‫זרקור – ביולוגיה במספרים גדולים / דורית פרנס‬

הגנום שלנו מכיל עשרות אלפי גנים, שהביטוי שלהם מבוקר על ידי רצפי בקרה. במעבדתו של ערן סגל במכון ויצמן למדע פיתחו שיטה המאפשרת לחקור אלפי רצפים כאלה בו-זמנית כדי לקבל תמונה מקיפה על אופן פעולת הגנום.

המידע הגנטי שלנו מקודד במולקולות דנ”א ארוכות, המכונות כרומוזומים המורכבות מצירופים שונים של ארבע יחידות מבנה, המסומנות באותיות: A, C, G ו-T. בסך הכול יש בגנום של כל אחת ואחד מאתנו כ-3.2 מיליארד אותיות. בתוך מיליארדי האותיות האלה מסתתרים רצפים המכילים את הקוד לבניית חלבונים. ואולם, חלבוני התא אינם מיוצרים בגרעין התא, שבו ספון הדנ”א, אלא בגוף התא, הקרוי ציטופלזמה. אם כן, כיצד מגיע המידע מן הדנ”א שבגרעין אל הציטופלזמה? כל גן משועתק, על פי הצורך, לסוג מסוים של מולקולת רנ”א, המכונה רנ”א שליח, המורכבת גם היא מארבע אותיות, A, C, G ו-U. הרנ”א, בניגוד לדנ”א, מסוגל לצאת מן הגרעין לציטופלסמה, שם המידע המקודד בו מתורגם לחלבונים בידי מכונות מולקולריות הקרויות ריבוזומים. זוהי “הדוֹגמה המרכזית” של הביולוגיה המולקולרית, ובמשך שנים לא מעטות היא גם הייתה הדוֹגמה היחידה. בשנת 2000 פוענח רוב רצף האותיות של הגנום האנושי, והתברר שכ-98% מן הגנום שלנו אינו מקודד חלבונים. באי תשומת לב מסוימת, כונה חלק ניכר מן הדנ”א הזה בשם דנ”א זבל, וההנחה הרווחת הייתה שהוא מכיל שרידים אבולוציוניים של אירועי עבר, כמו חדירת נגיפי דנ”א או נגיפי רנ”א לגנום של אבות אבותינו או הכפלת מקטעי דנ”א בגלל טעויות בשכפול הגנום.

ואולם, שיטות מולקולריות וחישוביות שהלכו ונעשו מתוחכמות יותר, הבהירו גם כמה דברים נוספים. למשל, שבדנ”א הזה חבוי עולם שלם של גנים שאינם מתורגמים לחלבונים, אלא רק משועתקים לרנ”א, ושלגנים האלה יש תפקידים חיוניים בבקרת גנים אחרים (ראו עמוד 22, וכן “הגנום העלום: יהלומים בזבל” מאת  ו’ וייט גיבס, סיינטיפיק אמריקן ישראל גיליון פברואר-מארס 2004). כמו כן, הלכה והתחדדה ההבנה שהגנום הוא סביבה חיה ונושמת המגיבה לשלל אותות סביבתיים המשפיעים על התא. כך לדוגמה, קצב הייצור של כל גן וגן בגנום שלנו נשלט על ידי רצפי דנ”א המכונים פרומוטורים. לגנים המקודדים לחלבונים או לרנ”א הדרושים בכמויות רבות בתא, יהיו פרומוטורים חזקים, ואילו גנים אחרים, שתוצריהם דרושים במשורה, יזכו לפרומוטורים חלשים בהרבה. היכולת להכיר היכרות מעמיקה את הפרומוטורים השונים ולהבין מה משפיע עליהם חיונית כדי שנוכל, ביום מן הימים, להשפיע באופן מדויק על ביטוי גנים שונים בגופנו או באורגניזמים אחרים.

מודלים מתמטיים לבקרת שעתוק

גודלו של הגנום, המורכבות של רמת הביטוי של הגנים השונים, כמויות המידע האדירות שהולכות וגדלות מדי יום שהמדענים צוברים, והאופי המוצפן של המידע הגנטי, כל אלו משוועים לטיפול מתמטי שיכניס קצת סדר בבלגן ויאפשר תובנות ביולוגיות חדשות. פרופסור ערן סגל, מן המחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, ואנשי צוותו, פיתחו שיטות המאפשרות לחקור את תהליך בקרת הגנים בצורה מתמטית כמותית. סגל השלים תואר ראשון במדעי המחשב ומתמטיקה באוניברסיטת תל אביב, עבר לאוניברסיטת סטנפורד ללימודי הדוקטורט, ועשה התמחות פוסט-דוקטורט באוניברסיטת רוקפלר בניו יורק. תהליך ההכשרה שלו מציב אותו בעמדה הנכונה להתמודד עם כמויות המידע העצומות הנדרשות כדי להיטיב להבין את אותו יקום רוחש של מולקולות דנ”א, רנ”א וחלבונים הקובעים, בסופו של דבר, איך יראה ואיך יפעל כל תא בגופנו. מעבדתו של סגל מתרכזת בשני נושאים עיקריים, האחד, ביטוי גנים ובקרת גנים, והשני, פרויקט תזונה מותאמת אישית, הנערך בשיתוף עם ד”ר ערן אלינב, שבו מנסים להבין את יחסי הגומלין בין חיידקי המעיים שלנו ובין התזונה שלנו*.

היעד של מחקריו של סגל בתחום בקרת השעתוק היא לפתח מודלים מתמטיים שיאפשרו, בסופו של דבר, לחזות בדיוק רב את רמת הביטוי של כל גן על סמך רצפי בקרה בדנ”א, כמו אותם פרומוטורים המצויים בתחילת גנים. כדי לעשות כן, צריך ראשית להיות מסוגלים לצבור נתונים רבים וסדורים ככל האפשר על רצפי בקרה שונים המשפיעים על ביטוי גנים. נתונים שיאפשרו לשאול שאלות כגון: אילו רצפי אותיות בתוך הפרומוטורים הם החשובים ביותר לבקרת הגנים, כיצד משפיע המרחק הפיזי בין רצפים אלו על ביטוי הגן, כיצד משפיעים תנאי סביבה שונים על פעולתם של רצפי הבקרה השונים, וכן הלאה.

גנים מדווחים

אחת הדרכים המקובלות לבדוק את ההשפעה של רצפי בקרה שונים על ביטוי גנים היא לחבר אותם לגן מדווח, כלומר גן המקודד חלבון שקל לעקוב אחרי רמת הביטוי שלו, כמו למשל חלבון פלואורסצנטי. כך, אם החלבון הפלואורסצנטי מופעל על ידי פרומוטור חזק, התא יזהר באור חזק כשיאירו עליו באור באורך הגל הנכון. לעומת זאת, אם הגן המדווח מופעל על ידי פרומוטור חלש, התא שמבטא את הגן הזה יקרין אור חלש. ואולם, כדי לאסוף נתונים שיאפשרו מחקר רחב היקף על בקרת הגנים, נזקק סגל להקפיץ את השיטות הקיימות קפיצה גדולה קדימה. כך, לפני ארבע שנים הוא וצוותו פיתחו טכניקה שמאפשרת לבדוק בו-זמנית עד 50,000 רצפי בקרה שונים ב-50,000 תאים שונים. בכל תא, הגן המדווח מוצמד לרצף בקרה שהוכנסה בו מוטציה אחרת, והחוקרים יכולים לעקוב אחר השפעתה של כל אחת מ-50,000 המוטציות ברצפי הבקרה על הגן המדווח וללמוד עד כמה הרצפים השונים משפיעים על רמת הביטוי של החלבון. לאחר מכן, וכאן נכנסת המתמטיקה, משתמשים החוקרים בנתונים שקיבלו כדי לפתח מודלים מתמטיים המסוגלים לתאר ולחזות את ההשפעה של רצפי בקרה שונים על ביטוי גנים.

כיוון נוסף שבו משתמש סגל בשיטה זו, הוא חקר המנגנון שבו הרצף הגנטי של נגיפים, ובפרט נגיפי רנ”א, שהמידע התורשתי שלהם מוצפן במולקולות רנ”א, ולא בדנ”א, משפיע על תרגום החלבונים שלהם בתאים. נגיפים אינם יכולים להתרבות בכוחות עצמם, והם זקוקים למנגנוני שכפול ושעתוק של תאים אליהם הם פולשים. כך, חלבונים נגיפיים חדשים נוצרים כשהריבוזומים של התאים הנגועים מתרגמים רנ”א שליח נגיפי ומייצרים על פיו חלבונים נגיפיים. אלא שבמקרה של נגיפי רנ”א, התרגום מתנהל באופן שונה מעט מן התרגום של רנ”א שליח רגיל. ברנ”א שליח רגיל, כמו רנ”א שליח אנושי, הריבוזום נקשר לקצה אחד של מולקולת רנ”א ומתחיל לחפש את נקודת התחלת התרגום. לעומת זאת, במקרה של נגיפי רנ”א יש במולקולות הרנ”א הנגיפי רצפים מיוחדים, הקרויים רצפי IRES, שמכוונים את הריבוזום היכן להתחיל לתרגם. סגל משתמש ביכולתו לחקור ולנתח אלפי מוטציות בו-זמנית כדי לבדוק את היעילות של אלפי רצפי IRES שנלקחו ממאות נגיפי רנ”א שונים. גם כאן, רצפי ה-IRES מוצמדים לגן מדווח, וכמות החלבון המדווח שנוצרת מעידה על מידת ההשפעה שיש לרצף ה-IRES  על תרגום הגן. בין השאר, יבדקו במעבדתו של סגל כיצד רצפי IRES אלו מושפעים ממולקולות רנ”א קצרות שתפקידן בתאים לעכב תרגום של רנ”א שליח. הבנה טובה ומעמיקה של רצפי IRES ושל בקרת התרגום של חלבונים נגיפיים חיונית לצורך פיתוח תרופות אנטי-נגיפיות חדשות.

רפואה מותאמת אישית לסרטן

היופי בשיטה של סגל הוא שאפשר ליישם אותה גם בכיוונים אחרים לגמרי. למשל, פרויקט נוסף שהמעבדה עובדת עליו מנסה לפתח רפואה מותאמת אישית לטיפול בגידולים סרטניים שבהם יש מוטציות בחלבון הקרוי p53, שאחראי, בימים כתקנם, לעזור לתאים פגומים לבצע התאבדות מכוונת (אפופטוזה). מוטציות בגן p53 הן בין המוטציות הנפוצות ביותר בגידולים סרטניים. במעבדתו של סגל בודקים את ההשפעה של אלפי מוטציות כאלו, שבודדו מתוך גידולים, על מידת ההשפעה של טיפולים כימותרפיים שונים על התאים. כך יהיה אפשר, בסופו של דבר, להתאים את הטיפול הכימותרפי הנכון לחולה, באותם מקרים שבהם יש מוטציות בגן ל-p53.

לשילוב בין ביולוגיה ובין מתמטיקה יש היסטוריה ארוכה. גרגור מנדל, אבי הגנטיקה המודרנית, כבר השתמש במתמטיקה ובהסתברות כדי לפענח את אופן התורשה של גנים. האופן שבו מתפתח זרם חשמלי בתאי עצב פוענח על ידי אלן הודג’קין ואנדרו הקסלי בעזרת מודל מתמטי, ויש עוד דוגמאות רבות. אבל רק בשנים האחרונות, במידה רבה עקב פרויקט הגנום, מתבססת ההבנה שבלי טיפול מתמטי מעמיק, הביולוגיה תתקשה להתקדם הלאה, ובמעבדה של ערן סגל בהחלט מיישמים תובנה זו.

הערה

לקריאה על פרויקט חיידקי המעיים של ערן סגל וערן אלינב, ואף להירשם ולהצטרף כנבדקים

הכתבה התפרסמה באישור סיינטיפיק אמריקן ישראל