבירה, בשיתוף עם חוקרים נורבגים, ניתחו את התרכובות האורגניות ואת המינרלים שנמצאו במטאוריט ממאדים, והראו לראשונה כי אבני הבניין של החיים על פני כדור-הארץ (העשויות חומרים פחמימניים) יכלו להיווצר בעבר הרחוק של כוכב-הלכת האדום.

והנה, מאמרם של אנדרו סטיל (Steele) ועמיתיו, שפורסם לאחרונה ב-Science, מציע הסבר גאוכימי, ולא ביוכימי, להיווצרות הממצאים במטאוריט. החוקרים הסתמכו על תהליך ארצי ידוע, שבו נוצרו סלעים עקב התפרצויות געשיות בטמפרטורות נמוכות באקלים הארקטי המאפיין את ארכיפלג Svalbard בנורבגיה לפני כמיליון שנה. תנאים אלה דומים, לדעת החוקרים, לתנאי האקלים של מאדים הקדום. בסלעים מכדור-הארץ, כמו גם במטאוריטים אחרים שהגיעו ממאדים, נמצא קשר הדוק בין המינרל מגנטיט לבין התרכובות האורגניות. מתברר כי לאחר ההתקררות של אותם סלעים וולקניים ארציים, נוצרו התרכובות האורגניות מתמיסות עשירות בפחמן דו-חמצני בתיווכו של המגנטיט, כזרז, בלא השתתפותם של יצורים חיים.

לאור ממצאי מחקר זה, התרכובות האורגניות במאדים היו עשויות להיווצר במהלך שני אירועים נפרדים: האחד - התקררות מהירה של נוזלים תוך כדי יצירת פחמות (תרכובות המכילות יוני CO₃^2-) והאחר - היווצרות תרכובות אורגניות ממינרלים קרבונטיים תוך כדי פגיעת מטאוריט במאדים, שגרם לגוש שהפך להיות המטאוריט ALH להינתק מפני מאדים ולצאת אל החלל הבין-פלנטרי למשך 15 מיליון שנים, טרם הגעתו לכאן. המחקר מרמז על כך שחומרים המופיעים כמרכיבים של יצורים חיים על כדור-הארץ עשויים להיווצר על כוכבי-לכת ארציים-סלעיים קפואים גם בהיעדר חיים.

כוכב-הלכת מאדים בהתקרבותו האחרונה לכדור-הארץ , באוקטובר . 2005 אפשר להבחין בשתי כיפות קרח : כיפה קטנה בחצי הכדור הדרומי של מאדים , ששרר בו קיץ באותה עת , וכיפה גדולה בחצי הכדור הצפוני , שבו היתה זו עונת החורף . כיפות אלה מורכבות בעיקר מפחמן דו-חמצני קפוא )קרח יבש ( . במרכז התמונה אפשר לראות את אחד המדבריות הכהים , הנקרא , Sinus Meridiani שבו נחת רכב השטח הרובוטי אופורטיוניטי ששיגרה נאס"א בינואר . 2004 הרכב הרובוטי מבצע את מלאכתו נאמנה עד עצם היום הזה תצלום : מדריכי מצפה הכוכבים בגבעתיים

החיפוש הבלתי נלאה אחר חיים במאדים קיבל תפנית חדה לאור הפרסום האחרון, לדאבונם של רבים מבין שוחרי המדע הבדיוני. אם לפני מאה שנה עוד היינו מוכנים לקבל את פניהם של הפולשים המיליטנטים ממאדים, הרי עתה נקווה למצוא לכל היותר תצורות חיים מיניאטוריות — אם בכלל. נמצאנו למדים, כי המחקר לא סתם את הגולל על סוגיית החיים בכוכב-הלכת האדום, נהפוך הוא — נפתח צוהר לחקירות מעמיקות נוספות גם בעתיד.

לקריאה נוספת:

המעבדה הגאופיזית, מכון קרנגי למדע, וושינגטון הבירה

המכון לאסטרוביולוגיה, NASA


פורסם ב"גליליאו" גיליון 114, עמ' 15, פברואר 2008.

להרוג את השליח - צחי ארזי וידידיה גפני

השתקת גנים ויישומיה

יג   וַיֹּאמֶר דָּוִד, אֶל-הַנַּעַר הַמַּגִּיד לוֹ, אֵי מִזֶּה, אָתָּה; וַיֹּאמֶר, בֶּן-אִישׁ גֵּר עֲמָלֵקִי אָנֹכִי. ....
טו    וַיִּקְרָא דָוִד, לְאַחַד מֵהַנְּעָרִים, וַיֹּאמֶר, גַּשׁ פְּגַע-בּוֹ; וַיַּכֵּהוּ, וַיָּמֹת.

בשנות החמישים של המאה ה-20 פענחו אנשי המדע את הבסיס המולקולרי להורשת התכונות של היצורים החיים על כדור-הארץ. מולקולת ה-DNA זוהתה כנושאת המידע, ומולקולות החלבונים כמבצעות התהליכים הכימיים של החיים. בשנות השישים זוהו מולקולות ה-RNA-שליח (mRNA) כמתווכות המעבירות מידע ליצירת חלבון מסוים מהגן המתאים במולקולת ה-DNA. המסלול הזה - על פי רצף ה-DNA משועתק mRNA, ועל פי רצף ה-mRNA מסונתז חלבון - כונה "הדוֹגמה המרכזית".

בשנים האחרונות התגלה שבתאים איקריוטיים אכן קיים מנגנון לבקרת ביטוי של גנים המבוסס על RNA. על גילוי זה זכו אנדי פייר וקרייג מלו בפרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 2006

עם השנים הוכנסו שינויים בדוֹגמה זו, אך התפישה הבסיסית, שלפיה הגנים המקודדים לחלבונים הם האחראים היחידים לפעולות החיים בתא, ברקמה וביצור השלם, שלטה עד סוף המאה ה-20. לאחר שהתבססה, בשנות השישים, הופנה מאמץ רב להבנת הבקרה על ביטוי הגנים הרבים והשונים בתא. הגנים בתא, כמו כלי נגינה בתזמורת, פועלים, כך נראה, תחת ניצוח מדויק להפליא, הקובע לא רק אם יהיו פעילים, אלא גם את עוצמת ביטוים. תזמורת הגנים, שכל אחד מהם פועל בזמן ובעוצמה מסוימים, מנגנת יחד את קונצרט החיים. אך מיהו המנצח של תזמורת הגנים? כיצד פועלת מערכת הבקרה הזאת?

בשנת 1969 פרסמו החוקרים רוי בריטן (Berriten) ואריק דוידסון (Davidson) מאמר תיאורטי שבו העלו את האפשרות, שמולקולת ה-RNA היא הבקר העיקרי של ביטוי גנים בתאים איקריוטיים. רעיון זה מקורו במחשבה, שהתאמת בסיסים בין ה-RNA המבקר לגן המבוקר היא דרך אלגנטית לזיהוי ספציפי של הגן הזה. ואולם, עם גילוי גורמי השעתוק - חלבונים המעודדים או מעכבים את היצמדות האנזים RNA פולימראז אל הקַדָם (Promoter), ובכך מבקרים את תהליך השעתוק - נזנח הרעיון שמולקולות RNA אחראיות לבקרת הביטוי של גנים.

נוכחות גן זר בגנום הפטוניה גרמה, בדרך לא-ברורה, ל"השתקת" הביטוי של הגן המקורי התואם לו ברצפו

ברם, בשנים האחרונות התגלה שבתאים איקריוטיים אכן קיים מנגנון לבקרת ביטוי של גנים המבוסס על RNA, או ליתר דיוק, על מולקולות RNA זעירות (small RNAs). כיום מעריכים שלפחות כ-30% מהגנים באדם, ובכלל זה רבים מגורמי השעתוק, מבוקרים בדרך זו. למרבה הפלא, קיומו של מנגנון מרכזי זה נעלם מעיני המדענים עד לאחרונה. גילויו, גילוי שבעקבותיו זכו אנדי פייר (Fire) וקרייג מלו (Mello) בפרס נובל לפיזיולוגיה או רפואה לשנת 2006, מחולל בימים אלו מהפכה בהבנת הביולוגיה של היצורים בעלי הגרעין, והשלכותיו על הביוטכנולוגיה והרפואה הן כה רבות, שלא נוכל לתאר כאן אלא את החשובות שבהן.

להלן נתאר כיצד התגלה מנגנון בקרת הביטוי באמצעות מולקולות RNA זעירות, מהם רכיביו ותפקידיו וכיצד אפשר לנצלו לשימושים ביוטכנולוגיים.

השתקת גנים: מעורבות ה-RNA

בשנות השמונים של המאה ה-20 החלו מדענים ליצור צמחים מהונדסים גנטית, על-ידי החדרת גנים זרים לתוך המטען הגנטי של תאי צמחים. מתאים אלה גידלו החוקרים תרביות, שמהן יצרו צמחים שלמים הנושאים ומבטאים את הגן הזר (הטרנסגן).

בשנת 1990 ערכו החוקרת קרולין נפולי (Napoli) ועמיתיה ניסוי שנועד לברר במדויק את תפקידו של האנזים צ'לקון סינתאז (Chalcone synthase), המעורב בייצור פלבונואידים, צִבענים המקנים צבע סגול לעלי הכותרת של פרח הפטוניה (איור 1 משמאל). החוקרים יצרו צמחי פטוניה טרנסגניים, שהכילו עותקים נוספים של הגן המקודד לצ'לקון סינתאז בפטוניה. החוקרים ציפו לקבל פטוניות המייצרות יותר פלבונואידים, ולכן פרחיהן היו צפויים להיות בעלי צבע סגול עז יותר מפרחי המקור.

למרבה ההפתעה, קרה ההפך הגמור - חלק מהפטוניות הטרנסגניות, אף שהכילו עותקים נוספים של הגן המקודד לצ'לקון סינתאז, ביטאו את האנזים ברמות נמוכות יותר אף מצמח המקור, ולכן נשאו פרחים לבנים באופן חלקי או מלא (איור 1 מימין). מבדיקה לבירור הסיבה לרמות הצ'לקון סינתאז הנמוכות בפטוניות הטרנסגניות בעלות הפרחים הלבנים התברר שאף כי ה-mRNA של הגן המקורי והטרנסגן המקודדים לצ'לקון סינתאז משועתקים בגרעין התא כצפוי, מסיבה לא-ברורה אין הם מצטברים בציטופלזמה לרמות של צמח הפטוניה המקורי, ולכן אינם מתורגמים לרמה מספקת של האנזים צ'לקון סינתאז. רמה נמוכה זו של האנזים אינה מספיקה לייצור פלבונואידים שיקנו לפרחי הפטוניה צבע סגול כלשהו, ולכן הם לבנים. בניסוי המשך גילו החוקרים שהסיבה לרמה הנמוכה של ה-mRNA המקודד לצ'לקון סינתאז היא, שרובו מפורק במהירות עם מעברו מהגרעין לציטופלזמה.

החוקרים הסיקו מניסוי זה שנוכחות גן זר בגנום הפטוניה גרמה, בדרך לא-ברורה, ל"השתקת" הביטוי של הגן המקורי התואם לו ברצפו. החוקרים כינו את התופעה "דיכוי משותף" (co-suppression), מכיוון שביטוי הטרנסגן והגן המקורי התואם לו דוכאו בצמחים הטרנסגניים בעת ובעונה אחת. בתחילה סברו, שתופעת הדיכוי המשותף היא ייחודית לצמח הפטוניה. ואולם, כאשר נוצרו עוד ועוד צמחים טרנסגניים, התברר שתופעה זו מתרחשת במינים רבים של צמחים, ותמיד כתוצאה מביטוי של טרנסגנים בעלי רצף תואם לגן המושתק.

איור 1: יותר זה פחות. צמח הפטוניה שמימין מכיל עותקים נוספים (טרנסגנים) של הגן המקודד לאנזים צ'לקון סינתאז, האחראי לייצור צבען סגול. להפתעת החוקרים, צבעם הסגול של הפרחים לא הוגבר בעקבות זאת, אלא דווקא נעלם. משמאל: צמח פטוניה מקורי לא-טרנסגני.
(Napoli C, Lemieux C, Jorgensen R. (1990), Introduction of a chimeric chalcone synthase gene into petunia results in reversible co-suppression of homologous genes, in: trans. The Plant Cell 2: 279-289.)

זמן קצר לאחר גילוי הדיכוי המשותף, דיווחו ניקולטה רומנו (Romano) וגו'ספה מסינו (Macino) על תופעה דומה בפטריית עובש הלחם (Neurospora crassa). החוקרים החדירו לתאיה של פטרייה זו, שצבעה המקורי כתום, עותק נוסף (טרנסגן) של גן המעורב ביצירה של צבען כתום בפטרייה. להפתעתם הפכו שליש מהפטריות הטרנסגניות ללבנות, במקום לפטריות בעלות גוון כתום חזק. בדיקה של הפטריות הטרנסגניות הלבנות העלתה כי בדומה לדיכוי המשותף בפטוניה, נוכחות טרנסגנים גרמה לירידה חדה ברמת מולקולות ה-mRNA של הגן המקורי התואם להם בציטופלזמה, ולכן לא תורגמה כמות מספקת של האנזים היוצר צבען כתום. מעניין לציין כי לפטריות הביקורת הוחדר קטע לא-שלם של הגן, שאינו מקודד לאנזים פעיל, וגם הוא גרם להלבנה בשליש מהפטריות. החוקרים כינו את התופעה "שיכוך פעולת גנים" (quelling). בניסוי המשך מצאו החוקרים ששיכוך פעולת גנים תלוי בשעתוק mRNA מהטרנסגן ומתרחש לאחר השעתוק.

בשנות השמונים פיתחו וירולוגים של צמחים טכנולוגיה חדישה ללוחמה בנגיפים התוקפים צמחים. השיטה, המבוססת על הנדסה גנטית, כללה החדרת גן של הנגיף התוקף אל המטען הגנטי של צמח. החדרת הגן נועדה להקנות לצמח עמידות בפני נגיף זה, ולעתים קרובות גם בפני נגיפים נוספים בעלי גנום תואם. לדוגמה: נמצא שביטוי גבוה בצמח של הגן המקודד לחלבון המעטפת של נגיף המוזאיקה של הטבק יכול להקנות לצמח עמידות בפני נגיף זה. ההשערה המקובלת היתה, שחלבון המעטפת שנוצר בעודף משבש את יכולת הנגיף התוקף להשלים את מחזור חייו. שיטה זו מכונה עמידות נגזרת מפתוגן (pathogen derived resistance).

ג'ון לינדבו (Lindbo) ועמיתיו חקרו בשנת 1992 את הבסיס המולקולרי לתופעת העמידות הנגזרת מפתוגן. לשם כך יצרו לינדבו ועמיתיו צמחים טרנסגניים המבטאים עותק נוסף של חלבון המעטפת של הנגיף Tobacco etch virus (TEV), נגיף שחומצת הגרעין שלו היא RNA חד-גדילי. לאחר יצירתם, הודבקו הצמחים הטרנסגניים בנגיף ה-TEV, כדי לבחון את עמידותם. החוקרים כללו בניסוי גם קבוצת ביקורת, שלצמחים שבה הוחדר במכוון עותק פגום של הגן לחלבון המעטפת, שאינו אמור להעניק עמידות על פי התיאוריה המקובלת. למרבה פליאתם, גילו החוקרים שחלק מצמחי הביקורת אף הם היו עמידים לנגיף ה-TEV. לאחר שהודבקו בנגיף ה-TEV, הראו חלק מצמחי הביקורת תסמיני מחלה אופייניים כגון עלים מקומטים (איור 2 מימין), אך לאחר זמן-מה, העלים החדשים שגדלו נראו חלקים ובריאים (איור 2 משמאל). בדיקה של הצמחים האלו העלתה שבעלים החדשים מצטבר ה-mRNA של הטרנסגן לרמה נמוכה בהרבה מהצפוי, ולא מצטבר כלל ה-RNA הנגיפי - ומכאן מראם הבריא. הדבקה של צמחים האלו בנגיף ה-TEV ובנגיפים צמחיים אחרים הראתה שצמחים אלו עמידים לנגיף ה-TEV, אך אינם עמידים לנגיפים אחרים, שהגנום שלהם אינו תואם ל-TEV. ממצאים אלו הובילו למסקנה, שנוכחות טרנסגן התואם ברצפו לגן מעטפת נגיפי שלם או חלקי מונעת (משתיקה) בדרך לא-ידועה את הצטברות ה-mRNA שלו ושל ה-RNA הנגיפי התואם לו, ובכך מקנה עמידות.

לאחר כמה ניסויים נוספים הציעו החוקרים מודל ראשוני, המנסה להסביר את תצפיותיהם. על פי המודל, בשלב הראשון מזוהה ה-mRNA של הטרנסגן השלם או הפגום, כנראה בגלל רמת שעתוקו הגבוהה בגרעין, על-ידי האנזים הצמחי RNA-dependent RNA polymerase (RDR), אשר מזרז בציטופלזמה את הפיכת ה-mRNA ממולקולה חד-גדילית למולקולה דו-גדילית. את המולקולה הדו-גדילית מזהה חלבון ציטופלזמי לא-ידוע, המעכל (מפרק) אותה למולקולות RNA זעירות. אלו מונעות בדרך לא-ידועה את הצטברות ה-mRNA של הטרנסגן וה-RNA הנגיפי התואמים להן בתא. מודל זה הצליח להסביר גם את תופעות הדיכוי המשותף ושיכוך פעולת הגנים, שבהן נוכחות עותקים טרנסגנים נוספים המשועתקים ברמה גבוהה בגרעין התא מונעת את הצטברות ה-mRNA שלהם ושל הגן המקורי התואם להם.

איור 2: חיסון אנטי-נגיפי. מימין: עותק שלם או חלקי של הגן המקודד לחלבון המעטפת של TEV הוחדר לטבק, וגרם להתאוששותו מההדבקה בנגיף TEV (העלים החלקים, בחלקו העליון של הצמח). משמאל: צמח ביקורת שהודבק ב- TEVבאותו הזמן, ואין בו עותק של הגן המקודד לחלבון המעטפת של TEV (עלים מקומטים).
(Lindbo J.A., Silva-Rosales L., Proebsting W.M., Dougherty W.G. (1993), Induction of a highly specific antiviral state in transgenic plants: implications for regulation of gene expression and virus resistance. The Plant Cell 5: 1749-1759.)

בסוף שנות השמונים חיפשו מדענים שיטות להגברת הביטוי של גנים צמחיים וזרים על מנת לבחון את פעילותם בתוך הצמח. חלקם השליכו יהבם על שימוש בנגיפים צמחיים שהגנום שלהם הונדס כך שיכיל את גן המטרה, על מנת שיתבטא בדומה לחלבוני הנגיף. לשימוש בנגיפים היו כמה יתרונות: בהשוואה לצמח טרנסגני, העלות היתה אמורה להיות נמוכה ופרק הזמן שיחלוף עד לביטוי הגן המהונדס בצמח המארח - קצר בהרבה. ציפו גם שביטוי הגן יהיה חזק ברוב חלקי הצמח.

על פי המודל של לינדבו, השתקת הגן הושרתה עקב נוכחות RNA דו-גדילי שרצפו תואם לרצף הגן

כאשר נעשה שימוש בנגיפים מהונדסים לביטוי גנים שאינם תואמים ברצפם לגנים של הצמח המארח, התבטאו אלו, כצפוי, ברמה גבוהה ברוב חלקי הצמח. בניגוד לכך, כאשר בוטאו באמצעות אותם נגיפים גנים התואמים ברצפם לגנים של הצמח המארח, הסתבר שבמקום לקבל ביטוי-יתר של הגן המהונדס בצמח, מתרחשת דווקא השתקה של הגן המהונדס, יחד עם הגן הצמחי המקורי התואם לו. יש לציין שהנגיפים המהונדסים שבהם השתמשו החוקרים נושאים את המידע הגנטי שלהם במולקולת RNA חד-גדילית, ההופכת ל-RNA דו-גדילית במהלך התרבותם בתא הצמחי. מכאן שנגיף RNA מהונדס מייצר במהלך שכפולו בתא RNA דו-גדילי של הגן הצמחי שהוחדר לגנום שלו. ממצא זה תאם את המודל של לינדבו, שלפיו תופעת ההשתקה מושרית עקב נוכחות RNA דו-גדילי, שנוצר במקרה שלפנינו עקב שכפול ה-RNA של הנגיף המהונדס, ולא עקב פעילות האנזים הצמחי RDR.

השתקת גן צמחי על-ידי נגיף מהונדס כונתה "השתקה בעזרת נגיף" (Virus Induced Gene Silencing, VIGS) ואומצה במהירות כטכניקה מועדפת לחקר פעילותו של גן צמחי נתון על-ידי השתקתו בצמח (איור 3). לדוגמה: כאשר החדירו לנגיף את הגן המקודד לאנזים צלולוז סינתאז - האחראי ליצירת התאית שבדופן התא הצמחי - הושתק הגן של הצמח, ועלי הצמח הפכו מקומטים ורכים בהיעדר כמות מספקת של תאית בתאיהם.

איור 3: השתקה בעזרת נגיף: עלי הצמח שמימין (מסומנים בחץ) הודבקו בנגיף מהונדס הנושא את הגן הצמחי המקודד לאנזים פִיטוֹאֶן דֶסָטוּרָאז (phytoene desaturase, PDS). אנזים זה מעורב בייצור קרוטנואידים, שהם צבענים המשתתפים בין השאר בהגנת המנגנון הפוטוסינתטי מפני נזקי אור. לאחר ששוכפל הנגיף המהונדס בתאי העלים החדשים, הושתק בהם ה-PDS הצמחי וכתוצאה מכך הופסק ייצור הקרוטנואידים בצמח. בהיעדרם, נהרס המנגנון הפוטוסינתטי בנוכחות אור, והעלים הלבינו. בתמונה משמאל: צמח ביקורת שהודבק בנגיף לא-מהונדס, שאינו מכיל את הגן PDS.

הלכו והצטברו, אם כן, עדויות לכך ש-RNA דו-גדילי הוא הגורם להשתקה של גן בעל רצף תואם לו. אבל ההוכחה החותכת לכך נמצאה רק ב-1998. המחקר שסיפק אותה נועד דווקא לבחון דרכים למניעת ביטוי של גנים בתולעת הטבעתית נמטודה מהמין Caenorhabditis elegans, בעל-חיים פשוט שמרבים להשתמש בו כמודל לחקר התפתחות בבעלי-חיים. עד למחקר זה היה ידוע, שאפשר לשבש ביעילות נמוכה ביטוי של גן בנמטודה באמצעות RNA חד-גדילי משלים (antisense RNA), היוצר זיווג בסיסים עם ה-mRNA של גן המטרה בציטופלזמה, וכך מונע את תרגומו לחלבון. בניסוי שזיכה את מבצעיו בפרס נובל, ביקשו אנדי פייר (Fire), קרייג מלו (Mello) ועמיתיהם לבחון את מנגנון פעולת ה-antisense RNA. הם הזריקו antisense RNA, RNA חד-גדילי ישיר (sense RNA) וגם גרסה דו-גדילית של אותו RNA לתולעים, ובדקו את השפעתם על ביטוי גן מטרה בתולעת. חשוב לציין, שבניגוד לניסויי antisense RNA קודמים, בניסוי זה גרסאות ה-RNA השונות שהוזרקו נוקו כך שהכילו 100% של המולקולות הרצויות. לפי הידוע עד אז, מכיוון ש-sense RNA ו-RNA דו-גדילי אינם יכולים ליצור זיווג בסיסים עם תעתיק המטרה בדומה ל-antisense RNA המשלים לו, הזרקתם לא היתה אמורה להשפיע על ביטוי גן המטרה, ולכן שימשו כביקורות שליליות.

להפתעת החוקרים התברר, שדווקא RNA דו-גדילי, שלכאורה אינו יכול ליצור זיווג בסיסים עם תעתיק המטרה, השתיק את הביטוי של גן המטרה ביעילות הגבוהה ביותר. עוד נמצא כי אפקט ההשתקה נגרם על-ידי הרס ה-mRNA התואם לו ולא בדרך אחרת (איור 4). למעשה יעילות ההשתקה היתה כה גבוהה, שהזרקה של מולקולות בודדות של RNA דו-גדילי הספיקה לגרום להרס כמות גדולה הרבה יותר של mRNA המטרה, ומכך הסיקו החוקרים שבמנגנון ההשתקה חייב להיות מעורב אנזים או אפקט הגברה כלשהו. עוד מצאו החוקרים שהשתקה של גן על-ידי ה-RNA הדו-גדילי מתאפשרת רק בתנאי ש-RNA זה תואם לחלקים מרצף הגן המצויים ב- mRNA, ואינה מתרחשת כאשר ה-RNA הדו-גדילי תואם לְאינְטרון או לקדם. כמו כן הדגימו החוקרים, כי ה-RNA הדו-גדילי גורם לייצור עותקים נוספים של עצמו, מתפשט לתאים נוספים ואף עובר לצאצאי התולעת המוזרקת. החוקרים כינו את התופעה RNA מפריע (RNA interference = RNAi. וראו מילון המונחים בסוף המאמר).

בניגוד לעדויות קודמות בצמחים ובפטריות לגבי מעורבותו של RNA דו-גדילי בהשתקה, הניסויים שערכו פייר, מלו ועמיתיהם הוכיחו באופן ישיר וחד-משמעי ש- RNAדו-גדילי הוא הגורם האחראי להשתקה, וסיפקו הסבר משכנע גם לתופעות ההשתקה השונות שתוארו עד אז רק בצמחים ובפטריות. מאוחר יותר, ניסויים רבים אחרים איששו את ממצאיהם של פייר ומלו, ואישרו כי RNA דו-גדילי הוא יעיל ביותר בהשתקת גן בעל רצף תואם לא רק בתולעים, אלא גם בפטריות, בצמחים, בזבובים, בדגים, בעכברים ואף בתאי אדם. שנה לאחר מכן בודד קרלו קוגוני (Cogoni) ועמיתיו מוטנט של עובש הלחם שאיבד את יכולת ההשתקה. החוקרים מצאו, כי הגן הפגום במוטנט זה, במצבו התקין, הוא המקודד לאנזים RDR, ההופך RNA חד-גדילי ל-RNA דו-גדילי. ניסוי זה אישש את המודל של לינדבו והוכיח כי האנזים RDR חיוני להשתקה בפטריות. בהמשך התברר, שגם בתולעים ובצמחים המצב דומה.

