חוקרים מאוני ת”א: עדויות למנגנון המונע רמות הגבוהות של שחלופים בין רצפים חוזרים

אבי בליזובסקי

תרשימים א' ו-ב' מסכמים את המנגנון בו נמנע השחלוף בין אלמנטים חוזרניים:בשני התרשימים האזור החם לשחלופים ממוקם בין הגנים 1 ו-2. חלבוני הכרומטין מיוצגים ע”י גלילים. קו שחור בין הגנים מיצג את גדילי הדנ”א הארוזים בצפיפות נמוכה (ראה תרשים א), או במבנה קומפקטי (ראה תרשים ב) סביב חלבוני הכרומטין. הפסקות ברצף הדנ”א בתרשים א' מייצגות שברים הנוצרים ע”י אנזימים ספציפיים (מיוצגים ע”י חיצים אדומים). המבנה הכרומטיני הקומפקטי הנובע מנוכחות ה-Ty מונע את נגישות הדנ”א לאותם אנזימים וכתוצאה מכך לא נוצרים שברים (ראה תרשים ב').

קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/tau280704.html

חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב גילו בפעם הראשונה עדויות למנגנון המונע את הרמות הגבוהות של שחלופים בין רצפים חוזרניים. ככל הנראה המבנה הכרומטיני הסגור של אותם רצפים וההשריה של אותו מבנה על הסביבה, היא המונעת יצירת שברים באלמנט עצמו ובסביבתו, בצורה זו נמנעת תחילתם של אירועי שיחלוף, ופגיעה ביציבות הגנום. המחקר שפורסם בכתב העת היוקרתי Molecular cell issue of July 23, 2004, מצביע על חשיבות המבנה הכרומטיני בשמירה על יציבות הגנום. התוצאות שהוצגו לעיל מעלות שאלות חדשות שתבדקנה במחקרים עתידיים כגון: מהו המבנה הכרומטיני של רצפים חוזרניים בתאים סרטניים? במידה והוא אכן שונה, כפי שהוצג במערכת המודל, האם גם בתאים אנושיים התוצאה זהה?, היינו: רמות גבוהות של שחלופים וכתוצאה מכך שינויים כרומוזומליים המובילים להתפתחות המחלה?

בתאים פועלים מנגנוני פיקוח ותיקון השומרים על יציבות הגנום. חוסר יציבות גנומית מתרחש בשעורים נמוכים בתאים נורמאלים, לעומת זאת תדירותו גבוהה יותר בתאים סרטניים. רב התאים הסרטניים בבני אדם מראים סימנים של חוסר יציבות גנומית המתבטאים בין היתר בשיעור מוטציות גבוה, ובאינטראקציות בין כרומוזומים המובילות בין היתר לערעור המבנים הכרומוזומליים.
שחלוף (Recombination) הינו תהליך אוניברסלי המתרחש בכל האורגניזמים שנלמדו עד כה, ובמהלכו מתבצעת החלפת אינפורמציה בין רצפי דנ”א דומים. השחלוף ממלא תפקיד בכל שלבי הגידול של האורגניזם, הן בשלב ההתמיינות המינית (שחלוף מיוטי-Meiotic recombination), והן בעת הגידול הא-מיני (שחלוף מיטוטי-Mitotic recombination).
לשחלוף תפקיד מרכזי בעת ההתמיינות המינית (יצירת תאי הזרע, או הביציות). במהלך תהליך זה מתרחשת בהחלפת אינפורמציה גנטית בין הכרומוזומים שמקורם באם לבין הכרומוזומים שמקורם באב. כתוצאה מכך מתקבלות וריאציות גנטיות חדשות, שהן המקור למגוון העצום בעולם החי. בשלב הגידול הא-מיני מהווה השחלוף את אחד המנגנונים העיקריים לתיקון נזקי DNA, הנוצרים באופן ספונטני, או ע”י גורמים חיצוניים כגון נזקי קרינה.
לתפקיד החשוב של שחלוף בחיי התא קיים גם פן אחר, מסוכן יותר: רצפים חוזרניים נמצאו בכל האורגניזמם שנלמדו עד כה. כמה מאותם רצפים מצויים באלפי ואף מאות אלפי עותקים, ומהווים חלק ניכר מהגנום. מחקרים רבים שנעשו בעבר הראו כי שחלוף בין רצפים אלו מהווה מקור לחוסר יציבות גנומית, המתבטא בין היתר בערעור המבנים הכרומוזומליים. האפקט הסופני של האנטראקציות הנ”ל מעלה את השאלה הביולוגית שעומדת בבסיס המחקר: מהו המנגנון המונע שחלוף בין רצפים חוזרניים, ומאפשר שמירה על יציבות הגנום התאי?
על מנת לנסות ולהתמודד עם השאלה בחרו החוקרים להשתמש כמערכת המודל בשמר האפיה והיין Saccharomyces cerevisiae. אורגניזם זה הינו חד תא שמבחינה גנטית וביוכימית חולק עם קרוביו הרב תאיים תכונות ותהליכים משותפים, ולכן מהווה מודל נח למחקר כללי. באופן ספציפי יותר נעזרנו באלמנט החוזרני של אורגניזם זה הקרוי Ty. אלמנטים אלו נמצאים בשישים עד שמונים עותקים, ומהווים 3% מהגנום השימרי. מחקרים קודמים במעבדתנו הראו כי רמות השחלוף בין אלמנטי ה-Ty נמוכות ביותר וזאת בייחוד לנוכח מספרם הגבוה, לפיכך הוגדר “כקר לשחלופים” (Recombination Cold Spot). מתוך כך ניתן היה להסיק כי ברצפים חוזרניים קימת תכונה מובנית כלשהי המנטרלת הפוטנציאל ההרסני הגלום ברמות גבוהות של שיחלוף וע”י כך נמנע מוות תאי.
רמת השחלוף אינה אחידה בכל הגנום, ולצד אזורים קרים לשחלוף קיימים איזורים בהם מתרחש שחלוף ברמות גבוהות במיוחד, והם הוגדרו כ”חמים לשחלופים” (Recombination Hot Spots).
על מנת לנסות ולהבין את התכונות שהופכות את האלמנטים החוזרניים ליחודיים, בחרנו להחדיר אזור”קר לשחלופים” ליד אזור “חם” תוך בדיקת האנטראקציה בניהם.
התוצאות שנתקבלו הפתיעו: נוכחות ה- Ty גרמה להתקררות האיזור החם, התקררות זו התבטאה בירידה ברמת השחלופים.
אנליזה של דנ”א באזור הראתה שהשברים בדנ”א שאיפיינו את האזור החם, והובילו לרמות שיחלוף גבוהות לפני כניסת ה- Ty נעלמו לחלוטין (בעקבות מחדר ה-( Ty וכתוצאה מכך נמנע השחלוף.
נשאלת השאלה מדוע איזור זה של הגנום שביר בדרך כלל, ואינו שביר בנוכחות ה- Ty?
הדנ”א בכרומוזום ארוז ומלופף סביב חלבונים יחודיים, במבנה הקרוי “כרומטין”. אנליזה של האיזור ה”חם” הראתה מבנה כרומטין פתוח ונגיש. מבנה זה מאפשר כניסה של האנזימים הנחוצים ליצירת שברים ושחלוף. לעומת זאת, הדנ”א המרכיב את ה- Ty מלופף בחוזקה ומראה אריזת כרומטין קומפקטית. עצם נוכחות ה-Ty בסביבת אזור חם לשחלופים השרתה על אזור זה מבנה כרומטין קומפקטי שמנע ככל הנראה את יצירת השברים והשחלוף.

עבודה זו נעשתה על ידי שי בן-ארויה במעבדתו ובהדרכתו של ד”ר מרטין קופיאק, ראש המחלקה למיקרוביולוגיה מולקולרית ולביוטכנולוגיה, כחלק מפרויקט הדוקטוראט שלו.
במסגרת המחקר במעבדה נבדקים התהליכים הבסיסיים ביותר של החיים, כגון איך תאים מתחלקים, איך החומר התורשתי ארוז בכרומוזומים, איך מתקנים אותו במקרה של תקלות או נזקים, ואיך מכפילים אותו בצורה כזו שניתן להעביר עותק מושלם של הגנום לתא הבת, מה משתבש בתאים סרטניים ולמה הכרומוזומים שלהם הופכים לבלתי יציבים.

לצורך חקר שאלות אלה נעשה שימוש באורגניזם פשוט, שמר האפייה (אותו יצור שמשרת אותנו בנאמנות זה אלפי שנים בעשיית לחם, יין ובירה). היות והתהליכים הנחקרים הם כל כל כך בסיסיים, כל הממצאים שניתן לקבל בקלות באורגניזם פשוט כגון השמר, קבילים גם לגבי תאים אנושיים. למשל, לאחרונה נחשפה רשת של גנים אשר שומרים על הסדר במחזור התא. אותם גנים פועלים גם בבני אדם, ותפקידם כה דומה, שהגן האנושי יכול להחליף את הגן השמרי. גם ELG1, גן שנתגלה לאחרונה במעבדה זו ואשר פגמים בו גורמים לחוסר יציבות גנטית בשמר, קיים גם בבני אדם, וכנראה פועל על מנת למנוע התפתחות של סרטן.

ידען רפואה גנטית

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~907493604~~~48&SiteName=hayadan