מירוץ חימוש גנטי באפריקה

מוטציות מסוימות, השכיחות באוכלוסיות ממוצא אפריקאי, מגדילות מאוד את הסיכון למחלת כשל כלייתי סופני. באופן מפתיע נמצא, כי אותן מוטציות גם מגינות מפני מחלת השינה האפריקאית שמעביר זבוב הצה-צה. הבנת המנגנון הביולוגי שבו מעורב גן זה עשויה לקדם את חקר מחלות הכליה ובד בבד, גם את המאבק במחלת השינה האפריקאית 

מאת: שי צור וקרל סקורצקי

אפרו-אמריקאים ואי-ספיקת כליות

כשל כלייתי סופני, המכונה גם אי-ספיקת כליות, הוא השלב האחרון במחלת כליות כרונית – שם המציין מגוון רחב של מחלות המזיקות לפעילות הכליה. בשלב זה תפקודי הכליה, האחראית בין היתר על סילוק רעלים מהגוף, ירודים ביותר. חולים הסובלים מכשל כלייתי סופני זקוקים לטיפול רפואי שוטף בדיאליזה או להשתלת כליה. מספר החולים בכשל כלייתי סופני בארצות הברית כיום הוא כחצי מיליון, וכמאה אלף מקרים חדשים מאובחנים שם בכל שנה. בישראל למעלה מ-5,000 חולים הזקוקים לטיפול קבוע בדיאליזה.הגורמים העיקריים למחלת כליות כרונית הם סוכרת, יתר לחץ דם, דלקת כליות ומחלות רבות אחרות הפוגעות בכליה. בעשור האחרון, שבו התחוללה עלייה ניכרת בשיעור התחלואה במחלות המטבוליות השכיחות (סוכרת, יתר לחץ דם), ניכרת גם עלייה של כ-30% במספר החולים במחלות כליה. על פי אומדן מקובל, 13% מתושבי ארצות הברית סובלים מדרגה זו או אחרת של מחלת כליה כרונית, העלולה להוביל לכשל כלייתי סופני.נוסף על גורמים סביבתיים העלולים להגביר את הסיכון לכשל כלייתי סופני (אי-נגישות לטיפול רפואי, חשיפה לרעלנים ועוד), ישנן גם עדויות התומכות בקיומם של גורמי סיכון גנטיים. נתונים אפידמיולוגיים מארצות הברית מראים כי באוכלוסיית האפרו-אמריקאים, מידת הסיכון למחלה גבוהה עד פי חמישה לעומת אוכלוסיית התושבים ממוצא אירופי. שליש מהחולים המטופלים בדיאליזה בארצות הברית הם אפרו-אמריקאים, וזאת אף שהם מהווים רק עשירית מהאוכלוסייה. מחקרים אף הראו, כי לבני משפחות של חולים ממוצא אפרו-אמריקאי נשקף סיכון גבוה יותר לחלות במחלת כליות לעומת אנשים שבמשפחותיהם אין חולים. למצב הסוציו-אקונומי של האפרו-אמריקאים תרומה חלקית בלבד לשיעור הגבוה של מחלות כליה בקרבם. ממצאים רבים מעידים אפוא על גורם גנטי שכיח, המעורב בהופעת מחלות כליה באפרו-אמריקאים.מחלות מורכבות (complex diseases) הן מחלות שמקורן בשילוב של גורמים סביבתיים וגורמים גנטיים. מחלות כגון סוכרת ויתר לחץ דם, וכן מחלות כליה, מופיעות בתדירות גבוהה יותר בקרב אנשים המנהלים אורח חיים מערבי (גורמי סביבה) ובקרב אלה שקרובי משפחתם חולים במחלה (גורמים גנטיים). על פי רוב, לגורמים הגנטיים השפעה פחותה על הופעתן של מחלות מורכבות. לעומת זאת, מחלות גנטיות קלאסיות (מנדליות, לדוגמה: טאי זקס, קנאבן ועוד) נגרמות באופן ישיר מגורם גנטי יחיד ובלא תלות בגורמי סביבה.

