חלבונים ברשת

01.12.2002
 
פרופ' בני שילה, תלמיד המחקר אביגדור אלדר, וד"ר נעמה ברקאי. רעש ביולוגי
 
 
בתחילת דרכו מורכב העובר מתא אחד בלבד (הנוצר מאיחוד תא הזרע ותא הביצית). כאשר התא הזה מתחלק, מתרבה ומתמיין, העובר גדל ומתפתח. זהו אחד מתהליכי החיים הבסיסיים ביותר, שבלעדיו לא תיתכן התפתחותו של בעל חיים בוגר. אבל כיצד נוצרים ומתפתחים בעובר איברים שונים? כיצד מתא אחד מתפתחות קבוצות שונות של תאים, שמאחת מהן מתפתחים תאי שריר, מהשנייה נוצרים תאי עצב, מהשלישית תאי דם, וכך הלאה?
 
תהליך ההתמיינות, שבו תא עוברי משנה את מבנהו ואת תפקודו ובוחר לו "ייעוד", נובע משינויים בתפקוד המערך הגנטי שלו. כידוע, בכל תא מצוי מערך גנטי שלם (גנום), אך לא כל הגנים הכלולים במערך הזה פעילים באותה מידה. גנים שמתבטאים היטב בתא מסוג אחד יכולים להיות רדומים וחסרי פעילות בתא מסוג אחר. מי קובע אילו גנים יתבטאו (ויגרמו בכך להיווצרות החלבון שאותו הם מקודדים), ואילו גנים לא יפעלו? מתברר שחלק מהתשובה לשאלה הזאת קשור לאיתותים שהתא מקבל מ"העולם החיצון". איתות כזה יכול להיות, למשל, מולקולה של הורמון, או חלבון, שהופרש על ידי תאים אחרים, והנקשרת למולקולת קולטן ייחודית המצויה על קרום התא הקולט. ההתקשרות הזאת פותחת, למעשה, מעין תגובת שרשרת ביוכימית, המעבירה את ה"מסר התקשורתי" של מולקולת ההורמון, ממולקולה למולקולה, בתוך התא הקולט, עד שהאחרונה בשרשרת מוסרת את המסר לחומר הגנטי שבגרעין התא, דבר שיכול לגרום, למשל, להתבטאות של גן מסוים. התבטאות הגן גורמת לייצור חלבון שעשוי לשנות את מבנהו ואת תפקודו של התא, ובהמשך גם להתפתחות איבר באורגניזם השלם.
 
אבל, עוד לפני תהליכי התקשורת הביוכימית התוך-תאית מתחוללים מחוץ לתא הקולט תהליכים מורכבים המשפיעים על עצם היקשרותה - ועוצמת היקשרותה - של מולקולת המסר (ההורמון, או החלבון) אל הקולטנים המתאימים המוצגים על פניו של התא הקולט. שתי קבוצות מחקר מהמחלקה לגנטיקה מולקולרית במכון ויצמן למדע, האחת בראשות ד"ר נעמה ברקאי והשנייה בראשות פרופ' בן-ציון שילה, שיתפו באחרונה פעולה, ויחד עם קבוצת מחקר שלישית, מבית הספר למדעי החיים שבמנצ'סטר, חקרו את התהליכים האלה, ואף יצרו מודל מתמטי המסוגל לחזות אותם ברמת דיוק טובה. ממצאי המחקר הזה פורסמו באחרונה בכתב העת המדעי "נייצ'ר".
 
מתברר, שחלבוני התקשורת המופרשים מתאים שונים מתפזרים במרווח הבין-תאי בדגם קבוע של פיזור מרחבי. שיעור הריכוז של החלבונים האלה באזורים שונים של העובר בכלל, ובקרבת קולטני תא המטרה בפרט, הוא המשפיע על היקשרותם אל הקולטנים, ועל עוצמת ההיקשרות, דבר שגורם לתחילתו של תהליך התקשורת התוך-תאית, המוביל להתבטאות גנים מסוימים ולקביעת גורלו - התמיינותו - של התא הקולט.
 
הפיזור המרחבי של חלבוני התקשורת, מהתא המפריש ועד לתא הקולט, מתקיים בסביבה שמתחוללים בה, בעת ובעונה אחת,תהליכים ביולוגיים ושינויים רבים (מוטציות גנטיות, שינויי חום, ועוד). פעילות ה"רקע" הזאת היא, במובן מסוים, מעין "רעש" שמפריע לפעילותה המדויקת של רשת הפיזור של חלבוני התקשורת. למעשה, בחלק מהמקרים מצליח ה"רעש" לשבש את התנהלות הרשת. ולהשפיע עליה. אבל ברוב המקרים מצליחה המערכת להתעלם מהרעש ולפעול באופן קבוע ואמין. מה מאפשר למערכות האלה להתמודד בהצלחה עם הרעש הביולוגי? זו השאלה שעמדה במרכז המחקר הנוכחי של ד"ר ברקאי וחברי קבוצתה, תלמיד המחקר אביגדור אלדר והסטודנט דניאל וייס,ששיתפו פעולה עם פרופ' שילה ותלמיד המחקר שלו, רוסלן דורפמן. במסלול הפיזור שנחקר על ידם הם מצאו שאמינות המערכת בתנאי "רעש" מושגת כאשר חלבוני התקשורת - שאמורים ליצור את רשת הפיזור, הקרויים BMF - אינם יכולים לשנות את מיקומם בעצמם, והם נזקקים לשם כך לסיועו של חלבון נושא מיוחד, הקרוי SOG. תגלית זו מעלה את השאלה, עד כמה התנאי הזה - שנמצא במערכת מסוימת שעמדה במרכז המחקר - הוא אוניברסלי וקיים גם במערכות אחרות של פיזור חלבוני תקשורת במרווחים שבין תאים "משדרים" לתאים קולטים.
 
בתהליך המעקב אחר רשת הפיזור של חלבוני התקשורת, ובניית המודל המתמטי המתאר את פעולתן, השתמשו ד"ר ברקאי ותלמידיה בכלים פיסיקליים (ד"ר ברקאי, שהשלימה את לימודיה לדוקטורט בפיסיקה, התמקדה בעבודת המחקר הפוסטדוקטורלית שלה, באוניברסיטת פרינסטון, בהיבטים פיסיקליים של מערכות ביולוגיות). שיטות מחקר מתקדמות אלה איפשרו לחוקרים לחשב את הפיזור המרחבי של חלבוני התקשורת באמצעות מערכת של משוואות. המודל שנוצר בדרך זו חזה את חיוניותו של החלבון הנושא SOG ליכולתה של המערכת לפעול באופן אמין בתנאי "רעש". ניבוי זה הוכח בהמשך כנכון, בסדרה של ניסויים שעקבו אחר התמיינות של תאים עובריים.
 

הזבוב

מחקר זה התבצע בזבובי תסיסנית המחקר ("דרוזופילה"). הגנים והחלבונים האחראיים לבנייתם של השלבים השונים במסלול התקשורת הביוכימית בזבובים אלה דומים במידה רבה מאוד לגנים ולחלבונים המקבילים להם בבעלי חיים מפותחים יותר, וכן למקביליהם בגוף האדם. מדובר במערכת גנטית שנשמרה במשך האבולוציה, דבר שמעיד על חיוניותה לתהליכי חיים בסיסיים ביותר. במילים אחרות, הממצאים שהושגו בחקר עוברי זבוב "תסיסנית המחקר" עשויים ללמד אותנו - בהתאמה מסוימת - על העקרונות של תהליכי התמיינות בתאים שונים.
 
חלבונים ברשת
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם