בין מנגנון העריכה הגנטית של האר-אן-אי לאבולוציה של הדי-אן-אי
מולקולות אר-אן-אי מכילות חלקים שמתקפלים ונדבקים לעצמם, במיוחד באזורים שאינם מקודדים לחלבון. אזורים מקופלים אלה עלולים לעורר תגובה חיסונית מזיקה. מנגנון העריכה הטבעי הפועל בתאים, מזהה אזורים אלה, עורך את הרצף הגנטי וכך פורם את המבנים המקופלים, כדי למנוע הפעלה מזיקה של מערכת החיסון.
מולקולות אר-אן-אי שליח משמשת בחיסונים כנגד נגיף הקורונה, כאמצעי שמורה לתא ליצור חלק מחלבון המעטפת של הנגיף, וכך לגרום למערכת החיסון לזהות ולתקוף את הנגיף האמיתי ולבלום אותו. אבל חלקים מן הרצף במולקולות אלה אינם נושאים הוראות לבניית חלבון כלשהו. מהו, אם כן, תפקידם של המקטעים האלה? מה השאלה? כיצד אפשר להחדיר לתאים תרופות מותאמות אישית המבוססות על אר-אן-אי?
פרופ’ אלי אייזנברג מבית הספר לפיזיקה בפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב, עבר בהדרגה לעסוק בביואינפורמטיקה, לרבות ניתוח נתוני ריצוף עמוק של אר-אן-אי, עריכת אר-אן-אי, ביטוי גנים ועוד. זאת בנוסף למחקריו בתחום המכניקה הסטטית בשיווי משקל.
מולקולת אר-אן-אי היא שרשרת נוקליאוטידים, המורכבים מזרחה, מהסוכר ריבוז ומארבעה סוגים של בסיסים חנקניים: אדנין (A), ציטוזין (C), גואנין (G) ואורציל (U). (במולקולת די-אן-אי מחליף הבסיס תימין (T) את האורציל). האורציל הוא “בן זוג” של האדנין, ואילו הציטוזין הוא בן זוגו של הגואנין.
המקטעים הלא מקודדים במולקולת האר-אן-אי (וגם באר-אן-אי שליח), מכונים אינטרונים. בנוסף, קיימים בה גם רצפים לא מקודדים, הממוקמים לפני ואחרי המקטעים המקודדים, הקרויים UTR . אלה אזורים שעוברים שעתוק כרגיל, אולם לא מתורגמים לחלבון. באינטרונים וב-UTR קיימים רצפים שחוזרים על עצמם.
כאשר מערכת החיסון נתקלת באר-אן-אי דו-גדילי, היא “חושדת” שמדובר בחומר גנטי זר (אולי ממקור נגיפי). כאן נכנס לפעולה מנגנון של עריכת אר-אן-אי שדואג לפרום את הקשרים הבלתי רצויים הללו באמצעות החלפת הבסיסים בבסיסים אחרים באזורים הנצמדים. (יש תפקידים מסוימים של אר-אן-אי שדורשים מבנים דו גדיליים אבל אלה אינם מעוררים את מערכת החיסון). אר-אן-אי דו-גדילי עלול להיות מזוהה על ידי מערכת החיסון כגוף זר (למשל נגיף) מה שעלול להפעיל תגובה חיסונית חריפה ומזיקה.
ישנם מנגנונים טבעיים המסוגלים לערוך את האר-אן-אי. ביונקים, מדובר בעיקר על החלפה של הבסיס C ל-U באמצעות אנזימים ממשפחת APOBEC, ועל החלפה של A ל-I (אינוזין) באמצעות אנזימים ממשפחת ADAR. הסוג השני הוא הנפוץ ביותר בכלל עולם החי, ובו מתמקד המחקר במעבדתו של פרופ’ אייזנברג. אינוזין, הוא בסיס חנקני שאינו אחד מחמשת המרכיבים של המערכת הגנטית, אבל הריבוזום ש”קורא” אותו, “מתרגם” אותו כגואנין (G).
אנזימי העריכה הללו נקשרים לאזורים של אר-אן-אי דו-גדילי (כתוצאה מזיווג של חלק אחד של רצף האר-אן-אי עם חלק אחר באותה מולקולה). כאמור, אר-אן-אי דו-גדילי עלול להיות מזוהה על ידי מערכת החיסון כגוף זר (למשל נגיף) מה שעלול להפעיל תגובה חיסונית חריפה ומזיקה. העריכה באמצעות ADAR פורמת במקצת את המבנה הדו-גדילי ומונעת את ההפעלה הבלתי רצויה של מערכת החיסון. ניסויים שבוצעו בעכברים הראו כי בעלי חיים שחסרים את המנגנון הזה – מתים בשלב עוברי.
מבנים ארוכים ויציבים של אר-אן-אי דו-גדילי נוצרים בעיקר באזור הלא-מקודד של ה-אר-אן-אי, שם נמצאים רצפים חוזרניים. שני עותקים של רצף חוזר כזה שנמצאים בתוך אותה מולקולת אר-אן-אי יכולים ליצור זוג וכך ליצור את המבנה השניוני שאותו עורך ADAR. למעשה, מנגנון העריכה, כאשר הוא פועל באיזורים המקודדים בגנום, יכול לגרום לייצור גרסאות חלבון השונות מזו המקודדת בגנום.
המטרות הראשונות של האנזימים הללו התגלו בשנת 1991, והם היו ממוקמות באיזור המקודד. אולם מתברר שיש הרבה יותר מטרות של עריכה גנטית באיזורים הלא מקודדים של האר-אן-אי. שיטות חישוביות מודרניות הראו כי בגנומים של יצורים רבים יש עשרות או מאות אלפי מטרות כאלה, באיזורים לא מקודדים, שהעריכה שלהם נדרשת כדי למנוע תגובה חיסונית כנגד מולקולות אר-אן-אי של בעל החיים עצמו.
פרופ’ אייזנברג אומר שההשערה העיקרית של המחקר שלו – שזכה במענק מחקר מהקרן הלאומית למדע – היא שמערכת העריכה הגנטית נוצרה תחילה כדי למנוע את התגובה החיסונית. כיוון שהמערכת קיימת והאנזימים נוצרו, מטבע הדברים עם הזמן נמצאו להם גם שימושים אחרים כמו עריכת אתרים מקודדים.
השערה נוספת היא שמכיוון שהתעתיקים שיכולים ליצור אר-אן-אי דו-גדילי מסוכנים לתא אם העריכה לא תפעל כראוי, הם יעלמו מן הגנום במהלך האבולוציה.
למנגנון העריכה חשיבות תפקודית ואבולוציונית. עם זאת, מיפוי שיטתי של העריכה ברחבי ממלכת החי גילה כי רוב אתרי ההחלפה של A ל-I ממוקמים בתוך מרכיבים ניידים בחלקי הגנום שאינם מקודדים. ככל הנראה, לעריכה של אתרים אלה יש תפקיד חשוב בהגנה מפני הפעלה של חסינות מולדת באמצעות תעתיקים עצמיים. הן לרצפים חוזרים והן לרצפים שאינם מקודדים יש השלכות על התפתחות הגנום, וללא בקרה, או עריכה, הם עלולים להוביל למחלות.
כיום ידועה שיטה לעריכה גנטית הקרויה קריספר, אך היא פועלת על מקטעים שלמים. לעומת זאת, אם אפשר יהיה להתאים וליישם את כלי העריכה החדשים, ייתכן שאפשר יהיה ליצור דור חדש של כלי עריכה גנטית, שיוכלו לשנות במדויק נוקלאוטיד אחד. הבנה מעמיקה יותר של תהליכי העריכה האלה, עשויה לקדם, בעתיד, פיתוח של טכניקה לריפוי גני.
החיים עצמם:
פרופ’ אלי אייזנברג נשוי פלוס 5, גר בבני ברק וכשאינו עוסק במדע הוא לומד תורה.
