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.

אקסיומות מדעיות והפרה המשוגעת - יונת אשחר

 

על חלבונים, חומצות גרעין וסוכרים, על “מידע גנטי” ומדוע חלבון אינו יכול להעביר אותו, וגם על מחקרים ביולוגיים, על אקסיומות ידועות לכול ועל הרעיונות “המופרכים” שיוצאים נגדן

1943. אוסוולד ט' אוורי (Avery) ישב במעבדתו במכון רוקפלר והתכונן לפרסום הראשון של עבודתו בנושא החומר הגורם לטרנספורמציה בחיידקים. הנושא לא נשמע אולי מלהיב כל כך בשמיעה ראשונה, אבל אוורי ידע שהוא יעורר הדים רבים, משום שמאחורי המושגים המדעיים היבשים מסתתר הפתרון לחידה הגדולה שהתחקה אחריה זה שנים: מהו החומר התורשתי? או בניסוח אחר – ממה עשויים גֶנים?

אוסוולד ט. אייברי - מחלוצי המחקר על החומר הגנטי

באותה תקופה כבר היה  מידע רב למדי על גנים. ידעו שהם מהווים מעין “תוכנית אב” שלפיה נקבעות התכונות של הפרט. ידעו שהם עוברים מהורים לצאצאים. ידעו גם שהם נמצאים במבנים גדולים שנקראים כרומוזומים,  ושכל כרומוזום מכיל גנים רבים, וחקרו את הפגמים שבהם – המוטציות. אבל נותרה השאלה מהי המולקולה עצמה שממנה עשויים הגנים?

כ-15 שנים קודם לכן גילה חוקר בשם פרדריק גריפית' (Griffith) שאם מערבבים שתי אוכלוסיות של חיידקים )לחיידקים בכל אוכלוסייה היתה צורה שונה, שניתן היה להבחין בה במיקרוסקופ) אוכלוסייה א' מקבלת את הצורה של אוכלוסייה ב' – כלומר, חלק מהזהות של החיידק מוחלפת בזהות של חיידק אחר. ברור שמשהו הועבר בין החיידקים – משהו שהיה אחראי באופן ישיר לתכונות שלהם –  אבל מה? האם זהו החומר הגנטי –  אותו חומר שמועבר ביצורים חיים מהורה לצאצאיו?

חיידקי Escherichia coli

כדי למצוא את התשובה חקר אוורי כיצד החיידקים מסוגלים להעביר את התכונות האלו זה לזה: הוא התחיל לחפש את החומר הגורם לשינוי הצורה – לטרנספורמציה. הוא הצליח לבודד חומר מתוך החיידקים של אוכלוסייה א' שדי היה בו כדי לשנות את צורתם של חיידקי אוכלוסייה ב'. אבל לא מדובר רק בשינוי צורה. היה הבדל גדול בין יכולתם של חיידקים מהאוכלוסיות השונות לגרום למחלה ולמוות בעכברים: אוכלוסייה א' הכילה חיידקים אלימים מאוד, ואוכלוסיה ב' היתה מורכבת מחיידקים לא מסוכנים. כאשר אוכלוסייה ב' נחשפה למיצוי של החיידקים של אוכלוסייה א' – לחומר בלבד ללא חיידקים חיים – החיידקים הלא-מסוכנים הפכו פתאום לאלימים, והיו מסוגלים לגרום למותם של העכברים. בתחילת המחקר היה המיצוי המדובר תערובת מאוד לא נקייה של חלבונים רבים, חומצות שומן וחומרים נוספים. כדי לגלות מהו החומר הגנטי היה על אוורי לנקות את התערובת עד שיישארו בה חומרים מועטים ככל האפשר, אך שהיא עדיין תישאר פעילה. כאשר הצליח בכך נותר השלב האחרון – לאפיין את החומר, כלומר לגלות מה יש בתערובת, וחשוב מכך – לזהות מי מהחומרים הכלולים בה הוא הגורם לה להיות פעילה.  

הכרומוזום (כרומוזומי X ו-Y) – מורכב ממולקולת DNA ארוכה ומחלבונים רבים הצמודים אליה.
בכל כרומוזום ישנם גנים רבים.

