דו-קרב בין שני חלבונים מסייע ביצירת תבניות כפסי הזברה וכנפי הפרפר

חוקרים מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס חשפו, בעזרת מודלים ממוחשבים ובתאים חיים, תבנית יחודית המסוגלת להנחות תנועת תאים

חוקרים הראו באמצעות מודלים ממוחשבים ומחקר בתאים חיים, כי נדידת תאים נגרמת, בין היתר, בשל מאבק בין שני חלבונים. נדידה מעין זו מעורבת ביצירת תבניות רבות בטבע.

פסי הזברה, ספירלת חילזון הים, כנפי הפרפר: כל אלו הן דוגמאות לתבניות שבטבע. כיצד נוצרות אותן תבניות? תעלומה זו מקסימה ומכשפת מתמטיקאים וביולוגים כאחד. כיצד מתהווה הדגם העדין של כנפי הפרפר, מביצית מופרית בודדת?

חוקרים מאוניברסיטת ג'ונס הופקינס חשפו, בעזרת מודלים ממוחשבים ובתאים חיים, תבנית יחודית המסוגלת להנחות תנועת תאים. המחקר התפרסם בגליון מאי של כתב העת המדעי Developmental Cell, ועשוי לסייע לנו להבין כיצד תאי סרטן יוצרים גרורות ונעים בגוף.

"יצירת תבנית היא בעיה קלאסית באמבריולוגיה," אומרת דוקטור דניס מונטל, פרופסור לכימיה ביולוגית בג'ונס הופקינס. "בנקודה כלשהי, התאים בעובר חייבים להתחלק לאלו שיהפכו לתאי לב, לתאי כבד, לתאי דם וכן הלאה. למרות שהדבר נחקר במשך שנים, עדיין יש הרבה שאיננו מבינים."

כדוגמא ליצירת תבנית, החוקרים בחנו תהליך המתרחש בזבוב הפירות, בו שישה תאים נפרדים מכל חבריהם ועוברים ממקום אחד בשחלה למקום אחר במהלך התפתחות הביצית.

"כדי שנדידת התאים הזו תתרחש, חייבים להיות תאים שהולכים ותאים שנשארים," אומרת מונטל. "חייבת להיות הבדלה ברורה, הפרדה בין סוגים שונים של תאים שנראים זהים על פני השטח."

עבודות קודמות זיהו סיגנל ספציפי שנחוץ על-מנת לגרום לביציות הזבובים לנוע. הבעיה היא שסיגנל זה מדרגי, ומשתנה בהתאם למקום ולזמן. הוא מתחיל ברמה גבוהה בתאים הסמוכים, אך הולך ונחלש ככל שהוא מתרחק מהם. ניתן לדמות את הסיגנל לטיפת צבע בודדת שמטפטפים לתוך כוס מים. הצבע חזק בטיפה המקורית, אך הוא מתפשט בתמיסה במהירות, עד שכל הכוס מלאה בצבע דליל מאד. הסיגנל מתפקד בצורה שונה, אך משפיע רק כאשר הוא קיים ברמה מסויימת.

על מנת ליצור תבניות, יש צורך בגבולות חדים וברורים – בין הפסים הלבנים והשחורים של הזברה אין איזורים אפורים. משום כך לא ניתן להסתפק בסיגנל אחד בלבד שרמתו משתנה עם הזמן ועם המקום. כיצד, אם כן, מעבירים סיגנלים שכאלה את ההוראה לתאים – ללכת או להישאר? כדי לענות על השאלה בחנו החוקרים זבובים עם מוטציות בגנים שונים, וגילו כי גן אחד במיוחד, הקרוי אפונטיק, חשוב במיוחד להמרת הסיגנל המדרגי.

"כאשר האפונטיק עובר מוטציה, מתערפלת ההבדלה בין התאים הנודדים ללא-נודדים," אומרת מישל סטארץ-גאיאנו, חוקרת פוסט-דוקטורנטית בכימיה ביולוגית. "במוטנטים הללו אנו רואים מקרים רבים בהם תאים נודדים אינם נפרדים כראוי משכניהם, אלא גוררים אותם יחד עמם כאשר הם נעים." תופעה זו, לפי החוקרים, הראתה שהסיגנל המדרגי בפני עצמו אינו מספיק כדי להניע את המספר הנכון של התאים, ונחוצה לו עזרה מגן האפונטיק.

לאחר שהקבוצה גילתה כי האפונטיק חשוב להנעת התאים, הם החלו לנסות להבין כיצד הוא עובד. בשיתוף פעולה עם המתמטיקאי האנס מיינהרדט, פרופסור אמריטוס ממכון מקס פלנק בגרמניה, הם תכננו מודל ממוחשב שיוכל לדמות כיצד סיגנלים מדורגים מותמרים לפקודות והוראות עבור התאים.

הקבוצה הניחה הנחות מסויימות בנוגע לכל גן ותפקידו של כל חלבון, ויצרה מעגל ממוחשב פשוט המסוגל לנבא את התנהגותו של תא בהתאם לסיגנל המדורג שהוא מקבל, ובהסתמך על פעילותם של גן האפונטיק וחלבון אחר בשם סלובו (slbo) שהתגלה לאחרונה. המודל הממוחשב מראה שהסיגנל המדורג מפעיל גם את האפונטיק וגם את הסלובו בתא, אך ההרמוניה מפסיקה כאן. האפונטיק והסלובו עובדים אחד כנגד השני ונאבקים זה בזה. כאשר האחד מקבל יתרון קטן, השני נחלש ובכך גורם לראשון להתחזק אפילו יותר. שרשרת אירועים זו ממשיכה עד שאחד מהם משתלט על כל תא באופן מוחלט. אם הסלובו מנצח, התא נע. אך אם האפנוטיק מנצח, התא נשאר נייח. בדרך זו מתקבלת הפרדה ברורה בין הפקודה לנוע או להישאר.

"לא רק שזה פתרון חדש לבעיית יצירת התבנית מחוסר-סדר, אלא שגילינו גם שאפנוטיק משמש כבקר חדש על נדידת תאים," אומרת מונטל.

קרוב לוודאי שיכולתם של תאים לנדוד מספקת את הבסיס להתפשטות תאי סרטן מחוץ לגידול המקורי ואל איזורים אחרים בגוף. הבנת המנגנונים בהם משתמשים התאים כדי לנדוד עשויה לספק לנו כלי רב עוצמה למניעת היווצרות הגרורות בגידולים. האם יש כאן תקווה חדשה? יתכן, אך אין ספק כי בתקווה זו יהיו כרוכות עוד שנות מחקר רבות. כל שמונטל מוכנה לאמר בשלב זה הוא כי, "זה הרבה יותר מלהבין רק מהם הבקרים החיוביים והשליליים של נדידת תאים."

להודעה של אוני' ג'ונס הופקינס