מחקר ממעבדתו של פרופ' שרגא שוורץ במכון ויצמן מגלה כיצד היפרתרמופילים מוסיפים מאות תיקוני עריכה לאר-אן-אי הריבוזומלי – מתילציה ואצטילציה הפועלות יחד לייצוב המבנה – ומציע הסברים חדשים ליעילותן של תרופות וטכנולוגיות מבוססות אר-אן-אי.
כדי לשרוד יש להשתנות, ומי שפיצחו זאת כבר לפני מיליארדי שנים הם יצורים חד-תאיים שחיים בחום גבוה. בעשורים האחרונים, חקר מנגנוני ההסתגלות שלהם הניב טכנולוגיות מהפכניות כמו שכפול מהיר של די-אן-אי (PCR), ייצור חלבונים עמידים לחום ואפילו הפקת דלקים וכימיקלים. המרשימים מכולם הם ההיפרתרמופילים – יצורים שביתם הוא לועי הרי געש, סדקים געשיים מתחת למים ומעיינות חמים, מקומות שבהם הטמפרטורה גבוהה מ-80 מעלות צלזיוס. שיטת מחקר חדשה שפיתחו מדעני מכון ויצמן למדע חשפה כיצד היפרתרמופילים עורכים מחדש את מולקולות האר-אן-אי שבליבת הריבוזום שלהם – מפעל ייצור החלבונים התאי – כדי לשרוד בטמפרטורות גבוהות. הממצאים ממעבדתו של פרופ' שרגא שוורץ, שמתפרסמים בכתב-העת המדעי Cell, חותרים תחת התפיסה שתהליכי חיים בסיסיים הם אחידים בין מינים ולאורך החיים. ממצאים אלה עשויים לאפשר לשפר טכנולוגיות רפואיות ותעשייתיות מבוססות אר-אן-אי, והם מתירים חלק מהמסתורין סביב תעלומה ארוכת-שנים מתחום פיתוח התרופות.
הריבוזום הוא מהמבנים הביולוגיים הקדומים ביותר והבסיסיים ביותר והוא משותף לכל ממלכות החיים – ארכאונים, חיידקים ואאוקריוטים. לפני יותר מ-60 שנה התגלה כי מולקולות אר-אן-אי ריבוזומלי עוברות "תיקוני עריכה" כימיים (מודיפיקציות) לאחר ייצורן בתא. אולם, בשל הקושי למדוד שינויים אלו, לא היה ידוע באיזו מידה הם משתנים בין מינים או כתלות בתנאי הסביבה. "עד לאחרונה, בעיקר על בסיס מחקרים בשמרים ובאדם, הסברה הייתה שעריכת אר-אן-אי אחידה בריבוזומים של פרטים שונים מאותו מין ולא משתנה בהתאם לסביבה", מסביר פרופ' שוורץ מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון. "עם זאת, בשנים האחרונות הצטברו עדויות בקומץ מינים לכך שהעריכה יכולה לעיתים להיות דינמית ולאפשר התאמה של מבנה הריבוזום לסביבה. הקושי לבצע מחקר רחב היקף לאשש תפיסה זו, נבע מהמספר הרב של סוגי התיקונים, הקושי לזהותם ומגבלות השיטות הקיימות, שאפשרו לרוב לבדוק סוג תיקון יחיד בדגימה אחת בכל פעם".
"התברר שככל שהסביבה הטבעית של יצור חמה יותר, הוא מבצע יותר תיקוני עריכה"
שיטה חדשה שפותחה במעבדתו של פרופ' שוורץ, בהובלת ד"ר מיגל א. גרסיה קמפוס, מאפשרת לבדוק במקביל 16 סוגים שונים של תיקוני עריכה בעשרות דגימות אר-אן-אי ומזניקה קדימה את המחקר של עריכת אר-אן-אי. באמצעותה, מיפו המדענים לראשונה את תיקוני העריכה ב-10 מינים חד-תאיים והשוו אותם לארבעה שנחקרו בעבר. הם בחרו במיוחד מינים ששורדים בתנאי סביבה קיצוניים, ובהם שלושה מינים היפרתרמופילים, מתוך מחשבה שאם לריבוזום יש מנגנון הסתגלות לסביבה הוא יימצא אצלם. "בעוד שמרבית החיידקים והארכאונים מסתפקים בעשרות בודדות של מודיפיקציות באר-אן-אי הריבוזומלי, במינים ההיפרתרמופילים מצאנו מאות תיקוני עריכה", מתאר פרופ' שוורץ. "למעשה, התברר שככל שהסביבה הטבעית של יצור חמה יותר, הוא מבצע יותר תיקוני עריכה".
אחרי שמצאו הבדל בין מינים עם בתי גידול שונים, בדקו המדענים האם אותו מין מסוגל לערוך מחדש את האר-אן-אי הריבוזומלי שלו – וכך לשנות את מבנה הריבוזום – בהתאם לשינויים בסביבה במהלך החיים. לשם כך, כל אחד מהמינים גודל בשלושה עד חמישה תנאי סביבה שונים. אצל חד-תאיים החיים בטמפרטורות שגרתיות מרבית תיקוני העריכה היו קבועים ולא היו תלויים בתנאי הגידול. מנגד, כמעט מחצית מהמודיפיקציות בהיפרתרמופילים היו דינמיות והתרחשו ביותר אתרים במולקולות האר-אן-אי ככל שהטמפרטורה עלתה. המדענים הסיקו מכך ששינויים במבנה הריבוזום אינם רק אפשריים – הם מנגנון הסתגלות חשוב.
המדענים זיהו שלושה סוגי שינויים שעלו בשכיחותם באופן שיטתי ורחב היקף עם העלייה בטמפרטורה. "תגלית מפתיעה במיוחד הייתה שאחד מאותם תיקונים – הוספת קבוצת מתיל (מתילציה) – הופיע במינים ההיפרתרמופילים כמעט תמיד עם תיקון נוסף – הוספת קבוצת אצטיל (אצטילציה)", מספר פרופ' שוורץ. "זה העלה את ההשערה שהתוספות עובדות יחד. חברנו לקבוצה של פרופ' סבסטיאן גלאט מהאוניברסיטה היגלונית בקרקוב, ובדקנו את מידת היציבות של מולקולת אר-אן-אי ללא תוספות, לאחר הוספת קבוצה כימית אחת, מתיל או אצטיל, ולאחר הוספה של שתיהן. הן למתילציה והן לאצטילציה נמצאה השפעה מייצבת על אר-אן-אי, אך כאשר הן משתפות פעולה השלם עולה על סך חלקיו".
מה שעדיין לא היה ברור, הוא כיצד העריכה משנה את מבנה הריבוזום. כדי לבדוק זאת, חבר צוות החוקרים לקבוצתה של פרופ' מורן שלו בן-עמי מהמחלקה לביולוגיה מבנית וכימית במכון, שביצעה מיקרוסקופיה אלקטרונית של חלקיקים בודדים בהקפאה עמוקה (cryo-EM) ומיפתה ריבוזום מארכאון היפרתרמופילי. המדענים מיפו את המבנה בשני מצבים – כאשר האנזים המבצע מתילציה בטמפרטורות גבוהות פעיל וכאשר הוא מושתק. המדענים גילו כי קבוצות המתיל שמתווספות בטמפרטורות גבוהות פזורות בכל רחבי הריבוזום ויוצרות מגוון קשרים חלשים עם מולקולות בסביבה, שיחד מחזקים את המבנה. כמו כן, הם זיהו שבאזורים שבהם בוצעו תיקוני עריכה יש פחות חללים בריבוזום, כך ש"נסתמו חורים" במבנה.
הממצאים החדשים חושפים מנגנון מתוחכם שבמסגרתו שינויים כימיים עדינים במולקולת אר-אן-אי יכולים לשפר באופן ניכר את יציבותה המבנית ולאפשר לה לתפקד בסביבה משתנה. בכך, הם מספקים פתרון אפשרי לתעלומת "המתיל הקסום" – שיפור לא מוסבר של יותר מפי 100 ביעילות של חלק מהתרופות שנצפה בעת הוספת קבוצת מתיל.
"כיום עולה האפשרות שלפחות חלק משינויי העריכה לאורך מולקולת אר-אן-אי – כמו מתילציה ואצטילציה – אינם מבודדים זה מזה, וצריך לנסות לפענח אותם כקוד רציף", אומר פרופ' שוורץ. "המחקר שלנו על אר-אן-אי ריבוזומלי תורם להבנת הקשר בין שינויי עריכה שונים, והשיטה שפיתחנו עתידה להאיץ ולהרחיב את החקר של סוגי שינויים רבים ושל מינים חדשים".
"טכנולוגיות מבוססות אר-אן-אי רבות מצויות כיום בשוק או בפיתוח – מחיסונים נגד מגפות, דרך בדיקות וטיפולים בסרטן ועד לכלים לביצוע עריכה גנטית בתעשיית הביוטכנולוגיה וברפואה", הוא מוסיף. "תהליך העריכה הטבעית של אר-אן-אי עבר מקצה שיפורים בן מיליארדי שנים, וגילוי סודותיו עשוי לאפשר פיתוח של טכנולוגיות מבוססות אר-אן-אי אמינות ויעילות יותר".
במחקר השתתפו גם ג'ו ג'ורג'סון, ד"ר רונית ניר, ד"ר ויניתרה אייאר וד"ר אנטולי קוסטנוביץ' מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון; ד"ר רוברט רייכלט, ד"ר פליקס גרונברגר, ניקולס אלכסנדר, פרופ' סבסטיאן פריירה-סרקה ופרופ' דינה גרוהמן מאוניברסיטת רגנסבורג, גרמניה; ד"ר קריסטין א. פלוק, פרופ' ברט וו. בורקהרט ופרופ' תומאס ג'יי סנטנג'לו מאוניברסיטת מדינת קולורדו; ד"ר דונה מצוב מהמחלקה לביולוגיה מבנית וכימית במכון; ד"ר לורן לואי מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי, קליפורניה; ד"ר סופוני ת'אללה גמאג', ד"ר שרין א. האופיי-מנאג' וד"ר ג'ורדן ל. מאייר מהמכון הלאומי לסרטן, פרדריק, מרילנד; ד"ר מילאן ג'רובק ופרופ' יורג ווגל מאוניברסיטת וירצבורג, גרמניה; ד"ר יוקו נובי ופרופ' מסאטו טאוקה מהאוניברסיטה המטרופולינית של טוקיו (TMU), יפן; יאקוב ס. נובאק מהאוניברסיטה היגלונית, קרקוב, פולין; מנוג' פררה, אלכסנדר אפוסטל וד"ר שייוא פאנג מהאוניברסיטה הטכנולוגית של מישיגן (MTU), הוטון, מישיגן; ד"ר גיל יונה מהמחלקה לתשתיות מחקר מדעי החיים במכון; ופרופ' אריק וסטהוף מהמכון לביולוגיה מולקולרית ותאית (IBMC), שטרסבורג, צרפת.
עוד בנושא באתר הידען:
