מוטציות שנשכחו על רצפת חדר העריכה

כשפצע אינו מחלים לגמרי נשארת צלקת. גם מוטציה – שינוי קבוע בקוד הגנטי – היא לעיתים קרובות תוצאה של נזק לדי-אן-אי שלא תוקן כהלכה. מוטציות יכולות לפגוע בתפקוד של גנים ולהוביל למחלות ולהזדקנות, אך הן גם מקור למגוון הגנטי שמאפשר לתכונות חדשות להופיע ולאבולוציה להתקדם. מדענים עדיין אינם מבינים לגמרי מדוע מוטציות מסוימות מתוקנות בהצלחה בעוד אחרות נותרות על כנן. במחקר חדש, שממצאיו התפרסמו בכתב-העת המדעי Nature Communications, הצליחו מדעני מכון ויצמן למדע לפענח אילו רצפים ומבנים בדי-אן-אי הם יעדים מועדפים על כמה מאנזימי תיקון הדי-אן-אי החשובים ביותר. הממצאים ממעבדתו של ד"ר אריאל אפק מרמזים שהעדפות אלה עיצבו את הגנום האנושי ואף עשויות להסביר את הפיכתם של תאים לסרטניים.

מדי יום מתרחשות בתא חי אלפים רבים של תגובות כימיות שפוגעות בגנום. "כשמערכות תיקון הדי-אן-אי עובדות היטב הן מתקנות את מרבית הנזקים אך לא את כולם", מסביר ד"ר אפק. "לפיכך, הקצב שבו מצטברות מוטציות הוא איזון בין קצב הנזקים לקצב התיקון. האיזון הזה משתנה במקומות שונים בגנום, ואנו עדיין לא מבינים מדוע מוטציות מסוימות מצליחות להצטבר באזורים ספציפיים. מרבית המחקרים עד כה התמקדו בשינויים שהותירו 'צלקת' – מוטציה – אך כדי להבין תהליכים אלה במלואם יש לחקור את ה'פצעים' הגנטיים עצמם, כולל אלה שתוקנו והחלימו מבלי להותיר לכך זכר".

מולקולת די-אן-אי נראית כמו סולם לולייני, שכל שלב בו בנוי מזוג אבני בניין שנקראות "בסיסים". במצב התקין ישנה התאמה זוגית – בסיס A תמיד מתחבר ל-T ו-C ל-G. אחת הפגיעות הנפוצות בגנום היא החלפה של C בבסיס מסוג אחר והפרת ההתאמה באחד הזוגות. כמה מאנזימי תיקון הדי-אן-אי החשובים ביותר אחראים לזהות ולהסיר את הבסיס השגוי, ובמחקר החדש ניסו המדענים ממעבדתו של ד"ר אפק לאפיין היכן בגנום הם מצליחים והיכן פחות. לשם כך, הם פיתחו שבב המוצמדות אליו אלפי מולקולות די-אן-אי קצרות שבכולן אותו נזק גנטי, אך הרצף שסביבו משתנה.

""כשמערכות תיקון הדי-אן-אי עובדות היטב הן מתקנות את מרבית הנזקים אך לא את כולם"

"גילינו שכמו עורך טוב הבוחן כל מלה בהקשרה, שלושת אנזימי התיקון שבחנו רגישים לשילוב הבסיסים המדויק שמסביב לטעות", מתארת הדוקטורנטית נגה לוי ממעבדתו של ד"ר אפק, שהובילה את המחקר החדש. "אפילו בסיסים שנמצאים חמישה מקומות במעלה או במורד הסולם משפיעים על הסיכוי שאנזימי התיקון יזהו את אתר הנזק ויקשרו אליו. כשהתעמקנו ברצפים המועדפים מצאנו שהם חולקים תכונות מבניות משותפות. אחד האנזימים, למשל, העדיף רצפים שיוצרים אזור צר במיוחד בסולם הלולייני".

כדי להבין מדוע האנזים מעדיף מבנה ספציפי, חברו המדענים לקבוצת המחקר של פרופ' בריאן פ' וייזר מאוניברסיטת רואן בניו ג'רזי והריצו סימולציה ממוחשבת. הם ראו כי אחת מחומצות האמינו של האנזים סורקת את סביבת אתר הנזק ונמשכת למטען החשמלי השלילי שמאפיין אזורים צרים בסולם.

בשלב הבא, בדקו המדענים האם העדפות אנזימי התיקון השפיעו על המוטציות שהצטברו בגנום לאורך האבולוציה. הם שיערו שבאזורים שבהם אנזימי התיקון פועלים ביעילות יישמרו יותר בסיסי C, בעוד שבאזורים אחרים יצטברו שינויים שלא תוקנו. ואכן, אצל אחד מאנזימי התיקון נמצאה התאמה כזו.

"הממצא סולל דרך להבין טוב יותר את מסלול האבולוציה של האדם", מסביר ד"ר אפק. "כדי לזהות אילו שינויים בגנום אומצו כדי לשרוד שינויים בסביבה, עלינו קודם כל להבין אילו שינויים מצטברים באופן טבעי בשל העדפותיהם של מנגנוני התיקון".

מוטציות אינן רק כוח שמניע שינויים אבולוציוניים כבירים לאורך מיליארדי שנים, אלא גם שינויים לאורך השנים בגופו של אדם בודד. גידולים סרטניים, למשל, מקורם בתא גוף שצבר מוטציות אשר גרמו לו להתרבות ללא היכר. "מצאנו התאמה בין ההעדפות של אנזימי התיקון לבין דפוסים של מוטציות (חתימות גנטיות) בגידולים סרטניים של חולים אנושיים", מתארת לוי. "אפשרות אחת היא שתהליך כלשהו בגופם של חולי הסרטן פגע באנזימי התיקון, וכך מוטציות הצליחו להצטבר באזורים שקודם היו מוגנים. לחלופין, ייתכן שלאורך האבולוציה אנזימי התיקון הותאמו לאזורים שהם מראש פגיעים במיוחד. בכל מקרה, זה מחזק את ההבנה שלנו שלמנגנוני התיקון תפקיד מרכזי בהתפתחות סרטן".

מחקר זה מגרד את קצה הקרחון של מערכת תיקון הדי-אן-אי בתא, ומחקר נוסף שבוצע במעבדתו של ד"ר אפק, בהובלת תלמידת המחקר נגה כרמון, כבר הרחיב את היריעה למנגנוני תיקון נוספים. "הבנת הדרך שבה מנגנוני התיקון 'בוחרים' את אתרי המטרה שלהם פותחת בפנינו דרכים מגוונות לרתום אותם לצרכינו", מסביר ד"ר אפק. "כבר כיום משתמשים באנזימים הללו ככלי עבודה בעריכה גנטית, והבנה מעמיקה שלהם תאפשר לנו לשכלל את הטכנולוגיות האלה, ואולי אף להנדס אנזימים שיספקו לנו הגנה גנטית משופרת. מכיוון שכשלים במנגנוני התיקון הם גורם מרכזי בהתפתחות סרטן, אנחנו מקווים שהבנתם תסלול את הדרך לטיפולים חדשים וממוקדים יותר".

במחקר השתתפו גם ד"ר ורד לוין סלומון, ד"ר נעמה קסלר ועומר ארז מהמחלקה לביולוגיה מבנית וכימית במכון; שרון נ' גרינווד וד"ר מתיו וואנג מאוניברסיטת רואן בניו ג'רזי, ארה"ב.