וירואידים: מאובנים חיים - ידידיה גפני

מדי פעם מגלים מדענים יצורים בני מיליוני שנים, שהצליחו לשרוד את השינויים בסביבת החיים שלהם. יצורים אלה מגלים למדע עולם מסתורי שאינו קיים עוד. הכל על הווירואידים - מאובנים חיים כמולקולות

מדי פעם נרעשת הקהיליה המדעית, ועמה הציבור, מזיהוי יצור עתיק ביותר שנחשב לנכחד מזה מיליוני שנים, ושמתגלה כי הוא מתקיים גם בימינו אנו. דג ריאות אוסטרלי או צפרדע סגולה מתגלים לפתע ומהווים עדות לעולם שמזמן אינו קיים, אך גם דוגמה ליכולתם המופלאה של יצורים אלה לשרוד שינויים רבים שאירעו במהלך מיליוני שנים ולהגיע לזמננו. ליצורים כאלה אנו קוראים "מאובנים חיים".

מאובנים חיים כאלה מתברר, אינם רק יצורים שלמים, גם גורמי מחלה העשויים ממולקולת RNA בלבד יכולים להיכלל בהגדרה זו ולהעיד על עולם שכבר איננו קיים מיליארדי שנים – עולם ה-RNA. למולקולות פתוגניות אלו שייכים הווירואידים (Viroids).

סימני מחלה וירואידית על צמח הצ'ילי
Parichate Tangkanchanapas, Wikimedia Commons

עולם ה-RNA

בשנות ה־60 של המאה ה־20 הגו פרנסיס קריק המנוח (ממפענחי מבנה ה-DNA) ואחרים רעיון שלפיו העולם הקדום, עוד בטרם היות התאים, היה עולם של מרק קדמוני שבו נוצרו החיים, ובו המידע לתהליכים הכימיים שהיוו בהמשך תשתית לחיים תאיים נשמר במולקולות של RNA. ה-DNA המוכר לנו כמולקולה הצופנת את המידע הגנטי הופיע לפיכך רק אחרי זמן רב. לקריק, ולתומכיו בתפישה זו לא היו כל הוכחות ממשיות, להוציא אולי את העובדה שבתאים יש למולקולות ה-RNA תפקידים רבים ומגוונים, ואילו ל-DNA תפקיד אחד ויחיד, והוא איננו מצוי בכל חלקי התא אלא בגרעין ובכמה אברונים נוספים. נוסף על כך, ישנם נגיפים (וירוסים) רבים מאוד שהחומר הגנטי שלהם עשוי רק מ-RNA. בשנות ה־80 זכתה טענתם של קריק ואחרים לעדנה עם הגילויים של סידני אלטמן ותומס צ'ק (Altman & Chech) על כך שלמולקולות RNA מסוימות יש יכולת לבצע קטליזה "אנזימטית" ממש כמו לאנזימים חלבוניים. תגליות אלו, שזיכו את השניים בפרס נובל ב־1989, שימשו תמיכה חזקה לרעיונות שלפיהם העולם הקדום שייך היה ל-RNA. ב־1986, במאמר שפירסם ב־Nature, טבע וולטר גילברט (Gilbert; אף הוא חתן פרס נובל) את המושג "עולם ה-RNA". על פי הנחה זו, קדמה מולקולת ה-RNA לחלבונים ול-DNA, ושימשה הן לאצירת מידע שהועבר בשכפול עצמי והן לביצוע תהליכים כימיים הנדרשים לקיומה. יצירת חלבונים הייתה "מהפכה" שאפשרה שימוש בחומצות אמינו לבניית מולקולות יעילות ומגוונות יותר – חלבונים. יש להוסיף לעולם ה-RNA מרכיבים נוספים, שמשמשים גם עתה, ה-RNA־הנשא (transfer RNA) המשמש להבאת חומצת האמינו אל מכונת בניית החלבון – הריבוזום, והריבוזום עצמו הבנוי הן מחלבונים והן מ-RNA, אשר בו מתבצעת הפעולה של חיבור חומצות האמינו זו לזו, ותהליך זה  אכן מתבצע גם הוא על ידי RNA ולא על ידי חלבון. עם השנים נאספו דוגמאות נוספות לפעילויות מגוונות של מולקולות RNA בטבע. בשנים האחרונות נחקרו גם מולקולות RNA המשפיעות רבות על התפתחות יצורים רב תאיים; הכוונה למולקולות המבקרות תהליכים בחיי התא ומכונות מיקרו־RNA, ומולקולות אלו נועדו לבקר את פעולתם של גנים שונים בתא.

גילוי הווירואידים

סוף המאה ה־19 היה עידן הזהב של המיקרוביולוגיה. תוך זמן קצר נמצאו עשרות סוגי חיידקים שאחראים למחלות שונות באדם, בחיות המשק ובצמחים שהוא מגדל ושאלפי שנים לא נודע מה מקורן. בתחילת המאה ה־20 גילו מדענים גורמי מחלה קטנים יותר מחיידקים, שכונו לימים נגיפים (וירוסים). הנגיפים לא נצפו אמנם במיקרוסקופים של אותם הימים, ולפיכך אפיונם היה מסובך יותר מזה של חיידקים, אך בהמשך השנים, ובעקבות פיתוחו של מיקרוסקופ האלקטרונים, למדנו להכיר היטב גם את גורמי מחלה אלו. הנגיפים שונים מאוד מהחיידקים, ואין להכלילם בעולם החי. אין הם עשויים תאים, אין הם מתרבים בכוחות עצמם והם תלויים לחלוטין בתאים מאכסנים לצורך בניית מרכיביהם המולקולרים ולצורך רבייתם. מרכיבי הנגיפים הם חומצת גרעין הנושאות את מטענם הגנטי וקופסה מגנה שעשויה חלבונים, ולעתים (בעיקר בנגיפים של בעלי החיים) מעטפת שומנית שעשויה להכיל גם חלבונים ומרכיבים נוספים. גודלם זעיר ביחס לחיידקים, ונע בין כמה עשרות לכמה מאות אלפיות המילימטר. שפעת, פוליו, שלבקת חוגרת ואבעבועות שחורות הן דוגמאות למחלות נגיפיות באדם, ואילו מחלת מוזאיקת הטבק, כמו גם צהבון האמיר של העגבנייה, הן דוגמאות למחלות נגיפיות בצמחים.

בסוף שנות ה־60 של המאה ה־20, ניסה טד דינֶר (T. O. Diener), חוקר מחלות צמחים, לבודד במעבדתו שבמרילנד, ארצות הברית, את הגורם למחלה זיהומית בתפוחי אדמה הקרויה "מחלת הפקעת דמוית הכישור" (Potato tuber spindle disease). מחלה זו גורמת לפקעות תפוחי האדמה החולים להיראות פחוסות ומשוכות (מכאן הדימוי כישוֹר). אך לא רק בכך מתבטאת המחלה. צמחי תפוח אדמה נגועים הם צמחים חולים: הצמח קטן יותר, עליו מסולסלים ולעתים מעוותים ויבולם גם דל וגם איננו אפשרי למכירה בשל איכותו הגרועה. משנשללה האפשרות שמדובר בחיידק או בפטרייה, שאותם אפשר לראות במיקרוסקופ ולגדל בתרביות, נראה היה שגורם המחלה הוא נגיף. דינר וצוותו ניסו לבודד את הנגיף באמצעים שעמדו לרשותם בתחילת שנות ה־70. להפתעתם, ה"וירוס" שמצאו לא התאים למה שהיה ידוע אז על וירוסים. הצפיפות (יחס המשקל לנפח) שלו לא דמתה כלל לזו של יתר הנגיפים הידועים התוקפים צמחים, שעשויים לרוב ממולקולת RNA ומקופסית חלבון בלבד. כאשר ניסו להשקיע אותו בסירכוז בתוך תמיסת סוכר בצפיפות משתנה, שיטה מקובלת להפרדת נגיפים, הגורם המדביק נע באזורי צפיפות נמוכים בהרבה מכל הנגיפים שנבדקו עד אז. טיפול בפֶנוֹל, שאמור להסיר חלבונים מחומצות גרעין, לא גרם לשינוי מיקומו באֶלֶקטרוֹפוֹרֶזה (הפרדת מולקולות בשדה חשמלי) והדבר העיד על כך שלגורם המחלה המיוחד שהתגלה אין כלל חלבונים. כשבדקו את ספקטרום בליעת האור שלו (חלבונים בולעים ב־280 ננומטר וחומצות גרעין ב־260, כך שלנגיפים בליעה בשני אורכי הגל) נמצא שהגורם המסתורי בולע רק ב־260 ננומטר, דבר שהעיד על היותו עשוי חומצת גרעין בלבד. האם מדובר במולקולת DNA עירומה? כשהוסיפו החוקרים למבחנה שבה הגורם המדביק את האנזים DNAse המפרק DNA, שום נזק לא נגרם לו. אולם כשעשו ניסוי דומה עם האנזים RNAse המפרק RNA, אבדה לחלוטין פעילותו הביולוגית, דבר שהעיד על מבנהו – מולקולת RNA עירומה וקטנה בהרבה מכל נגיף מוכר. הפקתו של גורם מחלה מוזר זה והחדרתו לצמחי בוחן לימדו שהוא עצמו גורם למחלה. הממצאים הללו הצביעו על גורם מחלה שלא היה מוכר עד אז, שקטן מכל נגיף ידוע ושעשוי אך ורק ממולקולת RNA עירומה. דינר העניק לגורם זה, שעד כה נמצא בצמחים בלבד, את השם וירואיד (Viroid), שמשמעותו – דמוי וירוס. שמותיהם של הווירואידים יסתיימו לפיכך באותיות Vd. כך למשל שם הווירואיד הגורם למחלת "הפקעת דמויית הכישור" (potato spindle tuber viroid) יהיה PSTVd. בהמשך התגלו וירואידים נוספים ומספר הווירואידים המוכרים כיום נאמד בכ־30.

עלים של צמח העגבנייה נגועים בוירואיד
המקור: ד"ר אביב דומברובסקי - מכון וולקני

העולם המדעי היה סקפטי ביותר לגבי דיווחיו של דינר. רוב הווירולוגים בעולם, שמרביתם חוקרי נגיפים באדם ובבעלי חיים, לא האמינו לממצאים ובעיקר התנגדו למסקנות שהציע דינר, כי התגלו פתוגנים חדשים, קטנים מכל נגיף ידוע, שאינם עטופים בחלבון ושיכולים לגרום למחלות. אולם, המחקרים משנות ה־70 ואילך אוששו לחלוטין את ממצאיו של דינר וטענותיו. וירואידים, כמו גם נגיפים הפוגעים בצמחים, נקראים לרוב על שם הצמח שבו התגלו נזקיהם לראשונה. אך לא פעם נזקם אינו פחות ולעתים אף רב יותר בגידולים נוספים. כך למשל, מזיק הווירואיד  PSTVd שהתגלה כאמור בתפוחי אדמה, לצמחי עגבניה. כמו לנגיפים, כך גם לווירואידים זנים אלימים יותר וזנים אלימים פחות. גם התנאים הסביבתיים מהווים גורם בחומרת התסמינים, ובהם טמפרטורה בשדה הגידול.

מחלות וירואידיות

כאמור, ידועים כיום כמה עשרות וירואידים שונים שחלקם גורמים לנזקים משמעותיים בחקלאות. נזקיו של וירואיד הפוגע באבוקדו ומוכר בשם "וירואיד כתמי השמש של האבוקדו", (Avocado sunblotch viroid - ASBVd), נראים היטב על הפרי הנגוע, אך, כפי שקורה אף במחלות וירואידיות אחרות, גם חלקי הצמח האחרים נפגעים כגון עלים, גבעול פריחה ועוד. וירואיד האֶקסוֹקוֹרטיס של ההדרים (Citrus exocortis viroid) מוכּר היטב למגדלי הדרים בעולם וגם בארץ; סימני המחלה הם סידוק קליפת העץ וניוון הדרגתי.

קיים גם וירואיד הפוגע גם בכריזנטמות; סימני המחלה הם פרח ותפרחת קטנים מהרגיל ולעתים מעוותים, שחומים, שאי אפשר לשווקם. אולם, כיום אנו יודעים גם על וירואידים המתרבים ומתפשטים בצמח ואינם גורמים למחלה או לתסמינים בני אבחון.

מאז שהוכרו הווירואידים כגורמי מחלה זעירים המסוגלים להתרבות ולהדביק באופן עצמאי, צמח מחקר הווירואידים גם בקרב מדענים שאינם עוסקים במחלות צמחים. עם התפתחותה של הטכנולוגיה המשרתת את חקר הווירולוגיה, גדלה מאוד הכרותנו עם הווירואידים והעניין בהם גדל והלך.

מבנה הגנום של הוירואידים

בשנות ה־70 של המאה ה־20 קשה היה לחקור את מבנה הגנום של וירואידים. הטכנולוגיות לבידודם מהצמח היו מאוד לא יעילות, והכמות הזעומה שלהם בתוך ים ה-RNA שקיים בתאי הצמח גרם לכך שייקח זמן רב עד שיהיה אפשר לבודד וירואידים. קביעת רצף הנוקלאוטידים של הווירואידים אף היא הייתה מלאכה קשה בטכנולוגיות של אותם הימים. בסופו של דבר הצליחו מדענים לבודד וירואידים ואף לאפיין את הגנום של אחדים מהם. ההפתעה הראשונה הייתה גודלם הזעיר - מולקולות RNA עצמאיות הגורמות למחלה שמספר הנוקלאוטידים בהן הוא רק בין 250 ל־400. הגנום הוא RNA חד־גדילי מעגלי ואין בו אף "מסגרת קריאה" – במילים אחרות, הוא אינו מקודד יצירת חלבון כלשהו! הפתעה נוספת: מתברר שכמחצית מהגנום הוא משלים (complementary) למדי לחציו השני. כלומר, נוצרים קשרי מימן מייצבים בין הנוקלאוטידים המתאימים במחצית אחת של הגנום לבין המחצית השנייה, ממש כפי שקורה הדבר בין שני גדילי ה-DNA. דמיינו גומיה משרדית שמחציתה האחד נדבק למחצית השנייה. הדבר יוצר מבנה שניוני של מולקולה דמוית מקל קצר. עם גילוי וירואידים נוספים, התברר שהמבנה המקלוני של וירואידים מאפיין רק משפחה אחת של וירואידים הנקראת Pospiviroidae. קיימת גם משפחה נוספת שאליה משתייכים וירואידים, כמו זה הגורם לתסמיני כתמי השמש באבוקדו (ASBVd), ושלהם גנום מסועף, הגם שגם בו יש השלמה (קומפלמנטציה) רבה בין חלקי הגנום. וירואידים השייכים לקבוצה זו מהווים את משפחת ה־Avsunviroidae.

כיצד מתרבים וירואידים?

כיצד מתרבות מולקולות קטנות אלו של RNA בתוך תאי הצמח? מאחר שאין הן מלוות בחלבון בעת כניסתן לתא ואין הן מקודדות יצירת חלבון בתוך התא, נראה שתלותן בחלבוני התא המאכסן לצורך ריבויין ותנועתן הוא מוחלט. ודאי שתלות זו רבה אף יותר מזו של נגיפים, שאף הם טפילים מוחלטים על מערכות התא המאכסן. מנגנון שכפולם של הוירואידים נחקר, ומיקומו של מנגנון השכפול בתא הצמחי הוא מרכיב נוסף בחלוקה של הווירואידים לשתי משפחות.

מסתבר ששכפולם של הווירואידים נעשה בתוך אברונים תוך תאיים ואין הם מתרבים בציטופלזמה, כמו רבים מהווירוסים הצמחיים. הווירואידים המשייכים למשפחת ה־Pospiviroidae מתרבים בגרעין התא המאכסן, ואילו הווירואידים ממשפחת ה־Avsunviroidae מתרבים בתוך הכלורופלסט.

לשם ריבויים צריכים הווירואידים לפחות את שלוש הפעולות הבאות: חיתוך מולקולת ה-RNA שלהם שהיא טבעת סגורה; יצירת העתקים של הגנום; וסגירתו מחדש על ידי אנזים "מדביק" (ליגָאז). כאמור קיימות שתי משפחות וירואידים, ואלו המתרבים בגרעין התא תלויים לשכפולם באנזימי התא באופן מוחלט. להפתעת החוקרים נמצא שהאנזים המייצר את ה-RNA־שליח בעת ביטוי הגנים של התא בגרעין (האנזים DNA dependent RNA polymerase II), הוא גם זה המשכפל את הווירואידים בגרעין התא - אלא שבמקרה זה הוא יוצר העתקי RNA על תבנית של RNA ולא של DNA, כפי שהדבר קורה בשעתוק. עדיין לא ברור כיצד מגייס הווירואיד אנזים זה לשם שכפולו ואילו חלבונים נוספים כמו גורמי שעתוק מגויסים למשימה. גם פעולת ההדבקה של הקצוות של מולקולת ה-RNA של הווירואיד החדש שנוצר נעשית על ידי אנזים תאי, שבאופן רגיל מדביק מולקולות DNA זו לזו ולכן נקרא DNA־ליגאז, אך מגויס על ידי הווירואיד לביצוע חיבורי קצוות של RNA. מעניין במיוחד הוא דרך השכפול של וירואידים העושים זאת בכלורופלסט. גם שם יש סיוע של אנזימים תאיים לשכפול, אך מבנה "ראש־הפטיש" (מבנה שניוני של מולקולת ה-RNA של הווירואיד, המזכיר בצורתו את ראשו של הכריש פטישן) מאפשר למולקולה לחתוך את עצמה (פעילות אנזימטית שאיננה חלבונית וקרויה לכן ריבוזים) וליצור תבנית הכפלה ישרה שעליה יבנו אנזימי התא את ההעתקים שיסגרו לטבעות וירואידיות על ידי אנזים ההדבקה של הכלורופלסט. עובדת יכולתה של מולקולת RNA לבצע פעילות כמו אנזימית משייכת מולקולות RNA אלו ל"עולם ה-RNA" – העולם של טרם היות החלבונים והאנזימים, ושבו נדרשו מולקולות ה-RNA לבצע בעצמן את הפעילויות הביוכימיות של חיתוך, שכפול, והדבקה (ליגַציה) – שמהן נותרה פעילות החיתוך גם כיום בכמה מולקולות RNA בטבע. וירואידי הכלורופלסט הם דוגמה אחת לכך.

חידה גדולה היא כיצד יוצרות מולקולות RNA קטנות אלו, שאינן מקודדות יצירת חלבון, מחלות בצמחים. הדמיון שקיים בתסמינים המופיעים על ידי וירואידים לאלו הנגרמים על ידי נגיפי צמחים הביא חוקרים רבים לנסות ולקשור את הווירואידים לתהליכים תוך תאיים הידועים כמטרות לווירוסים. אחת ממטרות אלה היא מערכת ההשתקה של התא, המשמשת בעולם הצומח ככלי התגוננות נגד נגיפים, אך גם לבקרה על פעילותם של גנים של התא עצמו. ההנחה שווירואידים יכולים לשבש את פעילות ההשתקה ולגרום לשינויים בבקרה על פעילותם של גנים בתא עומדת בבסיס ההשקפה שווירואידים יוצרים מחלות בשבשם את מערכת הבקרה על ידי שיבוש מנגנון ההשתקה. שאלה אחרת שלא זכתה עד כה לתשובה היא שאלת הפירוק של וירואידים בצמחים עמידים (שבהם הווירואיד מושמד ואינו מתקיים) של הווירואידים בתא, כיצד היא מתרחשת ואילו אנזימים שותפים לתהליך.

העברתם של וירואידים בטבע

העברתם של וירואידים בטבע נעשית בעיקר על ידי ריבוי וגטטיבי של צמחים נגועים. קטע צמח נגוע שנשבר או נקרע מצמח אֵם והשתרש ליצירת צמח חדש יכיל את הווירואיד שילך ויתפשט בתוכו. כך גם קורה כאשר האדם יוצר במכוון ריבוי וגטטיבי לצמחיו לשם שתילתם; אם חלקי הצמח נגועים בווירואידים, אלו יפגעו בכל הצאצאים הווגטטיביים. לאחרונה נמצא שבמקרים מסוימים גם חרקים מוצצי מוהל, כמו כנימות, יכולים להעביר וירואידים, אולם אין זו הדרך העיקרית להפצתם ולרוב אין זה קורה.

מעברם של הווירואידים בתוך הצמח הנגוע נעשה בתחילה מתא לתא דרך המעברים הייחודיים לצמחים – פְּלַסְמוֹדֶסמות. בהגיעם, לאחר מעבר אטי מתא לתא אל צינורות ההובלה של העלה, עוברים הווירואידים לצינורות ההובלה העיקריים של הצמח בגבעול, ומשם עוברים במהירות לחלקי הצמח השונים ומתפשטים בכולו.

מהו מוצאם של הווירואידים?

חידת מוצאם של הווירואידים מרתקת את המדענים מאז גילויים לפני כמעט 50 שנה. בתחילה סברו מדענים שמקורם של הווירואידים באינְטְרונים – רצפי RNA המסולקים (הנחתכים) ממולקולת ה-RNA־שליח בתהליך השיחבור, עוד בטרם תעזוב המולקולה את גרעין התא בדרכה אל הריבוזום. עם השנים נדחקה תאוריה זו בפני הטענה שווירואידים הם מולקולות עתיקות הרבה יותר מהתאים עצמם, כך שהם משויכים לעולם של טרם היות תאים, DNA וחלבונים –  עולם ה-RNA.

ההנחה המקובלת כיום היא שהווירואידים המתרבים בכלורופלסטים עתיקים יותר מאלו המתרבים בגרעין התא, ויתכן אף שהם התקיימו כפתוגֶנים של החיידקים הפוטוסינתטיים, עוד בטרם הפכו אלה לחלק מהתאים הצמחיים. זאת בהתאם להשערה שהכלורופלסטים של ימינו הם חיידקים שעברו הטמעה לתאים האאוקריוטיים הצמחיים לפני מאות רבות של מיליוני שנים. לעומת הווירואידים המתרבים בכלורופלסט, נזקקים אלה המתרבים בגרעין לדרך החדרה אליו. זהו מנגנון מורכב, שהתפתח רק שהופיעו תאים בעלי גרעין, ומצביע לכן על הופעת וירואידים אלה בתקופות מאוחרות יותר. כיום מוכר לפחות חלבון אחד שמסייע לווירואידים החודרים לגרעין להגיע למטרתם. חלבון זה נקשר לרצף מסוים של נוקלאוטידים בווירואיד ומובילו אל תוך הגרעין. הן נוכחות החלבון והן הצורך בגרעין לריבויים מעיד על היותם מאוחרים יותר מאלו שמתרבים בכלורופלסט.

האם אנו יודעים מקורם הקדום? יידרש עוד מחקר רב עד אשר נבין כיצד החלו החיים על כדור הארץ, כיצד נוצרו מולקולות ראשוניות של RNA והאם היו אלה מולקולות דמויות וירואידים שנבררו בברירה הטבעית להמשיך ולהעביר עצמן מדור לדור ולהפוך עם השנים למטען גנטי, ל-DNA, לחלבונים ולהתארגן לתאים שיישתכללו ליצורים המוכּרים לנו כיום.

מאמר זה מוקדש לזכרו של ד"ר אברהם לאלזר: מדען, מורה וחבר, שהלך לעולמו ב-30 בנובמבר 2015. 

ידידיה גפני הוא חוקר בכיר  במכון למדעי הצמח במכון וולקני ופרופסור באוניברסיטת בר אילן. מחקריו מתמקדים בהבנת הבסיס המולקולרי של אינטראקציה בין צמחים לנגיפים.

פורסם בגליליאו 211, אפריל 2016