חוקרים באוניברסיטת ת”א פיתחו מודל תלת ממדי של חלבון חוצה קרום התא. יסייע בריפוי

כתב העת המדעי Molecular Cell מפרסם היום, יום ו’, 24 בספטמבר 2004, מחקר של קבוצת חוקרים ובהם , דר’ ניר בן-טל והדוקטורנט שראל פליישמן מאוניברסיטת ת”א ביחד עם שני חוקרים מחו”ל, וינסנס אונגר ומרק ייגר.

אבי בליזובסקי

כתב העת המדעי Molecular Cell מפרסם היום, יום ו’, 24 בספטמבר 2004, מחקר של קבוצת חוקרים ובהם , דר’ ניר בן-טל והדוקטורנט שראל פליישמן מאוניברסיטת ת”א ביחד עם שני חוקרים מחו”ל, וינסנס אונגר ומרק ייגר.

המחקר מציג מודל חישובי המאפשר לחזות כיצד נראות מולקולות של חלבונים החוצים את קרומי התאים. יש לכך חשיבות רבה בהבנת הבסיס המולקולרי לתופעות של תקשורת בין תא לסביבתו ולהשגת תובנות חדשות על מחלות שונות. החשובים בוצעו בחלקם בעיבוד מקבילי, על תחנות עבודה גרפיות חזקות מדגם אוקטן מתוצרת סיליקון גרפיקס.

כל תא עטוף בקרום המהווה מעין חומת מגן המונעת מחומרים מסוכנים להכנס פנימה, ואולם התא חייב לקבל פנימה חומרי מזון וחמצן, להיפטר מחומרי הפסולת ולתקשר עם שכניו. לפיכך חייבת להימצא דרך בה רק החומרים החיוניים לתא ייכנסו וחומרים שהתא מעוניין להיפטר מהם ייצאו.

“תחשוב על קבוצה של תאים ברקמה”, אומר ד”ר בן-טל בתשובה לשאלתנו. “התאים נמצאים במגע פיזי אחד עם השני דרך הקרומים הללו, לדוגמה בשריר הלב. בכל פעימה של הלב, על כל תאי השריר להתכווץ באופן מתואם. התכווצות בלתי-מתואמת תפגע ביעילות השאיבה של דם. לפיכך חייבים למצוא דרך שהתאים יגידו אחד לשני ‘עכשיו עושים את זה’. הקונקסין הוא אחד החלבונים האחראים על תיאום זה.”

כיצד זה מתבצע?
“כדי שהפעולה תתבצע במשותף, חייב להיות מעבר של אינפורמציה מתא לתא. כשתא מקבל סיגנל שמורה לו להתכווץ, עליו להעביר אות זה לשכניו ברקמה במהירות כדי שכולם יבצעו את הפקודה באופן מתואם. קרומי התאים מקשים על העברת המידע, שכן על האות לעבור דרך שני קרומים – אחד של כל תא. החלבון הזה – קונקסין יוצר תעלה המחברת שני תאים סמוכים, ממש קדח בקרומים, המאפשר לאינפורמציה לעבור דרך הקדח באמצעות מולקולות קטנות. באופן זה, כל תא ברקמה ‘יודע’ על הנעשה בשכניו. ”

הקונקסין הוא דוגמה לחלבון אחד ממשפחה גדולה של חלבונים חוצי קרום התא (בלשון המקצועית חוצי ממברנות). חלבונים חוצי-ממברנה נוטלים חלק מרכזי בתקשורת בין התא וסביבתו. פגמים בחלבונים חוצי-ממברנה גורמים למגוון רחב של מחלות בבני אדם, ובהן סוגי סרטן רבים. ידיעת המבנה התלת-ממדי של חלבון מסייעת בדרך כלל להבנת הבסיס המולקולרי לפעולתו בתנאים תקינים ובמחלות. אולם, קביעת מבנה של חלבונים חוצי-ממברנה ברזולוציה גבוהה היא קשה במיוחד, ודורשת במקרים רבים שנים של עבודה. לצד זאת, קיימים מבנים ברזולוציה נמוכה של מספר חלבונים חוצי-ממברנה, אך מבנים אלו לא נותנים פירוט מולקולרי של החלבון, כך שלא ניתן ללמוד מהם ישירות על השפעתן של מוטציות על המבנה, לתכנן ולבאר ניסיונות ביוכימיים וביופיסיקליים.

תעלות מטיפוס gap junction המורכבות מחלבוני הקונקסין, מחברות תאים שכנים, ולהן תפקיד קריטי בתיאום בין תאים ברקמות רבות, למשל, במהלך פעימת הלב. מוטציות בתעלות אלו הן הגורם הראשי לחירשות מורשת, ואף מעורבות במחלת העצבים הניוונית שרקו-מארי-טות’ (Charcot-Marie-Tooth) ובמחלת העור הנדירה erythrokeratodermia variabilis (EKV). המבנה של התעלות נקבע ניסיונית ברזולוציה נמוכה ב-1999 על ידי וינסנס אונגר מאוניברסיטת ייל ומרק ייגר ממכון המחקר האמריקני Scripps. חלבונים חוצי-ממברנה רבים מורכבים מסלילים הארוזים זה כנגד זה, והמבנה הראה את מיקומם של הסלילים שמרכיבים את תעלת ה-gap junction . אולם, בגלל הרזולוציה הנמוכה, המבנה לא סיפק הסבר להשפעתן של מוטציות רבות הגורמות למחלות, ולא שפך אור חדש על תכונות התעלה כפי שהן מוכרות ממספר עשורים של ניסיונות ביוכימיים וביופיסיקליים.

בן-טל: “מוטציות בחלבונים חוצי קרום התא מסוג הקונקסינים קשורות למחלות ובהן סוגים אחדים של חרשות ומחלות עור. המודל ששראל הציע מסביר את הההשפעה של כמעט 30 מוטציות כאלה. באופן כללי, המולקולה בנויה כמארז של סלילים הצמודים זה לזה, כפי שניתן לראות בציור. מה שמייצב את המבנה זה הממשק בין הסלילים האלה. מצאנו, שכ-30 מוטציות שזוהו בחולים, ואופינו כגורמות למחלות כדוגמת חירשות מולדת, נמצאים באיזורי הממשק הללו. כל מוטציה כזו משבשת את המבנה של החלבון. אם החלבון לא תופס את המבנה הרגיל שלו, קל וחומר שהוא לא יוכל לבצע את התפקיד שלו כשורה. קשה לצפות למה בדיוק תגרום כל אחת מהמוטציות הללו– יהיו כאלה שיפרקו ממש את החלבון, והחלבון המפורק יעוכל על ידי אנזימים; במקרים אחרים המוטציות יגרמו לעיוות קל יותר במבנה כך שהתעלה תיסתם או שתשתנה החדירות שלה למולקולות קריטיות מסוימות. מכל מקום, שינויים אלו עלולים להוביל לתפקוד לקוי של החלבון, לפגיעה בתקשורת בין תאים שכנים, וכפועל יוצא מאלה, למחלה.”
זו הפעם הראשונה שכמות נכבדה כל כך של מוטציות בתעלות אלו הוסברה על ידי מחקר בודד. בהתבסס על המודל המבני, הציגו בן-טל ופליישמן, תוכנית למחקר ניסיוני לבחינת דיוקו של המודל, ובכדי ללמוד עוד על היחס בין מבנה, פעילות ומחלות בחלבון זה. הניסיונות מתבצעים במעבדתה של קרן אברהם (אוניברסיטת ת”א) ובמעבדותיהם של טד ברג’לו ו-ויטו ורסליס מהקולג’ הרפואי אלברט איינשטיין בניו-יורק. תוצאות ראשוניות משני הניסויים מאששות את המודל.
ומה אתם מתכוננים לחקור בהמשך?
בן-טל: “עכשיו משפיתחנו את השיטה אנחנו עובדים על חלבונים נוספים. על הכוונת שלנו, חלבון ה-EmrE המשמש כמשאבה המסלקת מתוך תא החיידק תרכובות רעילות. משאבה זו ממלאת תפקיד חשוב בעמידות של חיידקים לאנטיביוטיקה, ולכן חשוב להבין את המבנה התלת ממדי שלה. חלבון נוסף שנחקור יהיה רצפטור ה-GABA המופעל בתאי עצב בתגובה לשליח העצבי GABA. לרצפטור חשיבות רפואית רבה שכן הוא המתווך בהחדרת חומרי הרדמה – מאלחשים ומשככי כאבים, כדוגמת ואליום.”

כמה זמן לקח הפיתוח?
פליישמן: “את הפרוייקט לחיזוי מבנים התחלנו עוד לפני כארבע שנים, אך חלק עיקרי מהזמן הזה יוחד להכנה, אימות ושכלול של השיטות. מהרגע שהכלים היו מוכנים, נדרשה עוד כחצי שנת עבודה כדי להתאים אותם למקרה הספציפי של הקונקסין. לאחר שחישבנו את המבנה, השקענו עוד עבודה רבה, בעזרת שותפינו למחקר, כדי להבין את המשמעות של המבנה ביחס למידע הביוכימי והקליני, וכדי לבסס ולאמת אותו.”