הינך נמצא כאן

אחד בשביל כולם

כיצד מתמודד התא עם תקלות בתהליך ייצור החלבונים?
27.05.2014

 
מימין: ד"ר אורנה דהאן, ד"ר אביהו יונה, פרופ' יצחק פלפל, עידן פרומקין, ד"ר זוהר בלום-אקרמן. תרגום"שירותי התרגום" בהם משתמש כל תא חי ניתנים לו בידי צוות גדול, יעיל ומדויק של "מולקולות מתרגמות". מתברר, כי למולקולות אלה יש "תודעת צוות" מפותחת: כאשר אחת מהן נפגעת, או נזקקת לגיבוי, מתגייסת מולקולה אחרת במקומה. מחקר של מדעני מכון ויצמן למדע, שהתפרסם באחרונה בכתב-העת המדעי eLife (ראו "החיים ברשת" בהמשך), מסביר כיצד פועל מנגנון הגיבוי, וחושף את הפתרונות האבולוציוניים המאפשרים למערכת התרגום להתמודד עם הצרכים המשתנים של התא. התמודדות כזו נדרשת, לדוגמה, כתוצאה משינויים סביבתיים או מהתמרה סרטנית – שבעקבותיה נאלץ התא לשנות את מערך ייצור החלבונים, כדי לתמוך בהתפתחות הגידול הסרטני.
 
התרגום, שהוא השלב השני בהפיכת די-אן-אי לחלבון, מגשר למעשה בין שתי שפות כימיות שונות: ה"נוקלאוטידית", בה כתובות מולקולות האר-אן-אי-שליח, ושפת חומצות האמינו, מהן עשויים החלבונים. אבן הרוזטה של התהליך היא מולקולה דו-ראשית הקרויה אר-אן אי-מעביר (tRNA). בצדה האחד, הקרוי אנטיקודון, היא מזהה קודון ספציפי, בן שלושה נוקלאוטידים, המצוי על האר-אן-אי-שליח, וצדה השני נקשר לחומצת האמינו המתאימה. בכל תא מצויות מאות מולקולות כאלה, וכל אחת מהן יודעת לזהות קודון יחיד ולקשור חומצת אמינו בודדת. המורכבות של מערך התרגום היא זו שאחראית לדייקנות המערכת וליעילותה. כך, לדוגמה, חלק מחומצות האמינו נקשרות למולקולות tRNA נדירות, המקודדות על-ידי גן יחיד, ואילו גנים למולקולות tRNA אחרות מצויים בעותקים רבים. בנוסף לכך, חומצות האמינו מקודדות על-ידי מספר משתנה של קודונים אפשריים, שכל אחד מהם עשוי להיות מזוהה על-ידי מולקולת tRNA מתאימה.
 
פרופ' צחי פלפל, מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית, חוקר את מערכת התרגום ואת התפתחותה. לפני מספר שנים יצרה זוהר בלום, תלמידת מחקר מקבוצתו, "ספרייה" של תאי שמרים מוטנטיים, שבכל אחד מהם פגעה באחד מ-274 מולקולות ה-tRNA (וכן במספר זוגות ובשלישיות של מולקולות כאלו). המדענים הניחו, כי פגיעה בעותק יחיד של tRNA תגרום נזק לתא, וביקשו לבדוק האם קיים מנגנון גיבוי המגן על התא במקרים כאלה. בדיקה הראתה, כי גיבוי שכזה אכן קיים, וכי הוא מבוסס על אילתור: שינוי כימי המתחולל במולקולת tRNA דומה מאפשר לה להחליף את המולקולה הפגומה. זהו מנגנון מהיר (ואף הפיך) אשר מצליח לשמור את התא בחיים, אולם יש לו מחיר: תא השמר גדל ביעילות של 90% לעומת שמר רגיל. ההפרש עשוי להיראות זניח, אולם במונחים אבולוציוניים מדובר בכישלון מוחלט: תא כזה לא יצליח להחזיק מעמד, שכן אוכלוסיית התאים הנורמליים תשתלט עליו.
 
