כשחלבונים מצליחים להפתיע

תוך שימוש במודלים ממוחשבים שהפיקו מדעני המכון, הצליחה קבוצת מחקר באוניברסיטת תל אביב לפתח חלבון קצר ("פפטיד") המתחרה בסובסטרט שאליו נקשר האנזים, וכך עיכבה את פעילות האנזים. כשניתן הפפטיד לעכברים שחלו במחלה הדומה לאלצהיימר, התברר כי תסמיניה שופרו בעקבות השימוש בו. 

"יצירה של מודלים מולקולריים ממוחשבים היא לעיתים הדרך היחידה להבין כיצד בדיוק פועלות יחד מולקולות מורכבות כל-כך כמו חלבונים", אומרת ד"ר מרים אייזנשטיין, ראש היחידה לבניית מודלים מקרו-מולקולריים במחלקה לתשתיות למחקר כימי במכון ויצמן למדע. כבר לפני כשני עשורים, כחלק ממחקר משותף שביצעה עם פרופ' אפרים קציר המנוח, הייתה ד"ר אייזנשטיין בין הראשונים בעולם שפיתחו שיטות ממוחשבות לחיזוי אופן ההתחברות של  מולקולות ביולוגיות זו לזו (Molecular docking methods). מאז ועד היום היא שיתפה פעולה עם מיגוון רחב של קבוצות מחקר, בתוך המכון ומחוץ לו.

למרות הניסיון הרב שצברה בתחום, ד"ר אייזנשטיין מעידה שהתנהגותם של חלבונים מצליחה לעיתים להפתיע אותה. כך קרה, למשל, במחקר שערכה באחרונה במשותף עם קבוצת המחקר של פרופ' חגית אלדר-פינקלמן מאוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם באחרונה ב-Science Signaling. "ממצאיו של מחקר זה, שממנו עלה  כיוון חדש ומבטיח לטיפול באלצהיימר, היו בהחלט מפתיעים", היא מספרת.

המחקר עסק באנזים בשם 3-GSK, אשר משפיע על פעולתם של חלבונים אחרים בגוף, ומשום כך הוא חיוני מאוד. "3-GSK מוסיף תגית כימית (קבוצת פוספט) לחלבונים אחרים, סובסטרטים, וכך הוא חורץ את גורלם - הוא קובע אם יהיו פעילים, לא פעילים, או מיועדים להשמדה", מסבירה ד"ר אייזנשטיין. "המקור של הפוספט הוא במולקולה קטנה בתא הקרויה ATP. מולקולה זו, יחד עם הסובסטרט, נקשרת אל האנזים,  והאנזים מעביר קבוצת פוספט מה-ATP לסובסטרט". הבעיה היא, שבמצב של פעילות יתר תורם GSK-3 להופעתן של מחלות שונות, ובהן סוכרת ואלצהיימר. מסיבה זו, במעבדתה של פרופ' אלדר-פינקלמן חיפשו אחר שיטה שתוכל לרסן את פעילותו.

"עד כה, מאמציהם של מדענים להביא לריסון הפעילות של GSK-3 התמקדו בחסימת ההיקשרות של האנזים ל-ATP. אלא שמניעת ההיקשרות הזו אינה סלקטיבית", מדגישה ד"ר אייזנשטיין, "מה שאומר שהיא גוררת חסימה של אנזימים דומים נוספים, וכתוצאה מכך עלולות להופיע תופעות לוואי לא-רצויות".

לאור זאת החליטו פרופ' אלדר-פינקלמן וקבוצתה על כיוון שונה במחקרם. הם ביקשו לעכב את פעילותו של האנזים לא באמצעות ה-ATP, אלא באמצעות אותו איזור באנזים שאליו נקשר הסובסטרט. "הרעיון היה לנסות לפתח במעבדה חלבון חלופי לסובסטרט, שיוכל להתחרות איתו על ההיקשרות עם האנזים, ובכך להפריע לפעילותו של האנזים", מסבירה ד"ר אייזנשטיין. קבוצת המחקר באוניברסיטת תל-אביב ביצעה שורת ניסויים במעבדה, והצליחה לזהות פפטיד (רצף קצר של חומצות אמינו, אבני הבניין של החלבונים) המתאים למטרה זו. בשלב זה פנתה פרופ' אלדר-פינקלמן לד"ר אייזנשטיין בבקשה שתסייע לה לשפר את הפפטיד, ולתכנן פפטידים נוספים שיתחרו עם הסובסטרט באופן יעיל יותר. "נרתמתי למחקר, ובשלב ראשון יצרתי מודלים ממוחשבים של קישור האנזים עם הסובסטרט, ושל קישור האנזים עם הפפטיד", אומרת ד"ר אייזנשטיין. "לאור מה שהראו המודלים, הצעתי לקבוצת המחקר של פרופ' אלדר-פינקלמן לבצע כמה שיפורים במבנה הפפטיד, ובניסויי המעבדה שהיא ביצעה התברר ששיפורים אלו אכן מועילים. בכך, הם תמכו בנכונותם של המודלים הממוחשבים".

בהמשך תיכננו המדענים מאוניברסיטת תל-אביב במשותף עם ד"ר אייזנשטיין כמה פפטידים נוספים, ובדקו את יכולות ההיקשרות שלהם לאנזים. "בהתבסס על החישובים שלי, צפיתי שאחד מאותם פפטידים יתפקד כסובסטרט, ובניסויי מעבדה התגלה שזה אכן כך. כלומר, במעבדה התברר שהפפטיד נקשר לאנזים ומקבל תגית פוספט", אומרת ד"ר אייזנשטיין.

אלא שאז נוכחו המדענים, שבסיומו של תהליך התיוג נותר הפפטיד קשור לאנזים. "ההיקשרות הזאת הייתה עמידה יותר מאשר ההיקשרות של הפפטיד המקורי", אומרת ד"ר אייזנשטיין. "זה היה ממצא מפתיע, שכן אחרי התיוג, הסובסטרט אמור היה להידחות מאתר הקישור שלו באנזים ולהיפרד ממנו". החישובים שערכה הבהירו את התמונה. "גילינו שהפפטיד המתויג משנה את צורתו, ונקשר אל האנזים באופן שונה בהשוואה לקישור ההתחלתי כסובסטרט. התוצאה היא היקשרות חזקה במיוחד: כך מונע הפפטיד המתויג מהאנזים לקשור ולתייג סובסטרטים אחרים".

בקבוצת המחקר של פרופ' אלדר-פינקלמן בדקו את יעילותו של הפפטיד בניסויים שערכו בבעלי-חיים. הם נתנו את הפפטיד לעכברים שחלו במחלה הדומה לאלצהיימר, ונוכחו כי תסמיניה בעכברים שופרו בעקבות השימוש בו. "הצלחתו של הניסוי ממחישה, כי יש ערך רב לשיתופי פעולה בין ביולוגים לבין מדענים העוסקים במודלים מולקולריים ממוחשבים", אומרת ד"ר אייזנשטיין. "פרופ' אלדר-פינקלמן מבינה לעומק את פעילותו של GSK-3 ואת הצורך בבקרה על פעילותו, ואילו אני מתעניינת באופן ההיקשרות וההשפעה ההדדית של חלבונים, ומביאה למחקר תובנות מבניות".

לסיכום, היא מוסיפה: "בנייה של מודלים מולקולריים ממוחשבים היא כלי מדעי שימוש מאוד, אשר מעניק לי אפשרות לשתף פעולה עם קבוצות מחקר מגוונות ולקחת חלק במחקרים מעניינים רבים. אמנם, לאורך השנים נעשו המחשבים שעימם אני עובדת עוצמתיים ומשוכללים יותר, אך יסודות הכימיה נותרו בעינם, ועבודתנו המבוססת על השילוב בין השניים רלבנטית מתמיד".