בעקבות הזיקה הסטטיסטית

במחקרים שנועדו לזהות את הגורמים הגנטיים המשפיעים על הסיכון לחלות במחלה מורכבת, מקובל להשתמש במחקר הֶקשֵר כלל-גנומי (Genome Wide Association Study, GWAS) שבמהלכו מתבצעת סריקה גנטית של כל הגנום במספר גדול של משתתפים. מבחינה טכנית, נעשה שימוש בשבב המאפשר זיהוי המופע של כל אחד ממאות אלפי הסמנים הנבדקים, הממוקמים באתרים שונים בגנום. סמנים אלה הם לרוב אתרים שיש בהם גיווניות בבסיס יחיד ב-DNA (single nucleotide polymorphisms, SNP). הגיווניות נובעת משינוי היסטורי שהתרחש באתר הגנטי (מוטציה), שהביא להוספת מופע או אלל חדש אשר כיום הוא שכיח באוכלוסייה. שינויים אלה הם לרוב ניטרליים וללא השפעה ביולוגית. לדוגמה, במיקום ספציפי בכרומוזום 22, בגן MYH9, ממוקם הסמן rs5750250. בסריקה הגנטית של הגנום כולו נבדק גם אתר זה ונקבע אילו אללים שלו נושא כל נבדק. בשיטת מחקר הקשר כלל-גנומי יש לסרוק ממאות ועד עשרות אלפי דגימות DNA של משתתפים, המחולקים לקבוצת חולים ולקבוצת ביקורת. בניתוח הממצאים נבדקת הזיקה הסטטיסטית של כל אחד מאלפי הסמנים הגנטיים שנבדקו למחלה הנחקרת, על ידי השוואת התדירות של אלל מסוים בקבוצת החולים לתדירותו בקבוצת הביקורת, ואיתור סמנים שבהם ההבדל בתדירות הוא מובהק סטטיסטית. הבדל מובהק כזה מעיד על אפשרות שהסמן שנמצא (או מוטציה לא-מוכרת בקרבתו) אחראי לשינוי תפקודי ביולוגי המגדיל את הסיכון למחלה הנחקרת.זיהוי זיקה סטטיסטית בין סמן גנטי מסוים למחלה גנטית הוא שלב ראשוני בלבד במחקר. בהמשך נחקר לעומק האזור הגנטי שבו נתגלה הסמן, באמצעות אפיון סמנים נוספים בסביבתו ובעזרת מדגמים נוספים, ונעשה ניסיון לאתר את הווריאציה הגנטית הגורמת לשינוי ביולוגי ולהופעת המחלה. במקרים מעטים מאוד מזוהה גורם גנטי בעל זיקה חזקה למחלה והשפעה ביולוגית ברורה. במקרים אלה, שואפים החוקרים להבין את מעורבותו במנגנון המחלה בשאיפה למצוא לה מזור.
טעות בזיהוי