השאלה “מי מהחומרים?”, לדעת רוב המדענים באותה תקופה,  לא היתה כלל השאלה הנכונה. יתרה מזו, מדענים אלה היו מרימים גבה גם אל מול הקביעה כי שאלת החומר הגנטי היא חידה גדולה. ברור לחלוטין, הם היו מסבירים לנו, שהחומר התורשתי הוא חלבון. אמנם אין עדיין שום ניסוי המראה זאת במפורש, אך החלבון הוא מולקולה גדולה, שהיא בעליל המורכבת ביותר מכל המולקולות בתא. כל חלבון בנוי מעשרים אבני בניין – הנקראות חומצות אמינו – שכמותן וסדרן שונים בכל חלבון. אפשר לחשוב על הקוד הגנטי כעל שפה המורכבת מעשרים אותיות (כמעט כמו השפה העברית), ועל החלבונים כמהווים את  המילים או המשפטים. שערו כמה מידע אפשר להעביר בעזרת עשרים סימני קוד! ויתרה מזאת: אמנם תאי בעלי החיים, ואפילו תאי הצמחים, דומים זה לזה, בקווים כלליים, בהרכבם הכימי, אבל החלבונים שלהם שונים זה מזה – כפי שהיינו מצפים מהחומר התורשתי, המכתיב את התכונות האופייניות לכל אורגניזם. שום מולקולה אחרת אינה מתקרבת במורכבותה וברב-גוניותה לחלבון.

הניסויים של אוורי, היו מצדדי החלבונים ממשיכים ואומרים, חשובים מאוד, מאחר שהם יכולים לשפוך אור על השאלה כיצד מעבירים החלבונים מידע גנטי, וכמובן צריך גם להשיג סוף-סוף הוכחה חותכת לגנטיקה החלבונית, לטובת הספקנים.

אוורי וצוותו הכירו כמובן את התאוריה הזו, אך למרבה המזל לא הלכו שבי אחריה. הם ניגשו לבעיה בשיטה הביולוגית הקלאסית (המקובלת במקרים רבים עד היום): אם אתה רוצה לדעת איך משהו עובד, נסה לשבש את פעולתו. כניסוי ראשון הם הוסיפו לתערובת המתוארת לעיל אנזים שמפרק חלבונים. ההנחה היתה שאם אכן החלבונים הם נושאי המידע הגנטי, הריסתם תגרום לביטול האפקט – כלומר לא תתרחש טרנספורמציה. אבל למרבה ההפתעה לאנזים לא היתה כל השפעה על התהליך.

האם ישנו חומר אחר בתערובת הגורם לטרנספורמציה? כדי לבדוק זאת הוכנס לתערובת אנזים נוסף  – הפעם אנזים שהורס חומצות שומן. אולם שוב לא היתה לאנזים השפעה.

אולי מדובר בסוג של סוכר? אבל נתגלה כי החומר הפעיל בתערובת שקע בנוכחות אלכוהול, וסוכר – כפי שיודע כל חובב ליקרים מתוקים – מומס היטב באלכוהול.

אנליזות כימיות שונות הראו שהתערובת עשירה מאוד בחומר אחר, שאמנם היה מוכר היטב לביולוגים, אך הם לא הקדישו לו מחשבה רבה: מולקולה חומצית, שנמצאת בעיקר בגרעין התא ומכילה קבוצה סוכרית הנקראת בפי הכימאים דאוקסי-ריבוז. מכאן שמה – חומצה גרעינית דאוקסי-ריבוז, או באנגלית – Deoxy-Ribose-Nucleic-Acid, המוכרת יותר בראשי התיבות שלה – DNA. המסקנה של אוורי היתה ברורה: החומר הגורם לטרנספורמציה של החיידקים הוא ה-DNA. ואם כך, ייתכן מאוד שהחומר התורשתי שלנו, הגנים עצמם, עשוי גם הוא מ-DNA.

כאמור, הביולוגים של שנות הארבעים הכירו את ה-DNA. הם גם ידעו שהוא מהווה חלק מהכרומוזום – הקומפלקס הענק שבו נמצאים הגנים. אבל ה-DNA הוא מולקולה פשוטה כל כך – הוא מכיל ארבע אבני בניין בלבד שחוזרות על עצמן, כך האמינו אז, בצורה מאוד לא-אינפורמטיבית. ובכלל, עד כמה שניתן היה לנתח את המולקולה הזו, נראה היה שה-DNA בכל תא שנבדק – ללא קשר לשאלה באיזה אורגניזם מקורו – דומה מאוד.

הרי לא ייתכן שהחומר התורשתי של אדם ושל כלנית יהיה דומה עד כדי כך?

“לא”, אמרו מדענים רבים, כאשר התפרסם מאמרם של אוורי ועמיתיו. “במקום כלשהו בתוך התערובת הזו יש חלבון שלא הצלחתם לזהות, והוא שגורם לפעילות. בשלב כלשהו טעיתם – חייבים הייתם לטעות!  אין אפשרות אחרת. הרי כולם יודעים שה-DNA פשוט מכדי שיוכל להעביר מידע גנטי”.

מאז זרמו הרבה מים בהרבה נחלים ופורסמו מאמרים רבים. את אחד המאמרים האלו, לבטח מהחשובים שבהם, פרסמו ב-1953 ווטסון וקריק, ובו הציגו מבנה כימי משוער של מולקולת ה-DNA. המאמר עורר עניין רב, בעיקר משום שבעשר השנים שחלפו מאז כתב אוורי את מאמרו נאספו עדויות תומכות רבות להיפותזה המהפכנית שלו, וברבות השנים היא הפכה להיות המודל המרכזי של הביולוגיה המולקולרית.

המודל, שהתקבע בשנות החמישים ושולט בתפישה המדעית גם כיום, רואה ב-DNA את החומר הגנטי – החומר שממנו עשויים הגנים, שהוא גם החומר העובר בתורשה מהורה לצאצאיו. ה-DNA קובע את התכונות של האורגניזם שבו הוא נמצא (או לפחות משפיע עליהן מאוד), ולכן הוא שאחראי לדמיון בין בני משפחה, החולקים אותם גנים (זאת בלי להמעיט בהשפעה הניכרת שיש לסביבה – וליחסי הגומלין בין הגנים והסביבה – על תכונות מסוימות). ל-DNA עצמו אין השפעה ישירה על התכונות. הוא אינו גורם, למשל, לעיניים להיות חומות או כחולות. כאן נכנסים לתמונה החלבונים;  אמנם הם אינם מעבירי המידע הגנטי, ובכל זאת יש להם תפקיד חשוב: הם אלו המשפיעים השפעה ישירה יותר על תכונותיו של האורגניזם, והם גם אלו שגרמו למושבות החיידקים לקבל צורה אחרת. אבל החלבונים לא נוצרים באקראי. הם נבנים לפי תוכנית מסודרת ומפורטת הרשומה בגנים. תכנית זו כתובה בשפת ה-DNA, ורק לאחר מכן מתורגמת לחלבונים בעזרתה של מולקולת ביניים – חומצת גרעין נוספת, הקרויה RNA. החלבונים נוצרים אפוא במתכונת שהורו להם הגנים – כשרשרות ארוכות של חומצות אמינו. כל שרשרת כזו מתקפלת בצורה מסוימת, המוכתבת על ידי רצף חומצות האמינו, וכך נוצר המבנה של החלבון המוגמר, המתפקד. חלבון שלא התקפל כראוי לא יוכל למלא את תפקידו בתא.

ב-1967, 24 שנים לאחר שאוורי פרסם את תגליותיו, פרסם גריפית' אחר,  ג'יי. ס. גריפית'  (Griffith), מאמר שבזמנו לא עורר התרגשות רבה. המאמר עסק במחלות המכונות TSE –Transmissible Spongiform Encephalopathies. בתרגום חופשי: מחלות ניתנות להעברה, הגורמות להופעת חורים ברקמת המוח (בשלבים האחרונים של מחלות אלה המוח נראה  כספוג). מחלות אלו כללו בין השאר מחלות  כמו קרויצפלד-יעקב ומחלת קורו, שנפוצה בשבט הפורה (fore) שבניו-גינאה,  ומחלת כבשים שנקראה בפי הרועים האנגלים “scrapie” (“גרד הכבשים”). לימים תצטרף אליהן מחלה נוספת, דומה מאוד – BSE, או בשמה העממי – “מחלת הפרה המשוגעת”.

באותה תקופה רוב הציבור ואף רוב הביולוגים לא שמעו מעולם על מחלות אלו, אבל הרחק מהתקשורת התגלעה מחלוקת קשה בין המדענים שחקרו אותן. השאלה היתה פשוטה. המחלות, כמתבקש משמן, ניתנות להעברה, כלומר מידבקות. נתגלה כי אם מזריקים לחיה בריאה חומרים שנלקחו ממוח של חיה חולה, יופיעו בחיה המוזרקת תסמינים דומים. המסקנה היתה שבמוח ישנו גורם מדביק המתרבה שם, ולאחר שמדביקים חיה אחת, אותו גורם מתרבה בתוך המוח שלה עד שהיא עצמה  יכולה להדביק חיה נוספת. אבל מהו הגורם הזה? איך למעשה עוברות המחלות הללו ממוח למוח?