מולקולת tRNA של תא שמרים. האנטיקודון בכחול ובאפור, הקצה שנקשר לחומצת אמינו בסגול. תמונה: Yikrazuul via Wikimedia Commons

 

האם הטבע יכול למצוא פתרון יעיל יותר לתקלות בתהליך התרגום? כדי לבדוק שאלה זו נקטו פרופ' פלפל וחברי צוותו, שכלל את תלמידי המחקר אביהו יונה, זוהר בלום-אקרמן, עידן פרומקין, יואב צ'רפק-עמיקם, ועמיתת המחקר ד"ר אורנה דהאן, בשיטה של "אבולוציה במבחנה": תאי השמרים גדלים במערכת רובוטית במשך מספר שבועות ואף חודשים, מתחלקים וצוברים מוטציות. באמצעות אנליזות חוזרות של החומר הגנטי, של ביטוי חלבונים, וכדומה, ניתן לעקוב בזמן אמת אחר שינויים אבולוציוניים המתחוללים בתאים. כאשר לקחו את השמר המוטנטי חסר ה-tRNA, והניחו לו לגדול ולהתחלק במבחנה, התגלה ממצא מפתיע: בתוך כחודש התפתח זן הגדל בקצב משופר, שאף השתווה לזה של שמר נורמלי. בשלב זה, מספר פרופ' פלפל, התחילו התערבויות בין חברי הצוות: חלקם טענו, כי הפתרון מוכרח לנבוע ממוטציה שפתרה את המחסור ב-tRNA. אחרים גרסו, שהתאוששות מהירה כל כך אינה יכולה לנבוע ממוטציה, ולכן מדובר בפתרון אחר, שאינו כרוך בשינוי גנטי – בדומה ל"אילתור" שהתגלה בעבר.
 
כדי ליישב את המחלוקת ריצפו המדענים את כלל הגנים המקודדים למולקולות tRNA. הממצאים הכריעו לטובת פתרון גנטי. התברר, כי התחוללה מוטציה באנטיקודון של מולקולת tRNA אחרת, המקודדת את אותה החומצה האמינית אך נושאת אנטי-קודון אחר, והיא נפוצה –11 עותקים שלה מצויים בתא השמר. בעקבות המוטציה היא יכולה להחליף את מולקולת ה-tRNA החסרה. כדי לשלול את האפשרות שקיימים מנגנוני גיבוי נוספים, גרמו המדענים למוטציה זו באופן מכוון בשמר חסר ה-tRNA, וגילו כי שמר זה גדל באופן תקין לחלוטין. ומה באשר לטענה כי הפתרון מהיר מכדי להיות כרוך בשינוי גנטי?
 
מודלים מתמטיים בהם השתמשו המדענים הראו, כי השינוי אכן מהיר, אך לא בלתי-אפשרי. פרופ' פלפל אומר, כי הסבר אפשרי למהירות הוא "מרחב הפתרונות" הגדול שעומד בפני התא. קיימים 11 עותקים של ה-tRNA המגבה, ומוטציה בכל אחד מהם תפתור את הבעיה. יתכן, הוא מציין, כי במקרים בהם קיימות פחות אפשרויות יהיה התהליך איטי יותר, וייתכן גם שבמקרה כזה התא לא ירצה להקריב tRNA נדיר יחסית.
 
נראה, כי מנגנון הגיבוי המבוסס על החלפת אנטיקודון הוא אכן פתרון יעיל למצב שבו מדענים מוציאים מכלל פעולה את אחת ממולקולות ה-tRNA. אולם, האם הוא נדרש גם בטבע? פרופ' צחי פלפל מסביר, כי הגיבוי נחוץ במקרה שבו משתנה היחס בין "ביקוש והיצע" ל-tRNA בתא, לדוגמה, עקב שינויים בתנאי הסביבה, או עקב התמרה סרטנית. במקרים מסוג זה, התא נאלץ לתרגם מולקולות אר-אן-אי-שליח שונות, המורכבות מסוגים אחרים של קודונים, ולכן מערך התרגום הקיים אינו יעיל דיו. כדי לבדוק האם החלפת אנטיקודון היא מנגנון המתרחש באופן ספונטני בטבע, סרקו המדענים את הגנומים של כ-500 יצורים שונים, וזיהו אלפי אירועים של מוטציות המחליפות אנטיקודון אחד באחר, במיגוון רחב של יצורים. המדענים הסיקו מכך, שהמנגנון שזיהו במערך מלאכותי לחלוטין, בניסוי מעבדה, הוא למעשה דרך טבעית ונפוצה של מערך התרגום לשם התמודדות ביעילות עם שינויים בביקוש ובהיצע לחלבונים בתא.
 