איור 4: RNAi. תולעת טרנסגנית המבטאת את הגן GFP זוהרת בדרך-כלל באור על-סגול כתוצאה מהצטברות חלבון ה-GFP. לתולעים דומות הוזרק RNA דו-גדילי בעל רצף תואם לגן GFP (מימין) או רצף ביקורת שאיננו תואם (משמאל) והן הוארו באור על-סגול. ניתן לראות כי תולעת הביקורת ממשיכה לזהור (משמאל, בלבן), ואילו בתולעת שהוזרק לה RNA דו-גדילי תואם GFP, ביטוי החלבון הזוהר הושתק לחלוטין ולכן אינה זוהרת (מימין).
(Fire A., Xu S., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver S.E., Mello C.C. (1998), Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391: 806-811).

מנגנון ההשתקה - RNA דו-גדילי, מולקולת RNA זעירות, RISC...

כאשר התברר שמולקולות RNA דו-גדילי, הנוצרות בין היתר על-ידי האנזים RDR או במהלך שכפול נגיף RNA, גורמות להשתקת גנים בעלי רצפים תואמים לשלהן בתא, נפרצה הדרך לחקר הבסיס המולקולרי של תופעת ההשתקה. בשנת 1999 הצליחו אנדרו המילטון (Hamilton) ודוד באולקומב (Baulcombe) לזהות מולקולות RNA זעירות (באורך 25-21 נוקליאוטידים) חד-גדיליות, ולקשור לראשונה את נוכחותן למנגנון ההשתקה בצמחים. החוקרים גילו כי מולקולות ה-RNA הזעירות הן בעלות רצף המשלים לגן המושתק, ונמצאות רק בצמחים טרנסגניים שעברו דיכוי משותף או השתקה באמצעות נגיף. החוקרים הסיקו כי למולקולות ה-RNA הזעירות תפקיד מרכזי בהשתקה בצמחים. החוקרים כינו את מולקולות ה-RNA הזעירות siRNAs (small interfering RNA).

תופעת ההשתקה באמצעות RNA או RNAi התגלתה כתופעה כללית, המתקיימת באורגניזמים משמרים ועד בני-אדם

זמן קצר לאחר גילוי ה-siRNAs הראו גרג הנון (Hannon) ועמיתיו כי RNA דו-גדילי, שהוזרק לתאי זבובים במטרה להשרות השתקה, מפורק למולקולות RNA זעירות באורך 25 נוקליאוטידים. החוקרים מצאו כי אנזים המפרק RNA דו-גדילי מסוג RNAse III, שאותו כינו DICER, הוא האחראי לפירוק ה-RNA הדו-גדילי שהוזרק ל-siRNAs (איור 5). במחקר נוסף הצליחו החוקרים, בשיטות ביוכימיות, לבודד קומפלקס אנזימים שכונה RISC (RNA Induced Silencing Complex), הקושר את ה-siRNAs ומסוגל לחתוך RNA מטרה חד-גדיליים המשלימים להם ברצפם. הם מצאו שמולקולת ה-siRNA היא המכירה את RNA המטרה על בסיס השלמת רצף, ומנחה אליו את קומפלקס ה-RISC. רכיב מרכזי בקומפלקס ה-RISC הקושר את ה-siRNA הוא חלבון ממשפחת חלבוני הארגונאוט (AGO), שהיו ידועים כחיוניים להתפתחות תקינה בצמחים ובעלי-חיים. התברר שהגנים המקודדים ל-DICER ול-AGO שמורים היטב באבולוציה, ומהווים רכיבים מרכזיים במנגנון ההשתקה של בעלי-חיים, צמחים, פטריות ואף במין יחיד של שמרים - שמר החלוקה (Schizosaccharomyces pombe). תופעת ההשתקה באמצעות RNA או RNAi התגלתה, אם כן, כתופעה כללית, המתקיימת באורגניזמים משמרים ועד בני-אדם.

איור 5: תרשים מייצג של מולקולת siRNA דו-גדילית, שיוצר DICER מ-RNA דו-גדילי. המולקולה כוללת חלק מרכזי עיקרי של RNA דו-גדילי, שאורכו כ-19 נוקלאוטידים, שאליו נוספים כשני נוקלאוטידים בלתי מזווגים מכל צד בקצה ה-'3 של הגדיל. לאחר הקישור ל-RISC נותר הגדיל בעל הרצף המשלים בלבד.

עתה יכלו החוקרים לשרטט מודל ל-RNAi (איור 6). RNAi מושרה תמיד בהופעת RNA דו-גדילי בתא - אם עקב פעילות האנזים RDR, המסוגל להפוך RNA חד-גדילי לדו-גדילי; אם במהלך שכפול נגיף RNA בתא; אם באופן מלאכותי על-ידי הזרקתו לתא, ואם בדרכים אחרות. לאחר שה-RNA הדו-גדילי הופיע בציטופלזמה, האנזים DICER מזהה אותו ומפרקו ל- siRNAs דו-גדיליים באורך 25-21 נוקלאוטידים (איור 5).

לאחר יצירתם, ה-siRNAs משתלבים בקומפלקס ה-RISC, הכולל בתוכו את חלבון ה-AGO הקושר את ה- siRNAs. מיד לאחר הקישור, גדיל ה-siRNA הישיר מפורק, ונותר קשור רק גדיל ה-siRNA המשלים. זה מנחה את חלבון ה-AGO שבתוך קומפלקס ה-RISC לעבר RNA מטרה, שהוא RNA המשלים לו ברצפו. מבדיקת החלבון AGO התברר, כי אזורים בחלבון זה יוצרים חריץ אשר בו מזווגים ה-siRNA המשלים ו-RNA המטרה. לאחר זיווג הבסיסים בין ה-siRNA ל-RNA המטרה, נחתך RNA המטרה על-ידי AGO באזור התואם למרכז ה-siRNA. יש לציין כי קומפלקס ה-RISC המוטען ב-siRNA מתפקד כאנזים, המסוגל לחתוך מספר רב של מולקולות RNA מטרה לאחר שקשר מולקולת siRNA יחידה, בהתאמה להשערתם של פייר ועמיתיו לגבי האופי הקטליטי של התהליך. RNA המטרה המקוצץ מפורק בציטופלזמה על-ידי אנזימים נוספים, או משמש כתבנית לאנזים RDR לסינתיזה של RNA דו-גדילי המשמש כסובסטרט ל-DICER ליצירת siRNAs נוספים, המגבירים עוד יותר את תהליך ההשתקה (איור 6).

איור 6: הרכיבים והתהליכים המרכזיים המעורבים בהשתקה. עד כה זוהה האנזים RDR מפטריות, מצמחים ומתולעים

תפקידי מנגנון ה-RNAi

מיד לאחר גילוי מנגנון ההשתקה נשאלה השאלה: מהם תפקידיו בתא? הרי אין זה סביר שנוצר כדי להשתיק גנים כדי שמדענים יוכלו לחקור את פעילותם, או במיוחד כדי לנטרל טרנסגנים. תשובה אחת לשאלה זו הגיעה מחקר הנגיפים הצמחיים. כאמור, רוב הנגיפים האלה נושאים את המידע הגנטי שלהם במולקולת RNA חד-גדילי. בעת שכפולם בתא הצמח, החומר הגנטי של נגיפים אלה עובר שלב של RNA דו-גדילי. את ה-RNA הדו-גדילי הזה מזהה האנזים הצמחי DICER ומעכל אותו ל-siRNAs, המשתלבים ב-RISC ומנחים אותו לחתוך את ה-RNA הנגיפי. בדרך זו נמנעת התפשטותו של הנגיף התוקף בצמח. בצמחים, שאין בהם מערכת חיסונית המבוססת על נוגדנים, מנגנון זה משמש - כך אנו מבינים עתה - להגנה יעילה כנגד נגיפים.

ייתכן שמנגנון ה-RNAi התפתח כמנגנון פרימיטיבי להגנה מפני נגיפים זמן רב בטרם נוצרה מערכת החיסון מבוססת הנוגדנים בבעלי-חיים

אז איך בכל זאת קיימות מחלות נגיפיות רבות בצמחים? כמו בכל מירוץ חימוש, מתברר שבמהלך האבולוציה שלהם פיתחו רבים מהנגיפים המדביקים צמחים דרכים לעיכוב מנגנון ההשתקה, בעיקר על-ידי קשירת ה-siRNAs האנטי-נגיפיים הנוצרים בתהליך לחלבונים ייעודיים המקודדים בגנום שלהם. קישור זה מונע את ה-siRNA מלהשתלב בקומפלקס ה-RISC ואף לשמש כתחל ל-RDR, ובכך מקטין מאוד את האפקטיביות של ההשתקה האנטי-נגיפית. באחרונה התברר, שגם בתולעים ובזבובים מתפקד מנגנון ה-RNAi כמנגנון אנטי-נגיפי, והדבר אולי מרמז על כך, שמנגנון זה התפתח כמנגנון פרימיטיבי להגנה מפני נגיפים זמן רב בטרם נוצרה מערכת החיסון מבוססת הנוגדנים בבעלי-חיים.

אבל לא רק להגנה מפני נגיפים. טרנספוזונים (transposons), או גנים קופצים, הם רצפי DNA היכולים לקפוץ, בשיטת "חתוך והדבק", מאתר לאתר בתוך הגנום. תוך כדי כך הם עלולים לגרום למוטציות ולנזק לגנום. לכן חיוני לנטרל את פעילותם על מנת לשמור על שלמות הגנום, במיוחד בתאי המין, המעבירים את החומר הגנטי לדור הבא. התברר שמוטציות ברכיבים של מנגנון ההשתקה בתולעים ובצמחים הפכו טרנספוזונים שבדרך-כלל אינם פעילים לפעילים. נוסף על כך, שובטו מתולעים ומצמחים siRNAs שמקורם בטרנספוזונים, דבר המעיד שמנגנון ההשתקה פועל נגדם באופן טבעי. עוד התברר ש-siRNAs מסוגלים לעודד הוספת קבוצת מתיל ל-DNA עשיר בטרנספוזונים בגנום, וכך להפכו לאזור שאינו פעיל בשעתוק (לאמור - להטרוכרומטין).

שמר החלוקה Schizosaccharomyces pombe, האורגניזם הפרימיטיבי ביותר המוכר לנו כיום המצויד במנגנון ההשתקה, מנצל את יכולתם זו של ה-siRNAs לגרום למעבר של גנים ממצב פעיל בשעתוק להטרוכרומטין על מנת לגרום להיפרדות יעילה של הכרומוזומים לתאי-הצאצא במהלך חלוקתו. חוקרים גילו כי בשמר זה, siRNAs הנוצרים מ-RNA דו-גדילי המשועתק מרצפים באזור הצנטרומר מעודדים את הפיכת אזור הצנטרומר, מבנה בכרומוזום הממלא תפקיד חשוב בחלוקת התא, להטרוכרומטין. התברר שהטרוכרומטין באזור הצנטרומר חיוני לחלוקת תאי השמר, ותלוי בתקינותו של מנגנון ההשתקה. ראינו אם כן שלמנגנון ה-RNAi תפקיד חשוב בשמירה על שלמות הגנום מפני קטעי חומצות גרעין טפיליים, כדוגמת גנים זרים או טרנסגנים, נגיפים וטרנספוזונים. אך התפקיד החשוב ביותר של מנגנון זה עתיד היה להתגלות רק בהמשך.

מיקרו-RNA (micro-RNA) - "siRNAs" טבעיים המבקרים ביטוי של גנים אנדוגניים

על מנת ללמוד יותר על תכונותיו של האנזים DICER, פיתחו חוקרים שיטה לשיבוט וריצוף ה-siRNAs הנוצרים במהלך השתקה של טרנסגן בבעלי-חיים וצמחים. להפתעתם של החוקרים, חלק מרצפי ה-siRNAs ששובטו כלל לא היו משלימים לרצף הטרנסגן שהושתק, אלא תאמו במדויק לאזורים שונים ברצף גנום האורגניזם שממנו שובטו, אזורים שהיה ידוע שאינם משועתקים ל-mRNAs המקודדים לחלבונים. דוגמה לאזורים כאלה הם האינטרונים, שהנם רצפים בתוך גנים המשועתקים ל-mRNA, אך נחתכים מתוכו ואינם מתורגמים לחלבון. ישנם גם אזורים אחרים ב-DNA שאינם מקודדים לחלבונים, ובעבר נחשבו לאזורים שאינם עוברים שעתוק, וכונו בזלזול "DNA זבל".

siRNAs "טבעיים" אלו, שנוצרו באורגניזם ללא קשר להשתקת טרנסגן, הובילו את החוקרים למסקנה שאינטרונים ו"DNA זבל" אכן מקודדים, אך לא לחלבון, בניגוד לדוֹגמה המרכזית, שלפיה כל גן המשועתק ל-mRNA מקודד לחלבון. התברר שאזורים שתאמו ל-siRNAs ה"טבעיים" אינם משועתקים ל-mRNA המקודד לחלבון, אלא משועתקים בנפרד ל-mRNA המקודד ל-RNA זעיר, הנוצר באופן טבעי ולא כתוצאה מתגובת RNAi המופנית כנגד RNA דו-גדילי שחדר לתא. לאחר ששועתק, מאמץ ה-mRNA הזה מבנה של RNA דו-גדילי דמוי סיכת ראש בעל זיווג לא-מושלם (איור 7). RNA דו-גדילי זה משמש כסובסטרט של האנזים DICER, המפרק אותו ל-RNA זעיר יחיד באורך של 21-24 נוקליאוטידים. את ה-RNA הזה כינו החוקרים micro RNA (miRNA) (איור 7).

miRNAs נוצרים, כאמור, בדרך שונה מ-siRNAs, אך הם בעלי מבנה זהה ל-siRNAs, ומנגנון פעולתם דומה. פירוש הדבר הוא, שלאחר יצירתו משתלב הדופלקס הדו-גדילי בקומפלקס ה-RISC, ולאחר הקישור לחלבון AGO משתחרר אחד הגדילים שלו (miRNA*), והגדיל השני (miRNA) מנחה אותו לנטרל mRNA בעל רצף משלים לשלו (איור 7). ואולם, בניגוד ל-siRNAs, המשתיקים RNA מטרה התואם לחלוטין ל-RNA שממנו נוצרו, miRNAs משתיקים mRNAs שונים, שאינם זהים להם לחלוטין. בצמחים הדמיון בין mRNAs המטרה ל-miRNA המבקרים אותם גבוה יחסית, והשתקת ה-mRNAs נעשית על-ידי חיתוך, כמו ב-RNAi. בבעלי-חיים, הדמיון בין mRNAs המטרה ל-miRNA המבקרים אותם הוא בדרך-כלל נמוך יחסית, והשתקתם נעשית בדרך של עיכוב תרגום ולא באמצעות חיתוך (איור 7).

איור 7: הרכיבים והתהליכים המרכזיים המעורבים בהשתקה טבעית המבוססת על miRNA

בשלוש השנים האחרונות התבררה יותר ויותר חשיבות משפחת הגנים המקודדים ל-miRNAs, ועד כה בודדו כמה אלפי גנים כאלו מבעלי-חיים ומאות מצמחים. נכון להיום לא התגלו miRNAs בשמרים ופטריות. מעריכים שבאורגניזם נתון, לפחות כ-1% מהגנים מקודדים ל-miRNAs. הרצף של רוב ה-miRNAs שמור בין יצורים כתולעים ואדם או טחב ועגבנייה, עובדה המעידה על תפקידם החשוב של miRNAs באבולוציה של בעלי-חיים וצמחים. לעומת זאת, עד כה לא נמצאה זהות ברצף ה-miRNAs בין צמחים ובעלי-חיים, ונראה, לפיכך, שהתפתחו באופן בלתי תלוי באורגניזמים אלו.

תפקידיהם של רוב ה-miRNAs אינם ידועים עדיין, אך חיזויים ממוחשבים של mRNA המטרה התואמים את רצף ה-miRNA הידועים באדם מעריכים כי לפחות כ-30% מה-mRNAs המקודדים לחלבונים באדם מבוקרים על-ידי miRNA כלשהו. מחקרים ראשוניים מאשרים כי בקרת הביטוי על-ידי miRNAs היא גורם הכרחי להתפתחות התקינה של בעלי-חיים וצמחים, ופגיעה בבקרה זו גורמת לפגיעה קשה בהתפתחות האורגניזם ואף למוות. בין היתר, מתברר כי miRNAs בבעלי-חיים מבקרים גנים המעורבים בבקרה על עיתוי התפתחות העובר, התמיינות תאי גזע, בקרת גדילה ועוד.

בדומה ל-siRNAs, miRNAs מעורבים גם בהגנה כנגד נגיפים. אם בעבר היה מקובל לחשוב שהגורם העיקרי לסרטן הוא מוטציות בגנים המקודדים לחלבונים מסוימים (כגון דכאנֵי גידול ואונקוגנים), הרי שעתה ברור שגם פגיעה ב-miRNA מסוים יכולה להוביל למחלת סרטן. בצמחים, רוב הגנים המבוקרים על-ידי miRNAs הם גורמי שעתוק המעורבים בבקרת תהליכים מכריעים בהתפתחות הצמח, כדוגמת התפתחות העלה, התמיינות הפרח, בקרת מועד הפריחה, תגובה להורמונים וכן תגובה לעקות סביבתיות שונות. לאור המידע הזה אפשר לומר בביטחון, ש- miRNAs הם בקרי-על של ביטוי, לצד גורמי השעתוק, בצמחים ובבעלי-חיים. בקרים אלו משקפים את תפקידו החשוב ביותר של מנגנון ה-RNAi, כמנגנון מרכזי של בקרת ביטוי באורגניזם. הרי זה מדהים, שעד לפני שנים אחדות כלל לא היה ידוע קיומו של מנגנון חשוב זה.

מנגנון ההשתקה בשירות הביוטכנולוגיה

גילוי מנגנון ה-RNAi אִפשר לראשונה להשתיק את הביטוי של גן מסוים, שחלק קטן מרצף הבסיסים שלו ידוע, באופן יעיל וספציפי. שיטה זו האיצה את חקר התפקוד של גנים ממגוון רחב של יצורים איקריוטיים - בעיתוי מצוין, שכן הפרויקטים הרבים לקביעת רצפי הגנום של יצורים שונים חשפו מספר רב של גנים שתפקידם אינו ידוע. השימוש במנגנון ההשתקה לפגיעה בביטוי גנים מסוימים, אם ביצור השלם ואם בחלק מתאיו, מספק מידע על תפקודי גנים בדרך השלילה. דהיינו, אילו תפקודים נפגעים כאשר מושתק גן זה או אחר.

לצורך מחקרים אלה פיתחו המדענים טכניקות שונות לביטוי siRNAs שישתיקו גן מטרה בתא. לדוגמה: על-ידי ביטוי RNA דו-גדילי הזהה לגן המטרה, שיפורק על-ידי DICER ל-siRNAs; על-ידי ביטוי mRNA המתקפל לסיכת ראש ומעוכל על-ידי DICER ל-miRNA; בבעלי-חיים התברר שאפשר להשתיק גן גם באופן ישיר, על-ידי החדרת siRNAs דו-גדיליים, שסונתזו במעבדה, ישירות לתאים. אלו משתלבים ב-RISC ומנחים אותו לחיתוך RNA המטרה.

מדענים צופים שבעתיד נוכל לרפא את רוב המחלות הנגיפיות בצמחים באמצעות siRNAs אנטי-נגיפיים

אבל לא רק המחקר הטהור הרוויח. היכולת להשתיק גן מטרה באופן ספציפי עוררה התלהבות ותקווה גם לשימושים ביוטכנולוגיים ורפואיים. אחת הדוגמאות הטובות היא יצירת צמחים עמידים לנגיפים. מחלות נגיפיות בצמחים גורמות לנזקים עצומים בגידולים חקלאיים, שבחלקם פוגעים כמה נגיפים שונים. עד היום, רוב הפתרונות התבססו על מניעה מחד גיסא ועל השבחה על-ידי דורות של הכלאות עם זנים עמידים מאידך גיסא. לעומת זאת, בניסויי השתקה שנערכו התברר כי החדרה לצמח של טרנסגן המקודד ל-RNA דו-גדילי התואם לרצף הגנום של נגיף צמחי יחיד, או אף לכמה גנומים מנגיפים שונים, מעוררת בצמח יצירת siRNAs אנטי-נגיפיים, ומקנה לצמח עמידות מוחלטת כנגד הנגיפים הרלוונטיים. לאור זאת מדענים צופים שבעתיד הלא-רחוק, נוכל לרפא את רוב המחלות הנגיפיות בצמחים.

דוגמה חשובה אחרת הן תרופות המבוססות על siRNAs לטיפול במחלות באדם. מחלות רבות באדם, כסרטן ואלצהיימר, נובעות מייצור שגוי של חלבון זה או אחר. מסתבר שלהשתקת גנים על-ידי siRNAs יש יתרונות רבים על פני שיטות מקובלות לעיכוב חלבונים מזיקים, כדוגמת עירוי נוגדנים או בליעת מעכבים. בין יתר יתרונותיהם, siRNAs הם זולים לייצור, ספציפיים ביותר, אינם רעילים, בעלי השפעה מתמשכת ובעלי יכולת השתקה חזקה בריכוזים נמוכים.

החסרונות העיקריים של siRNAs כתרופה, לעומת טיפולים קיימים, הם חוסר יציבותם בדם והקושי להחדירם לרקמת המטרה. גישה אחת לפתרון הבעיה היא שימוש בנגיפים מהונדסים, שכבר פותחו לצורך ריפוי גני, על מנת לייצר את ה-siRNAs ברקמת המטרה. גישה נוספת היא שימוש בשינויים כימיים של בסיסי ה-siRNAs, המשפרים את יציבותם וחדירותם. לדוגמה, שיגור מולקולות ה-siRNAs אל תוך התאים כשהן עטופות בשכבת מגן שומנית, המאפשרת איחוי עם ממברנות (קרומיות) התאים והעברת התכולה אל תוך התא.

חרף הקשיים הטכניים, העובדה שמולקולות קטנות של RNA יכולות לשבש באופן ספציפי ביטוי גנים בגוף, ולהקל על חולה מבלי לפגוע ב-DNA שלו-עצמו, מעודדת כיום מדענים רבים בעולם לפתח טיפולים למחלות שונות באמצעות siRNAs. בין היתר התברר, שאפשר להשתמש באופן יעיל ב-siRNAs לנטרול פעילותם של נגיפי מחלה כדוגמת נגיף האיידס ונגיף צהבת מסוג B בתאים שהודבקו. לגבי נגיף צהבת מסוג B, נוטרלו נגיפים מדביקים לא רק בתרביות תאים, אלא אף באורגניזמים שלמים - בעכברים.

ניסויים בהשתקה של גנים אונקוגניים (מחוללי סרטן) בתאי סרטן הצליחו בכמה מקרים לעצור את ביטוים, ולפגוע ביכולת הפלישה וההתחלקות של התאים. כאשר החדירו לעין siRNAs כנגד VEGF - חלבון המעורב בהופעת מחלת העיניים Macular degeneration, שהיא הגורם מספר אחת לעיוורון בחברה המערבית - הצליחו לבטל, בבעלי-חיים, את התפתחות כלי הדם החדשים הלא-תקינים בעין, הגורמים להופעת המחלה. גם נטרול ציטוקינים הקשורים להופעת אסתמה הראה תוצאות חיוביות ביותר.

לאור הצלחות אלו ואחרות, נערכים בימים אלה ניסויים קליניים ראשונים בכמה תרופות המבוססות על siRNAs. החוקרים מקווים, שעם שיפור היציבות וההחדרה של מולקולות ה-siRNAs, יהיה זה אפשרי להחדיר לגוף את הכמויות הנדרשות כדי לקבל את ההשפעה המבוקשת ברקמה המתאימה.

מקורות:

Bartel D.P. (2004), MicroRNAs: genomics, biogenesis, mechanism, and function. Cell 116:1 281-97.

Baulcombe D. (2004), RNA silencing in plants. Nature 431: 356-63.

Fire A., Xu S., Montgomery M.K., Kostas S.A., Driver S.E., Mello C.C. (1998), Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature 391: 806-811.

Hamilton A.J., Baulcombe D.C. (1999), A species of small antisense RNA in post-transcriptional gene silencing in plants. Science 286: 950-952.

Dykxhoorn D.M., Lieberman J. (2006), Running Interference: Prospects and Obstacles to Using Small Interfering RNAs as Small Molecule Drugs. Annual Review of Biomedical Engineering.

מילון מונחים

• RNAi (RNA מפריע): מנגנון תאי טבעי לבקרה של ביטוי גנים, שבו נוכחות של RNA דו-גדילי מסוגלת לגרום להפחתה ניכרת של ביטוי RNA הומולוגי.
• DICER: אנזים מפרק RNA מסוג RNase III, המזרז פירוק של RNA דו-גדילי למולקולות RNA זעירות (20-24 נוקליאוטידים (דו-גדיליות, קרי siRNAs או miRNAs.
• siRNAs: מולקולות RNA זעירות דו-גדיליות, המיוצרות על-ידי DICER מ- RNAדו-גדילי ארוך (המסונתז בדרך-כלל על-ידי RDR) ופועלות להשתקת RNA מטרה הזהה ברצפו ל- RNA שממנו נוצרו.
• miRNAs: מולקולות RNA זעירות המקודדות בגנום ומשמשות כבקרי שעתוק במגוון יצורים איקריוטיים. miRNAs דומים ל-siRNAs במבנה ובדרך הפעולה, אך שונים מ-siRNAs בכך שהם נוצרים מ-RNA ארוך המתקפל לצורת סיכת ראש לא-מושלמת, ובכך ש-RNA המטרה שלהם אינו זהה ברצפו ל-RNA שממנו נוצרו.
• RISC: קומפלקס אנזימים הכולל בתוכו את חלבון ה-AGO, המסוגל לקשור RNA זעיר המנחה אותו, על פי זיווג בסיסים, ל-RNA מטרה, שאותו הוא חותך בדיוק במרכז האזור המזווג.

ד"ר צחי ארזי הוא חוקר במכון למדעי הצמח במנהל המחקר החקלאי, מרכז וולקני. נושאי מחקריו מתמקדים בזיהוי ואפיון miRNAs צמחיים, הבנת הביולוגיה שלהם וניצולם לשיפור ביוטכנולוגי של צמחים בעלי חשיבות חקלאית.

פרופ' ידידיה גפני הוא חוקר בכיר במכון למדעי הצמח במכון וולקני ומרצה באוניברסיטת בר-אילן. נושאי מחקריו מתמקדים בביולוגיה של נגיפי צמחים, דרכי תנועתם התוך-תאית והבין-תאית וכן הדרכים המולקולריות שבהן הנגיף נלחם במנגנון ההשתקה שמפעיל הצמח כנגדו. פרופ' גפני כתב עשרות מאמרים מדעיים בעיתונות המקצועית הבינלאומית וגם כמה מאמרים בעברית בנושאי מחקריו. כמו כן העביר במסגרת האוניברסיטה המשודרת של גלי צה"ל קורס בנושא ההנדסה הגנטית בצמחים. 

 פורסם ב"גליליאו" גיליון 104, עמ' 45-32, אפריל 2007.