איך התא חש את סביבתו?

על טעם ועל ריח אין מה להתווכח. אבל כדאי לדעת כיצד הגוף חש אותם? התשובה: קולטנים מצומדים לחלבון G, נושאו של פרס נובל לכימיה לשנת 2012

פרס הנובל לכימיה לשנת 2012
פרס הנובל לכימיה לשנת 2012 הוענק במשותף לרוברט לבקוביץ’ (Robert J. Lefkowitz) ולבריאן קובילקה (Brian K. Kobilka), שני מדענים מארה”ב, עבור מחקרם על קולטנים מצומדים לחלבון G.

קולטנים מצומדים לחלבון G הם קולטנים השייכים למשפחת חלבונים טרנסממברנליים (חלבונים חוצי ממברנה) גדולה, המגורים על ידי מולקולות מחוץ לתא. הגירוי גורם לשרשרת תגובות כימיות בתוך התא שמופעלות על ידי הקולטן. בסופו של דבר, התהליך גורם לתגובה תאית הקרויה מסלול מעבר אותות. קולטנים המצומדים לחלבון G נמצאים אך ורק בתאים אאוקריוטים, הכוללים שמרים, צמחים ובעלי חיים. הליגנדים הנקשרים לקולטנים ומפעילים אותם יכולים להיות מרכיבים רגישים לאור, ריחות, פרומונים, הורמונים, נוירוטרנסמיטרים וכו’. הליגנדים יכולים להיות שונים בגודלם – ממולקולות קטנות מאוד ועד פוליפפטידים גדולים. קולטנים המצומדים לחלבון G הם מטרה של תרופות מודרניות רבות בשל מעורבותם במחלות רבות.

תאים וחישה
בעיניים שלנו, בחוטמים שלנו, יש חיישנים לאור, לריחות ולטעמים. בתוך הגוף, לתאים יש חיישנים דומים עבור הורמונים וחומרים מאותתים אחרים, כגון אדרנלין, סרוטונין, היסטמין ודופאמין. עם התפתחות החיים, התאים השתמשו שוב ושוב באותו מנגנון בסיסי לשם חישת הסביבה שלהם: קולטנים מצומדים לחלבון G (G-protein–coupled receptors). אולם, אלו נותרו חבויים מפניהם של החוקרים זמן רב.

בתוף גוף האדם אלפי מליארדי תאים מתקשרים זה עם זה. רבים מהם פיתחו לעצמם תפקידים מובחנים. חלקם מאחסנים שומן; אחרים חשים אותות חזותיים, מייצרים הורמונים או בונים את רקמת השריר. על מנת שנוכל לתפקד כהלכה, חיוני כי התאים שלנו יעבדו יחדיו, במתואם, כך שיוכלו לחוש את סביבתם ולהבין מה קורה שם. לשם כך הם זקוקים לחיישנים.
חיישנים הנמצאים על גביי פני שטח התא נקראים קולטנים. לרוברט לבקוביץ’ (Robert J. Lefkowitz) ולבריאן קובילקה (Brian K. Kobilka) הוענק פרס הנובל לכימיה לשנת 2012 על כך שהצליחו למפות את האופן שבו פועלת משפחה של קולטנים המכונה קולטנים מצומדים לחלבון G (GPCRs). במשפחה זו ניתן למצוא קולטנים לאדרנלין (אפינפרין), דופאמין, סרוטונין, אור, טעם וריח. רוב התהליכים הפיזיולוגיים המתחוללים בגוף תלויים בקולטנים אלו. כמחצית מהתרופות היום פועלות על קולטנים אלו, ביניהם חוסמי ביתא (beta blockers), נוגדי-היסטמינים (antihistamines) ושלל סוגים של תרופות פסיכיאטריות. לפיכך, השגת ידע על אודות משפחת קולטנים זו אמורה להביא תועלת למין האנושי. יחד עם זאת, קולטנים אלו חמקו מעיניהם של המדענים במשך תקופה ארוכה.

הקולטן – חידה חמקמקה

בשלהי המאה ה-19, בזמן שמדענים החלו לערוך ניסויים על אודות ההשפעות של אדרנלין על הגוף, הם גילו כי חומר זה גורם לעלייה בקצב הלב ובלחץ הדם ולהאטת פעילות האישונים. מאחר והחוקרים חשדו כי האדרנלין עובר דרך העצבים שבגוף, הם החלו לשתק את מערכת העצבים של חיות מעבדה. למרות זאת, פעילותו של האדרנלין המשיכה. מסקנתם הייתה: התאים חייבים להכיל סוג מסוים של קולטנים המאפשרים להם לחוש בחומרים כימיים – הורמונים, רעלים ותרופות – בסביבתם.

אולם, כאשר החוקרים החלו לחפש אחר קולטנים אלו, הם נתקלו בחומה בצורה. הם רצו להבין כיצד נראים קולטנים אלו וכיצד הם מעבירים את האותות לתא. אדרנלין הוזרק אל מחוץ לתא והדבר הוביל למטבוליזם שלו שניתן היה למדידה בתוך התא. לכל תא יש דופן: קרומית של מולקולות שומן המפרידה אותו מהסביבה שלו. כיצד מצליח האות לעבור דרך מחסום זה? כיצד פנים התא יודע מה מתרחש מחוץ לתא?

הקולטנים נותרו בלתי מפוענחים במשך עשרות בשנים. למרות זאת, מדענים הצליחו לפתח תרופות המשפיעות באופן מוגדר על קולטנים אלו. בשנות הארבעים של המאה הקודמת, המדען האמריקאי Raymond Ahlquist בחן כיצד איברים שונים מגיבים לשלל חומרים דמויי-אדרנלין. המחקר שלו הוביל אותו למסקנה כי חייבים להיות שני סוגים של קולטנים לאדרנלין: סוג אחד הגורם לתאי השריר שבכלי הדם להתכווץ, וסוג שני האחראי בעיקר לעירור הלב. הוא קרא לשני הקולטנים בשמות אלפא וביתא. זמן קצר לאחר מכן, מדענים פיתחו את חוסמי הביתא הראשונים, המהווים היום חלק מהתרופות היעילות ביותר למחלות לב.

תרופות אלו ללא ספק משפיעות על התאים, אולם המנגנון המדויק של פעילותן נותר עלום. כעת אנו יודעים מדוע היה כה קשה למצוא את הקולטנים: מספרם מועט יחסית ורובם חבויים בתוך דופן התא. לאחר מספר עשורים אפילו Raymond Ahlquist התחיל להתייאש מהתיאוריה שלו באשר לשני סוגי הקולטנים באומרו: “עבורי הם מהווים רעיון מופשט שנוסח על מנת להסביר את התגובה הנצפית של רקמות בעקבות המגע שלהן עם כימיקלים בעלי מבנים שונים.”

בנקודה זו, בשלהי שנות השישים, רוברט לבקוביץ’, אחד מחתני פרס הנובל בכימיה לשנת 2012, נכנס לדברי הימים של קולטנים אלו.

לפתות את הקולטנים לצאת ממחבואם

הסטודנט הצעיר המצטיין החליט להפוך לקרדיולוג. אולם, הוא סיים את התואר הראשון שלו במהלך מלחמת ווייטנאם ועשה את שירותו הצבאי בשירות הבריאות הציבורי של ארה”ב במכון המחקר הפדרלי שבמכונים הלאומיים לבריאות. שם הוצג בפניו האתגר הגדול של מציאת הקולטנים.

למנחה של לבקוביץ’ כבר הייתה תכנית מוכנה. הוא הציע לחבר אטום יוד רדיואקטיבי להורמון. ואז, מרגע שההורמון נקשר לפני השטח של התא, יהיה אפשר לעקוב אחר הקרינה שנפלטת מהיוד ולאתר את הקולטן. בנוסף, על מנת לחזק עוד את התוצאות, לבקוביץ’ היה צריך להוכיח כי אכן קשירתו של ההורמון מצדו החיצוני של התא היא האחראית לייזום התהליך המתרחש בתוך התא. אם הוא יצליח בכך, אף אחד לא יוכל להטיל ספק בכך שהוא גילה למעשה את הקולטן בעל התפקיד הביולוגי.

לבקוביץ’ החל לעבוד עם הורמון המעורר את הייצור של אדרנלין בבלוטת יותרת הכליה. אולם נראה היה כי שום דבר לא מצליח לו. השנים עברו והוא עדיין לא הצליח להתקדם במחקרו, ולבקוביץ’, שגם כך לא התלהב מלכתחילה לבצע את המחקר הזה, החל להתייאש. הוא אומנם המשיך במחקרו, אך עדיין שאף להפוך לרופא.

בשנתו השנייה של המחקר לבקוביץ’, סוף כל סוף, החל להתקדם קמעה. בשנת 1970 הוא פרסם מאמרים בשני כתבי-עת יוקרתיים (PNAS, Science) ובהם הוא תיאר את גילויו של קולטן פעיל. בעקבות פרסומו זה, הוא הגיע לאוניברסיטת דיוק בקרוליינה הצפונית. שם, במעבדות החדשות שלו, לבקוביץ’ ארגן צוות חוקרים משלו. למרות שהוא הבין שהוא כבר לא יהיה קרדיולוג, הוא עדיין רצה לחקור מחלות לב. וכך הוא התחיל להתמקד בקולטנים לאדרנלין ונוראדרנלין, חומרים המכונים קולטנים אדרנרגיים. בעזרת שימוש בחומרים מסומנים רדיואקטיבית, לרבות חוסמי ביתא, קבוצת המחקר שלו בחנה כיצד קולטנים אלו פועלים. ולאחר השחזת כלי העבודה שלהם, הם הצליחו לבסוף, בזכות כישוריהם הגבוהים, למצות מספר קולטנים מרקמה ביולוגית.

