בקרה, צורה ומטרה

לאילו אתרים על האר-אן-איי-שליח ייקשרו מולקולות מסוימות של מיקרו-אר-אן-איי? מדעני המכון מציעים תשובה מפתיעה

המטען הגנטי של האדם מכיל כ-20,000 עד 30,000 גנים, שעל-פי המידע המקודד בהם מיוצרים חלבונים שונים. תהליך זה, הקרוי “התבטאות גנים”, מבוקר על-ידי מנגנונים מורכבים ומסועפים, הקובעים אילו מהגנים יתבטאו, באיזה תא, מתי, ובאיזו מידה. החלבונים שנוצרים בסופו של תהליך זה קובעים כיצד התא החי יתפקד, דבר שמשפיע על האורגניזם כולו. כך, למשל, התבטאות גנים היא מרכיב מרכזי בהתפתחות עוברית. באורגניזם הבוגר היא משפיעה על תהליכים כמו יצירת כלי-דם, חילוף חומרים, וגם על התחוללות מחלות שונות, לרבות סרטן. מולקולות מיקרו-אר-אן-איי (microRNA) הן אחד מגורמי הבקרה המשפיעים על תהליך ייצור החלבונים בגוף בשלב מאוחר יחסית: השלב שבו מולקולת אר-אן-איי-שליח (שנוצרה על-פי המידע הצפון בגן שגורמי בקרה אחרים כבר “עוררו”), עושה את דרכה לעבר הריבוזומים, בתי החרושת לחלבונים של התא. מולקולת המיקרו-אר-אן-איי נצמדת לאתר מטרה מסוים על מולקולת האר-אן-איי-שליח, ובכך היא מונעת את ייצור החלבון שהיא מקודדת. עד היום זוהו מאות סוגים שונים של מולקולות מיקרו-אר-אן-איי, כאשר לכל מיקרו-אר-אן-איי יש קבוצה שונה של גני מטרה. כדי להבין את התהליך הזה יש למצוא את אתרי המטרה, על גבי האר-אן-איי-שליח, שאליהם נקשרות מולקולות המיקרו-אר-אן-איי. זיהוי אתרי המטרה האלה עשוי לסייע גם בהבנת השיבושים הגורמים להתבטאות בלתי-מבוקרת של גנים, תהליך שגורם מחלות מסוימות.

כדי למצוא את אתרי המטרה, מתמקדים מדענים רבים בזיהוי התאמות כימיות בין הרצף של מקטעים שונים בשתי המולקולות (בדומה להתאמה הקיימת בין שני הסלילים של מולקולת הדי-אן-איי). אלא שלמעשה, במקרים רבים, לא קיימת התאמה מושלמת בין רצף בסיסי המיקרו-אר-אן-איי לרצף הבסיסים שבאתר המטרה. מדענים שביקשו להבין את התופעה הזאת פיתחו שיטות לחיזוי אתרי המטרה, אשר מחפשות התאמה חלקית בין רצף בסיסי המיקרו-אר-אן-איי לרצף הבסיסים שבאתר המטרה. אולם הדרישה להתאמה חלקית מובילה לחיזוי אתרי מטרה רבים שהוכח בצורה ניסויית כי הם אינם נכונים. בניסיון לשפר את יכולת החיזוי, הסתבכו השיטות והלכו, אולם בסופו של דבר לא הצליחו לחזות באופן מלא ומדויק לאילו אתרים על האר-אן-איי-שליח ייקשרו מולקולות מסוימות של מיקרו-אר-אן-איי.

ד”ר ערן סגל ותלמיד המחקר מיכאל קרטס, מהמחלקה למדעי המחשב ומתמטיקה שימושית במכון ויצמן למדע, בחרו לחקור את התהליך מכיוון אחר: במקום לבחון את הרצף הכימי של המולקולות, הם התמקדו במבנה המרחבי, התלת-ממדי, של מולקולת האר-אן-איי-שליח. יחד עם קבוצת חוקרים מאוניברסיטת רוקפלר בניו-יורק הם בדקו האם קיפולים באר-אן-איי-שליח משפיעים על קישור מולקולות מיקרו-אר-אן-איי לאתרי המטרה שלהן. המדענים יצרו מוטציות שגרמו לאר-אן-איי-שליח להתקפל ולסגור את אתרי המטרה, או, להיפך, להיפתח ולחשוף אותם. לאחר מכן הישוו את רמת הביטוי של הגן המקורי לזו של הגן עם המוטציות. “על-פי התיאוריות הקיימות, שינויים אלה אינם אמורים להשפיע על ביטוי הגן, שכן המוטציות לא בוצעו בבסיסים המעורבים במגע הישיר בין המולקולות, אלא בבסיסים הסמוכים אליהם”, אומר ד”ר סגל. תוצאות הניסויים הראו באופן חד-משמעי, כי המבנה המרחבי של אתר המטרה במולקולת האר-אן-איי-שליח אכן משפיע על רמת ביטוי הגן. כאשר אתר המטרה נמצא באיזור פתוח ונוח לגישה של מולקולות המיקרו-אר-אן-איי, יותר מולקולות מיקרו-אר-אן-איי נצמדות לאר-אן-איי-שליח, דבר שגורם לבלימה חזקה של ייצור החלבון שהמידע לבנייתו נישא על-ידי האר-אן-איי-שליח. לעומת זאת, כאשר אתר המטרה נסגר, יש פחות היצמדויות בין המולקולות – וביטוי הגן גדל במידה דרמטית.

המדענים פיתחו נוסחה המסבירה את יחסי הגומלין בין מולקולות מיקרו-אר-אן-איי לאתרי המטרה שלהם, והמאפשרת לזהות אתרי מטרה חדשים. הנוסחה מורכבת מההפרש בין האנרגיה שיש להשקיע כדי לפתוח את אתר המטרה (במקרה של מבנה סגור יהיה צורך בהשקעה גבוהה, במקרה של מבנה פתוח תהיה ההשקעה זניחה), לבין האנרגיה הנפלטת כאשר המיקרו-אר-אן-איי נקשר לאתר המטרה (במקרה של התאמה גבוהה ברצף הבסיסים תשתחרר כמות גדולה של אנרגיה, ובמקרה של התאמה חלקית תשתחרר כמות קטנה יותר). ככל שהערך המתקבל גבוה יותר, כך עולה הסיכוי שמדובר באתר מטרה פוטנציאלי למיקרו-אר-אן-איי.

תגלית נוספת שעולה מהמחקר היא, שקישור מולקולת מיקרו-אר-אן-איי לאר-אן-איי-שליח אינה תלויה רק במבנה פתוח של רצף המטרה עצמו, אלא גם בזה של הרצפים הסמוכים לאתר המטרה. הסיבה לכך היא, שמולקולת המיקרו-אר-אן-איי נתונה בתוך מבנה חלבוני גדול, ויש לאפשר למבנה כולו גישה נוחה לאתר המטרה. בעקבות הגילוי הזה ערכו החוקרים התאמה של הנוסחה, כך שרכיב “השקעת האנרגיה” כולל את האנרגיה שיש להשקיע כדי לפתוח את אתר המטרה באופן שיתאים לכניסה של המבנה החלבוני כולו. התאמה זו שיפרה את הדיוק ואת יכולת החיזוי של המודל. בהמשך יצרו החוקרים ארבעה קטלוגים המגדירים אתרי מטרה פוטנציאליים של מיקרו-אר-אן-איי על-פני גנומים של אדם, עכבר, זבוב ותולעת. בדיקה של כל היצורים הראתה, כי אתרי המטרה נמצאים באתרים חשופים, לא מקופלים, מה שמעיד כי המבנה המרחבי של האר-אן-איי-שליח, הקובע את אתרי הקישור למיקרו-אר-אן-איי, מילא תפקיד חשוב לאורך האבולוציה. תוצאות המחקר, שפורסמו באחרונה בכתב העת Nature Genetics, מספקות למדענים כלי שימושי, המאפשר להם לסרוק רצפים גנטיים, ולזהות אתרי מטרה אפשריים של מיקרו-אר-אן-איי, הן על סמך הרצף והן על סמך המבנה המרחבי.

על-אף שמדובר במודל פשוט ואמין, ובשיפור ניכר של האמצעים שהיו בידי חוקרים עד כה, המדענים מציינים כי החישובים אינם מדויקים במאה אחוז, גם משום שקשה לחשב במדויק את המחיר האנרגטי של פתיחת אתר המטרה, אך בעיקר משום שהתא אינו סביבה סטרילית, וקיימים בתוכו שלל גורמים המשפיעים גם הם על הקשירה של המיקרו-אר-אן-איי לאתר המטרה. תלמיד המחקר מיכאל קרטס: “היופי שבמחקר הזה הוא, שעל-אף כל הרכיבים והגורמים הנמצאים בתא, שאותם לא הבאנו בחשבון, עדיין המודל הפשוט שלנו, המבוסס אך ורק על יחסי הגומלין בין המיקרו-אר-אן-איי לבין אתר המטרה, ועל המבנה השניוני של אתר המטרה, מסביר את התוצאות הניסיוניות בצורה טובה למדי”.