דע את עצמך

לעיתים קרובות אנו מתייחסים לחיידקים כאל גורמי מחלות, אך גם חיידקים יכולים "לחלות". נגיפים, הקרויים פג'ים, תוקפים חיידקים ומתרבים בתוכם. החיידקים, מצידם, נלחמים בנגיפים אלה באמצעות מערכת חיסונית ייחודית. כמו המערכת החיסונית שבגופנו, גם המערכת שפיתחו החיידקים מבוססת על יכולת לזהות גורמים זרים, ולהבחין בינם לבין מרכיבים של החיידק עצמו. הבחנה זו מהווה את האתגר העיקרי מולו ניצבת כל מערכת חיסונית. מדענים ממכון ויצמן למדע ומאוניברסיטת תל-אביב חשפו את המנגנון שבאמצעותו מבדילה המערכת החיסונית של החיידקים בין הדי-אן-אי של הנגיפים שמדביקים אותם לבין הדי-אן-אי שלהם-עצמם. ממצאים אלה פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature.

"פג'ים נפוצים לא פחות מחיידקים, ולעיתים קרובות הם נפוצים אף יותר", אומר פרופ' רותם שורק מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע. "וכמו כל הנגיפים, גם פג'ים משתמשים במנגנונים המולקולריים של התא המארח כדי לשכפל את עצמם – על חשבון המארח. לכן, אם החיידקים חפצי חיים, עליהם לפתח ולהפעיל מערכת חיסונית יעילה".

ההבנה שלחיידקים יש מערכת חיסונית "לומדת" – כזאת המייצרת זיכרון חיסוני – היא חדשה יחסית, והיא התגבשה רק כאשר התגלתה, לפני מספר שנים, מערכת חיסונית חיידקית לומדת הקרויה CRISPR. זו מערכת מורכבת המאפשרת לחיידק "לזכור" התקפות נגיפים קודמות, ולהתגונן ביעילות מפני התקפות חוזרות של אותם נגיפים. במהלך ההדבקה הראשונה "גונבת" המערכת מקטע קצר מן הדי-אן-אי של הנגיף, ומאחסנת אותו במקום מיוחד בגנום של החיידק. מקטע זה מרכיב את הזיכרון החיסוני, ומערכת ה-CRISPR משתמשת בו כדי לזהות הדבקות חוזרות של אותו הנגיף. המערכת מייצרת מהמקטע גדיל קצר של אר-אן-אי, והתאמה בין גדיל זה לבין הרצף הגנטי של הנגיף הבא אשר פולש לחיידק מכווינה את המערכת להשמיד את הדי-אן-אי הנגיפי.

זיהוי שגוי של חומר גנטי עצמי – כאילו הוא שייך לפולש זר, עלול לגרום לחיידק לתקוף ולהשמיד חלקים חיוניים שלו-עצמו (מעין מחלה אוטו-אימונית). ההשלכות של טעות כזאת יכולות להיות קטלניות לגבי החיידק. "כאשר יש בתא, בערך, פי 100 יותר די-אן-אי עצמי מאשר די-אן-אי זר", אומר פרופ' שורק, "יש מקום להרבה טעויות קטלניות כאלה".

כיצד יודעת מערכת ה-CRISPR "לגנוב" רק חלקים של די-אן-אי זר, ולא חלקים מהגנום העצמי של החיידק? פרופ' שורק ותלמיד המחקר ד"ר אסף לוי (שכיום מבצע את מחקרו הבתר- דוקטוריאלי בארצות הברית) – בשיתוף עם פרופ' אהוד (אודי) קימרון ותלמידת המחקר מורן גורן מאוניברסיטת תל-אביב – התמודדו עם השאלה הזאת, וחשפו מנגנון פעולה מורכב ורב-שלבי. הניסוי שביצעו התמקד בפלסמידים – פיסות די-אן-אי קצרות ומעגליות אשר מחקות נגיפים – אותם החדירו לתאי חיידקים. המדענים גילו שמערכת ה-CRISPR מזהה את הדי-אן-אי של הפלסמיד, ויוצרת ממנו מקטעים חיסוניים חדשים ביעילות גבוהה, בעוד שאת הדי-אן-אי של החיידק המערכת כמעט שאינה תוקפת. במחקר נבחנו 38 מיליון אירועי חיסון שונים.

בבחינה מדוקדקת של המקטעים שנלקחו מן הפלסמיד גילו המדענים, שהמערכת יודעת לזהות די-אן-אי אשר משתכפל בקצב גבוה. כך, באופן אירוני, טקטיקת ההישרדות של הנגיף – השתכפלות בכל מחיר – היא המסייעת לחיידק להילחם בו. המדענים הבינו, ששברים קטנים בדי-אן-אי, אשר נוצרים במהלך השיכפול, הם המקור למקטע ש"גונבת" מערכת ה-CRISPR והופכת למקטע חיסוני. כאשר נשבר הדי-אן-אי, נכנס לפעולה אנזים אשר מתקן אותו. אנזים זה משתף פעולה עם מערכת ה-CRISPR – ומוביל לאיסוף הדי-אן-אי הזר.

"זיהוי השברים בעותקי הדי-אן-אי כמקור למקטעים חיסוניים חדשים היה פריצת דרך", אומר פרופ' שורק, "אך עדיין לא נתן הסבר מלא לתופעה זו. שברים קורים באופן ספונטני גם בדי-אן-אי של החיידק, ואנחנו עדיין איננו מבינים איך מערכת ה CRISPR נמנעת מלהתקיף את הדי-אן-אי של החיידק במקרים כאלה".

הפתרון נמצא כאשר הובן תהליך תיקון הדי-אן-אי לעומקו: כאשר מתרחש שבר בדי-אן-אי, אנזים התיקון "מכרסם" מעט מהדי-אן-אי השבור לפני שהוא מתקן את השבר. כשהאנזים פוגש ברצף מסוים של שמונה בסיסים, הקרוי chi site, תהליך הכירסום נפסק, והרצף השבור מתוקן. רצפי ה-chi נמצאים בצפיפות גבוהה מאוד בכל רחבי הגנום של החיידק, כך שאנזים התיקון מכרסם רק מעט די-אן-אי חיידקי במהלך תיקון השבר. אך בנגיפים, וכן בפלסמידים, רצפי chi הם נדירים מאוד, וכך אנזים התיקון, ואיתו מערכת ה-CRISPR, מכרסמים חלקים נרחבים מהרצף הגנטי הנגיפי בעקבות שבר, ותוצרי הכירסום הם המקור למקטע החיסוני שבו משתמשת מערכת ה-CRISPR. כך, רצפי ה-chi מאפשרים לחיידק לזהות את הדי-אן-אי שלו-עצמו, ומונעים ממערכת ה-CRISPR לתקוף את החיידק עצמו.

"השאלה, כיצד נמנעת המערכת החיסונית של החיידקים מלתקוף את החיידק עצמו, הייתה חידה מרכזית בתחום, ואותה פתרנו", אומר פרופ' שורק. "פתרון החידה לא רק מאפשר לנו להבין את המלחמה היום-יומית בין חיידקים לנגיפים לעומקה, אלא גם פותח לנו חלון לשימושים מושכלים יותר במערכת ככלי ביוטכנולוגי בתעשיית המזון".

מערכת חיסונית חדשה

מערכת ה-CRISPR היא מערכת חיסונית יעילה ביותר, אך היא נמצאת רק ב-40% מהחיידקים. אם כך, איך מתמודדים שאר החיידקים – חסרי ה-CRISPR – עם התקפות נגיפים? במעבדתו של פרופ' רותם שורק גילו באחרונה מערכת חיסונית חדשה לחלוטין, הקרויה BREX. מערכת זו נמצאת ב-10% מכלל החיידקים, ומגינה עליהם מפני טווח רחב של נגיפים. המחקר, שביצעו תלמידת המחקר הילה זברו והחוקרת הבתר- דוקטוריאלית תמרה גולדפרב, פורסם בכתב-העת המדעי EMBO Journal.