בינתיים, הידע על אודות המנגנון הפועל בתוך התאים התרחב. חוקרים גילו את הקולטנים המכונים חלבוני-G (שעבורם הוענק פרס הנובל בפיזיולוגיה ורפואה לשנת 1994) העוברים שפעול ע”י אות שמקורו בקולטן. חלבון זה, בתורו, מפעיל שרשרת תגובות המשפיעה על המטבוליזם של התא. החל משנות השמונים, מדענים החלו להשיג תובנות על אודות התהליך שבעזרתו אותות מועברים מהחלק החיצוני של התא לחלקו הפנימי.

הגן – המפתח לתובנות חדשות

בשנות השמונים החליט לבקוביץ’ כי קבוצת המחקר שלו צריכה למצוא את הגן המקודד לקולטן ביתא. החלטה זו התבררה כקריטית להצלחתו של לבקוביץ’. גן דומה לטביעת אצבע – הוא מכיל צופן הנקרא ע”י התא בעודו מחבר חומצות אמינו ליצירת חלבון, לדוגמה – קולטן. הרעיון היה כי אם קבוצת המחקר תצליח לבודד את הגן ולפענח את טביעת האצבע לבניית קולטן הביתא, החוקרים יוכלו לקבל תובנות על אופן פעילותו של הקולטן.

בערך באותו הזמן, לבקוביץ’ העסיק דוקטור צעיר, בריאן קובילקה. סקרנותו מהקולטנים האדרנרגיים נולדה מתוך הניסיון שלו במחלקה לטיפול נמרץ בבית החולים. זריקה של אדרנלין יכולה להיות הקו הדק שבין חיים לבין מוות. הורמון זה פותח את מערכת הנשימה החסומה ומאיץ את קצב הלב. קובילקה היה מעוניין לבדוק את אופיו של האפינפרין ברמה המולקולארית הפרטנית ביותר, ולכן פנה למעבדתו של לבקוביץ’.

קובילקה החל את המצוד אחר הגן. אולם, בשנות השמונים הניסיון למצוא גן יחיד מתוך ים הגנים הכביר של הגוף היה כמו למצוא מחט בערמת שחת; האתגר הטכני האט את התקדמות המחקר. אולם, לקובילקה היה רעיון גאוני שיאפשר את בידוד הגן. עם ציפייה דרוכה, החוקרים החלו לבחון את הצופן; הם גילו כי הקולטן מורכב משבעה גדילים סליליים ארוכים ושומניים (הידרופוביים) – מה שמכונה הליקס. מבנה זה מרמז לחוקרים כי הקולטן ככל הנראה עובר פנימה והחוצה מדופן התא שבע פעמים.

שבע פעמים. זה היה אותו המספר של גדילים בעלי אותה הצורה הסלילית של קולטן אחר שכבר התגלה במקום אחר בגוף: קולטן האור רודופסין המצוי ברשתית העין. בנקודה זו נולד רעיון: האם שני קולטנים אלו קשורים, למרות שהם בעלי פעילות שונה לחלוטין?

רוברט לבקוביץ’ תיאר את הרגע הזה כ”רגע אאוריקה אמיתי”. הוא ידע כי הן הקולטנים האדרנרגיים והן קולטן הרודופסין באים במגע עם חלבוני-G הנמצאים בתוך התא. הוא גם ידע כי כמעט 30 קולטנים אחרים פועלים באמצעות חלבוני-G. המסקנה המתבקשת: חייבת להיות משפחה שלמה של קולטנים שנראים דומים והפועלים בצורה דומה!

מאז תגלית פורצת דרך זו, התצרף החל להתגבש אט אט ולמדענים יש כעת את הידע המפורט לגביי קולטנים מצומדים לחלבון G – כיצד הם פועלים וכיצד הם מווסתים את הפעילות המולקולארית. לבקוביץ’ וקובילקה עמדו בחזית המסע המדעי הזה ובשנה שעברה, בשנת 2011, קובילקה וצוות החוקרים שלו דיווחו על ממצא שהווה את גולת הכותרת של עבודתם.

הדמיית ההשפעות של אדרנלין
לאחר שהצליח לבודד בהצלחה את הגן האמור, בריאן קובילקה עבר לבית הספר לרפואה של אוניברסיטת סטנפורד בקליפורניה. שם הוא התכונן ליצור את תמונת הקולטן – יעד בלתי אפשרי בעיניהם של רוב המדענים – ועבור קובילקה, זה הפך למסע ארוך.

הדמיה של חלבון היא תהליך הכרוך בשלבים מורכבים מאד. החלבונים זעירים מדי מכדי שניתן יהיה להבדיל ביניהם במיקרוסקופ רגיל. לפיכך, המדענים עושים שימוש בשיטה הידועה בשם קריסטלוגרפית קרני-רנטגן. בשיטה זו מתחילים ביצירת גביש של החלבון, מבנה בו החלבונים ארוזים בצפיפות באורח סימטרי וסדור, בדומה למולקולות המים הארוזות בגביש קרח או אטומי הפחמן ביהלום. בשלב הבא, המדענים מקרינים קרני רנטגן דרך החלבון הגבישי. כאשר הקרניים פוגעות בחלבונים הם ניתזים מהם החוצה. מתוך תמונת התאבכות זו המדענים מסוגלים להסיק מהו המבנה האטומי המפורט של החלבון.

התמונה הראשונה של מבנה גבישי של חלבון התקבלה בשנות החמישים. מאז ועד היום, מדענים השתמשו בשיטה זו ליצירת אלפי תמונות של חלבונים. אולם, מרביתם היו מסיסי-מים, תכונה המקלה על תהליך הגיבוש שלהם. חוקרים מעטים יותר הצליחו לדמות חלבונים הממוקמים בקרומית השומנית של התא. במים, חלבונים מעין אלו מתמוססים באופן גרוע, בדומה לטיפת שמן על מים, ויוצרים גבשושים שומניים. יתרה מכך, קולטנים מצומדים לחלבון G מטבעם ניידים מאוד (הם מעבירים אותות ע”י תנועה), אולם בתוך מבנה גבישי הם חייבים להישאר כמעט דוממים. גיבושם, משום כך, מהווה אתגר רציני.

רק כעבור שני עשורים קובילקה הצליח למצוא את הפתרונות לכל הבעיות הללו. והודות לנחישות, ליצירתיות ולשיטות של ביולוגיה מולקולארית, קובילקה וקבוצת המחקר שלו השיגו סוף כל סוף את היעד שלהם בשנת 2011: הם קיבלו תמונה של הקולטן ממש ברגע בו הוא מעביר את האות מההורמון הנמצא מחוץ לתא לחלבון ה-G הנמצא בתוככי התא.
התמונה, שפורסמה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature, חושפת פרטים חדשים על אודות קולטנים מצומדים לחלבון G, לדוגמה, כיצד נראה הקולטן המשופעל ברגע שהוא פותח צוהר שאליו נקשר חלבון ה-G. ידע כזה יהיה בעל תועלת רבה בעתיד לשם פיתוחן של תרופות חדשות.

החיים זקוקים לגמישות
מיפוי הגנום האנושי חשף קרוב לאלף גנים המקודדים לקולטנים מצומדים לחלבון G. כמחצית מקולטנים אלו מגיבים לריחות ומהווים חלק ממערכת הריח. כשליש מהם הם קולטנים להורמונים ולחומרים מאותתים, כגון דופאמין, סרוטונין, פרוסטגלאדין, גלוקגון והיסטמין. מספר קולטנים לוכדים את קרני האור הפוגעים בעין, בעוד אחרים ממוקמים על גביי הלשון ומקנים לנו את חוש הטעם. ועדיין, למעלה ממאה קולטנים מציבים אתגר בפני המדענים, מאחר ותפקידיהם עדיין לא הובררו.

מעבר לגילוי הגרסאות השונות של הקולטן, חוקרים שונים, כאשר לבקוביץ’ וקובילקה בראשם, גילו כי הם רב-תכליתיים; קולטן אחד יכול לזהות מספר הורמונים שונים הנמצאים מחוץ לתא. יתרה מכך, בחלק הפנימי של התא הם לא מגיבים רק עם חלבוני ה-G, אלא שהם מגיבים גם, לדוגמה, עם חלבונים המכונים ארסטינים (arrestins). ההבנה כי קולטנים אלו לא תמיד מצומדים לחלבוני-G הובילה את החוקרים להתייחס אליהם כאל קולטנים חוצי-קרומית 7 (7TM), על שם שבעת הגדילים הסליליים הכלולים בהם.

המספר והגמישות של הקולטנים מאפשרים את הוויסות העדין שכה חיוני לתפקוד החיים. כאשר אנו נתקלים במצב מפחיד, הדם שלנו מתמלא באדרנלין ורקמות שונות מגיבות בצורות שונות. זרימת הדם לאיברי העיכול פוחתת; בה בעת, הזרימה לשרירים מתגברת. התוצאות השונות הללו של האדרנלין תלויות בנוכחותם של תשעה קולטנים שונים המגיבים עם אותו ההורמון. חלק מהקולטנים יוזמים את פעילות התא, בעוד שאחרים הם בעלי השפעות מרגיעות.