בחזרה למחלת הכליה באפריקאים. התדירות הגבוהה של מחלת כליות כרונית באפרו-אמריקאים לעומת אוכלוסיות ממוצא אירופי מעידה, אפוא, כי גורם גנטי כלשהו מעורב במחלה. אך היא מעידה גם על דבר נוסף: כי גורם גנטי זה אמור להימצא בתדירות גבוהה באוכלוסייה האפרו-אמריקאית ולהיות נדיר יחסית באנשים ממוצא אירופי. עובדה זו אפשרה שימוש בשיטה ייחודית לסריקה גנטית המבוססת על השוני הגנטי בין אוכלוסיות שונות, והמכונה מיפוי גנטי של בני תערובת (admixture mapping). שיטה זו היא נגזרת של השיטה שתוארה למעלה (GWAS), ויתרונה הגדול הוא כלכלי: באמצעותה ניתן לצמצם מאוד את מספר הסמנים הנבדקים בגנום, ודי באפיון גנטי של כ-2,000 סמנים ברחבי הגנום כדי לקבל תוצאה (במקום 500 אלף סמנים בסריקה גנטית “רגילה”). סריקה גנומית כזו יכולה להתבצע רק באוכלוסיית בני תערובת שמקורם בערבוב של אוכלוסיות-מקור בעלות רקע גנטי שונה מאוד, והנבדלות מאוד זו מזו בשכיחות המחלה הנחקרת. לפיכך התאימה שיטת סריקה זו לדוגמה שלנו, שבה תדירות המחלה גבוהה באפריקאים בהשוואה לאירופים, ובד בבד, הרקע הגנטי של האוכלוסיות הוא שונה מאוד. ולבסוף, עומדת לרשותנו אוכלוסייה של בני תערובת – האפרו-אמריקאים. למרבה ההפתעה, התברר בשנים האחרונות כי הגנום של בני אוכלוסייה זו, הנראית לכאורה הומוגנית, הוא בכ-20% אירופי. במילים אחרות, בממוצע, חמישית מהגנים של אדם אפרו-אמריקאי הנם אירופיים “לבנים”. המרכיב הניכר של ה-DNA האירופי באפרו-אמריקאי הוא תוצאה של ערבוב בין האוכלוסיות במהלך מאות השנים האחרונות שבהן חיו בשכנות באמריקה, ונובע גם מאונס נשים שחורות בתקופת העבדות. מכיוון שהגורם הגנטי המשוער המעורב במחלת כליות הוא כזכור ממוצא אפריקאי, הרי שבאמצעות שיטת המיפוי הגנטי של בני תערובת, שהתבצעה במדגם של חולים אפרו-אמריקאים לא-סוכרתיים, היה ניתן לחפש ולאתר אזור משותף בגנום של החולים העשיר בסמנים ממוצא אפריקאי. אזור זה אמור להכיל את הגורם הגנטי למחלה, ולפני כשנתיים גילוהו במקביל החוקרים ג’פרי קופ (Kopp) ולינדה קאו (Kao). האזור הנרחב, הנמצא על כרומוזום 22, מכיל עשרות גנים, וביניהם גם הגןMYH9 . גן זה משך את תשומת לב החוקרים כמועמד אפשרי בולט להיות הגורם למחלה, כיוון שידוע שמוטציות באקסונים שלו גורמות לסינדרום שאחד מתסמיניו הוא נזק לכליות. היום ניתן לומר כי קביעה זו הייתה מוקדמת ולא מבוססת דיה, כפי שיתואר בהמשך. בשנתיים האחרונות פורסמו עשרות מחקרי-המשך על הגן MYH9, אך אף אחד מהם לא הצליח לזהות מה בדיוק משתבש בפעילותו, העלול להגדיל את הסיכון למחלת כליות.

קוראים במספרים

ההתמקדות בגן MYH9 הסתיימה כאשר פורסם מידע ראשוני שהתקבל ב”פרויקט 1,000 הגנומים”. זהו פרויקט בינלאומי מהפכני, שמטרתו לקבוע את הרצף הגנטי המלא של לפחות 2,500 איש מאוכלוסיות ברחבי העולם. בעקבות ההתפתחויות הטכנולוגיות בתחומי הגנטיקה, הרובוטיקה והמחשוב, ניתן היום לקבוע את הרצף הגנטי המלא של אדם יחיד בתוך חודשים ספורים ובעלות של עשרות אלפי דולרים בלבד. לשם השוואה, פרויקט הגנום האנושי, שבסיומו פורסם הרצף הגנטי המלא של גנום אחד ויחיד, ארך 13 שנה ועלה בהשקעה כספית עצומה של שלושה מיליארד דולר. בתחילת 2010 פורסמו, במסגרת הפרויקט, הרצפים הגנטיים המלאים של כ-120 איש: 60 אפריקאים מניגריה ו-60 אירופים.המידע החדש שפורסם שימש אותנו לאיתור גורמים גנטיים המעורבים במחלות כליה. הקבוצה שלנו, שהורכבה מחוקרים מהפקולטה לרפואה בטכניון, מבית החולים רמב”ם, מאוניברסיטת תל אביב ומבית החולים הדסה בירושלים, וכללה גם חוקרים מחו”ל. את הקבוצה הובילו פרופ’ קרל סקורצקי, ד”ר סהרון רוסט, ד”ר טלי שמר, מר גנאדי יודוקובסקי, ד”ר שרה זליג, ד”ר וולטר וסר, ד”ר דורון בהר והדוקטורנט שי צור. קבוצתנו ניתחה את המידע החדש שפורסם בעקבות פרויקט 1,000 הגנומים, וזיהתה במהירות אתרים גנטיים (מוטציות) מחוץ לגן MYH9 שעד כה לא היו ידועים ולא נחשדו כמעורבים במחלת הכליות באפרו-אמריקאים. המחקר (Tzur et al.) התפרסם בכתב העת Human Genetics בחודש יולי 2010.לאחר זיהוי המוטציות החשודות בגן סמוך הנקרא APOL1, נבדקה שכיחותן במדגם של 955 דגימות DNA. המדגם כלל דגימות של חולים בכשל כלייתי סופני לא-סוכרתיים, וכן של אנשים שתפקוד כליותיהם תקין. מקור הדגימות בבדיקות דם שנאספו ממשתתפים ממוצא אפרו-אמריקאי או היספאני-אמריקאי שביקרו במרפאות דיאליזה בניו יורק, ארצות הברית. ניתוח הממצאים העלה זיקה חזקה ביותר בין המוטציות הנבדקות לבין מחלת כשל כלייתי סופני. הזיקה גבוהה במיוחד במודל רצסיבי (הומוזיגוטי), כלומר, הסיכון למחלה הוא הגבוה ביותר כאשר אדם נושא בו-זמנית שני אללים מסַכנים (במערב אפריקה כ-10-25% מהאוכלוסייה הם הומוזיגוטיים). המוטציות החדשות שזיהינו התאימו לשני התנאים העיקריים שחיפשנו: שכיחות גבוהה של האלל המסַכֵּן באפריקאים ונדירותו באירופים; והשפעה תפקודית צפויה על פעילות החלבון עקב גרימת שינוי ברצף החומצות האמיניות. מצאנו כי הזיקה למחלה של המוטציות בגן APOL1 (S342G, I384M) היא גבוהה בהרבה מהזיקה של הסמנים שנמצאו קודם לכן בגן הסמוך MYH9, אשר בו התמקדה הקהילה המדעית בשנתיים שקדמו למחקרנו. המוטציות שזיהינו בגן APOL1 הן הגורם הגנטי השכיח בעל הקשר החזק ביותר שנמצא אי-פעם למחלה מורכבת כלשהי.נוסף על האפיון הגנטי של המוטציות במדגם החולים, ביצענו גם אפיון גנטי של דגימות מ-12 אוכלוסיות שונות באפריקה. הדגימות נאספו על ידי עמיתינו בלונדון, ד”ר ניל ברדמן (Bradman) וד”ר איילה טרקן (Tarekegn), ובאתיופיה על ידי פרופ’ אנדשו בקלה (Bekele). כ-670 דגימות DNA שימשו לקביעת תדירות האלל המסַכן בכל אוכלוסייה. מצאנו כי שכיחות האלל המסַכן גבוהה מאוד במרכז אפריקה ובמערבה, בעיקר באזורים הטרופיים הלחים, המיושבים באוכלוסיות דוברות שפות הבנטו. לעומת זאת, באזורים בעלי אקלים יבש על גבול מדבר הסהרה בצפון ובאתיופיה במזרח, מצאנו כי שכיחות האלל היא אפסית (ראו איור).

ממצא זה מעניין משתי סיבות: א. ידוע כי באתיופים תדירות מחלת כשל כלייתי סופני היא נמוכה ביותר. על כן, היעדר האללים המסַכּנים של הגן APOL1 באוכלוסייה זו חיזק את ההשערה כי הם המעלים את הסיכון למחלה. ב. המתאם שמצאנו בין התפוצה הגיאוגרפית של המוטציה לבין סוג מסוים של אקלים וסביבה גיאוגרפית מרמז על אפשרות להשפעה חזקה של הברירה הטבעית. מחקרים רבים הראו כי להסתגלות לגורמי סביבה באפריקה, ובפרט למחוללי מחלות, הייתה השפעה רבה על עיצוב הגנום האנושי. גם כאן נמצא כי הברירה הטבעית השפיעה על הופעת המוטציות ב-APOL1 ועל העלאת הסיכון למחלות כליה, כפי שיתואר להלן.

המשך המאמר באתר ביואינפורם