שאלה מעניינת אחרת אשר עולה בעקבות המחקר היא, מדוע tRNA של חלק מחומצות האמינו מצוי בתא בעותק יחיד, ואילו סוגים אחרים מצויים במספר גדול של עותקים? השאלה מקבלת משנה תוקף לאור הממצאים המראים, כי התא פיתח שיטה נוחה להחליף סוג אחד של tRNA בסוג אחר. מדוע המנגנון נעצר אחרי עותק אחד, למרות שקיימים 11 עותקים של tRNA מגבה? "השאלה היא, למעשה, מה 'מרוויח' התא מכך שחלק ממולקולות ה-tRNA הן נדירות", אומר פרופ' פלפל. "התשובה שמצאנו היא, שמולקולות ה-tRNA הנדירות מהוות מעין 'סימני פיסוק', אשר מאטות את תהליך התרגום". הצורך ב"סימני פיסוק" נגרם משום שתרגום החלבונים וקיפולם הם תהליכים המתרחשים בעת ובעונה אחת: התקפלות החלבון למבנה הנכון, הפעיל מבחינה ביולוגית, נעשית תוך כדי בנייתו. בנייה מהירה מדי לא תאפשר קיפול נכון, והתוצאה תהיה הרת אסון לתא. ואכן, המדענים הראו, כי כאשר מחדירים לתא עותקים רבים של מולקולת tRNA נדירה, מתחוללת קריסה מוחלטת של מערך קיפול החלבונים. מתברר, כי מולקולות ה-tRNA "יודעות" מתי הן נדרשות להתגייס ולגבות את חברותיהן, אך יודעות גם מתי טובתו הכוללת של התא דורשת מהן להתקיים בכמויות מועטות דווקא.
 
 
 

החיים ברשת

המדיום הדיגיטלי משפיע לעומק ולרוחב על אופן ניהול חיינו, אולם עד כה הייתה לו השפעה מוגבלת על כתבי-עת מדעיים ועל תקשורת מדעית בכללותה. כתב-העת הדיגיטלי eLife, שהושק בסוף שנת 2012, שם לעצמו למטרה לשנות מצב זה, ולנצל את יתרונות המדיום הדיגיטלי לשם הפצתן ופרסומן של פריצות מדעיות משמעותיות בתחומי מדעי החיים והביו-רפואה. כתב-העת המקוון מבקש להתחרות בכתבי-העת המדעיים המובילים, תוך מחויבות לעקרונות כמו שקיפות בקבלת מאמרים לפרסום, גישה חופשית למידע, ותקשורת פתוחה, יעילה ומפרה עם הקהילה המדעית.
 
מאחורי כתב-העת עומדים שלושה מוסדות יוקרתיים: חברת "מקס פלאנק", המכון הרפואי הווארד יוז, וקרן Wellcome – הקרן השנייה בגודלה לתמיכה במחקרים רפואיים וביו-רפואיים. צוות העורכים של העיתון, ובראשם העורך הראשי, פרופ' רנדי שקמן מאוניברסיטת קליפורניה בברקלי, חתן פרס נובל לפיסיולוגיה או רפואה לשנת 2013 (אשר הודיע כי לא יפרסם עוד מאמרים בכתבי-עת מסורתיים, אליהם אין גישה חופשית – גם לא ביוקרתיים ביותר שבהם), יצר מודל חדש של תהליך קבלת מאמרים ועריכתם, המבוסס על יעילות ושקיפות. את ההחלטה הראשונית בדבר קבלת מאמרים או דחייתם מקבל במהירות עורך בכיר; את בקרת העמיתים מבצעים מדענים פעילים, המבינים לעומק את האתגרים ואת התיסכולים איתם מתמודדים מפרסמי המאמרים; תהליך הביקורת מתבצע תוך שיתוף פעולה בצוות הבוחנים ובינם לבין כותב המאמר, והוא מוגבל לבקשות מהותיות וכן מוגבל בזמן; וחילופי הדברים בין כותב המאמר לבין צוות הבוחנים מתפרסמים לצד המאמר.
 
הגישה הפתוחה והישירה באה לידי ביטוי לא רק מול הקהילה המדעית, מפרסמת המאמרים, אלא גם מול הציבור הרחב. הגישה לכל המאמרים חופשית, מתוך מטרה להרחיב את מעגלי ההשפעה, ולהפיץ את הממצאים בקרב ציבור גדול ככל האפשר. בנוסף לכך, לכל מאמר מדעי מוצמד תקציר פופולרי, כדי להנגישו לקהל הרחב המתעניין במדע, וכתבות נבחרות מקבלות פרשנויות של מומחים בתחום, המסייעות להבינן בהקשר כוללני יותר.
 
אומר פרופ' צחי פלפל: "eLife הוא בשורה מרגשת לביולוגים, שכן הוא מציע 'חוויית משתמש' מרעננת, הגונה, יעילה ואף נעימה, וכל זאת ללא פשרה ביחס לאיכות המדעית. ואכן, לאור המאמרים המשובחים שכבר הופיעו בו, ולאור האמון הרב שהקהילה נותנת בו, יש לכתב-העת, להערכתי, כל הסיכויים להפוך לעיתון מוביל בתחום הביולוגיה".
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם