שבב שפיתחו החוקרים חשף כי יכולתם של שלושה אנזימי תיקון לזהות נזק גנטי תלויה גם באותיות ובמבנה ה־DNA שסביבו. ההעדפות נמצאו קשורות לדפוסי מוטציות באבולוציה ובגידולים סרטניים, אך המחקר אינו מוכיח קשר סיבתי לסרטן
מוטציה – שינוי קבוע בקוד הגנטי – היא לעיתים תוצאה של נזק ל־DNA שלא תוקן כהלכה. מוטציות עלולות לפגוע בתפקוד הגנים, לתרום להזדקנות ולהתפתחות מחלות, ובהן סרטן. בה בעת הן יוצרות את המגוון הגנטי שעליו פועלת הברירה הטבעית, ולכן הן גם חומר הגלם של האבולוציה.
אף שמערכות תיקון ה־DNA פועלות ללא הרף, הן אינן מתקנות כל נזק באותה יעילות. מחקר חדש ממעבדתו של ד"ר אריאל אפק במכון ויצמן למדע מצביע על אחד ההסברים לכך: אנזימי התיקון אינם מגיבים רק לבסיס הפגום, אלא גם לרצף האותיות ולמבנה מולקולת ה־DNA שסביבו.
המחקר, בהובלת הדוקטורנטית נגה לוי, פורסם בכתב העת Nature Communications. החוקרים מיפו את העדפות הקישור של שלוש גליקוזילאזות אנושיות – UDG, TDG ו־MBD4 – המסייעות לתקן נזקים הנוצרים בעקבות שינויים כימיים בבסיס ציטוזין.
אלפי פגיעות בכל תא מדי יום
בכל תא מתרחשות מדי יום אלפי תגובות כימיות העלולות לפגוע בגנום. מערכות תיקון ה־DNA מזהות את רוב הנזקים ומתקנות אותם, אך חלקם נותרים ללא תיקון ועלולים להפוך למוטציות כאשר התא משכפל את ה־DNA שלו.
ד"ר אפק מסביר כי קצב הצטברות המוטציות משקף איזון בין קצב היווצרות הנזקים לבין יעילות התיקון. האיזון אינו אחיד: אזורים מסוימים בגנום צוברים מוטציות רבות יותר מאחרים, ולא תמיד ברור אם הדבר נובע מחשיפה מוגברת לנזק, מתיקון פחות יעיל או משילוב ביניהם.
רוב המחקרים מתבססים על המוטציות שכבר נותרו בגנום – מעין צלקות המעידות על נזק מן העבר. אולם גישה כזאת אינה מאפשרת לראות את הנזקים שתוקנו בהצלחה ולא השאירו כל סימן. החוקרים ביקשו אפוא לבחון את שלב זיהוי הנזק עצמו.
שבב ובו אלפי רצפי DNA פגומים
לצורך המחקר פיתח הצוות שבב שעליו אלפי מולקולות DNA קצרות. בכולן הוכנס אותו סוג של נזק גנטי, אך רצף הבסיסים המקיף את אתר הנזק היה שונה בכל מולקולה.
החוקרים הוסיפו לשבב אנזימי תיקון שסומנו בחומר פלואורסצנטי. עוצמת האור בכל נקודה אפשרה למדוד עד כמה חזק נקשר האנזים לכל רצף. כך התקבלה מפה שיטתית של העדפות הקישור של שלושת האנזימים.
לדברי לוי, האנזימים מתנהגים “כמו עורך טוב הבוחן כל מילה בהקשרה”. אפילו בסיסים הנמצאים עד חמישה מקומות משני צדי הנזק השפיעו על הסיכוי שהאנזים יזהה את האתר וייקשר אליו.
ההשפעה לא הסתכמה בזהות האותיות. רצפים מועדפים חלקו גם מאפיינים מבניים. אחד האנזימים, למשל, נקשר בעוצמה רבה יותר לרצפים שבהם החריץ הקטן של הסליל הכפול היה צר במיוחד.
חשוב לציין כי הניסוי מדד בעיקר את קישור האנזימים לרצפי ה־DNA. קישור הוא שלב חיוני בתיקון, אך אינו מבטיח לבדו שכל נזק יתוקן באותה יעילות בתוך תא חי, שבו פועלים חלבונים ומנגנוני בקרה נוספים.
חומצת אמינו שסורקת את הסליל
כדי לברר מדוע אחד האנזימים מעדיף מבנה מסוים, שיתפו חוקרי מכון ויצמן פעולה עם קבוצתו של פרופ' בריאן פ' וייזר מאוניברסיטת רואן בניו ג'רזי.
בסימולציות ממוחשבות התברר כי אחת מחומצות האמינו באנזים סורקת את האזור הסמוך לנזק ונמשכת למטען החשמלי השלילי המאפיין אזורים צרים בחריץ הקטן של סליל ה־DNA.
הממצא ממחיש כי זיהוי נזק גנטי אינו מבוסס רק על התאמה כימית לבסיס הפגום. האנזים “קורא” גם את צורתה המקומית של המולקולה ואת האופן שבו רצף האותיות משנה את המבנה ואת המטען החשמלי שסביב אתר הנזק.
האם העדפות התיקון עיצבו את הגנום?
בשלב הבא בדקו החוקרים אם העדפות האנזימים קשורות למוטציות שהצטברו בגנום האנושי במהלך האבולוציה.
אחת הפגיעות הנפוצות ב־DNA נוצרת כאשר הבסיס ציטוזין עובר שינוי כימי. ציטוזין מתחבר בדרך כלל לגואנין, אך לאחר השינוי עלול להיווצר זיווג שגוי. אם הטעות אינה מתוקנת לפני שכפול ה־DNA, היא יכולה להפוך למוטציה קבועה.
החוקרים שיערו כי באזורים שבהם אנזימי התיקון נקשרים היטב יישמרו יותר בסיסי ציטוזין, ואילו ברצפים שהאנזימים מתקשים לזהות יצטברו יותר שינויים. אצל אחד האנזימים נמצאה התאמה בין העדפות הקישור לבין היחס בין ציטוזין לתימין ברצפים מקבילים בגנום האנושי.
לדברי אפק, לפני שמייחסים שינוי גנטי לברירה טבעית ולהסתגלות לסביבה, יש להבין אילו שינויים נוטים להצטבר מלכתחילה בשל הפעילות הלא־אחידה של מערכות התיקון.
קשר לדפוסי מוטציות בגידולים
החוקרים השוו את העדפות האנזימים גם ל"חתימות מוטציוניות" – דפוסים אופייניים של מוטציות שנמצאו בגידולים אנושיים. נמצאה התאמה בין חלק מהעדפות הקישור לבין חתימות הקשורות לשינויים כימיים בציטוזין.
אפשרות אחת היא שפגיעה במערכת התיקון מאפשרת למוטציות להצטבר באזורים שהיו מוגנים קודם לכן. אפשרות אחרת היא שאנזימי התיקון התפתחו כך שיזהו טוב יותר אזורים שמלכתחילה חשופים במיוחד לנזק.
עם זאת, מדובר בהתאמה בין דפוסים. המחקר אינו מוכיח שהעדפות האנזימים גרמו להתפתחות הגידולים, ואינו מציג עדיין טיפול בסרטן. לשם כך יהיה צורך לבחון את התהליך בתאים חיים, ברקמות ובמודלים של מחלה.
מעריכה גנטית ועד אנזימי תיקון משופרים
הבנת הדרך שבה אנזימי תיקון מזהים את מטרותיהם עשויה לסייע בעתיד בשיפור כלי עריכה גנטית ובהנדסת אנזימים בעלי העדפות מדויקות יותר. מערכות כאלה יוכלו, עקרונית, לזהות נזקים או רצפים מסוימים בלי להגביר את הפעילות בכל רחבי הגנום.
לדברי אפק, הידע עשוי לאפשר בעתיד לפתח אנזימים המספקים הגנה גנטית משופרת או טיפולים ממוקדים יותר במחלות שבהן מנגנוני התיקון נפגעו. מדובר עדיין בכיוון מחקרי ארוך טווח, ולא ביישום רפואי מוכן.
במחקר השתתפו גם ד"ר ורד לוין סלומון, ד"ר נעמה קסלר ועומר ארז מהמחלקה לביולוגיה מבנית וכימית במכון ויצמן; שרון נ' גרינווד וד"ר מתיו וואנג מאוניברסיטת רואן.
שאלות ותשובות
אילו אנזימי תיקון נבדקו במחקר?
החוקרים בדקו את הגליקוזילאזות האנושיות UDG, TDG ו־MBD4. אנזימים אלה מזהים ומסירים בסיסים פגומים או בסיסים המצויים בזיווג שגוי בעקבות שינויים כימיים בציטוזין.
מדוע הרצף שסביב הנזק משפיע על התיקון?
הרצף קובע לא רק אילו בסיסים נמצאים ליד הנזק, אלא גם את צורת סליל ה־DNA, רוחב החריצים והמטען החשמלי המקומי. מאפיינים אלה עשויים להקל או להקשות על האנזים לזהות את הנזק ולהיקשר אליו.
האם המחקר מוכיח שכשל באנזימי התיקון גורם לסרטן?
לא. נמצאה התאמה בין העדפות האנזימים לבין חתימות מוטציוניות בגידולים אנושיים, אך התאמה אינה מוכיחה קשר סיבתי. נדרשים מחקרים נוספים בתאים וברקמות.
האם כבר אפשר להשתמש בממצאים לטיפול?
עדיין לא. המחקר הוא מחקר בסיסי. בעתיד הידע עשוי לסייע בשיפור כלי עריכה גנטית, בהנדסת אנזימי תיקון ובפיתוח גישות ממוקדות למחלות הקשורות לפגיעה בתיקון DNA.
מקור/מאמר מקורי
- המאמר המדעי ב־Nature Communications
- הכתבה הרשמית של מכון ויצמן למדע
- רישום המחקר במאגר הפרסומים של מכון ויצמן
עוד בנושא באתר הידען
- פרס נובל לכימיה למגלי מנגנוני תיקון ה־DNA
- תומאס לינדהל: החיים מתקיימים – ולכן ה־DNA חייב להיות בר־תיקון
- לפעמים "שאיפת החיים" של תא בודד מסכנת את חיי הגוף כולו
- מחקר בטכניון סולל את הדרך לטיפול ממוקד בסרטן ריאות
- פריצת דרך ב־CRISPR: עריכה אפיגנטית ללא חיתוך DNA
למאמר המדעי: פתיחת המאמר המדעי