ברור שהגורם אינו חיידק. חיידקים ניתן לזהות בקלות משום שאפשר לגדלם על משטחי מזון ולראותם במיקרוסקופ, ואילו במוחות החולים לא נתגלה שום חיידק שהעביר את המחלה.

האם מדובר בנגיף? השערה זאת כבר קשה יותר לבדוק. נגיפים אינם יכולים לגדול על משטחי מזון, והם קטנים מאוד: הם עשויים  ממולקולה אחת בלבד של DNA (או במקרים מסוימים ממולקולת RNA) שמסביבה מעטפת של חלבונים, ובחלק מנגיפים – גם מעטפת ליפידית.

בשנות השישים נכנסה לתחום החוקרת תקוה אלפר (Alper). בעזרת שיטות שונות היא הראתה שהחומר המדביק היה קטן אפילו מכדי להכיל נגיף – כך שהיה לגורם המחלה הקטן ביותר שהיה ידוע אז.

וזה עוד לא הכול. בניסיונם לאפיין את הגורם המדביק, אלפר וחוקרים נוספים נקטו שוב את שיטת “פגע בו ואז תבין מה הוא”. הפעם הם הפעילו על החומר בעל יכולת ההדבקה שיטות שונות להריסת חומצות גרעין. הם הקרינו אותו בקרינת UV ובקרינה מייננת, הוסיפו לו אנזימים שמפרקים DNA וחומרים כימיים שהורסים את המבנה הכימי שלו ועוד. ואף על פי כן הגורם המדביק היה עדיין פעיל. כיצד ייתכן הדבר? בעקבות ניסויים אלו העז גריפית' להציע רעיון מהפכני: ייתכן שהגורם המדביק אינו מכיל כלל חומצות גרעין, לא DNA ולא RNA, אלא הוא חלבון, המסוגל להתרבות ללא צורך בחומר גנטי במובן המקובל.

אבל איך יכול חלבון להעביר מחלה? רוב המדענים חשבו כי הרעיון מופרך לחלוטין, משום שכל אורגניזם חי – יהא זה בעל חיים, צמח, חיידק או נגיף – צריך גנים שיקבעו את תכונותיו. מאליו ברור שכל גורם שיכול להעביר מחלה צריך גם הוא מידע גנטי. תגובה זו מעידה על כך ש-24 שנים לאחר התגלית של אוורי לא נשאר ולו מדען אחד שפקפק בכך שגנים עשויים מחומצות גרעין. המודל היה פשוט וברור: רק חומצות גרעין מסוגלות להעביר מידע גנטי, ורק הן מסוגלות להכפיל את עצמן ולהתרבות תוך שמירה על המידע הזה.

“לא”, אמרו מדענים רבים כאשר פרסם גריפית' את הצעתו. “במקום כלשהו בתוך החומר המדביק יש  DNA – או אולי RNA – שלא הצלחת לזהות, והוא שגורם לפעילות. בשלב כלשהו טעית, חייב היית לטעות, אין אפשרות אחרת. הרי הכול יודעים שרק חומצות גרעין מסוגלות להעביר מידע גנטי”.

כמו במקרה של אוורי והיפותזת ה-DNA, גם בנושא הזה נוספו במשך השנים מחקרים ומאמרים, והצטברו עדויות רבות לגבי הגורם המסתורי המדביק  במחלות ה-TSE. גם כאן היתה עבודה אחת מכוננת – זו של סטנלי ב. פרוסינר (Prusiner). ב-1982 הוא פרסם מאמר שממנו עולה כי גורם זה מכיל בוודאות חלבון – וכי לא נמצאו בו סימנים של חומצות גרעין. במאמר זה הוא גם הציע מושג חדש לתיאור הגורם המדביק – “פריון” (prion) – ראשי-תיבות של proteinaceous infectious particle –  חלקיק חלבוני מדביק, ומאז ידועות המחלות הללו בשם “מחלות פריונים”. מעט מאוחר יותר באותה שנה הוא גילה גם את החלבון עצמו – חלבון שנמצא גם במוחם של בעלי חיים בריאים, אבל במוחם של החולים הוא פגום, מאחר שהוא מקופל בצורה אחרת מהחלבון התקין. כאמור, חלבונים בוגרים מקופלים כך  שנוצר מבנה ספציפי החשוב לפעילותם, ואילו החלבון הפגום התקפל  למבנה שונה, דבר שגרם לו להצטבר כמשקע בלתי-מסיס בתאי המוח, וכך לגרום למחלה.

סטנלי פרסזינר - מחלוצי המחקר בפריונים.  טבע את המושג "פריון"

חשוב מכך, ב-1994 הצליחו חוקרים להראות שהחלבון הפגום מסוגל לגרום לחלבונים תקינים להתקפל בצורה הפגומה, ואז הם מתנהגים כמו חלבון פגום, ואפילו יכולים להשרות את השינוי בחלבונים נוספים! כך החלבון הפגום יכול “להתרבות”: גורם המחלה משרה במוח החולה גורמי מחלה נוספים.

הוויכוחים על הגורם ל-TSE נמשכים עד היום, אך תאוריית הפריונים היא כרגע המקובלת ביותר בקרב  המדענים. פרוסינר המשיך להיות במשך שנים רבות החוקר המוביל את התאוריה הזו, וב-1997 אף זכה בפרס נובל – אולי האות להכרה מדעית אולטימטיבית. עם זאת, התאוריה לא הצליחה לנכס לעצמה את המעמד הבכיר שקיבלה הגנטיקה של ה-DNA, והיא עדיין נתונה במחלוקת משום שכמה שאלות בסיסיות נותרו בלתי-פתורות.

עובדה אחת במיוחד לא נראתה כניתנת ליישוב עם התאוריה החלבונית: קיומם של זנים שונים של מחלות ה-TSE. גם במחלת הקרויצפלד-יעקב, המוכרת זה-מכבר, וגם במחלות פריונים שנחקרו במעבדה (בעיקר בעכברים ובאוגרים), נתגלו זנים שונים של המחלה. הזנים נבדלים זה מזה גם במשך הדגירה של המחלה וגם בפתולוגיה שלה – במיוחד במקומות במוח שבהם מתרחשת הפגיעה.

ומה בכך, בעצם? לגורמי מחלות רבים יש זנים הגורמים למחלות שונות במקצת זו מזו. כך, למשל, בכל חורף אנו שומעים על זן חדש של שפעת, אלים יותר או פחות. ההבדל הוא שמחלת השפעת נגרמת על ידי נגיף, המכיל חומצת גרעין (RNA במקרה זה), ולכן קל הרבה יותר להסביר כיצד נוצרים זנים שונים שלו: מוטציות, כלומר שינויים ברצף ה-RNA, גורמות לכך שהנגיף ייצר חלבונים שונים במקצת, ואלו משנים את הפתולוגיה של המחלה.

לעומת זאת, במקרה של מחלות פריונים התמונה שונה לגמרי. החלבון המדביק “מתרבה” במוח החולה על ידי שינוי הקיפול של חלבונים הנמצאים שם מלכתחילה – ואלו הם החלבונים המצטברים במוח וגורמים בסופו של דבר למחלה. החלבונים האלו יהיו זהים מבחינת רצף חומצות האמינו שלהם, ללא קשר לשאלה באיזה זן של המחלה נדבק החולה. אם כך, כיצד אפשר להסביר את העובדה שיש בכלל זנים למחלות אלו?

בשנות התשעים החלו חוקרים שונים, בהם ג'ון קולינג' (Collinge), לחפש תשובה לבעיה זו. החידוש המרכזי בתשובתו של קולינג' הוא שבתהליך מעורבת מולקולה נוספת – לא DNA, גם לא חלבון, אלא דווקא מולקולת סוכר.

ג'ון קולינג - חוקר פריונים

האם אנחנו עומדים לפני תאוריה סוכרית, שתחליף את התאוריה החלבונית? לא ממש. קולינג' ועמיתיו קיבלו את התאוריה החלבונית כלשונה, אך הוסיפו לה ממד נוסף. ידוע כי חלבונים רבים בתא, לאחר שנקבע הרצף שלהם, עוברים שינויים נוספים מעבר לקיפול. אחד השינויים הנפוצים  הוא הוספה של קבוצה סוכרית במקומות מסוימים ברצף החלבוני – תהליך  הנקרא גליקוזילציה. גם חלבון הפריון יכול לעבור גליקוזילציה בשני מקומות לאורך הרצף החלבוני. החוקרים זיהו אפשרויות הופעה שונות של החלבון – ללא כל קבוצה סוכרית, עם קבוצה סוכרית באחד מהמקומות הללו, או עם קבוצה סוכרית בשני המקומות. במקומות שונים במוח ישנם יחסים שונים של קבוצות אלו: בתאי-עצב מסוימים רוב החלבונים היו ללא סוכר, באחרים – רובם עם קבוצה סוכרית אחת, וכו'. גם החלבונים הפגומים, מעבירי המחלה, ניתנים לגליקוזילציה. יתרה מזאת,  דפוסים שונים של קבוצות גליקוזילציה נמצאו גם בחלבונים פגומים שנלקחו מחולים שונים. לטענת קולינג' וחוקרים נוספים, אם עכבר נדבק במחלה מחומר שמקורו בעכבר חולה, דפוס הגליקוזילציה של החלבון הפגום במוח החולה החדש יחקה את זה שנמצא במוחו של העכבר שהדביק אותו. האם זהו אכן המקור לזנים הנבדלים  של מחלות הפריונים?

כך פותחה תאוריה חדשה: הזנים השונים מאופיינים על ידי  דפוסי גליקוזילציה שונים. אין זה אומר שבזן מסויים כל הפריונים הם בעלי שתי קבוצות סוכר, למשל. בכל זן מחלה ישנם פריונים השייכים לכל אחת משלוש  קבוצות הגליקוזילציה, אבל היחסים בין הקבוצות משתנים מזן לזן.

אם הזנים נקבעים על פי דפוס גליקוזילציה, פירושו של דבר שלקבוצות הסוכר יש השפעה ישירה על הפתולוגיה של המחלה,  שהרי הזנים השונים מתאפיינים בפתולוגיות שונות. מאין נובעת השפעה זו? השאלה עדיין פתוחה. הוצע, בין השאר, כי הגליקוזילציה משפיעה על יכולתם של החלבונים הפגומים להגיע למקומות שונים במוח או בתא עצמו, או על יכולתם ליצור את המשקע החלבוני הגורם למחלה.

מהו כרגע מעמדה של תאוריית הגליקוזילציה? היא בוודאי לא הפכה למקובלת על הכול, כמו תאוריית ה-DNA של אוורי. היא אפילו לא בהכרח מקובלת על רוב המדענים בתחום כמו תאוריית הפריונים של גריפית' ופרוסינר, שתאוריית הגליקוזילציה היא למעשה תוספת, או עידון שלה. לבעיה שתאוריה זו מנסה לפתור – בעיית הזנים השונים של מחלות הפריונים – עדיין אין פתרון מספק ומוסכם על הכול, ועד שיהיה כזה – ימשיכו כנראה לצוץ תאוריות ופתרונות חדשים.

בסופו של דבר, שלוש התאוריות שנסקרו כאן מייצגות שלושה שלבים שונים – מוויכוח התחלתי ועד לקבלה מוחלטת. כיום קשה לתאר את הביולוגיה ללא תאוריית ה-DNA של אוורי. לעומת זאת, אם תאוריית “הזנים הנוצרים באמצעות גליקוזילציה” – שהיא גם חדשה מאוד וגם עוסקת בתחום מצומצם מאוד – תוכח כמוטעית, הדבר לא יעורר הד חזק.

כמובן, ככל שהתאוריה עוסקת בתחום רחב יותר וככל שהיא זרה יותר לידע המקובל באותה תקופה כך היא נתקלת בהתנגדות רבה יותר. אבל אם יש דבר שניתן ללמוד מניסיונם של אוורי וגריפית' (ורבים אחרים), זהו העיקרון שלא תמיד “מה שכולם יודעים” הוא בהכרח נכון; שגם רעיונות מופרכים עשויים להתגלות כנכונים, שהמהפכני של היום הוא הברור מאליו של מחר – ושהברור מאליו היום יכול להיחשב למהפכני מחר. ואולי גם, שבביולוגיה – כמו בביולוגיה – אין דבר כזה שאין דבר כזה.

לקריאה נוספת

רות גביזון ואלברט טרבולוס, “חידת הפריונים”, “גליליאו” 15, 1996.

מרית סלוין, “פרס נובל – הפריונים המתעתעים”, “גליליאו” 26, 1998.

Soto C., Castilla J., “The cnontroversial protein-only hypothesis of prion propagation”, Nature Medicine, 2004.

The website “Profiles in Science – The Oswald T. Avery collection” http://profiles.nlm.nih.gov/CC/

Rudd P.M., Wormald M.R., Wing D.R., Prusiner S.B., Dwek R.A., “Prion glycoprotein: Structure, dynamics, and rules for the sugars”, Biochemistry, 2001.

יונת אשחר היא סטודנטית לתואר שני במחלקה למדעי הצמח במכון ויצמן.

פורסם ב"גלילאו", 101, ינואר 2007.